電力線通信抄表系統(tǒng)的輻射特性和影響因素

彭文俊，張衛(wèi)東，陳泳延，李彩云，張雨奇

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州510620)

0 引言

電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用各種通信技術(shù)。利用電力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速信息交互成為電力線通信(power line communication，PLC)技術(shù)發(fā)展的趨勢。目前，南方電網(wǎng)公司和國家電網(wǎng)公司都在大力發(fā)展以PLC技術(shù)為主要通信手段的雙向智能化用電信息采集系統(tǒng)，推進建設(shè)智能電網(wǎng)。為了利用電力線實現(xiàn)有效通信，必須克服許多實際挑戰(zhàn)。其中，PLC的電磁兼容問題成為推動PLC技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸。

文獻[1]中測試的幾種室內(nèi)PLC設(shè)備在工作時帶來的輻射干擾較小，未在FM廣播和低VHF電視廣播服務(wù)上產(chǎn)生不利影響。文獻[2]中研究的PLC適配器所產(chǎn)生的輻射場對其他設(shè)備的干擾有限。文獻[3]分析了儲能管理系統(tǒng)單元里PLC的電磁兼容問題，得到了可注入電池線纜中信號的強度限值。華北電力大學(xué)張衛(wèi)東等利用自研的近場測量系統(tǒng)，測量了低壓高速PLC網(wǎng)絡(luò)電磁輻射，其結(jié)果滿足現(xiàn)有PLC標(biāo)準(zhǔn)的測量要求[4]。Zhang H等對室外PLC系統(tǒng)進行了輻射測量，獲得了一些分布規(guī)律[5]。

目前，PLC電磁兼容性研究主要集中在產(chǎn)品層面，缺少對工程應(yīng)用中PLC系統(tǒng)，特別是室外長線路、中近場情況下電磁輻射分布特性的全面而深入的定量分析。鑒于此，本文基于PLC電力抄表模擬系統(tǒng)和實際應(yīng)用場景開展了大量工作：研究了PLC輻射空間分布特性；綜合考慮PLC輻射測量值、環(huán)境噪聲值和仿真計算值的數(shù)值關(guān)系，驗證了建模計算的有效性；調(diào)整模型參數(shù)，研究了有關(guān)典型影響因素對PLC輻射的作用規(guī)律，研究了復(fù)雜惡劣場景對外輻射特性，并就PLC輻射測量方法、模型準(zhǔn)確度分析方法提出了相關(guān)建議。

1 PLC系統(tǒng)輻射測試

1.1 PLC電力抄表模擬系統(tǒng)測試

PLC模擬系統(tǒng)主要由DJGZ23-XLJ101型集中器、電力線和專用PLC電表構(gòu)組成，工作頻帶為2.441～5.615 MHz。在較開闊的場地搭建模擬系統(tǒng)，以降低環(huán)境噪聲對PLC輻射測量結(jié)果的影響；經(jīng)小型隔離變壓器和磁環(huán)給模擬系統(tǒng)供電，以隔絕供電網(wǎng)絡(luò)中可能存在的干擾。因而，PLC模擬系統(tǒng)受外部干擾小。模擬系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 PLC模擬系統(tǒng)

為了對比輻射測量方法的影響，圖2(a)展示了使用測量設(shè)備峰值檢波、Clearwire功能，測得某一時刻的電場強度瞬時值；圖2(b)展示了使用測量設(shè)備峰值檢波、Maxhold功能，測得一段時間內(nèi)電場強度最大保持值。首先，PLC系統(tǒng)運行時現(xiàn)場輻射比PLC系統(tǒng)關(guān)閉時的背景噪聲強，表明所測輻射確是由PLC系統(tǒng)產(chǎn)生；其次，Clearwire測量下PLC輻射與背景噪聲雜糅在一起，大部分頻點上區(qū)分度不大，這也意味著PLC輻射對環(huán)境影響并不突出；再次，Maxhold測量下PLC輻射明顯強于背景噪聲；最后，Maxhold測量數(shù)據(jù)普遍大于Clearwire測量數(shù)據(jù)。PLC的調(diào)制工作方式使得同一時刻同一頻點下線路始端電壓與空間場沒有對應(yīng)關(guān)系。鑒于此，分析認為在足夠長的測量時間內(nèi)，使用測量設(shè)備Maxhold功能測量線路始端電壓和測點位置上的電場強度，最大保持電壓與最大保持場強之間存在對應(yīng)關(guān)系。并且，最大保持值一般較瞬時值大，在評估電磁環(huán)境或輻射抗擾度等方面更具代表性與說服力，避免了瞬時值帶來的隨機性，同時還在一定程度上計及了裕量。

