上海地区典型台区电力线噪声环境研究

陈　明　蔡晓君　陈　勐　国网上海市电力公司市南供电公司



上海地区典型台区电力线噪声环境研究

陈明蔡晓君陈勐国网上海市电力公司市南供电公司

摘要：随着上海地区用户用电信息采集系统的规模不断扩大，目前上海用电信息采集系统全部采用载波通信方案，而对影响载波通信效果的关键性因素是噪声。对上海地区类型台区噪声进行采集、归纳分析，从而得出上海区域电力线噪声特点，对上海用户用电信息采集系统建设、运维、调试提供有效的数据支撑。

关键词：用户用电信息采集系统；电力线噪声；载波

载波通信（Power Line Communications，PLC）是以电力线作为通信媒介的一种通信方式，电力线从来就不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC的实用化成为可能。由于电力线载波具有充分利用电力线现有资源、无需重新铺设线路，电力线无所不在、使用方便，几乎不需维护或维护量很小，以电力线作为通信通道可灵活实现即插即用等特点，它已经成为用户用电信息采集系统主要的通信方式[1]。载波通信效果主要受到电力线的噪声、阻抗、衰减等3个参数影响，如何进一步提高在电力线的通信性能，实现高速、可靠的长距离通信，依赖于对通信信道特性的准确把握。

1　上海地区台区分类

（1）农村

台区特点：用电类型单一，以架空线布线居，电表较分散，台区半径较大。

应用概述：噪声影响较小，由于线路较长，造成的衰减很大。

（2）旧居民小区

台区特点：用电类型多且复杂，以架空线布线居多且电能表布置较为集中。

应用概述：阻抗不匹配导致载波台区非对称性，分支多造成信号衰减比较大。

（3）高层居民小区

台区特点：用电类型多以地缆布线居多，台区半径小但一般有大型变频设备(如变频水泵)，存在无功补偿设备。

应用概述：变频水泵工作时间一般在交流电非过零时间段，且工作频率一般为低频（30～300kHz），无功补偿设备对PSK造成相角偏差。

2　电力线信道特点及其噪声分布

2.1电力线通信信道特点

由于低压电力线主要任务是在短距离内对50 ／60 Hz电能实行分配，故与专用的通信线路相比，其信道环境极为恶劣。主要原因如下：

（1）在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备，特别是陈旧的和有质量缺陷的电器，会给电力线上传送的信号带来灾难性的干扰。

（2）电力网络上的阻抗随负载的变化而会有大幅度的变化，且具有较强的时变性。

（3）由于存在较强的衰减特性，使得电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同。

因此，在对低压电力线通信信道建模时需要考虑噪声、阻抗和衰减等3个方面。本文将主要对噪声特性进行分析与讨论。

2.2电力线噪声及其分布

电力线上的噪声源分为非人为噪声和人为噪声。非人为噪声是自然现象所引起的，如雷电在电力线上引起的噪声；人为噪声来自各种电器、机电产品和电力线自身引起，电力线的主要噪声并不是加性白高斯噪声，基本特性是极短的时间周期内都可能发生变化。低压电力线上的噪声一般划分为5种类型[2]。

(1)有色背景噪声

由电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度（PSD）随频率增加而减小。

（2）窄带噪声

这是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其强度在24 h内变化不定。一般情况下，由于电离层的反射，夜间干扰比较严重，而白天的干扰却较小。

（3）与工频异步的周期性脉冲噪声

通常由大功率电器设备开关的周期性的开闭动作产生，其功率谱为离散的谱线。重复率在50～200 kHz范围内。

（4）与工频同步的周期性脉冲噪声

主要是电力设备按50 Hz频率工作产生的脉冲，重复率为50 Hz或100 Hz。持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。

（5）突发性脉冲噪声

闪电或网络上负载的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出50 dB。

2.3电力线噪声分析

低压电力线噪声特性主要由于低压电网连接着众多的用电设备，每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染，特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等。另外，由配电变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性引起的谐波干扰相对稳定。用电设备的接入和断开是随机性的，通常，其峰谷特性有时变关系。电力线路上的噪声干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。

3　上海典型台区噪声测试

分别选择上海地区农村、旧居民小区、高层居民小区3种典型台区进行现场噪声测试。对噪声在相同频点不同时间及相同时间不同频点进行对比，对比情况见图1～图3。

4　噪声对数据指标影响及改进措施

通过实验模拟测试，在同一环境下，测试不同噪声噪声（dbV）对抄通率的影响，影响情况如图4。从图中可以看出，随着噪声增大，对抄通率影响很大，当噪声达到110 dbV时，抄通率几乎为零。

图1　农村台区

图2　旧居民小区台区

图3　高层居民小区台区

对于电力线上的噪声，均是来自居民用电侧，如何改善电力线上的噪声环境是确保载波通信成功率的必要手段。例如在用电侧安装滤波器，磁珠等，当然这些方法会受到现场环境的影响，导致无法安装且不便于维护。这就需要从载波通信技术本身进行解决，在不改变现有用电环境的基础上，结合电力线噪声特点，选择合适的载波通信方案，才能保证100%抄通率，达到低压用电信息采集数据指标要求。

图4　不同噪声对载波抄通率的影响

5　结论

本文在对电力线信道及噪声分布进行简要讨论后，对3种不同类型台区现场噪声进行采集，给出在相同时间不同频点及相同频点不同时间的噪声分布情况。从噪声频谱中得出以下结论：

（1）农村台区噪声优于城乡结合部，城乡结合部噪声优于城区；

（2）在过零时刻噪声优于非过零时刻；

（3）高频噪声优于低频噪声。

（4）低压电力线噪声本身是随机时变，但电网周波是50 Hz，噪声也具备着100 Hz/50 Hz周期性趋势；

（5）交流市电电压过零时段噪声幅度一般最弱，非电压过零时段噪声变化更加丰富，电压峰值时段噪声一般比过零点噪声大15 dbuV；

（6）低压电力线噪声中包含的中频噪声相对于低频噪声普遍较弱，从60 kHz～500 kHz一般有20 dbuV的减小。

参考文献

［1］李荣伟,吴乐南,多载波电力线通信系统脉冲噪声处理方法研究[J].电力与信息学报, 2006,(9)1:697-1702

［2］Tang L T,So P L.Characterization and Modeling of In building Power Lines for High Speed Data Transmission [J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003, (1): 69-77.

节能信息与动态

Research on Striding Over Distribution Power Line Noise Environment in Shanghai

Chen Ming, Cai Xiaojun, Chen Meng
State Grid Shanghai Electric Power Company Southern Power Supply Company

Abstract:With expanding scale of electricity customers information collection system, all Shanghai customers electricity power information collection system is based on carrier communication scheme and its communication effect is easy to be influenced by one key factor, which is noise. Through collecting and analyzing Shanghai power line noise striding over distribution, the article puts forward characteristic of Shanghai power line noise, which gives effective data support to construction, maintenance and commissioning of Shanghai customers electricity power information collection system.

Key words:Customers Electricity Power Information Collection System, Power Line Noise, Carrier

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.012