基于谐波注入的基站电源阻抗测量方法研究.pdf

2023 年 11 月基于谐波注入的基站电源阻抗测量方法研究郝军玉袁刘秉杭袁钟传亮（中国铁塔股份有限公司日照市分公司，山东 日照 276826）【摘要】为解决现代通信基站中电源阻抗测量的精确性与实时性问题袁分析通信基站电源阻抗与通信质量的关系袁对基站电源阻抗测量方法进行深入研究袁提出了基于谐波注入的基站电源阻抗测量方法遥 该方法通过向电源系统注入特定频率的谐波信号袁分析电源系统的非线性响应袁进而实现对电源阻抗的高精度测量遥【关键词】通信基站曰电源阻抗测量曰谐波注入曰精确测量【中图分类号】TM464【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）11-0175-030 引言准确测量基站电源阻抗是保障通信网络稳定运行的重要环节，然而，传统的电源阻抗测量方法需要中断基站的正常运行，或者在特定环境中进行，难以实现对基站电源阻抗的实时、准确测量。基于此，本文提出一种能够在不干扰基站正常运行的情况下，高效、精确地测量基站电源阻抗方法，以满足通信基站在实际运行中对电源阻抗测量的需求。1 相关技术与理论基础1.1 通信基站电源阻抗的重要性通信网络作为现代社会不可或缺的一部分，其通信基站的稳定运行对于保障通信网络的正常运转至关重要。而通信基站的稳定运行离不开稳定的电源供应，电源系统的质量和性能直接影响基站的运行效果。基站电源阻抗作为电源系统的重要参数之一，对于电能传输、电压稳定性和功率传输等关键参数的调节和控制起到了至关重要的作用。基站电源阻抗不稳定会引发多种问题，如电源波动、电压下降、功率损耗以及通信质量下降等。在高负荷状态下，电源阻抗变化会导致基站性能波动，进而影响到通信网络的覆盖范围和通信质量，从而影响到用户的体验和满意度1。此外，电源阻抗不稳定还可能导致设备故障，增加维护和维修的成本。因此，准确测量和控制基站电源阻抗的稳定性，对于确保通信基站的稳定运行至关重要。通过实时监测电源阻抗的变化，维护人员可以快速确定基站电源存在的问题，及时采取措施，调整电源系统的运行状态，从而确保基站电能供应稳定、通信性能良好。这也为用户提供了更加稳定的通信环境，提高了通信网络的可靠性，扩大移动网络的覆盖范围，从而对社会和经济的发展产生积极影响。1.2 电源阻抗测量方法概述电源阻抗测量方法在保障电源系统稳定性和通信性能方面具有重要作用。不少研究者为了满足不同应用需求，研发出多种测量方法。常见的方法有直流法、交流法、频域分析法、脉冲响应法以及信号注入法。其中，直流法通过施加直流电流或电压，测量电源系统的响应来计算电源阻抗。交流法则通过施加交流信号，测量响应的幅值和相位，获得电源阻抗信息2。频域分析法基于频谱分析，提取电源系统的频率特性，适用于分析稳定性和频率响应。脉冲响应法则通过施加短脉冲信号，分析电源系统的脉冲响应，探测电源阻抗特征。信号注入法是近年来的研究热点，而基于谐波注入的电源阻抗测量方法便是其中的一种新颖方法。基于谐波注入的电源阻抗测量方法通过注入特定频率信号，分析电源系统的非线性响应，得到电源阻抗信息。该测量方法具备高精确度且不干扰电源系统运行的优势。2 基于谐波注入的电源阻抗测量方法原理及优势2.1 基于谐波注入的电源阻抗测量方法原理基于谐波注入的电源阻抗测量方法是通过向电源注入特定频率谐波信号，进而对电源阻抗中的信号变化进行测量，以此结果对电源阻抗进行推算。首先，根据电源系统的特性和非线性元件，建立起涵盖电阻、电感、电容等元件的电路模型。其次，引入谐波信号，即特定频率的谐波信号，作用于电源系统，引发电源系统的非线性响应，使电源系统输出包含了注入信号频率的谐波成分。再次，通过分析电源系统输出信号的幅值和相位信息，提取不同谐波频率下专题综述1752023 年 11 月的响应特性，根据电源阻抗的定义，建立注入信号频率与电源阻抗之间的数学关系，用于计算电源阻抗的实际值。最后，为验证模型的准确性和适用性，需要进行实验验证，将计算得到的电源阻抗值与实际测量结果进行对比，建立电源阻抗测量模型，有助于实现非侵入性的电源阻抗测量，为电源系统的性能评估和故障诊断提供重要支持。