电力线通信系统初探

电力线通信系统初探

电力线通信系统初探

1． 概述

电力行业的通信系统是为本行业行政管理、调度指挥、继电保护、自动化实施指令、

信息正确不间断传输的保障系统。

电力行业的主要通信系统，随着科学技术的发展已從传统电力线载波通信，跨越式

的发展为数字微波通信，光通信。但电力线载波通信由于不需要重建传输媒体，并能对电力线本身实施复用远方保护，故仍在电力行业得到应用。电力线载波通信本身也已由模拟实现了向数字的转移。

当然，电力行业的通信系统，还包含有：数字行政交换机、数字调度交换机、网络

交换机„等等。随着配电网自动化的发展，低压数字电力线载波机、光猫、电力猫等设备在行业中也得到了广泛的应用。

本文所要讲述的是电力线载波通信，以及与之紧密相关的户外设备：线路阻波器、

耦合电容器、结合滤波器、高频电缆、分频滤波器、高频差接网络等。

2． 主要理论依据

2．1 GB/T14430—1993 （IEC663）单边带电力线载波系统设计导则 2．2 GB/T7255—1998 （IEC495）单边带电力线载波机 2．3 GB/T7330 （IEC353） 交流电力系统线路阻波器 2．4 GB/T4705 （IEC358） 耦合电容器及电容分压器 2．5 GB/T7329 （IEC481） 电力线载波结合设备 2．6 国际大电网会议 （CIGRE） 电力线载波系统导则

2．7 电气及电子工程师学会 （IEEE） 电力线载波应用导则 2．8 美国通用电气公司 （GE） 电力线载波通信应用导则

第1卷 电力线载波系统及音频通道 第2卷 继电保护通道 2．7 国际电话电报咨询委员会 （CCITT） 有关建议 2．8 电力线载波通信系统指南 赵伟 编著

3． 电力线载波通信系统的构成

图1 给出了电力线载波系统组成示意图（单端）。下表是具体的分列：但未包含终端设备。

电 架空线路 力 电 高 传输线路 电力线 电缆线路 电 线 路 频 绝缘架空地线 力 载 通 线路阻波器

线 波 道 耦合装置 耦合电容器、电容分压器 载 电力线载波结合设备 波 高频电缆 系 相 传输设备 电力线载波机 统 关 远方保护设备 系 交换系统 统 电源系统

2

图1 电力线载波系统示意图（单端）

3．1 基本概念

1）电力线和电力设备在运行和操作中存在电晕、电弧和火花放电等现象，使电力线载波通道的噪声较高。为保证传输信号的信噪比，电力线载波机的发信功率较大。

一般来说，电力线载波机的发信功率为：5W/+37dbm、10W/+40dbm、20W/+43dbm、40W/+46dbm、80W/+49dbm.

2）电力线路故障时，载波通道的衰减可能会发生较大的变化，为保证电力系统通信不中断，电力线载波机应具有较好的自动电平调节特性。

一般来说，电力线载波机的自动电平调节范围为40db,有一些好的设备能做到60db. 3）由于电力线载波信号的传输通过电力线，所以电力线载波通道的组织与电网的结构密切相关。电力线载波机一般安装在发电厂、变电所或开关站内。

4）电力线载波通信是电力部门特有的一种通信方式，特别适用于以电力系统各发电厂、变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、远动，及在被保护的电力线路两端间传送保护信号的远方保护系统。

电力系统中的电力线在发电厂和变电所内是连接在公共母线上的，在电力线上开设的电力线载波通道之间有较大的相互干扰。这种通道间的串扰，了电力线载波通道开设的数量，对电力线载波通信的质量也很不利。可以采用合理的安排电力线载波通道的频率和安装阻塞效果较好的阻波器或频率分隔装置等方法解决。

5）电力系统调度通信要求迅速、正确、可靠。电力线载波机一般设有自动交换系统(自动 盘)与用户直接连接，或二线、四线接口，与系统中的交换设备连接。

6）电力线载波传输频率范围，最低频率由结合设备的传输性能及其费用确定，最高频率由传输衰减确定，并考虑无线电信号干扰等因素。我国规定为40～500kHz。

3

7）电力线载波机除传输电话信号外，还需传输远动、数据及远方保护等非电话信号，因此有专用机和复用机之分。电话信号与非电话信号的复用有交替复用和同时复用两种方式。 对复用机而言，一般将电话的上限频率降低到2000Hz 或2400Hz，而将上音频频带供非 电话信号传输复用，也有将有效传输频带扩展到3400Hz 以上的方式，以便安排更多的非电 话信号通路。（如：3480Hz,3850Hz等） 非电话信号：电报、传真、远动、远方保护、数据等模拟或数字信息，采用移频键控(FSK) 或移相键控(PSK)调制以音频方式传送。在数字电力线载波机中可通过RS—232口直接传输数字信息。

电话、电报和传真通路的性能应符合国际电报电话咨询委员会(CCITT)的有关标准。 远动信号一般采用检错校验编码方式，以达到高度的安全性，避免错误动作或丢失信号。 其传输速率从50bit/s 到2400bit/s 或以上，目前多数采用300、600、1200bit/s。

远方保护：

为保护电力设备安全，防止事故扩大，保证电力系统稳定运行和连续供电，在电力系统 发生故障时，需通过远方保护系统在线路两端间高速度地传送继电保护信息，控制两端保护 装置有选择性地快速动作，切除故障。

根据传送信息形式和对保护装置作用的不同，远方保护系统有模拟系统与命令系统两 种。

模拟远方保护在线路两端间传送工频电量的幅值、相位信息。接收端将收到的模拟信息 与本端相应值比较，判定故障发生在被保护线段区内还是区外。

命令远方保护在线路两端间传送改变开关状态的命令：断开或投入，这类命令可分为跳 闸式和闭锁式两种。

跳闸命令又可分为直接跳闸和允许跳闸两种方式。在直接跳闸方式中，不论本端保护的 动作情况如何，接收端收到命令信号后就可以跳闸；而允许跳闸方式，只在接收端收到命令 而且本端保护也动作时才能实现跳闸。

