高值無線電干擾測量儀使用性能擴展方法研究

黃衛華, 許 海, 楊斌發, 袁海文, 周 虎, 李金猛, 張祥東

(1.中國人民解放軍第5720廠，安徽 蕪湖 340200； 2.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

0 引言

近年來，通航技術、無人機技術發展迅速，它們對數據鏈傳輸的無線信道要求很嚴格，無線信道中的強干擾對其可靠性、安全性構成了很大的威脅；另一方面，我國社會經濟發展迅速，經濟發達地區對能源的需求很旺盛，但我國能源分布和使用在地理空間的不平衡矛盾，促使國家依靠大力發展特高壓輸電技術來解決。然而，特高壓線路的快速建設，又使無線電干擾成為工程施工、運營中要解決的一個新問題。在解決無線電干擾的工程試驗研究和工程建設實踐中，需要進行大量的測試工作，必須使用無線電干擾測量儀器。

對于無線電干擾測量儀器，德國R&S公司(羅德與施瓦茨公司)一直雄踞技術前沿。它是歐洲最大的電子測量儀器生產廠商和專業無線通信、廣播、信息技術安全領域的領導廠商，以創新、精確和品質享譽世界。R&S公司的產品不僅技術水平位居前列，而且質量優異，性能獨特。公司還在研究、開發、生產和服務方面創建了全球通行的標準。其生產的無線電干擾測量儀器綜合水平居于國內外領先地位，最頂級無線電干擾測試儀器產品的價格極為昂貴，單臺價格就超過上千萬元人民幣。由于高端無線電干擾測量儀器技術難度大、門檻高，國內外的研制生產廠家不多。這些儀器在檢測點當地的使用性能非常優越，在測量中只支持當地使用，操作人員必須在現場記錄數據，或者通過紅外串口連接到計算機上，將數據在現場通過幾個簡單的命令導入到計算機中。

這種高價值高性能的測試儀器，盡管在當地、單點單次測量使用的性能非常優越，但在特高壓線路區域內需要長時間大范圍許多個測點進行測量時，其使用性能的不便就顯現出來了：1)每個測點離不開測量人員；2)更換測點的準備工作很繁瑣；3)大量測量結果的記錄、處理很困難，需要人工介入，工作量大；4)測量范圍大，測點多時，需要的測量儀器數量多，導致測試資源投入費用不可承受；5)需要對若干典型觀測點同步測試的需求無法實現。

在這種背景下，本文針對國家特高壓基地購置的相應產品，利用Zigbee無線網絡技術研制了無線鏡像通訊端口，同時研制28 V鋰電池移動供電電源代替原來的110/220 V、50/60 Hz儀器供電適配器，可使該產品在測量范圍內移動使用，用較少數量的設備完成大范圍地點的無線電干擾測量，并支持不同測點之間的同步測量。

1 特高壓線路無線電干擾產生原理及研究現狀

1.1 無線電干擾產生原理

輸電線路導線施加高壓后，在導線的表面會產生強電場，由于導線表面的粗糙不平，在一些毛刺處電場強度的數值會更大。當電場強度的數值足夠大，達到接近特定環境條件下的空氣擊穿電場強度時，輸電線路導線的表面電場會擊穿線路附近的空氣，從而發生電暈放電現象，并伴隨著放電可聽噪聲和電暈輝光現象，隨著電壓的持續升高，可以在輸電線路到線上形成此起彼伏而又連續不斷的電暈放電過程[1]。

這種持續的電暈放電現象，是一種非常典型的電磁暫態過程，它會產生頻譜很寬的電磁波信號，這些電磁波信號通過各種不同的途徑，以直接或者間接耦合的方式，進入到各類接收設備的天線，進而導致接收設備的信號接收能力急劇下降，甚至淹沒了有用的信號，從而發生使無線接收設備通訊受阻的現象，這就是特高壓線路電暈引起的無線電干擾現象[1]。

