简介：摘要：电力光纤通信网是现代电网的重要组成部分，承担着整个电网的通信业务，是电网实现智能化的重要通道。因此，电力光纤通信网络的安全稳定性直接关系到整个电网的安全稳定。本文选取光电转换器作为受试设备（ Equipment Under Test ， EUT），搭建起高功率微波试验平台，研究高功率微波干扰下光电转换器的抗干扰特性。试验找出了 L波段高功率微波对光电转换器正常工作产生干扰时的阈值区间。试验发现，对该型光电转换设备加装金属屏蔽壳体，能加强光电转换设备的抗干扰能力。 关键词：电力通信网；高功率微波；光电转换器，抗干扰特性 0 引言 光纤通信网已成为我国电力通信网的主干通信网络 [1-5]，但大部分终端电力设备都只接受电信号，所以电力通信网中广泛分布的光电转换设备 [6]，在人为施加强电磁脉冲（ intense electromagnetic pulse， IEMP），受到外界的有意电磁干扰时 [7]，二次端弱电设备的正常通信极易受到影响，危及电力通信网络乃至整个电网的安全，“ 3·7”委内瑞拉停电事件正是由于受到网络攻击、电磁攻击等人为原因造成的。因此针对强电磁脉冲电压幅值高，上升时间短的特点，就电力系统光纤通信网及其关键设备在电磁干扰作用下的抗干扰特性进行研究具有重要意义。 但传统的观点只关注了光信号本身的抗干扰能力，并没有考虑光通信系统中光电转换设备的抗干扰能力。文献 [8]是少数研究电磁脉冲对光通信影响的文章，文章分析了高功率电磁脉冲在光缆上引起的热效应，热效应造成光纤上温度分布不均，改变了光纤的传输特性，导致模间色散增加与信号失真。但电磁脉冲通常脉宽窄，持续时间极短，热效应积累效应弱，相对而言光电转换设备对电磁脉冲更为敏感，人为施加的电磁脉冲极易通过孔缝耦合等方式影响设备内部微电子元器件的性能，甚至是损坏元器件 [7-12]，但文章并未就此展开深入研究。文献 [13-16]分析了电磁脉冲等高频电磁干扰下不同开孔的孔缝耦合特性，但文献中开孔的最小尺寸都是厘米级，而本课题试验中选取某型继电保护设备的光电转换单元开孔为毫米级，且目前的有意干扰源通常是高频高功率。 2004和 2008年美国国家关键基础设施评估委员会的评估报告——《 EMP攻击对美国的危害》中，把电磁脉冲对通信网络的影响作为电磁脉冲危害研究的一个重要课题，但也是集中于电磁脉冲对传统通信设备危害的研究，且重点在宏观层面分析通信网受到电磁脉冲辐射时，可能存在的薄弱环节和经济损失的评估上，并未就电力光通信设备在 HPM作用下的抗干扰特性进行深入的研究。 总体上看，国内外对电力光纤通信中的光电转换设备在纳秒级电磁脉冲干扰下的抗干扰特性进行深入研究的仍较为缺乏。鉴于此，本文根据有意电磁脉冲干扰源高频率、高功率密度的特点，搭建了完善的试验平台，对电力系统二次设备光电转换单元进行试验。首先根据功能的不同分别分析了试验平台各分系统的原理与结构；对光电转换器进行有意电磁干扰试验，并对试验结果进行了统计分析，找出了 L波段高功率微波对光电转换器正常工作产生干扰时的阈值区间，并提出了防护措施。 1 试验平台 1.1 HPM产生系统 HPM发生系统的主要功能是为试验提供干扰源，模拟产生强电磁脉冲，建立辐射场。图 1为 HPM产生系统的原理框图，图 2为 HPM产生系统实物图。 图 1 HPM产生系统的原理框图 图 2 HPM产生系统实物图 在实物图中，左侧为数字示波器，右侧从下至上依次为： HPM效应源、时域同步控制系统、第一级功率放大器。环形器防止反射信号损害 HPM效应源，定向耦合器的耦合口作为微波参数测量系统的输入，用以实时监测 EMP效应源的具体参数。经功率放大器放大后，发射天线可辐射载频 1.34GHz，重频 1Hz～ 100Hz、可调脉宽为 100ns～ 1μs，峰值功率密度为 100W/cm2，频带范围为 1.3G左右的强电磁脉冲。 