變電站內(nèi)5G基站天線對二次設備的電磁干擾

李楓航，唐波,2，齊道坤，劉興發(fā)，匡宇來，謝黃海

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省輸電線路工程技術研究中心，湖北 宜昌 443002；3.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術研究院，鄭州 450052；4.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074)

0 引言

變電站通信技術的發(fā)展推動了站內(nèi)監(jiān)控、無人巡檢、安全防護等日常監(jiān)測業(yè)務向低延時化、智能化、可視化升級[1-3]，大幅度提高了電力生產(chǎn)的安全性。但由于5G基站天線與站內(nèi)設備區(qū)近距離共存，基站天線發(fā)出的輻射場以及電氣大尺寸金屬設備產(chǎn)生的電磁散射場施加在二次設備上，不可避免地對二次設備產(chǎn)生電磁干擾，從而可能影響設備的正常運行。

目前，國內(nèi)外對變電站內(nèi)設備之間的電磁兼容問題較多，但在基站天線對變電站內(nèi)二次設備的電磁干擾方面研究相對較少，且大多僅停留在實驗測試階段。文獻[4]最早發(fā)現(xiàn)了基站天線發(fā)出的射頻輻射場對變電站內(nèi)二次設備的電磁干擾現(xiàn)象，并針對性給出了變電站內(nèi)二次設備的射頻輻射場抗擾度測試方法。在此方法的基礎上，文獻[5-7]對變電站內(nèi)二次設備進行射頻輻射場抗擾度實驗，實驗結果表明，當二次設備處的電場強度過大時，將對其產(chǎn)生電磁干擾，嚴重時甚至會損壞二次設備。為此，文獻[8]明確指出，當基站天線架設于變電站時，站內(nèi)眾多的金屬電氣設備會對基站天線發(fā)出的電磁波產(chǎn)生強反射，從而改變電磁波的傳播途徑。文獻[9]指出站內(nèi)電氣大尺寸金屬設備外殼在基站天線輻射下產(chǎn)生的電磁散射場會使二次設備處的電磁環(huán)境變得更復雜，從而影響二次設備的正常運行。

然而，變電站內(nèi)的5G基站天線采用大規(guī)模陣列天線，相比于傳統(tǒng)的3G或4G基站天線，發(fā)射功率更大、波束更集中[10]，不可避免地對二次設備產(chǎn)生更大的電磁干擾問題。為此，本文在深入探討5G基站天線對變電站內(nèi)二次設備電磁干擾機理的基礎上，結合天線原理，提出了5G基站天線輻射場及其在變電站電氣大尺寸金屬散射體背景下，空間任意一點處電磁散射場的數(shù)學模型及表征公式。在此基礎上，以河南500 kV官渡變電站為算例，得到了5G基站天線自身參數(shù)改變對二次設備的電磁干擾規(guī)律，為今后變電站內(nèi)5G基站天線的部署提供指導。

1 5G基站天線對二次設備的電磁干擾

1.1 變電站內(nèi)5G基站天線概述

變電站內(nèi)架設5G通信基站，將基站天線、通信機房等通信設施建設于變電站內(nèi)，實現(xiàn)高寬帶、低延時、廣連接的特性，使站內(nèi)的實時通信提升到一個全新的水平[11]?，F(xiàn)有的變電站內(nèi)5G基站天線工作頻段為2 575～2 635 MHz，最大發(fā)射功率為200 W，其信號覆蓋范圍為500 m[10]?？紤]到5G信號的覆蓋面積要求，通常5G基站天線架設在變電站的控制樓樓頂。相比與傳統(tǒng)的3G或4G基站天線，5G基站天線使用大規(guī)模MIMO(多入多出系統(tǒng))技術和精確波束賦形等新技術，其發(fā)射功率更大、頻率更高、電磁輻射更強、波束更集中，從而可能在二次設備處產(chǎn)生較強的電磁干擾。

實際上，國家標準[12-13]已經(jīng)注意到了二次設備容易受到外界各種脈沖電磁場輻射干擾的問題，從而確定了變電站內(nèi)二次設備的電磁兼容抗擾度標準要求，以確保二次設備在變電站復雜的電磁環(huán)境中能正常穩(wěn)定運行。因此5G基站天線在變電站進行布置時，也應滿足該標準要求。

