居民用电环境噪声干扰分析

(安顺供电局，贵州安顺561000)

0 引言

电力线载波通信是基于现有的电力线网络作为信息传输介质，其通道可靠性高，抗破坏能力强，投资少，不需要架设专用线路，具有诱人的应用前景和巨大的市场潜力。目前，电力载波通信技术普遍应用在智能电网建设，现代家庭智能家居、家庭能源、电动汽车充放电管理，远程抄表系统、分布式能源管理及电网优化管理等领域中[1]。

但是，电力线信道作为传输媒介，并不是一个理想的数据传输通道，它充斥着多种噪声干扰和脉冲干扰、多径传播干扰及选择性频率衰减等，其信道特性和参数随着时间、频率、地点及接入到电力线的设备的变化而变化[2]，信道条件极其恶劣。为了更好地利用电力信道，需要首先对电力信道上的干扰特性进行分析，这样才能在设计电力载波通信电路时有意识地避开这些干扰，设计最佳的传输方案[3]。本文针对电力信道中的噪声干扰，给出了测试方法及测试原理，最后针对不同的用电场景给出了测试结果，并对测试结果进行简单分析。

1 测试原理

图1 居民用电环境线路拓扑图

在居民用电环境，台区变压器负责将中压110kV/35kV电转换成市电380V/220V，并经四通八达的架空线缆或埋地线缆来输送电能[4]。由于居民用户的住址分散和数量众多，电能在输送过程中的拓扑通常呈现出星型或树状结构，经断路器和多级空开最终输送至居民家庭。典型的居民用电环境的线路拓扑图如图1所示。

噪声特性的测试，其本质就是针对图1中的每段传输电力信道，找出其噪声衰减特性随频率变化分布的特性，因此，对噪声的测试，实际就是对电力信道中采样信号的频谱分析，即傅里叶分析。

一般来说，任何周期信号都可以展开为傅里叶级数的三角函数形式：

(1)

式中：f(t)为一个频率为f0周期函数，其角频率是：ω0=2πf0；周期为T0=1/f0=2π/ω0；C1sin(ω0t+φ1)为基波分量；Chsin(hω0t+φh)为第h次谐波，它的幅值为Ch，频率为hf0，相位为φh。

电力噪声分析的本质就是将采集到的电力噪声，展开成傅里叶形式，进而分析，得到各个频率下的信号衰减特性，进而得到电力噪声在整个频率范围内的分布情况。

周期信号指数形式的傅里叶级数与三角函数形式的傅里叶级数之间存在如下关系：

(2)

由(2)式，可知：

(3)

因此在实际测量时，可由(3)式计算出周期信号各次谐波(或频率处)幅值，一般而言，采样周期越大，则分析的频点数越密，由此得到的分析结果越精确，对实际系统设计的指导意义就越大。

2 测试设备

由上述分析可知，电力信道噪声的分析主要由采样模块和傅里叶分析完成，因此，借助于频谱仪可以实现信道噪声特性的分析[5]。但是，这种测试方案需要测试人员的专业素质很高，不适于大面积的现场测试[6]。为了满足现场测试领域的需要，青岛鼎信载波有限公司，基于电力信道噪声特性的测试原理，开发了低压电力噪声分析仪TCD-100。该设备是一套能够实现对低压电力线信道的噪声特征进行测量分析的专用装置。设备主要由以下几个部分构成：

图2 数字化仪工作原理

1)高精度高速数字化仪：实现对输入信号的采样，采样率为100 MSa/s，在20 ms的采样时间内，采样点数为2000000个采样点。采样信号的频谱范围可以在10 kHz～500 kHz波动，间隔为5 kHz。信号的处理采用FFT (快速傅里叶变换)方法，FFT实质就是频谱的离散频域采样，这些点可以反映出输入信号的频谱，其工作原理如图2。

2)噪声耦合单元：该单元提供噪声分析所需的测试信号和两个测试档，以及信号采集所需的市电触发信号。噪声耦合单元是一个高通滤波器，其原理如图3所示，采集噪声耦合单元输出信号即可分析各频率点低压电力线噪声变化趋势。

图3 噪声耦合单元原理图

图4 现场测试连接图

在实际的现场测试中，可以按照图4所示的连接方式进行测试，在测试时，将TCD100所输出的采样结果，通过设备自带的USB接口连接至笔记本电脑，在电脑中安装与测试设备配套的处理软件，即可快速实现现场电力噪声的分析。

3 现场测试

为了研究不同场景下的噪声特性情况，本文针对城区、高层建筑、城乡结合部、农村、别墅区5个特定应用场景利用上述测试原理及工具进行了现场噪声的测试，测试结果如图5-图9。

图5 高层建筑频谱 图6 别墅区频谱

图7 城乡结合频谱 图8 老城区频谱

图9 农村地区频谱

由图5-图9可以清楚看出，噪声功率随频率上升而下降，且对100 kHz以下频段干扰很大，对100 kHz～500 kHz频段干扰较大，对 2MHz频段以上干扰很小。此外，通过对全国各现场用电环境的噪声分析发现噪声也具备50 Hz/100 Hz的周期性趋势；其中过零时刻噪声衰减最弱，非过零时刻噪声变化较大，其峰值衰减一般比过零点处大。

4 结束语

文章选取电力信道中的噪声干扰进行了研究。论文首先分析了噪声干扰的起源、噪声的测试原理以及专用测试工具的使用，最后针对居民用电环境的5个典型应用场景进行了测试，得出了居民用电环境下的典型噪声特点，即：噪声功率随频率上升而下降，且对100 kHz以下频段干扰很大，对100 kHz～500 kHz频段干扰较大，对2 MHz频段以上干扰很小。从测试数据可以看出，电力信道的干扰主要集中在低频段和工频干扰处。为了减少噪声干扰的影响，在进行通信系统设计时，可以选择高频的调制方式进行，如采用OFDM技术，将需要传输的信号分别调制在不同的载波上，载波在设计时，载波间隔和载波的起始点频率尽量选择高一些的频点，以避免在低频段传输；此外，对于工频干扰的噪声，可以选取在电流的过零点进行传输，这种传输方式，虽然传输时间较少，但通过合理的系统设计，用于间歇性的数据传输十分有利，且可以很好地提高数据传输的正确率。