海上風(fēng)電場電磁輻射測試及分析

李 耿，陳 璀

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔能源，受到世界各國的高度關(guān)注，近年來世界風(fēng)電裝機容量一直呈指數(shù)飛速增長[1]。由于海上豐富的風(fēng)能資源和當(dāng)今建設(shè)技術(shù)的可行性，海上風(fēng)電以獨有的優(yōu)勢成為一個迅速發(fā)展的風(fēng)電領(lǐng)域[2]。

隨著海上風(fēng)電場建設(shè)項目的大力發(fā)展，海上風(fēng)電場對周圍環(huán)境，尤其是沿海無線電設(shè)備的各種影響也逐漸表現(xiàn)出來，其中最直接的影響是海上風(fēng)電場電磁輻射引起的背景噪聲抬高，進而影響周邊和沿海的無線電設(shè)備的信噪比下降或者無法正常工作[3]。目前國內(nèi)針對海上風(fēng)電場的影響研究主要集中在對沿海雷達的遮擋和反射等方向[4-6]，關(guān)于風(fēng)電場的電磁輻射影響評估研究較少，針對風(fēng)電場的電磁輻射測試及信號分析方法沒有統(tǒng)一的規(guī)范。文獻[7]中提出了風(fēng)電場的電磁輻射影響因素，并指出風(fēng)電場的電磁輻射測試可以采用替代法進行，并且具有一定的通用性，但未給出具體可行的風(fēng)電場電磁輻射測試和評估方法。文獻[8]中采用簡單的直接法測試了海上風(fēng)電場的電磁輻射，并指出測試結(jié)果中包含電信信號等干擾，但未給出詳細(xì)的信號分析過程和具體的干擾剔除方法。本文以某海上風(fēng)電場的電磁輻射影響評估項目為背景，給出了一套具體可行的電磁輻射測試方法，為剔除測試中的干擾背景信號，提出了一種基于概率統(tǒng)計特性的風(fēng)電場電磁輻射頻點篩選規(guī)則，篩選后的測試結(jié)果可以作為周圍無線電設(shè)備干擾評判的依據(jù)。

1 風(fēng)電場電磁輻射測試系統(tǒng)

根據(jù)項目需求，本次海上風(fēng)電場電磁輻射測試的頻段為30 MHz～3 GHz，測試系統(tǒng)示意如圖1所示。測試系統(tǒng)主要由測量天線、射頻電纜、頻譜儀和便攜式計算機等組成。

圖1 測試系統(tǒng)示意

測試系統(tǒng)中頻譜儀使用羅德施瓦茨的FSV40頻譜儀。測量天線選用如下：

① 30～300 MHz頻率范圍使用雙錐天線；

② 300～l 000 MHz頻率范圍使用對數(shù)周期天線；

③ 1～3 GHz頻率范圍使用雙脊喇叭天線。

測量天線具體型號和參數(shù)如表1所示。

表1 測試天線參數(shù)

2 風(fēng)電場電磁輻射測試原理與方法

由于風(fēng)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，產(chǎn)生電磁輻射的確切原因難以確定，因此很難通過理論計算的方式展開分析，只能采用實測分析方法。此外，由于影響評估分析是在風(fēng)電場規(guī)劃建設(shè)階段開展的，分析對象并沒有實際建成，因此實測也只能針對已建成且地理條件相似、規(guī)模相近的風(fēng)電場設(shè)備開展實測。在本文所述項目中，選取了與待建風(fēng)電場相同海域，相同單風(fēng)機容量的另一已建成風(fēng)電場進行電磁輻射測試。

2.1 測試原理

由于風(fēng)電場電磁輻射檢測是在風(fēng)電場附近所選測試地點進行，檢測信號中包含2類信號：背景環(huán)境信號和風(fēng)電場電磁輻射信號。因此，電磁環(huán)境分析的第一步是要從檢測到的信號中篩選出來自風(fēng)電場的電磁輻射信號，其原理如下：

① 假設(shè)風(fēng)電場是向其周圍環(huán)境空間中輻射電磁信號的。

② 風(fēng)電場向外部環(huán)境空間輻射信號時，電磁輻射強度分布規(guī)律是以風(fēng)電場中心為圓心向遠(yuǎn)處逐漸衰減的，即距離風(fēng)電場越近電磁輻射信號強度越強，距離風(fēng)電場越遠(yuǎn)電磁輻射信號強度越小。

③ 選取測試點與風(fēng)電場之間無障礙遮擋，假設(shè)在距離風(fēng)電場最近的測試點所檢測到的信號都是由風(fēng)電場發(fā)射出來的，那么這些信號向外傳播過程中滿足如下公式：

電磁波在空間的衰減公式[9-10]：

LS=32.4+20lgD+20lgF。

(1)

最大鏈路距離公式：

PR=ERP1-32.4-20lgD-20lgF+GR，

(2)

式中，D為測試距離，單位km；F為測試頻率，單位MHz；ERP1為等效輻射功率，單位dBm；PR為接收功率，單位dBm；GR為接收天線增益，單位dBi；LS為自由空間鏈路損耗，單位dB。