在闭锁方式中，接收端收到命令信号后，禁止本端保护装置动作。

远方保护系统的特点是：允许传送和判别的时间很短，发送信号的次数极少(每年仅数 次)没有预定的发送时间，而且要求保护装置正确动作的概率很高(安全性很高)和丢失命令的 概很低(可依靠性很高)。电力系统发生故障时，线路的干扰和衰减会增加。这时，仍应可靠 地接收远方保护信号。对于直接跳闸式和允许跳闸式保护装置，这点尤为重要。

在电力线载波系统中，远方保护可以专用一条载波通路，也可以和电话信号等复用一条 通路。根据对安全性、可依靠性、需要的操作时间、是否经济以及可用的频带宽度等方面的 要求作出适当选择。

对于传送远方保护信号的复用电力线载波机，通常采用发送保护信号时中断电话及全部 或部分非电话信号，并相应提高保护信号电平的方式(交替复用)。

有些保护专用的电力线载波设备平时不发送载波信号，只在需要时发送很短时间。这种 设备应装设定时测试电路，每隔一定时间，例如24 小时，发一次测试信号，以证实系统是 否工作正常。进行电力线载波系统设计时，对这种平时不发信号的载波设备，在可能发生的 干扰影响等方面，与连续发送电话或其他信号的一般载波机相比，显然应有不同考虑。

3．2 高频通道 3．2．1 传输线路

1） 电力线路及输电方式 （1）架空线路：

导线—单导线 LGJ--ＸＸＸ 导线排列—垂直排列、水平排列、三角排列

4

-- 导线：减少电晕损耗 （ 用于220KV及以上线路） 架空地线（避雷线）：为了减少电能损耗，一般装设放电间隙 （2）电缆线路：用于室内、市区、过江及污染严重地区 （3）输电方式：

交流输电（相） A相 黄 B相 绿 C相 红

线路换位：消除不对称线路三相电压的不平衡；消除对邻近通信线路的危

险感应电压

直流输电（极） 有：；单极线路；同极线路；双极线路。常用负极。以减少地

电流对地下金属管道的腐蚀；减少对通信线路及航海罗盘的影响

2） 使用绝缘架空地线组织电力线载波电路

优点：可靠性高，不受系统运行方式改变的影响 噪声电平比相导线低6—8db

不需要线路阻波器，且耦合电容器工频耐压要求降低

阻抗特性稳定。地线—地方式为400Ω，地线--地线方式为800Ω 缺点：为减小信号衰减，必需采用良导体导线，增加了线路投资 通道受放电间隙和覆冰的影响较大

3） 使用绝缘分列导线组织电力线载波电路

在绝缘分列导线上组织电力线载波电路时，必须首先在工程设计时提出分列导

线绝缘要求。使用绝缘分列导线组织电力线载波电路有以下优点：

线路衰减小，传输距离长

相间跨越衰减要比相地通道高20—30db，有利于频率的重复使用 使用频带宽（可达2MHz），适合组织大容量通信

受其他相线的电晕噪声影响较小，比相地方式低6—26db

4） 线路阻抗

单根导线：相地耦合为400Ω。相相耦合为600Ω；

导线：相地耦合为300Ω，相相耦合为500Ω。

电力电缆：为架空线路的1/20至1/10，一般取相地35Ω，相相70Ω 5） 线路电晕噪声电平

电晕放电取决于导线表面的电位梯度。线路电压等级不同，设计参数不同，导线表

面电位梯度也不同。不同电压等级的电力线在4kHz 带宽内的方均根噪声功率电平取值范围如表1 所示。 线路电压等级 KV 35 110 220 噪声电平范围 dbm ＜--45 -40--- -30 -30--- -22 线路电压等级 KV 330 500 噪声电平范围 dbm -26--- -20 -15--- -10 表1 各种电压等级线路4kHz 带宽内噪声电平范围

导线表面的污染、潮湿、雨水、湿雪能产生很高的噪声电平。线路结构、海拔高度、已用时间、天气状况及污染也对电晕有很大影响。因此，噪声电平应按地区特点及实际经验选取适当数值。不良天气条件下的噪声电平相当于表中较高数值。

如噪声带宽不同，噪声电平的修正值为： Δf(KHz)

△ Pn＝10lg (1) 4(KHz)

5

式中ΔPn——噪声电平修正值，dB；

Δf——实际使用带宽。

对于由若干次中频转接、音频转接或中继增音构成的电力线载波电路，尚需计入噪声积累的影响。当通道中中频转接、音频转接及中继增音的总次数为N 时，噪声电平积累增加值为：

ΔP cum = 10 lg( N +1) (dB) (2)

6） 线路分析

A． 分支线路（T接）

若分支线路在分支点无阻波器时，由于阻抗失配和驻波效应，将产生定间隔的

衰减峰。 150

Δf = (3)

LT

式中：Δf 为衰减峰间隔（KHz）

LT 为分支线长度（Km）

消除衰减峰的措施是在分支点安装阻波器。一般在300M以下的分支线可不装阻波器。

B． 平行线路（Л接）

平行线路最典型的情况是同杆架设和线路Л接。在此情况下，平行线路中有较强的电磁耦合和静电耦合，因此应考虑频率的干扰。 C． 换位线路

按规定，长度超过100公里时，应将杆塔上的三相导线轮流改换位置。

3.2.2 耦合装置

为使电力线兼用于载波通信目的，需要装设耦合装置，包括耦合电容器(或电容分压器)、线路阻波器、结合设备及高频电缆等。耦合装置使载波信号进入电力线及从电力线引出时损耗较小，使通信设备和电力线的工作电压、操作过电压、雷电过电压隔开，减少一次设备对载波信号引起的分流损失，并使通道的线路阻抗不受电力系统操作的影响。 1） 线路阻波器

线路阻波器与电力线串联，连接在耦合电容器与电力线的连接点和变电站之间，或接在 电力线的分支处。线路阻波器主要由能通过全部线路电流的强流线圈、调谐元件和保护元件 组成。强流线圈的电感值为0.2～2mH。线路阻波器的技术要求见GB 7330。

用于提高线路阻波器阻塞效果的调谐元件有几种电路。一种具有单频调谐性能，在一个 载波频带内呈现高阻塞阻抗。另一种具有双频调谐性能，在两个不相邻的载波频带内呈现高 阻塞阻抗。还有一种具有宽频带调谐性能，在一个较宽载波频带内呈现高阻塞阻抗。为保证 阻塞效果，建议按电阻分量法调谐，一般分流损失按GB-7330 不应超过2.6dB，这相当于阻 波器阻塞电阻为线路特性阻抗倍的情况。