1.2 二次設備的電磁兼容抗擾度標準

變電站二次設備內(nèi)部存在許多敏感的元器件，工作時對周圍的電磁環(huán)境要求較高，當二次設備與基站天線近距離共存時，容易受到電磁輻射的干擾。為確保變電站內(nèi)二次設備的正常工作，國家標準[12]規(guī)定，二次設備正常工作時，各個端口的射頻輻射抗擾度、射頻場感應的傳導騷擾均不應超過10 V/m。同時，為進一步規(guī)范二次設備的電磁輻射抗擾度實驗，國標[13]規(guī)定80～6 000 MHz 頻率范圍內(nèi)的射頻輻射源下的設備射頻輻射抗擾度閾值為10 V/m。因此，本文以國家標準[12-13]為評判依據(jù)，以10 V/m作為變電站內(nèi)二次設備處的抗擾度閾值，由此研究5G基站天線對二次設備的電磁干擾問題。

1.3 5G基站天線對二次設備的電磁干擾機理

5G基站天線對二次設備的電磁干擾機理如圖1所示，基站天線架設于站內(nèi)控制室樓頂，天線輻射方向為主設備區(qū)。

在正常情況，變電站內(nèi)二次設備自建設起必須滿足電磁兼容性要求，因此其自身產(chǎn)生的電磁干擾不會影響其他設備的正常工作。但5G基站天線部署后，雖然基站天線與二次設備無直接的導體連接，但其工作時向空間中不斷發(fā)射出時變的高頻電磁波，不可避免地對輻射范圍內(nèi)的二次設備產(chǎn)生輻射特性的電磁騷擾。當基站天線輻射在二次設備上的電磁場強超過設備抗擾度限值，則會對二次設備產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象。

這種干擾主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，由于二次設備存在電源線和信號線的進線孔及設備外殼上的散熱孔等，基站天線所產(chǎn)生的電磁輻射直接通過這些孔縫對入侵二次設備，并對其產(chǎn)生干擾。另一方面，二次設備的金屬設備表面、電源線和信號線等導體暴露在外界空間中，基站天線發(fā)出的電磁波輻射至這些導體時，其內(nèi)部會產(chǎn)生感應電流。此時，二次設備外殼及其內(nèi)部電子元器件在基站天線輻射場與電磁散射場的耦合作用下，在內(nèi)部電路板回路上產(chǎn)生感應電壓，從而影響二次設備對數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸，嚴重時甚至導致元器件損壞[8-9]。

因此，結合1.2節(jié)的介紹，為確保變電站內(nèi)二次設備的正常穩(wěn)定運行，以二次設備處的場強控制在電磁兼容抗擾度閾值10 V/m以下作為干擾的評判依據(jù)。

2 變電站背景下站內(nèi)電場強度的計算

2.1 5G基站天線的輻射場計算

變電站內(nèi)任意一點處的電場強度是一個關于頻率的函數(shù)，5G頻段的電場實際上由5G天線在該點處的輻射場與電氣大尺寸的金屬外殼在該點產(chǎn)生的電磁散射場疊加而成。其中，電磁散射場形成的前提條件是變電站內(nèi)電氣大尺寸金屬導體受到天線輻射場的照射，因此首先需要考慮計算5G基站天線的輻射場。

目前變電站內(nèi)建設的5G基站天線大多使用AAU5270e型號基站天線，其內(nèi)部的單元振子天線采用8×8的均勻平面陣列排布，并與反射板共同作用以實現(xiàn)電磁波的定向發(fā)射。以AAU5270e型天線為研究對象，建立如圖2所示的場源數(shù)學模型，以反射板中心點為坐標原點建立直角坐標系(x,y,z)和球坐標系(r,θ,φ)，其中xoz平面與反射板所在平面重合，y軸垂直于反射板所在平面。r表示空間任意一點P距離坐標原點O的距離，俯仰角θ為線段OP與xoy平面的夾角，方位角φ表示線段OP在xoy平面上投影OP′與x軸正方向的夾角?；咎炀€內(nèi)部單元振子天線的直徑為2l，且2l=λ/2；λ為波長；各個單元振子天線之間的間距為d，且d=λ/2；反射板與單元振子天線之間的間距為D，且當D=λ/4時，反射板對電磁波的反射效果最好[14]。

