变电站内空间电磁场对无线通信单元耦合机理分析

2022-04-08张卫东杨志超关程远付胜军

华北电力大学学报(自然科学版) 2022年2期

关键词：平面波信噪比电磁

王沛，张卫东，杨志超, 李谦，关程远，付胜军

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

变电站作为输变电工程的枢纽，积极引入无线网络通信技术，变电站内搭建230 MHz无线电力专网有效解设备状态实时监测问题[1-3]。位于感知层的无线通信单元，其常布设在变电站一次设备附近。

这对无线传感单元的抗干扰能力及其电磁兼容性由于变电站一次设备运行中，周围电磁环境恶劣，能提出了更高的要求。新型无线通信单元在变电站内的受扰机理及抗扰度特性分析亟待解决。

针对变电站内电磁骚扰特性及测量，已经有大量数据积累及系统性时域频域分析[4，5]。变电站内典型稳态电磁骚扰主要以工频电磁场及谐波最为突出，同时包含电晕放电、局部放电，在开关室测得稳态电磁骚扰频率最高达到2～3 GHz，覆盖了无线设备通信频段，极易对无线通信单元产生同频干扰；变电站内典型暂态电磁骚扰主要指隔离开关、断路器带电操作引起的VFTO及引起的变电站内空间暂态电磁场[6]，其特点在时域内脉冲上升沿窄，幅度大，在频域内频谱含量丰富，主要频率分量均不高于40 MHz[7]，暂态空间电磁骚扰强度大，但衰减剧烈，在变电站内作用范围有限。

已有变电站内二次设备的电磁兼容研究主要是针对于一些常见的二次设备，如互感器、就地化电子设备等[8，9]。开展敏感设备信号端口、电源端口耦合路径的分析；通过搭建试验平台，模拟变电站骚扰开展了二次设备的抗扰度特性分析；在骚扰抑制方面提出了屏蔽、隔离、滤波等抑制措施并验证了其有效性[10]。针对变电站内无线通信单元在变电站内的电磁兼容问题，相关研究主要集中在，基于信号与电源完整性对无线通信单元PCB板进行优化设计[11]；研究电波传输特性及通信协议并制定组网方案[12]，主流通信协议采用ZigBee通信协议[13]；试验方面通过改变骚扰源极化特性开展无线设备的抗扰度分析，提出无线通信单元对外界骚扰的敏感度取决于空间骚扰源的极化方向[14，15]。

基于LoRa物联网通信协议进行组网通信实现了更低功耗、更远通信距离的要求[16]。我国江苏试点变电站已经实现了变电站内无线通信全覆盖，但变电站内电磁环境复杂，对安装在一次设备上的新型LoRa无线通信单元抗扰度要求很高。本文在前人测量及研究基础上，通过分析无线通信单元结构特征，明确电磁骚扰源耦合路径；分析无线通信单元受扰机理；利用信噪比与噪声容限的分析方法，通过建模仿真完成了无线通信单元抗扰度特性的量化分析并提出了无线通信单元在变电站内改进布设策略，为无线通信单元在变电站内的应用提供参考。

1 电磁骚扰耦合路径分析

如图1所示，无线通信单元采用5 V直流输出、1 500 mAh电池供电，属于自供能设备且无外接引线。变电站内电磁骚扰源复杂，可通过多种耦合方式对二次设备形成干扰，一般耦合途径包括传导和辐射；实际上，由于无线通信单元无外接数据线且外壳为塑料外壳，故无线通信单元极易受到空间电磁骚扰的影响。空间电磁可主要通过无线通信单元的天线系统形成耦合进而对无线通信单元产生干扰，这种耦合方式常称为前门耦合；亦可穿过塑料外壳作用到PCB板上产生骚扰感应电压，这种耦合方式常称为后门耦合。

图1 无线通信单元实物图Fig. 1 Physical drawing of wireless communication unit

1.1 前门耦合分析

前门一般指无线通信单元配置的用于通信功能的天线系统，分析天线系统结构特征及收发特性是前门耦合路径分析的关键。由图1所示无线通信单元实物图可知，其搭载了230 MHz螺旋天线作为收发信号通信天线，天线既可以辐射电磁波，同样可以接收空间电磁骚扰，进而产生骚扰感应电压，作用于内部芯片产生干扰，导致误码、丢包等现象。

