电力线通信抄表系统的辐射特性和影响因素

彭文俊，张卫东，陈泳延，李彩云，张雨奇

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2.广东电网有限责任公司广州供电局，广州510620)

0 引言

电力系统中广泛应用各种通信技术。利用电力网络实现高速信息交互成为电力线通信(power line communication，PLC)技术发展的趋势。目前，南方电网公司和国家电网公司都在大力发展以PLC技术为主要通信手段的双向智能化用电信息采集系统，推进建设智能电网。为了利用电力线实现有效通信，必须克服许多实际挑战。其中，PLC的电磁兼容问题成为推动PLC技术进一步发展的瓶颈。

文献[1]中测试的几种室内PLC设备在工作时带来的辐射干扰较小，未在FM广播和低VHF电视广播服务上产生不利影响。文献[2]中研究的PLC适配器所产生的辐射场对其他设备的干扰有限。文献[3]分析了储能管理系统单元里PLC的电磁兼容问题，得到了可注入电池线缆中信号的强度限值。华北电力大学张卫东等利用自研的近场测量系统，测量了低压高速PLC网络电磁辐射，其结果满足现有PLC标准的测量要求[4]。Zhang H等对室外PLC系统进行了辐射测量，获得了一些分布规律[5]。

目前，PLC电磁兼容性研究主要集中在产品层面，缺少对工程应用中PLC系统，特别是室外长线路、中近场情况下电磁辐射分布特性的全面而深入的定量分析。鉴于此，本文基于PLC电力抄表模拟系统和实际应用场景开展了大量工作：研究了PLC辐射空间分布特性；综合考虑PLC辐射测量值、环境噪声值和仿真计算值的数值关系，验证了建模计算的有效性；调整模型参数，研究了有关典型影响因素对PLC辐射的作用规律，研究了复杂恶劣场景对外辐射特性，并就PLC辐射测量方法、模型准确度分析方法提出了相关建议。

1 PLC系统辐射测试

1.1 PLC电力抄表模拟系统测试

PLC模拟系统主要由DJGZ23-XLJ101型集中器、电力线和专用PLC电表构组成，工作频带为2.441～5.615 MHz。在较开阔的场地搭建模拟系统，以降低环境噪声对PLC辐射测量结果的影响；经小型隔离变压器和磁环给模拟系统供电，以隔绝供电网络中可能存在的干扰。因而，PLC模拟系统受外部干扰小。模拟系统布局如图1所示。

图1 PLC模拟系统

为了对比辐射测量方法的影响，图2(a)展示了使用测量设备峰值检波、Clearwire功能，测得某一时刻的电场强度瞬时值；图2(b)展示了使用测量设备峰值检波、Maxhold功能，测得一段时间内电场强度最大保持值。首先，PLC系统运行时现场辐射比PLC系统关闭时的背景噪声强，表明所测辐射确是由PLC系统产生；其次，Clearwire测量下PLC辐射与背景噪声杂糅在一起，大部分频点上区分度不大，这也意味着PLC辐射对环境影响并不突出；再次，Maxhold测量下PLC辐射明显强于背景噪声；最后，Maxhold测量数据普遍大于Clearwire测量数据。PLC的调制工作方式使得同一时刻同一频点下线路始端电压与空间场没有对应关系。鉴于此，分析认为在足够长的测量时间内，使用测量设备Maxhold功能测量线路始端电压和测点位置上的电场强度，最大保持电压与最大保持场强之间存在对应关系。并且，最大保持值一般较瞬时值大，在评估电磁环境或辐射抗扰度等方面更具代表性与说服力，避免了瞬时值带来的随机性，同时还在一定程度上计及了裕量。

图2 Clearwire瞬时值测量与Maxhold测量最大保持值测量对比

1.2 PLC电力抄表应用现场测试

1.2.1 直线路PLC辐射测试

考察选取由1个集中器和24块用户电表组成的PLC台区进行测试。测试场地较开阔，被测三相四线制线路笔直，线路支路少且对被测路段影响小，PLC工作频段0.7～3 MHz。图3为现场测试情况，图中高压线路不携带PLC信号。

图3 直线路现场测试

测试获得了线路始端A相对N的电压和空间场强。图4展示了PLC系统运行时距集中器纵向(平行于电力线方向)距离72 m处，横向(垂直于电力线方向)测距DL=10 m、30 m、50 m、70 m、100 m、150 m和200 m时电场强度最大保持值衰减情况。可见PLC辐射随横向距离增大衰减显著；横向测距100 m、150 m和200 m位置上电场强度相当，说明PLC辐射在横向距离约100 m处就能衰减到环境噪声水平。据此判断，本文所研究的PLC系统工作时单一直线路辐射横向可感知距离达100 m，保守评估可选为150 m。