强流线圈的电感值和阻塞频率范围见表2

主线圈 宽带型频率范围 （KHz ) RB≥570Ω

电感量 1 2 3 4 5 6 7 0. 1mH 340- 500 295- 400 260-340 240- 300 220- 275 220- 245 0. 2mH 260- 500 224- 360 192-280 168- 228 145- 195 130- 170 115-145 0. 3mH 208- 500 172- 300 148-228 128- 184 120- 1 108- 140 0. 5mH 160- 500 124- 268 100-168 84-124 1. 0Mh 84- 500 72-208 2. 0mH 48- 500 40-152 6

表2 强流线圈的电感值和阻塞频率范围表

推荐的额定持续电流有以下数值：

100A、200A、400A、630A、800A、1000A、1250A、1600A、2000A、2500A、3150A、4000A 2）耦合电容器(或电容分压器)

耦合电容器连接在结合设备和电力线之间，具有承受高电压的性能。耦合电容器的技术要求见GB 4705。

耦合电容器的额定电容量有以下几种：

3500Pf、5000pF、7500pF、10000pF、15000pF、 20000pF 耦合电容器的额定电容量的选择 35KV线路 ：3500pF 5000pF 110KV线路：10000pF

220KV线路：5000pF (2台10000pF 串联)

500KV线路：7500Pf （2台15000pF 串联）或10000pF （2台20000pF 串联） 3）结合设备

结合设备与耦合电容器一起，在电力线和高频电缆之间传输载波信号，由以下基本元件组成：

接地刀闸：在维修和其他需要的情况下，将结合设备的初级端子直接有效地接地，保证 设备和人身安全；

避雷器：来自电力线的瞬时过电压；

排流线圈：为通过耦合电容器的工频电流提供接地通路；

调谐元件(包括匹配变量器)：与耦合电容器一起组成高通、带通滤波器或其他网络，以 提高载波信号的传输效率。

在结合设备工作频带内，工作衰减应小于2dB。

结合设备应尽可能与线路特性阻抗匹配，以提高传输效率。在结合设备的工作频带内， 线路侧和电缆侧的回波损耗应大于12dB。测试时应计及耦合电容器低电压端子杂散电导和 杂散电容的影响。结合设备的其他要求见GB-7329。

结合设备的选择：

应与耦合电容器匹配使用

结合设备的功率选择见表3 （并机数） 结合 50W 载波 5W 20W 80W 3 1 100W 4 2 1 200W 6 3 1 400W 8 4 2 600W 10 5 2 1000W 14 7 3 表3 结合设备功率选择的允许并机数 结合设备的辅助设备：

结合设备的辅助设备有分频滤波器、高频差接网络。这类设备的合理使用可降低变电站桥路的传输衰减。 4）高频电缆

高频电缆接在结合设备的次级端子和载波机之间，按照载波机载波输入输出端不同阻抗的要求，可以用不对称电缆(同轴电缆)，也可用对称电缆。电缆的阻抗值，同轴电缆一般为75Ω；对称电缆一般为150Ω。我国主要采用同轴电缆。

采用同轴电缆时，屏蔽层的接地有不同的方法。

7

如电缆处于同一个接地网范围内，有两种接地方法：一种是将同轴电缆屏蔽层的两端都 接地，另一种是只在载波机一端将同轴电缆的屏蔽层接地。

前一种方法可以保证工作人员的安全，因为在当地的地和屏蔽层之间不会出现电位差。 但是，采用这种接地方式，在发生故障时，同轴电缆的屏蔽层和芯线中会出现工频环流电流。 工频环流将引起其他问题，例如结合设备的线圈有磁芯时将使磁芯饱和；如结合设备和载波 机不在一个接地网范围内，故障时两端地电位可能相差很大，同轴电缆屏蔽层中的环流可能 达到危险程度，使电缆损坏。这时，建议只采用在载波机一端将屏蔽层接地的方法。一端接 地虽没有工频环流，但在结合设备匹配变量器两线圈间会出现电位差。匹配变量器必须按这 种情况设计，对故障时屏蔽层与当地的地之间可能有电位差的问题也应采取预防措施。采用 铠装电缆时也会发生类似问题，应作同样考虑。如采用对称电缆，有些问题可能不致发生。

高频电缆公里衰减见表4

频率 50 电缆型号 100 150 2．34 2．78 200 2．6 3．30 300 2．95 3．74 400 3．48 4．34 500 4．34 5．21 SYV-75-9 1．56 1．82 SYV-100-7 2．17 2．43 表4 几种高频电缆公里衰减 （db/Km） 3.2.3 耦合方式

载波设备与电力线之间的耦合方式，主要有相地耦合和相相耦合两种。 1) 相地耦合

这种耦合方式是将载波设备接在一根相导线和地之间，在每个耦合点只需装一个耦合电容器和一个阻波器，使用设备较少，但其衰减比相相耦合大。在耦合相发生接地故障时，衰减还会增加很多。需要指出，虽然耦合是按一相对地连接的，实际的信号传输却包括其他两相在内，以复杂的方式进行着。

由于相地耦合比较经济，在线路故障时不要求载波通道具有很高的可靠性的一般情况 下，可以采用这种方式。 2) 相相耦合

这种耦合方式是将载波设备接在两根相导线之间，可以用一个相相结合设备，也可以用两个相地结合设备。如用一个相相结合设备，耦合电容器低压端和结合设备之间的距离一般比用两个相地结合设备时大，发生危险或中断的可能性也较大。为了保证安全，通常均以两个相地结合设备进行相相耦合，而将他们的匹配变量器的次级正确连接起来。

这样，这种方式就需要在耦合点装两个耦合电容器和两个阻波器，耦合设备的费用较高。但它的优点突出；衰减低；线路故障，特别是单相接地故障时，衰减变化小，可靠性高；发送的干扰和接收的干扰较小等。

