紀(jì)杉　王桂英　劉楊　方少麟　紀(jì)林

摘要：為避免電力載波線上的噪聲干擾對(duì)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程采集造成影響，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)遠(yuǎn)程采集工作的實(shí)際情況，在總結(jié)電力載波線上噪聲特性的基礎(chǔ)上，提出一種抑制噪聲干擾的噪聲抑制器。通過(guò)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)臺(tái)區(qū)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比安裝噪聲抑制器前后的載波信號(hào)波形，驗(yàn)證噪聲抑制器的有效性。

關(guān)鍵詞：噪聲抑制器；電力載波；遠(yuǎn)程采集；載波噪聲

中圖分類號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）01-0035-04

近年來(lái)，用戶用電信息采集逐漸成為電力營(yíng)銷工作的重中之重，是電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其廣泛應(yīng)用可以大大減少電能表抄表工作的人力投入。目前，國(guó)內(nèi)外在低壓電力載波通信技術(shù)領(lǐng)域的研究已取得一定成果，對(duì)基于低壓電力線載波和GPRS技術(shù)的電能自動(dòng)抄表系統(tǒng)的可行性和有效性進(jìn)行了廣泛研究。其中，電力載波通信把電力線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，具有覆蓋范圍廣、無(wú)需重新敷設(shè)線路等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注，具有很大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前幾種比較典型的低壓電力載波技術(shù)各具特點(diǎn)，形成了低壓電力載波通信測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成及其組網(wǎng)方案，但噪音干擾卻嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。為研究噪聲的特性，電力信道噪聲模型被廣泛研究，形成了電力線噪聲分離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。根據(jù)電力載波特點(diǎn)及噪聲特性，設(shè)計(jì)出多種濾波裝置，均取得良好效果。實(shí)驗(yàn)研究表明，鍋爐等供暖供水設(shè)備會(huì)使載波線中產(chǎn)生噪聲，對(duì)電力載波線上傳遞的載波信號(hào)造成嚴(yán)重影響，但并未能引起足夠的重視。

在用戶較多的城市地區(qū)，低壓接線網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，負(fù)荷種類多樣化，尤其是存在電力載波傳輸干擾源，使用電信息采集系統(tǒng)的抄表成功率降低，為集中采集的實(shí)施帶來(lái)挑戰(zhàn)。

1 噪聲干擾原因分析

對(duì)電量采集系統(tǒng)的長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，高層住宅變頻水泵啟動(dòng)后，載波抄讀效果差；東北地區(qū)冬季電鍋爐啟動(dòng)后，載波抄讀效果差；凌晨抄表效果好，白天抄表效果差。究其原因在于電網(wǎng)上的這些電器產(chǎn)生了較大的干擾。一些臺(tái)區(qū)的抄表效果達(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其根本原因是無(wú)法克服電網(wǎng)上的這種噪聲。避開(kāi)高噪聲環(huán)境，在低噪聲良好環(huán)境中進(jìn)行載波通信，可獲得較好的載波通信成功率，降低通信失敗幾率，提高數(shù)據(jù)采集成功率，減少抄表人力投入。

低壓電網(wǎng)載波通信受噪聲干擾而采集率低，究其原因在于載波信號(hào)在電網(wǎng)上會(huì)遇到噪聲干擾，這種干擾通常由電力線路上的各種大功率負(fù)載突然開(kāi)關(guān)、大功率電機(jī)啟停、功率因數(shù)補(bǔ)償電容器投切以及短路、故障切除和重合閘、雷電等引起，往往是能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群，持續(xù)時(shí)間較短，但能量很集中，頻譜也很寬，會(huì)引起電壓、電流的突變和諧波分量的增加。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，我國(guó)低壓電網(wǎng)噪聲在一個(gè)工頻周波的微分時(shí)段內(nèi)，具有周期性噪聲峰谷規(guī)律。

進(jìn)一步研究可知，隔離噪聲環(huán)境，在良好環(huán)境中進(jìn)行載波通信，會(huì)獲得較好的載波通信成功率，降低通信失敗的幾率。為此，設(shè)計(jì)一種用于濾除低壓臺(tái)區(qū)噪聲干擾的濾波器，達(dá)到屏蔽干擾信號(hào)和保證噪聲干擾源附近智能表可以正常采集的目的，從而提高通信成功率。

2 噪聲抑制器設(shè)計(jì)

該噪聲抑制器采用三相四線制接線，額定頻率為50 Hz，可用于三相四線制（380V）或兩線制（220V）電力線載波通信產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

