電力線載波同頻噪聲干擾阻斷器研制

沈澤帆

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕尾海豐供電局，廣東汕尾，516400）

0 前言

近年來智能電網(wǎng)建設(shè)取得了長足的進(jìn)步，低壓用戶電能表自動遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用，極大降低了電能表人工抄表投入的人力物力。其中，電力線載波通信技術(shù)把電網(wǎng)架設(shè)線路作為電能表數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，具有范圍覆蓋廣、不需要重復(fù)鋪設(shè)通信線路等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注，具有極大的應(yīng)用推廣潛力。但結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，較常出現(xiàn)類似通信基站、水泵設(shè)備、電力鍋爐、變頻設(shè)備及某些常用電器等發(fā)生的諧波噪聲干擾，嚴(yán)重的影響載波信號的傳輸效率和質(zhì)量，導(dǎo)致自動化抄表效率不可控。但在實(shí)際的抄表運(yùn)維中該問題并未引起足夠的重視，為快速提升指標(biāo)，在遇到諧波噪聲干擾造成的抄表斷續(xù)或失敗的情況時(shí)，主要采用新裝集中器、采集器的辦法來解決。研究表明，電網(wǎng)諧波除了影響載波抄表外，還會導(dǎo)致其他用電設(shè)備老化故障及線路損耗加大。通過增加集中器、中繼器的方法治標(biāo)不治本，增加了投入成本，并把暴露出來的諧波干擾問題掩蓋了，不利于電網(wǎng)良好運(yùn)行。因此研究一種簡單有效的載波同頻噪聲阻斷器，設(shè)備并接在噪聲源處阻斷干擾信號，有利于提升載波抄表成功率，有利于提升電網(wǎng)傳輸質(zhì)量，降低設(shè)備投入的成本。目前電網(wǎng)正在大量使用的電力線載波模塊通訊頻點(diǎn)主要集中在100K到500K之間，涉及后續(xù)現(xiàn)場使用安裝方便，電力線載波同頻噪聲干擾阻斷器，應(yīng)設(shè)計(jì)成通過ABCN三相四線電壓的方式并接到電網(wǎng)上。

1 電力線載波通信應(yīng)用現(xiàn)狀

電力通信在協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)發(fā)、送、變、配、用電等組成部分的聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)及保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行方面發(fā)揮了應(yīng)有的作用，并有利的保障了電力生產(chǎn)、基建、行政、防汛、電力調(diào)度、水庫調(diào)度、燃料調(diào)度、繼電保護(hù)、安全自動裝置、遠(yuǎn)動、計(jì)算機(jī)通信、電網(wǎng)調(diào)度自動化等通信需要，電力通信利用其獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢越來越被社會所重視。當(dāng)前電力線載波通信在低壓配電網(wǎng)主要有窄帶載波和寬帶載波兩種通信技術(shù)。

1.1 低壓電力線窄帶載波通信技術(shù)

低壓電力線窄帶載波通信技術(shù)用于電力信息采集系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)間較早，規(guī)模最大。近年來隨著電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展和完善，國內(nèi)已有多家企業(yè)在技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面日漸得到成效，常見的技術(shù)主要有擴(kuò)頻加窄帶頻移鍵控（FSK）、擴(kuò)頻加窄帶相移鍵控（PSK）、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，在電力信息采集、智能家居能耗管理、公用路燈時(shí)段控制和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域均有較多的應(yīng)用。

1.2 低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)

低壓電力線寬帶通信技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有了多年的運(yùn)營實(shí)踐，在用電信息采集方面也有了大量的應(yīng)用。國內(nèi)多家企業(yè)的產(chǎn)品在寬帶載波通信接入和電力線寬帶載波通信信息采集等方面都有了較為完善的應(yīng)用。國家電網(wǎng)公司于2009年1月20日在沈陽召開了電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)電力線寬帶通信技術(shù)研討會，會議認(rèn)為電力線寬帶載波通信技術(shù)在電力用戶用電信息采集系統(tǒng)方面已經(jīng)具備成熟條件，有大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。2020年全國范圍內(nèi)電力線寬帶載波通信應(yīng)用芯片數(shù)量已經(jīng)達(dá)到億級數(shù)量水平。

圖1 電力線載波通信技術(shù)原理圖

2 常見電力線載波通信技術(shù)原理

電力線載波通信基本的硬件系統(tǒng)由信息源（終端）、數(shù)字信號處理部分(DSP)、模擬前端（AFE）、信道（電力線）組成。開始終端將原始數(shù)據(jù)移交信號處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)及信道編碼（例如RS、卷積、擴(kuò)頻等）操作，主要是數(shù)據(jù)甄別糾正，提高抗干擾能力，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，提高數(shù)據(jù)的安全性。接著進(jìn)行調(diào)制（例如FSK、PSK、OFDM等方式），將信息傳送到載波頻率處（3kHz-500kHz），變成具有在電力線上傳輸條件的信號，并通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DAC），由模擬前端轉(zhuǎn)成模擬信號放大、耦合到電力線上。最后傳輸線上面的載波信號通過耦合到達(dá)處理端，開展濾波、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）操作，移交數(shù)字信號處理部分，進(jìn)行解調(diào)、解碼，演變成最初的數(shù)據(jù)信息。

