寬帶電力線通信的電磁兼容探討

摘要　寬帶電力線通信（BPLC）利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)作為高速數(shù)據(jù)傳輸媒介時(shí)，存在屏蔽性差、阻抗不匹配、載波頻率與短波無線電頻段重疊等問題，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通信中可能存在的電磁干擾問題以及電磁輻射的測量方法，并提出了改善BPLC系統(tǒng)電磁兼容性的措施。

1、引言

眾所周知，電力網(wǎng)是當(dāng)今各網(wǎng)絡(luò)中擁有用戶最多、最必不可少的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)成的電力網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)寬帶接入及數(shù)據(jù)、語音、視頻等多媒體信息傳輸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。近年來，寬帶電力線通信（BPLC）技術(shù)的相關(guān)研究和應(yīng)用發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入初步應(yīng)用階段。寬帶電力線通信利用已有的電力線作為通信信道，采用電力線數(shù)字?jǐn)U頻（SST）技術(shù)或正交頻分多路復(fù)用（OFDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[1]。但是由于電力線上同時(shí)傳輸?shù)氖菑?qiáng)電，而且電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信的電磁環(huán)境極為復(fù)雜。更為重要的是電力線通信會給頻帶內(nèi)的其他無線電業(yè)務(wù)造成潛在的電磁干擾，這也給寬帶電力線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）是一門新興的綜合性學(xué)科，它是指電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)能夠在同一個(gè)電磁環(huán)境下正常工作，相互之間不會構(gòu)成不能承受的電磁干擾，以達(dá)到相互兼容、實(shí)現(xiàn)各自功能的狀態(tài)[2]。電磁兼容的內(nèi)容包括抗干擾和電磁輻射控制兩方面。隨著電力通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，作為一種“最后一公里”接入技術(shù)的寬帶電力線通信的電磁兼容問題顯得越來越突出。特別是電力通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)、電磁輻射的測量與控制，以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等問題已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注，電磁兼容技術(shù)也成為實(shí)現(xiàn)寬帶電力線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、寬帶電力線通信

作為一種新的家庭聯(lián)網(wǎng)和寬帶接入技術(shù)，寬帶電力線通信是目前國內(nèi)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(nèi)，利用電力線實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)的高速傳輸。目前全世界已經(jīng)有若干種BPLC系統(tǒng)在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，大多數(shù)系統(tǒng)能提供的最高數(shù)據(jù)速率為幾Mbit/s以上。寬帶電力線通信的載波頻率范圍，在美國為4～20MHz（HomePlug Specification V1.0），主要用于戶內(nèi)；歐洲為1.6～10MHz（Access）和10～30MHz（In-House），這是ETSI標(biāo)準(zhǔn)，CENELECB標(biāo)準(zhǔn)分界點(diǎn)為13MHz，歐盟委員會從2002年開始正在協(xié)調(diào)統(tǒng)一；中國尚無寬帶PLC的標(biāo)準(zhǔn)。

BPLC寬帶接入網(wǎng)一般都覆蓋從變電站到用戶住宅的公共區(qū)域（室外）和用戶住宅的私人區(qū)域（室內(nèi)）兩部分。這是因?yàn)檎麠l通信線路的衰耗非常高，在滿足電磁兼容（EMC）要求的情況下，只有大約10%的用戶可以直接由單跳鏈路來服務(wù)，所以必須把低壓配電網(wǎng)分成室外PLC和室內(nèi)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(qū)域，室內(nèi)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。通過變電站內(nèi)1個(gè)頭端HE（Head End），即以太網(wǎng)（Ethernet）結(jié)點(diǎn)與室內(nèi)電力網(wǎng)絡(luò)連接，使得插入墻上插座的設(shè)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(nèi)PLC使用15～30MHz的較高頻段，提供2Mbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而達(dá)到多媒體數(shù)據(jù)傳輸以及互聯(lián)網(wǎng)接入的要求。圖1為電力線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，由圖可見PLC系統(tǒng)是一個(gè)集中式的主/從體系結(jié)構(gòu)，具有點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?。一方面安裝在變電站內(nèi)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(shù)字用戶線（DSL）。另一方面，每一用戶的住宅內(nèi)都有1個(gè)獨(dú)立的室內(nèi)PLC部分，由室內(nèi)控制器（IC）控制，IC控制室內(nèi)適配器（IA），為最終用戶提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)絡(luò)、UBS和模擬電話線等）接口[3，4]。