對于特高壓直流線路電暈引起的無線電干擾現象的形成原理，可以等效地采用圖1所示的過程來解釋。當電暈電流脈沖沿周圍空間從如圖所示的某點進入線路后，它將從該點向兩邊流動，這種向兩邊流動的瞬態脈沖電流必然在導線周圍產生無線電干擾現象。可以設想，在實際的線路中，由于導線很長、注入點很多，局部看注入點在某個時刻出現在那點具有隨機性，但總體看，這樣的注入點在線路整體上的分布，在特定的條件下具有均勻性，同一時刻不同位置注入點的許多脈沖注入電流疊加在一起，綜合形成了一種相對穩定但重復率很高的準“穩態”電流，從而在直流特高壓輸電線路周圍產生“穩態的”無線電干擾[2]。

圖1 特高壓直流線路無線電干擾形成示意圖

在電壓等級相同時，與正極導線相比，特高壓直流線路負極導線發生電暈放電時，在整個輸電線路導線的表面上，放電點分布比較均勻，不同放電點的電流脈沖幅值比較接近，而且幅值較小，因此，負極導線產生的無線電干擾比較小一點[3]。

在電壓等級相同時，與負極導線相比，特高壓直流線路正極導線發生電暈放電時，在整個輸電線路導線的表面上，放電點分布很不均勻，不同放電點的電流脈沖幅值差值很大，而且有的點幅值很高，因此，正極導線產生的無線電干擾比較大。這樣，在雙極輸電線路中，正極線路產生的無線電干擾一般比負極線路大6 dB[4]。

1.2 無線電干擾研究現狀

由于無線電干擾會對信號接收產生一定影響，因此必須對接收質量進行衡量，信噪比是衡量接收質量的重要參數[5]。

表1列出了美國特高壓直流輸電線路的無線電干擾限值和走廊寬度。將±800 kV直流輸電線路的無線電干擾限值折算到極導線對地投影外20 m處，約為63 dB(μV/m)[5]。

表1 美國能源部直流輸電線路部分設計標準及參數

加拿大對不同電壓等級的輸電線路，無線電干擾采用不同的限值：對600 kV以上的輸電線路，距離邊導線對地投影外15 m、0.5 MHz的無線電干擾限值為63 dB(μV/m)。折算到距離邊導線對地投影外20 m，約為61 dB(μV/m)[5]。

參考國內外限值，并考慮直流輸電線路無線電干擾的特點以及我國特高壓直流輸電線路經過高海拔地區的特殊性，國網公司企業標準Q/GDW 145-2006《±800 kV直流架空輸電線路電磁環境控制值》中明確規定：在特高壓直流輸電線路運行中，正極導線對地投影外20 m處電暈產生的在0.5 MHz頻點的無線電干擾強度80%值，在一般地區不超過58 dB(μV/m)，但當海拔高度超過1 000 m時，需按海拔高度每增加300 m，對此值用場強增加1 dB(μV/m)進行修正[5]。這里80%指的是當置信度選為80%時，在線路運行的80%時間內的含義[5]。

2 無線電干擾測量儀性能擴展硬件設計

在特高壓線路區域測量無線電干擾時，實際使用過程中存在布線麻煩、可移動性差和不能同步測量等缺點，因此本文通過Zigbee技術的應用，實現了儀器的無線網絡控制與數據傳輸，借助于無線網絡技術擴展了高性能無線電干擾測量儀器的使用性能。

2.1 無線電干擾測量儀器

本文選用了羅德與施瓦茨公司生產的手持式頻譜分析儀FSH3來擴展其使用性能。FSH3具有以下幾個特性：1)頻率范圍：100 kHz～3 GHz，10 MHz～18 GHz；2)噪聲電平<-150 dBm/Hz(前置放大器打開)；3)選配接收機模式用于EMI信號的精確掃描；4)支持TS-EMF三軸全向天線進行場強測量；5)支持定向天線進行無線電干擾分析；6)支持功率探頭進行精確的功率測量。

在天線方面，相較于常見的柱狀天線而言，環形天線避免了柱狀線端部的電暈放電影響測量結果，因此本文選擇了環形天線進行測量。

2.2 為測量儀器擴展無線網絡傳輸裝置

由于FSH3在特高壓線路無線電干擾測量使用中，單次測量數據傳輸量不大(不超過50 bytes)，測試區域范圍不大(測點之間不超過100 m)，因此適合選用Zigbee技術進行無線數據傳輸。本文研制的無線傳輸裝置組成如圖3所示，其內部采用了TI最新一代Zigbee芯片CC2530實現了數據的無線傳輸。

