黃衛(wèi)華, 許 海, 楊斌發(fā), 袁海文, 周 虎, 李金猛, 張祥東

(1.中國人民解放軍第5720廠，安徽 蕪湖 340200； 2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

近年來，通航技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，它們對數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)臒o線信道要求很嚴(yán)格，無線信道中的強(qiáng)干擾對其可靠性、安全性構(gòu)成了很大的威脅；另一方面，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對能源的需求很旺盛，但我國能源分布和使用在地理空間的不平衡矛盾，促使國家依靠大力發(fā)展特高壓輸電技術(shù)來解決。然而，特高壓線路的快速建設(shè)，又使無線電干擾成為工程施工、運(yùn)營中要解決的一個(gè)新問題。在解決無線電干擾的工程試驗(yàn)研究和工程建設(shè)實(shí)踐中，需要進(jìn)行大量的測試工作，必須使用無線電干擾測量儀器。

對于無線電干擾測量儀器，德國R&S公司(羅德與施瓦茨公司)一直雄踞技術(shù)前沿。它是歐洲最大的電子測量儀器生產(chǎn)廠商和專業(yè)無線通信、廣播、信息技術(shù)安全領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，以創(chuàng)新、精確和品質(zhì)享譽(yù)世界。R&S公司的產(chǎn)品不僅技術(shù)水平位居前列，而且質(zhì)量優(yōu)異，性能獨(dú)特。公司還在研究、開發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)方面創(chuàng)建了全球通行的標(biāo)準(zhǔn)。其生產(chǎn)的無線電干擾測量儀器綜合水平居于國內(nèi)外領(lǐng)先地位，最頂級無線電干擾測試儀器產(chǎn)品的價(jià)格極為昂貴，單臺(tái)價(jià)格就超過上千萬元人民幣。由于高端無線電干擾測量儀器技術(shù)難度大、門檻高，國內(nèi)外的研制生產(chǎn)廠家不多。這些儀器在檢測點(diǎn)當(dāng)?shù)氐氖褂眯阅芊浅?yōu)越，在測量中只支持當(dāng)?shù)厥褂茫僮魅藛T必須在現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，或者通過紅外串口連接到計(jì)算機(jī)上，將數(shù)據(jù)在現(xiàn)場通過幾個(gè)簡單的命令導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中。

這種高價(jià)值高性能的測試儀器，盡管在當(dāng)?shù)亍吸c(diǎn)單次測量使用的性能非常優(yōu)越，但在特高壓線路區(qū)域內(nèi)需要長時(shí)間大范圍許多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，其使用性能的不便就顯現(xiàn)出來了：1)每個(gè)測點(diǎn)離不開測量人員；2)更換測點(diǎn)的準(zhǔn)備工作很繁瑣；3)大量測量結(jié)果的記錄、處理很困難，需要人工介入，工作量大；4)測量范圍大，測點(diǎn)多時(shí)，需要的測量儀器數(shù)量多，導(dǎo)致測試資源投入費(fèi)用不可承受；5)需要對若干典型觀測點(diǎn)同步測試的需求無法實(shí)現(xiàn)。

在這種背景下，本文針對國家特高壓基地購置的相應(yīng)產(chǎn)品，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制了無線鏡像通訊端口，同時(shí)研制28 V鋰電池移動(dòng)供電電源代替原來的110/220 V、50/60 Hz儀器供電適配器，可使該產(chǎn)品在測量范圍內(nèi)移動(dòng)使用，用較少數(shù)量的設(shè)備完成大范圍地點(diǎn)的無線電干擾測量，并支持不同測點(diǎn)之間的同步測量。

1 特高壓線路無線電干擾產(chǎn)生原理及研究現(xiàn)狀

1.1 無線電干擾產(chǎn)生原理

輸電線路導(dǎo)線施加高壓后，在導(dǎo)線的表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場，由于導(dǎo)線表面的粗糙不平，在一些毛刺處電場強(qiáng)度的數(shù)值會(huì)更大。當(dāng)電場強(qiáng)度的數(shù)值足夠大，達(dá)到接近特定環(huán)境條件下的空氣擊穿電場強(qiáng)度時(shí)，輸電線路導(dǎo)線的表面電場會(huì)擊穿線路附近的空氣，從而發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，并伴隨著放電可聽噪聲和電暈輝光現(xiàn)象，隨著電壓的持續(xù)升高，可以在輸電線路到線上形成此起彼伏而又連續(xù)不斷的電暈放電過程[1]。

