智能化小區(qū)用電負荷對通信干擾問題的研究

1、    智能化小區(qū)用電負荷對通信干擾問題的研究     摘要：電力線高速數(shù)據(jù)通信將成為城市智能化小區(qū)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，因此，提高供電線路、供電設備的運行可靠性及故障處理的及時性非常重要。文章針對住宅小區(qū)用電負荷對通信的干擾問題進行了探討和研究。  電力線傳輸數(shù)據(jù)，主要有覆蓋面廣、使用方便、不用布線、永久在線、施工費用少、安裝周期短等優(yōu)勢。不需要重新建設網(wǎng)絡，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語言、視頻和電力的“四網(wǎng)合一”。信息傳輸?shù)哪康暮托Ч褪且獙崿F(xiàn)所獲取的信息準確、可靠、無差錯、不丟失數(shù)據(jù)。智能化小區(qū)以低壓電力網(wǎng)絡作為傳

2、輸載體進行語言、數(shù)據(jù)、圖像傳輸，但首要的問題是載體電力網(wǎng)的可靠性，也是在滿足供配電設計規(guī)范、低壓配電設計規(guī)范、住宅設計規(guī)范等國家規(guī)范對住宅小區(qū)供用電的基礎上又增加對信道傳輸供電低壓網(wǎng)質(zhì)量的新要求，因此，研究信息傳輸質(zhì)量必須先解決好用電負荷對通信的干擾問題。1智能化小區(qū)用電負荷對通信的干擾問題供配電系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量指標包括電壓偏移、電壓波動、頻率波動、波形畸變(包括諧波及瞬態(tài)脈沖）、三相不平衡引起的零點漂移等。非線性用電負荷產(chǎn)生的高次諧波干擾，如智能化小區(qū)廣泛的電子用電設備、緊湊型高效節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器、電梯、水泵、風機的變頻高速電路等引起的高次諧波，通過電子線路電磁感應、靜電感應、傳導等方式

3、耦合到弱電系統(tǒng)，傳輸至電網(wǎng)，其波形受到污染，并且隨著諧波電流頻率的增大引起配電線路明顯的集膚效應。導線電阻增大，線損也相應增加，發(fā)熱加快，導致部分檢測儀表電能計量及讀數(shù)混亂。瞬態(tài)脈沖包括瞬變浪涌、瞬態(tài)下跌。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是雷電強大的瞬變電磁脈沖通過直接或間接耦合方式形成的暫態(tài)過電壓竄擾電力網(wǎng)和智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)；其次是大功率電感性負載投切時，瞬變磁場會干擾線路系統(tǒng)。由于智能化小區(qū)內(nèi)大多數(shù)用電設備均為單相用電電源，三相負荷很難均勻分配，容易產(chǎn)生中性點電壓偏移，波形發(fā)生畸變，使低壓網(wǎng)損增大等現(xiàn)象。通信器材其信號電壓很低，大部分在10V以下，兼容能力差，易受感應脈沖的襲擊。智能化小區(qū)用電負載導致

4、的電能質(zhì)量指標下降，而對通信的干擾主要是電力網(wǎng)的電壓、電流波形畸變即諧波干擾和電磁脈沖過電壓等。智能化住宅小區(qū)從變電所電源到末端用電設備的多級配電回路都具有一定的回路阻抗，當諧波電流通過回路阻抗時，在其上產(chǎn)生電壓降，使回路負載側(cè)電壓產(chǎn)生波形畸變，諧波電流和回路阻抗越大，回路負載側(cè)諧波電壓也越大。當過多的非線性負荷為同一配電回路供電時，眾多的諧波電流匯集于同一回路內(nèi)疊加，從而使諧波電流劇增。因此，過大的諧波電流和由此產(chǎn)生的過大諧波電壓必然給通信設備及線路帶來較大的危害或影響。按照CB/T454993電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波對電壓限值(見表1)，對諧波電流的允許值(見表2)，以總諧波畸變率(THD)

