寬帶電力線(xiàn)通信的電磁兼容探討

摘要　寬帶電力線(xiàn)通信（BPLC）利用現有的電力網(wǎng)作為高速數據傳輸媒介時(shí)，存在屏蔽性差、阻抗不匹配、載波頻率與短波無(wú)線(xiàn)電頻段重疊等問(wèn)題，由此而引發(fā)的電磁干擾成為BPLC普及與推廣的最大障礙，同時(shí)也給BPLC商業(yè)化提出了更高的電磁兼容要求。本文探討了寬帶電力線(xiàn)通信中可能存在的電磁干擾問(wèn)題以及電磁輻射的測量方法，并提出了改善BPLC系統電磁兼容性的措施。

1、引言

眾所周知，電力網(wǎng)是當今各網(wǎng)絡(luò )中擁有用戶(hù)最多、最必不可少的網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，利用現成的電力網(wǎng)來(lái)實(shí)現寬帶接入及數據、語(yǔ)音、視頻等多媒體信息傳輸成為當前的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，寬帶電力線(xiàn)通信（BPLC）技術(shù)的相關(guān)研究和應用發(fā)展非常迅速，現在已經(jīng)進(jìn)入初步應用階段。寬帶電力線(xiàn)通信利用已有的電力線(xiàn)作為通信信道，采用電力線(xiàn)數字擴頻（SST）技術(shù)或正交頻分多路復用（OFDM）技術(shù)實(shí)現數據傳輸[1]。但是由于電力線(xiàn)上同時(shí)傳輸的是強電，而且電網(wǎng)的穩定性比傳統通信網(wǎng)差得多，使得電力線(xiàn)通信的電磁環(huán)境極為復雜。更為重要的是電力線(xiàn)通信會(huì )給頻帶內的其他無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成潛在的電磁干擾，這也給寬帶電力線(xiàn)通信的普及與推廣提出了更高的電磁兼容要求。

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科，它是指電氣、電子設備或系統能夠在同一個(gè)電磁環(huán)境下正常工作，相互之間不會(huì )構成不能承受的電磁干擾，以達到相互兼容、實(shí)現各自功能的狀態(tài)[2]。電磁兼容的內容包括抗干擾和電磁輻射控制兩方面。隨著(zhù)電力通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，作為一種“最后一公里”接入技術(shù)的寬帶電力線(xiàn)通信的電磁兼容問(wèn)題顯得越來(lái)越突出。特別是電力通信系統抗干擾技術(shù)、電磁輻射的測量與控制，以及規范標準等問(wèn)題已經(jīng)引起了世界范圍內的關(guān)注，電磁兼容技術(shù)也成為實(shí)現寬帶電力線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、寬帶電力線(xiàn)通信

作為一種新的家庭聯(lián)網(wǎng)和寬帶接入技術(shù)，寬帶電力線(xiàn)通信是目前國內外通信與電氣工程等交叉領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。它主要是指在1～30MHz頻率范圍內，利用電力線(xiàn)實(shí)現因特網(wǎng)接入、數據和話(huà)音業(yè)務(wù)的高速傳輸。目前全世界已經(jīng)有若干種BPLC系統在進(jìn)行現場(chǎng)試驗，大多數系統能提供的最高數據速率為幾Mbit/s以上。寬帶電力線(xiàn)通信的載波頻率范圍，在美國為4～20MHz（HomePlug Specification V1.0），主要用于戶(hù)內；歐洲為1.6～10MHz（Access）和10～30MHz（In-House），這是ETSI標準，CENELECB標準分界點(diǎn)為13MHz，歐盟委員會(huì )從2002年開(kāi)始正在協(xié)調統一；中國尚無(wú)寬帶PLC的標準。

