電力線載波通信電磁兼容技術問題分析
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電力線通信技術目前發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進入初步應用階段。PLC系統(tǒng)充分利用電力系統(tǒng)的廣泛線路資源，通過OFDM等技術可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數(shù)據(jù)。但是由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復雜，這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術也成了實現(xiàn)電力線通信所需的關鍵技術之一。本文在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網(wǎng)絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。
l 電力線載波通信電磁兼容問題分析
1．1 電磁兼容分析模型
一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容的工作，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統(tǒng)與區(qū)環(huán)境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1所示。
對于PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生不利影響。此外還要考慮多種PLC設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結(jié)果?？傮w上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此PLC系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡的共存等。
1．2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機理
由于電力線的特性和結(jié)構是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50 Hz)電流來設計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的。
電力線產(chǎn)生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產(chǎn)生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產(chǎn)生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產(chǎn)生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場相互疊加，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。
1．3 改善PLC系統(tǒng)電磁兼容性的主要措施
(1)充分利用或改善PLC系統(tǒng)電力線的對稱性
PLC系統(tǒng)的輻射強度取決于PLC網(wǎng)絡或其電纜的對稱性。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?？梢赃x擇對稱性好的導線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡，而且成本較高。
(2)減小PLC系統(tǒng)中高頻信號的功率譜密度
減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，PLC系統(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。
(3)合理選擇調(diào)制技術
OFDM是一種高效的調(diào)制技術，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力。
(4)合理設計EMI濾波網(wǎng)絡
將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部引入濾波器。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導線或其他附接設備。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡進行研究設計。
2 濾波電路設計
基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統(tǒng)的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產(chǎn)生的電磁場不能完全抵消，所以在設計濾波電路時，也應考慮到差模干擾的抑制。
EMI濾波電路基本網(wǎng)絡結(jié)構如圖3所示。
圖3中，差模抑制電容為Cl和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，并將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環(huán)上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為：
(1)利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導入地線(共模)，或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導入電源負極(差模)。
(2)利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。
3 實驗結(jié)果
在圖3濾波電路中取差模電容C1，C2為7 000 pF，共模電容C3，C4為0．015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳一鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3．7 mH。
3．1 EMI濾波網(wǎng)絡濾波性能仿真
圖4為干擾噪聲隨頻率關系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網(wǎng)絡后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2 MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。
3．2 EMI濾波網(wǎng)絡輸出結(jié)果分析
當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網(wǎng)絡對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產(chǎn)生的干擾噪聲。
4 結(jié) 語
電力線通信技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發(fā)展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發(fā)展環(huán)境和空間。但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的，它的拓撲結(jié)構和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖等)不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜，負載多、噪聲干擾強、信道衰減大，通信環(huán)境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調(diào)制技術和編碼技術的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產(chǎn)生的共模和差模干擾，今后還有待于結(jié)合電磁原理，在PLC設備和網(wǎng)絡的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。
l 電力線載波通信電磁兼容問題分析
1．1 電磁兼容分析模型
一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容的工作，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統(tǒng)與區(qū)環(huán)境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1所示。
對于PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生不利影響。此外還要考慮多種PLC設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結(jié)果?？傮w上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此PLC系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡的共存等。
1．2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機理
由于電力線的特性和結(jié)構是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50 Hz)電流來設計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的。
電力線產(chǎn)生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產(chǎn)生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產(chǎn)生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產(chǎn)生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場相互疊加，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。
1．3 改善PLC系統(tǒng)電磁兼容性的主要措施
(1)充分利用或改善PLC系統(tǒng)電力線的對稱性
PLC系統(tǒng)的輻射強度取決于PLC網(wǎng)絡或其電纜的對稱性。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?？梢赃x擇對稱性好的導線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡，而且成本較高。
(2)減小PLC系統(tǒng)中高頻信號的功率譜密度
減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，PLC系統(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。
(3)合理選擇調(diào)制技術
OFDM是一種高效的調(diào)制技術，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力。
(4)合理設計EMI濾波網(wǎng)絡
將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部引入濾波器。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導線或其他附接設備。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡進行研究設計。
2 濾波電路設計
基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統(tǒng)的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產(chǎn)生的電磁場不能完全抵消，所以在設計濾波電路時，也應考慮到差模干擾的抑制。
EMI濾波電路基本網(wǎng)絡結(jié)構如圖3所示。
圖3中，差模抑制電容為Cl和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，并將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環(huán)上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為：
(1)利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導入地線(共模)，或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導入電源負極(差模)。
(2)利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。
3 實驗結(jié)果
在圖3濾波電路中取差模電容C1，C2為7 000 pF，共模電容C3，C4為0．015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳一鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3．7 mH。
3．1 EMI濾波網(wǎng)絡濾波性能仿真
圖4為干擾噪聲隨頻率關系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網(wǎng)絡后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2 MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。
3．2 EMI濾波網(wǎng)絡輸出結(jié)果分析
當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網(wǎng)絡對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產(chǎn)生的干擾噪聲。
4 結(jié) 語
電力線通信技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發(fā)展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發(fā)展環(huán)境和空間。但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的，它的拓撲結(jié)構和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖等)不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜，負載多、噪聲干擾強、信道衰減大，通信環(huán)境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調(diào)制技術和編碼技術的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產(chǎn)生的共模和差模干擾，今后還有待于結(jié)合電磁原理，在PLC設備和網(wǎng)絡的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。