變電站內(nèi)空間電磁場對無線通信單元耦合機理分析

王 沛， 張衛(wèi)東， 楊志超, 李 謙， 關程遠， 付勝軍

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引 言

變電站作為輸變電工程的樞紐，積極引入無線網(wǎng)絡通信技術，變電站內(nèi)搭建230 MHz無線電力專網(wǎng)有效解設備狀態(tài)實時監(jiān)測問題[1-3]。位于感知層的無線通信單元，其常布設在變電站一次設備附近。

這對無線傳感單元的抗干擾能力及其電磁兼容性由于變電站一次設備運行中，周圍電磁環(huán)境惡劣，能提出了更高的要求。新型無線通信單元在變電站內(nèi)的受擾機理及抗擾度特性分析亟待解決。

針對變電站內(nèi)電磁騷擾特性及測量，已經(jīng)有大量數(shù)據(jù)積累及系統(tǒng)性時域頻域分析[4，5]。變電站內(nèi)典型穩(wěn)態(tài)電磁騷擾主要以工頻電磁場及諧波最為突出，同時包含電暈放電、局部放電，在開關室測得穩(wěn)態(tài)電磁騷擾頻率最高達到2～3 GHz，覆蓋了無線設備通信頻段，極易對無線通信單元產(chǎn)生同頻干擾；變電站內(nèi)典型暫態(tài)電磁騷擾主要指隔離開關、斷路器帶電操作引起的VFTO及引起的變電站內(nèi)空間暫態(tài)電磁場[6]，其特點在時域內(nèi)脈沖上升沿窄，幅度大，在頻域內(nèi)頻譜含量豐富，主要頻率分量均不高于40 MHz[7]，暫態(tài)空間電磁騷擾強度大，但衰減劇烈，在變電站內(nèi)作用范圍有限。

已有變電站內(nèi)二次設備的電磁兼容研究主要是針對于一些常見的二次設備，如互感器、就地化電子設備等[8，9]。開展敏感設備信號端口、電源端口耦合路徑的分析；通過搭建試驗平臺，模擬變電站騷擾開展了二次設備的抗擾度特性分析；在騷擾抑制方面提出了屏蔽、隔離、濾波等抑制措施并驗證了其有效性[10]。針對變電站內(nèi)無線通信單元在變電站內(nèi)的電磁兼容問題，相關研究主要集中在，基于信號與電源完整性對無線通信單元PCB板進行優(yōu)化設計[11]；研究電波傳輸特性及通信協(xié)議并制定組網(wǎng)方案[12]，主流通信協(xié)議采用ZigBee通信協(xié)議[13]；試驗方面通過改變騷擾源極化特性開展無線設備的抗擾度分析，提出無線通信單元對外界騷擾的敏感度取決于空間騷擾源的極化方向[14，15]。

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議進行組網(wǎng)通信實現(xiàn)了更低功耗、更遠通信距離的要求[16]。我國江蘇試點變電站已經(jīng)實現(xiàn)了變電站內(nèi)無線通信全覆蓋，但變電站內(nèi)電磁環(huán)境復雜，對安裝在一次設備上的新型LoRa無線通信單元抗擾度要求很高。本文在前人測量及研究基礎上，通過分析無線通信單元結(jié)構(gòu)特征，明確電磁騷擾源耦合路徑；分析無線通信單元受擾機理；利用信噪比與噪聲容限的分析方法，通過建模仿真完成了無線通信單元抗擾度特性的量化分析并提出了無線通信單元在變電站內(nèi)改進布設策略，為無線通信單元在變電站內(nèi)的應用提供參考。

1 電磁騷擾耦合路徑分析

如圖1所示，無線通信單元采用5 V直流輸出、1 500 mAh電池供電，屬于自供能設備且無外接引線。變電站內(nèi)電磁騷擾源復雜，可通過多種耦合方式對二次設備形成干擾，一般耦合途徑包括傳導和輻射；實際上，由于無線通信單元無外接數(shù)據(jù)線且外殼為塑料外殼，故無線通信單元極易受到空間電磁騷擾的影響。空間電磁可主要通過無線通信單元的天線系統(tǒng)形成耦合進而對無線通信單元產(chǎn)生干擾，這種耦合方式常稱為前門耦合；亦可穿過塑料外殼作用到PCB板上產(chǎn)生騷擾感應電壓，這種耦合方式常稱為后門耦合。