1.2 测量系统 测量系统分为 HPM源参数测量系统和辐射场测量系统，分别用来监测干扰源性能参数和辐射场的场强等参数。图 3是测量系统结构示意图： 图 3 测量系统 主要设备包括衰减器若干，安捷伦检波管 8473B和 LeCroy（力科） WaveRunner 6 Zi and 12-bit HRO四通道示波器。示波器带宽为 400MHz～ 4GHz，最高采样率 40GS/s，典型信噪比为 55dB，标准记录长度为 64 Mpts/Ch。其结构原理基本类似，所不同的是 HPM源参数的测量是以定向耦合器的耦合口作为微波参数测量系统的输入，辐射场测量是通过测量天线接收到的微波脉冲作为测量入口。 （ 1）微波参数测量系统。用以获取 EMP效应源的具体工作参数，应包括： 1）输出脉冲个数； 2）输出微波脉冲宽度； 3）输出微波脉冲功率； 4）输出微波脉冲的频率； 5）输出微波脉冲重复频率。 （ 2）辐射场测量系统。用于对计划的试验点在无 EUT情况下，预先测量该点的辐射场功率密度，并与微波参数测量系统的 EMP效应源输出微波脉冲功率进行比对，获取测量点功率密度与 EMP效应源输出值之间的线性关系并记录。 试验区域 测量天线 衰减通道 检波器 辐射场测量系统 数字示波器 试验区域 测量天线 衰减通道 检波器 辐射场测量系统 数字示波器 试验区域 测量天线 衰减通道 检波器 辐射场测量系统 数字示波器 1.3 辅助系统 辅助系统主要是为 EUT建立一个模拟的工作环境，即模拟电力光通信系统的工作环境，由信号发送机向被试品发送数据包，并通过信号接收机接收被试品发来的数据包。此外，辅助系统还可以通过信号接收机观察通信网络的利用率和故障恢复时间。图 4是辅助系统示意图，设备包括计算机、光纤和光电转换器若干。 图 4 辅助系统 2 试验内容 2.1 待测模块 为了使测试更具有代表性，本文选用了某型继电保护设备中的商业级 HTB-1100-2KM百兆多模多模双纤光电转换器作为受试设备，如图 5所示。并对光电转换器的各个面进行编号， 1#与 3#为完全对称的两个开孔面， 2#为右侧的光纤和双绞线接口面， 4#为左侧的电源线接口面， 5#、 6#分别为上下两个不开孔的金属面。 图 5 转换器水平示意图 2.2 试验布置与测试步骤 按照图 3所示搭建辅助系统，将 EUT模块至于微波暗室的辐射区域，并对 EUT的双绞线及其电源模块、电源线用金属网和吸波材料进行屏蔽和极化失配处理。由于通信网络可以实现双向数据传输，在两台不同计算机之间发送数据文件的过程中对其中一台光电转换器进行强电磁脉冲辐射试验，在数据接收端观察网络利用率变化情况和故障中断的恢复时间，并记录相关数据。选取 1#、 4#、 5#面作为面向发射天线的典型面，对每个典型面进行三次辐射试验： （ 1）调节脉冲源辐射功率，进行单次脉冲辐射试验，观察试验现象，记录试验数据； （ 2）设置脉冲重频为 20Hz，辐射时间为 3s，调节脉宽和辐射功率，对每个典型面进行的辐射试验，观察试验现象，并记录试验数据； （ 3）对光电转换器加装屏蔽柜进行辐射试验，记录试验结果。 3 试验结果及分析 3.1 试验数据 根据上述试验项目，记录试验结果如下： 表 1 脉宽为 100ns时的试验记录 距离 辐射面 试验效应 2.2m 1# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 4# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 5# 网络利用率均降至 50%左右，恢复时间不足 1s 3.3m 1# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 4# 三次网络利用率分别降至 50%、 0、 0，恢复时间分别 0.8s、 1s、 1s 5# 网络通信正常 4.1m 1# 网络通信正常 4# 网络通信正常 5# 网络通信正常 