BPLC寬帶接入網(wǎng)一般都覆蓋從變電站到用戶(hù)住宅的公共區域（室外）和用戶(hù)住宅的私人區域（室內）兩部分。這是因為整條通信線(xiàn)路的衰耗非常高，在滿(mǎn)足電磁兼容（EMC）要求的情況下，只有大約10%的用戶(hù)可以直接由單跳鏈路來(lái)服務(wù)，所以必須把低壓配電網(wǎng)分成室外PLC和室內PLC兩部分。室外部分包括從變電站到住家接入點(diǎn)（HAP）的公共區域，室內部分是指從HAP到家里面的電器插座。高頻通信信號在變電站注入和分出。通過(guò)變電站內1個(gè)頭端HE（Head End），即以太網(wǎng)（Ethernet）結點(diǎn)與室內電力網(wǎng)絡(luò )連接，使得插入墻上插座的設備都能接入寬帶骨干網(wǎng)。通常室外PLC的載波頻率使用1～10MHz的較低頻率，而室內PLC使用15～30MHz的較高頻段，提供2Mbit/s以上的數據傳輸速率，從而達到多媒體數據傳輸以及互聯(lián)網(wǎng)接入的要求。圖1為電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構圖，由圖可見(jiàn)PLC系統是一個(gè)集中式的主/從體系結構，具有點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )拓撲特性。一方面安裝在變電站內的室外主控器為主干連接提供以太網(wǎng)接口，主干連接普遍使用光纖和數字用戶(hù)線(xiàn)（DSL）。另一方面，每一用戶(hù)的住宅內都有1個(gè)獨立的室內PLC部分，由室內控制器（IC）控制，IC控制室內適配器（IA），為最終用戶(hù)提供標準網(wǎng)絡(luò )（以太網(wǎng)絡(luò )、UBS和模擬電話(huà)線(xiàn)等）接口[3，4]。

圖1　電力線(xiàn)通信（PLC）網(wǎng)絡(luò )結構

近年來(lái)，隨著(zhù)Internet技術(shù)和數字調制技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶電力線(xiàn)通信技術(shù)成為目前發(fā)展前景十分看好的寬帶接入技術(shù)。寬帶PLC接入的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是利用現有的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，不需要重新布線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣，連接方便，可以快速地實(shí)現寬帶接入。缺點(diǎn)是利用中低壓電力線(xiàn)信道傳輸高頻通信信號，會(huì )遇到交流噪聲對數據的損害以及信號衰減等問(wèn)題，另外還存在與其他無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)之間的電磁兼容問(wèn)題。

　　3、BPLC中的電磁兼容問(wèn)題

電力線(xiàn)通信中的噪聲主要來(lái)源于與低壓電網(wǎng)相連的所有負載以及無(wú)線(xiàn)電廣播的干擾等，所以沿電力線(xiàn)傳送數據時(shí)會(huì )碰到許多意想不到的問(wèn)題。一般為了達到數Mbit/s以上的數據傳輸速率，必須采用數MHz以上頻段。但在當前的技術(shù)條件下，可能會(huì )引發(fā)電磁干擾（EMI）問(wèn)題。BPLC所采用的1～30MHz頻段已經(jīng)被國家無(wú)線(xiàn)電委員會(huì )分配給其他無(wú)線(xiàn)電應用了，如固定業(yè)務(wù)、移動(dòng)業(yè)務(wù)、無(wú)線(xiàn)電定位、無(wú)線(xiàn)電導航、廣播電臺、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)、衛星業(yè)余業(yè)務(wù)和射電天文等。因為BPLC系統的載波信號能量可能輻射到周?chē)臻g，對此頻段內的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成影響，因此必須有效地解決由BPLC系統引發(fā)的EMI問(wèn)題，以保護在這個(gè)頻段內的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)。

3.1　BPLC通信系統內的電磁兼容

電力電纜是按照50Hz或60Hz低損耗輸電要求設計的，當把它們用于高速數據傳輸時(shí)，意味著(zhù)必須傳送9kHz～30MHz頻率之間的信號。在這個(gè)HF頻段上傳輸的信號，電力電纜會(huì )有泄漏，部分高頻信號功率會(huì )以電磁波的形式輻射出去。此時(shí)電力線(xiàn)信道好像一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)信道，在受到噪聲、多徑衰落和干擾影響的同時(shí)，也會(huì )對其他信號形成干擾。為了實(shí)現數據高速傳輸、信號衰減最小，目前發(fā)展的寬帶電力線(xiàn)通信采用1.6～30.0MHz的最佳數據傳輸頻段，其中集中了短波無(wú)線(xiàn)電廣播、海岸電臺、固定和移動(dòng)通信短波頻段等眾多用戶(hù)。當電力線(xiàn)調制解調器工作時(shí)，電力線(xiàn)將產(chǎn)生較高的泄漏電波，所以會(huì )對這個(gè)頻帶內的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成電磁干擾（EMI）。BPLC系統會(huì )對傳輸頻帶內其他無(wú)線(xiàn)電通信造成干擾，主要是對無(wú)線(xiàn)電通信頻率的重疊區間產(chǎn)生干擾，其大小與發(fā)送功率、距離及布線(xiàn)的具體情況相關(guān)。當BPLC系統應用規模擴大時(shí)，電力線(xiàn)將形成一個(gè)天線(xiàn)陣，可能產(chǎn)生輻射的累積效應。