這種持續(xù)的電暈放電現(xiàn)象，是一種非常典型的電磁暫態(tài)過程，它會(huì)產(chǎn)生頻譜很寬的電磁波信號，這些電磁波信號通過各種不同的途徑，以直接或者間接耦合的方式，進(jìn)入到各類接收設(shè)備的天線，進(jìn)而導(dǎo)致接收設(shè)備的信號接收能力急劇下降，甚至淹沒了有用的信號，從而發(fā)生使無線接收設(shè)備通訊受阻的現(xiàn)象，這就是特高壓線路電暈引起的無線電干擾現(xiàn)象[1]。

對于特高壓直流線路電暈引起的無線電干擾現(xiàn)象的形成原理，可以等效地采用圖1所示的過程來解釋。當(dāng)電暈電流脈沖沿周圍空間從如圖所示的某點(diǎn)進(jìn)入線路后，它將從該點(diǎn)向兩邊流動(dòng)，這種向兩邊流動(dòng)的瞬態(tài)脈沖電流必然在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生無線電干擾現(xiàn)象?？梢栽O(shè)想，在實(shí)際的線路中，由于導(dǎo)線很長、注入點(diǎn)很多，局部看注入點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)在那點(diǎn)具有隨機(jī)性，但總體看，這樣的注入點(diǎn)在線路整體上的分布，在特定的條件下具有均勻性，同一時(shí)刻不同位置注入點(diǎn)的許多脈沖注入電流疊加在一起，綜合形成了一種相對穩(wěn)定但重復(fù)率很高的準(zhǔn)“穩(wěn)態(tài)”電流，從而在直流特高壓輸電線路周圍產(chǎn)生“穩(wěn)態(tài)的”無線電干擾[2]。

圖1 特高壓直流線路無線電干擾形成示意圖

在電壓等級相同時(shí)，與正極導(dǎo)線相比，特高壓直流線路負(fù)極導(dǎo)線發(fā)生電暈放電時(shí)，在整個(gè)輸電線路導(dǎo)線的表面上，放電點(diǎn)分布比較均勻，不同放電點(diǎn)的電流脈沖幅值比較接近，而且幅值較小，因此，負(fù)極導(dǎo)線產(chǎn)生的無線電干擾比較小一點(diǎn)[3]。

在電壓等級相同時(shí)，與負(fù)極導(dǎo)線相比，特高壓直流線路正極導(dǎo)線發(fā)生電暈放電時(shí)，在整個(gè)輸電線路導(dǎo)線的表面上，放電點(diǎn)分布很不均勻，不同放電點(diǎn)的電流脈沖幅值差值很大，而且有的點(diǎn)幅值很高，因此，正極導(dǎo)線產(chǎn)生的無線電干擾比較大。這樣，在雙極輸電線路中，正極線路產(chǎn)生的無線電干擾一般比負(fù)極線路大6 dB[4]。

1.2 無線電干擾研究現(xiàn)狀

由于無線電干擾會(huì)對信號接收產(chǎn)生一定影響，因此必須對接收質(zhì)量進(jìn)行衡量，信噪比是衡量接收質(zhì)量的重要參數(shù)[5]。

表1列出了美國特高壓直流輸電線路的無線電干擾限值和走廊寬度。將±800 kV直流輸電線路的無線電干擾限值折算到極導(dǎo)線對地投影外20 m處，約為63 dB(μV/m)[5]。

表1 美國能源部直流輸電線路部分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

加拿大對不同電壓等級的輸電線路，無線電干擾采用不同的限值：對600 kV以上的輸電線路，距離邊導(dǎo)線對地投影外15 m、0.5 MHz的無線電干擾限值為63 dB(μV/m)。折算到距離邊導(dǎo)線對地投影外20 m，約為61 dB(μV/m)[5]。

參考國內(nèi)外限值，并考慮直流輸電線路無線電干擾的特點(diǎn)以及我國特高壓直流輸電線路經(jīng)過高海拔地區(qū)的特殊性，國網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 145-2006《±800 kV直流架空輸電線路電磁環(huán)境控制值》中明確規(guī)定：在特高壓直流輸電線路運(yùn)行中，正極導(dǎo)線對地投影外20 m處電暈產(chǎn)生的在0.5 MHz頻點(diǎn)的無線電干擾強(qiáng)度80%值，在一般地區(qū)不超過58 dB(μV/m)，但當(dāng)海拔高度超過1 000 m時(shí)，需按海拔高度每增加300 m，對此值用場強(qiáng)增加1 dB(μV/m)進(jìn)行修正[5]。這里80%指的是當(dāng)置信度選為80%時(shí)，在線路運(yùn)行的80%時(shí)間內(nèi)的含義[5]。

