电力线载波同频噪声干扰阻断器研制

沈泽帆

（广东电网有限责任公司汕尾海丰供电局，广东汕尾，516400）

0 前言

近年来智能电网建设取得了长足的进步，低压用户电能表自动远程抄表技术的广泛推广应用，极大降低了电能表人工抄表投入的人力物力。其中，电力线载波通信技术把电网架设线路作为电能表数据传输的载体，具有范围覆盖广、不需要重复铺设通信线路等优点，受到越来越多的关注，具有极大的应用推广潜力。但结合实际的应用，较常出现类似通信基站、水泵设备、电力锅炉、变频设备及某些常用电器等发生的谐波噪声干扰，严重的影响载波信号的传输效率和质量，导致自动化抄表效率不可控。但在实际的抄表运维中该问题并未引起足够的重视，为快速提升指标，在遇到谐波噪声干扰造成的抄表断续或失败的情况时，主要采用新装集中器、采集器的办法来解决。研究表明，电网谐波除了影响载波抄表外，还会导致其他用电设备老化故障及线路损耗加大。通过增加集中器、中继器的方法治标不治本，增加了投入成本，并把暴露出来的谐波干扰问题掩盖了，不利于电网良好运行。因此研究一种简单有效的载波同频噪声阻断器，设备并接在噪声源处阻断干扰信号，有利于提升载波抄表成功率，有利于提升电网传输质量，降低设备投入的成本。目前电网正在大量使用的电力线载波模块通讯频点主要集中在100K到500K之间，涉及后续现场使用安装方便，电力线载波同频噪声干扰阻断器，应设计成通过ABCN三相四线电压的方式并接到电网上。

1 电力线载波通信应用现状

电力通信在协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用，并有利的保障了电力生产、基建、行政、防汛、电力调度、水库调度、燃料调度、继电保护、安全自动装置、远动、计算机通信、电网调度自动化等通信需要，电力通信利用其独特的发展优势越来越被社会所重视。当前电力线载波通信在低压配电网主要有窄带载波和宽带载波两种通信技术。

1.1 低压电力线窄带载波通信技术

低压电力线窄带载波通信技术用于电力信息采集系统，应用时间较早，规模最大。近年来随着电力线载波通信技术的发展和完善，国内已有多家企业在技术开发和应用方面日渐得到成效，常见的技术主要有扩频加窄带频移键控（FSK）、扩频加窄带相移键控（PSK）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等，在电力信息采集、智能家居能耗管理、公用路灯时段控制和视频监控等领域均有较多的应用。

1.2 低压电力线宽带载波通信技术

低压电力线宽带通信技术在国内已经有了多年的运营实践，在用电信息采集方面也有了大量的应用。国内多家企业的产品在宽带载波通信接入和电力线宽带载波通信信息采集等方面都有了较为完善的应用。国家电网公司于2009年1月20日在沈阳召开了电力用户用电信息采集系统建设电力线宽带通信技术研讨会，会议认为电力线宽带载波通信技术在电力用户用电信息采集系统方面已经具备成熟条件，有大规模推广应用的基础。2020年全国范围内电力线宽带载波通信应用芯片数量已经达到亿级数量水平。

图1 电力线载波通信技术原理图

2 常见电力线载波通信技术原理

电力线载波通信基本的硬件系统由信息源（终端）、数字信号处理部分(DSP)、模拟前端（AFE）、信道（电力线）组成。开始终端将原始数据移交信号处理模块进行数据及信道编码（例如RS、卷积、扩频等）操作，主要是数据甄别纠正，提高抗干扰能力，同时进行数据加密，提高数据的安全性。接着进行调制（例如FSK、PSK、OFDM等方式），将信息传送到载波频率处（3kHz-500kHz），变成具有在电力线上传输条件的信号，并通过数字模拟转换（DAC），由模拟前端转成模拟信号放大、耦合到电力线上。最后传输线上面的载波信号通过耦合到达处理端，开展滤波、模拟数字转换（ADC）操作，移交数字信号处理部分，进行解调、解码，演变成最初的数据信息。

3 噪声分析

电力线载波通信干扰噪声多样化，因载波通信使用的线路是50Hz电能传输的电力线，在线路载波通信中，除了信号较差、线路上的损失和多径效应之外，噪声是影响载波信号传输的最主要因素。电力线噪声大致主要分为与工频异步噪声、与工频同步噪声、有色背景噪声、窄带噪声、突发性噪声等五类。

3.1 与工频异步噪声

通常由大功率电器设备开关的周期性开闭动作产生，其功率谱为离散的谱线，重复率在50至200kHz范围内。

3.2 与工频同步噪声

主要是电力设备按50Hz频率工作产生的脉冲，重复率为50Hz或者100Hz，持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。

3.3 有色背景噪声

电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，功率谱密度随频率增加而减小。

3.4 窄带噪声

一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其强度在24小时内变化不定。

3.5 突发性噪声

主要是闪电或网络上负载的开关操作产生的脉冲噪声，每个脉冲噪声会影响很宽的频带。

4 电力线载波同频噪声采集分析

经过对载波通讯实际应用用电环境进行测量发现，电力线通讯时时常收到电网随机噪声的干扰、冲击而导致通讯失败。如图2所示，电力线通讯数据帧一般会持续1-2秒钟时间，在这期间噪声的干扰冲击就会导致通讯失败。图中可看到电网噪声的电网幅度比信号部分还要强，导致远端接受部分无法收到有效信息。

图2 电力线载波同频噪声采集分析

5 同频噪声干扰阻断原理电路设计

经过大量的试验验证发现，处于电网干扰噪声是一种低功率的噪声源，随频率的增大而减小，通常可保持几秒钟、几分钟甚至几个小时不变。低功率噪声源特点是由于其噪声功率小，噪声本身也存在衰减情况。因此我们提出通过合理的设计低通滤波器（同频噪声干扰阻断器），放置于噪声源电源处，可将电网噪声吸收滤除阻断电网噪声对信号的干扰。低通滤波电路如图3所示。

图3 低通滤波电路图

图4 PCB部分版图设计

原理图介绍：UAUBUCUN分别并接入低压（220V/380V电压等级）电网中，电容C1电容值1Uf与压敏电阻形成一个简单的RC低通滤波器，起到将100K-500K之间的背景噪声滤除阻断的作用，同时压敏电阻可以对阻断器进行保护，防止电网浪涌冲击、脉冲骚扰等将电路击穿。

PCB部分版图设计：由于低压电力线自动抄表应用现场环境通常较为复杂，可接入空间大小不一，对于设备的总体要求偏向于简单轻巧，因此该设计主要特点着重于要有噪声干扰阻断能力，且要有简单的接入方法，硬件整合性强。

6 电力线载波同频噪声干扰阻断器应用分析

根据试验结果，电力线载波同频噪声干扰阻断器的研制之后，进一步对其开展了现场实用性的效果测试工作。该设备应用地点一般为低压电力线载波抄表的台区，我们应用针对现有运行的低压抄表不稳定，存在同频噪声干扰的用电设备例如：移动基站、水泵房、变频电机设备等进行定点实际测试分析验证。实际验证表明，同频噪声干扰源一般达到-6dB至-12dB，在该大部分载波信号会被淹没，通过增加阻断器之后背景噪声能下降减少24-30个dB，能够有效净化载波通信环境，提高电力线载波抄表成功率。