由于80%的线路故障是单相故障，这种耦合方式在实际应用中具有重要意义。 还有一种耦合方式可以看作特殊的相相耦合方式，称为线路间耦合。在同杆架设的双回路电力线上，可以利用每回线路中的一个相的导线组成相当于单回线路的相相耦合，也可以利用每回线路中两个相的导线组成差接形式耦合。采用后面这种耦合方式时，即使一回线路不送电并接地，载波通信也不致中断。 3) 绝缘地线耦合

在电力线杆塔顶部，常架设有一根或两根接地的导线，称为架空地线。其主要作用是防止线路遭受雷击并减少线路故障对邻近通信线的危险影响,

为了降低输电工频损耗，有时将地线用带放电间隙的绝缘子绝缘起来，而在遭受雷击时地线仍可以通过放电间隙使雷击电流泄放，起到防雷的作用。绝缘地线也可以为通信使用，

8

尤其是采用良导体作绝缘地线的材料时，通信效果更好。

绝缘地线载波通信和电力线相线载波通信一样也需要耦合装置，但一般不需要线路阻波器，也无需耐受工频高电压的耦合电容器。因此，绝缘地线通信系统的耦合装置的费用要比相线载波通信的耦合装置低得多。而且电力线电压等级越高，费用差距越大。

在绝缘地线上组织载波通道，几乎不受电力系统运行方式改变的影响。绝缘地线载波通道中的线路噪声电平也比电力线相线载波通道的噪声电平低。但是非良导体的地线传输衰减较大。实际使用时，还必须注意防止正常运行时的工频感应电压通过地线绝缘子的间隙放电，线路两端的耦合装置的工频接地也必须良好。 3) 电力电缆耦合

与架空电力线的耦合一样，载波信号也可以与电力电缆进行耦合。在三相电缆或三根单相电缆上作相地或相相耦合都可以。相相耦合的衰减较小，但费用较多。

电力电缆的特性阻抗很低，为架空线的1/20 至1/10。因此，与架空线耦合方式相比，阻波器的电感量可以减小，但在相同频段上耦合电容器的电容量却要增加相等倍数。 3.2.4 载波频率分配 1) 基本载波频带

在我国，大多数单边带电力线载波系统采用4kHz 为基本载波频带，也有少数选用 2.5kHz。在一个电网内，不宜同时采用4kHz 及2.5kHz 两种基本载波频带。考虑到电力线载 波通信多种目的的应用要求以及与国家电信网标准相适应，建议优先选用4kHz 频带。 2) 频率分配的目的

电力线载波系统的频率范围是有限的，为了经济合理地利用频率资源，必须对各电力线载波通道的发收频率作周密细致的安排。这就是频率分配。

电力线上存在噪声，载波信号在电力线上传输，其衰减受频率等各种因素的影响。要通过计算，使线路传输衰减在允许范围内，以满足规定的信噪比要求。

电力系统是闭合的网络，各电力线载波通道之间存在着较大的相互串扰影响。为保证电力线载波通道的传输质量，载波机对来自相邻通道(包括在同一厂站或不同厂站中运行的通道)的干扰应具有一定的抑制能力。抑制干扰的能力除取决于电力线载波机的技术性能外， 还需在通道衰减计算的基础上，通过妥善安排通道频率，合理利用通道之间的跨越衰减实现。

频率分配的目的，就是将相邻载波通道之间的串扰影响在允许的限度内，以及最大限度地利用频率资源。

由于各种型号载波机的性能不尽一致，应按制造厂的规定统一划分和组合整个载波频率范围内的通道频率。 3) 频率分配的原则

工程设计中的频率分配工作，是依据组织电力线载波通道的要求，在已选定机型的条件下，选择具体的电力线载波通道的工作频率，包括发信频率、收信频率以及本机或邻机的工作频带之间的间隔。

为了经济合理地利用电力线载波频率资源，建议先将载波频率范围按基本载波频带(通常以B 表示)的整倍数，依据电力线载波机技术条件要求的频带间隔，划分组合载波通道， 一般遵循以下原则：

对于双工工作的载波机，本机发收信频带间隔一般为3～7B，或以工作频率的5%～10%作间隔。当载波机设有高频差接网络时，本机发收信频带可以紧邻，即无间隔。

相邻通道的载波机互为干扰机和被干扰机，它们之间的频带间隔应考虑发信—发信，发信—收信，收信—收信三种情况：

对于直接并联在同一相上运行的载波机，考虑其发信—发信频带间隔的因素有：干扰载波机对工作载波机发信功率放大器过载的影响；干扰载波机对工作载波机发信功

9

率分流的影响。

考虑发信—收信频带间隔与收信—收信频带间隔的因素基本一致；收信支路可能出现的过负载；满足串音指标的要求。两者的差别在于发信对收信的干扰影响要比收信对收信大得多。

然后，再按以下原则选用安排每一通道的实际工作频率： a.优先安排远方保护和重要用户的载波通道频率； b.先长通道，后短通道；

c.在满足信噪比和线路衰减的条件下，选用较高频率，保留较低频率； d.对可能覆冰的线路，选择较低频率； e.尽可能地重复使用频率。 分配频率时，应注意到在有些地区某些频率可能是不能使用或使用的。例如长波无线电广播的频率、授时无线电信号台、航空无线电通信和罗盘的频率以及电力线附近明线载波通信使用的频率等。

对于接在同一耦合装置(结合滤波器、线路阻波器等)上的载波设备，应注意选择其频率都在耦合装置的工作频带以内。

同一厂站内，不论是在同一电压等级还是不同电压等级线路上的电力线载波通道，一般均不重复使用频率，尤其应注意不使发信频率与收信频率相同。在同一电压等级电网中，通常需相隔两段电力线且有阻波器阻塞时，才允许重复使用频率。

若经过核算或实测不能重复使用频率，而通道组织又要求必须重复使用频率，建议在变电站不同方向的两条出线的三相都串接宽频带线路阻波器；在阻波器和母线之间对地并接电容器；在电容器低压端子连接调谐元件，构成频率分隔装置，将电力线载波网分隔成两个区域。在分隔频带内，两区之间跨越衰减很大(一般为50～60dB)。这样就可以重复使用 频率。