2 無線電干擾測量儀性能擴(kuò)展硬件設(shè)計(jì)

在特高壓線路區(qū)域測量無線電干擾時(shí)，實(shí)際使用過程中存在布線麻煩、可移動(dòng)性差和不能同步測量等缺點(diǎn)，因此本文通過Zigbee技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了儀器的無線網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)傳輸，借助于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擴(kuò)展了高性能無線電干擾測量儀器的使用性能。

2.1 無線電干擾測量儀器

本文選用了羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的手持式頻譜分析儀FSH3來擴(kuò)展其使用性能。FSH3具有以下幾個(gè)特性：1)頻率范圍：100 kHz～3 GHz，10 MHz～18 GHz；2)噪聲電平<-150 dBm/Hz(前置放大器打開)；3)選配接收機(jī)模式用于EMI信號的精確掃描；4)支持TS-EMF三軸全向天線進(jìn)行場強(qiáng)測量；5)支持定向天線進(jìn)行無線電干擾分析；6)支持功率探頭進(jìn)行精確的功率測量。

在天線方面，相較于常見的柱狀天線而言，環(huán)形天線避免了柱狀線端部的電暈放電影響測量結(jié)果，因此本文選擇了環(huán)形天線進(jìn)行測量。

2.2 為測量儀器擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置

由于FSH3在特高壓線路無線電干擾測量使用中，單次測量數(shù)據(jù)傳輸量不大(不超過50 bytes)，測試區(qū)域范圍不大(測點(diǎn)之間不超過100 m)，因此適合選用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。本文研制的無線傳輸裝置組成如圖3所示，其內(nèi)部采用了TI最新一代Zigbee芯片CC2530實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。

CC2530是真正支持2.4 GHz下的IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施工程應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[6]，它能夠以比較低廉的成本建立起來強(qiáng)大的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)。并且CC2530采用了RF 收發(fā)器領(lǐng)先的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)配置可編程閃存8 KB，還配有RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。它具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可進(jìn)一步降低使用中的能耗[7]。

本文采用的是CC2530F256片上系統(tǒng)。它具有256 K閃存，并采用了業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元Zigbee協(xié)議棧技術(shù)(Z-StackTM)，因此能為Zigbee技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，提供一個(gè)強(qiáng)大和完整的解決方案[8]。

數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端硬件連接如圖2所示。圖2中，在數(shù)據(jù)接收端用標(biāo)準(zhǔn)串口線連接即可，而在數(shù)據(jù)發(fā)送端，由于FSH3輸出的是光信號，因此用一根光纖轉(zhuǎn)串口線將信號轉(zhuǎn)換為RS232電平信號，再用標(biāo)準(zhǔn)串口線進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)傳輸終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3中，CC2530實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送/接收，SP3232實(shí)現(xiàn)TTL與RS232電平邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換。整個(gè)終端設(shè)備可以通過電池供電，也可以通過外接電源供電。外部為標(biāo)準(zhǔn)9針RS232接口，實(shí)現(xiàn)了全串口功能，即除了GND、TX和RX與SP3232連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)之外，還需要對RTS和DTR進(jìn)行控制。DTR，即Data Terminal Ready(數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好)，在有效狀態(tài)(ON)時(shí)，表明數(shù)據(jù)終端(對應(yīng)本文中的FSH3)可以使用；RTS，即Request To Send(請求發(fā)送)，用來表示數(shù)據(jù)終端請求MODEM(對應(yīng)本文中的數(shù)據(jù)傳輸模塊)發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端準(zhǔn)備要接收MODEM傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號有效(ON狀態(tài))，請求MODEM發(fā)送數(shù)據(jù)，它用來控制MODEM是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。這兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的正常通信。圖3中RTS和DTR都是和Vcc相連，當(dāng)終端設(shè)備通電之后，管腳電平將一直保持為高，即一直保持信號有效狀態(tài)(ON)。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)部原理圖

3 無線電干擾測量儀性能擴(kuò)展軟件設(shè)計(jì)

