海上风电场电磁辐射测试及分析

李 耿，陈 璀

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

风能作为一种清洁能源，受到世界各国的高度关注，近年来世界风电装机容量一直呈指数飞速增长[1]。由于海上丰富的风能资源和当今建设技术的可行性，海上风电以独有的优势成为一个迅速发展的风电领域[2]。

随着海上风电场建设项目的大力发展，海上风电场对周围环境，尤其是沿海无线电设备的各种影响也逐渐表现出来，其中最直接的影响是海上风电场电磁辐射引起的背景噪声抬高，进而影响周边和沿海的无线电设备的信噪比下降或者无法正常工作[3]。目前国内针对海上风电场的影响研究主要集中在对沿海雷达的遮挡和反射等方向[4-6]，关于风电场的电磁辐射影响评估研究较少，针对风电场的电磁辐射测试及信号分析方法没有统一的规范。文献[7]中提出了风电场的电磁辐射影响因素，并指出风电场的电磁辐射测试可以采用替代法进行，并且具有一定的通用性，但未给出具体可行的风电场电磁辐射测试和评估方法。文献[8]中采用简单的直接法测试了海上风电场的电磁辐射，并指出测试结果中包含电信信号等干扰，但未给出详细的信号分析过程和具体的干扰剔除方法。本文以某海上风电场的电磁辐射影响评估项目为背景，给出了一套具体可行的电磁辐射测试方法，为剔除测试中的干扰背景信号，提出了一种基于概率统计特性的风电场电磁辐射频点筛选规则，筛选后的测试结果可以作为周围无线电设备干扰评判的依据。

1 风电场电磁辐射测试系统

根据项目需求，本次海上风电场电磁辐射测试的频段为30 MHz～3 GHz，测试系统示意如图1所示。测试系统主要由测量天线、射频电缆、频谱仪和便携式计算机等组成。

图1 测试系统示意

测试系统中频谱仪使用罗德施瓦茨的FSV40频谱仪。测量天线选用如下：

① 30～300 MHz频率范围使用双锥天线；

② 300～l 000 MHz频率范围使用对数周期天线；

③ 1～3 GHz频率范围使用双脊喇叭天线。

测量天线具体型号和参数如表1所示。

表1 测试天线参数

2 风电场电磁辐射测试原理与方法

由于风电机的内部结构较为复杂，产生电磁辐射的确切原因难以确定，因此很难通过理论计算的方式展开分析，只能采用实测分析方法。此外，由于影响评估分析是在风电场规划建设阶段开展的，分析对象并没有实际建成，因此实测也只能针对已建成且地理条件相似、规模相近的风电场设备开展实测。在本文所述项目中，选取了与待建风电场相同海域，相同单风机容量的另一已建成风电场进行电磁辐射测试。

2.1 测试原理

由于风电场电磁辐射检测是在风电场附近所选测试地点进行，检测信号中包含2类信号：背景环境信号和风电场电磁辐射信号。因此，电磁环境分析的第一步是要从检测到的信号中筛选出来自风电场的电磁辐射信号，其原理如下：

① 假设风电场是向其周围环境空间中辐射电磁信号的。

② 风电场向外部环境空间辐射信号时，电磁辐射强度分布规律是以风电场中心为圆心向远处逐渐衰减的，即距离风电场越近电磁辐射信号强度越强，距离风电场越远电磁辐射信号强度越小。

③ 选取测试点与风电场之间无障碍遮挡，假设在距离风电场最近的测试点所检测到的信号都是由风电场发射出来的，那么这些信号向外传播过程中满足如下公式：

电磁波在空间的衰减公式[9-10]：

LS=32.4+20lgD+20lgF。

(1)

最大链路距离公式：

PR=ERP1-32.4-20lgD-20lgF+GR，

(2)

式中，D为测试距离，单位km；F为测试频率，单位MHz；ERP1为等效辐射功率，单位dBm；PR为接收功率，单位dBm；GR为接收天线增益，单位dBi；LS为自由空间链路损耗，单位dB。

根据上述公式，由测试数据及其到风电场中心的距离，可以推导出在同一辐射方向上其他不同距离测试点的风电场电磁辐射信号理论值。

④ 比较同一时间、同一测量线上不同距离测试点的电磁信号理论值和实测值。如果实测值趋势与理论值曲线相吻合，则判定信号是由风电场发出的，否则判定信号不是由风电场发出的。

⑤ 分选出风电场电磁辐射信号后，反向推导出风电场被测设备等效辐射源功率，为进一步分析风电场电磁辐射信号对周边无线电设备的影响提供依据。

2.2 测试方法

在本文实际测试过程中，选取替代风电场的边缘单风机进行测试，并假设各风机的电磁辐射能量是正向叠加的，则测试出单风机的电磁辐射干扰功率后再加上待建风电场风机数量增益即为待建风电场的电磁干扰功率。

替代风电场的单风机监测点设置如下：

在距离待测单风机外30 m处，以45°间隔围绕单风机设立8个近端监测点，并在其中一个近端监测点垂直于风机的方向上距离风机150 m位置处设置一个远端监测点。

在每个监测点的测试步骤如下：

① 在被测样品某一近端监测点位置处搭建测试系统，定向天线朝向风电场中心方向，且天线波束宽度需覆盖风电场区域，设置测试天线为垂直极化。

② 设置频谱仪的检波方式为峰值检波，轨迹为最大保持，分辨率带宽为100 kHz，按照表1将30 MHz～3 GHz频率范围共划分为5个频段进行测试。读取频谱仪稳定状态的电平值，保存频谱仪截图和轨迹数据。