噪聲抑制器共分有4根接線，分別對(duì)應(yīng)電力線的A，B，C，N四相電壓線。安裝時(shí)只要將對(duì)應(yīng)的線序接到電力線上，就可以保證噪聲抑制器的正常運(yùn)行。噪聲抑制器與電力載波線接入方式如圖2所示。

使用噪聲抑制器時(shí)，要盡量保證噪聲抑制器安裝在干擾源的附近，最好安裝在干擾源的開(kāi)關(guān)處，這樣能夠發(fā)揮噪聲抑制器的最好效果。

當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)因電力線噪聲較高而接收不到遠(yuǎn)端發(fā)出的載波信號(hào)時(shí)，可嘗試在該節(jié)點(diǎn)處安裝電力線噪聲抑制器；當(dāng)集中器發(fā)出的信號(hào)表端能收到而表端發(fā)出的信號(hào)集中器收不到，且確認(rèn)集中器端的噪聲較高時(shí)，可嘗試在集中器下安裝電力線噪聲抑制器。

電力線上的阻抗比載波模塊的阻抗要大得多，所以電力線噪聲抑制器的衰減作用對(duì)載波通信的影響較小，對(duì)電力線噪聲的影響較大，可提高接收端信噪比和載波通信的成功率。

濾波器由RC元件組成，我國(guó)低壓集抄主要廠家的載波芯片載波頻率一般在120～421 kHz之間，因此，所設(shè)計(jì)的噪聲抑制器（即濾波器）不應(yīng)對(duì)以上頻率區(qū)間的載波信號(hào)造成過(guò)多影響。該濾波器即電力線噪聲抑制器可以在犧牲少許載波信號(hào)的前提下降低電力線的噪聲，從而提高接收端的信噪比和接收成功率。

阻抗計(jì)算公式ZC=1/2πfC，載波模塊通信（f=270 kHz）的內(nèi)阻約為5.9 Ω，電力線噪（假設(shè)頻率f=10 kHz）聲阻抗約為160 Ω。由此可見(jiàn)，阻抗越大，衰減越大；阻抗越小，衰減也相應(yīng)減小。根據(jù)低通濾波器的原理，可提高傳輸信噪比。噪聲抑制器的原理如圖3所示，電阻R1，R2，R3為1 Ω，R4，R5，R6為1 MΩ，電阻RV1，RV2，RV3為壓敏電阻，主要起到保護(hù)主電路的作用。

RC串并聯(lián)電路存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率f1和f2。以A相為例，當(dāng)信號(hào)頻率低于f1時(shí)，C1相當(dāng)于開(kāi)路，電路總阻抗為R1+R2，相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)工頻電壓無(wú)影響；當(dāng)信號(hào)頻率高于f2時(shí)，C1相當(dāng)于短路，電路總阻抗為R1，相當(dāng)于短路，使高頻噪聲完全濾掉。當(dāng)信號(hào)頻率高于f1低于f2時(shí)，電路總阻抗在R1+R2到R1之間變化。電力線噪聲抑制器主要功能是提高載波通信傳輸過(guò)程中的信噪比，進(jìn)而提高通信成功率。

3 噪聲抑制試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證電力線噪聲抑制器的有效性，以胡家線44金山分28#-1臺(tái)區(qū)為實(shí)例，分別測(cè)量集中器端載波信號(hào)的波形及在安裝和不安裝噪聲抑制器情況下，電力載波線上電表端載波信號(hào)的波形。該臺(tái)區(qū)為城區(qū)內(nèi)小區(qū)類型的臺(tái)區(qū)，總戶數(shù)1 109戶，供電半徑超過(guò)800 m，集中器位于變電室內(nèi)，向外輻射24條三相線路，每條線路上均有采集失敗表。臺(tái)區(qū)拓?fù)淙鐖D4所示。

該臺(tái)區(qū)包含多種負(fù)荷，其中鍋爐房為泵房，用于供暖和自來(lái)水的二次加壓，對(duì)電力載波信號(hào)產(chǎn)生一定影響。

3.1 在集中器端的噪聲信號(hào)圖

根據(jù)臺(tái)區(qū)使用的電力線采集設(shè)備集中抄讀噪聲情況，對(duì)該頻譜圖進(jìn)行120 kHz（該臺(tái)區(qū)所用載波頻率為120 kHz）切片，得到圖5所示圖形。

