高值无线电干扰测量仪使用性能扩展方法研究

黄卫华, 许 海, 杨斌发, 袁海文, 周 虎, 李金猛, 张祥东

(1.中国人民解放军第5720厂，安徽 芜湖 340200； 2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

0 引言

近年来，通航技术、无人机技术发展迅速，它们对数据链传输的无线信道要求很严格，无线信道中的强干扰对其可靠性、安全性构成了很大的威胁；另一方面，我国社会经济发展迅速，经济发达地区对能源的需求很旺盛，但我国能源分布和使用在地理空间的不平衡矛盾，促使国家依靠大力发展特高压输电技术来解决。然而，特高压线路的快速建设，又使无线电干扰成为工程施工、运营中要解决的一个新问题。在解决无线电干扰的工程试验研究和工程建设实践中，需要进行大量的测试工作，必须使用无线电干扰测量仪器。

对于无线电干扰测量仪器，德国R&S公司(罗德与施瓦茨公司)一直雄踞技术前沿。它是欧洲最大的电子测量仪器生产厂商和专业无线通信、广播、信息技术安全领域的领导厂商，以创新、精确和品质享誉世界。R&S公司的产品不仅技术水平位居前列，而且质量优异，性能独特。公司还在研究、开发、生产和服务方面创建了全球通行的标准。其生产的无线电干扰测量仪器综合水平居于国内外领先地位，最顶级无线电干扰测试仪器产品的价格极为昂贵，单台价格就超过上千万元人民币。由于高端无线电干扰测量仪器技术难度大、门槛高，国内外的研制生产厂家不多。这些仪器在检测点当地的使用性能非常优越，在测量中只支持当地使用，操作人员必须在现场记录数据，或者通过红外串口连接到计算机上，将数据在现场通过几个简单的命令导入到计算机中。

这种高价值高性能的测试仪器，尽管在当地、单点单次测量使用的性能非常优越，但在特高压线路区域内需要长时间大范围许多个测点进行测量时，其使用性能的不便就显现出来了：1)每个测点离不开测量人员；2)更换测点的准备工作很繁琐；3)大量测量结果的记录、处理很困难，需要人工介入，工作量大；4)测量范围大，测点多时，需要的测量仪器数量多，导致测试资源投入费用不可承受；5)需要对若干典型观测点同步测试的需求无法实现。

在这种背景下，本文针对国家特高压基地购置的相应产品，利用Zigbee无线网络技术研制了无线镜像通讯端口，同时研制28 V锂电池移动供电电源代替原来的110/220 V、50/60 Hz仪器供电适配器，可使该产品在测量范围内移动使用，用较少数量的设备完成大范围地点的无线电干扰测量，并支持不同测点之间的同步测量。

1 特高压线路无线电干扰产生原理及研究现状

1.1 无线电干扰产生原理

输电线路导线施加高压后，在导线的表面会产生强电场，由于导线表面的粗糙不平，在一些毛刺处电场强度的数值会更大。当电场强度的数值足够大，达到接近特定环境条件下的空气击穿电场强度时，输电线路导线的表面电场会击穿线路附近的空气，从而发生电晕放电现象，并伴随著放电可听噪声和电晕辉光现象，随着电压的持续升高，可以在输电线路到线上形成此起彼伏而又连续不断的电晕放电过程[1]。

这种持续的电晕放电现象，是一种非常典型的电磁暂态过程，它会产生频谱很宽的电磁波信号，这些电磁波信号通过各种不同的途径，以直接或者间接耦合的方式，进入到各类接收设备的天线，进而导致接收设备的信号接收能力急剧下降，甚至淹没了有用的信号，从而发生使无线接收设备通讯受阻的现象，这就是特高压线路电晕引起的无线电干扰现象[1]。