圖1　電力線通信（PLC）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

近年來，隨著Internet技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶電力線通信技術(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接入的顯著優(yōu)點(diǎn)是利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)，不需要重新布線，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，連接方便，可以快速地實(shí)現(xiàn)寬帶接入。缺點(diǎn)是利用中低壓電力線信道傳輸高頻通信信號，會遇到交流噪聲對數(shù)據(jù)的損害以及信號衰減等問題，另外還存在與其他無線電業(yè)務(wù)之間的電磁兼容問題。

　　3、BPLC中的電磁兼容問題

電力線通信中的噪聲主要來源于與低壓電網(wǎng)相連的所有負(fù)載以及無線電廣播的干擾等，所以沿電力線傳送數(shù)據(jù)時(shí)會碰到許多意想不到的問題。一般為了達(dá)到數(shù)Mbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，必須采用數(shù)MHz以上頻段。但在當(dāng)前的技術(shù)條件下，可能會引發(fā)電磁干擾（EMI）問題。BPLC所采用的1～30MHz頻段已經(jīng)被國家無線電委員會分配給其他無線電應(yīng)用了，如固定業(yè)務(wù)、移動業(yè)務(wù)、無線電定位、無線電導(dǎo)航、廣播電臺、業(yè)余無線電業(yè)務(wù)、衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)和射電天文等。因?yàn)锽PLC系統(tǒng)的載波信號能量可能輻射到周圍空間，對此頻段內(nèi)的無線電業(yè)務(wù)造成影響，因此必須有效地解決由BPLC系統(tǒng)引發(fā)的EMI問題，以保護(hù)在這個(gè)頻段內(nèi)的無線電業(yè)務(wù)。

3.1　BPLC通信系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容

電力電纜是按照50Hz或60Hz低損耗輸電要求設(shè)計(jì)的，當(dāng)把它們用于高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，意味著必須傳送9kHz～30MHz頻率之間的信號。在這個(gè)HF頻段上傳輸?shù)男盘枺娏﹄娎|會有泄漏，部分高頻信號功率會以電磁波的形式輻射出去。此時(shí)電力線信道好像一個(gè)開放的無線信道，在受到噪聲、多徑衰落和干擾影響的同時(shí)，也會對其他信號形成干擾。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸、信號衰減最小，目前發(fā)展的寬帶電力線通信采用1.6～30.0MHz的最佳數(shù)據(jù)傳輸頻段，其中集中了短波無線電廣播、海岸電臺、固定和移動通信短波頻段等眾多用戶。當(dāng)電力線調(diào)制解調(diào)器工作時(shí)，電力線將產(chǎn)生較高的泄漏電波，所以會對這個(gè)頻帶內(nèi)的無線電業(yè)務(wù)造成電磁干擾（EMI）。BPLC系統(tǒng)會對傳輸頻帶內(nèi)其他無線電通信造成干擾，主要是對無線電通信頻率的重疊區(qū)間產(chǎn)生干擾，其大小與發(fā)送功率、距離及布線的具體情況相關(guān)。當(dāng)BPLC系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，電力線將形成一個(gè)天線陣，可能產(chǎn)生輻射的累積效應(yīng)。

此外，電力線作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇闀r(shí)，本身會遇到許多噪聲干擾。首先，與低壓電網(wǎng)相連的所有負(fù)載如開關(guān)電源、家用電器等，會引起電力線上電流的波動，使得電力線的周圍產(chǎn)生電磁輻射，在電力線傳送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生不可預(yù)料的噪聲干擾；其次，由于電力線上接入了很多電氣設(shè)備，這些負(fù)載的開關(guān)是隨機(jī)的，因而導(dǎo)致電力線的特性隨時(shí)間不斷地變化，很難進(jìn)行阻抗匹配。所以電力線通信的環(huán)境極為惡劣，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(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(tǒng)之間的電磁兼容