5、指標衡量，經(jīng)查閱有關(guān)技術(shù)資料，參考對某些用電設備的諧波檢測數(shù)據(jù)(見表3)。計算得知：(取13次以下諧波)（見附1）因此，電子計算機、電視機的諧波電流含量大，諧波電流總畸變率高。在負荷高峰期注入低壓電網(wǎng)，必然會造成電網(wǎng)電壓和電流總諧波畸變率升高。在家用電器集中的智能化小區(qū)，對低壓電網(wǎng)質(zhì)量有明顯的影響，并有進一步增長的趨勢，由此可見，電網(wǎng)諧波總畸變率的增高必然對通信造成較大的干擾，這是電力線信息傳輸不可忽視的主要干擾源。低壓電力線信息傳輸與高壓電力載波通信不同，高壓電力網(wǎng)由于負荷變化率小、導線壓損小、電壓波動小、電能質(zhì)量較好，實現(xiàn)載波通信的基礎條件好。相比較而言，低壓配電網(wǎng)具有更多的復雜性和時變性

6、特點，根據(jù)實驗測量，在低壓配電網(wǎng)中，不同建筑或同一建筑內(nèi)的不同節(jié)點，甚至同一節(jié)點的不同時間段，信號在電網(wǎng)中衰減和受噪聲干擾的特性都是不相同的，且都隨負荷的變化呈現(xiàn)出較大變化。智能化小區(qū)利用電力線作通信信道，電力線的傳輸質(zhì)量是影響通信信息可靠性的第一因素。由于每個家庭不同時期的用電習慣不同，而且，在上班時間、人們夜間休息時間是用電低峰，下班以后、晚休以前是用電高峰，低壓電力網(wǎng)的負荷變化很大，電網(wǎng)電壓的波動完全是動態(tài)值，通信信息的可靠性必然要受到嚴重的影響，這也是最難解決的問題。2 智能化小區(qū)用電設備對電力線信息傳輸通信的干擾和抑制 利用電力線傳輸信息的接口及信息處理設備均屬通信器材，與其他傳輸方

7、式不同，干擾信號是通過電力線網(wǎng)絡直接耦合、靜電感應、傳導等方式干擾的，因此對此種傳輸方式干擾信號的抑制就顯得尤為重要和突出。抑制可以從兩個方面來研究，其一是加強對電力線干擾信號的抑制；其二是選擇優(yōu)質(zhì)的抗干擾接收信息通信設備。電力線對通信的干擾主要來源于電力線網(wǎng)絡的諧波干擾，浪涌脈沖過電壓；其次來源于周邊環(huán)境旋轉(zhuǎn)電機、開關(guān)設備頻繁動作的噪聲污染。以下討論通信信息設備輸入接口的抗干擾問題。(1)瞬態(tài)脈沖過電壓的防護措施。防護的主要是感應雷擊侵入，其瞬態(tài)過電壓幅值很大，對通訊設備的危害較嚴重。常用的方式是在通信設備供電線路各級和信息輸入端裝設浪涌過電壓保護器(SPD)，以降低和泄放雷電涌流，使瞬態(tài)過

8、電壓降低到信息設備能承受的水平。過電壓保護裝置應按電源系統(tǒng)的耐壓水平、伏安特性，各通信設備和網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能參數(shù)等，結(jié)合過壓保護裝置的殘壓(kV)、通流(kA)、響應時間(ns)和插入損耗(dB)等參數(shù)合理選擇，對于通信設備供電電源應采用不少于三級的分流限壓措施。對于小區(qū)住宅樓，可在電源進線處裝設大容量SPD，分干線配電箱設置中等容量SPD，住戶配電箱設置小容量SPD，通信接口設備設置信號SPD；(2)采用屏蔽措施，利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減加在通信設施網(wǎng)絡系統(tǒng)的電磁干擾脈沖。屏蔽措施分為建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜屏蔽。建筑物屏蔽按照規(guī)范防雷等級要求利用構(gòu)造鋼筋、金屬構(gòu)架、金屬門窗、接地