3.1 FSH3控制指令

除了在FSH3面板按下按鍵進(jìn)行測量外，F(xiàn)SH3還支持當(dāng)?shù)亟涌诿畈倏兀疚拈_發(fā)的軟件中通過這個(gè)專用命令集，來完成FSH3的初始化、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集等功能。

FSH3控制指令分為三種：CMD、SET和GET。CMD指令有兩種：REMOTE和LOCAL，分別用于進(jìn)入程控模式和離開程控模式。在程控模式下FSH3面板上的按鍵操作功能被停止。SET指令負(fù)責(zé)設(shè)置FSH3各種測量參數(shù)。GET指令負(fù)責(zé)從FSH3設(shè)備緩存中讀取數(shù)據(jù)。圖4為控制FSH3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的一般流程。

圖4 控制FSH3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的一般流程

由圖4可知，首先必須讓FSH3進(jìn)入遠(yuǎn)程控制模式，否則之后的命令將無法識(shí)別；然后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量環(huán)境選擇合適的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；接著發(fā)送GET指令獲取緩存

中需要的數(shù)據(jù)，最后離開遠(yuǎn)程控制模式返回本地控制

模式。

3.2 軟件功能架構(gòu)

無線電干擾測量系統(tǒng)功能擴(kuò)充后的上位機(jī)軟件的架構(gòu)迢迢如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)

由圖5可以看出，軟件共分為4層：

1)數(shù)據(jù)采集層。接受底層串口數(shù)據(jù)，即原始數(shù)據(jù)。由于.NET構(gòu)架中串口數(shù)據(jù)是以字節(jié)流的形式存在，因此必須每次從中提取有效數(shù)據(jù)幀，以供上層進(jìn)行處理。

2)數(shù)據(jù)處理層。軟件架構(gòu)中最重要的一層，與其它各層都有數(shù)據(jù)交互。主要功能包括：收到來自數(shù)據(jù)采集層的原始數(shù)據(jù)幀，將其轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送用戶的操作命令給數(shù)據(jù)采集層，通知設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；將處理完的可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作；將處理完的可讀數(shù)據(jù)在人機(jī)交互界面上顯示，讓用戶掌握實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。

3)數(shù)據(jù)顯示層。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，分為圖形化顯示和數(shù)字化顯示兩種。圖形化顯示主要以柱狀圖和折線圖為主，繪制出輸電線路下不同位置的無線電干擾在不同頻率下的變化規(guī)律；數(shù)字化顯示在顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)，也顯示了測量系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)庫中分為兩種類型表格，一種是單個(gè)頻率點(diǎn)下的歷史數(shù)據(jù)，用戶可以查看每一個(gè)歷史數(shù)據(jù)對應(yīng)的測量時(shí)間；另一種是多個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總表，由于數(shù)據(jù)量較大，每個(gè)頻率點(diǎn)上取其特征值用來表征無線電干擾在該頻率點(diǎn)上的強(qiáng)度。

3.3 軟件工作流程

軟件實(shí)現(xiàn)過程的核心包括這樣幾個(gè)方面。首先通過鏡像的思路將FSH3原來適用于當(dāng)?shù)氐拇谕ㄓ嵵噶?，按照無線網(wǎng)絡(luò)Zigbee的協(xié)議，進(jìn)行封裝，封裝以后的指令就可以通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送出去，在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸；其次，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收端在接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，可以從封裝了的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中析取出儀器設(shè)定的地址和指令信息，當(dāng)?shù)刂废喾麜r(shí)，將執(zhí)行指令規(guī)定的功能。另外，在遠(yuǎn)端控制軟件中，需要設(shè)置無線電干擾的測量模式、測量范圍、測量頻點(diǎn)、測量次數(shù)以及測量資源的選用等事關(guān)具體測量過程的一些關(guān)鍵內(nèi)容。但對于這些內(nèi)容，綜合分析后可以劃分到測量準(zhǔn)備和進(jìn)行測量兩個(gè)過程中。無線電干擾測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件流程圖具體如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

由圖6可知，整個(gè)軟件流程可分為以下兩個(gè)階段：

1)測量準(zhǔn)備工作。在串口通訊正常情況下，進(jìn)行設(shè)備的初始化，即設(shè)置系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)(用戶無需更改)，然后用戶根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對運(yùn)放和參考電平進(jìn)行設(shè)置，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。接著用戶需要指定測量的頻率序列(范圍從0.1～30 MHz)、單個(gè)頻率點(diǎn)重復(fù)測量的次數(shù)和總體循環(huán)次數(shù)(由于無線電干擾在測量中會(huì)有跳動(dòng)，因此采用多次測量取特征值的方式)。最后選擇數(shù)據(jù)文件的保存路徑，開始進(jìn)行測量。