对于特高压直流线路电晕引起的无线电干扰现象的形成原理，可以等效地采用图1所示的过程来解释。当电晕电流脉冲沿周围空间从如图所示的某点进入线路后，它将从该点向两边流动，这种向两边流动的瞬态脉冲电流必然在导线周围产生无线电干扰现象。可以设想，在实际的线路中，由于导线很长、注入点很多，局部看注入点在某个时刻出现在那点具有随机性，但总体看，这样的注入点在线路整体上的分布，在特定的条件下具有均匀性，同一时刻不同位置注入点的许多脉冲注入电流叠加在一起，综合形成了一种相对稳定但重复率很高的准“稳态”电流，从而在直流特高压输电线路周围产生“稳态的”无线电干扰[2]。

图1 特高压直流线路无线电干扰形成示意图

在电压等级相同时，与正极导线相比，特高压直流线路负极导线发生电晕放电时，在整个输电线路导线的表面上，放电点分布比较均匀，不同放电点的电流脉冲幅值比较接近，而且幅值较小，因此，负极导线产生的无线电干扰比较小一点[3]。

在电压等级相同时，与负极导线相比，特高压直流线路正极导线发生电晕放电时，在整个输电线路导线的表面上，放电点分布很不均匀，不同放电点的电流脉冲幅值差值很大，而且有的点幅值很高，因此，正极导线产生的无线电干扰比较大。这样，在双极输电线路中，正极线路产生的无线电干扰一般比负极线路大6 dB[4]。

1.2 无线电干扰研究现状

由于无线电干扰会对信号接收产生一定影响，因此必须对接收质量进行衡量，信噪比是衡量接收质量的重要参数[5]。

表1列出了美国特高压直流输电线路的无线电干扰限值和走廊宽度。将±800 kV直流输电线路的无线电干扰限值折算到极导线对地投影外20 m处，约为63 dB(μV/m)[5]。

表1 美国能源部直流输电线路部分设计标准及参数

加拿大对不同电压等级的输电线路，无线电干扰采用不同的限值：对600 kV以上的输电线路，距离边导线对地投影外15 m、0.5 MHz的无线电干扰限值为63 dB(μV/m)。折算到距离边导线对地投影外20 m，约为61 dB(μV/m)[5]。

参考国内外限值，并考虑直流输电线路无线电干扰的特点以及我国特高压直流输电线路经过高海拔地区的特殊性，国网公司企业标准Q/GDW 145-2006《±800 kV直流架空输电线路电磁环境控制值》中明确规定：在特高压直流输电线路运行中，正极导线对地投影外20 m处电晕产生的在0.5 MHz频点的无线电干扰强度80%值，在一般地区不超过58 dB(μV/m)，但当海拔高度超过1 000 m时，需按海拔高度每增加300 m，对此值用场强增加1 dB(μV/m)进行修正[5]。这里80%指的是当置信度选为80%时，在线路运行的80%时间内的含义[5]。

2 无线电干扰测量仪性能扩展硬件设计

在特高压线路区域测量无线电干扰时，实际使用过程中存在布线麻烦、可移动性差和不能同步测量等缺点，因此本文通过Zigbee技术的应用，实现了仪器的无线网络控制与数据传输，借助于无线网络技术扩展了高性能无线电干扰测量仪器的使用性能。

2.1 无线电干扰测量仪器

本文选用了罗德与施瓦茨公司生产的手持式频谱分析仪FSH3来扩展其使用性能。FSH3具有以下几个特性：1)频率范围：100 kHz～3 GHz，10 MHz～18 GHz；2)噪声电平<-150 dBm/Hz(前置放大器打开)；3)选配接收机模式用于EMI信号的精确扫描；4)支持TS-EMF三轴全向天线进行场强测量；5)支持定向天线进行无线电干扰分析；6)支持功率探头进行精确的功率测量。

在天线方面，相较于常见的柱状天线而言，环形天线避免了柱状线端部的电晕放电影响测量结果，因此本文选择了环形天线进行测量。

2.2 为测量仪器扩展无线网络传输装置

由于FSH3在特高压线路无线电干扰测量使用中，单次测量数据传输量不大(不超过50 bytes)，测试区域范围不大(测点之间不超过100 m)，因此适合选用Zigbee技术进行无线数据传输。本文研制的无线传输装置组成如图3所示，其内部采用了TI最新一代Zigbee芯片CC2530实现了数据的无线传输。