装设频率分隔装置费用较高，可能受到开关站场地的，一般不采用。只在重要而又非常必须的情况才予以考虑，并应在变电站的一次系统设计中予以安排。

远方保护专用收发信机的工作频带较窄。进行频率分配时，应使它只占用一个载波频带，中心频率宜与标称载波频带的中心频率一致。在基本载波频带为4kHz 的电力线载波系统中，保护专用机频带的中心频率可选为4n+2kHz,n=10,11, 12,⋯⋯124。 3.2.5 最佳耦合方式

在按传输原理的对称分量法和模式分析法对传输线路进行理论分析,并经实测验证, 传输线路的最佳耦合方式如下:

1) 均匀线路(水平、三角、垂直)的最佳耦合方式

相地耦合：中相（或顶相） 相相耦合：中相—边（顶）相

2）换位线路的最佳耦合方式

相地耦合：奇次换位为几何对称的中—边相位置 相相耦合：偶次换位为旋转对称的中—边相位置

3．3 传输设备

传输设备包括：电力线载波机和远方保护设备。对电力线载波机复用机而言，电力线载波机中已包含了远方保护设备。远方保护专用收发信机则是配合保护屏传输保护命令的一种专用设备。

本文要说明的是电力线载波机。

电力线载波机遵循GB/T7255—1998 （IEC495）单边带电力线载波机国家标准。大家

10

都是这方面的专家。这里只是介绍数字电力线载波机。

3．3．1 数字电力线载波机概述

数字电力线载波机是一种利用高压输电线传输话音和远动数据信息的传输设备。它产生于本世纪初，在国外，其代表的设备有：挪威挪拉公司的ACE.32；西门子公司的ESB—2000；西班牙DIMAT公司的OPD—1等.在国内,先是由深圳瑞迪科通讯系统有限公司引进新西兰的M340复接器,并由各整机厂组合成数字电力线载波机.以后,具有研发力量的整机厂陆续研发出有自己知识产权的数字电力线载波机.

数字电力线载文波机和单边带电力线载波机相比,有同样4KHZ带宽的情况下,可以传输多个话音或远动信息的优点,但对高频通道的总衰减及信噪比提出了较高的要求.故这种新设备虽然被电力行业通信部门接受,但在实际应用中常常遇到传输不稳定的问题,特别是高频通道比较复杂的电路更加困难.

目前,对于数字电力线载波机尚无国际标准,为了规范国内数字电力线载波机的生产,中电联正在组织制定数字电力线载波机行业标准,予计今年颁发.

3． 3。2 新概念和新技术

1）新标准和GB/T7255--1998的关系 新标准与GB/T 7255-1998《单边带电力线载波机》（eqv IEC 60495: 1993）都是电力线载波机标准，两者的对象分别是数字式和模拟式电力线载波机。本标准采用了GB/T 7255-1998中适用于数字电力线载波机的技术要素；根据数字电力线载波机的性能特点，修改了其中部分技术要素，赋予新的内容；增加了必要的技术要素。本标准与GB/T 7255-1998相比，主要相同及差异部分如下：

— 引用了工作条件、输出输入端的标称阻抗、回波损耗、分流损耗及对地平衡度等要

求和试验方法，以及绝缘及电磁兼容性的试验方法； — 对绝缘及电磁兼容性的要求作了编辑性修改；

— 对基本载波频带、峰值包络功率及平均载波输出功率等术语的定义作了技术性修

改，规定了相应的要求和试验方法； — 对乱真输出、自动增益控制和选择性的要求作了技术性修改，规定了相应的试验方

法； — 增加了数字电力线载波机、总传输速率、接收电平范围、容许信噪比及语音质量

的感性评定等术语和定义，规定了相应的要求和试验方法； — 增加了发送接收频带间隔、峰值包络功率与平均载波输出功率的差值、频率准确

度、数据传输时延、数据传输比特差错率以及监测与设置功能的要求，规定了相应的试验方法； — 检验增加了规则及标志、包装、运输和贮存。

2）新概念

A．数字电力线载波机

采用数字通信技术，在电力线上以数字信号传送信息的电力线载波机。

注：数字信号是指其信息由若干明确规定的离散值表示，而这些离散值的特征量是可以按时

间提取的时间离散信号。

时间离散信号是指在时间上顺序排列的若干码元所组成的信号，其中的每个码元都具有

可以传递信息的一种或多种特征，例如，它在时间上的位置、持续时间、波形和幅度等。

电力线载波的数字信号是在电力线载波频率范围内，幅值、相位或频率不是在时间上连续

11

变化，而是离散变化的一种正弦信号。

B． 基本载波频带

在电力线载波频率范围内划分的基本单元，即分配给一对数字电力线载波机的发送或接收频带。

C．标称载波输出功率

在满足乱真输出要求及载波输出端终接阻值等于标称阻抗值的电阻负载情况下，载波机输出的峰值包络功率的设计值PEP。

注：在数字电力线载波机里，峰值包络功率是数字调制信号中对应于电压幅值最大的信号码元的功率。

D。平均载波输出功率

在相当长时间内数字电力线载波机实际发送频带内所有瞬时功率的平均值。在试验时间内输出功率应达到最大设计值。

注： 这里的“实际发送频带”不是标称载波发送频带，而是能量占全部输出能量99%的发送频

带，其带宽应小于基本载波频带带宽B，可以通过频谱仪测量得出。

平均载波输出功率与标称载波输出功率的比值，或两者相差的分贝值，取决于数字电力线载波机的数字调制方式。

平均载波输出功率应采用频谱仪测量，也可近似地认为电平表测量所得的数字调制信号的输出功率就是数字电力线载波机的平均载波输出功率。

E。总传输速率

数字电力线载波机在标称载波频带内传输数据的总速率（kbit/s）

注： 总传输速率是数字调制组帧的所有比特（包括同步、电话、数据、纠错、管理和其他开销

所用的比特）的传输速率，决定于数字调制方式、基本载波频带宽度等因素。总传输速率高于数据口的最高数据传输速率。

F．接收电平范围

在接收端信噪比为规定的容许信噪比值情况下，数字电力线载波机能保持同步并满

足比特差错率要求所容许的载波信号接收电平变化范围。

G．容许信噪比

在规定的总传输速率及符合比特差错率要求情况下，载波机接收信号的平均功率电

平与实际接收频带内白噪声干扰电平的最低容许差值。

注： 这里的“实际接收频带”不是标称载波接收频带，而特指经接收滤波后形成的接收频带，

其带宽小于基本载波频带带宽B，可认为与实际发送频带的带宽相等。实际接收频带带宽主要用于噪声电平计算，也称它为“噪声带宽”。

H．语音质量的感性评定

一种窄带电话网络及语音编解码的、端对端的语音质量客观评定方法。（见ITU-T

P.862建议书（02/2001））

I．固有比特差错率

12

在不加噪声情况下，一对数字电力线载波机在相当长时间内传输数据的平均比特差

错率，用以表征载波机因载波机内部固有因素引起的误码性能。 3）新技术 A．话音压缩编码

在数字通信设备中,话音编码的速率为Kbit/s(PCM设备),32Kbit/s(ADPCM设

备).