③ 将测试天线调整为水平极化，重复步骤②。

3 基于概率统计特性的风电场电磁辐射频点筛选规则

由于海上风电场的电磁辐射测试为室外现场环境测试，在测试结果的频谱中，除了待测风机自身辐射的信号外，还有外界各种用频设备的电磁辐射信号。为了更加准确地评估风电场对外界的辐射影响，需要有效剥离出风电场自身的电磁辐射信号。本文采用远近端比对加信号分类判断的方法，基于概率统计特性进行信号剥离，具体筛选步骤如下：

① 公共干扰频点筛选。根据信号特征初步筛选出各监测点测量出的移动通信频段、广播电台频率等公共频率(段)，并从测试结果中去除各监测点公共频段信号。

② 筛选出非风电场的辐射信号。将远端测试信号与近端测试信号进行比对，由于电磁信号随着传输距离增加而衰减，因此若出现远端信号电平高于近端信号电平的频点，则将此类频点判定为不符合点，即此类信号非风电场的辐射信号。

③ 设置分类门限。根据远近端距离，计算远端到近端的自由空间路径损耗理论值。由于测试天线与被测物之间无遮挡，且测试天线在海上测试时距离海面约5 m左右，可以近似为自由空间传播，其远近端电磁传输损耗的差值也基本符合自由空间损耗规律，因此可以初步将远近端电磁传输损耗的差值作为分类门限。

④ 信号分类。由于地面反射多会削弱接收端综合电平，并考虑到在远端测试时接收天线指向波动对信号接收功率影响更大等不利因素，远近端接收信号电平差一般会高于自由空间损耗的理论差值。因此若存在远近端电平差值高于传播损耗分类门限，则此类信号可判断为风电场发出的电磁信号，将此类信号标记为一类信号。若远近端信号电平差值低于传播损耗分类门限，则此类信号初步判断为小概率风电场辐射的电磁信号，标记为二类信号。

⑤ 若存在一类信号，在此类信号频点中，从8个近端位置测试结果中选择电平最高的频点作为此频段的典型辐射频点。

⑥ 若一类信号不存在，而二类信号存在时，为防止筛选规则的疏漏，这时在二类信号频点中，找出8个近端位置测试结果，选择电平最高的频点作为典型辐射点。

⑦ 若一、二类信号均不存在时，选取测试频段频点电平为噪底信号的一频点(首选测试频段中心频点)作为典型辐射频点。

在上述筛选规则中需要注意的是，若考虑到海面的反射影响，在远端和近端的测量点电平会在自由空间传播理论值附近波动。此时可以借鉴自由空间驻波比[11]的测量方法获得远近端信号接收电平的波动范围，并将此波动变化量叠加到分类门限中，以获得可信度更高的分类门限。在本文所述测试过程中，远近端监测点接收电平总的波动范围约为3 dB，因此将传播损耗分类门限降低3 dB为最终的信号分类门限。

4 结果与分析

根据上述频点筛选规则，在替代海上风电场边缘单风机测试过程中，发现周围的移动通信频段如表2所示。

表2 海上单风机监测点移动通信频段

将上述移动通信频段从测试频谱结果中去除，并按照筛选规则进行信号分类后，部分测试结果如图2～图6所示。

图2 300～500 MHz-垂直极化-远近端电磁辐射结果

从图3中可以明显看出,测试频谱中电平较高的几个辐射频点远近端的测试电平结果几乎一致,或者远端电平还要高于近端电平，可以得出此类频点并非风电场的辐射频点，若不采取规则筛选而直接采用远端或近端的测试电平最大值作为风电场电磁辐射结果会与真实结果差距较大，严重的可以达到20～30 dB的辐射功率差别。同时从图4～图6的结果中可以看出，通过提前去除移动通信等干扰背景信号，可以提高规则筛选的准确度，降低筛选规则的出错概率。

图3 300～500 MHz-垂直极化-频点筛选结果

图4 1～2 GHz-水平极化-远近端电磁辐射结果

图5 1～2 GHz-水平极化-去除移动通信干扰频段后结果

图6 1～2 GHz-水平极化-频点筛选结果

经过频点筛选后，本次海上单风机的辐射测试结果如表3所示。

表3 频点筛选后海上单风机辐射测试结果

根据表3的测试结果可知，风电场电磁辐射信号整体集中在低频频段，即测试频段的30～500 MHz频段范围，随着频率的升高，风电场的电磁辐射筛选结果逐渐由一类信号转变为二类信号，甚至出现整个测试频段无符合筛选规则的信号情况。按照上述测试结果可以对各类无线电设备进行辐射干扰评估。若出现一类信号超出设备干扰门限的情况，则不建议设备在风电场周围使用。若出现二类信号超出设备干扰门限的情况，则应根据无线电设备的实际使用地点和工作频段进行进一步的实地电磁环境测试以确认设备的可用性。若出现某测试频段无符合信号的情况，则说明此测试频段内无法发现符合规则的测试频点，测试结果取系统的底噪功率，此类信号辐射功率非常小，一般会满足各类无线电设备的干扰门限要求，具体可结合无线电设备的干扰门限进行评判。

5 结束语

科学的测试和分析方法是海上风电电磁辐射干扰评估的前提和基础，本文分析结果表明，若不采用一定的测试方法及数据筛选规则，风电场的电磁辐射评估结果会与实际值相差巨大，严重影响了海上风电场电磁辐射评估的准确性，因此针对海上风电场电磁辐射干扰的测试及评估方法亟需得到更深入的研究和探讨。同时，海上风电场的建设对周围及沿海无线电设备的影响是多方面的，除了电磁辐射干扰，还会存在风机对无线电探测设备的遮挡和阴影效应，风机引起的多径效应等影响，可以作为后续对海上风电影响评估的几个重要研究方向。