CC2530是真正支持2.4 GHz下的IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE标准实施工程应用的片上系统(SoC)解决方案[6]，它能够以比较低廉的成本建立起来强大的无线网络拓扑节点。并且CC2530采用了RF 收发器领先的技术和标准的增强型8051CPU技术，系统内配置可编程闪存8 KB，还配有RAM和许多其它强大的功能。它具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗系统，运行模式之间转换时间短，可进一步降低使用中的能耗[7]。

本文采用的是CC2530F256片上系统。它具有256 K闪存，并采用了业界领先的黄金单元Zigbee协议栈技术(Z-StackTM)，因此能为Zigbee技术的应用实现，提供一个强大和完整的解决方案[8]。

数据接收端和发送端硬件连接如图2所示。图2中，在数据接收端用标准串口线连接即可，而在数据发送端，由于FSH3输出的是光信号，因此用一根光纤转串口线将信号转换为RS232电平信号，再用标准串口线进行连接。

数据传输终端的内部结构见图3。

图3中，CC2530实现数据处理和无线发送/接收，SP3232实现TTL与RS232电平逻辑关系转换。整个终端设备可以通过电池供电，也可以通过外接电源供电。外部为标准9针RS232接口，实现了全串口功能，即除了GND、TX和RX与SP3232连接实现数据收发之外，还需要对RTS和DTR进行控制。DTR，即Data Terminal Ready(数据终端准备好)，在有效状态(ON)时，表明数据终端(对应本文中的FSH3)可以使用；RTS，即Request To Send(请求发送)，用来表示数据终端请求MODEM(对应本文中的数据传输模块)发送数据，即当终端准备要接收MODEM传来的数据时，使该信号有效(ON状态)，请求MODEM发送数据，它用来控制MODEM是否要进入发送状态。这两者的结合实现了设备之间的正常通信。图3中RTS和DTR都是和Vcc相连，当终端设备通电之后，管脚电平将一直保持为高，即一直保持信号有效状态(ON)。

图3 数据传输终端内部原理图

3 无线电干扰测量仪性能扩展软件设计

3.1 FSH3控制指令

除了在FSH3面板按下按键进行测量外，FSH3还支持当地接口命令操控，本文开发的软件中通过这个专用命令集，来完成FSH3的初始化、参数设置和数据采集等功能。

FSH3控制指令分为三种：CMD、SET和GET。CMD指令有两种：REMOTE和LOCAL，分别用于进入程控模式和离开程控模式。在程控模式下FSH3面板上的按键操作功能被停止。SET指令负责设置FSH3各种测量参数。GET指令负责从FSH3设备缓存中读取数据。图4为控制FSH3进行数据采集的一般流程。

图4 控制FSH3进行数据采集的一般流程

由图4可知，首先必须让FSH3进入远程控制模式，否则之后的命令将无法识别；然后根据现场实际测量环境选择合适的参数进行设置；接着发送GET指令获取缓存

中需要的数据，最后离开远程控制模式返回本地控制

模式。

3.2 软件功能架构

无线电干扰测量系统功能扩充后的上位机软件的架构迢迢如图5所示。

图5 软件架构

由图5可以看出，软件共分为4层：

1)数据采集层。接受底层串口数据，即原始数据。由于.NET构架中串口数据是以字节流的形式存在，因此必须每次从中提取有效数据帧，以供上层进行处理。

2)数据处理层。软件架构中最重要的一层，与其它各层都有数据交互。主要功能包括：收到来自数据采集层的原始数据帧，将其转换为可读数据，同时发送用户的操作命令给数据采集层，通知设备进行数据的采集；将处理完的可读数据存储在数据库中，以供后续进行数据分析工作；将处理完的可读数据在人机交互界面上显示，让用户掌握实时动态变化。

3)数据显示层。将采集到的数据进行显示，分为图形化显示和数字化显示两种。图形化显示主要以柱状图和折线图为主，绘制出输电线路下不同位置的无线电干扰在不同频率下的变化规律；数字化显示在显示数据的同时，也显示了测量系统当前状态。