首先进行天线物理尺寸的测量，后对螺旋天线的螺距、扎数、螺旋半径等参数进行优化，获得了230 MHz螺旋天线精准模型如图2所示。

图2 230 MHz螺旋天线模型图Fig. 2 230 MHz spiral antenna model

由图2模型对螺旋天线的发射特性展开仿真，得到天线的回波损耗如图3(a)，根据回波损耗的概念，该天线在230 MHz谐振频点的回波损耗达到-35 dB，表明波导端口能量基本通过天线辐射到外部空间；从图3(b)法向模螺旋天线远场方向图可知，该天线与偶极子天线类似，同样具有全向辐射特性、天线带宽较窄、具有倍频辐射特性、最大辐射方向上增益为1.87 dBi，驻波比小于1.5。

图3 法向模螺旋天线参数Fig. 3 Parameters of normal mode helical antenna

对天线仿真结果分析表明：该天线系统符合实际工程需要，对天线系统精准建模保证了前门耦合分析的准确性。

图4为利用对数周期天线结合频谱分析仪在10 m法电波暗室所测得的无线通信单元发射频谱特性。实测与仿真表明230 MHz法向模螺旋天线具有很强的倍频效应，在230 MHz、460 MHz、690 MHz都存在谐振点，同时说明在实际工程应用中，外界空间电磁骚扰可通过天线系统对无线通信单元产生同频干扰、倍频干扰。

图4 无线通信单元发射频谱特性Fig. 4 Transmission spectrum characteristics of wireless communication unit

1.2 后门耦合分析

后门一般指无线通信单元的串口模块、芯片引脚、供电端口等，外界骚扰对后门的干扰方式主要是传导耦合及辐射耦合，但是由于无线通信单元采用微型锂电池供电，故不考虑传导耦合，且无线通信单元采用塑料外壳，故屏蔽效能不佳将导致外界空间电磁骚扰穿过设备外壳，作用到PCB板上，在线路、芯片引脚以及各个端口都将产生骚扰感应电压，若后门耦合量超过芯片引脚、端口阈值电压将影响无线通信单元正常工作。

射频电磁干扰照射到无线通信单元信号回路中，耦合路径具体可分为两种：当PCB板上较长的信号线、连接线、控制线等走线长度与某一特定骚扰频率的波长在物理尺寸上相比拟时，则该走线易产生天线效应，进而感应出较大骚扰电压；同样PCB板上的信号闭合回路也可以在空间电磁骚扰照射下产生骚扰感应电压进而对设备正常工作产生干扰。

2 无线通信单元受扰机理分析

空间电磁骚扰在无线通信单元螺旋天线上产生骚扰感应电压，骚扰感应电压通过天线、电容、电感等传输到集成块，集成块对天线接收信号进行后处理。由于骚扰信号会导致无线通信单元信噪比下降，若无线通信单元内部芯片无法对接收信号解调，则会导致无线通信系统出现丢包、误码等现象；当外界电磁骚扰在芯片引脚上所产生的感应电压大于芯片对应噪声容限时，同样无线通信单元会受到干扰。使用仿真软件对无线通信单元精准建模，利用平面波模拟空间电磁骚扰对无线通信单元照射，仿真分析前门耦合电压与后门耦合电压，根据信噪比及噪声容限分析无线通信单元受扰机理。

图5为仿真软件中建立的无线通信单元模型，设备采用PE外壳，外壳上存在散热缝隙、充电接口，外壳与下层盖板间通过卡扣连接。无线通信单元内部构造复杂，主要包含标准直流输出电压5 V容量1 500 mAh供电电池、E22-230T22S芯片、PCB板及相关电路元器件，同时搭载了230 MHz法向模螺旋天线。相关材料设定：外壳采用塑料(PE)外壳；PCB板为1.2 mm厚的均匀无损FR4(玻璃纤维环氧树脂覆铜板)，PCB板上线路为铜制导线。PCB板上元器件及引脚采用理想导体PEC，无线通信单元采用螺旋天线，故首先需要对230 MHz螺旋天线的极化特性及抗扰度特性进行分析，从而准确分析空间电磁骚扰通过前门耦合产生的骚扰量。