根據(jù)上述公式，由測試數(shù)據(jù)及其到風(fēng)電場中心的距離，可以推導(dǎo)出在同一輻射方向上其他不同距離測試點的風(fēng)電場電磁輻射信號理論值。

④ 比較同一時間、同一測量線上不同距離測試點的電磁信號理論值和實測值。如果實測值趨勢與理論值曲線相吻合，則判定信號是由風(fēng)電場發(fā)出的，否則判定信號不是由風(fēng)電場發(fā)出的。

⑤ 分選出風(fēng)電場電磁輻射信號后，反向推導(dǎo)出風(fēng)電場被測設(shè)備等效輻射源功率，為進一步分析風(fēng)電場電磁輻射信號對周邊無線電設(shè)備的影響提供依據(jù)。

2.2 測試方法

在本文實際測試過程中，選取替代風(fēng)電場的邊緣單風(fēng)機進行測試，并假設(shè)各風(fēng)機的電磁輻射能量是正向疊加的，則測試出單風(fēng)機的電磁輻射干擾功率后再加上待建風(fēng)電場風(fēng)機數(shù)量增益即為待建風(fēng)電場的電磁干擾功率。

替代風(fēng)電場的單風(fēng)機監(jiān)測點設(shè)置如下：

在距離待測單風(fēng)機外30 m處，以45°間隔圍繞單風(fēng)機設(shè)立8個近端監(jiān)測點，并在其中一個近端監(jiān)測點垂直于風(fēng)機的方向上距離風(fēng)機150 m位置處設(shè)置一個遠(yuǎn)端監(jiān)測點。

在每個監(jiān)測點的測試步驟如下：

① 在被測樣品某一近端監(jiān)測點位置處搭建測試系統(tǒng)，定向天線朝向風(fēng)電場中心方向，且天線波束寬度需覆蓋風(fēng)電場區(qū)域，設(shè)置測試天線為垂直極化。

② 設(shè)置頻譜儀的檢波方式為峰值檢波，軌跡為最大保持，分辨率帶寬為100 kHz，按照表1將30 MHz～3 GHz頻率范圍共劃分為5個頻段進行測試。讀取頻譜儀穩(wěn)定狀態(tài)的電平值，保存頻譜儀截圖和軌跡數(shù)據(jù)。

③ 將測試天線調(diào)整為水平極化，重復(fù)步驟②。

3 基于概率統(tǒng)計特性的風(fēng)電場電磁輻射頻點篩選規(guī)則

由于海上風(fēng)電場的電磁輻射測試為室外現(xiàn)場環(huán)境測試，在測試結(jié)果的頻譜中，除了待測風(fēng)機自身輻射的信號外，還有外界各種用頻設(shè)備的電磁輻射信號。為了更加準(zhǔn)確地評估風(fēng)電場對外界的輻射影響，需要有效剝離出風(fēng)電場自身的電磁輻射信號。本文采用遠(yuǎn)近端比對加信號分類判斷的方法，基于概率統(tǒng)計特性進行信號剝離，具體篩選步驟如下：

① 公共干擾頻點篩選。根據(jù)信號特征初步篩選出各監(jiān)測點測量出的移動通信頻段、廣播電臺頻率等公共頻率(段)，并從測試結(jié)果中去除各監(jiān)測點公共頻段信號。

② 篩選出非風(fēng)電場的輻射信號。將遠(yuǎn)端測試信號與近端測試信號進行比對，由于電磁信號隨著傳輸距離增加而衰減，因此若出現(xiàn)遠(yuǎn)端信號電平高于近端信號電平的頻點，則將此類頻點判定為不符合點，即此類信號非風(fēng)電場的輻射信號。

③ 設(shè)置分類門限。根據(jù)遠(yuǎn)近端距離，計算遠(yuǎn)端到近端的自由空間路徑損耗理論值。由于測試天線與被測物之間無遮擋，且測試天線在海上測試時距離海面約5 m左右，可以近似為自由空間傳播，其遠(yuǎn)近端電磁傳輸損耗的差值也基本符合自由空間損耗規(guī)律，因此可以初步將遠(yuǎn)近端電磁傳輸損耗的差值作為分類門限。

④ 信號分類。由于地面反射多會削弱接收端綜合電平，并考慮到在遠(yuǎn)端測試時接收天線指向波動對信號接收功率影響更大等不利因素，遠(yuǎn)近端接收信號電平差一般會高于自由空間損耗的理論差值。因此若存在遠(yuǎn)近端電平差值高于傳播損耗分類門限，則此類信號可判斷為風(fēng)電場發(fā)出的電磁信號，將此類信號標(biāo)記為一類信號。若遠(yuǎn)近端信號電平差值低于傳播損耗分類門限，則此類信號初步判斷為小概率風(fēng)電場輻射的電磁信號，標(biāo)記為二類信號。