表 2 脉宽为 500ns时的实验记录 距离 辐射面 试验效应 2.2m 1# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 4# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 5# 网络利用率均降至 50%左右，恢复时间不足 1s 3.3m 1# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 4# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间分别 1.1s、 2.2s、 3.3s 5# 网络通信正常 4.1m 1# 网络通信正常 4# 网络通信正常 5# 网络通信正常 表 3 脉宽为 1μs时的试验记录 距离 辐射面 试验效应 2.2m 1# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 4# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间 2s 5# 利用率降落接近至 0，恢复时间不足 0.8s 3.3m 1# 三次网络利用率均降至 0， 1min无法恢复 4# 三次网络利用率分别降至 0，恢复时间 1s 5# 三次网络利用率均降至 0，恢复时间不足 1s 4.1m 1# 网络通信正常 4# 网络通信正常 5# 网络通信正常 表 4 加装屏蔽柜脉宽 1μs的试验记录 距离 辐射面 试验效应 1.5m 机柜尾部朝向辐照天线，横放 无效 机柜尾部朝向辐照天线，竖放 三次网络利用率降至 0，恢复时间少于 1s 3.2 试验数据分析 分析上述试验数据表明： 1）与理论预测基本相符， 1#面作为开孔面，其耦合强度最大； 5#、 6#两个纯金属面在相同脉宽和功率密度下，与 1#面相比网络利用率下降较小，网络中断后的恢复时间也更短，表明模块自身的金属壳体具备一定的电磁屏蔽效能，电磁脉冲主要通过“后门”耦合作用于光电转换器，即光电转换器的并列缝隙存在电磁泄漏。 2）分析以上三表的试验数据，通信网络在通信中断后的 3.3s内均能恢复通信。表明试验中的强电磁脉冲辐射并没有损坏设备内部的元器件，只是使光电转换器工作出现“软”故障，即耦合进入模块内部的干扰信号使得光电转换器在短时间内失去功能，通信网络处于暂态失效状态，在辐射结束后的短时间内和人工复位后可恢复正常工作状态。 3）通过试验测量，计算出光电转换器在不同距离点的功率密度和场强如下表 5所示。 表 5 对应距离的功率密度和场强 距离（ m） 1.5 2.2 3.3 4.1 功率密度（ kW/m2） 207 94 51 35 场强（ kV/m） 8.83 6 4.4 3.6 同一脉宽下通信网络的网络利用率下降随光电转换器与天线间距离的增大，即电磁脉冲功率密度和场强的增大而下降，对应的网络中断后的恢复时间不断增长，抗干扰能力不断减弱。在同一距离，即功率密度相同的情况下，随电磁脉冲脉宽的增大，网络中断的恢复时间延长；结合 3个典型面累计 30余次的单次脉冲试验结果发现，不同脉宽的单次脉冲辐射下，光电转换器均能正常工作，通信网络利用率并没有下降。表明在强电磁脉冲的脉冲峰值电压和功率积累效果中，影响光电转换器工作的主导因素是强电磁脉冲的功率积累效果。 分析以上试验数据，光电转换器在强电磁脉冲载频为 1.34GHz的情况下，光电转换器对其单次脉冲具有很好的抗干扰能力；在重频作用下，抗干扰能力由于 EMP的功率积累效果导致光电转换器的抗干扰能力减弱，试验得出光电转换器在重频脉冲的效应阈值区间，其距离 (单位： m)阈值区间为 (3.3， 4.1)，对应的功率密度 (单位： kW/m2)为 (51, 35)，对应场强 (单位： kV/m)阈值区间为 (4.4,3.6)。 