圖1 無線通信單元實物圖Fig. 1 Physical drawing of wireless communication unit

1.1 前門耦合分析

前門一般指無線通信單元配置的用于通信功能的天線系統(tǒng)，分析天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及收發(fā)特性是前門耦合路徑分析的關鍵。由圖1所示無線通信單元實物圖可知，其搭載了230 MHz螺旋天線作為收發(fā)信號通信天線，天線既可以輻射電磁波，同樣可以接收空間電磁騷擾，進而產(chǎn)生騷擾感應電壓，作用于內(nèi)部芯片產(chǎn)生干擾，導致誤碼、丟包等現(xiàn)象。

首先進行天線物理尺寸的測量，后對螺旋天線的螺距、扎數(shù)、螺旋半徑等參數(shù)進行優(yōu)化，獲得了230 MHz螺旋天線精準模型如圖2所示。

圖2 230 MHz螺旋天線模型圖Fig. 2 230 MHz spiral antenna model

由圖2模型對螺旋天線的發(fā)射特性展開仿真，得到天線的回波損耗如圖3(a)，根據(jù)回波損耗的概念，該天線在230 MHz諧振頻點的回波損耗達到-35 dB，表明波導端口能量基本通過天線輻射到外部空間；從圖3(b)法向模螺旋天線遠場方向圖可知，該天線與偶極子天線類似，同樣具有全向輻射特性、天線帶寬較窄、具有倍頻輻射特性、最大輻射方向上增益為1.87 dBi，駐波比小于1.5。

圖3 法向模螺旋天線參數(shù)Fig. 3 Parameters of normal mode helical antenna

對天線仿真結(jié)果分析表明：該天線系統(tǒng)符合實際工程需要，對天線系統(tǒng)精準建模保證了前門耦合分析的準確性。

圖4為利用對數(shù)周期天線結(jié)合頻譜分析儀在10 m法電波暗室所測得的無線通信單元發(fā)射頻譜特性。實測與仿真表明230 MHz法向模螺旋天線具有很強的倍頻效應，在230 MHz、460 MHz、690 MHz都存在諧振點，同時說明在實際工程應用中，外界空間電磁騷擾可通過天線系統(tǒng)對無線通信單元產(chǎn)生同頻干擾、倍頻干擾。

圖4 無線通信單元發(fā)射頻譜特性Fig. 4 Transmission spectrum characteristics of wireless communication unit

1.2 后門耦合分析

后門一般指無線通信單元的串口模塊、芯片引腳、供電端口等，外界騷擾對后門的干擾方式主要是傳導耦合及輻射耦合，但是由于無線通信單元采用微型鋰電池供電，故不考慮傳導耦合，且無線通信單元采用塑料外殼，故屏蔽效能不佳將導致外界空間電磁騷擾穿過設備外殼，作用到PCB板上，在線路、芯片引腳以及各個端口都將產(chǎn)生騷擾感應電壓，若后門耦合量超過芯片引腳、端口閾值電壓將影響無線通信單元正常工作。

射頻電磁干擾照射到無線通信單元信號回路中，耦合路徑具體可分為兩種：當PCB板上較長的信號線、連接線、控制線等走線長度與某一特定騷擾頻率的波長在物理尺寸上相比擬時，則該走線易產(chǎn)生天線效應，進而感應出較大騷擾電壓；同樣PCB板上的信號閉合回路也可以在空間電磁騷擾照射下產(chǎn)生騷擾感應電壓進而對設備正常工作產(chǎn)生干擾。

