基于滤除低压台区噪声干扰的噪声抑制器研究

纪杉　王桂英　刘杨　方少麟　纪林

摘要：为避免电力载波线上的噪声干扰对电力系统远程采集造成影响，根据当前电网远程采集工作的实际情况，在总结电力载波线上噪声特性的基础上，提出一种抑制噪声干扰的噪声抑制器。通过对实际电网台区进行测试，对比安装噪声抑制器前后的载波信号波形，验证噪声抑制器的有效性。

关键词：噪声抑制器；电力载波；远程采集；载波噪声

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）01-0035-04

近年来，用户用电信息采集逐渐成为电力营销工作的重中之重，是电网自动化技术发展的必然趋势，其广泛应用可以大大减少电能表抄表工作的人力投入。目前，国内外在低压电力载波通信技术领域的研究已取得一定成果，对基于低压电力线载波和GPRS技术的电能自动抄表系统的可行性和有效性进行了广泛研究。其中，电力载波通信把电力线作为数据传输的载体，具有覆盖范围广、无需重新敷设线路等优点，受到越来越多的关注，具有很大的应用潜力。当前几种比较典型的低压电力载波技术各具特点，形成了低压电力载波通信测试系统的构成及其组网方案，但噪音干扰却严重影响信号的传输质量。为研究噪声的特性，电力信道噪声模型被广泛研究，形成了电力线噪声分离网络技术。根据电力载波特点及噪声特性，设计出多种滤波装置，均取得良好效果。实验研究表明，锅炉等供暖供水设备会使载波线中产生噪声，对电力载波线上传递的载波信号造成严重影响，但并未能引起足够的重视。

在用户较多的城市地区，低压接线网络较为复杂，负荷种类多样化，尤其是存在电力载波传输干扰源，使用电信息采集系统的抄表成功率降低，为集中采集的实施带来挑战。

1 噪声干扰原因分析

对电量采集系统的长期研究发现，高层住宅变频水泵启动后，载波抄读效果差；东北地区冬季电锅炉启动后，载波抄读效果差；凌晨抄表效果好，白天抄表效果差。究其原因在于电网上的这些电器产生了较大的干扰。一些台区的抄表效果达不到验收标准，其根本原因是无法克服电网上的这种噪声。避开高噪声环境，在低噪声良好环境中进行载波通信，可获得较好的载波通信成功率，降低通信失败几率，提高数据采集成功率，减少抄表人力投入。

低压电网载波通信受噪声干扰而采集率低，究其原因在于载波信号在电网上会遇到噪声干扰，这种干扰通常由电力线路上的各种大功率负载突然开关、大功率电机启停、功率因数补偿电容器投切以及短路、故障切除和重合闸、雷电等引起，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽，会引起电压、电流的突变和谐波分量的增加。通过大量现场噪声数据采集发现，我国低压电网噪声在一个工频周波的微分时段内，具有周期性噪声峰谷规律。

进一步研究可知，隔离噪声环境，在良好环境中进行载波通信，会获得较好的载波通信成功率，降低通信失败的几率。为此，设计一种用于滤除低压台区噪声干扰的滤波器，达到屏蔽干扰信号和保证噪声干扰源附近智能表可以正常采集的目的，从而提高通信成功率。

2 噪声抑制器设计

该噪声抑制器采用三相四线制接线，额定频率为50 Hz，可用于三相四线制（380V）或两线制（220V）电力线载波通信产品，其结构如图1所示。

噪声抑制器共分有4根接线，分别对应电力线的A，B，C，N四相电压线。安装时只要将对应的线序接到电力线上，就可以保证噪声抑制器的正常运行。噪声抑制器与电力载波线接入方式如图2所示。

使用噪声抑制器时，要尽量保证噪声抑制器安装在干扰源的附近，最好安装在干扰源的开关处，这样能够发挥噪声抑制器的最好效果。

当某些节点因电力线噪声较高而接收不到远端发出的载波信号时，可尝试在该节点处安装电力线噪声抑制器；当集中器发出的信号表端能收到而表端发出的信号集中器收不到，且确认集中器端的噪声较高时，可尝试在集中器下安装电力线噪声抑制器。

电力线上的阻抗比载波模块的阻抗要大得多，所以电力线噪声抑制器的衰减作用对载波通信的影响较小，对电力线噪声的影响较大，可提高接收端信噪比和载波通信的成功率。

滤波器由RC元件组成，我国低压集抄主要厂家的载波芯片载波频率一般在120～421 kHz之间，因此，所设计的噪声抑制器（即滤波器）不应对以上频率区间的载波信号造成过多影响。该滤波器即电力线噪声抑制器可以在牺牲少许载波信号的前提下降低电力线的噪声，从而提高接收端的信噪比和接收成功率。

