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(shí)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(jìn)建設(shè)智能電網(wǎng)。為了利用電力線實(shí)現(xiàn)有效通信，必須克服許多實(shí)際挑戰(zhàn)。其中，PLC的電磁兼容問題成為推動(dòng)PLC技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

文獻(xiàn)[1]中測試的幾種室內(nèi)PLC設(shè)備在工作時(shí)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(xiàn)[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(xiàn)[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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(jì)算值的數(shù)值關(guān)系，驗(yàn)證了建模計(jì)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(shí)刻的電場強(qiáng)度瞬時(shí)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(shí)間內(nèi)電場強(qiáng)度最大保持值。首先，PLC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場輻射比PLC系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的背景噪聲強(qiáng)，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(diǎn)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(qiáng)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(shí)刻同一頻點(diǎn)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(rèn)為在足夠長的測量時(shí)間內(nèi)，使用測量設(shè)備Maxhold功能測量線路始端電壓和測點(diǎn)位置上的電場強(qiáng)度，最大保持電壓與最大保持場強(qiáng)之間存在對應(yīng)關(guān)系。并且，最大保持值一般較瞬時(shí)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(shí)值帶來的隨機(jī)性，同時(shí)還在一定程度上計(jì)及了裕量。

圖2 Clearwire瞬時(shí)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(gè)集中器和24塊用戶電表組成的PLC臺區(qū)進(jìn)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(qiáng)。圖4展示了PLC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(shí)電場強(qiáng)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(qiáng)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(shí)單一直線路輻射橫向可感知距離達(dá)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(qiáng)度最大保持值。可以看到，PLC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(qiáng)，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(xiàn)。

圖5 直線路PLC輻射縱向分布

此外，注意到無論測點(diǎn)位置遠(yuǎn)近，0.7～1.5 MHz頻段內(nèi)某些頻點(diǎn)上的電場始終很強(qiáng)。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(qiáng)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(shí)，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(gè)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(gè)臺區(qū)的電力線。總體而言，現(xiàn)場環(huán)境較復(fù)雜，存在較強(qiáng)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(qiáng)度最大保持值。圖7展示了圖6(b)中測點(diǎn)D1—D5位置上的電場強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(shí)，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(jì)算量只取決于計(jì)算頻率和模型的幾何尺寸。

一個(gè)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(jì)算，運(yùn)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(jìn)行剖分，采用RWG基函數(shù)將三角形內(nèi)任一點(diǎn)的電流密度用該點(diǎn)到3個(gè)頂點(diǎn)的矢量展開，其示意圖如圖8所示。圖8中每個(gè)公共邊鄰接兩個(gè)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(gè)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(shí)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(lì)電壓源，終端接負(fù)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(shí)測數(shù)據(jù)。選取了幾個(gè)典型頻點(diǎn)，仿真計(jì)算了這些頻點(diǎn)下5個(gè)典型測點(diǎn)處的電場強(qiáng)度，并與實(shí)測電場強(qiáng)度最大保持值作對比，如表1所示。可見，計(jì)算結(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(jì)算方法和計(jì)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(jì)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(shí)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?yàn)槠淝闆r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(yùn)行時(shí)，實(shí)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(yùn)時(shí)，僅測得背景噪聲，記為Enoise；通過PLC仿真模型計(jì)算出來的輻射，將其表示為EPLC。

選擇了幾個(gè)具有較強(qiáng)輻射的典型頻點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)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(diǎn)的輻射橫向衰減趨勢對比。圖中圓形標(biāo)記代表測量點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)下，200 m處的差值達(dá)到了35 dB，這表明PLC輻射的貢獻(xiàn)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(shí)，計(jì)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(shí)際輻射貢獻(xiàn)。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(jì)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(xiàn)迅速減小。當(dāng)在PLC輻射計(jì)算值中計(jì)及背景噪聲時(shí)，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(qiáng)很大程度上取決于背景噪聲。是否考慮背景噪聲對仿真計(jì)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(diǎn)下PLC輻射計(jì)算值衰減快，而2.198 MHz頻點(diǎn)下輻射計(jì)算值衰減慢，這主要是受駐波影響，即波腹處輻射強(qiáng)、衰減慢，波節(jié)處輻射弱、衰減快。

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

通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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。可以看出，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(dòng)的狀態(tài)，而仿真模型計(jì)算域中不存在背景噪聲，因而PLC輻射計(jì)算值會一直衰減下去。

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

通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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。可以看出，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(dòng)的狀態(tài)，而仿真模型計(jì)算域中不存在背景噪聲，因而PLC輻射計(jì)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(diǎn)下PLC輻射的計(jì)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(diǎn)下PLC輻射的計(jì)算值與測量值分布趨勢對比。可見，計(jì)算與實(shí)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(shí)測工作的環(huán)境里PLC系統(tǒng)輻射強(qiáng)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(cuò)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(fù)載勻稱。

圖12 單臺區(qū)復(fù)雜模型

保持各模型激勵(lì)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(fù)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(qiáng)；但當(dāng)遠(yuǎn)離電力線時(shí)，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(qiáng)，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(qiáng)，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(jì)歸納，2.442 MHz頻點(diǎn)下各影響因素對地面上方1 m處空間電場強(qiáng)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小；差異主要體現(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)。可以看處，εr=7(εr為相對介電常數(shù))時(shí)，僅少量輻射透入建筑物。金屬網(wǎng)是常用的非實(shí)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(qiáng)的屏蔽作用。在研究室外PLC系統(tǒng)電磁輻射時(shí)，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(gè)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(shí)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(fù)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(qiáng)即可衰減到30 dBμV/m(輻射較強(qiáng)場景中為40 dBμV/m)以下。總體而言，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(dòng)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。基于矩量法的建模仿真方法是有效的，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(fù)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(qiáng)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(qiáng)度在短距離內(nèi)能夠衰減至較低水平。