圖2 Clearwire瞬時值測量與Maxhold測量最大保持值測量對比

1.2 PLC電力抄表應(yīng)用現(xiàn)場測試

1.2.1 直線路PLC輻射測試

考察選取由1個集中器和24塊用戶電表組成的PLC臺區(qū)進行測試。測試場地較開闊，被測三相四線制線路筆直，線路支路少且對被測路段影響小，PLC工作頻段0.7～3 MHz。圖3為現(xiàn)場測試情況，圖中高壓線路不攜帶PLC信號。

圖3 直線路現(xiàn)場測試

測試獲得了線路始端A相對N的電壓和空間場強。圖4展示了PLC系統(tǒng)運行時距集中器縱向(平行于電力線方向)距離72 m處，橫向(垂直于電力線方向)測距DL=10 m、30 m、50 m、70 m、100 m、150 m和200 m時電場強度最大保持值衰減情況。可見PLC輻射隨橫向距離增大衰減顯著；橫向測距100 m、150 m和200 m位置上電場強度相當(dāng)，說明PLC輻射在橫向距離約100 m處就能衰減到環(huán)境噪聲水平。據(jù)此判斷，本文所研究的PLC系統(tǒng)工作時單一直線路輻射橫向可感知距離達100 m，保守評估可選為150 m。

圖4 直線路PLC輻射橫向衰減

圖5展示了橫向距離30 m，縱向測距分別為72 m、118.5 m和168 m位置上的電場強度最大保持值?？梢钥吹剑琍LC輻射縱向分布呈起伏狀，其主要原因是PLC信號沿線路呈駐波分布影響，靠近波腹位置輻射較強，靠近波節(jié)位置輻射較弱。線路分支一定程度上對此現(xiàn)象也有貢獻。

圖5 直線路PLC輻射縱向分布

此外，注意到無論測點位置遠近，0.7～1.5 MHz頻段內(nèi)某些頻點上的電場始終很強。大量的測試證明該現(xiàn)象是由現(xiàn)場環(huán)境中非PLC系統(tǒng)的較強的低頻干擾源引起，該騷擾為環(huán)境固有，與PLC系統(tǒng)工況無關(guān)[6]。在研究PLC系統(tǒng)輻射分布規(guī)律時，這些干擾源的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)排除。

1.2.2 交叉垂直線路PLC輻射測試

考察選取到由1個集中器和約80塊用戶電表組成的較復(fù)雜臺區(qū)，PLC工作頻段0.7～3 MHz。被測三相四線制線路由相互垂直的兩段組成；距被測區(qū)域邊緣最近直線距離約80 m處存在另外一個臺區(qū)的電力線?？傮w而言，現(xiàn)場環(huán)境較復(fù)雜，存在較強外部騷擾。測試在兩段被測線路所圍區(qū)域展開，如圖6所示。

圖6 交叉垂直線路現(xiàn)場測試

依據(jù)現(xiàn)場條件，以其中一段電力線為基準(zhǔn)，測量其橫向距離10 m、30 m、50 m、70 m和90 m位置上的電場強度最大保持值。圖7展示了圖6(b)中測點D1—D5位置上的電場強度。不同于單一直線路，交叉垂直線路輻射不再隨橫向距離的增大而減小，而是呈現(xiàn)起伏狀，并且各頻點起伏趨勢不一致。該現(xiàn)象主要是由兩段電力線共同作用導(dǎo)致。若測點位置越靠近兩段電力線，則輻射起伏性越大。對于交叉線路共同作用的區(qū)域，選擇合適測點走向并增加測量距離可獲得輻射衰減特性，如參照圖6(b)中虛線。

圖7 交叉垂直線路PLC輻射分布

2 PLC系統(tǒng)建模分析

2.1 輻射計算原理

由于電力線自身的傳輸特性，當(dāng)加載上高頻信號時，電力線如同天線一樣向外輻射電磁騷擾。適宜采用基于全波技術(shù)求解頻域麥克斯韋積分方程組的矩量法(method of moment，MOM)來分析解決這類復(fù)雜電磁問題[7]。矩量法只需要離散幾何模型而無須離散空間，無須設(shè)置邊界條件，其計算量只取決于計算頻率和模型的幾何尺寸。