在数字电力线载波机中,由于在4KHZ基本载波频带内的传输速率一般不超过

28.8Kbit/s,为了实现在一个话音带宽内传输多个话音或远动信息的目的,常应用不同的算法,对话音进行压缩编码,目前常见的是压缩为:6.3Kbit/s;5.3Kbit/s;2.4Kbit/s;也有压缩为:9.6Kbit/s;7.2Kbit/s;4.8Kbit/s的.

B．数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑列阵(FPGA)

高速数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑列阵(FPGA)组成一个高科技的硬件平台,

完成数字电力线载波机的核心功能:数字调制解调; 话音压缩解压缩;数据复分接;滤波;时基电路;用户交换;智能控制及管理等等.

应用这一高科技的硬件平台,可使数字电力线载波机实现高集成化,并从根本上提

高设备的可靠性和稳定性.但是，每个生产厂所构建的硬件平台不同，调制方式不同，算法不同，总体设计的指导思想不同，生产中采用的工艺不同，故每个生产厂的数字电力线载波机性能、功能、稳定性、可用性也会不同。

C．调制方式

QAM调制—正交幅度相位调制 OFDM--正交频分复用技术

D．数字电力线载波机能实现设备运行参数（两侧）的实时监测和管理。

3．3．3数字电力线载波机的未来展望

随着科学技术的发展和进步，数字电力线载波机对电力行业的信息传输仍有可使用

的价值，首先，它的传输媒体是电力线，不需要化资金重新建设线路；从技术上讲，数字电力线载波机复用远方保护，以及高速宽带数字电力线载波机的研制成功，将使电力线传输动态图象成为现实。目前，已有数字电力线载波机生产厂和科研机构在研制具备上述功能的数字电力线载波机，予期在今年能进入实用化阶段。因此，有些地区仍然将电力线载波通信作为备用通道是正确的。

4． 电力线载波通道的衰减

电力线载波通道的衰减包括线路衰减、耦合损失和桥路损失三部分。

线路衰减主要由以下参数决定： a.线路长度和导线排列；

b.相导线的结构和材料； c.地线的结构和材料；

13

d.载波频率； e.耦合方式； f.大地电阻率； g.铁塔效应； h.天气情况；

i.线路的不均匀性(换位、分支、插入电缆等)。

耦合损失包括：

a.经过结合设备和高频电缆的损失；

b.由于阻波器和未阻塞相泄漏引起的载波信号分流损失； c.其他损失，例如因并联载波机引起的分流损失。 桥路损失是指载波信号在通道中经过高频桥路时的损失。 4.1 线路衰减 4．1．1 工程计算法2

如线路电压为220kV 或以下，且为相地耦合方式，可用以下经验公式计算线路衰减： A = kl√ f ( dB) (4)

式中 k——与线路电压有关的衰减系数，见表5；

l——线路长度，km； f——工作频率，kHz。

电压等级，kV K 35 12.2×10-3 110 8.7×10-3 220 6.5×10-3 表5 系数k 与线路电压的关系

这个公式虽然实用，但其中系数k 只考虑了线路电压等级的因素，而对大地导电率、导线型号、线路结构等完全没有考虑，因此也比较粗略。如考虑到以上因素的影响，使计算结果更接近实际情况，可采用以下公式计算线路衰减：

A = k1 l√ f + k2 lf (db) (5)

式中 k1——与导线型号有关的系数，见表 5 ；

k2 ——与线路电压等级、线路结构有关的系数，见表6 ； l——线路长度，km； f——工作频率，kHz。

K1 LGJ-70 LGJ-120 LGJ-185 LGJ-240 LGJ-300 LGJQ-300 LGJQ-400 6.3*10-3 4.7*10-3 3.7*10-3 3.3*10-3 3.0*10-3 2.9*10-3 2.6*10-3

表6 系数k1 与导线型号的关系

14

线路电压等级 KV 三角形排列 水平排列 双回路垂直 35 9.0×10-5 9.0×10-5 110 12.0×10-5 23.0×10-5 16.0×10-5 220 25×10-5 37.5×10-5 25.0×10-5 表7 系数k2 与线路电压及结构的关系

4.1.2 工程计算法1 1) 线路衰减计算式

这个方法以大量经验数据为基础，按模式分析理论，略去传输衰减较大的模式，仅计算传输损失最低的模式的衰减、模式转换损失和附加损失。

线路衰减计算式为：

A =α1 l + 2A C + Aadd (6)

式中 A——线路衰减,dB；

α1——最低损失模式的衰减系数，dB/km；

l——线路长度，km；

Ac——模式转换损失，即全部模式的总输入功率电平与最低衰减模式以外的

其他模式的输入功率电平的差值，dB,见图2 （P17）；

Aadd——由于耦合电路、换位等不连续性引起的附加损失，dB，见5.1.2 3) 条

线路排列及耦合方式及表8。

线路排列及耦合方式 (图2a～j) a ρ=30～300Ωm ρ≥1000Ωm b c d ρ=30～300Ωm ρ≥1000Ωm e f g h i j 换 位 数 0 0 0 0—3 0--3 0—4.5 0—4.5 0--3 0--3 2--10 2--10 2--10 0--1 1 6 6 6--12 6--12 8.5—11 8.5--12 4--8 4--8 2—10 2) 2—10 2) 2—10 2) 0--4 2 3--8 1) 1—10 1) >2 6--12 6--12 2—10 1) 0—8 1) 4--8 4--8 2—10 2) 2—10 2) 2—10 2) 2—8 2) 6--12 6--12 4--8 4--8 2—10 2) 2—10 2) 2—10 2) 2—8 2) 15