隨著BPLC系統(tǒng)的廣泛使用，不同BPLC局域網(wǎng)之間可能出現(xiàn)電磁輻射的疊加效應(yīng)。重復(fù)使用相同頻率的相鄰BPLC系統(tǒng)之間會相互干擾（即小區(qū)間干擾）。在室外PLC網(wǎng)絡(luò)中，尤其在小區(qū)的邊緣會產(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）的殘余串話造成的。但實(shí)際在室外很少發(fā)生小區(qū)間干擾，因?yàn)檩椛潋}擾的電場強(qiáng)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很明顯。室內(nèi)相鄰PLC系統(tǒng)之間的干擾是主要問題。多數(shù)情況下，在相鄰室內(nèi)控制器（IC）之間室外通路的損耗是接近或者小于室內(nèi)鏈路損耗的，所以在小區(qū)之間對上行時(shí)隙和下行時(shí)隙的使用進(jìn)行協(xié)調(diào)，就可把IC之間的干擾降至最低。實(shí)際中為了降低小區(qū)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耦接在配電表盤之后。但未來隨著BPLC接入系統(tǒng)的擴(kuò)大應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目會大量增加，小區(qū)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(yīng)用的必備因素。目前對BPLC電磁輻射的測量還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識就是應(yīng)該將BPLC系統(tǒng)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效應(yīng)的電力線，因?yàn)锽PLC系統(tǒng)的設(shè)備體積都在0.5m之內(nèi)，在1～30MHz的頻帶內(nèi)相對于電磁波的波長（10～300m）小得多，根據(jù)電磁輻射理論，設(shè)備產(chǎn)生的輻射非常小，因此BPLC系統(tǒng)的電磁干擾主要來自于電力線的傳導(dǎo)干擾。在電力線附近的電磁場可分為導(dǎo)波和輻射波兩種類型，導(dǎo)波是主要電磁場，輻射場很小，隨著離導(dǎo)線距離的增加，導(dǎo)波迅速衰落，以輻射場為主?？紤]到建筑物的影響，輻射場的實(shí)際衰減速度要比（理論衰減速度）快得多。

通常，電場強(qiáng)度E是用來評估和描述電磁干擾的，但市場上現(xiàn)有的電場傳感器的精度僅僅允許測量垂直場量，所以通常采用磁場傳感器來測量BPLC系統(tǒng)的輻射，如圖2所示，然后乘以波阻抗轉(zhuǎn)換成電場強(qiáng)度。在低壓配電線中注入信號（圖中用內(nèi)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(yīng)地將線路阻抗Pin匹配到50Ω。按照測量距離與電磁波波長相比較而言，電磁輻射場可劃分為遠(yuǎn)場和近場，在測量電磁輻射時(shí)，為了達(dá)到測量的真實(shí)性，必須盡可能屏蔽外界對BPLC系統(tǒng)的電磁干擾。按照電磁理論，在BPLC系統(tǒng)處于遠(yuǎn)場的情況下即電場與磁場的方向正交，輻射電場強(qiáng)度EPLC可以由磁場強(qiáng)度H和自由空間阻抗（Z=377Ω）計(jì)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?yàn)?0 MHz以下的電磁波較長），測量的距離很可能落在近場范圍內(nèi)，而無法達(dá)到遠(yuǎn)場的效果，因此現(xiàn)在大多數(shù)測量結(jié)果只是在近場情況下測得。在近場內(nèi)測量時(shí)，波阻抗是377Ω的2～3倍，由于波阻抗變化較大，實(shí)際在近場測量時(shí)常采用平均值，意味著轉(zhuǎn)換過程中可能因?yàn)橄禂?shù)關(guān)系而引入誤差。因此，這種近場的測量就無法評估BPLC系統(tǒng)遠(yuǎn)場的干擾效果。這種近場的測量數(shù)據(jù)只能用來評估工作距離較近的不同設(shè)備之間可能產(chǎn)生的干擾，很難通過推算獲得遠(yuǎn)場的電磁輻射值。

圖2　使用磁場傳感器測量BPLC輻射場

將整個(gè)BPLC系統(tǒng)作為干擾源也為電磁輻射的測量造成了困難。由于電場強(qiáng)度依賴于電力線網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)參數(shù)，如幾何架構(gòu)、負(fù)載、電力線物理特性等，為了定義不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的電場強(qiáng)度，要在不同的區(qū)域（室內(nèi)、室外）測量磁場，這些結(jié)果會因?yàn)閷?shí)際的BPLC應(yīng)用環(huán)境而千差萬別。所以，在標(biāo)準(zhǔn)化中不可能只使用一種電場強(qiáng)度，要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)境位置、電力線參數(shù)等定義不同的電場強(qiáng)度。