阻抗计算公式ZC=1/2πfC，载波模块通信（f=270 kHz）的内阻约为5.9 Ω，电力线噪（假设频率f=10 kHz）声阻抗约为160 Ω。由此可见，阻抗越大，衰减越大；阻抗越小，衰减也相应减小。根据低通滤波器的原理，可提高传输信噪比。噪声抑制器的原理如图3所示，电阻R1，R2，R3为1 Ω，R4，R5，R6为1 MΩ，电阻RV1，RV2，RV3为压敏电阻，主要起到保护主电路的作用。

RC串并联电路存在两个转折频率f1和f2。以A相为例，当信号频率低于f1时，C1相当于开路，电路总阻抗为R1+R2，相当于开路，对工频电压无影响；当信号频率高于f2时，C1相当于短路，电路总阻抗为R1，相当于短路，使高频噪声完全滤掉。当信号频率高于f1低于f2时，电路总阻抗在R1+R2到R1之间变化。电力线噪声抑制器主要功能是提高载波通信传输过程中的信噪比，进而提高通信成功率。

3 噪声抑制试验结果分析

为验证电力线噪声抑制器的有效性，以胡家线44金山分28#-1台区为实例，分别测量集中器端载波信号的波形及在安装和不安装噪声抑制器情况下，电力载波线上电表端载波信号的波形。该台区为城区内小区类型的台区，总户数1 109户，供电半径超过800 m，集中器位于变电室内，向外辐射24条三相线路，每条线路上均有采集失败表。台区拓扑如图4所示。

该台区包含多种负荷，其中锅炉房为泵房，用于供暖和自来水的二次加压，对电力载波信号产生一定影响。

3.1 在集中器端的噪声信号图

根据台区使用的电力线采集设备集中抄读噪声情况，对该频谱图进行120 kHz（该台区所用载波频率为120 kHz）切片，得到图5所示图形。

由图5可以看出，集中器发出的载波信号幅值为92.766 dB，39811 uV，载波信号发送正常。

3.2 无噪声抑制器的噪声信号图

在本台区百合一街6-1号楼使用电力线噪声采集设备，在长期抄读不成功的表计端采集集中器端抄读时的噪声情况如图6所示。

由图6可以看出，噪声信号为53 dB uV，446 uV。与图5所示的集中器所发出的载波信号相比，已经发生较大程度的失真。锅炉房正常工作时会产生大量噪声，并通过电力载波线进行传播，对载波线上的载波信号叠加干扰。集中器发出的载波信号经过噪声干扰与衰减到达该目标表计时，已经淹没在噪声中了，无法识别其中的载波信号，因此抄读失败。

3.3 有噪声抑制器的噪声信号图

针对该台区干扰（供热、供水）导致台区抄表不理想的情况，使用噪声抑制器可以屏蔽干扰源，从而保证抄表的成功率。将噪声抑制器与集中器并联，可以滤除其产生的噪声。

使用电力线噪声采集设备，在抄读成功的表计端，采集集中器端抄读时的噪声情况，如图7所示。

由图7可以看出，集中器发出的载波信号幅值为67.048 dB，2 238 uV。与图5所示的集中器所发出的载波信号相比，失真程度较小。噪声抑制器可以滤除绝大部分噪声，但仍有一部分噪声没有被滤除而是混杂在载波信号中，但没有造成严重影响。集中器发出的载波抄读信号经传输有所衰减。智能电表处接收到的载波信号与集中器发出的载波信号基本相当，在扩频通讯抗噪处理下，可实现正常抄读。

该台区1—6月份未安装噪声抑制器，7—8月份安装了噪声抑制器。通过用电信息采集系统对百合一街6-1号楼安装噪声抑制器前后的抄表成功率数据进行对比发现，未隔离噪声干扰时该台区在1—2月份采集成功率最低，仅为77.34%，这是由于在冬季除了日常供水外还需要供暖，锅炉房会对载波信号造成较大干扰，1—6月份平均采集成功率为83.48%，7—8月份安装电力线噪声抑制器后的采集成功率为99.08%（见表1）。

通过该实例可知，所研制的噪声抑制器能滤除锅炉等设备引起的噪声，提高采集成功率。

电力线噪声抑制器在牺牲部分载波信号的前提下降低电力线噪声，会因线路过长或载波信号衰减过大而导致抄读成功率不稳定，可能使抄读效果变得更差。

电力线噪声抑制器多数情况下可提高通信成功率，但有时也会降低成功率，因此在使用该设备时需要尝试着进行，即安装后要测试通信效果是否有所改善。如果有改善就保留，如果没有改善就换个位置或者拆除。

4 结论

噪声抑制器用于滤除噪声并提高采集成功率。通过将其并联在噪声源处，可以达到滤除高频噪声的目的。以一个实际台区为例，通过测量集中器端安装噪声抑制器前后智能电表端的载波信号可知，噪声抑制器能够有效抑制由供水、供暖等原因引起的电力载波噪声。对该台区1—8月份采集成功率情况进行对比发现，噪声抑制器能使采集成功率由83.34%提高到99.08%，具有良好的应用效果，建议大面积推广。