電力線載波通信差模傳導(dǎo)騷擾測試方法研究

王 毅，鄧子喬，溫慧安，侯興哲，李松濃，孫洪亮

(1.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065； 2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123；3.國網(wǎng)重慶市電力公司博士后科研工作站，重慶 401123)

0 引 言

電力線通信(power line communication,PLC)系統(tǒng)是一種基于低壓配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于抄表系統(tǒng)、寬帶接入、物聯(lián)網(wǎng)等信息領(lǐng)域，其運(yùn)用范圍廣、發(fā)展前景廣闊。PLC系統(tǒng)利用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，無需進(jìn)行額外布線，充分利用了已有電力資源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。繼智能電網(wǎng)后，能源互聯(lián)網(wǎng)已成為人們關(guān)注熱點(diǎn)[2]。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源和互聯(lián)網(wǎng)的深度融合系統(tǒng)，其中，電力線載波通信技術(shù)是能源互聯(lián)網(wǎng)中信息數(shù)據(jù)通信關(guān)鍵技術(shù)之一。近年，寬帶電力線載波通信技術(shù)飛速發(fā)展，在用電信息采集系統(tǒng)本地信道中得到廣泛應(yīng)用，具有通信速率快、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

然而，電力線所處的電磁環(huán)境與雙絞線等通信專用信道截然不同，電力線本身承載著對不同工作模式、不同類型家用電器，如空調(diào)、洗衣機(jī)、電吹風(fēng)、電腦、電視、充電設(shè)備、開關(guān)電源等，給電網(wǎng)帶來較強(qiáng)的電磁干擾，同時這些設(shè)備的隨時切入切出造成電力線負(fù)載阻抗的變化，且某些設(shè)備還具有時變的阻抗特性，這給電力線中信號的傳輸帶來了極大的挑戰(zhàn)[6-7]。

為對電力線通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境建立一個統(tǒng)計(jì)模型，并對家用電器的傳導(dǎo)騷擾值加以限制以滿足電力線通信系統(tǒng)的正常工作。從電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)測試角度，本文提出了一種針對電力線載波通信系統(tǒng)的家用電器差模傳導(dǎo)騷擾的測試方法。目前對于差共模騷擾分離技術(shù)已有較多研究，主要可分為3類：軟件分離法[8-9]，電流探頭分離法和額外網(wǎng)絡(luò)分離法[10-12]。文獻(xiàn)[8-9]提出了一種基于軟件的差模騷擾測試方法，然而這類方法一般同時需要兩相間騷擾數(shù)據(jù)，對實(shí)時要求高；電流探頭分離法雖然簡單，其精確性卻較低[10]，且其差模騷擾測試方式不易于操作；Paul提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的差模騷擾測試方法[10]，同時文獻(xiàn)[11-12]通過0°/180°射頻功率合并器實(shí)現(xiàn)共模差模傳導(dǎo)騷擾測試，此外文獻(xiàn)[13]提出了分離網(wǎng)絡(luò)在電力線噪聲中的應(yīng)用并對分離網(wǎng)絡(luò)中元器件性能改善進(jìn)行了深入探討。然而，文獻(xiàn)[9-13]所給出的分離方法都是基于雙端口的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(line impedance stabilization network, LISN)，即需要同時獲取L相與N相的騷擾。

文獻(xiàn)[8]已提出了一種面向單端口LISN基于軟件的測試方法，而其精確性卻受到限制。為在硬件上實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的差模傳導(dǎo)騷擾測試，本文在傳統(tǒng)的傳導(dǎo)騷擾(conducted emission, CE)測試基礎(chǔ)上，提出了一種基于寬帶電力線載波通信信號耦合裝置的差模傳導(dǎo)騷擾測試方案，以提取電器電源端子差模騷擾信號。在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室中通過該測試方法，對幾種典型的家用電器進(jìn)行了測試，結(jié)合測試結(jié)果進(jìn)行了分析并將其與傳統(tǒng)測試獲得的騷擾值進(jìn)行比對，結(jié)果表明，差模傳導(dǎo)騷擾相較于傳統(tǒng)騷擾具有更大的騷擾幅值。

1 基于電力線通信耦合裝置的差模傳導(dǎo)騷擾測試方法

圖1給出了傳統(tǒng)EMC傳導(dǎo)騷擾測試方法，包含LISN，EMI測試接收機(jī)(EMI test receiver)等輔助設(shè)備[14]。LISN為EMI測試接收機(jī)提供了穩(wěn)定的輸出阻抗，同時隔離電源中不必要的射頻電磁騷擾。

圖1 傳統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾測試框圖Fig.1 Conventional conducted emission measurement system

圖2為傳統(tǒng)EMC傳導(dǎo)騷擾測試等效電路，差模傳導(dǎo)電流idm與共模傳導(dǎo)電流icm給出如下定義

icm=iL+iN

(1)

idm=(iL-iN)/2

(2)