一個表面為S的PEC金屬散射體在自由空間中產(chǎn)生的電場ES表示為：

(1)

式中：Φ為標(biāo)量位；A為矢量磁位。

(2)

(3)

(4)

在以上公式中存在J的微積分及Φ的計算，運算復(fù)雜，因此選用適當(dāng)?shù)幕瘮?shù)和權(quán)函數(shù)對求解至關(guān)重要。對散射體用三角形單元進行剖分，采用RWG基函數(shù)將三角形內(nèi)任一點的電流密度用該點到3個頂點的矢量展開，其示意圖如圖8所示。圖8中每個公共邊鄰接兩個不同的三角形，故使用“+”“-”標(biāo)記加以區(qū)分。

圖8 三角形單元剖分電流密度矢量展開

(5)

式中：Jn為待求電流；n為三角形的邊。基函數(shù)fn如式(6)所示。

(6)

(7)

若將金屬表面剖分成I個單元，式(4)可寫為：

(8)

將式(5)—(7)帶入式(8)得：

(9)

(10)

式(10)的各部分可以定義如式(11)—(13)所示。

(11)

(12)

Zmn=Φmn+Amn

(13)

式中：Φmn為等效的標(biāo)量位矩陣；Amn為等效的矢量磁位矩陣；Zmn為邊m與邊n間的阻抗矩陣。最終的矩陣形式方程為：

ZmnJn=Vm

(14)

式中：Jn為待求電流量；Vm為導(dǎo)體電勢分布，可從實測電壓中獲得。將求解出的電流Jn代入式(4)即可得到空間電場分布ES。

2.2 PLC模擬系統(tǒng)輻射仿真分析

建立了與模擬系統(tǒng)布局一致的仿真模型，線路始端接激勵電壓源，終端接負載阻抗，并設(shè)置了PEC地面反射作用[10]。模型輸入?yún)?shù)均依據(jù)實測數(shù)據(jù)。選取了幾個典型頻點，仿真計算了這些頻點下5個典型測點處的電場強度，并與實測電場強度最大保持值作對比，如表1所示?？梢姡嬎憬Y(jié)果與測量結(jié)果吻合度很高，有80%的數(shù)據(jù)差值在6 dB以內(nèi)。盡管還有極少數(shù)數(shù)據(jù)存在差異，但該計算方法和計算模型的有效性對預(yù)測PLC輻射空間分布趨勢滿足工業(yè)應(yīng)用中的要求。

表1 PLC輻射測量值與計算值的差值

2.3 PLC應(yīng)用現(xiàn)場輻射仿真分析

本文是在真實場景里而不是在電波暗室測量PLC系統(tǒng)的電磁輻射。因而，現(xiàn)場輻射總體上可分為兩大部分：1)僅由被測PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射；2)除被測PLC系統(tǒng)之外的其他線路、設(shè)備、系統(tǒng)和周圍環(huán)境所產(chǎn)生的輻射，概括地用背景噪聲來表示。建立背景噪聲模型是困難的，因為其情況復(fù)雜且沒有具體參數(shù)。但是，被測PLC系統(tǒng)是清晰明了的，易于建模。當(dāng)PLC系統(tǒng)運行時，實測輻射是由PLC輻射和背景噪聲組成，記作Etotal；當(dāng)PLC系統(tǒng)停運時，僅測得背景噪聲，記為Enoise；通過PLC仿真模型計算出來的輻射，將其表示為EPLC。

選擇了幾個具有較強輻射的典型頻點進行重點分析。圖9(a)和圖9(b)分別展示了直線路PLC在1.596 MHz和2.198 MHz頻點的輻射橫向衰減趨勢對比。圖中圓形標(biāo)記代表測量點的位置。可以看到，在橫向距離10～30 m范圍內(nèi)，Etotal與EPLC相差不大，表明在該距離內(nèi)來自PLC系統(tǒng)的輻射貢獻較大。隨著距離的增加兩者差值逐漸增大，特別是1.596 MHz頻點下，200 m處的差值達到了35 dB，這表明PLC輻射的貢獻值逐漸減小，Etotal最終衰減至背景噪聲Enoise水平。

圖9 直線路PLC輻射橫向衰減趨勢對比

就數(shù)值關(guān)系而言，Etotal近似等于EPLC和Enoise的矢量和，可以表示為[11]

(15)