CC2530是真正支持2.4 GHz下的IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE標準實施工程應用的片上系統(SoC)解決方案[6]，它能夠以比較低廉的成本建立起來強大的無線網絡拓撲節點。并且CC2530采用了RF 收發器領先的技術和標準的增強型8051CPU技術，系統內配置可編程閃存8 KB，還配有RAM和許多其它強大的功能。它具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗系統，運行模式之間轉換時間短，可進一步降低使用中的能耗[7]。

本文采用的是CC2530F256片上系統。它具有256 K閃存，并采用了業界領先的黃金單元Zigbee協議棧技術(Z-StackTM)，因此能為Zigbee技術的應用實現，提供一個強大和完整的解決方案[8]。

數據接收端和發送端硬件連接如圖2所示。圖2中，在數據接收端用標準串口線連接即可，而在數據發送端，由于FSH3輸出的是光信號，因此用一根光纖轉串口線將信號轉換為RS232電平信號，再用標準串口線進行連接。

數據傳輸終端的內部結構見圖3。

圖3中，CC2530實現數據處理和無線發送/接收，SP3232實現TTL與RS232電平邏輯關系轉換。整個終端設備可以通過電池供電，也可以通過外接電源供電。外部為標準9針RS232接口，實現了全串口功能，即除了GND、TX和RX與SP3232連接實現數據收發之外，還需要對RTS和DTR進行控制。DTR，即Data Terminal Ready(數據終端準備好)，在有效狀態(ON)時，表明數據終端(對應本文中的FSH3)可以使用；RTS，即Request To Send(請求發送)，用來表示數據終端請求MODEM(對應本文中的數據傳輸模塊)發送數據，即當終端準備要接收MODEM傳來的數據時，使該信號有效(ON狀態)，請求MODEM發送數據，它用來控制MODEM是否要進入發送狀態。這兩者的結合實現了設備之間的正常通信。圖3中RTS和DTR都是和Vcc相連，當終端設備通電之后，管腳電平將一直保持為高，即一直保持信號有效狀態(ON)。

圖3 數據傳輸終端內部原理圖

3 無線電干擾測量儀性能擴展軟件設計

3.1 FSH3控制指令

除了在FSH3面板按下按鍵進行測量外，FSH3還支持當地接口命令操控，本文開發的軟件中通過這個專用命令集，來完成FSH3的初始化、參數設置和數據采集等功能。

FSH3控制指令分為三種：CMD、SET和GET。CMD指令有兩種：REMOTE和LOCAL，分別用于進入程控模式和離開程控模式。在程控模式下FSH3面板上的按鍵操作功能被停止。SET指令負責設置FSH3各種測量參數。GET指令負責從FSH3設備緩存中讀取數據。圖4為控制FSH3進行數據采集的一般流程。

圖4 控制FSH3進行數據采集的一般流程

由圖4可知，首先必須讓FSH3進入遠程控制模式，否則之后的命令將無法識別；然后根據現場實際測量環境選擇合適的參數進行設置；接著發送GET指令獲取緩存

中需要的數據，最后離開遠程控制模式返回本地控制

模式。

3.2 軟件功能架構

無線電干擾測量系統功能擴充后的上位機軟件的架構迢迢如圖5所示。

圖5 軟件架構

由圖5可以看出，軟件共分為4層：

1)數據采集層。接受底層串口數據，即原始數據。由于.NET構架中串口數據是以字節流的形式存在，因此必須每次從中提取有效數據幀，以供上層進行處理。

2)數據處理層。軟件架構中最重要的一層，與其它各層都有數據交互。主要功能包括：收到來自數據采集層的原始數據幀，將其轉換為可讀數據，同時發送用戶的操作命令給數據采集層，通知設備進行數據的采集；將處理完的可讀數據存儲在數據庫中，以供后續進行數據分析工作；將處理完的可讀數據在人機交互界面上顯示，讓用戶掌握實時動態變化。

3)數據顯示層。將采集到的數據進行顯示，分為圖形化顯示和數字化顯示兩種。圖形化顯示主要以柱狀圖和折線圖為主，繪制出輸電線路下不同位置的無線電干擾在不同頻率下的變化規律；數字化顯示在顯示數據的同時，也顯示了測量系統當前狀態。

