上海地區典型臺區電力線噪聲環境研究

陳　明　蔡曉君　陳　勐　國網上海市電力公司市南供電公司

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上海地區典型臺區電力線噪聲環境研究

陳明蔡曉君陳勐國網上海市電力公司市南供電公司

摘要：隨著上海地區用戶用電信息采集系統的規模不斷擴大，目前上海用電信息采集系統全部采用載波通信方案，而對影響載波通信效果的關鍵性因素是噪聲。對上海地區類型臺區噪聲進行采集、歸納分析，從而得出上海區域電力線噪聲特點，對上海用戶用電信息采集系統建設、運維、調試提供有效的數據支撐。

關鍵詞：用戶用電信息采集系統；電力線噪聲；載波

載波通信（Power Line Communications，PLC）是以電力線作為通信媒介的一種通信方式，電力線從來就不是一種理想的通信介質，但隨著技術的不斷進步，特別是調制技術及微電子技術的發展，使得PLC的實用化成為可能。由于電力線載波具有充分利用電力線現有資源、無需重新鋪設線路，電力線無所不在、使用方便，幾乎不需維護或維護量很小，以電力線作為通信通道可靈活實現即插即用等特點，它已經成為用戶用電信息采集系統主要的通信方式[1]。載波通信效果主要受到電力線的噪聲、阻抗、衰減等3個參數影響，如何進一步提高在電力線的通信性能，實現高速、可靠的長距離通信，依賴于對通信信道特性的準確把握。

1　上海地區臺區分類

（1）農村

臺區特點：用電類型單一，以架空線布線居，電表較分散，臺區半徑較大。

應用概述：噪聲影響較小，由于線路較長，造成的衰減很大。

（2）舊居民小區

臺區特點：用電類型多且復雜，以架空線布線居多且電能表布置較為集中。

應用概述：阻抗不匹配導致載波臺區非對稱性，分支多造成信號衰減比較大。

（3）高層居民小區

臺區特點：用電類型多以地纜布線居多，臺區半徑小但一般有大型變頻設備(如變頻水泵)，存在無功補償設備。

應用概述：變頻水泵工作時間一般在交流電非過零時間段，且工作頻率一般為低頻（30～300kHz），無功補償設備對PSK造成相角偏差。

2　電力線信道特點及其噪聲分布

2.1電力線通信信道特點

由于低壓電力線主要任務是在短距離內對50 ／60 Hz電能實行分配，故與專用的通信線路相比，其信道環境極為惡劣。主要原因如下：

（1）在廣闊的范圍內遇到干擾信號。如用戶的各種電氣設備，特別是陳舊的和有質量缺陷的電器，會給電力線上傳送的信號帶來災難性的干擾。

（2）電力網絡上的阻抗隨負載的變化而會有大幅度的變化，且具有較強的時變性。

（3）由于存在較強的衰減特性，使得電力線上的各個節點表現出的性能也不盡相同。

因此，在對低壓電力線通信信道建模時需要考慮噪聲、阻抗和衰減等3個方面。本文將主要對噪聲特性進行分析與討論。

2.2電力線噪聲及其分布

電力線上的噪聲源分為非人為噪聲和人為噪聲。非人為噪聲是自然現象所引起的，如雷電在電力線上引起的噪聲；人為噪聲來自各種電器、機電產品和電力線自身引起，電力線的主要噪聲并不是加性白高斯噪聲，基本特性是極短的時間周期內都可能發生變化。低壓電力線上的噪聲一般劃分為5種類型[2]。