2 無線通信單元受擾機理分析

空間電磁騷擾在無線通信單元螺旋天線上產(chǎn)生騷擾感應電壓，騷擾感應電壓通過天線、電容、電感等傳輸?shù)郊蓧K，集成塊對天線接收信號進行后處理。由于騷擾信號會導致無線通信單元信噪比下降，若無線通信單元內(nèi)部芯片無法對接收信號解調(diào)，則會導致無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)丟包、誤碼等現(xiàn)象；當外界電磁騷擾在芯片引腳上所產(chǎn)生的感應電壓大于芯片對應噪聲容限時，同樣無線通信單元會受到干擾。使用仿真軟件對無線通信單元精準建模，利用平面波模擬空間電磁騷擾對無線通信單元照射，仿真分析前門耦合電壓與后門耦合電壓，根據(jù)信噪比及噪聲容限分析無線通信單元受擾機理。

圖5為仿真軟件中建立的無線通信單元模型，設備采用PE外殼，外殼上存在散熱縫隙、充電接口，外殼與下層蓋板間通過卡扣連接。無線通信單元內(nèi)部構(gòu)造復雜，主要包含標準直流輸出電壓5 V容量1 500 mAh供電電池、E22-230T22S芯片、PCB板及相關電路元器件，同時搭載了230 MHz法向模螺旋天線。相關材料設定：外殼采用塑料(PE)外殼；PCB板為1.2 mm厚的均勻無損FR4(玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板)，PCB板上線路為銅制導線。PCB板上元器件及引腳采用理想導體PEC，無線通信單元采用螺旋天線，故首先需要對230 MHz螺旋天線的極化特性及抗擾度特性進行分析，從而準確分析空間電磁騷擾通過前門耦合產(chǎn)生的騷擾量。

圖5 無線通信單元模型圖Fig. 5 Model diagram of wireless communication unit

2.1 法向模螺旋天線抗擾度特性分析

利用1.1所建立的230 MHz法向模螺旋天線模型開展抗擾度特性分析，仿真設置如圖6所示。采用平面波對螺旋天線進行照射，根據(jù)變電站內(nèi)空間電磁騷擾特性，采用典型局部放電信號作為平面波激勵信號。采用不同輻射方向、不同輻射強度、電場不同極化方向的平面波對無線通信單元進行照射，對螺旋天線上耦合的騷擾感應電壓進行統(tǒng)計分析。

圖6 螺旋天線抗擾度仿真圖Fig. 6 Simulation of spiral antenna immunity

表1為平面波照射強度為10 V/m時，改變輻射方向及電場極化方向所得到的螺旋天線上騷擾感應電壓最大值。仿真結(jié)果表明，空間電磁騷擾不同極化方向會對無線通信單元天線系統(tǒng)產(chǎn)生不同影響，當螺旋天線極化方向與平面波電場極化方向均為垂直極化(沿+Z軸)時，螺旋天線上產(chǎn)生較大的感應電壓0.019 V，當螺旋天線極化方向與平面波電場極化方向正交時，螺旋天線上所產(chǎn)生的騷擾感應電壓很小為2×10-5V。

表1 螺旋天線抗擾度特性Tab.1 Immunity characteristics of helical antenna

在平面波照射方向(+X)與極化方向(+Z)不變的情況下，改變平面波騷擾強度，分析天線上所產(chǎn)生的感應電壓與外界騷擾強度間的關系。統(tǒng)計分析大量仿真數(shù)據(jù)，得到無線通信單元天線上所產(chǎn)生的騷擾感應電壓與騷擾強度之間的關系如圖7所示。由圖7所示，無線通信單元天線上所產(chǎn)生的感應電壓最大值與外界騷擾強度間存在線性關系：在激勵信號與照射方式不變的情況下，隨著騷擾強度的增大，天線上所產(chǎn)生的感應電壓也線性增大。

圖7 天線感應電壓與騷擾強度關系圖Fig. 7 Relationship between antenna induced voltage and disturbance intensity

2.2 通過前門耦合對無線通信單元受擾機理分析

信噪比SNR或S/N(Signal-Noise Ratio)指電子設備信號與噪聲的比值，信號指的是有用信號，來自設備外部需要無線通信單元處理的電子信號，噪聲信號指初始信號中不存在的額外信號，二者的比值稱為信噪比[17]，信噪比是制約無線通信系統(tǒng)信號傳輸速率與通信距離的關鍵性指標。信噪比計量單位通常為dB，通過S/N=10lg(PS/PN)計算，其中PS和PN分別代表信號與噪聲的有效功率，換算為電壓有效值為：S/N=20lg(US/UN)，其中US和UN分別為信號電壓與噪聲電壓的有效值。