2)開始進(jìn)行測量。程序中采用順序遍歷頻率序列的方式進(jìn)行測量，對于每一個(gè)頻率點(diǎn)都會(huì)進(jìn)行固定次數(shù)的測量之后再跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測量。若出現(xiàn)一直沒有數(shù)據(jù)返回的現(xiàn)象(通常是由外界環(huán)境的干擾或設(shè)備本身存在問題引起的)，用戶可忽略該頻率的測量。若所有的頻率點(diǎn)都測量完畢，則根據(jù)之前設(shè)定的循環(huán)次數(shù)決定是否需要重復(fù)進(jìn)行測量，直到所有的測量工作都結(jié)束。

3.4 軟件操作界面

圖7為無線電干擾測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面。

圖7 軟件界面

圖7中表示出了無線電干擾測量儀功能擴(kuò)展后所具備的主要功能。一個(gè)是上位機(jī)通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)可以在遠(yuǎn)端連接多個(gè)FSH3儀器，每個(gè)儀器的測量設(shè)置信息可以獨(dú)立完成。另外可以通過無線網(wǎng)絡(luò)得到各個(gè)測試儀器的工作狀態(tài)，還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)信息，完成以時(shí)間序列的形式顯示各個(gè)儀器的實(shí)時(shí)測試結(jié)果。下面對軟件操作界面主要操作功能進(jìn)行介紹。

從圖7可以看出，界面分為三個(gè)部分。第一部分為用戶操作區(qū)，整個(gè)測量過程所涉及到的操作都包括在內(nèi)，由圖中可以看出，該軟件最多支持5臺(tái)FSH3同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；第二部分是狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示，用以顯示各設(shè)備的測量進(jìn)度和當(dāng)前測量數(shù)據(jù)；第三部是圖形顯示，橫坐標(biāo)為所測量的各點(diǎn)頻率，縱坐標(biāo)為各點(diǎn)頻率對應(yīng)的無線電干擾強(qiáng)度，每一臺(tái)FSH3都有對應(yīng)的柱狀圖。

這個(gè)軟件對于測量結(jié)果，也提供了較好地人機(jī)交互界面呈現(xiàn)形式。對于測量結(jié)果，除采用柱狀圖和表格表示不同測點(diǎn)、不同頻率下的無線電干擾強(qiáng)度的測量結(jié)果外，還在圖形顯示區(qū)還提供了無線電干擾強(qiáng)度曲線的對比和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，這樣既便于對測量結(jié)果進(jìn)行直觀感受，又有利于對測量結(jié)果的后續(xù)使用，具體內(nèi)容如圖8所示。

圖8 多曲線顯示和列表顯示

由于在實(shí)際試驗(yàn)中，需要對輸電線路下不同位置的無線電干擾進(jìn)行測量，從而掌握無線電干擾線下分布規(guī)律，因此在對比圖中用戶可以對相同測量頻率下不同位置的測量值進(jìn)行觀察。同時(shí)右側(cè)的列表會(huì)記錄每一臺(tái)FSH3在不同頻率下的測量值以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。為了方便測量結(jié)果的后續(xù)使用，進(jìn)一步對于測量結(jié)果按照測點(diǎn)位置、測量頻點(diǎn)和測量時(shí)序進(jìn)行組織匯總，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ)管理，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和輸出的EXCEL統(tǒng)計(jì)表如圖9所示(注意：此圖僅是用于說明軟件功能的示意圖，無關(guān)具體的測量結(jié)果)。

特別要指出的是：在圖9所示的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式中，還對于實(shí)際測量過程中遇到的若干情況，根據(jù)實(shí)際需求，完成了處理。例如，在圖9左側(cè)的數(shù)據(jù)庫中，區(qū)域“1”為單頻率點(diǎn)下的測量值，由于在實(shí)際試驗(yàn)中，測量值會(huì)有一定的波動(dòng)，因此一般情況下每一個(gè)頻率點(diǎn)測量5-7次然后取其特征值(如50%值)來代表該頻率點(diǎn)下的無線電干擾水平；區(qū)域“2”為所有頻率點(diǎn)下測量值(取特征值)的匯總(一臺(tái)FSH3的數(shù)據(jù))。右側(cè)圖為最終輸出的EXCEL統(tǒng)計(jì)表，每一個(gè)worksheet代表一臺(tái)FSH3的測量結(jié)果，其中包含了所有不同電壓等級下不同頻率點(diǎn)下的測量值(取特征值)，這方便了用戶進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析工作。