4）试验数据显示当距离缩至小 2.2m时，即功率密度为 94kW/m2，对应场强为 6kV/m时，脉宽为 100ns的重频脉冲照射 5#面也能导致网络中断，表明当光电转换器所处辐射场的功率密度和场强达到一定值时，光电转换器自带的壳体将不具备屏蔽效果，为保证通信网络的畅通，需加屏蔽措施。表 3的试验数据证明，数字式电容器微机保护测控装置柜体能对其内部的光电转换器起到很好的屏蔽效果，在 1.5m时，即功率密度为 207kW/m2，对应场强为 8.8kV/m，重频脉宽为 1μs的强电磁脉冲辐射下，该型光电转换设备发生短时故障，在干扰消失后能快速恢复通信，正常工作。 4 结论 长期以来大众观点一直认为光纤通信抗干扰能力强，但实际应用中大部分终端设备只接受电信号，光纤通信网在绝大多数情况下只是作为一个传输通道。所以，电力通信网络中必然存在的光 -电信号转换，而这些光电转换设备对高功率微波极为敏感。本文选取电力系统中某型继电保护设备中的光电转换器作为 EUT，通过 HPM脉冲发生系统，施加电磁脉冲实施有意电磁干扰，试验找出了该型光电转换器受影响的场强 (单位： kV/m)阈值区间 (4.4， 3.6)。试验发现，加装金属柜体能对该型光电转换器起到很好的屏蔽效果，即使在重频脉宽为 1μs的强电磁脉冲辐射下，功率密度为 207kW/m2，对应场强高达 8.8kV/m时，加装的金属壳体仍能起到很好的屏蔽效果。试验与数据分析结果可为电力系统二次设备中的该型光电转换单元抗干扰特性设计提供参考。 参考文献 [1] 彭鹏 . 光纤通信技术的特点及其发展应用 . 信息通信， 2014 年第 2 期（总第 134 期） :224-225. [2] 方跃生，陈皓，曾凡兴 . 光纤技术发展及其在电力通信中的应用 [J]. 电力信息与通信技术， 2014 ， 12 (8):20-26. [3] 赵梓森 . 光纤通信的过去、现在和未来 [J]. 光学学报， 2011 ， 31 (9):1-3. [4] 中国工业和信息化部 .2015 年通信运营业统计公报 . [5] 郏燕琪，孙延平 . 智能光网络技术及其在电力系统中的应用 [J]. 电力系统通信， 2009 ， 30 ( 总 205):26-29. [6] 孙学康，张金菊 . 光纤通信 [M]. 人民邮电出版社出版 . 2012 年 . [7] 余世里 . 高功率微波武器效应及防护 [J]. 微波学报， 2014 ， 6:147-150. [8] 和伟，高伙纲 . 高强度电磁脉冲对光纤的影响及防护措施 [J]. 邮电设计技术， 1999 ， 10:40-42. [9] 黄嘉 . 核电磁脉冲干扰下电子通信系统受扰预估研究 [D]. 西安电子科技大学， 2012. [10] 颜克文，阮成礼，吴多龙．通信系统在强电磁脉冲环境下的电磁防护 [J] ．装备环境工程， 2008 ， 5(3) ： 76-80 ． [11] 蔡益宇 . 探讨电力信息系统的雷电电磁脉冲防护 [J]. 电网技术， 2003 ， 27 (3):12-14. [12] 裴成刚 . 电力信息系统的雷电电磁脉冲防护探讨 [J]. 内蒙古煤炭经济， 2009 ， 5:34-25 ． [13] 乔登江 . 高功率电磁脉冲、强电磁效应、电磁兼容、电磁易损性及评估概论 [J] ．现代应用物理， 2013 ， 4(3) ： 219-224 ． [14] 周金山 , 刘国治 , 彭鹏 , 王建国 . 不同形状孔缝微波耦合的实验研究 [J] ．强激光与粒子束， 2004 ， 16(1) ： 88-90 ． [15] 范颖鹏，杜正伟，龚克 . 不同形状孔阵屏蔽效应的分析 [J]. 强激光与粒子束， 2004 ， 16(11) ： 1441-1444 ． [16] 李凯，魏光辉，潘晓东，等 . 带孔缝矩形金属腔体屏蔽效能研究 [J]. 微波学报， 2013 ， 29(4) ： 48-52 ．