無線通信單元的接收靈敏度-147 dBm，接收靈敏度是檢驗接收微弱信號的能力指標，同樣是制約無線傳感設備通信距離的決定性技術指標。接收靈敏度是指在確保信噪比不低于芯片解調(diào)所需信噪比情況下，天線端口接收到的最小功率。換言之，接收靈敏度是無線通信單元能夠把有用信號正確解調(diào)的最小信號接收功率。它和三個因素有關系，即帶寬范圍內(nèi)的噪聲、接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、系統(tǒng)把有用信號拿出所需要的最小信噪比。根據(jù)噪聲系數(shù)[18]如式(1)：

(S/N)i=NF(S/N)o

(1)

式中：NF為噪聲系數(shù)。輸入噪聲功率Ni=kTB。(S/N)o表示解調(diào)所需信噪比，將噪聲系數(shù)Ni代入式(1)，得式(2)：

Si=-174+10lgBW+NF+(S/N)o

(2)

根據(jù)天線系統(tǒng)所連接的放大器的噪聲系數(shù)NF為6 dB[19]，求出無線模塊解調(diào)所需信噪比為16.2 dB。無線模塊的發(fā)射功率典型值22 dBm(0.158 W)、發(fā)射電流典型值107 mA，計算正常工況電壓UN=1.5 V，仿真指定騷擾作用下，無線通信單元耦合產(chǎn)生騷擾感應電壓有效值，利用信噪比計算公式S/N=20lg(US/UN)，獲得在指定騷擾下，無線通信單元的信噪比大小并與無線模塊解調(diào)所需信噪比進行對比，判斷無線通信單元受擾情況。

分析PCB板線路走向、螺旋天線與電路板元器件的連接情況，發(fā)現(xiàn)法向模螺旋天線騷擾感應電壓流經(jīng)電容、電感等元器件將信號輸入到集成塊進行信號的后處理。根據(jù)騷擾信號走向，設置電壓監(jiān)視器測量集成塊輸入引腳對地產(chǎn)生的騷擾感應電壓UN，如圖8所示。

圖8 UN電壓監(jiān)視器布置圖Fig. 8 UN voltage monitor layout

采用平面波照射，激勵信號采用局部放電信號，平面波電場極化方向與天線極化方向相同且均沿+Z軸，平面波照射強度為10 V/m，展開仿真分析，得到集成塊輸入引腳處對地騷擾感應電壓如圖9所示。

圖9 集成塊輸入引腳對地感應電壓UN時域波形Fig. 9 UN time domain waveform of induced voltage from input pin of integrated circuit block to ground

導出圖9仿真數(shù)據(jù)，計算感應電壓有效值，得到集成塊輸入引腳對地感應電壓UN有效值為0.076 8 V，根據(jù)信噪比計算公式S/N=20lg(US/UN)，得在該種空間騷擾作用下，無線模塊的信噪比為41.1 dB，大于無線模塊解調(diào)所需信噪比16.2 dB，無線模塊不會受到干擾，且具有較大的裕度。可加大平面波騷擾強度，得到多組仿真數(shù)據(jù)從而獲得無線通信單元的抗擾度閾值水平。取若干組數(shù)據(jù)形成散點圖，分析集成塊對地感應電壓有效值與信噪比水平隨外界騷擾強度變化的關系如圖10所示。

圖10 前門耦合量與騷擾強度間關系Fig. 10 Relationship between front door coupling and disturbance intensity

由圖10所示，分析大量仿真數(shù)據(jù)，得到騷擾電壓及信噪比與平面波照射強度間關系：集成塊感應電壓有效值隨外界騷擾強度線性變化；無線模塊信噪比隨外界騷擾強度呈對數(shù)變化。局部放電信號激勵下的平面波，當騷擾強度達到185 V/m時，此時集成塊輸入引腳對地感應電壓UN有效值達到0.232 1 V，對應信噪比為16.19 dB，相較于無線模塊解調(diào)所需信噪比16.2 dB，此時外界騷擾強度達到無線通信單元內(nèi)部芯片正常工作的臨界點，若騷擾強度進一步加大，則無線通信單元內(nèi)部芯片易受到干擾，進而導致無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼、丟包等現(xiàn)象。