图4 直线路PLC辐射横向衰减

图5展示了横向距离30 m，纵向测距分别为72 m、118.5 m和168 m位置上的电场强度最大保持值。可以看到，PLC辐射纵向分布呈起伏状，其主要原因是PLC信号沿线路呈驻波分布影响，靠近波腹位置辐射较强，靠近波节位置辐射较弱。线路分支一定程度上对此现象也有贡献。

图5 直线路PLC辐射纵向分布

此外，注意到无论测点位置远近，0.7～1.5 MHz频段内某些频点上的电场始终很强。大量的测试证明该现象是由现场环境中非PLC系统的较强的低频干扰源引起，该骚扰为环境固有，与PLC系统工况无关[6]。在研究PLC系统辐射分布规律时，这些干扰源的数据应当排除。

1.2.2 交叉垂直线路PLC辐射测试

考察选取到由1个集中器和约80块用户电表组成的较复杂台区，PLC工作频段0.7～3 MHz。被测三相四线制线路由相互垂直的两段组成；距被测区域边缘最近直线距离约80 m处存在另外一个台区的电力线。总体而言，现场环境较复杂，存在较强外部骚扰。测试在两段被测线路所围区域展开，如图6所示。

图6 交叉垂直线路现场测试

依据现场条件，以其中一段电力线为基准，测量其横向距离10 m、30 m、50 m、70 m和90 m位置上的电场强度最大保持值。图7展示了图6(b)中测点D1—D5位置上的电场强度。不同于单一直线路，交叉垂直线路辐射不再随横向距离的增大而减小，而是呈现起伏状，并且各频点起伏趋势不一致。该现象主要是由两段电力线共同作用导致。若测点位置越靠近两段电力线，则辐射起伏性越大。对于交叉线路共同作用的区域，选择合适测点走向并增加测量距离可获得辐射衰减特性，如参照图6(b)中虚线。

图7 交叉垂直线路PLC辐射分布

2 PLC系统建模分析

2.1 辐射计算原理

由于电力线自身的传输特性，当加载上高频信号时，电力线如同天线一样向外辐射电磁骚扰。适宜采用基于全波技术求解频域麦克斯韦积分方程组的矩量法(method of moment，MOM)来分析解决这类复杂电磁问题[7]。矩量法只需要离散几何模型而无须离散空间，无须设置边界条件，其计算量只取决于计算频率和模型的几何尺寸。

一个表面为S的PEC金属散射体在自由空间中产生的电场ES表示为：

(1)

式中：Φ为标量位；A为矢量磁位。

(2)

(3)

(4)

在以上公式中存在J的微积分及Φ的计算，运算复杂，因此选用适当的基函数和权函数对求解至关重要。对散射体用三角形单元进行剖分，采用RWG基函数将三角形内任一点的电流密度用该点到3个顶点的矢量展开，其示意图如图8所示。图8中每个公共边邻接两个不同的三角形，故使用“+”“-”标记加以区分。

图8 三角形单元剖分电流密度矢量展开

(5)

式中：Jn为待求电流；n为三角形的边。基函数fn如式(6)所示。

(6)

(7)

若将金属表面剖分成I个单元，式(4)可写为：

(8)

将式(5)—(7)带入式(8)得：

(9)

(10)

式(10)的各部分可以定义如式(11)—(13)所示。

(11)

(12)

Zmn=Φmn+Amn

(13)

式中：Φmn为等效的标量位矩阵；Amn为等效的矢量磁位矩阵；Zmn为边m与边n间的阻抗矩阵。最终的矩阵形式方程为：

ZmnJn=Vm

(14)

式中：Jn为待求电流量；Vm为导体电势分布，可从实测电压中获得。将求解出的电流Jn代入式(4)即可得到空间电场分布ES。

2.2 PLC模拟系统辐射仿真分析

建立了与模拟系统布局一致的仿真模型，线路始端接激励电压源，终端接负载阻抗，并设置了PEC地面反射作用[10]。模型输入参数均依据实测数据。选取了几个典型频点，仿真计算了这些频点下5个典型测点处的电场强度，并与实测电场强度最大保持值作对比，如表1所示。可见，计算结果与测量结果吻合度很高，有80%的数据差值在6 dB以内。尽管还有极少数数据存在差异，但该计算方法和计算模型的有效性对预测PLC辐射空间分布趋势满足工业应用中的要求。