2.2 基于谐波注入的电源阻抗测量方法优势基于谐波注入的电源阻抗测量方法具有很多优势3。首先，该测量方法是一种非侵入性的测量方法，不需要中断电源系统的正常运行，避免影响电源系统稳定性和可靠性。其次，该测量方法通过合理设计谐波信号的频率和幅度，显著增强电源系统的非线性响应，提高测量信号与背景噪声的比例，从而提高测量精度。最后，由于谐波信号与背景信号的分离效果良好，因此，该测量方法可以实现实时监测和快速反馈，适用于电源系统的动态变化测量。3 基于谐波注入的电源阻抗测量方法流程3.1 测量设备的准备工作应用基于谐波注入的电源阻抗测量方法时，关键在于保证测量的准确性和适应性，因此，需要正确选择测量设备，同时兼顾易用性，确保能够在不同的基站环境下高效运行。测量设备包括谐波注入设备、电源阻抗测量仪器和数据处理系统。选择合适的谐波注入设备至关重要，需要确保设备能够精确控制谐波的频率和幅度，最大限度避免对基站的正常运作产生干扰。谐波注入设备需要能够精确控制注入信号的频率和幅度，以适应不同测试条件。电源阻抗测量仪器应具备高精确性和高稳定性，以确保测量数据准确、可靠。数据处理系统应具备先进的数据处理和分析技术。例如，应用信号处理算法有效滤除噪声，提取出准确的阻抗信号；应用机器学习技术能够对复杂的数据进行深入分析，从而提高数据处理的准确性。测量设备的精确校准是确保测量结果准确可靠的关键步骤，需要做好以下 5 个方面的工作。（1）明确校准的目标和方法。校准源是校准的基础，要确定好已知准确值的标准源，如标准电阻、电容或信号发生器，对测量设备进行校准。（2）校准过程需要考虑环境因素，如温度和湿度对测量结果的影响。对校准源和被测电源系统进行环境条件控制，确保校准结果真实可靠。（3）利用比较法进行校准。将标准源和被测电源系统分别连接到测量设备，通过对比两者的测量结果，计算被测电源系统的偏差。重复多次测量和对比，计算平均值和标准偏差，以提高校准结果的精确性。（4）校准结果应有合适的不确定度估计。不确定度是对测量结果的不确定程度的量化描述，该指标需要考虑到各种误差来源，如系统漂移、噪声和环境变化等。（5）记录校准结果和相关信息。校准报告应包括校准日期、环境条件、使用的标准源、校准过程和不确定度估计等详细信息，以供后续验证和追溯。3.2 电源阻抗测量过程（1）选取合适谐波信号。基站电源系统一般为交流电源，因此，选取谐波信号为正弦波，以频率为50 Hz 的基波作为注入信号。（2）谐波信号注入。在基站电源系统中注入特定频率和幅度的谐波信号，确保注入信号纯净，减少对电源系统形成其他干扰。（3）谐波信号测量。使用电源阻抗测量仪器捕捉并记录基站电源系统对该谐波信号的响应，这一响应包含了电源系统的阻抗信息。整个测量过程需要严格控制测量条件，确保数据的一致性和可比性，从而实现对基站电源阻抗的准确测量。（4）数据分析。分析数据后获得电源阻抗大小及性质。（5）调整优化。以测量结果为依据，若基站电源阻抗有显著缺陷则要对其进行调整优化。3.3 测量数据处理要点在测量试验完成后，需要将收集到的数据传输至数据处理系统进行数据处理。这一环节采用先进的信号处理算法和机器学习技术，对测量数据进行深入分析，准确提取电源阻抗的特征。测量数据处理步骤如下。（1）收集到的测量数据需要经过预处理，包括去噪声、滤波和基线校正，清除可能影响测量准确性的干扰因素。该步骤对于提高数据准确性至关重要。（2）采用傅里叶变换等信号处理算法将时间域信号转换为频率域信号，以更好地识别和分析谐波响应特征。通过分析频率域中的峰值和波形，准确提取电源阻抗特征。此外，为了更加深入地分析数据，可以应用统计分析和机器学习技术，有利于识别数据中的模式和趋势，进行复杂的多变量分析。例如，通过回归分析可以评估不同因素对电源阻抗的影响程度，而机器学习技术则能够预测在不同条件下的电专题综述1762023 年 11 月源阻抗行为。（3）将分析结果与理论模型或历史数据进行对比，以验证测量的准确性和可靠性。该步骤不仅确认了测量方法的有效性，也为电源系统的优化提供参考。