(安順供電局，貴州安順561000)

0 引言

電力線載波通信是基于現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸介質(zhì)，其通道可靠性高，抗破壞能力強(qiáng)，投資少，不需要架設(shè)專用線路，具有誘人的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。目前，電力載波通信技術(shù)普遍應(yīng)用在智能電網(wǎng)建設(shè)，現(xiàn)代家庭智能家居、家庭能源、電動汽車充放電管理，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、分布式能源管理及電網(wǎng)優(yōu)化管理等領(lǐng)域中[1]。

但是，電力線信道作為傳輸媒介，并不是一個(gè)理想的數(shù)據(jù)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(shù)隨著時(shí)間、頻率、地點(diǎn)及接入到電力線的設(shè)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(jìn)行分析，這樣才能在設(shè)計(jì)電力載波通信電路時(shí)有意識地避開這些干擾，設(shè)計(jì)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(jié)果，并對測試結(jié)果進(jìn)行簡單分析。

1 測試原理

圖1 居民用電環(huán)境線路拓?fù)鋱D

在居民用電環(huán)境，臺區(qū)變壓器負(fù)責(zé)將中壓110kV/35kV電轉(zhuǎn)換成市電380V/220V，并經(jīng)四通八達(dá)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(shù)量眾多，電能在輸送過程中的拓?fù)渫ǔ３尸F(xiàn)出星型或樹狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)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(huán)境的線路拓?fù)鋱D如圖1所示。

噪聲特性的測試，其本質(zhì)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(shí)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(shù)的三角函數(shù)形式：

(1)

式中：f(t)為一個(gè)頻率為f0周期函數(shù)，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(zhì)就是將采集到的電力噪聲，展開成傅里葉形式，進(jìn)而分析，得到各個(gè)頻率下的信號衰減特性，進(jìn)而得到電力噪聲在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的分布情況。

周期信號指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)與三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù)之間存在如下關(guān)系：

(2)

由(2)式，可知：

(3)

因此在實(shí)際測量時(shí)，可由(3)式計(jì)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(diǎn)數(shù)越密，由此得到的分析結(jié)果越精確，對實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義就越大。

2 測試設(shè)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(shí)現(xiàn)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(yè)素質(zhì)很高，不適于大面積的現(xiàn)場測試[6]。為了滿足現(xiàn)場測試領(lǐng)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(fā)了低壓電力噪聲分析儀TCD-100。該設(shè)備是一套能夠?qū)崿F(xiàn)對低壓電力線信道的噪聲特征進(jìn)行測量分析的專用裝置。設(shè)備主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

圖2 數(shù)字化儀工作原理

1)高精度高速數(shù)字化儀：實(shí)現(xiàn)對輸入信號的采樣，采樣率為100 MSa/s，在20 ms的采樣時(shí)間內(nèi)，采樣點(diǎn)數(shù)為2000000個(gè)采樣點(diǎn)。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，F(xiàn)FT實(shí)質(zhì)就是頻譜的離散頻域采樣，這些點(diǎn)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(gè)測試檔，以及信號采集所需的市電觸發(fā)信號。噪聲耦合單元是一個(gè)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(diǎn)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(xiàn)場測試連接圖

在實(shí)際的現(xiàn)場測試中，可以按照圖4所示的連接方式進(jìn)行測試，在測試時(shí)，將TCD100所輸出的采樣結(jié)果，通過設(shè)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(shè)備配套的處理軟件，即可快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場電力噪聲的分析。

3 現(xiàn)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(qū)、高層建筑、城鄉(xiāng)結(jié)合部、農(nóng)村、別墅區(qū)5個(gè)特定應(yīng)用場景利用上述測試原理及工具進(jìn)行了現(xiàn)場噪聲的測試，測試結(jié)果如圖5-圖9。

圖5 高層建筑頻譜 圖6 別墅區(qū)頻譜

圖7 城鄉(xiāng)結(jié)合頻譜 圖8 老城區(qū)頻譜

圖9 農(nóng)村地區(qū)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(xiàn)場用電環(huán)境的噪聲分析發(fā)現(xiàn)噪聲也具備50 Hz/100 Hz的周期性趨勢；其中過零時(shí)刻噪聲衰減最弱，非過零時(shí)刻噪聲變化較大，其峰值衰減一般比過零點(diǎn)處大。

4 結(jié)束語

文章選取電力信道中的噪聲干擾進(jìn)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(huán)境的5個(gè)典型應(yīng)用場景進(jìn)行了測試，得出了居民用電環(huán)境下的典型噪聲特點(diǎn)，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(shù)據(jù)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(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇高頻的調(diào)制方式進(jìn)行，如采用OFDM技術(shù)，將需要傳輸?shù)男盘柗謩e調(diào)制在不同的載波上，載波在設(shè)計(jì)時(shí)，載波間隔和載波的起始點(diǎn)頻率盡量選擇高一些的頻點(diǎn)，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(diǎn)進(jìn)行傳輸，這種傳輸方式，雖然傳輸時(shí)間較少，但通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用于間歇性的數(shù)據(jù)傳輸十分有利，且可以很好地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。