3 噪聲分析

電力線載波通信干擾噪聲多樣化，因載波通信使用的線路是50Hz電能傳輸?shù)碾娏€，在線路載波通信中，除了信號較差、線路上的損失和多徑效應(yīng)之外，噪聲是影響載波信號傳輸?shù)淖钪饕蛩亍ｋ娏€噪聲大致主要分為與工頻異步噪聲、與工頻同步噪聲、有色背景噪聲、窄帶噪聲、突發(fā)性噪聲等五類。

3.1 與工頻異步噪聲

通常由大功率電器設(shè)備開關(guān)的周期性開閉動作產(chǎn)生，其功率譜為離散的譜線，重復(fù)率在50至200kHz范圍內(nèi)。

3.2 與工頻同步噪聲

主要是電力設(shè)備按50Hz頻率工作產(chǎn)生的脈沖，重復(fù)率為50Hz或者100Hz，持續(xù)時(shí)間很短，功率譜幅度隨頻率增加而減小。

3.3 有色背景噪聲

電力線上各種噪聲源產(chǎn)生的組合干擾，是一種隨時(shí)間緩慢變化的隨機(jī)干擾，功率譜密度隨頻率增加而減小。

3.4 窄帶噪聲

一種頻帶很窄的噪聲，主要是短波廣播在頻域上的串?dāng)_，其強(qiáng)度在24小時(shí)內(nèi)變化不定。

3.5 突發(fā)性噪聲

主要是閃電或網(wǎng)絡(luò)上負(fù)載的開關(guān)操作產(chǎn)生的脈沖噪聲，每個(gè)脈沖噪聲會影響很寬的頻帶。

4 電力線載波同頻噪聲采集分析

經(jīng)過對載波通訊實(shí)際應(yīng)用用電環(huán)境進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，電力線通訊時(shí)時(shí)常收到電網(wǎng)隨機(jī)噪聲的干擾、沖擊而導(dǎo)致通訊失敗。如圖2所示，電力線通訊數(shù)據(jù)幀一般會持續(xù)1-2秒鐘時(shí)間，在這期間噪聲的干擾沖擊就會導(dǎo)致通訊失敗。圖中可看到電網(wǎng)噪聲的電網(wǎng)幅度比信號部分還要強(qiáng)，導(dǎo)致遠(yuǎn)端接受部分無法收到有效信息。

圖2 電力線載波同頻噪聲采集分析

5 同頻噪聲干擾阻斷原理電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，處于電網(wǎng)干擾噪聲是一種低功率的噪聲源，隨頻率的增大而減小，通常可保持幾秒鐘、幾分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)不變。低功率噪聲源特點(diǎn)是由于其噪聲功率小，噪聲本身也存在衰減情況。因此我們提出通過合理的設(shè)計(jì)低通濾波器（同頻噪聲干擾阻斷器），放置于噪聲源電源處，可將電網(wǎng)噪聲吸收濾除阻斷電網(wǎng)噪聲對信號的干擾。低通濾波電路如圖3所示。

圖3 低通濾波電路圖

圖4 PCB部分版圖設(shè)計(jì)

原理圖介紹：UAUBUCUN分別并接入低壓（220V/380V電壓等級）電網(wǎng)中，電容C1電容值1Uf與壓敏電阻形成一個(gè)簡單的RC低通濾波器，起到將100K-500K之間的背景噪聲濾除阻斷的作用，同時(shí)壓敏電阻可以對阻斷器進(jìn)行保護(hù)，防止電網(wǎng)浪涌沖擊、脈沖騷擾等將電路擊穿。

PCB部分版圖設(shè)計(jì)：由于低壓電力線自動抄表應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境通常較為復(fù)雜，可接入空間大小不一，對于設(shè)備的總體要求偏向于簡單輕巧，因此該設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)著重于要有噪聲干擾阻斷能力，且要有簡單的接入方法，硬件整合性強(qiáng)。

6 電力線載波同頻噪聲干擾阻斷器應(yīng)用分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，電力線載波同頻噪聲干擾阻斷器的研制之后，進(jìn)一步對其開展了現(xiàn)場實(shí)用性的效果測試工作。該設(shè)備應(yīng)用地點(diǎn)一般為低壓電力線載波抄表的臺區(qū)，我們應(yīng)用針對現(xiàn)有運(yùn)行的低壓抄表不穩(wěn)定，存在同頻噪聲干擾的用電設(shè)備例如：移動基站、水泵房、變頻電機(jī)設(shè)備等進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)際測試分析驗(yàn)證。實(shí)際驗(yàn)證表明，同頻噪聲干擾源一般達(dá)到-6dB至-12dB，在該大部分載波信號會被淹沒，通過增加阻斷器之后背景噪聲能下降減少24-30個(gè)dB，能夠有效凈化載波通信環(huán)境，提高電力線載波抄表成功率。