圖2 AAU5270e型號基站天線及其數(shù)學模型

為獲得基站天線輻射場，文獻[15]給出的陣列天線中第α行中第β列單元振子天線及其鏡像的遠區(qū)輻射場求解公式：

(1)

式中：rαβ為第α行中第β列單元振子天線與空間任意一點P的距離；Iαβ為第α行中第β列單元振子天線的電流激勵；k為電磁波數(shù)，且k=2π/λ；f0(θ,φ)為單元振子天線的方向圖函數(shù)，f0(θ,φ)=[cos(klcosθ)-cos(kl)]/sinθ；fy(θ,φ)為單元振子天線考慮其鏡像之后的二元陣陣因子，fy(θ,φ)=2sin(kDsinθsinφ)。

將圖2中8×8陣列天線中所有單元振子天線在點P處的輻射場進行矢量疊加，即可得到5G基站天線在點P處產(chǎn)生的總輻射場。

(2)

由于變電站內(nèi)5G基站天線與設備區(qū)距離較遠，通常為幾十米甚至上百米，此距離相對于5G基站天線的特高頻、短波長特性而言，可將二次設備視為處于基站天線及其鏡像的遠場中，因此可近似地認為所有單元振子天線與空間任意一點P之間的距離相等，均等于點P與坐標原點O的距離r。則令可式(2)中的1/rαβ≈1/r，同時rαβ=r-(xαcosφ+yβsinφ)sinθ。

因此，式(2)可改寫為：

(3)

考慮到變電站內(nèi)5G基站天線實際建設時，為了使基站天線電磁波更好地覆蓋整個設備區(qū)域，需要將基站天線設置一定的下傾角δ，可將式(3)中的俯仰角θ改寫為θ-δ。同時，將d=λ/2、k=2π/λ、D=λ/4、f0(θ,φ)和fy(θ,φ)代入式(3)中可得到：

(4)

式(4)即為5G基站天線輻射場表達式，式中IMN為第M行中第N列單元振子天線的電流激勵。由式(4)可知，只需要知道空間任一點到基站天線反射板中心點的距離，以及該點相對于基站天線反射板中心點的俯仰角和方位角，即可得到5G基站天線在該點產(chǎn)生的輻射場。

2.2 變電站背景下5G基站天線電磁散射場計算

表征出5G基站天線輻射場的場源表達式后，沿用圖2所建立的直角坐標系，以反射板上中心點為坐標系原點，可建立如圖3所示的電磁散射場模型。圖3中，5G基站天線位于坐標系原點，按一定方向發(fā)射電磁波，照射在大型金屬設備的外殼表面形成照明區(qū)和陰影區(qū)，并產(chǎn)生感應電流，時變的感應電流再向周圍產(chǎn)生電磁散射場。由于空間任意一點P處的總場強實為基站天線輻射場與電大尺寸金屬設備電磁輻射場的矢量疊加，則變電站內(nèi)5G基站天線對二次設備電磁干擾求解問題，其關鍵在于電氣大尺寸金屬設備外殼的電磁散射場Es(r)求解。

圖3 大尺寸金屬設備散射場模型

文獻[16]已給出了輸電線路中大尺寸角鋼對周圍空間任意一點處的電磁散射場求解算法，借助該方法，可得到5G基站天線電磁波的輻射下，變電站內(nèi)電氣大尺寸金屬導體對空間中任意一點P處的電磁散射場。

求解二次設備處的電磁散射場Es(r)的關鍵在于求解電大尺寸金屬設備外殼的感應電流密度J(r′)?？紤]到變電站內(nèi)主設備區(qū)域內(nèi)電氣大尺寸金屬設備數(shù)量眾多，在保證計算精確的同時，為了實現(xiàn)電磁散射場的快速求解，可采用文獻[17]為解決電氣大尺寸金屬設備帶來的計算資源量龐大問題，而提出的大面元物理光學法。借助其此方法可得到變電站電氣大尺寸金屬設備外殼在5G基站天線輻射下所產(chǎn)生的感應電流密度J(r′)，進而求出二次設備處的電磁散射場。最后將5G基站天線輻射場ET(r)與電磁散射場ES(r)進行矢量疊加，即可得到變電站內(nèi)任意一點處的總電場強度E。