(1)有色背景噪聲

由電力線上各種噪聲源產生的組合干擾，是一種隨時間緩慢變化的隨機干擾，其功率譜密度（PSD）隨頻率增加而減小。

（2）窄帶噪聲

這是一種頻帶很窄的噪聲，主要是短波廣播在頻域上的串擾，其強度在24 h內變化不定。一般情況下，由于電離層的反射，夜間干擾比較嚴重，而白天的干擾卻較小。

（3）與工頻異步的周期性脈沖噪聲

通常由大功率電器設備開關的周期性的開閉動作產生，其功率譜為離散的譜線。重復率在50～200 kHz范圍內。

（4）與工頻同步的周期性脈沖噪聲

主要是電力設備按50 Hz頻率工作產生的脈沖，重復率為50 Hz或100 Hz。持續時間很短，功率譜幅度隨頻率增加而減小。

（5）突發性脈沖噪聲

閃電或網絡上負載的開關操作會產生脈沖噪聲，每個脈沖噪聲都會影響很寬的頻帶。脈沖噪聲的功率譜密度有時會比背景噪聲高出50 dB。

2.3電力線噪聲分析

低壓電力線噪聲特性主要由于低壓電網連接著眾多的用電設備，每種用電設備都對電網有不同程度的噪聲污染，特別是一些開關電源設備、非線性用電設備和大功率變頻設備等。另外，由配電變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性引起的諧波干擾相對穩定。用電設備的接入和斷開是隨機性的，通常，其峰谷特性有時變關系。電力線路上的噪聲干擾源包括脈沖噪聲和等幅振蕩波干擾。脈沖噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點，因而對于載波信號傳輸的影響相當大，不僅會造成信號誤碼率高，使得接受裝置無法正確接受；另外，它還有可能使接收設備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統的工作。

3　上海典型臺區噪聲測試

分別選擇上海地區農村、舊居民小區、高層居民小區3種典型臺區進行現場噪聲測試。對噪聲在相同頻點不同時間及相同時間不同頻點進行對比，對比情況見圖1～圖3。

4　噪聲對數據指標影響及改進措施

通過實驗模擬測試，在同一環境下，測試不同噪聲噪聲（dbV）對抄通率的影響，影響情況如圖4。從圖中可以看出，隨著噪聲增大，對抄通率影響很大，當噪聲達到110 dbV時，抄通率幾乎為零。

圖1　農村臺區

圖2　舊居民小區臺區

圖3　高層居民小區臺區

對于電力線上的噪聲，均是來自居民用電側，如何改善電力線上的噪聲環境是確保載波通信成功率的必要手段。例如在用電側安裝濾波器，磁珠等，當然這些方法會受到現場環境的影響，導致無法安裝且不便于維護。這就需要從載波通信技術本身進行解決，在不改變現有用電環境的基礎上，結合電力線噪聲特點，選擇合適的載波通信方案，才能保證100%抄通率，達到低壓用電信息采集數據指標要求。

圖4　不同噪聲對載波抄通率的影響

5　結論

本文在對電力線信道及噪聲分布進行簡要討論后，對3種不同類型臺區現場噪聲進行采集，給出在相同時間不同頻點及相同頻點不同時間的噪聲分布情況。從噪聲頻譜中得出以下結論：

（1）農村臺區噪聲優于城鄉結合部，城鄉結合部噪聲優于城區；

（2）在過零時刻噪聲優于非過零時刻；

（3）高頻噪聲優于低頻噪聲。

（4）低壓電力線噪聲本身是隨機時變，但電網周波是50 Hz，噪聲也具備著100 Hz/50 Hz周期性趨勢；

（5）交流市電電壓過零時段噪聲幅度一般最弱，非電壓過零時段噪聲變化更加豐富，電壓峰值時段噪聲一般比過零點噪聲大15 dbuV；

（6）低壓電力線噪聲中包含的中頻噪聲相對于低頻噪聲普遍較弱，從60 kHz～500 kHz一般有20 dbuV的減小。

參考文獻

［1］李榮偉,吳樂南,多載波電力線通信系統脈沖噪聲處理方法研究[J].電力與信息學報, 2006,(9)1:697-1702

［2］Tang L T,So P L.Characterization and Modeling of In building Power Lines for High Speed Data Transmission [J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003, (1): 69-77.

節能信息與動態

Research on Striding Over Distribution Power Line Noise Environment in Shanghai

Chen Ming, Cai Xiaojun, Chen Meng
State Grid Shanghai Electric Power Company Southern Power Supply Company

Abstract:With expanding scale of electricity customers information collection system, all Shanghai customers electricity power information collection system is based on carrier communication scheme and its communication effect is easy to be influenced by one key factor, which is noise. Through collecting and analyzing Shanghai power line noise striding over distribution, the article puts forward characteristic of Shanghai power line noise, which gives effective data support to construction, maintenance and commissioning of Shanghai customers electricity power information collection system.

Key words:Customers Electricity Power Information Collection System, Power Line Noise, Carrier

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.012