淺談低壓電網(wǎng)噪音污染和諧波干擾

王德志

【摘 要】本文分析了低壓電網(wǎng)噪音污染和諧波干擾的原因，并提出了一些應(yīng)對措施來改善這些問題。

【關(guān)鍵詞】低壓電網(wǎng)噪音污染；諧波干擾

一、低壓電網(wǎng)噪音污染和諧波干擾

低壓電網(wǎng)諧波干擾源主要有：變頻電器、節(jié)能燈、大功率電機（電梯、水泵等）。例如我們測到的四管日光燈最大干擾可以達到120dbμv，干擾頻率在90kHz左右游動。其他如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、劣質(zhì)手機充電器……等，干擾發(fā)射也十分嚴(yán)重！而且是全頻段干擾！它們將降低接收信噪比，導(dǎo)致通信失敗。

低壓電網(wǎng)的通信環(huán)境比較惡劣，而且波動范圍很大，一般的加大發(fā)射信號幅度、提高接收靈敏度、改變調(diào)制方式、自動增益控制、多載波發(fā)射、跳頻通信技術(shù)、分組傳送……等技術(shù)措施，對于信道的劇烈波動的高衰減與廣譜強干擾較難發(fā)揮作用。

二、信道衰減

對低壓電網(wǎng)的現(xiàn)場實測，低壓電網(wǎng)載波信道在500KHZ以下頻段最大衰減可達120～130db（120db等于100萬倍衰減）。假如單純依靠物理層通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，載波通信芯片或模塊的物理層通信能力至少要超過130db。

現(xiàn)在城市電網(wǎng)配電變壓器出口大多采用低壓電纜，而這條電纜上的衰減，往往就可以達到60db以上。加上低壓電網(wǎng)的功率因數(shù)補償電容的影響，在低壓電網(wǎng)不采取任何一次回路隔離阻波技術(shù)措施條件下，這對載波通信芯片或模塊的物理層通信能力，就是一個嚴(yán)峻的考驗。而通過改善電網(wǎng)功率因數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，是當(dāng)前的一大趨勢。

造成衰減的原因包括：

1.線路衰減：其中包括電纜的分布電容造成的相間衰減、對地衰減，還有高頻趨膚效應(yīng)造成的線路阻抗衰減。

2.負(fù)載引起的線路衰減劇烈變化。

3.功放阻抗失配造成的衰減。

4.線路節(jié)點引起的高頻信號反射，特別是線路類別變化的節(jié)點，反射更加嚴(yán)重，架空線與電纜接頭可能造成80%信號功率反射（約7db衰減）。

5.多徑衰落引起的高頻信號衰減；

三、載波通信當(dāng)中的阻抗匹配問題

中低壓電網(wǎng)是最終用戶電網(wǎng)，網(wǎng)上用戶眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷性質(zhì)各異、隨機性很強，對電力線載波來說是一個極不穩(wěn)定的系統(tǒng)，造成這一狀態(tài)的主要原因之一是載波阻抗匹配問題。欲想使載波穩(wěn)定、可靠傳輸必需保障系統(tǒng)的穩(wěn)定和阻抗的匹配。對高頻載波而言低壓電網(wǎng)上經(jīng)常會出現(xiàn)低阻抗點，例如：在低壓電網(wǎng)上掛有大量的像彩電、計算機等用開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的用電器，它們對高頻載波呈現(xiàn)幾歐至幾十歐的阻抗，同樣因阻抗失配而導(dǎo)致載波傳輸大幅衰落，特別是遇到微機室、網(wǎng)吧等這類用電器相對集中的場所它們近似接到一個節(jié)點上，其載波阻抗呈并連狀態(tài)，可能低到近似短路。擴頻較難解決阻抗匹配問題。

對高頻載波而言，電網(wǎng)上存在許多低阻抗點，有的低到近似短路，每個低阻抗點是一個載波陷阱，它們嚴(yán)重的破壞了載波的正常傳輸，特別是遇到近似短路的低阻抗點時載波信號會被完全陷掉，形成一個載波“黑洞”。這些載波陷阱出現(xiàn)的時間、地點、分布狀況完全是隨機的無任何規(guī)律可循，所以利用擴頻加中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方法也較難實現(xiàn)長期穩(wěn)定、可靠的通信?？傊?，對載波來說，低壓電網(wǎng)是一個隨機性很強的較不穩(wěn)定系統(tǒng)。

四、利用載波擴頻技術(shù)存在的局限性

電力線載波的頻段為40kHz～500kHz，遠(yuǎn)程監(jiān)控要求的數(shù)據(jù)傳送速率一般不低于600波特，因此，擴頻倍數(shù)受到一定的限制。

電力線上存在很強的高斯噪聲，像大功率的變頻電機產(chǎn)生的高頻諧峰――峰值可達100～200伏，在這樣強的高斯噪聲環(huán)境下系統(tǒng)接收的噪聲強度與接收帶寬成正比。顯然在電力線載波上擴頻的同時噪聲電平也同比增長即信噪比也同比降低，因此電力線載波實行擴頻傳輸與窄帶電力線載波相比效果改善不明顯。

五、采用降低載波頻率的措施存在的局限性

將載波頻率降到音頻波段則載波波長大大超過線路的長度，線路失去了長線特性，線路結(jié)構(gòu)的影響也就很微弱了，同時頻率降低ω值小電容的阻抗大了，載波陷阱了，影響也就小了。但是，降低頻率帶來以下問題：

信號耦合困難，信號耦合是電力線載波關(guān)鍵之一，它要求既要把信號的功率全部送到電力線上又要保證50Hz電力波竄不到載波設(shè)備里來。音頻頻段同50Hz隔離比較難，所以電力線載波頻段一般定在40kHz以上。

沒有完全消除低阻抗點，10KV線路上經(jīng)常掛有分散補償電容，它們的值一般都在幾千至十幾千乏；另如網(wǎng)吧一類計算機大量集中的地方線間電容可達幾微法，這么大的電容對音頻段的阻抗也是很小的，同樣形成載波陷阱。

六、利用阻波法存在的局限性

電力線載波最常用、最有效的方法是阻波法，即在低阻抗點與線路間加裝阻波器，利用阻波器的固有阻抗消除低阻抗點。但是在低壓電網(wǎng)上用電設(shè)備數(shù)量龐大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，加裝阻波器是很困難的，成本高。

七、采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)存在的局限性

在通信過程中由于阻抗失配和線路損耗使信號衰減，當(dāng)信號小到影響正常傳遞時，利用轉(zhuǎn)發(fā)法進行接力中繼傳送也是常用的有效方法，但它必須建立在穩(wěn)定系統(tǒng)上。中低壓電網(wǎng)對電力線載波來說是一個隨機不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此，單靠中繼措施較難達到目的。

八、載波信號隨機的不可控的跨過變壓器

理論上，載波信號是很難跨過變壓器傳輸?shù)?，但在實際過程中，載波信號有時會出現(xiàn)隨機的不可控的跨臺區(qū)泄漏的現(xiàn)象。載波設(shè)備在各臺區(qū)間同時工作時，有時存在相互串?dāng)_，大大降低了載波通信的成功率。

根據(jù)多年的經(jīng)驗，載波系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)試工程量較大，往往需要大量的現(xiàn)場設(shè)置工作。同時，一些載波系統(tǒng)存在路由級數(shù)的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模有限。

綜上所述，我們可以從以上幾個方面來實現(xiàn)控制低壓電網(wǎng)噪音污染和諧波干擾。

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