3 5G基站天線電場強度求解模型的現(xiàn)場實驗測試驗證

3.1 現(xiàn)場實驗測試

為驗證上述變電站背景下站內(nèi)電場強度求解模型的準確性，以河南500 kV官渡變電站為例，現(xiàn)場實驗測試示意圖如圖4所示，ETS3117接收天線離地高度為1.7 m，將3075X-R頻譜儀選頻為2.575～2.635 GHz。本次現(xiàn)場實驗測試主要針對站內(nèi)11個主設備附近區(qū)域進行電場強度測量，11個主設備距離基站天線的距離依次增大，5G基站天為無終端運行狀態(tài)。

圖4 現(xiàn)場實驗測試示意圖

變電站內(nèi)11個主設備附近電場強度測量結果如表1所示。由表格數(shù)據(jù)可以看出，隨著測量點與基站天線的距離越來越遠，測量點處的電場強度整體呈現(xiàn)下降的趨勢，其中測點3和測點5呈現(xiàn)較為明顯的增大趨勢，這是由于測點3和測點5處于設備集中區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)電磁散射現(xiàn)象要強于其他測點區(qū)域。

表1 變電站內(nèi)電場強度分布測量結果

3.2 仿真結果與實測結果對比分析

根據(jù)河南500 kV官渡變電站5G基站天線與設備區(qū)各設備的實際布置情況，建立5G基站天線和站內(nèi)設備的仿真模型。5G基站天線離地高度為10 m，與設備區(qū)的水平距離為20 m，基站天線電磁波輻射方向正對設備區(qū)，設置基站天線下傾角為5 °，運行功率為15 W，設備區(qū)占地面積為200 m×180 m，站內(nèi)的金屬設備外殼采用純理想導體，變電站的大地材料為混凝土。11個測量點的實測值與仿真值對比結果如圖5所示。

圖5 實測值與仿真值對比圖

從圖5可以看出，實測值與仿真值變化趨勢基本相同，整體均呈現(xiàn)衰減的趨勢，但在數(shù)值上存在一定的偏差。這是因為在仿真模型中，站內(nèi)金屬設備外殼均采用純理想導體，對電磁波的散射效果比實際工程中的效果要更強，站內(nèi)主設備區(qū)眾多的設備細節(jié)沒有考慮十分周全，并且仿真模型也沒有考慮天線罩以及反射板細節(jié)改變，所以仿真值整體略大于實測值。測點1、2、3距離基站天線較近，測點附近的金屬設備較少，測量值與仿真值誤差較小，均在7%以內(nèi)；測點4、5、6處于金屬設備密集的區(qū)域，仿真模型采用的純理想導體會使電磁散射效果更強，且仿真沒有考慮金屬設備之間的二次散射，所以導致誤差增大；測點7—11由于距離基站天線較遠，電磁波在傳播過程中，站內(nèi)眾多金屬構架會對電磁波產(chǎn)生遮擋和反射作用，導致電磁波的傳播受阻，從而影響測點處的電場強度大小，但仿真模型中沒有考慮到這些金屬構架的遮擋及反射作用，從而導致誤差變大。

4 5G基站天線對二次設備的電磁干擾規(guī)律

由式(4)可以看出，基站天線輻射場大小與天線自身工作頻率、激勵源大小以及天線下傾角有直接關系，進而再次影響電磁散射場的大小。因此可以從天線工作頻率、發(fā)射功率和下傾角這3個變量因子角度出發(fā)，研究這3個因子對二次設備處電場強度的影響規(guī)律。

同樣以河南500 kV官渡變電站為例，選取基站天線主瓣方向電磁輻射最強的一條觀測線，此觀測線離地高度為1.7 m，以10 m為步長，計算觀測線上場強的變化。由于天線工作頻段為2 575～2 635 MHz之間，因此取2 575 MHz、2 595 MHz、2 615 MHz和2 635 MHz為天線的仿真數(shù)據(jù)。

