变电站内5G基站天线对二次设备的电磁干扰

李枫航，唐波,2，齐道坤，刘兴发，匡宇来，谢黄海

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省输电线路工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002；3.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052；4.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074)

0 引言

变电站通信技术的发展推动了站内监控、无人巡检、安全防护等日常监测业务向低延时化、智能化、可视化升级[1-3]，大幅度提高了电力生产的安全性。但由于5G基站天线与站内设备区近距离共存，基站天线发出的辐射场以及电气大尺寸金属设备产生的电磁散射场施加在二次设备上，不可避免地对二次设备产生电磁干扰，从而可能影响设备的正常运行。

目前，国内外对变电站内设备之间的电磁兼容问题较多，但在基站天线对变电站内二次设备的电磁干扰方面研究相对较少，且大多仅停留在实验测试阶段。文献[4]最早发现了基站天线发出的射频辐射场对变电站内二次设备的电磁干扰现象，并针对性给出了变电站内二次设备的射频辐射场抗扰度测试方法。在此方法的基础上，文献[5-7]对变电站内二次设备进行射频辐射场抗扰度实验，实验结果表明，当二次设备处的电场强度过大时，将对其产生电磁干扰，严重时甚至会损坏二次设备。为此，文献[8]明确指出，当基站天线架设于变电站时，站内众多的金属电气设备会对基站天线发出的电磁波产生强反射，从而改变电磁波的传播途径。文献[9]指出站内电气大尺寸金属设备外壳在基站天线辐射下产生的电磁散射场会使二次设备处的电磁环境变得更复杂，从而影响二次设备的正常运行。

然而，变电站内的5G基站天线采用大规模阵列天线，相比于传统的3G或4G基站天线，发射功率更大、波束更集中[10]，不可避免地对二次设备产生更大的电磁干扰问题。为此，本文在深入探讨5G基站天线对变电站内二次设备电磁干扰机理的基础上，结合天线原理，提出了5G基站天线辐射场及其在变电站电气大尺寸金属散射体背景下，空间任意一点处电磁散射场的数学模型及表征公式。在此基础上，以河南500 kV官渡变电站为算例，得到了5G基站天线自身参数改变对二次设备的电磁干扰规律，为今后变电站内5G基站天线的部署提供指导。

1 5G基站天线对二次设备的电磁干扰

1.1 变电站内5G基站天线概述

变电站内架设5G通信基站，将基站天线、通信机房等通信设施建设于变电站内，实现高宽带、低延时、广连接的特性，使站内的实时通信提升到一个全新的水平[11]。现有的变电站内5G基站天线工作频段为2 575～2 635 MHz，最大发射功率为200 W，其信号覆盖范围为500 m[10]。考虑到5G信号的覆盖面积要求，通常5G基站天线架设在变电站的控制楼楼顶。相比与传统的3G或4G基站天线，5G基站天线使用大规模MIMO(多入多出系统)技术和精确波束赋形等新技术，其发射功率更大、频率更高、电磁辐射更强、波束更集中，从而可能在二次设备处产生较强的电磁干扰。

实际上，国家标准[12-13]已经注意到了二次设备容易受到外界各种脉冲电磁场辐射干扰的问题，从而确定了变电站内二次设备的电磁兼容抗扰度标准要求，以确保二次设备在变电站复杂的电磁环境中能正常稳定运行。因此5G基站天线在变电站进行布置时，也应满足该标准要求。

1.2 二次设备的电磁兼容抗扰度标准

变电站二次设备内部存在许多敏感的元器件，工作时对周围的电磁环境要求较高，当二次设备与基站天线近距离共存时，容易受到电磁辐射的干扰。为确保变电站内二次设备的正常工作，国家标准[12]规定，二次设备正常工作时，各个端口的射频辐射抗扰度、射频场感应的传导骚扰均不应超过10 V/m。同时，为进一步规范二次设备的电磁辐射抗扰度实验，国标[13]规定80～6 000 MHz 频率范围内的射频辐射源下的设备射频辐射抗扰度阈值为10 V/m。因此，本文以国家标准[12-13]为评判依据，以10 V/m作为变电站内二次设备处的抗扰度阈值，由此研究5G基站天线对二次设备的电磁干扰问题。