(1)—(2)式中，iL與iN分別為火線與零線上的騷擾電流。

圖2 傳統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾測試等效電路Fig.2 Equivalent circuit of conventional conducted emission measurement system

由于LISN輸出阻抗穩(wěn)定為50 Ω，能夠得到測試電壓VLE與VNE

VLE=50iL=50(icm/2+idm)

(3)

VNE=50iN=50(icm/2-idm)

(4)

通過(3)—(4)式不難發(fā)現(xiàn)，LISN輸出傳導(dǎo)騷擾信號既包含有差模騷擾信號也包含共模騷擾信號，而對電力線通信造成影響的主要因素是差模騷擾[15]。為能夠提取差模傳導(dǎo)騷擾，本文提出了一種基于電力線通信耦合裝置的差模傳導(dǎo)騷擾測量方法。

為確保本文提出的差模騷擾測試方法的有效性，需要對該耦合裝置分別進(jìn)行共模抑制測試，差模傳輸測試以及阻抗測試。其中，文獻(xiàn)[16]給出了對差模傳導(dǎo)騷擾測試設(shè)備的基本要求。

①對差模信號分量的衰減足夠?。?/p>

②對共模信號分量的衰減足夠大；

③在測試頻段(150 kHz～30 MHz)內(nèi)具有平坦的幅頻特性；

④與EMI測試接收機(jī)阻抗匹配(50 Ω)；

⑤低失真度，對LISN和EUT影響較小。

圖3給出了一種典型的電力線通信耦合裝置。在傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中，通過耦合裝置，將被測設(shè)備電源端子中的差模騷擾信號傳輸至EMI測試接收機(jī)，其中，耦合裝置電容一般采用安規(guī)電容，用于隔絕50 Hz的工頻電壓，保證EMI測試接收機(jī)的使用安全，射頻變壓器將150 kHz～30 MHz的射頻信號耦合至輸出端。

圖3 電力線通信耦合裝置Fig.3 Coupler in PLC

圖4給出了改進(jìn)后的測試方案等效電路，其中，VDM即為待測設(shè)備的差模傳導(dǎo)騷擾。

圖4 改進(jìn)測試方案等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the proposed measurement system

電力線通信耦合裝置差模傳輸衰減如圖5所示。結(jié)果表明，在150 kHz～30 MHz頻域上，所使用耦合裝置幅頻特性接近平坦且衰減較小。此外，該頻段內(nèi)耦合器輸出阻抗約為50 Ω，保證了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、測試結(jié)果的有效性。

圖5 耦合裝置差模傳輸衰減Fig.5 Attenuation character for the power line coupler

圖6給出了耦合裝置共模抑制衰減測試結(jié)果。在150 kHz～25 MHz頻段，對共模騷擾具備較好抑制效果；在25～30 MHz頻段，衰減為30～40 dB。

圖6 耦合裝置共模抑制衰減Fig.6 Common mode rejection for the power line coupler

通過對圖5和圖6的分析可知，該電力線耦合裝置能夠有效地對共模信號進(jìn)行抑制，對差模信號進(jìn)行提取。故本文提出的基于電力線通信耦合裝置的差模傳導(dǎo)騷擾測試方法能夠有效地對差模傳導(dǎo)騷擾進(jìn)行測量。

2 典型家用電器傳導(dǎo)騷擾測試

2.1 家用電器的分類

家用電器由于其供電及工作方式的不同使得測試結(jié)果呈現(xiàn)出不同而有規(guī)律的特征。家用電器的合理分類，能夠更好地總結(jié)出家用電器的差模傳導(dǎo)騷擾的一般規(guī)律，并對不同類別的騷擾進(jìn)行有效地限制。

通過對大量家用電器的實(shí)際測試，我們將其簡要?dú)w納為4類。

①家用電動器具。是指具有電動機(jī)及含有類似裝置的家用電器，如：風(fēng)扇、空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等；

②家用電熱器具。是指具有電發(fā)熱器及含有類似裝置的家用電器，如：電熱水壺、電熱毯、浴霸、熨斗等；

③家用適配器供電器具。是指利用開關(guān)電源供電的裝置及含有類似裝置的家用電器，如：LED燈、手機(jī)充電器、路由器、筆記本電腦等；

④家用電磁器具。是指具有電磁發(fā)射裝置的器具，如：電磁爐、微波爐等。

2.2 測試方法及步驟

主要試驗(yàn)設(shè)備：EMI測試接收機(jī)一臺(R&S ESCI7)、EMI專用測試軟件一套(R&S EMC32)、V型線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)一臺(R&S ENV216)、耦合裝置以及射頻線纜等。

依據(jù)圖4給出的差模傳導(dǎo)騷擾測試系統(tǒng)，該測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境及布置應(yīng)按照文獻(xiàn)[17]中的準(zhǔn)則嚴(yán)格執(zhí)行，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接方式上應(yīng)當(dāng)注意，LISN輸出端需要匹配50 Ω終端負(fù)載。相應(yīng)測試流程如下。