此外，電力線(xiàn)作為高速數據傳輸的媒介時(shí)，本身會(huì )遇到許多噪聲干擾。首先，與低壓電網(wǎng)相連的所有負載如開(kāi)關(guān)電源、家用電器等，會(huì )引起電力線(xiàn)上電流的波動(dòng)，使得電力線(xiàn)的周?chē)a(chǎn)生電磁輻射，在電力線(xiàn)傳送數據時(shí)產(chǎn)生不可預料的噪聲干擾；其次，由于電力線(xiàn)上接入了很多電氣設備，這些負載的開(kāi)關(guān)是隨機的，因而導致電力線(xiàn)的特性隨時(shí)間不斷地變化，很難進(jìn)行阻抗匹配。所以電力線(xiàn)通信的環(huán)境極為惡劣，為了保證數據傳輸的質(zhì)量，必須采用許多相關(guān)的技術(shù)加以解決。

3.2　相鄰BPLC通信系統之間的電磁兼容

隨著(zhù)BPLC系統的廣泛使用，不同BPLC局域網(wǎng)之間可能出現電磁輻射的疊加效應。重復使用相同頻率的相鄰BPLC系統之間會(huì )相互干擾（即小區間干擾）。在室外PLC網(wǎng)絡(luò )中，尤其在小區的邊緣會(huì )產(chǎn)生這種干擾，這主要是由電纜末端（位于路邊配電盒或鏈路盒）的殘余串話(huà)造成的。但實(shí)際在室外很少發(fā)生小區間干擾，因為輻射騷擾的電場(chǎng)強度隨距離增加的衰減很大，按照目前建筑物間的間隔距離，輻射騷擾的疊加不會(huì )很明顯。室內相鄰PLC系統之間的干擾是主要問(wèn)題。多數情況下，在相鄰室內控制器（IC）之間室外通路的損耗是接近或者小于室內鏈路損耗的，所以在小區之間對上行時(shí)隙和下行時(shí)隙的使用進(jìn)行協(xié)調，就可把IC之間的干擾降至最低。實(shí)際中為了降低小區間干擾，可以把IC定義為一組潛在干擾IC的同步主控器，或者將IC耦接在配電表盤(pán)之后。但未來(lái)隨著(zhù)BPLC接入系統的擴大應用，通信網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)數目會(huì )大量增加，小區間干擾將更加頻繁地發(fā)生，因此必須引入更有效的干擾檢測和減小措施。

4、BPLC中電磁輻射的測量

BPLC的電磁干擾能否得到有效測量，是BPLC能否推廣應用的必備因素。目前對BPLC電磁輻射的測量還沒(méi)有一個(gè)統一的標準，但有一個(gè)統一的認識就是應該將BPLC系統作為一個(gè)干擾源。對BPLC電磁輻射的測量主要是測量有天線(xiàn)效應的電力線(xiàn)，因為BPLC系統的設備體積都在0.5m之內，在1～30MHz的頻帶內相對于電磁波的波長(cháng)（10～300m）小得多，根據電磁輻射理論，設備產(chǎn)生的輻射非常小，因此BPLC系統的電磁干擾主要來(lái)自于電力線(xiàn)的傳導干擾。在電力線(xiàn)附近的電磁場(chǎng)可分為導波和輻射波兩種類(lèi)型，導波是主要電磁場(chǎng)，輻射場(chǎng)很小，隨著(zhù)離導線(xiàn)距離的增加，導波迅速衰落，以輻射場(chǎng)為主?？紤]到建筑物的影響，輻射場(chǎng)的實(shí)際衰減速度要比（理論衰減速度）快得多。