圖9 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和輸出的EXCEL統(tǒng)計(jì)表

4 無線電干擾測量儀性能擴(kuò)展后用于外場試驗(yàn)

為了測試性能擴(kuò)展后的無線電干擾測量儀器在實(shí)際環(huán)境中的工作性能，在國家特高壓試驗(yàn)基地進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。取正負(fù)極導(dǎo)線中心線下地面處為橫軸坐標(biāo)原點(diǎn)，在向外延伸的+3 m、0 m、-3 m處放置一架天線。一般而言直流輸電線路的無線電干擾最大值出現(xiàn)在環(huán)形天線平面與測量線路平行時(shí)[9]，因此天線平行于輸電線路放置，并通過外接電池進(jìn)行供電，F(xiàn)SH3與天線通過連接線相連。圖10、圖11分別為現(xiàn)場布置示意圖和現(xiàn)場實(shí)測圖。

圖10 現(xiàn)場布置示意圖

圖11 現(xiàn)場實(shí)測圖

實(shí)際測試環(huán)境：溫度17～23 ℃，相對濕度50%，測試地點(diǎn)空曠且無其它遮擋物。

導(dǎo)線所加電壓等級：±220 kV、±300 kV。

測量頻率：0.15～0.99 MHz，步長0.01 MHz，1～1.5 MHz，步長0.05 MHz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本文以+3 m處測量結(jié)果為例，以測試的各頻率點(diǎn)為橫坐標(biāo)，測量的無線電干擾強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，如圖11～14所示。

圖12 -3 m處干擾強(qiáng)度曲線

圖13 0 m處干擾強(qiáng)度曲線

圖14 +3 m處干擾強(qiáng)度曲線

由圖12～14可以看出，在輸電線路下固定位置并且升壓等級固定時(shí)，無線電干擾強(qiáng)度隨著頻率的增加是呈現(xiàn)出駐波形狀趨勢并且逐漸減小的；對比同一張圖中不同升壓等級下的曲線可知，隨著電壓等級的升高，無線電干擾強(qiáng)度也是在逐漸增大的，以上兩點(diǎn)都符合無線電干擾的特性。同時(shí)，對比圖12～14同一電壓等級下的曲線，+3 m處(即正極線下)干擾強(qiáng)度最大，0 m處次之，-3 m處(即負(fù)極性線下)干擾強(qiáng)度最小。由于直流輸電線路的無線電干擾主要來源于正極性導(dǎo)線[5]，因此越靠近正極性輸電線路其值越大，試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際線路的規(guī)律。

5 結(jié)束語

本文介紹了無線電干擾測量儀器使用性能擴(kuò)展的軟硬件實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)過程，硬件方面簡要介紹了頻譜分析儀(FSH3)的功能特點(diǎn)，并著重介紹了基于CC2530的無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展傳輸終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的連接方式；軟件方面著重基于FSH3控制指令，介紹了為使用性能擴(kuò)展開發(fā)的軟件的架構(gòu)、工作流程和操作界面。最后通過外場試驗(yàn)對擴(kuò)展的功能涉及的軟硬件進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明測量儀器使用性能擴(kuò)展后，具有使用更加靈活、可滿足更為特殊的測試需求，并且具有自動(dòng)化程度高、可移動(dòng)性好、可同步測量等特點(diǎn)。這一切都表明，采用Zigbee技術(shù)擴(kuò)展高價(jià)值高性能無線電干擾測量儀器，用于輸電線路下電磁環(huán)境試驗(yàn)測量的研究與分析，是完全可行的。

通過采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，利用鏡像的思想擴(kuò)展儀器的當(dāng)?shù)赝ㄓ嵾B接端口以后，測試儀器就具備了在無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍移動(dòng)使用的能力，這可以使得儀器的使用具有測量范圍更大、測點(diǎn)部署更加靈活和自動(dòng)化程度更高等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)實(shí)現(xiàn)思路和技術(shù)方法具有普遍的使用和推廣價(jià)值。本文的研究和實(shí)踐也為完成其它一些高價(jià)值測量儀器使用性能的改進(jìn)和擴(kuò)展提供了可供借鑒的、有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。