①利用電源濾波器過濾掉外部噪聲對LISN進(jìn)行供電，并利用被測設(shè)備口為被測設(shè)備供電；

②將耦合裝置與被測設(shè)備電源線并接，并用射頻線纜通過BNC接口與測試接收機(jī)的輸入口相連；

③用PCI-GPIB卡及線纜將PC機(jī)與EMI測試接收機(jī)、LISN相連，運(yùn)行EMC32測試軟件，檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接的正確性；

④將被測設(shè)備正確放置于測試桌上并打開電源，待其工作進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后方可進(jìn)行測試；

⑤在PC上對測試頻段、限值進(jìn)行設(shè)置并開始測試，測試完成后保存獲取的準(zhǔn)峰值、均值的原始數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果

在上述家用電器簡單分類基礎(chǔ)上，對各類家用電器進(jìn)行了傳導(dǎo)騷擾測試，有選擇性地給出了典型電熱水壺、LED燈與手機(jī)充電器傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果以及GB 4343.1—2009標(biāo)準(zhǔn)限值。測試結(jié)果表明，低于30 dBμV的電平可看作背景噪聲干擾，測試頻率范圍均為傳導(dǎo)騷擾所要求的150 kHz～30 MHz[17]，測試結(jié)果也給出了混模傳導(dǎo)騷擾與差模傳導(dǎo)騷擾。

3.1 電熱水壺傳導(dǎo)騷擾測試

圖7給出了電熱器具典型代表電熱水壺的混模與差模傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果。結(jié)果顯示，在500 kHz～1.5 MHz頻段，其差模傳導(dǎo)騷擾比混模傳導(dǎo)騷擾大6 dBμV左右。

圖7 電熱水壺混模與差模傳導(dǎo)騷擾比對Fig.7 Comparison of mix mode and differential mode emission from electric heater

3.2 LED燈傳導(dǎo)騷擾測試

LED燈傳導(dǎo)騷擾如圖8所示，其差模傳導(dǎo)騷擾在150 kHz頻點(diǎn)左右已超過標(biāo)準(zhǔn)限值。在2～8 MHz頻段，其差模傳導(dǎo)騷擾比傳統(tǒng)騷擾大6～8 dBμV。

圖8 LED燈混模與差模傳導(dǎo)騷擾比對Fig.8 Comparison of mix mode and differential mode emission from LED lights

3.3 手機(jī)充電器傳導(dǎo)騷擾測試

圖9給出了手機(jī)充電器的混模與差模傳導(dǎo)騷擾。其騷擾電平較大，主要分布在150 kHz～18 MHz與25～27 MHz。雖然混模騷擾與差模騷擾皆未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，但是在150 kHz～5 MHz頻段內(nèi)，其差模傳導(dǎo)騷擾比傳統(tǒng)騷擾大4～6 dBμV，在12～13 MHz頻段，差模傳導(dǎo)騷擾比傳統(tǒng)騷擾大5 dBμV左右。

圖9 手機(jī)充電器混模與差模傳導(dǎo)騷擾比對Fig.9 Comparison of mix mode and differential mode emission from phone charger

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的差模傳導(dǎo)騷擾測試方法能有效對家用電器的差模傳導(dǎo)騷擾進(jìn)行測試。傳統(tǒng)的傳導(dǎo)騷擾測試中既有共模騷擾也包含有差模騷擾，但差模騷擾為主要的騷擾因素。通過測試結(jié)果對比可以看出，這種差模傳導(dǎo)騷擾測試的方式能夠有效地對差模騷擾進(jìn)行提取，抑制共模騷擾，使得接收機(jī)能夠進(jìn)行差模傳導(dǎo)騷擾測試。

從測試結(jié)果可以看出，各類家用電器的差模傳導(dǎo)騷擾有各自的特點(diǎn)，這與各類家用電器的電路結(jié)構(gòu)不無關(guān)系，但絕大部分的騷擾都集中在15 MHz以下，恰巧覆蓋在電力線載波通信所占用的頻段，若干擾情況較為惡劣甚至?xí)绊懙诫娏€通信設(shè)備的正常工作。這也體現(xiàn)出對于家用電器差模傳導(dǎo)騷擾測試的重要性。

在寬帶電力線載波通信技術(shù)重要性日益加深的今天，其在用戶數(shù)量已過億的用電信息采集系統(tǒng)以及未來能源互聯(lián)網(wǎng)雙向信息通信的實(shí)現(xiàn)上起著至關(guān)重要作用。本文所提出的差模傳導(dǎo)騷擾測試方法能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)載低壓配電網(wǎng)環(huán)境中的差模傳導(dǎo)騷擾進(jìn)行測量，為建立電力線差模傳導(dǎo)騷擾限制標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)手段，在提高電力線載波通信性能方面具有重要意義。