表 8 不同线路排列及最佳耦合方式的附加损失 注：①lfmax≤105km·kHz(≤330kV)；

lfmax≤5×104km·kHz(＞330kV)。

②lfmax≤2×105km·kHz。

图3 中列出了曲线，可用查曲线的方法得到α1值。（ 图3见P19）

曲线对于电压在150kV 以上，大地电阻率约100～300Ωm 的大多数线路是很近似的 (300kHz 以下误差±10%，500kHz 以下误差±20%)。 2）均匀线路的附加损失

不同耦合方式的选择，对垂直排列和三角形排列的单回线的影响不如对双回线明显，但对水平排列的线路则影响很大。水平、垂直和三角形排列的线路的最佳耦合方式和模式转换损失Ac 如图2 所示。（图2见P17）

各种排列的线路采用最佳耦合方式时，附加损失Aadd 的近似值如下：

——单回路，垂直或三角形排列：Aadd≤3dB，相地及相相耦合。

——双回路，垂直或三角形排列：Aadd=2～10dB，相地及相相耦合；Aadd≤1dB，双回路差接耦合(图2j)。

——单回路，水平排列：Aadd=0dB，相地耦合；Aadd=0～6dB，相相耦合。

3）不均匀线路的附加损失

线路的不均匀点，例如线路换位、线路分支或架空线接电力电缆等，会引起严重问题。 作电力线载波系统设计，对此需慎重研究。

线路换位对载波信号传输的影响由线路的参数和长度、耦合方式、换位形式和次数、大地电阻率、载波频率等决定，有时会使线路衰减增加到不能容许的程度。

在单回路垂直或三角形排列的线路上，如果线路两端的耦合实接在一根导线上，则附加损失实际上与载波频率、换位形式及次数无关，可以采用以下数值： 相地耦合：Aadd=6～12dB；

相相耦合：Aadd=4～8dB。

在双回路垂直或三角形排列的线路上，附加损失Aadd 决定于换位次数、线路参数、大地电阻率、耦合方式以及载波频率与线路长度的乘积，实测的数值为2～10dB 甚至20dB。遇特殊情况时，建议通过模式计算程序或对所用线路作现场实测，求出衰减值。

在水平排列的线路上，选择正确的耦合方式和载波频率范围是很重要的。如采用图4 的最佳耦合方式，附加损失为： a.中点换位情况

相地耦合(图4a)：Aadd=6dB；

相相耦合(图4b,c)：Aadd=8.5～12dB。

因为模式不会抵消，上述数值适用于整个频率范围和任何线路长度。

b.等距换位情况

附加损失与载波频率、线路参数、大地电阻率关系很大，并有模式抵消的可能。因此， 对电压330kV 以下线路，线路长度与载波频率的乘积(l·f)应不超过105km·kHz；对更高电 压的线路，应不超过5·104km·kHz。在大多数情况下附加损失约为：

16

17

图 2 最佳耦合方式及模式转换损失Ac

相地耦合(图 4d)：

Aadd=1～10dB，大地电阻率ρ≥1000Ωm； Aadd=3～8dB，大地电阻率ρ=30～300Ωm。 相相耦合(图 4e)：

Aadd=0～8dB，大地电阻率ρ≥1000Ωm； Aadd=2～10dB，大地电阻率ρ=30～300Ωm。

在上述数值范围中，较高值适用于以上l 乘积较高情况，较低值适用于lf 乘积较低情况。

以上附加损失数值综合列于表8。

图4 相地耦合、相相耦合的最佳方式

18

图3 最低损失模式的线路衰减常数α1

dc—相导线的直径，mm；n—导线束的分导体数

19

4．1．3不良天气情况下的线路衰减

载波信号在线路上的传输要受雨、雾、冰、雪等天气情况的影响。雨、雾增加不了多少衰减，一般可以不计。

有时，在工厂区或海边，下一次雨可能将电力线绝缘子表面冲洗干净，衰减反会减少。 线路结冰情况不同，通道的传输衰减可增加到不能允许的程度，设计人员必须考虑。当然，架空线路全线范围都结冰的情况是很少出现的。

线路结冰时，衰减的增加与以下因素有关： a.电力线的排列； b.导线冰层的厚度； c.环境温度； d.载波频率。

导线冰层厚度为0.5mm 时，对于300kHz 以上频率，衰减系数增加到1.5～2.0 倍。频率愈高，衰减愈大。结冰极端情况下，受影响线段的衰减系数可增加到好天气的6 倍以上。导线增加的倍数较少。因此对于会结冰的线路，建议选用较低频率。

4．2耦合损失

耦合损失包括三部分。

4．2．1耦合装置和高频电缆的损失

按照GB7329 规定，由结合设备及其所接的耦合电容器组成的四端网络的综合损失(工作衰减)，在整个工作频带内应不大于2dB。这部分损失包括耦合电容器介质损失在内，一般小于1.3dB。

在40kHz 至500kHz 范围内，高频电缆的衰减一般为1～5dB/km。 4．2．2分流损失

按照GB 7330 规定，阻波器的分流损失不应超过2.6dB，见3.2.2 条。 4．2．3附加损失

几台电力线载波机的发送接收部分并联接往共同的耦合装置时，每台载波机因并联分流会增加损失0.5～1dB。设计时，应给这损失留有裕度。

4．3桥路损失

高压电网的结构常和通信网络的要求不一致，电力线载波通道的终端不一定都是电网的 终端。有时电力线载波通道要在有中间变电站的两段线路上建立；有时电力线载波信号又要 通过中间站继续传送。从费用和频率分配的观点看来，全部装设载波机进行音频转接是不经 济的，常用的方法是装设高频桥路。高频桥路还可以防止带电一侧的线路的工作电压传到不 带电的一侧去。高频桥路由两端带通滤波器式的耦合装置组成，其间用高频电缆连接，并按 一般方式装设阻波器。这种桥路的通带等于耦合装置的通带，其附加衰减包括结合设备、线 路匹配变量器、高频电缆引起的损失。在直通桥路情况下，损失的典型值为4～8dB；桥路 上并联本地载波机时，为5～9dB。 在相地耦合情况下，信号通过中间站的桥路和通过未加工相导线而到达下一段线路的输 入端。由于通过这两条途径的信号电压间的相互作用，可能使桥路损失在某些频率处增大。