通常，電場(chǎng)強度E是用來(lái)評估和描述電磁干擾的，但市場(chǎng)上現有的電場(chǎng)傳感器的精度僅僅允許測量垂直場(chǎng)量，所以通常采用磁場(chǎng)傳感器來(lái)測量BPLC系統的輻射，如圖2所示，然后乘以波阻抗轉換成電場(chǎng)強度。在低壓配電線(xiàn)中注入信號（圖中用內阻為50Ω的電壓源Us表示），由于低壓配電網(wǎng)在高頻下的阻抗特性變化很大，所以配電線(xiàn)信號耦合器不但要有通高頻、濾低頻的作用，以盡可能減小注入配電網(wǎng)的信號能量衰減，還要能自適應地將線(xiàn)路阻抗Pin匹配到50Ω。按照測量距離與電磁波波長(cháng)相比較而言，電磁輻射場(chǎng)可劃分為遠場(chǎng)和近場(chǎng)，在測量電磁輻射時(shí)，為了達到測量的真實(shí)性，必須盡可能屏蔽外界對BPLC系統的電磁干擾。按照電磁理論，在BPLC系統處于遠場(chǎng)的情況下即電場(chǎng)與磁場(chǎng)的方向正交，輻射電場(chǎng)強度EPLC可以由磁場(chǎng)強度H和自由空間阻抗（Z=377Ω）計算得：

EPLC=ZH（V/m）

但由于實(shí)際的測量受電磁屏蔽空間的限制（因為30 MHz以下的電磁波較長(cháng)），測量的距離很可能落在近場(chǎng)范圍內，而無(wú)法達到遠場(chǎng)的效果，因此現在大多數測量結果只是在近場(chǎng)情況下測得。在近場(chǎng)內測量時(shí)，波阻抗是377Ω的2～3倍，由于波阻抗變化較大，實(shí)際在近場(chǎng)測量時(shí)常采用平均值，意味著(zhù)轉換過(guò)程中可能因為系數關(guān)系而引入誤差。因此，這種近場(chǎng)的測量就無(wú)法評估BPLC系統遠場(chǎng)的干擾效果。這種近場(chǎng)的測量數據只能用來(lái)評估工作距離較近的不同設備之間可能產(chǎn)生的干擾，很難通過(guò)推算獲得遠場(chǎng)的電磁輻射值。

圖2　使用磁場(chǎng)傳感器測量BPLC輻射場(chǎng)

將整個(gè)BPLC系統作為干擾源也為電磁輻射的測量造成了困難。由于電場(chǎng)強度依賴(lài)于電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中多個(gè)參數，如幾何架構、負載、電力線(xiàn)物理特性等，為了定義不同網(wǎng)絡(luò )架構中的電場(chǎng)強度，要在不同的區域（室內、室外）測量磁場(chǎng)，這些結果會(huì )因為實(shí)際的BPLC應用環(huán)境而千差萬(wàn)別。所以，在標準化中不可能只使用一種電場(chǎng)強度，要根據網(wǎng)絡(luò )結構、環(huán)境位置、電力線(xiàn)參數等定義不同的電場(chǎng)強度。

5、改善BPLC系統電磁兼容性的措施

由于BPLC系統中傳輸的是高頻信號，且電力線(xiàn)沒(méi)有屏蔽措施，由此產(chǎn)生的電磁輻射會(huì )對這個(gè)頻段內的短波無(wú)線(xiàn)電造成電磁干擾；同時(shí)電力線(xiàn)通信在復雜的電磁環(huán)境下工作，也會(huì )受到其他噪聲騷擾的影響。為了加快BPLC技術(shù)的發(fā)展速度和擴大其應用范圍，必須逐步改善BPLC系統的電磁兼容性。目前，有效控制BPLC系統電磁輻射的方法是通過(guò)控制載波信號的功率來(lái)減少能量輻射。另外，根據電磁輻射機理，還可以采取以下幾項措施來(lái)提高BPLC系統的電磁兼容性：