5、改善BPLC系統(tǒng)電磁兼容性的措施

由于BPLC系統(tǒng)中傳輸?shù)氖歉哳l信號，且電力線沒有屏蔽措施，由此產(chǎn)生的電磁輻射會對這個(gè)頻段內(nèi)的短波無線電造成電磁干擾；同時(shí)電力線通信在復(fù)雜的電磁環(huán)境下工作，也會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(kuò)大其應(yīng)用范圍，必須逐步改善BPLC系統(tǒng)的電磁兼容性。目前，有效控制BPLC系統(tǒng)電磁輻射的方法是通過控制載波信號的功率來減少能量輻射。另外，根據(jù)電磁輻射機(jī)理，還可以采取以下幾項(xiàng)措施來提高BPLC系統(tǒng)的電磁兼容性：

（1）充分利用或改善BPLC系統(tǒng)電力線的對稱性。

BPLC系統(tǒng)的輻射強(qiáng)度取決于PLC網(wǎng)絡(luò)或其電纜的對稱性。對稱性是按導(dǎo)線與地之間的阻抗來定義的，對二線電力線而言，如果每一導(dǎo)線和地之間的阻抗相等，則視該線路為對稱或平衡。為了減小電磁輻射，信號應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)理想的異模傳輸（即信號導(dǎo)線上的異模電流大小相等，但方向相反，無輻射），所以線路必須對稱。相反，線路不對稱會導(dǎo)致不希望的共模。共模電流在兩根導(dǎo)線上并行流動，經(jīng)地而返回。共模電流一般會產(chǎn)生輻射。高度對稱線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的連接點(diǎn)上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)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(dǎo)線或其他附接設(shè)備，這種方法很有效，但成本較高。二是選擇對稱性好的導(dǎo)線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)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(yīng)用于PLC調(diào)制解調(diào)器；同時(shí)對PLC系統(tǒng)收發(fā)模擬電路進(jìn)行改進(jìn)，以減低電力線的泄漏電場。

（2）減小BPLC系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術(shù)，但其擴(kuò)頻效率受電力線低通特性的限制。

（3）合理選擇OFDM調(diào)制技術(shù)的有關(guān)參數(shù)。

對于BPLC應(yīng)用來說，首先要考慮在1～30MHz頻帶內(nèi)沒有分配給其他無線電業(yè)務(wù)的頻段。為了適應(yīng)這種頻帶不連續(xù)的情況，目前用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂PLC系統(tǒng)多數(shù)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，OFDM采用多載波調(diào)制，可以靈活選擇子載波頻率以避開已經(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(dāng)BPLC通信系統(tǒng)受到開關(guān)脈沖等噪聲干擾時(shí)，可適當(dāng)降低某些子載波上的數(shù)據(jù)傳輸速率，以提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

（4）引入網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)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(shù)百米，因而我們可以認(rèn)為電磁干擾對于不同的網(wǎng)段會有不同程度的影響。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)中的工作站會因?yàn)樘幱诰W(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(jù)噪聲源的位置，對不同網(wǎng)絡(luò)部分的電力線實(shí)施網(wǎng)格保護(hù)等措施。

6、結(jié)語

隨著配電網(wǎng)的擴(kuò)大和通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶電力線通信技術(shù)正處在高速發(fā)展過程中，如何利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)寬帶接入和高速數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，電力傳輸線沒有屏蔽措施，容易受到干擾噪聲的影響多而且BPLC系統(tǒng)的載波頻率和短波無線電頻段有重疊，有可能造成電磁騷擾，因此電磁兼容技術(shù)成為發(fā)展寬帶電力線通信的重要技術(shù)之一。通過BPLC調(diào)制技術(shù)和電力網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，BPLC系統(tǒng)的電磁兼容問題正逐步得到改善。隨著電磁兼容相關(guān)研究的展開以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，BPLC技術(shù)的應(yīng)用會有一個(gè)健康快速的發(fā)展前景。

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