海上風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

風能作為一種清潔能源，受到世界各國的高度關注，近年來世界風電裝機容量一直呈指數飛速增長[1]。由于海上豐富的風能資源和當今建設技術的可行性，海上風電以獨有的優勢成為一個迅速發展的風電領域[2]。

隨著海上風電場建設項目的大力發展，海上風電場對周圍環境，尤其是沿海無線電設備的各種影響也逐漸表現出來，其中最直接的影響是海上風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備的信噪比下降或者無法正常工作[3]。目前國內針對海上風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]，關于風電場的電磁輻射影響評估研究較少，針對風電場的電磁輻射測試及信號分析方法沒有統一的規范。文獻[7]中提出了風電場的電磁輻射影響因素，并指出風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電場的電磁輻射，并指出測試結果中包含電信信號等干擾，但未給出詳細的信號分析過程和具體的干擾剔除方法。本文以某海上風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計特性的風電場電磁輻射頻點篩選規則，篩選后的測試結果可以作為周圍無線電設備干擾評判的依據。

1 風電場電磁輻射測試系統

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

圖1 測試系統示意

測試系統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如表1所示。

表1 測試天線參數

2 風電場電磁輻射測試原理與方法

由于風電機的內部結構較為復雜，產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電場規劃建設階段開展的，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、規模相近的風電場設備開展實測。在本文所述項目中，選取了與待建風電場相同海域，相同單風機容量的另一已建成風電場進行電磁輻射測試。

2.1 測試原理

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

① 假設風電場是向其周圍環境空間中輻射電磁信號的。

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

③ 選取測試點與風電場之間無障礙遮擋，假設在距離風電場最近的測試點所檢測到的信號都是由風電場發射出來的，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。

根據上述公式，由測試數據及其到風電場中心的距離，可以推導出在同一輻射方向上其他不同距離測試點的風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，則判定信號是由風電場發出的，否則判定信號不是由風電場發出的。

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

2.2 測試方法

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

替代風電場的單風機監測點設置如下：

在距離待測單風機外30 m處，以45°間隔圍繞單風機設立8個近端監測點，并在其中一個近端監測點垂直于風機的方向上距離風機150 m位置處設置一個遠端監測點。

在每個監測點的測試步驟如下：

① 在被測樣品某一近端監測點位置處搭建測試系統，定向天線朝向風電場中心方向，且天線波束寬度需覆蓋風電場區域，設置測試天線為垂直極化。

② 設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。讀取頻譜儀穩定狀態的電平值，保存頻譜儀截圖和軌跡數據。

③ 將測試天線調整為水平極化，重復步驟②。

3 基于概率統計特性的風電場電磁輻射頻點篩選規則

由于海上風電場的電磁輻射測試為室外現場環境測試，在測試結果的頻譜中，除了待測風機自身輻射的信號外，還有外界各種用頻設備的電磁輻射信號。為了更加準確地評估風電場對外界的輻射影響，需要有效剝離出風電場自身的電磁輻射信號。本文采用遠近端比對加信號分類判斷的方法，基于概率統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。根據信號特征初步篩選出各監測點測量出的移動通信頻段、廣播電臺頻率等公共頻率(段)，并從測試結果中去除各監測點公共頻段信號。

② 篩選出非風電場的輻射信號。將遠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，因此若出現遠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，即此類信號非風電場的輻射信號。

③ 設置分類門限。根據遠近端距離，計算遠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，其遠近端電磁傳輸損耗的差值也基本符合自由空間損耗規律，因此可以初步將遠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電場發出的電磁信號，將此類信號標記為一類信號。若遠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電場輻射的電磁信號，標記為二類信號。

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。

在上述篩選規則中需要注意的是，若考慮到海面的反射影響，在遠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，遠近端監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 結果與分析

根據上述頻點篩選規則，在替代海上風電場邊緣單風機測試過程中，發現周圍的移動通信頻段如表2所示。

表2 海上單風機監測點移動通信頻段

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

圖2 300～500 MHz-垂直極化-遠近端電磁輻射結果

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近端的測試電平結果幾乎一致,或者遠端電平還要高于近端電平，可以得出此類頻點并非風電場的輻射頻點，若不采取規則篩選而直接采用遠端或近端的測試電平最大值作為風電場電磁輻射結果會與真實結果差距較大，嚴重的可以達到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，可以提高規則篩選的準確度，降低篩選規則的出錯概率。

圖3 300～500 MHz-垂直極化-頻點篩選結果

圖4 1～2 GHz-水平極化-遠近端電磁輻射結果

圖5 1～2 GHz-水平極化-去除移動通信干擾頻段后結果

圖6 1～2 GHz-水平極化-頻點篩選結果

經過頻點篩選后，本次海上單風機的輻射測試結果如表3所示。

表3 頻點篩選后海上單風機輻射測試結果

根據表3的測試結果可知，風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，風電場的電磁輻射篩選結果逐漸由一類信號轉變為二類信號，甚至出現整個測試頻段無符合篩選規則的信號情況。按照上述測試結果可以對各類無線電設備進行輻射干擾評估。若出現一類信號超出設備干擾門限的情況，則不建議設備在風電場周圍使用。若出現二類信號超出設備干擾門限的情況，則應根據無線電設備的實際使用地點和工作頻段進行進一步的實地電磁環境測試以確認設備的可用性。若出現某測試頻段無符合信號的情況，則說明此測試頻段內無法發現符合規則的測試頻點，測試結果取系統的底噪功率，此類信號輻射功率非常小，一般會滿足各類無線電設備的干擾門限要求，具體可結合無線電設備的干擾門限進行評判。

5 結束語

科學的測試和分析方法是海上風電電磁輻射干擾評估的前提和基礎，本文分析結果表明，若不采用一定的測試方法及數據篩選規則，風電場的電磁輻射評估結果會與實際值相差巨大，嚴重影響了海上風電場電磁輻射評估的準確性，因此針對海上風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，海上風電場的建設對周圍及沿海無線電設備的影響是多方面的，除了電磁輻射干擾，還會存在風機對無線電探測設備的遮擋和陰影效應，風機引起的多徑效應等影響，可以作為后續對海上風電影響評估的幾個重要研究方向。