在橫向測距10～200 m范圍內(nèi)EPLC和Enoise的矢量和與Etotal的對比如表2—3所示。數(shù)據(jù)顯示，矢量和與Etotal之間的差值很小，普遍小于6 dB。綜合圖9、表2—3可以得出，當(dāng)仿真模型無法考慮除被測PLC系統(tǒng)之外的現(xiàn)場設(shè)備、系統(tǒng)及周圍環(huán)境所產(chǎn)生的背景噪聲時，計算得到的PLC輻射很大程度上代表了PLC系統(tǒng)對周圍空間的實際輻射貢獻。因此，EPLC曲線和Etotal曲線在橫向測距30～200 m范圍內(nèi)差值較大并不意味計算值與測量值不吻合，而恰說明在橫向30 m開外PLC輻射貢獻迅速減小。當(dāng)在PLC輻射計算值中計及背景噪聲時，兩者的矢量和與Etotal的差值均小于6 dB，證明仿真模型有效且準(zhǔn)確。此外，這些數(shù)據(jù)也表明PLC輻射僅在近距離對環(huán)境有電磁影響，隨著距離的增加其影響是很小的；研究表明PLC應(yīng)用現(xiàn)場綜合輻射較強很大程度上取決于背景噪聲。是否考慮背景噪聲對仿真計算的影響取決于噪聲相對于被測輻射的影響程度。至于1.596 MHz頻點下PLC輻射計算值衰減快，而2.198 MHz頻點下輻射計算值衰減慢，這主要是受駐波影響，即波腹處輻射強、衰減慢，波節(jié)處輻射弱、衰減快。

表2 1.596 MHz頻率點EPLC和Enoise的矢量和與Etotal的對比

通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，獲得了單一直線型三相四線制線路PLC輻射橫向衰減梯度，如表4所示?？梢钥闯?，橫向距離50 m特別是30 m內(nèi)，PLC輻射衰減顯著且迅速；在100～150 m處PLC輻射測量值已經(jīng)衰減至背景噪聲水平，呈現(xiàn)隨距離的變化而上下波動的狀態(tài)，而仿真模型計算域中不存在背景噪聲，因而PLC輻射計算值會一直衰減下去。

表3 2.198 MHz頻率點EPLC和Enoise的矢量和與Etotal的對比

通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，獲得了單一直線型三相四線制線路PLC輻射橫向衰減梯度，如表4所示?？梢钥闯觯瑱M向距離50 m(特別是30 m)內(nèi)，PLC輻射衰減顯著且迅速；在100～150 m處PLC輻射測量值已經(jīng)衰減至背景噪聲水平，呈現(xiàn)隨距離的變化而上下波動的狀態(tài)，而仿真模型計算域中不存在背景噪聲，因而PLC輻射計算值會一直衰減下去。

表4 直線路PLC輻射橫向衰減梯度

圖10展示了單一直線路1.898 MHz頻點下PLC輻射的計算值與測量值縱向分布對比。圖11展示了垂直交叉線路2.198 MHz頻點下PLC輻射的計算值與測量值分布趨勢對比。可見，計算與實測數(shù)據(jù)在數(shù)值大小、趨勢走向上均具有較高的吻合度。借助本文的仿真方法，一定程度上可以推演不宜開展實測工作的環(huán)境里PLC系統(tǒng)輻射強度，預(yù)測PLC系統(tǒng)輻射的數(shù)值大小及分布趨勢。這對評估復(fù)雜、惡劣環(huán)境下PLC輻射騷擾特性提供了參考與依據(jù)。

圖10 直線路PLC輻射縱向分布趨勢對比

圖11 交叉垂直線路PLC輻射橫向分布趨勢對比

2.4 復(fù)雜臺區(qū)輻射仿真分析

我國低壓配電網(wǎng)錯綜復(fù)雜，PLC網(wǎng)絡(luò)不僅僅是單一直線路或兩段交叉垂直線路。因此有必要針對復(fù)雜場景展開輻射騷擾研究，總結(jié)PLC輻射騷擾影響因素的作用規(guī)律，評估輻射特性。分別建立了單臺區(qū)城市小區(qū)模型、單臺區(qū)村落模型，如圖12所示。城市小區(qū)用戶多且集中，建筑物高大、鋼筋混凝土墻體；村落用戶少且分散，建筑物矮小、磚瓦墻體。主干線路為三相四線制，支路則為單相線；A、B、C三相負載勻稱。