4)數據存儲層。數據庫中分為兩種類型表格，一種是單個頻率點下的歷史數據，用戶可以查看每一個歷史數據對應的測量時間；另一種是多個頻率點的數據匯總表，由于數據量較大，每個頻率點上取其特征值用來表征無線電干擾在該頻率點上的強度。

3.3 軟件工作流程

軟件實現過程的核心包括這樣幾個方面。首先通過鏡像的思路將FSH3原來適用于當地的串口通訊指令，按照無線網絡Zigbee的協議，進行封裝，封裝以后的指令就可以通過無線網絡數據發送端發送出去，在無線網絡中傳輸；其次，無線網絡數據接收端在接收到相應的數據后，可以從封裝了的無線網絡協議中析取出儀器設定的地址和指令信息，當地址相符時，將執行指令規定的功能。另外，在遠端控制軟件中，需要設置無線電干擾的測量模式、測量范圍、測量頻點、測量次數以及測量資源的選用等事關具體測量過程的一些關鍵內容。但對于這些內容，綜合分析后可以劃分到測量準備和進行測量兩個過程中。無線電干擾測量系統上位機軟件流程圖具體如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

由圖6可知，整個軟件流程可分為以下兩個階段：

1)測量準備工作。在串口通訊正常情況下，進行設備的初始化，即設置系統默認參數(用戶無需更改)，然后用戶根據現場實際情況對運放和參考電平進行設置，從而確保數據的準確性。接著用戶需要指定測量的頻率序列(范圍從0.1～30 MHz)、單個頻率點重復測量的次數和總體循環次數(由于無線電干擾在測量中會有跳動，因此采用多次測量取特征值的方式)。最后選擇數據文件的保存路徑，開始進行測量。

2)開始進行測量。程序中采用順序遍歷頻率序列的方式進行測量，對于每一個頻率點都會進行固定次數的測量之后再跳到下一個頻率點進行測量。若出現一直沒有數據返回的現象(通常是由外界環境的干擾或設備本身存在問題引起的)，用戶可忽略該頻率的測量。若所有的頻率點都測量完畢，則根據之前設定的循環次數決定是否需要重復進行測量，直到所有的測量工作都結束。

3.4 軟件操作界面

圖7為無線電干擾測量系統上位機軟件界面。

圖7 軟件界面

圖7中表示出了無線電干擾測量儀功能擴展后所具備的主要功能。一個是上位機通過Zigbee無線網絡可以在遠端連接多個FSH3儀器，每個儀器的測量設置信息可以獨立完成。另外可以通過無線網絡得到各個測試儀器的工作狀態，還可以通過無線網絡的收發信息，完成以時間序列的形式顯示各個儀器的實時測試結果。下面對軟件操作界面主要操作功能進行介紹。

從圖7可以看出，界面分為三個部分。第一部分為用戶操作區，整個測量過程所涉及到的操作都包括在內，由圖中可以看出，該軟件最多支持5臺FSH3同時進行數據采集；第二部分是狀態和數據顯示，用以顯示各設備的測量進度和當前測量數據；第三部是圖形顯示，橫坐標為所測量的各點頻率，縱坐標為各點頻率對應的無線電干擾強度，每一臺FSH3都有對應的柱狀圖。

這個軟件對于測量結果，也提供了較好地人機交互界面呈現形式。對于測量結果，除采用柱狀圖和表格表示不同測點、不同頻率下的無線電干擾強度的測量結果外，還在圖形顯示區還提供了無線電干擾強度曲線的對比和歷史數據查詢的功能，這樣既便于對測量結果進行直觀感受，又有利于對測量結果的后續使用，具體內容如圖8所示。

圖8 多曲線顯示和列表顯示

由于在實際試驗中，需要對輸電線路下不同位置的無線電干擾進行測量，從而掌握無線電干擾線下分布規律，因此在對比圖中用戶可以對相同測量頻率下不同位置的測量值進行觀察。同時右側的列表會記錄每一臺FSH3在不同頻率下的測量值以便用戶進行數據查詢。為了方便測量結果的后續使用，進一步對于測量結果按照測點位置、測量頻點和測量時序進行組織匯總，用關系數據庫的形式進行存儲管理，后臺數據庫和輸出的EXCEL統計表如圖9所示(注意：此圖僅是用于說明軟件功能的示意圖，無關具體的測量結果)。