图5 无线通信单元模型图Fig. 5 Model diagram of wireless communication unit

2.1 法向模螺旋天线抗扰度特性分析

利用1.1所建立的230 MHz法向模螺旋天线模型开展抗扰度特性分析，仿真设置如图6所示。采用平面波对螺旋天线进行照射，根据变电站内空间电磁骚扰特性，采用典型局部放电信号作为平面波激励信号。采用不同辐射方向、不同辐射强度、电场不同极化方向的平面波对无线通信单元进行照射，对螺旋天线上耦合的骚扰感应电压进行统计分析。

图6 螺旋天线抗扰度仿真图Fig. 6 Simulation of spiral antenna immunity

表1为平面波照射强度为10 V/m时，改变辐射方向及电场极化方向所得到的螺旋天线上骚扰感应电压最大值。仿真结果表明，空间电磁骚扰不同极化方向会对无线通信单元天线系统产生不同影响，当螺旋天线极化方向与平面波电场极化方向均为垂直极化(沿+Z轴)时，螺旋天线上产生较大的感应电压0.019 V，当螺旋天线极化方向与平面波电场极化方向正交时，螺旋天线上所产生的骚扰感应电压很小为2×10-5V。

表1 螺旋天线抗扰度特性Tab.1 Immunity characteristics of helical antenna

在平面波照射方向(+X)与极化方向(+Z)不变的情况下，改变平面波骚扰强度，分析天线上所产生的感应电压与外界骚扰强度间的关系。统计分析大量仿真数据，得到无线通信单元天线上所产生的骚扰感应电压与骚扰强度之间的关系如图7所示。由图7所示，无线通信单元天线上所产生的感应电压最大值与外界骚扰强度间存在线性关系：在激励信号与照射方式不变的情况下，随着骚扰强度的增大，天线上所产生的感应电压也线性增大。

图7 天线感应电压与骚扰强度关系图Fig. 7 Relationship between antenna induced voltage and disturbance intensity

2.2 通过前门耦合对无线通信单元受扰机理分析

信噪比SNR或S/N(Signal-Noise Ratio)指电子设备信号与噪声的比值，信号指的是有用信号，来自设备外部需要无线通信单元处理的电子信号，噪声信号指初始信号中不存在的额外信号，二者的比值称为信噪比[17]，信噪比是制约无线通信系统信号传输速率与通信距离的关键性指标。信噪比计量单位通常为dB，通过S/N=10lg(PS/PN)计算，其中PS和PN分别代表信号与噪声的有效功率，换算为电压有效值为：S/N=20lg(US/UN)，其中US和UN分别为信号电压与噪声电压的有效值。

无线通信单元的接收灵敏度-147 dBm，接收灵敏度是检验接收微弱信号的能力指标，同样是制约无线传感设备通信距离的决定性技术指标。接收灵敏度是指在确保信噪比不低于芯片解调所需信噪比情况下，天线端口接收到的最小功率。换言之，接收灵敏度是无线通信单元能够把有用信号正确解调的最小信号接收功率。它和三个因素有关系，即带宽范围内的噪声、接收系统的噪声系数、系统把有用信号拿出所需要的最小信噪比。根据噪声系数[18]如式(1)：

(S/N)i=NF(S/N)o

(1)

式中：NF为噪声系数。输入噪声功率Ni=kTB。(S/N)o表示解调所需信噪比，将噪声系数Ni代入式(1)，得式(2)：

Si=-174+10lgBW+NF+(S/N)o

(2)

根据天线系统所连接的放大器的噪声系数NF为6 dB[19]，求出无线模块解调所需信噪比为16.2 dB。无线模块的发射功率典型值22 dBm(0.158 W)、发射电流典型值107 mA，计算正常工况电压UN=1.5 V，仿真指定骚扰作用下，无线通信单元耦合产生骚扰感应电压有效值，利用信噪比计算公式S/N=20lg(US/UN)，获得在指定骚扰下，无线通信单元的信噪比大小并与无线模块解调所需信噪比进行对比，判断无线通信单元受扰情况。