2.3 通過后門耦合對無線通信單元受擾機理分析

無線通信單元搭載了E22-230T22S全新一代 LoRa無線模塊，如圖11所示，E22-230T22S是基于SEMTECH公司SX1262射頻芯片的無線串口模塊(UART)，具有多種傳輸方式，工作在(220.125～236.125 MHz)頻段(默認230.125 MHz)，采用LoRa擴頻技術，通過引入擴頻因子，增強了無線鏈路通信可靠性，通信電平為3.3 V，TTL電平輸出。

圖11 無線通信單元PCB板示意圖Fig. 11 Schematic diagram of PCB board of wireless communication unit

根據(jù)無線通信單元的實際物理結(jié)構(gòu)，其整體外殼為塑料外殼，但E22-230T22S無線模塊作為無線通信單元的核心器件，其采用鋁制外殼為內(nèi)部芯片起到屏蔽外界空間電磁騷擾的作用，但由圖11所示，無線模塊的引腳并沒有包含在鋁殼屏蔽體內(nèi)，故引腳間極易受擾空間電磁照射進而產(chǎn)生差模騷擾電壓及共模騷擾電壓，騷擾電壓可直接通過線路導致E22-230T22S無線模塊內(nèi)部芯片故障甚至永久燒毀模塊。

由于E22-230T22S無線模塊為TTL電平輸出，根據(jù)TTL噪聲容限的定義，當許多門電路相連組成系統(tǒng)時，前一級門電路的輸出作為后一級門電路的輸入。當模塊受擾時，前一極門電路輸出受擾增大，導致后一級輸入信號偏離正常的低電平而升高，但輸出低電平不變化；同理輸入信號偏離正常高電平而降低時，輸出的高電平不改變。這種在保證輸出高、低電平不變的條件下，輸入電平波動范圍稱為噪聲容限。E22-230T22S無線模塊采用3.3 V TTL，其I/O口電平如式(3)所示：

(3)

根據(jù)式(4)得到輸入為高電平時噪聲容限為0.4 V：

Vnh=Voh(min)-Vih(min)

(4)

根據(jù)式(5)得到輸入為低電平時噪聲容限為0.4 V：

Vnl=Vil(max)-Vol(max)

(5)

故TTL的高低電平的噪聲容限為0.4 V[17]。雖然無線通信單元中同樣包含CMOS芯片，但CMOS芯片抗干擾水平較TTL高，故可重點考慮TTL芯片在空間騷擾作用下所產(chǎn)生的共模感應電壓、差模感應電壓與噪聲容限間關系。E22-230T22S無線模塊PCB板機械結(jié)構(gòu)與引腳定義如圖12所示。

圖12 E22-230T22S機械尺寸與引腳定義Fig. 12 Mechanical dimension and pin definition of E22-230T22S

根據(jù)引腳定義，7號引腳為本模塊的RXD引腳，為TTL串口輸入引腳，與外界TXD輸出引腳相連；8號引腳為本模塊的TXD引腳，為TTL串口輸出引腳，與外界RXD輸入引腳相連；10號引腳為VCC引腳，為本串口模塊電位正參考，其電壓范圍為：2.3～5.5 V DC；11號引腳為GND。根據(jù)引腳定義，設置4個電壓監(jiān)視器分別為：7號引腳與8號引腳間差模感應電壓監(jiān)視器；7號引腳對地共模感應電壓監(jiān)視器；8號引腳對地共模感應電壓監(jiān)視器；電池供電端口騷擾電壓監(jiān)視器。相關電壓監(jiān)視器設置如圖13所示。