9、基礎鋼筋相互連接，形成法拉第籠。設備屏蔽按IEC標準劃分的防雷區(qū)(LPZ)施行多級屏蔽。線纜屏蔽包括電源線屏蔽和信號線屏蔽兩部分，電源線應采用穿鋼管敷設方式，信號線應采用金屬屏蔽線。敷線鋼管與纜線金屬外皮均應作良好接地，穿線鋼管應兩端接地，既起屏蔽作用，又起分流和集膚作用。當發(fā)生雷擊時，部分雷電流經(jīng)鋼管人地，雷電流對鋼管內(nèi)的線路感應出與鋼管上所感應的同體電壓，可降低線路與鋼管之間的電位差，在雷擊帶電體使帶電體與鋼管短接時，由于鋼管的集膚效應和上述的感應電壓使雷電流從鋼管人地，管內(nèi)線路無電流。此外，由于作為防雷引下線的結(jié)構(gòu)混凝土柱內(nèi)鋼筋和籠形屏蔽網(wǎng)都處在建筑外墻上，雷電流在外墻處的電流密度大，周

10、界電磁場強，傳輸信息的電力線主干線不要靠近外墻布線，盡量靠近建筑物中部。對于外界引發(fā)的各種噪聲干擾，以上屏蔽措施可起到一定的抑制作用；(3)通信設施及網(wǎng)絡的接地系統(tǒng)應和建筑物電源重復接地，防雷接地等共用接地體聯(lián)合接地，使它們處于同一地電位，這樣不僅可消除各系統(tǒng)之間的電位差，同時，對通信設施也應作局部等電位聯(lián)結(jié)，與總等電位聯(lián)接形成整體，以利于降低和排除建筑物內(nèi)各設備之間的電位差；(4)通信設備電源要有隔離式濾波、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻及蓄電池供電措施，為此，應首選UPS電源。UPS電源具有濾波、自動穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出和吸收高次諧波功能，切換時間可達s級，換能效率高，反饋出可為工頻正弦波，非線性失真小于5，動態(tài)特

11、性好，最大允許沖擊流為總額定電流的150，是電力線信息傳輸系統(tǒng)接口的最佳抗干擾設備。3 智能化小區(qū)多用戶接入的問題低壓電力線網(wǎng)是一個典型的多用戶系統(tǒng)，利用它實現(xiàn)信息接人時，信道資源將被眾多用戶共享。因此，選擇合適的用戶接人是非常必要的。另外，對于低壓電力網(wǎng)，我們有必要區(qū)分上行連接和下行連接，其中，上行連接是從用戶到基站(一般位于變電所中)，下行連接從基站到用戶?，F(xiàn)在的接入方式一般分為三類，即固定接人(如FDMA，TDMA)、隨機接人(CSMACD)和按需分配。在選擇多用戶接人方式時，除了要考慮信道特性以外，還要考慮傳輸數(shù)據(jù)時對延遲時間、傳遞速率和占空度等方面的要求。對于下行連接，依據(jù)配電網(wǎng)的結(jié)

12、構(gòu)，適宜采用固定接人方式。例如FDMA，對于距離比較遠的用戶，分配給較低的頻帶，而對于近處的用戶，由于衰減較小，可使用較高的頻帶。對于上行連接，由于多個用戶間不可能做到協(xié)調(diào)一致的工作，因而采用隨機接人(CSMACD：帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多路接人)或者按需分配比較合適。此外，在上行連接中也可以使用CDMA，但它存在遠近及接入干擾等問題。4 結(jié)束語我國自1992年提高商業(yè)電網(wǎng)自動化后，近幾年已開始了電力市場的準備工作。對中、低壓電力線載波通信的研究越來越多，也取得了很多成果。當然，由于電力線路固有的缺點(如，負荷變化復雜，噪聲干擾強，信號衰減大，信道容量小)，要實現(xiàn)高質(zhì)量的電力網(wǎng)絡通信還有相當大的困難。但是，不能否認，建立基于電力線的智能化小區(qū)通信網(wǎng)絡服務是一項長期而有意義的任務，它將會給人們帶來更為廣闊的寬帶網(wǎng)技術(shù)，有效地推動智能型住宅的發(fā)展。參考文獻1劉海濤張保會，劉華玲.利用低壓電網(wǎng)實現(xiàn)高速信息接入需要解決的問題，繼電器，2003；42丁道齊邁入21世紀的中國電力通訊(一)、(二)，電力系統(tǒng)自動化，1996；10，113丁道齊把握世界通訊發(fā)展趨勢，確立電力通訊發(fā)