通过测量数据处理，能够确保从测量数据中获得精确的电源阻抗信息。4 基于谐波注入的电源阻抗测量方法实际应用与展望4.1 跨领域应用潜力基于谐波注入的电源阻抗测量方法不局限于通信基站应用，其跨领域的应用潜力极为显著。在智能电网管理中，该测量方法可用于监测和优化智能电网的能效与稳定性。智能电网中的阻抗特性直接影响电力的传输效率和质量，准确的阻抗测量有助于识别和预防潜在的电力质量问题，如电压波动和谐波失真等4。在可再生能源系统中，如太阳能或风能发电站，电源阻抗测量对于确保系统与电网的有效接入十分关键。通过精确控制和调整发电系统的阻抗特性，提高能源转换效率，减少能量损失。此外，该测量方法在工业自动化领域中广泛应用，尤其是在需要精确电力控制和管理的高精度制造过程中，准确的电源阻抗测量可用于减少机器设备的能耗，提高生产效率和可靠性。4.2 局限性与未来优化方向电源阻抗测量方法虽然在许多应用领域具有重要作用，但也存在一些局限性。部分电源阻抗测量方法对电源系统的干扰较大，可能影响系统的稳定性。例如，直流法和交流法可能导致电源系统的电压波动或功耗增加，从而影响正常运行。部分电源阻抗测量方法在复杂环境下难以实现精确测量。例如，频域分析法容易受到背景噪声的影响，脉冲响应法对系统的瞬态响应要求较高。这些局限性会导致测量结果误差增大。基于谐波注入的电源阻抗测量方法具备高精确度且不干扰电源系统运行的优势，因此，在未来的电源阻抗测量领域，可以探索多种方法的融合，通过将不同方法的优势相结合，实现更加全面、准确的电源阻抗测量。另外，可以研究新的信号处理和噪声抑制技术，以提高测量方法对背景噪声和干扰的抵抗能力，从而提高测量精度。4.3 与新兴技术的融合基于谐波注入的电源阻抗测量方法与新兴技术的融合具有广阔前景5。例如，与物联网技术相结合，使远程监控和实时数据收集成为可能，极大地提高了电源阻抗测量的效率。利用物联网设备，可以在更广泛的地理范围内进行电源阻抗测量，从而更准确地监测通信基站或电力系统的状态和性能。应用人工智能技术，可以为处理和分析数据提供了强大的支持。人工智能算法能够自动识别数据异常，提供更深入的洞察视角，在电网负载变化预测和电源质量优化策略制定中发挥了重要作用。应用大数据技术，能够集合处理和分析历史数据与实时数据，从而准确预测通信基站电源系统的发展趋势。5 结语电源阻抗测量对于通信基站、电力系统以及能源管理等领域具有重要意义。在电源系统稳定性评估、通信设备性能维护和能源利用优化等方面，电源阻抗测量可以提供准确、实时的数据支持，有力促进了各个领域的发展。但是，电源阻抗测量技术在应用中也存在局限性，如对系统干扰、环境条件等的影响。为应对这些挑战，需引进新的信号处理技术，提高测量方法的实时性，优化校准和验证流程，不断提升电源阻抗测量技术的精确性和可靠性。参考文献1 师洪涛，卓放，杨祯，等.基于改进正弦调制电流注入的三相交流电源系统谐波阻抗测量研究J.电工技术学报，2015（8）：257-264.2 毛艳芳，钟佩军，孙建军，等.基于逆变电源的中低压配电网谐波阻抗测量研究J.电测与仪表，2020（8）：70-77.3 任碧莹，闫博，孙向东，等.一种特定次谐波阻抗的孤岛检测方法研究J.电力电子技术，2015（2）：86-89.4 宋依桐，胡海涛，肖冬华，等.牵引供电系统注入式谐波阻抗测量的扰动限值选定方法J.中国电机工程学报，2020，40（15）：4770-4780.5 刘秋降，吴命利，张俊骐，等.基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置J.电工技术学报，2018，33（13）：3098-3108.作者简介院郝军玉（1979），男，汉族，山东龙口人，硕士研究生，助理工程师，主要从事通信基础设施建设维护、视频智联、新能源业务的综合管理工作。刘秉杭（1984），男，汉族，山东临沂人，硕士研究生，助理工程师，主要从事通信基础设施建设维护管理类工作。钟传亮（1985），男，汉族，山东日照人，本科，助理工程师，主要从事通信基础设施维护管理类工作。专题综述177