⑤ 若存在一類信號，在此類信號頻點中，從8個近端位置測試結(jié)果中選擇電平最高的頻點作為此頻段的典型輻射頻點。

⑥ 若一類信號不存在，而二類信號存在時，為防止篩選規(guī)則的疏漏，這時在二類信號頻點中，找出8個近端位置測試結(jié)果，選擇電平最高的頻點作為典型輻射點。

⑦ 若一、二類信號均不存在時，選取測試頻段頻點電平為噪底信號的一頻點(首選測試頻段中心頻點)作為典型輻射頻點。

在上述篩選規(guī)則中需要注意的是，若考慮到海面的反射影響，在遠(yuǎn)端和近端的測量點電平會在自由空間傳播理論值附近波動。此時可以借鑒自由空間駐波比[11]的測量方法獲得遠(yuǎn)近端信號接收電平的波動范圍，并將此波動變化量疊加到分類門限中，以獲得可信度更高的分類門限。在本文所述測試過程中，遠(yuǎn)近端監(jiān)測點接收電平總的波動范圍約為3 dB，因此將傳播損耗分類門限降低3 dB為最終的信號分類門限。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)上述頻點篩選規(guī)則，在替代海上風(fēng)電場邊緣單風(fēng)機測試過程中，發(fā)現(xiàn)周圍的移動通信頻段如表2所示。

表2 海上單風(fēng)機監(jiān)測點移動通信頻段

將上述移動通信頻段從測試頻譜結(jié)果中去除，并按照篩選規(guī)則進行信號分類后，部分測試結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 300～500 MHz-垂直極化-遠(yuǎn)近端電磁輻射結(jié)果

從圖3中可以明顯看出,測試頻譜中電平較高的幾個輻射頻點遠(yuǎn)近端的測試電平結(jié)果幾乎一致,或者遠(yuǎn)端電平還要高于近端電平，可以得出此類頻點并非風(fēng)電場的輻射頻點，若不采取規(guī)則篩選而直接采用遠(yuǎn)端或近端的測試電平最大值作為風(fēng)電場電磁輻射結(jié)果會與真實結(jié)果差距較大，嚴(yán)重的可以達到20～30 dB的輻射功率差別。同時從圖4～圖6的結(jié)果中可以看出，通過提前去除移動通信等干擾背景信號，可以提高規(guī)則篩選的準(zhǔn)確度，降低篩選規(guī)則的出錯概率。

圖3 300～500 MHz-垂直極化-頻點篩選結(jié)果

圖4 1～2 GHz-水平極化-遠(yuǎn)近端電磁輻射結(jié)果

圖5 1～2 GHz-水平極化-去除移動通信干擾頻段后結(jié)果

圖6 1～2 GHz-水平極化-頻點篩選結(jié)果

經(jīng)過頻點篩選后，本次海上單風(fēng)機的輻射測試結(jié)果如表3所示。

表3 頻點篩選后海上單風(fēng)機輻射測試結(jié)果

根據(jù)表3的測試結(jié)果可知，風(fēng)電場電磁輻射信號整體集中在低頻頻段，即測試頻段的30～500 MHz頻段范圍，隨著頻率的升高，風(fēng)電場的電磁輻射篩選結(jié)果逐漸由一類信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎愋盘?，甚至出現(xiàn)整個測試頻段無符合篩選規(guī)則的信號情況。按照上述測試結(jié)果可以對各類無線電設(shè)備進行輻射干擾評估。若出現(xiàn)一類信號超出設(shè)備干擾門限的情況，則不建議設(shè)備在風(fēng)電場周圍使用。若出現(xiàn)二類信號超出設(shè)備干擾門限的情況，則應(yīng)根據(jù)無線電設(shè)備的實際使用地點和工作頻段進行進一步的實地電磁環(huán)境測試以確認(rèn)設(shè)備的可用性。若出現(xiàn)某測試頻段無符合信號的情況，則說明此測試頻段內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)符合規(guī)則的測試頻點，測試結(jié)果取系統(tǒng)的底噪功率，此類信號輻射功率非常小，一般會滿足各類無線電設(shè)備的干擾門限要求，具體可結(jié)合無線電設(shè)備的干擾門限進行評判。

5 結(jié)束語

科學(xué)的測試和分析方法是海上風(fēng)電電磁輻射干擾評估的前提和基礎(chǔ)，本文分析結(jié)果表明，若不采用一定的測試方法及數(shù)據(jù)篩選規(guī)則，風(fēng)電場的電磁輻射評估結(jié)果會與實際值相差巨大，嚴(yán)重影響了海上風(fēng)電場電磁輻射評估的準(zhǔn)確性，因此針對海上風(fēng)電場電磁輻射干擾的測試及評估方法亟需得到更深入的研究和探討。同時，海上風(fēng)電場的建設(shè)對周圍及沿海無線電設(shè)備的影響是多方面的，除了電磁輻射干擾，還會存在風(fēng)機對無線電探測設(shè)備的遮擋和陰影效應(yīng)，風(fēng)機引起的多徑效應(yīng)等影響，可以作為后續(xù)對海上風(fēng)電影響評估的幾個重要研究方向。