1.3 5G基站天线对二次设备的电磁干扰机理

5G基站天线对二次设备的电磁干扰机理如图1所示，基站天线架设于站内控制室楼顶，天线辐射方向为主设备区。

在正常情况，变电站内二次设备自建设起必须满足电磁兼容性要求，因此其自身产生的电磁干扰不会影响其他设备的正常工作。但5G基站天线部署后，虽然基站天线与二次设备无直接的导体连接，但其工作时向空间中不断发射出时变的高频电磁波，不可避免地对辐射范围内的二次设备产生辐射特性的电磁骚扰。当基站天线辐射在二次设备上的电磁场强超过设备抗扰度限值，则会对二次设备产生电磁干扰现象。

这种干扰主要体现在两个方面。一方面，由于二次设备存在电源线和信号线的进线孔及设备外壳上的散热孔等，基站天线所产生的电磁辐射直接通过这些孔缝对入侵二次设备，并对其产生干扰。另一方面，二次设备的金属设备表面、电源线和信号线等导体暴露在外界空间中，基站天线发出的电磁波辐射至这些导体时，其内部会产生感应电流。此时，二次设备外壳及其内部电子元器件在基站天线辐射场与电磁散射场的耦合作用下，在内部电路板回路上产生感应电压，从而影响二次设备对数据的采集、处理与传输，严重时甚至导致元器件损坏[8-9]。

因此，结合1.2节的介绍，为确保变电站内二次设备的正常稳定运行，以二次设备处的场强控制在电磁兼容抗扰度阈值10 V/m以下作为干扰的评判依据。

2 变电站背景下站内电场强度的计算

2.1 5G基站天线的辐射场计算

变电站内任意一点处的电场强度是一个关于频率的函数，5G频段的电场实际上由5G天线在该点处的辐射场与电气大尺寸的金属外壳在该点产生的电磁散射场叠加而成。其中，电磁散射场形成的前提条件是变电站内电气大尺寸金属导体受到天线辐射场的照射，因此首先需要考虑计算5G基站天线的辐射场。

目前变电站内建设的5G基站天线大多使用AAU5270e型号基站天线，其内部的单元振子天线采用8×8的均匀平面阵列排布，并与反射板共同作用以实现电磁波的定向发射。以AAU5270e型天线为研究对象，建立如图2所示的场源数学模型，以反射板中心点为坐标原点建立直角坐标系(x,y,z)和球坐标系(r,θ,φ)，其中xoz平面与反射板所在平面重合，y轴垂直于反射板所在平面。r表示空间任意一点P距离坐标原点O的距离，俯仰角θ为线段OP与xoy平面的夹角，方位角φ表示线段OP在xoy平面上投影OP′与x轴正方向的夹角。基站天线内部单元振子天线的直径为2l，且2l=λ/2；λ为波长；各个单元振子天线之间的间距为d，且d=λ/2；反射板与单元振子天线之间的间距为D，且当D=λ/4时，反射板对电磁波的反射效果最好[14]。

图2 AAU5270e型号基站天线及其数学模型

为获得基站天线辐射场，文献[15]给出的阵列天线中第α行中第β列单元振子天线及其镜像的远区辐射场求解公式：

(1)

式中：rαβ为第α行中第β列单元振子天线与空间任意一点P的距离；Iαβ为第α行中第β列单元振子天线的电流激励；k为电磁波数，且k=2π/λ；f0(θ,φ)为单元振子天线的方向图函数，f0(θ,φ)=[cos(klcosθ)-cos(kl)]/sinθ；fy(θ,φ)为单元振子天线考虑其镜像之后的二元阵阵因子，fy(θ,φ)=2sin(kDsinθsinφ)。

将图2中8×8阵列天线中所有单元振子天线在点P处的辐射场进行矢量叠加，即可得到5G基站天线在点P处产生的总辐射场。

(2)

由于变电站内5G基站天线与设备区距离较远，通常为几十米甚至上百米，此距离相对于5G基站天线的特高频、短波长特性而言，可将二次设备视为处于基站天线及其镜像的远场中，因此可近似地认为所有单元振子天线与空间任意一点P之间的距离相等，均等于点P与坐标原点O的距离r。则令可式(2)中的1/rαβ≈1/r，同时rαβ=r-(xαcosφ+yβsinφ)sinθ。

因此，式(2)可改写为：

(3)

考虑到变电站内5G基站天线实际建设时，为了使基站天线电磁波更好地覆盖整个设备区域，需要将基站天线设置一定的下倾角δ，可将式(3)中的俯仰角θ改写为θ-δ。同时，将d=λ/2、k=2π/λ、D=λ/4、f0(θ,φ)和fy(θ,φ)代入式(3)中可得到：

(4)

