居民用電環境噪聲干擾分析

(安順供電局，貴州安順561000)

0 引言

電力線載波通信是基于現有的電力線網絡作為信息傳輸介質，其通道可靠性高，抗破壞能力強，投資少，不需要架設專用線路，具有誘人的應用前景和巨大的市場潛力。目前，電力載波通信技術普遍應用在智能電網建設，現代家庭智能家居、家庭能源、電動汽車充放電管理，遠程抄表系統、分布式能源管理及電網優化管理等領域中[1]。

但是，電力線信道作為傳輸媒介，并不是一個理想的數據傳輸通道，它充斥著多種噪聲干擾和脈沖干擾、多徑傳播干擾及選擇性頻率衰減等，其信道特性和參數隨著時間、頻率、地點及接入到電力線的設備的變化而變化[2]，信道條件極其惡劣。為了更好地利用電力信道，需要首先對電力信道上的干擾特性進行分析，這樣才能在設計電力載波通信電路時有意識地避開這些干擾，設計最佳的傳輸方案[3]。本文針對電力信道中的噪聲干擾，給出了測試方法及測試原理，最后針對不同的用電場景給出了測試結果，并對測試結果進行簡單分析。

1 測試原理

圖1 居民用電環境線路拓撲圖

在居民用電環境，臺區變壓器負責將中壓110kV/35kV電轉換成市電380V/220V，并經四通八達的架空線纜或埋地線纜來輸送電能[4]。由于居民用戶的住址分散和數量眾多，電能在輸送過程中的拓撲通常呈現出星型或樹狀結構，經斷路器和多級空開最終輸送至居民家庭。典型的居民用電環境的線路拓撲圖如圖1所示。

噪聲特性的測試，其本質就是針對圖1中的每段傳輸電力信道，找出其噪聲衰減特性隨頻率變化分布的特性，因此，對噪聲的測試，實際就是對電力信道中采樣信號的頻譜分析，即傅里葉分析。

一般來說，任何周期信號都可以展開為傅里葉級數的三角函數形式：

(1)

式中：f(t)為一個頻率為f0周期函數，其角頻率是：ω0=2πf0；周期為T0=1/f0=2π/ω0；C1sin(ω0t+φ1)為基波分量；Chsin(hω0t+φh)為第h次諧波，它的幅值為Ch，頻率為hf0，相位為φh。

電力噪聲分析的本質就是將采集到的電力噪聲，展開成傅里葉形式，進而分析，得到各個頻率下的信號衰減特性，進而得到電力噪聲在整個頻率范圍內的分布情況。

周期信號指數形式的傅里葉級數與三角函數形式的傅里葉級數之間存在如下關系：

(2)

由(2)式，可知：

(3)

因此在實際測量時，可由(3)式計算出周期信號各次諧波(或頻率處)幅值，一般而言，采樣周期越大，則分析的頻點數越密，由此得到的分析結果越精確，對實際系統設計的指導意義就越大。

2 測試設備

由上述分析可知，電力信道噪聲的分析主要由采樣模塊和傅里葉分析完成，因此，借助于頻譜儀可以實現信道噪聲特性的分析[5]。但是，這種測試方案需要測試人員的專業素質很高，不適于大面積的現場測試[6]。為了滿足現場測試領域的需要，青島鼎信載波有限公司，基于電力信道噪聲特性的測試原理，開發了低壓電力噪聲分析儀TCD-100。該設備是一套能夠實現對低壓電力線信道的噪聲特征進行測量分析的專用裝置。設備主要由以下幾個部分構成：

圖2 數字化儀工作原理

1)高精度高速數字化儀：實現對輸入信號的采樣，采樣率為100 MSa/s，在20 ms的采樣時間內，采樣點數為2000000個采樣點。采樣信號的頻譜范圍可以在10 kHz～500 kHz波動，間隔為5 kHz。信號的處理采用FFT (快速傅里葉變換)方法，FFT實質就是頻譜的離散頻域采樣，這些點可以反映出輸入信號的頻譜，其工作原理如圖2。

2)噪聲耦合單元：該單元提供噪聲分析所需的測試信號和兩個測試檔，以及信號采集所需的市電觸發信號。噪聲耦合單元是一個高通濾波器，其原理如圖3所示，采集噪聲耦合單元輸出信號即可分析各頻率點低壓電力線噪聲變化趨勢。

圖3 噪聲耦合單元原理圖

圖4 現場測試連接圖

在實際的現場測試中，可以按照圖4所示的連接方式進行測試，在測試時，將TCD100所輸出的采樣結果，通過設備自帶的USB接口連接至筆記本電腦，在電腦中安裝與測試設備配套的處理軟件，即可快速實現現場電力噪聲的分析。

3 現場測試

為了研究不同場景下的噪聲特性情況，本文針對城區、高層建筑、城鄉結合部、農村、別墅區5個特定應用場景利用上述測試原理及工具進行了現場噪聲的測試，測試結果如圖5-圖9。

圖5 高層建筑頻譜 圖6 別墅區頻譜

圖7 城鄉結合頻譜 圖8 老城區頻譜

圖9 農村地區頻譜

由圖5-圖9可以清楚看出，噪聲功率隨頻率上升而下降，且對100 kHz以下頻段干擾很大，對100 kHz～500 kHz頻段干擾較大，對 2MHz頻段以上干擾很小。此外，通過對全國各現場用電環境的噪聲分析發現噪聲也具備50 Hz/100 Hz的周期性趨勢；其中過零時刻噪聲衰減最弱，非過零時刻噪聲變化較大，其峰值衰減一般比過零點處大。

4 結束語

文章選取電力信道中的噪聲干擾進行了研究。論文首先分析了噪聲干擾的起源、噪聲的測試原理以及專用測試工具的使用，最后針對居民用電環境的5個典型應用場景進行了測試，得出了居民用電環境下的典型噪聲特點，即：噪聲功率隨頻率上升而下降，且對100 kHz以下頻段干擾很大，對100 kHz～500 kHz頻段干擾較大，對2 MHz頻段以上干擾很小。從測試數據可以看出，電力信道的干擾主要集中在低頻段和工頻干擾處。為了減少噪聲干擾的影響，在進行通信系統設計時，可以選擇高頻的調制方式進行，如采用OFDM技術，將需要傳輸的信號分別調制在不同的載波上，載波在設計時，載波間隔和載波的起始點頻率盡量選擇高一些的頻點，以避免在低頻段傳輸；此外，對于工頻干擾的噪聲，可以選取在電流的過零點進行傳輸，這種傳輸方式，雖然傳輸時間較少，但通過合理的系統設計，用于間歇性的數據傳輸十分有利，且可以很好地提高數據傳輸的正確率。