特別要指出的是：在圖9所示的數據呈現形式中，還對于實際測量過程中遇到的若干情況，根據實際需求，完成了處理。例如，在圖9左側的數據庫中，區域“1”為單頻率點下的測量值，由于在實際試驗中，測量值會有一定的波動，因此一般情況下每一個頻率點測量5-7次然后取其特征值(如50%值)來代表該頻率點下的無線電干擾水平；區域“2”為所有頻率點下測量值(取特征值)的匯總(一臺FSH3的數據)。右側圖為最終輸出的EXCEL統計表，每一個worksheet代表一臺FSH3的測量結果，其中包含了所有不同電壓等級下不同頻率點下的測量值(取特征值)，這方便了用戶進行后期數據分析工作。

圖9 后臺數據庫和輸出的EXCEL統計表

4 無線電干擾測量儀性能擴展后用于外場試驗

為了測試性能擴展后的無線電干擾測量儀器在實際環境中的工作性能，在國家特高壓試驗基地進行了現場試驗。取正負極導線中心線下地面處為橫軸坐標原點，在向外延伸的+3 m、0 m、-3 m處放置一架天線。一般而言直流輸電線路的無線電干擾最大值出現在環形天線平面與測量線路平行時[9]，因此天線平行于輸電線路放置，并通過外接電池進行供電，FSH3與天線通過連接線相連。圖10、圖11分別為現場布置示意圖和現場實測圖。

圖10 現場布置示意圖

圖11 現場實測圖

實際測試環境：溫度17～23 ℃，相對濕度50%，測試地點空曠且無其它遮擋物。

導線所加電壓等級：±220 kV、±300 kV。

測量頻率：0.15～0.99 MHz，步長0.01 MHz，1～1.5 MHz，步長0.05 MHz。

實驗結果：本文以+3 m處測量結果為例，以測試的各頻率點為橫坐標，測量的無線電干擾強度為縱坐標，繪制曲線圖，如圖11～14所示。

圖12 -3 m處干擾強度曲線

圖13 0 m處干擾強度曲線

圖14 +3 m處干擾強度曲線

由圖12～14可以看出，在輸電線路下固定位置并且升壓等級固定時，無線電干擾強度隨著頻率的增加是呈現出駐波形狀趨勢并且逐漸減小的；對比同一張圖中不同升壓等級下的曲線可知，隨著電壓等級的升高，無線電干擾強度也是在逐漸增大的，以上兩點都符合無線電干擾的特性。同時，對比圖12～14同一電壓等級下的曲線，+3 m處(即正極線下)干擾強度最大，0 m處次之，-3 m處(即負極性線下)干擾強度最小。由于直流輸電線路的無線電干擾主要來源于正極性導線[5]，因此越靠近正極性輸電線路其值越大，試驗結果符合實際線路的規律。

5 結束語

本文介紹了無線電干擾測量儀器使用性能擴展的軟硬件實現和設計過程，硬件方面簡要介紹了頻譜分析儀(FSH3)的功能特點，并著重介紹了基于CC2530的無線網絡擴展傳輸終端的內部結構和各部分的連接方式；軟件方面著重基于FSH3控制指令，介紹了為使用性能擴展開發的軟件的架構、工作流程和操作界面。最后通過外場試驗對擴展的功能涉及的軟硬件進行了驗證，結果表明測量儀器使用性能擴展后，具有使用更加靈活、可滿足更為特殊的測試需求，并且具有自動化程度高、可移動性好、可同步測量等特點。這一切都表明，采用Zigbee技術擴展高價值高性能無線電干擾測量儀器，用于輸電線路下電磁環境試驗測量的研究與分析，是完全可行的。

通過采用Zigbee無線網絡，利用鏡像的思想擴展儀器的當地通訊連接端口以后，測試儀器就具備了在無線網絡區域范圍移動使用的能力，這可以使得儀器的使用具有測量范圍更大、測點部署更加靈活和自動化程度更高等優點。這個實現思路和技術方法具有普遍的使用和推廣價值。本文的研究和實踐也為完成其它一些高價值測量儀器使用性能的改進和擴展提供了可供借鑒的、有效的技術實現方法。