式(4)即为5G基站天线辐射场表达式，式中IMN为第M行中第N列单元振子天线的电流激励。由式(4)可知，只需要知道空间任一点到基站天线反射板中心点的距离，以及该点相对于基站天线反射板中心点的俯仰角和方位角，即可得到5G基站天线在该点产生的辐射场。

2.2 变电站背景下5G基站天线电磁散射场计算

表征出5G基站天线辐射场的场源表达式后，沿用图2所建立的直角坐标系，以反射板上中心点为坐标系原点，可建立如图3所示的电磁散射场模型。图3中，5G基站天线位于坐标系原点，按一定方向发射电磁波，照射在大型金属设备的外壳表面形成照明区和阴影区，并产生感应电流，时变的感应电流再向周围产生电磁散射场。由于空间任意一点P处的总场强实为基站天线辐射场与电大尺寸金属设备电磁辐射场的矢量叠加，则变电站内5G基站天线对二次设备电磁干扰求解问题，其关键在于电气大尺寸金属设备外壳的电磁散射场Es(r)求解。

图3 大尺寸金属设备散射场模型

文献[16]已给出了输电线路中大尺寸角钢对周围空间任意一点处的电磁散射场求解算法，借助该方法，可得到5G基站天线电磁波的辐射下，变电站内电气大尺寸金属导体对空间中任意一点P处的电磁散射场。

求解二次设备处的电磁散射场Es(r)的关键在于求解电大尺寸金属设备外壳的感应电流密度J(r′)。考虑到变电站内主设备区域内电气大尺寸金属设备数量众多，在保证计算精确的同时，为了实现电磁散射场的快速求解，可采用文献[17]为解决电气大尺寸金属设备带来的计算资源量庞大问题，而提出的大面元物理光学法。借助其此方法可得到变电站电气大尺寸金属设备外壳在5G基站天线辐射下所产生的感应电流密度J(r′)，进而求出二次设备处的电磁散射场。最后将5G基站天线辐射场ET(r)与电磁散射场ES(r)进行矢量叠加，即可得到变电站内任意一点处的总电场强度E。

3 5G基站天线电场强度求解模型的现场实验测试验证

3.1 现场实验测试

为验证上述变电站背景下站内电场强度求解模型的准确性，以河南500 kV官渡变电站为例，现场实验测试示意图如图4所示，ETS3117接收天线离地高度为1.7 m，将3075X-R频谱仪选频为2.575～2.635 GHz。本次现场实验测试主要针对站内11个主设备附近区域进行电场强度测量，11个主设备距离基站天线的距离依次增大，5G基站天为无终端运行状态。

图4 现场实验测试示意图

变电站内11个主设备附近电场强度测量结果如表1所示。由表格数据可以看出，随着测量点与基站天线的距离越来越远，测量点处的电场强度整体呈现下降的趋势，其中测点3和测点5呈现较为明显的增大趋势，这是由于测点3和测点5处于设备集中区域，在此区域内电磁散射现象要强于其他测点区域。

表1 变电站内电场强度分布测量结果

3.2 仿真结果与实测结果对比分析

根据河南500 kV官渡变电站5G基站天线与设备区各设备的实际布置情况，建立5G基站天线和站内设备的仿真模型。5G基站天线离地高度为10 m，与设备区的水平距离为20 m，基站天线电磁波辐射方向正对设备区，设置基站天线下倾角为5 °，运行功率为15 W，设备区占地面积为200 m×180 m，站内的金属设备外壳采用纯理想导体，变电站的大地材料为混凝土。11个测量点的实测值与仿真值对比结果如图5所示。

图5 实测值与仿真值对比图

从图5可以看出，实测值与仿真值变化趋势基本相同，整体均呈现衰减的趋势，但在数值上存在一定的偏差。这是因为在仿真模型中，站内金属设备外壳均采用纯理想导体，对电磁波的散射效果比实际工程中的效果要更强，站内主设备区众多的设备细节没有考虑十分周全，并且仿真模型也没有考虑天线罩以及反射板细节改变，所以仿真值整体略大于实测值。测点1、2、3距离基站天线较近，测点附近的金属设备较少，测量值与仿真值误差较小，均在7%以内；测点4、5、6处于金属设备密集的区域，仿真模型采用的纯理想导体会使电磁散射效果更强，且仿真没有考虑金属设备之间的二次散射，所以导致误差增大；测点7—11由于距离基站天线较远，电磁波在传播过程中，站内众多金属构架会对电磁波产生遮挡和反射作用，导致电磁波的传播受阻，从而影响测点处的电场强度大小，但仿真模型中没有考虑到这些金属构架的遮挡及反射作用，从而导致误差变大。