分析PCB板线路走向、螺旋天线与电路板元器件的连接情况，发现法向模螺旋天线骚扰感应电压流经电容、电感等元器件将信号输入到集成块进行信号的后处理。根据骚扰信号走向，设置电压监视器测量集成块输入引脚对地产生的骚扰感应电压UN，如图8所示。

图8 UN电压监视器布置图Fig. 8 UN voltage monitor layout

采用平面波照射，激励信号采用局部放电信号，平面波电场极化方向与天线极化方向相同且均沿+Z轴，平面波照射强度为10 V/m，展开仿真分析，得到集成块输入引脚处对地骚扰感应电压如图9所示。

图9 集成块输入引脚对地感应电压UN时域波形Fig. 9 UN time domain waveform of induced voltage from input pin of integrated circuit block to ground

导出图9仿真数据，计算感应电压有效值，得到集成块输入引脚对地感应电压UN有效值为0.076 8 V，根据信噪比计算公式S/N=20lg(US/UN)，得在该种空间骚扰作用下，无线模块的信噪比为41.1 dB，大于无线模块解调所需信噪比16.2 dB，无线模块不会受到干扰，且具有较大的裕度。可加大平面波骚扰强度，得到多组仿真数据从而获得无线通信单元的抗扰度阈值水平。取若干组数据形成散点图，分析集成块对地感应电压有效值与信噪比水平随外界骚扰强度变化的关系如图10所示。

图10 前门耦合量与骚扰强度间关系Fig. 10 Relationship between front door coupling and disturbance intensity

由图10所示，分析大量仿真数据，得到骚扰电压及信噪比与平面波照射强度间关系：集成块感应电压有效值随外界骚扰强度线性变化；无线模块信噪比随外界骚扰强度呈对数变化。局部放电信号激励下的平面波，当骚扰强度达到185 V/m时，此时集成块输入引脚对地感应电压UN有效值达到0.232 1 V，对应信噪比为16.19 dB，相较于无线模块解调所需信噪比16.2 dB，此时外界骚扰强度达到无线通信单元内部芯片正常工作的临界点，若骚扰强度进一步加大，则无线通信单元内部芯片易受到干扰，进而导致无线通信系统出现误码、丢包等现象。

2.3 通过后门耦合对无线通信单元受扰机理分析

无线通信单元搭载了E22-230T22S全新一代 LoRa无线模块，如图11所示，E22-230T22S是基于SEMTECH公司SX1262射频芯片的无线串口模块(UART)，具有多种传输方式，工作在(220.125～236.125 MHz)频段(默认230.125 MHz)，采用LoRa扩频技术，通过引入扩频因子，增强了无线链路通信可靠性，通信电平为3.3 V，TTL电平输出。

图11 无线通信单元PCB板示意图Fig. 11 Schematic diagram of PCB board of wireless communication unit

根据无线通信单元的实际物理结构，其整体外壳为塑料外壳，但E22-230T22S无线模块作为无线通信单元的核心器件，其采用铝制外壳为内部芯片起到屏蔽外界空间电磁骚扰的作用，但由图11所示，无线模块的引脚并没有包含在铝壳屏蔽体内，故引脚间极易受扰空间电磁照射进而产生差模骚扰电压及共模骚扰电压，骚扰电压可直接通过线路导致E22-230T22S无线模块内部芯片故障甚至永久烧毁模块。

由于E22-230T22S无线模块为TTL电平输出，根据TTL噪声容限的定义，当许多门电路相连组成系统时，前一级门电路的输出作为后一级门电路的输入。当模块受扰时，前一极门电路输出受扰增大，导致后一级输入信号偏离正常的低电平而升高，但输出低电平不变化；同理输入信号偏离正常高电平而降低时，输出的高电平不改变。这种在保证输出高、低电平不变的条件下，输入电平波动范围称为噪声容限。E22-230T22S无线模块采用3.3 V TTL，其I/O口电平如式(3)所示：