4.1 基站天線功率、頻率的影響規(guī)律

考慮到5G基站天線發(fā)射功率范圍為15～200 W，因此計算天線下傾角為0 °，發(fā)射功率在15 W、75 W、135 W和200 W工況下觀測線上的場強分布，計算結果如圖6所示。

圖6 5G基站天線發(fā)射功率對場強的影響

從圖6可以看出，基站天線發(fā)射功率對天線輻射場的場強影響很大，發(fā)射功率越大，場強越大。這是由于基站天線的發(fā)射功率直接決定了其輻射場大小，進而影響所在區(qū)域的散射場大小。并且隨著離基站天線的距離越來越遠，場強整體呈現(xiàn)下降的趨勢，但在金屬設備區(qū)域附近，由于電磁散射的作用，場強會有所增大。對比圖6(a)—圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，基站天線工作頻率也會對變電站內(nèi)場強分布產(chǎn)生一定影響，這是由于基站天線工作頻率決定了電磁波的波長大小，從而影響輻射場與電磁散射場大小，但影響程度不大。

由圖6(d)可知，當基站天線發(fā)射功率為200 W即基站天線滿載運行時，觀測線上的場強峰值可達到11.10 V/m，已超過了二次設備電磁兼容抗擾度閾值10 V/m，在此區(qū)域附近的二次設備會受到電磁干擾。

4.2 基站天線下傾角、頻率的影響規(guī)律

5G基站天線目前實際工程中下傾角最大不超過20 °，因此計算基站天線發(fā)射功率為200 W時，基站天線下傾角在0 °、5 °、10 °、15 °和20 °工況下觀測線上的場強分布，計算結果如圖7所示。

圖7 5G基站天線下傾角對場強的影響1

從圖7可以看出，基站天線下傾角對變電站內(nèi)場強也有較大影響，隨著下傾角的改變，觀測線上的場強分布規(guī)律也發(fā)生了改變。0 °、5 °、10 °、15 °和20 °這5種工況下的場強分布不再是隨著距離的增大而同時減小，這是因為基站天線下傾角的改變，使得基站天線波瓣輻射方向也發(fā)生改變，導致同一條觀測線上同一點處的基站天線輻射場和散射場會有所不同。對比圖7(a)—圖7(d)同樣可以發(fā)現(xiàn)，基站天線工作頻率會對場強分布產(chǎn)生一定影響，但影響程度不大。由圖7(b)可知，基站天線下傾角為10 °的工況下，觀測線場強峰值最大，為12.92 V/m。

為進一步確定5 °～15 °內(nèi)場強最大的下傾角值，繼續(xù)以1 °為步長，分別計算基站天線下傾角在5 °～15 °工況下觀測線上的場強峰值大小，計算結果如圖8所示。

圖8 5G基站天線下傾角對場強的影響2

從圖8可以看出，4個工作頻率下，基站天線下傾角均在9 °工況下觀測線上的場強峰值最大，且均超過了二次設備電磁兼容抗擾度閾值10V/m，其中，當基站天線工作頻率為2 635 MHz時，場強峰值最大為12.92 V/m。

5 結論

1)變電站內(nèi)5G基站天線對二次設備的電磁干擾主要表現(xiàn)在基站天線的射頻輻射和電大尺寸金屬設備的電磁散射，二次設備處的場強應控制在其電磁兼容抗擾度閾值10 V/m以下。

2)5G基站天線對二次設備的電磁干擾受基站天線工作頻率影響較小，受基站天線發(fā)射功率和下傾角影響較大；以河南500 kV官渡變電站為例，當基站天線發(fā)射功率為200 W，下傾角為9 °時，變電站內(nèi)單條觀測線上場強最大可達12.92 V/m，已超過其電磁兼容抗擾度閾值；建議5G變電站內(nèi)基站天線部署時，應適當調(diào)整基站天線發(fā)射功率和下傾角，使站內(nèi)整體場強均小于10 V/m。

3)變電站內(nèi)存在眾多的電大尺寸金屬設備，這些設備之間存在著多次散射，導致仿真值與實測值存在一定誤差，后續(xù)研究中，需要進一步開展金屬設備之間多次散射對二次設備的電磁干擾研究。