由圖5可以看出，集中器發(fā)出的載波信號(hào)幅值為92.766 dB，39811 uV，載波信號(hào)發(fā)送正常。

3.2 無(wú)噪聲抑制器的噪聲信號(hào)圖

在本臺(tái)區(qū)百合一街6-1號(hào)樓使用電力線噪聲采集設(shè)備，在長(zhǎng)期抄讀不成功的表計(jì)端采集集中器端抄讀時(shí)的噪聲情況如圖6所示。

由圖6可以看出，噪聲信號(hào)為53 dB uV，446 uV。與圖5所示的集中器所發(fā)出的載波信號(hào)相比，已經(jīng)發(fā)生較大程度的失真。鍋爐房正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量噪聲，并通過(guò)電力載波線進(jìn)行傳播，對(duì)載波線上的載波信號(hào)疊加干擾。集中器發(fā)出的載波信號(hào)經(jīng)過(guò)噪聲干擾與衰減到達(dá)該目標(biāo)表計(jì)時(shí)，已經(jīng)淹沒(méi)在噪聲中了，無(wú)法識(shí)別其中的載波信號(hào)，因此抄讀失敗。

3.3 有噪聲抑制器的噪聲信號(hào)圖

針對(duì)該臺(tái)區(qū)干擾（供熱、供水）導(dǎo)致臺(tái)區(qū)抄表不理想的情況，使用噪聲抑制器可以屏蔽干擾源，從而保證抄表的成功率。將噪聲抑制器與集中器并聯(lián)，可以濾除其產(chǎn)生的噪聲。

使用電力線噪聲采集設(shè)備，在抄讀成功的表計(jì)端，采集集中器端抄讀時(shí)的噪聲情況，如圖7所示。

由圖7可以看出，集中器發(fā)出的載波信號(hào)幅值為67.048 dB，2 238 uV。與圖5所示的集中器所發(fā)出的載波信號(hào)相比，失真程度較小。噪聲抑制器可以濾除絕大部分噪聲，但仍有一部分噪聲沒(méi)有被濾除而是混雜在載波信號(hào)中，但沒(méi)有造成嚴(yán)重影響。集中器發(fā)出的載波抄讀信號(hào)經(jīng)傳輸有所衰減。智能電表處接收到的載波信號(hào)與集中器發(fā)出的載波信號(hào)基本相當(dāng)，在擴(kuò)頻通訊抗噪處理下，可實(shí)現(xiàn)正常抄讀。

該臺(tái)區(qū)1—6月份未安裝噪聲抑制器，7—8月份安裝了噪聲抑制器。通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)對(duì)百合一街6-1號(hào)樓安裝噪聲抑制器前后的抄表成功率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未隔離噪聲干擾時(shí)該臺(tái)區(qū)在1—2月份采集成功率最低，僅為77.34%，這是由于在冬季除了日常供水外還需要供暖，鍋爐房會(huì)對(duì)載波信號(hào)造成較大干擾，1—6月份平均采集成功率為83.48%，7—8月份安裝電力線噪聲抑制器后的采集成功率為99.08%（見(jiàn)表1）。

通過(guò)該實(shí)例可知，所研制的噪聲抑制器能濾除鍋爐等設(shè)備引起的噪聲，提高采集成功率。

電力線噪聲抑制器在犧牲部分載波信號(hào)的前提下降低電力線噪聲，會(huì)因線路過(guò)長(zhǎng)或載波信號(hào)衰減過(guò)大而導(dǎo)致抄讀成功率不穩(wěn)定，可能使抄讀效果變得更差。

電力線噪聲抑制器多數(shù)情況下可提高通信成功率，但有時(shí)也會(huì)降低成功率，因此在使用該設(shè)備時(shí)需要嘗試著進(jìn)行，即安裝后要測(cè)試通信效果是否有所改善。如果有改善就保留，如果沒(méi)有改善就換個(gè)位置或者拆除。

4 結(jié)論

噪聲抑制器用于濾除噪聲并提高采集成功率。通過(guò)將其并聯(lián)在噪聲源處，可以達(dá)到濾除高頻噪聲的目的。以一個(gè)實(shí)際臺(tái)區(qū)為例，通過(guò)測(cè)量集中器端安裝噪聲抑制器前后智能電表端的載波信號(hào)可知，噪聲抑制器能夠有效抑制由供水、供暖等原因引起的電力載波噪聲。對(duì)該臺(tái)區(qū)1—8月份采集成功率情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，噪聲抑制器能使采集成功率由83.34%提高到99.08%，具有良好的應(yīng)用效果，建議大面積推廣。