表1 PLC辐射测量值与计算值的差值

2.3 PLC应用现场辐射仿真分析

本文是在真实场景里而不是在电波暗室测量PLC系统的电磁辐射。因而，现场辐射总体上可分为两大部分：1)仅由被测PLC系统产生的辐射；2)除被测PLC系统之外的其他线路、设备、系统和周围环境所产生的辐射，概括地用背景噪声来表示。建立背景噪声模型是困难的，因为其情况复杂且没有具体参数。但是，被测PLC系统是清晰明了的，易于建模。当PLC系统运行时，实测辐射是由PLC辐射和背景噪声组成，记作Etotal；当PLC系统停运时，仅测得背景噪声，记为Enoise；通过PLC仿真模型计算出来的辐射，将其表示为EPLC。

选择了几个具有较强辐射的典型频点进行重点分析。图9(a)和图9(b)分别展示了直线路PLC在1.596 MHz和2.198 MHz频点的辐射横向衰减趋势对比。图中圆形标记代表测量点的位置。可以看到，在横向距离10～30 m范围内，Etotal与EPLC相差不大，表明在该距离内来自PLC系统的辐射贡献较大。随着距离的增加两者差值逐渐增大，特别是1.596 MHz频点下，200 m处的差值达到了35 dB，这表明PLC辐射的贡献值逐渐减小，Etotal最终衰减至背景噪声Enoise水平。

图9 直线路PLC辐射横向衰减趋势对比

就数值关系而言，Etotal近似等于EPLC和Enoise的矢量和，可以表示为[11]

(15)

在横向测距10～200 m范围内EPLC和Enoise的矢量和与Etotal的对比如表2—3所示。数据显示，矢量和与Etotal之间的差值很小，普遍小于6 dB。综合图9、表2—3可以得出，当仿真模型无法考虑除被测PLC系统之外的现场设备、系统及周围环境所产生的背景噪声时，计算得到的PLC辐射很大程度上代表了PLC系统对周围空间的实际辐射贡献。因此，EPLC曲线和Etotal曲线在横向测距30～200 m范围内差值较大并不意味计算值与测量值不吻合，而恰说明在横向30 m开外PLC辐射贡献迅速减小。当在PLC辐射计算值中计及背景噪声时，两者的矢量和与Etotal的差值均小于6 dB，证明仿真模型有效且准确。此外，这些数据也表明PLC辐射仅在近距离对环境有电磁影响，随着距离的增加其影响是很小的；研究表明PLC应用现场综合辐射较强很大程度上取决于背景噪声。是否考虑背景噪声对仿真计算的影响取决于噪声相对于被测辐射的影响程度。至于1.596 MHz频点下PLC辐射计算值衰减快，而2.198 MHz频点下辐射计算值衰减慢，这主要是受驻波影响，即波腹处辐射强、衰减慢，波节处辐射弱、衰减快。

表2 1.596 MHz频率点EPLC和Enoise的矢量和与Etotal的对比

通过大量的数据统计，获得了单一直线型三相四线制线路PLC辐射横向衰减梯度，如表4所示。可以看出，横向距离50 m特别是30 m内，PLC辐射衰减显著且迅速；在100～150 m处PLC辐射测量值已经衰减至背景噪声水平，呈现随距离的变化而上下波动的状态，而仿真模型计算域中不存在背景噪声，因而PLC辐射计算值会一直衰减下去。

表3 2.198 MHz频率点EPLC和Enoise的矢量和与Etotal的对比

通过大量的数据统计，获得了单一直线型三相四线制线路PLC辐射横向衰减梯度，如表4所示。可以看出，横向距离50 m(特别是30 m)内，PLC辐射衰减显著且迅速；在100～150 m处PLC辐射测量值已经衰减至背景噪声水平，呈现随距离的变化而上下波动的状态，而仿真模型计算域中不存在背景噪声，因而PLC辐射计算值会一直衰减下去。

表4 直线路PLC辐射横向衰减梯度

图10展示了单一直线路1.898 MHz频点下PLC辐射的计算值与测量值纵向分布对比。图11展示了垂直交叉线路2.198 MHz频点下PLC辐射的计算值与测量值分布趋势对比。可见，计算与实测数据在数值大小、趋势走向上均具有较高的吻合度。借助本文的仿真方法，一定程度上可以推演不宜开展实测工作的环境里PLC系统辐射强度，预测PLC系统辐射的数值大小及分布趋势。这对评估复杂、恶劣环境下PLC辐射骚扰特性提供了参考与依据。