4)数据存储层。数据库中分为两种类型表格，一种是单个频率点下的历史数据，用户可以查看每一个历史数据对应的测量时间；另一种是多个频率点的数据汇总表，由于数据量较大，每个频率点上取其特征值用来表征无线电干扰在该频率点上的强度。

3.3 软件工作流程

软件实现过程的核心包括这样几个方面。首先通过镜像的思路将FSH3原来适用于当地的串口通讯指令，按照无线网络Zigbee的协议，进行封装，封装以后的指令就可以通过无线网络数据发送端发送出去，在无线网络中传输；其次，无线网络数据接收端在接收到相应的数据后，可以从封装了的无线网络协议中析取出仪器设定的地址和指令信息，当地址相符时，将执行指令规定的功能。另外，在远端控制软件中，需要设置无线电干扰的测量模式、测量范围、测量频点、测量次数以及测量资源的选用等事关具体测量过程的一些关键内容。但对于这些内容，综合分析后可以划分到测量准备和进行测量两个过程中。无线电干扰测量系统上位机软件流程图具体如图6所示。

图6 软件流程图

由图6可知，整个软件流程可分为以下两个阶段：

1)测量准备工作。在串口通讯正常情况下，进行设备的初始化，即设置系统默认参数(用户无需更改)，然后用户根据现场实际情况对运放和参考电平进行设置，从而确保数据的准确性。接着用户需要指定测量的频率序列(范围从0.1～30 MHz)、单个频率点重复测量的次数和总体循环次数(由于无线电干扰在测量中会有跳动，因此采用多次测量取特征值的方式)。最后选择数据文件的保存路径，开始进行测量。

2)开始进行测量。程序中采用顺序遍历频率序列的方式进行测量，对于每一个频率点都会进行固定次数的测量之后再跳到下一个频率点进行测量。若出现一直没有数据返回的现象(通常是由外界环境的干扰或设备本身存在问题引起的)，用户可忽略该频率的测量。若所有的频率点都测量完毕，则根据之前设定的循环次数决定是否需要重复进行测量，直到所有的测量工作都结束。

3.4 软件操作界面

图7为无线电干扰测量系统上位机软件界面。

图7 软件界面

图7中表示出了无线电干扰测量仪功能扩展后所具备的主要功能。一个是上位机通过Zigbee无线网络可以在远端连接多个FSH3仪器，每个仪器的测量设置信息可以独立完成。另外可以通过无线网络得到各个测试仪器的工作状态，还可以通过无线网络的收发信息，完成以时间序列的形式显示各个仪器的实时测试结果。下面对软件操作界面主要操作功能进行介绍。

从图7可以看出，界面分为三个部分。第一部分为用户操作区，整个测量过程所涉及到的操作都包括在内，由图中可以看出，该软件最多支持5台FSH3同时进行数据采集；第二部分是状态和数据显示，用以显示各设备的测量进度和当前测量数据；第三部是图形显示，横坐标为所测量的各点频率，纵坐标为各点频率对应的无线电干扰强度，每一台FSH3都有对应的柱状图。

这个软件对于测量结果，也提供了较好地人机交互界面呈现形式。对于测量结果，除采用柱状图和表格表示不同测点、不同频率下的无线电干扰强度的测量结果外，还在图形显示区还提供了无线电干扰强度曲线的对比和历史数据查询的功能，这样既便于对测量结果进行直观感受，又有利于对测量结果的后续使用，具体内容如图8所示。

图8 多曲线显示和列表显示

由于在实际试验中，需要对输电线路下不同位置的无线电干扰进行测量，从而掌握无线电干扰线下分布规律，因此在对比图中用户可以对相同测量频率下不同位置的测量值进行观察。同时右侧的列表会记录每一台FSH3在不同频率下的测量值以便用户进行数据查询。为了方便测量结果的后续使用，进一步对于测量结果按照测点位置、测量频点和测量时序进行组织汇总，用关系数据库的形式进行存储管理，后台数据库和输出的EXCEL统计表如图9所示(注意：此图仅是用于说明软件功能的示意图，无关具体的测量结果)。