(3)

根据式(4)得到输入为高电平时噪声容限为0.4 V：

Vnh=Voh(min)-Vih(min)

(4)

根据式(5)得到输入为低电平时噪声容限为0.4 V：

Vnl=Vil(max)-Vol(max)

(5)

故TTL的高低电平的噪声容限为0.4 V[17]。虽然无线通信单元中同样包含CMOS芯片，但CMOS芯片抗干扰水平较TTL高，故可重点考虑TTL芯片在空间骚扰作用下所产生的共模感应电压、差模感应电压与噪声容限间关系。E22-230T22S无线模块PCB板机械结构与引脚定义如图12所示。

图12 E22-230T22S机械尺寸与引脚定义Fig. 12 Mechanical dimension and pin definition of E22-230T22S

根据引脚定义，7号引脚为本模块的RXD引脚，为TTL串口输入引脚，与外界TXD输出引脚相连；8号引脚为本模块的TXD引脚，为TTL串口输出引脚，与外界RXD输入引脚相连；10号引脚为VCC引脚，为本串口模块电位正参考，其电压范围为：2.3～5.5 V DC；11号引脚为GND。根据引脚定义，设置4个电压监视器分别为：7号引脚与8号引脚间差模感应电压监视器；7号引脚对地共模感应电压监视器；8号引脚对地共模感应电压监视器；电池供电端口骚扰电压监视器。相关电压监视器设置如图13所示。

图13 后门耦合电压监视器Fig. 13 Rear door coupling voltage monitor

在2.2前门耦合量化分析中，局部放电信号激励下平面波空间电磁骚扰阈值185 V/m，外界空间电磁骚扰通过前门耦合到无线通信单元上骚扰电压使得无线通信单元工作状态开始发生紊乱。故根据前门耦合阈值，在同样骚扰强度下展开后门耦合仿真分析，分析四个电压监视器仿真结果，判别无线模块引脚上差模、共模感应电压是否超过无线模块噪声容限；电池供电端口是否超过正常供电电压范围。从而完成后门耦合量化分析并确认无线通信单元的敏感部位。相关仿真结果如图14所示。

图14 后门耦合仿真结果Fig. 14 Simulation results of back door coupling

对上述仿真结果分析可知，在局部放电信号激励平面波照射下，当骚扰强度达到185 V/m时，电池供电端口感应电压最大值为0.118 V；E22-230T22S无线模块RXD引脚与TXD引脚间耦合的差模骚扰感应电压最大值为0.056 1 V；RXD引脚与TXD引脚对地耦合的共模骚扰感应电压最大值分别为0.141 V、0.130 V。由于电源端口感应电压监视器的布设与空间场极化方向正交，且无线模块RXD引脚与TXD引脚位置接近，故而所测得骚扰感应电压均较小；7号与8号引脚上对地产生的共模感应电压最大值为0.141 V，相较于无线模块噪声容限0.4 V，依然存在较大的裕度。

后门仿真结果表明在185 V/m平面波照射下，空间电磁骚扰耦合到芯片引脚上的骚扰感应电压并不会导致无线通信单元工作异常。换言之前门耦合骚扰阈值小于后门耦合骚扰阈值，根据无线通信单元表面电流分布同样可以得到验证。图15为无线通信单元230 MHz频率下表面电流分布，螺旋天线颜色为黄绿色，对应较大的感应电流分布，PCB板及电路元器件为蓝色，对应PCB板上感应电流较小，表面空间场容易通过天线系统耦合较大感应电流进而对设备产生干扰。

图15 230 MHz频率下无线通信节点表面电流分布Fig. 15 Surface current distribution of wireless communication nodes at 230 MHz

后门耦合量化分析表明：无线通信单元尺寸较小，相较于外界骚扰对应的波长而言，PCB板上的线路不会产生天线效应；且PCB板上信号回路面积较小，产生的骚扰感应电压很弱，故而外界空间电磁骚扰通过后门耦合产生干扰相较于前门耦合更加困难。换言之，外界空间电磁骚扰更易通过无线通信单元的天线系统产生耦合进而对无线通信单元产生直接干扰。