基于濾除低壓臺區噪聲干擾的噪聲抑制器研究

紀杉　王桂英　劉楊　方少麟　紀林

摘要：為避免電力載波線上的噪聲干擾對電力系統遠程采集造成影響，根據當前電網遠程采集工作的實際情況，在總結電力載波線上噪聲特性的基礎上，提出一種抑制噪聲干擾的噪聲抑制器。通過對實際電網臺區進行測試，對比安裝噪聲抑制器前后的載波信號波形，驗證噪聲抑制器的有效性。

關鍵詞：噪聲抑制器；電力載波；遠程采集；載波噪聲

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）01-0035-04

近年來，用戶用電信息采集逐漸成為電力營銷工作的重中之重，是電網自動化技術發展的必然趨勢，其廣泛應用可以大大減少電能表抄表工作的人力投入。目前，國內外在低壓電力載波通信技術領域的研究已取得一定成果，對基于低壓電力線載波和GPRS技術的電能自動抄表系統的可行性和有效性進行了廣泛研究。其中，電力載波通信把電力線作為數據傳輸的載體，具有覆蓋范圍廣、無需重新敷設線路等優點，受到越來越多的關注，具有很大的應用潛力。當前幾種比較典型的低壓電力載波技術各具特點，形成了低壓電力載波通信測試系統的構成及其組網方案，但噪音干擾卻嚴重影響信號的傳輸質量。為研究噪聲的特性，電力信道噪聲模型被廣泛研究，形成了電力線噪聲分離網絡技術。根據電力載波特點及噪聲特性，設計出多種濾波裝置，均取得良好效果。實驗研究表明，鍋爐等供暖供水設備會使載波線中產生噪聲，對電力載波線上傳遞的載波信號造成嚴重影響，但并未能引起足夠的重視。

在用戶較多的城市地區，低壓接線網絡較為復雜，負荷種類多樣化，尤其是存在電力載波傳輸干擾源，使用電信息采集系統的抄表成功率降低，為集中采集的實施帶來挑戰。

1 噪聲干擾原因分析

對電量采集系統的長期研究發現，高層住宅變頻水泵啟動后，載波抄讀效果差；東北地區冬季電鍋爐啟動后，載波抄讀效果差；凌晨抄表效果好，白天抄表效果差。究其原因在于電網上的這些電器產生了較大的干擾。一些臺區的抄表效果達不到驗收標準，其根本原因是無法克服電網上的這種噪聲。避開高噪聲環境，在低噪聲良好環境中進行載波通信，可獲得較好的載波通信成功率，降低通信失敗幾率，提高數據采集成功率，減少抄表人力投入。

低壓電網載波通信受噪聲干擾而采集率低，究其原因在于載波信號在電網上會遇到噪聲干擾，這種干擾通常由電力線路上的各種大功率負載突然開關、大功率電機啟停、功率因數補償電容器投切以及短路、故障切除和重合閘、雷電等引起，往往是能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群，持續時間較短，但能量很集中，頻譜也很寬，會引起電壓、電流的突變和諧波分量的增加。通過大量現場噪聲數據采集發現，我國低壓電網噪聲在一個工頻周波的微分時段內，具有周期性噪聲峰谷規律。

進一步研究可知，隔離噪聲環境，在良好環境中進行載波通信，會獲得較好的載波通信成功率，降低通信失敗的幾率。為此，設計一種用于濾除低壓臺區噪聲干擾的濾波器，達到屏蔽干擾信號和保證噪聲干擾源附近智能表可以正常采集的目的，從而提高通信成功率。

2 噪聲抑制器設計

該噪聲抑制器采用三相四線制接線，額定頻率為50 Hz，可用于三相四線制（380V）或兩線制（220V）電力線載波通信產品，其結構如圖1所示。

噪聲抑制器共分有4根接線，分別對應電力線的A，B，C，N四相電壓線。安裝時只要將對應的線序接到電力線上，就可以保證噪聲抑制器的正常運行。噪聲抑制器與電力載波線接入方式如圖2所示。

使用噪聲抑制器時，要盡量保證噪聲抑制器安裝在干擾源的附近，最好安裝在干擾源的開關處，這樣能夠發揮噪聲抑制器的最好效果。

當某些節點因電力線噪聲較高而接收不到遠端發出的載波信號時，可嘗試在該節點處安裝電力線噪聲抑制器；當集中器發出的信號表端能收到而表端發出的信號集中器收不到，且確認集中器端的噪聲較高時，可嘗試在集中器下安裝電力線噪聲抑制器。

電力線上的阻抗比載波模塊的阻抗要大得多，所以電力線噪聲抑制器的衰減作用對載波通信的影響較小，對電力線噪聲的影響較大，可提高接收端信噪比和載波通信的成功率。

濾波器由RC元件組成，我國低壓集抄主要廠家的載波芯片載波頻率一般在120～421 kHz之間，因此，所設計的噪聲抑制器（即濾波器）不應對以上頻率區間的載波信號造成過多影響。該濾波器即電力線噪聲抑制器可以在犧牲少許載波信號的前提下降低電力線的噪聲，從而提高接收端的信噪比和接收成功率。