圖12 單臺區(qū)復(fù)雜模型

保持各模型激勵電壓不變，采用控制變量法，研究電力線架高(5～15 m)、半徑(1～5 mm)、線間距(10～90 cm)、端接負載阻抗(5+j5～500+j500 Ω)等典型因素對PLC輻射的影響效果。圖13展示了小區(qū)模型中不同電力線高度下，地面上方1 m處的輻射變化情況。圖13(a)中波峰的位置意味著靠近電力線，可見，電力線越低，電場越強；但當(dāng)遠離電力線時，電力線越低，電場越弱。這是由于地面對PLC輻射有一定的反射作用；電力線的高度低，則近處的輻射強，但輻射范圍縮小，反之亦然。因此，在場域邊緣位置，電力線越高，輻射越強，如圖13(b)所示。

圖13 電力線高度對PLC輻射的影響

經(jīng)統(tǒng)計歸納，2.442 MHz頻點下各影響因素對地面上方1 m處空間電場強度的量化分析如表5所示。

表5 影響因素分析

鋼筋混凝土和磚瓦墻體在仿真中的材料屬性不同，其在電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率上差異不大，且由此所帶來的影響也?。徊町愔饕w現(xiàn)在小區(qū)模型中建筑物的相對介電常數(shù)較村落模型的大。在小區(qū)模型的基礎(chǔ)上，保持模型其他參數(shù)不變，僅改變被試建筑物的相對介電常數(shù)，研究相對介電常數(shù)對電磁輻射的影響。仿真結(jié)果以電場云圖的形式展示在圖14(a)和圖14(b)?？梢钥刺?，εr=7(εr為相對介電常數(shù))時，僅少量輻射透入建筑物。金屬網(wǎng)是常用的非實壁型屏蔽體，具有較好的屏蔽效能。從安全角度，當(dāng)下建筑物普遍使用鋼筋混凝土，由鋼筋等構(gòu)成的金屬網(wǎng)格，加之某些避雷接地等措施，使得建筑物對電磁輻射有較強的屏蔽作用。在研究室外PLC系統(tǒng)電磁輻射時，本文不考慮其對室內(nèi)環(huán)境的影響。

圖14 相對介電常數(shù)影響效果

分別以單一臺區(qū)城市小區(qū)、村落為一個整體單位，研究其對外1 km范圍內(nèi)的輻射分布情況，仿真結(jié)果如圖15—16所示。其中圖15(a)和圖16(a)對應(yīng)現(xiàn)實常規(guī)場景，圖15(b)和圖16(b)是在配電網(wǎng)布設(shè)規(guī)范內(nèi)，適當(dāng)降低了電力線的高度、拉寬了電力線間距并減小負載阻抗，使得PLC輻射騷擾較大化。復(fù)雜單臺區(qū)場景里由于輻射有疊加，輻射可感知距離比單一線路大。PLC輻射在距離臺區(qū)邊緣電力線25～30 m內(nèi)衰減迅速，25～30 m以外逐漸趨緩；距離臺區(qū)邊緣電力線70～100 m場強即可衰減到30 dBμV/m(輻射較強場景中為40 dBμV/m)以下?？傮w而言，復(fù)雜臺區(qū)對外輻射有限，調(diào)整各影響因素對減小輻射騷擾的效果比較可觀。

圖16 村落模型對外輻射

3 結(jié)語

本文針對PLC電力抄表系統(tǒng)的電磁輻射開展了測試與仿真分析工作。單一直線型三相四線制線路PLC輻射縱向分布波動起伏，輻射橫向衰減迅速，僅在近距離對環(huán)境有一定影響，隨著距離的增加電磁影響迅速減弱，輻射可感知范圍為100～150 m；交叉垂直線路共同作用的區(qū)域，輻射分布不均勻?；诰亓糠ǖ慕７抡娣椒ㄊ怯行У?，可以用來預(yù)測PLC系統(tǒng)的輻射分布趨勢。調(diào)整模型參數(shù)，研究了電力線架高、半徑、線間距、端接負載阻抗、建筑物相對介電常數(shù)等因素對輻射的影響效果。通過合理布設(shè)電力線可以減小PLC輻射強度，并且由于鋼筋混凝土的作用，室外PLC輻射對室內(nèi)環(huán)境影響小，可以忽略。復(fù)雜PLC臺區(qū)對外輻射衰減較快，輻射強度在短距離內(nèi)能夠衰減至較低水平。