4 5G基站天线对二次设备的电磁干扰规律

由式(4)可以看出，基站天线辐射场大小与天线自身工作频率、激励源大小以及天线下倾角有直接关系，进而再次影响电磁散射场的大小。因此可以从天线工作频率、发射功率和下倾角这3个变量因子角度出发，研究这3个因子对二次设备处电场强度的影响规律。

同样以河南500 kV官渡变电站为例，选取基站天线主瓣方向电磁辐射最强的一条观测线，此观测线离地高度为1.7 m，以10 m为步长，计算观测线上场强的变化。由于天线工作频段为2 575～2 635 MHz之间，因此取2 575 MHz、2 595 MHz、2 615 MHz和2 635 MHz为天线的仿真数据。

4.1 基站天线功率、频率的影响规律

考虑到5G基站天线发射功率范围为15～200 W，因此计算天线下倾角为0 °，发射功率在15 W、75 W、135 W和200 W工况下观测线上的场强分布，计算结果如图6所示。

图6 5G基站天线发射功率对场强的影响

从图6可以看出，基站天线发射功率对天线辐射场的场强影响很大，发射功率越大，场强越大。这是由于基站天线的发射功率直接决定了其辐射场大小，进而影响所在区域的散射场大小。并且随着离基站天线的距离越来越远，场强整体呈现下降的趋势，但在金属设备区域附近，由于电磁散射的作用，场强会有所增大。对比图6(a)—图6(d)可以发现，基站天线工作频率也会对变电站内场强分布产生一定影响，这是由于基站天线工作频率决定了电磁波的波长大小，从而影响辐射场与电磁散射场大小，但影响程度不大。

由图6(d)可知，当基站天线发射功率为200 W即基站天线满载运行时，观测线上的场强峰值可达到11.10 V/m，已超过了二次设备电磁兼容抗扰度阈值10 V/m，在此区域附近的二次设备会受到电磁干扰。

4.2 基站天线下倾角、频率的影响规律

5G基站天线目前实际工程中下倾角最大不超过20 °，因此计算基站天线发射功率为200 W时，基站天线下倾角在0 °、5 °、10 °、15 °和20 °工况下观测线上的场强分布，计算结果如图7所示。

图7 5G基站天线下倾角对场强的影响1

从图7可以看出，基站天线下倾角对变电站内场强也有较大影响，随着下倾角的改变，观测线上的场强分布规律也发生了改变。0 °、5 °、10 °、15 °和20 °这5种工况下的场强分布不再是随着距离的增大而同时减小，这是因为基站天线下倾角的改变，使得基站天线波瓣辐射方向也发生改变，导致同一条观测线上同一点处的基站天线辐射场和散射场会有所不同。对比图7(a)—图7(d)同样可以发现，基站天线工作频率会对场强分布产生一定影响，但影响程度不大。由图7(b)可知，基站天线下倾角为10 °的工况下，观测线场强峰值最大，为12.92 V/m。

为进一步确定5 °～15 °内场强最大的下倾角值，继续以1 °为步长，分别计算基站天线下倾角在5 °～15 °工况下观测线上的场强峰值大小，计算结果如图8所示。

图8 5G基站天线下倾角对场强的影响2

从图8可以看出，4个工作频率下，基站天线下倾角均在9 °工况下观测线上的场强峰值最大，且均超过了二次设备电磁兼容抗扰度阈值10V/m，其中，当基站天线工作频率为2 635 MHz时，场强峰值最大为12.92 V/m。

5 结论

1)变电站内5G基站天线对二次设备的电磁干扰主要表现在基站天线的射频辐射和电大尺寸金属设备的电磁散射，二次设备处的场强应控制在其电磁兼容抗扰度阈值10 V/m以下。

2)5G基站天线对二次设备的电磁干扰受基站天线工作频率影响较小，受基站天线发射功率和下倾角影响较大；以河南500 kV官渡变电站为例，当基站天线发射功率为200 W，下倾角为9 °时，变电站内单条观测线上场强最大可达12.92 V/m，已超过其电磁兼容抗扰度阈值；建议5G变电站内基站天线部署时，应适当调整基站天线发射功率和下倾角，使站内整体场强均小于10 V/m。

3)变电站内存在众多的电大尺寸金属设备，这些设备之间存在着多次散射，导致仿真值与实测值存在一定误差，后续研究中，需要进一步开展金属设备之间多次散射对二次设备的电磁干扰研究。