特别要指出的是：在图9所示的数据呈现形式中，还对于实际测量过程中遇到的若干情况，根据实际需求，完成了处理。例如，在图9左侧的数据库中，区域“1”为单频率点下的测量值，由于在实际试验中，测量值会有一定的波动，因此一般情况下每一个频率点测量5-7次然后取其特征值(如50%值)来代表该频率点下的无线电干扰水平；区域“2”为所有频率点下测量值(取特征值)的汇总(一台FSH3的数据)。右侧图为最终输出的EXCEL统计表，每一个worksheet代表一台FSH3的测量结果，其中包含了所有不同电压等级下不同频率点下的测量值(取特征值)，这方便了用户进行后期数据分析工作。

图9 后台数据库和输出的EXCEL统计表

4 无线电干扰测量仪性能扩展后用于外场试验

为了测试性能扩展后的无线电干扰测量仪器在实际环境中的工作性能，在国家特高压试验基地进行了现场试验。取正负极导线中心线下地面处为横轴坐标原点，在向外延伸的+3 m、0 m、-3 m处放置一架天线。一般而言直流输电线路的无线电干扰最大值出现在环形天线平面与测量线路平行时[9]，因此天线平行于输电线路放置，并通过外接电池进行供电，FSH3与天线通过连接线相连。图10、图11分别为现场布置示意图和现场实测图。

图10 现场布置示意图

图11 现场实测图

实际测试环境：温度17～23 ℃，相对湿度50%，测试地点空旷且无其它遮挡物。

导线所加电压等级：±220 kV、±300 kV。

测量频率：0.15～0.99 MHz，步长0.01 MHz，1～1.5 MHz，步长0.05 MHz。

实验结果：本文以+3 m处测量结果为例，以测试的各频率点为横坐标，测量的无线电干扰强度为纵坐标，绘制曲线图，如图11～14所示。

图12 -3 m处干扰强度曲线

图13 0 m处干扰强度曲线

图14 +3 m处干扰强度曲线

由图12～14可以看出，在输电线路下固定位置并且升压等级固定时，无线电干扰强度随着频率的增加是呈现出驻波形状趋势并且逐渐减小的；对比同一张图中不同升压等级下的曲线可知，随着电压等级的升高，无线电干扰强度也是在逐渐增大的，以上两点都符合无线电干扰的特性。同时，对比图12～14同一电压等级下的曲线，+3 m处(即正极线下)干扰强度最大，0 m处次之，-3 m处(即负极性线下)干扰强度最小。由于直流输电线路的无线电干扰主要来源于正极性导线[5]，因此越靠近正极性输电线路其值越大，试验结果符合实际线路的规律。

5 结束语

本文介绍了无线电干扰测量仪器使用性能扩展的软硬件实现和设计过程，硬件方面简要介绍了频谱分析仪(FSH3)的功能特点，并着重介绍了基于CC2530的无线网络扩展传输终端的内部结构和各部分的连接方式；软件方面着重基于FSH3控制指令，介绍了为使用性能扩展开发的软件的架构、工作流程和操作界面。最后通过外场试验对扩展的功能涉及的软硬件进行了验证，结果表明测量仪器使用性能扩展后，具有使用更加灵活、可满足更为特殊的测试需求，并且具有自动化程度高、可移动性好、可同步测量等特点。这一切都表明，采用Zigbee技术扩展高价值高性能无线电干扰测量仪器，用于输电线路下电磁环境试验测量的研究与分析，是完全可行的。

通过采用Zigbee无线网络，利用镜像的思想扩展仪器的当地通讯连接端口以后，测试仪器就具备了在无线网络区域范围移动使用的能力，这可以使得仪器的使用具有测量范围更大、测点部署更加灵活和自动化程度更高等优点。这个实现思路和技术方法具有普遍的使用和推广价值。本文的研究和实践也为完成其它一些高价值测量仪器使用性能的改进和扩展提供了可供借鉴的、有效的技术实现方法。