阻抗計算公式ZC=1/2πfC，載波模塊通信（f=270 kHz）的內阻約為5.9 Ω，電力線噪（假設頻率f=10 kHz）聲阻抗約為160 Ω。由此可見，阻抗越大，衰減越大；阻抗越小，衰減也相應減小。根據低通濾波器的原理，可提高傳輸信噪比。噪聲抑制器的原理如圖3所示，電阻R1，R2，R3為1 Ω，R4，R5，R6為1 MΩ，電阻RV1，RV2，RV3為壓敏電阻，主要起到保護主電路的作用。

RC串并聯電路存在兩個轉折頻率f1和f2。以A相為例，當信號頻率低于f1時，C1相當于開路，電路總阻抗為R1+R2，相當于開路，對工頻電壓無影響；當信號頻率高于f2時，C1相當于短路，電路總阻抗為R1，相當于短路，使高頻噪聲完全濾掉。當信號頻率高于f1低于f2時，電路總阻抗在R1+R2到R1之間變化。電力線噪聲抑制器主要功能是提高載波通信傳輸過程中的信噪比，進而提高通信成功率。

3 噪聲抑制試驗結果分析

為驗證電力線噪聲抑制器的有效性，以胡家線44金山分28#-1臺區為實例，分別測量集中器端載波信號的波形及在安裝和不安裝噪聲抑制器情況下，電力載波線上電表端載波信號的波形。該臺區為城區內小區類型的臺區，總戶數1 109戶，供電半徑超過800 m，集中器位于變電室內，向外輻射24條三相線路，每條線路上均有采集失敗表。臺區拓撲如圖4所示。

該臺區包含多種負荷，其中鍋爐房為泵房，用于供暖和自來水的二次加壓，對電力載波信號產生一定影響。

3.1 在集中器端的噪聲信號圖

根據臺區使用的電力線采集設備集中抄讀噪聲情況，對該頻譜圖進行120 kHz（該臺區所用載波頻率為120 kHz）切片，得到圖5所示圖形。

由圖5可以看出，集中器發出的載波信號幅值為92.766 dB，39811 uV，載波信號發送正常。

3.2 無噪聲抑制器的噪聲信號圖

在本臺區百合一街6-1號樓使用電力線噪聲采集設備，在長期抄讀不成功的表計端采集集中器端抄讀時的噪聲情況如圖6所示。

由圖6可以看出，噪聲信號為53 dB uV，446 uV。與圖5所示的集中器所發出的載波信號相比，已經發生較大程度的失真。鍋爐房正常工作時會產生大量噪聲，并通過電力載波線進行傳播，對載波線上的載波信號疊加干擾。集中器發出的載波信號經過噪聲干擾與衰減到達該目標表計時，已經淹沒在噪聲中了，無法識別其中的載波信號，因此抄讀失敗。

3.3 有噪聲抑制器的噪聲信號圖

針對該臺區干擾（供熱、供水）導致臺區抄表不理想的情況，使用噪聲抑制器可以屏蔽干擾源，從而保證抄表的成功率。將噪聲抑制器與集中器并聯，可以濾除其產生的噪聲。

使用電力線噪聲采集設備，在抄讀成功的表計端，采集集中器端抄讀時的噪聲情況，如圖7所示。

由圖7可以看出，集中器發出的載波信號幅值為67.048 dB，2 238 uV。與圖5所示的集中器所發出的載波信號相比，失真程度較小。噪聲抑制器可以濾除絕大部分噪聲，但仍有一部分噪聲沒有被濾除而是混雜在載波信號中，但沒有造成嚴重影響。集中器發出的載波抄讀信號經傳輸有所衰減。智能電表處接收到的載波信號與集中器發出的載波信號基本相當，在擴頻通訊抗噪處理下，可實現正常抄讀。

該臺區1—6月份未安裝噪聲抑制器，7—8月份安裝了噪聲抑制器。通過用電信息采集系統對百合一街6-1號樓安裝噪聲抑制器前后的抄表成功率數據進行對比發現，未隔離噪聲干擾時該臺區在1—2月份采集成功率最低，僅為77.34%，這是由于在冬季除了日常供水外還需要供暖，鍋爐房會對載波信號造成較大干擾，1—6月份平均采集成功率為83.48%，7—8月份安裝電力線噪聲抑制器后的采集成功率為99.08%（見表1）。

通過該實例可知，所研制的噪聲抑制器能濾除鍋爐等設備引起的噪聲，提高采集成功率。

電力線噪聲抑制器在犧牲部分載波信號的前提下降低電力線噪聲，會因線路過長或載波信號衰減過大而導致抄讀成功率不穩定，可能使抄讀效果變得更差。

電力線噪聲抑制器多數情況下可提高通信成功率，但有時也會降低成功率，因此在使用該設備時需要嘗試著進行，即安裝后要測試通信效果是否有所改善。如果有改善就保留，如果沒有改善就換個位置或者拆除。

4 結論

噪聲抑制器用于濾除噪聲并提高采集成功率。通過將其并聯在噪聲源處，可以達到濾除高頻噪聲的目的。以一個實際臺區為例，通過測量集中器端安裝噪聲抑制器前后智能電表端的載波信號可知，噪聲抑制器能夠有效抑制由供水、供暖等原因引起的電力載波噪聲。對該臺區1—8月份采集成功率情況進行對比發現，噪聲抑制器能使采集成功率由83.34%提高到99.08%，具有良好的應用效果，建議大面積推廣。