（1）充分利用或改善BPLC系統電力線(xiàn)的對稱(chēng)性。

BPLC系統的輻射強度取決于PLC網(wǎng)絡(luò )或其電纜的對稱(chēng)性。對稱(chēng)性是按導線(xiàn)與地之間的阻抗來(lái)定義的，對二線(xiàn)電力線(xiàn)而言，如果每一導線(xiàn)和地之間的阻抗相等，則視該線(xiàn)路為對稱(chēng)或平衡。為了減小電磁輻射，信號應盡可能實(shí)現理想的異模傳輸（即信號導線(xiàn)上的異模電流大小相等，但方向相反，無(wú)輻射），所以線(xiàn)路必須對稱(chēng)。相反，線(xiàn)路不對稱(chēng)會(huì )導致不希望的共模。共模電流在兩根導線(xiàn)上并行流動(dòng)，經(jīng)地而返回。共模電流一般會(huì )產(chǎn)生輻射。高度對稱(chēng)線(xiàn)路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小。

具體措施有三個(gè)。一是將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶(hù)的連接點(diǎn)上，或者直接在電力線(xiàn)調制解調器內部引入濾波器[5]。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進(jìn)入輻射效率高的導線(xiàn)或其他附接設備，這種方法很有效，但成本較高。二是選擇對稱(chēng)性好的導線(xiàn)，例如4芯電纜，但此法不適用于室內網(wǎng)絡(luò )。三是采用變壓器和共模扼流圈降低共模噪聲，該技術(shù)可應用于PLC調制解調器；同時(shí)對PLC系統收發(fā)模擬電路進(jìn)行改進(jìn)，以減低電力線(xiàn)的泄漏電場(chǎng)。

（2）減小BPLC系統中高頻信號的功率譜密度。

由于BPLC信號的電磁輻射是在30MHz以下的有限帶寬內度量的，故減小BPLC信號的功率譜密度（PSD）能立即降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，BPLC系統適宜采用寬帶調制技術(shù)，但其擴頻效率受電力線(xiàn)低通特性的限制。

（3）合理選擇OFDM調制技術(shù)的有關(guān)參數。

對于BPLC應用來(lái)說(shuō)，首先要考慮在1～30MHz頻帶內沒(méi)有分配給其他無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的頻段。為了適應這種頻帶不連續的情況，目前用于高速數據傳輸的BPLC系統多數采用正交頻分復用（OFDM）技術(shù)，OFDM采用多載波調制，可以靈活選擇子載波頻率以避開(kāi)已經(jīng)使用的某些頻段，在頻帶間隙中增加發(fā)射功率譜密度，從而徹底消除對這些頻段的干擾。與此同時(shí)，當BPLC通信系統受到開(kāi)關(guān)脈沖等噪聲干擾時(shí)，可適當降低某些子載波上的數據傳輸速率，以提高整個(gè)系統的數據傳輸性能。

（4）引入網(wǎng)絡(luò )調節等組網(wǎng)技術(shù)。

由于一個(gè)典型的BPLC接入網(wǎng)絡(luò )可能覆蓋數百米，因而我們可以認為電磁干擾對于不同的網(wǎng)段會(huì )有不同程度的影響。在這種情況下，BPLC網(wǎng)絡(luò )受到所謂的選擇性干擾的影響，例如網(wǎng)絡(luò )中的工作站會(huì )因為處于網(wǎng)絡(luò )中的不同位置而受到不同干擾的影響。此時(shí)，可以根據噪聲源的位置，對不同網(wǎng)絡(luò )部分的電力線(xiàn)實(shí)施網(wǎng)格保護等措施。

6、結語(yǔ)

隨著(zhù)配電網(wǎng)的擴大和通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶電力線(xiàn)通信技術(shù)正處在高速發(fā)展過(guò)程中，如何利用現有的低壓配電網(wǎng)實(shí)現寬帶接入和高速數據傳輸引起了各國電力公司的高度關(guān)注。作為一種資源廣泛的通信網(wǎng)絡(luò )，電力網(wǎng)結構復雜，電力傳輸線(xiàn)沒(méi)有屏蔽措施，容易受到干擾噪聲的影響多而且BPLC系統的載波頻率和短波無(wú)線(xiàn)電頻段有重疊，有可能造成電磁騷擾，因此電磁兼容技術(shù)成為發(fā)展寬帶電力線(xiàn)通信的重要技術(shù)之一。通過(guò)BPLC調制技術(shù)和電力網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，BPLC系統的電磁兼容問(wèn)題正逐步得到改善。隨著(zhù)電磁兼容相關(guān)研究的展開(kāi)以及相關(guān)標準的制定，BPLC技術(shù)的應用會(huì )有一個(gè)健康快速的發(fā)展前景。

參考文獻

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