一条已有的线路需π接入一个新建变电站时常会出现线路平行情况，这时两条平行的线 路由原来线路的π接处引入新变电站。为了维持原有的通道，需在新变电站增设高频桥路， 而平行线路间的感应会形成载波信号传输的另一条途径。与上述情况相似，桥路损失可能会 在某些频率处增加。

改变结合设备中匹配变量器极性方向，有时可以使上述桥路损失增加减少

20

4．4 通道总衰减计算

电力线载波通道的总衰减，包括线路衰减、耦合损失、桥路损失三部分。如线路衰减采 用4.1.2 条方法计算，耦合损失、桥路损失可分别按4.2，4.3 条方法选取，总衰减为这三者 的和。

由于在这几条中各种损失都有一定的数值范围，设计时往往不易取值。 在进行系统设计时，也可采用下式计算通道总衰减：

Atot =A+7.0N1+3.5N2+ 0.9N3+Acab +Ater （7） 式中Atot——电力线载波通道总衰减,dB；

A——按式(5)、（6）或式(4)计算的线路衰减，dB； N1——通道中高频桥路数；

N2——通道中中间载波机与无阻波器分支线数之和； N3——通道两端并联载波机与有阻波器分支线数之和； Acab——高频电缆的衰减，等于电缆每千米衰减值(dB/km)与其长度(km)的(dB)(如

电缆不长，此衰减可忽略不计)；

Ater ——终端衰减，取为5.7dB，其中发送终端衰减为3.5dB，接收端因结合设备使

信号和噪声同时衰减，不影响信噪比，所以不计结合设备的衰减1.3dB。

通道总衰减的这种计算方法比较简单，误差一般在工程设计允许的范围内，可以使用。

5．电力线载波通道的允许衰减

电力线载波通道的允许衰减值，由载波系统的噪声、信噪比允许值、信号发送电平、储 备电平等因素确定。

5．1 电力线载波系统的噪声

电力线载波系统的噪声由电力系统的运行产生，一般有两种：

a.由跨过绝缘子及导线表面不规则放电(电晕)引起的、连续不断类似白噪声的噪声，称 为电晕噪声；

b.由隔离开关及断路器操作，短路故障电弧、雷电放电等引起的，高幅度短而尖的突发 脉冲群，称为脉冲噪声。

在电力线载波系统设计中，首先需考虑电晕噪声的影响。

电晕放电取决于导线表面的电位梯度。线路电压等级不同，设计参数不同，导线表面电 位梯度也不同。不同电压等级的电力线在4kHz 带宽内的方均根噪声功率电平取值范围如表 1 所示（祥见P5）。 5．2 信噪比允许值 5．2．1 电话

对于传输电话信号的电力线载波通道，即使在不良天气条件下，也应保证在音频端以噪 声计测得的信噪比不低于26dB。在设计载波通道时，接收机输入端的载波信噪比往往取30～ 40dB。使用压缩扩展器后，性能改善约10dB。因此，一般天气音频输出端的信噪比可达40～ 50dB。

5．2．2 远动信号

远动或数据信号在电力线载波系统中一般采用移频键控调制方式(FSK)传输。对于这种 调制方式，在不良天气条件下，信噪比取为16dB 是允许的，能满足一般传输要求。 5．2．3 远方保护

专用于传送远方保护信号的载波机，与传送电话、远动信号的载波机不同。为了避免电

21

力系统的脉冲噪声干扰，一般将接收机灵敏度设计得很低，不按电晕噪声电平及信噪比来考 虑必需的信号接收电平值，而以制造厂提供的最低接收电平值进行通道设计。 5．3 各种信号发信电平分配

各种信号发信电平分配适用于频分制的模拟载波机。 5．3．1 各种信号电平分配原则

a.载波机内各种信号的输出电压的总和等于峰值包络功率相应的电压值； b.话音限幅器的限幅电平等于测试信号标称电平； c.各通路的线路噪声功率与通路噪声带宽成正比；

d.呼叫及远动等各种非电话信号都采用移频键控调制； e.各通路的信噪比裕度相等；

f.考虑压扩器对电话通路的改善作用；

g.以50bit/s 移频键控通路为计算电平分配的参考通路。

本方法不适用于在电力系统发生故障时发送的远方保护信号。 5．3．2 常投压扩器、复用600Bd远动发送电平见表9。 机 型 输出功率电平 PPEP 话音发送电平 PA 远动发送电平 P600 5W +37 +29 +27 10W +40 +32 +30 20W +43 +35 +33 40W +46 +38 +36 80W +49 +41 +39 表9 常投压扩器、复用600Bd远动发送电平（dbm） 5．4 通道储备电平

满足电力线载波通道最低信噪比要求的接收电平称为最低收信电平。该电平值显然高于 电力线载波机本身的收信灵敏度，可由下式计算：

Pmin =Pn(a) +S/Nmin(a) (8)

式中 Pmin——电话通路的最低收信电平，dBm；

Pn(a)——电话通路带宽内的噪声电平，dBm，参照6.1 条表6、式(7)及式

(8)，依地区情况和实际经验确定；

S/Nmin(a)——电话通路允许最低信噪比，取为26dB。

为保证通路音频输出端信噪比，在进行电力线载波通道设计时，必须留有足够的储备电 平，从而在通道总衰减Atot 因各种原因变化时，通道的实际接收电平不会低于最低收信电平Pmin。

不同用途、不同地区条件下的通道储备电平Pst，建议按表10 取值。

通道性质 一般通道 重要通道 结冰或严重污染地区的通道 通道储备电平 4 6--9 9--13 表 10 通道储备电平Pst dB 5.5 通道允许最大衰减

考虑到通道储备电平以后，通道实际允许的最大衰减为：

Amax =Pa−Pmin − ΔPcum −Pst (9)

式中 Amax——通道允许最大衰减，dB；

Pa——电话信号发信电平，dBm，表9；

Pmin——电话信号最低收信电平，dBm，式(8)；

22

ΔPcum ——考虑转接后噪声电平积累增加值，dB，式(2)；

Pst——通道储备电平，dB，参见表10。

以上观点和意见，若有不妥之处，请批评指正。

23