圖13 后門耦合電壓監(jiān)視器Fig. 13 Rear door coupling voltage monitor

在2.2前門耦合量化分析中，局部放電信號激勵下平面波空間電磁騷擾閾值185 V/m，外界空間電磁騷擾通過前門耦合到無線通信單元上騷擾電壓使得無線通信單元工作狀態(tài)開始發(fā)生紊亂。故根據(jù)前門耦合閾值，在同樣騷擾強度下展開后門耦合仿真分析，分析四個電壓監(jiān)視器仿真結(jié)果，判別無線模塊引腳上差模、共模感應電壓是否超過無線模塊噪聲容限；電池供電端口是否超過正常供電電壓范圍。從而完成后門耦合量化分析并確認無線通信單元的敏感部位。相關仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 后門耦合仿真結(jié)果Fig. 14 Simulation results of back door coupling

對上述仿真結(jié)果分析可知，在局部放電信號激勵平面波照射下，當騷擾強度達到185 V/m時，電池供電端口感應電壓最大值為0.118 V；E22-230T22S無線模塊RXD引腳與TXD引腳間耦合的差模騷擾感應電壓最大值為0.056 1 V；RXD引腳與TXD引腳對地耦合的共模騷擾感應電壓最大值分別為0.141 V、0.130 V。由于電源端口感應電壓監(jiān)視器的布設與空間場極化方向正交，且無線模塊RXD引腳與TXD引腳位置接近，故而所測得騷擾感應電壓均較??；7號與8號引腳上對地產(chǎn)生的共模感應電壓最大值為0.141 V，相較于無線模塊噪聲容限0.4 V，依然存在較大的裕度。

后門仿真結(jié)果表明在185 V/m平面波照射下，空間電磁騷擾耦合到芯片引腳上的騷擾感應電壓并不會導致無線通信單元工作異常。換言之前門耦合騷擾閾值小于后門耦合騷擾閾值，根據(jù)無線通信單元表面電流分布同樣可以得到驗證。圖15為無線通信單元230 MHz頻率下表面電流分布，螺旋天線顏色為黃綠色，對應較大的感應電流分布，PCB板及電路元器件為藍色，對應PCB板上感應電流較小，表面空間場容易通過天線系統(tǒng)耦合較大感應電流進而對設備產(chǎn)生干擾。

圖15 230 MHz頻率下無線通信節(jié)點表面電流分布Fig. 15 Surface current distribution of wireless communication nodes at 230 MHz

后門耦合量化分析表明：無線通信單元尺寸較小，相較于外界騷擾對應的波長而言，PCB板上的線路不會產(chǎn)生天線效應；且PCB板上信號回路面積較小，產(chǎn)生的騷擾感應電壓很弱，故而外界空間電磁騷擾通過后門耦合產(chǎn)生干擾相較于前門耦合更加困難。換言之，外界空間電磁騷擾更易通過無線通信單元的天線系統(tǒng)產(chǎn)生耦合進而對無線通信單元產(chǎn)生直接干擾。

3 結(jié) 論

本文統(tǒng)籌變電站內(nèi)騷擾類型與無線通信單元結(jié)構(gòu)特征，分析空間電磁騷擾對無線通信單元耦合路徑，研究無線通信單元受擾機理并完成抗擾度量化分析，結(jié)論如下：

(1)無線通信單元的天線系統(tǒng)敏感度很高，并提出前門騷擾閾值：當穩(wěn)態(tài)騷擾強度達到185 V/m時無線通信單元工作開始發(fā)生紊亂；

(2)由于PCB板尺寸小，導線天線效應及閉合回路所產(chǎn)生的感應電壓較弱，在185 V/m穩(wěn)態(tài)騷擾作用下，后門耦合電壓較低且芯片引腳共模感應電壓大于差模感應電壓，但均小于噪聲容限，不會影響設備正常工作；

(3)實測與仿真表明無線通信單元具有很強的倍頻特性，故應控制變電站內(nèi)230 MHz等騷擾成分，防止對無線通信單元造成同頻干擾與倍頻干擾；且無線通信單元的天線系統(tǒng)為垂直極化，應最大程度保證無線通信單元天線與主要騷擾成分極化方向正交布設，從而提高站內(nèi)無線鏈路可靠性。