图10 直线路PLC辐射纵向分布趋势对比

图11 交叉垂直线路PLC辐射横向分布趋势对比

2.4 复杂台区辐射仿真分析

我国低压配电网错综复杂，PLC网络不仅仅是单一直线路或两段交叉垂直线路。因此有必要针对复杂场景展开辐射骚扰研究，总结PLC辐射骚扰影响因素的作用规律，评估辐射特性。分别建立了单台区城市小区模型、单台区村落模型，如图12所示。城市小区用户多且集中，建筑物高大、钢筋混凝土墙体；村落用户少且分散，建筑物矮小、砖瓦墙体。主干线路为三相四线制，支路则为单相线；A、B、C三相负载匀称。

图12 单台区复杂模型

保持各模型激励电压不变，采用控制变量法，研究电力线架高(5～15 m)、半径(1～5 mm)、线间距(10～90 cm)、端接负载阻抗(5+j5～500+j500 Ω)等典型因素对PLC辐射的影响效果。图13展示了小区模型中不同电力线高度下，地面上方1 m处的辐射变化情况。图13(a)中波峰的位置意味着靠近电力线，可见，电力线越低，电场越强；但当远离电力线时，电力线越低，电场越弱。这是由于地面对PLC辐射有一定的反射作用；电力线的高度低，则近处的辐射强，但辐射范围缩小，反之亦然。因此，在场域边缘位置，电力线越高，辐射越强，如图13(b)所示。

图13 电力线高度对PLC辐射的影响

经统计归纳，2.442 MHz频点下各影响因素对地面上方1 m处空间电场强度的量化分析如表5所示。

表5 影响因素分析

钢筋混凝土和砖瓦墙体在仿真中的材料属性不同，其在电导率、磁导率上差异不大，且由此所带来的影响也小；差异主要体现在小区模型中建筑物的相对介电常数较村落模型的大。在小区模型的基础上，保持模型其他参数不变，仅改变被试建筑物的相对介电常数，研究相对介电常数对电磁辐射的影响。仿真结果以电场云图的形式展示在图14(a)和图14(b)。可以看处，εr=7(εr为相对介电常数)时，仅少量辐射透入建筑物。金属网是常用的非实壁型屏蔽体，具有较好的屏蔽效能。从安全角度，当下建筑物普遍使用钢筋混凝土，由钢筋等构成的金属网格，加之某些避雷接地等措施，使得建筑物对电磁辐射有较强的屏蔽作用。在研究室外PLC系统电磁辐射时，本文不考虑其对室内环境的影响。

图14 相对介电常数影响效果

分别以单一台区城市小区、村落为一个整体单位，研究其对外1 km范围内的辐射分布情况，仿真结果如图15—16所示。其中图15(a)和图16(a)对应现实常规场景，图15(b)和图16(b)是在配电网布设规范内，适当降低了电力线的高度、拉宽了电力线间距并减小负载阻抗，使得PLC辐射骚扰较大化。复杂单台区场景里由于辐射有叠加，辐射可感知距离比单一线路大。PLC辐射在距离台区边缘电力线25～30 m内衰减迅速，25～30 m以外逐渐趋缓；距离台区边缘电力线70～100 m场强即可衰减到30 dBμV/m(辐射较强场景中为40 dBμV/m)以下。总体而言，复杂台区对外辐射有限，调整各影响因素对减小辐射骚扰的效果比较可观。

图16 村落模型对外辐射

3 结语

本文针对PLC电力抄表系统的电磁辐射开展了测试与仿真分析工作。单一直线型三相四线制线路PLC辐射纵向分布波动起伏，辐射横向衰减迅速，仅在近距离对环境有一定影响，随着距离的增加电磁影响迅速减弱，辐射可感知范围为100～150 m；交叉垂直线路共同作用的区域，辐射分布不均匀。基于矩量法的建模仿真方法是有效的，可以用来预测PLC系统的辐射分布趋势。调整模型参数，研究了电力线架高、半径、线间距、端接负载阻抗、建筑物相对介电常数等因素对辐射的影响效果。通过合理布设电力线可以减小PLC辐射强度，并且由于钢筋混凝土的作用，室外PLC辐射对室内环境影响小，可以忽略。复杂PLC台区对外辐射衰减较快，辐射强度在短距离内能够衰减至较低水平。