宽带电力线通信的电磁兼容探讨

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摘要　宽带电力线通信（BPLC）利用现有的电力网作为高速数据传输媒介时，存在屏蔽性差、阻抗不匹配、载波频率与短波无线电频段重叠等问题，由此而引发的电磁干扰成为BPLC普及与推广的最大障碍，同时也给BPLC商业化提出了更高的电磁兼容要求。本文探讨了宽带电力线通信中可能存在的电磁干扰问题以及电磁辐射的测量方法，并提出了改善BPLC系统电磁兼容性的措施。
1、引言
众所周知，电力网是当今各网络中拥有用户最多、最必不可少的网络。随着网络技术及多媒体技术的发展，利用现成的电力网来实现宽带接入及数据、语音、视频等多媒体信息传输成为当前的研究热点。近年来，宽带电力线通信（BPLC）技术的相关研究和应用发展非常迅速，现在已经进入初步应用阶段。宽带电力线通信利用已有的电力线作为通信信道，采用电力线数字扩频（SST）技术或正交频分多路复用（OFDM）技术实现数据传输[1]。但是由于电力线上同时传输的是强电，而且电网的稳定性比传统通信网差得多，使得电力线通信的电磁环境极为复杂。更为重要的是电力线通信会给频带内的其他无线电业务造成潜在的电磁干扰，这也给宽带电力线通信的普及与推广提出了更高的电磁兼容要求。
电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是一门新兴的综合性学科，它是指电气、电子设备或系统能够在同一个电磁环境下正常工作，相互之间不会构成不能承受的电磁干扰，以达到相互兼容、实现各自功能的状态[2]。电磁兼容的内容包括抗干扰和电磁辐射控制两方面。随着电力通信技术的迅猛发展和广泛应用，作为一种“最后一公里”接入技术的宽带电力线通信的电磁兼容问题显得越来越突出。特别是电力通信系统抗干扰技术、电磁辐射的测量与控制，以及规范标准等问题已经引起了世界范围内的关注，电磁兼容技术也成为实现宽带电力线通信的关键技术之一。
2、宽带电力线通信
作为一种新的家庭联网和宽带接入技术，宽带电力线通信是目前国内外通信与电气工程等交叉领域关注的热点。它主要是指在1～30MHz频率范围内，利用电力线实现因特网接入、数据和话音业务的高速传输。目前全世界已经有若干种BPLC系统在进行现场试验，大多数系统能提供的最高数据速率为几Mbit/s以上。宽带电力线通信的载波频率范围，在美国为4～20MHz（HomePlug Specification V1.0），主要用于户内；欧洲为1.6～10MHz（Access）和10～30MHz（In-House），这是ETSI标准，CENELECB标准分界点为13MHz，欧盟委员会从2002年开始正在协调统一；中国尚无宽带PLC的标准。
BPLC宽带接入网一般都覆盖从变电站到用户住宅的公共区域（室外）和用户住宅的私人区域（室内）两部分。这是因为整条通信线路的衰耗非常高，在满足电磁兼容（EMC）要求的情况下，只有大约10%的用户可以直接由单跳链路来服务，所以必须把低压配电网分成室外PLC和室内PLC两部分。室外部分包括从变电站到住家接入点（HAP）的公共区域，室内部分是指从HAP到家里面的电器插座。高频通信信号在变电站注入和分出。通过变电站内1个头端HE（Head End），即以太网（Ethernet）结点与室内电力网络连接，使得插入墙上插座的设备都能接入宽带骨干网。通常室外PLC的载波频率使用1～10MHz的较低频率，而室内PLC使用15～30MHz的较高频段，提供2Mbit/s以上的数据传输速率，从而达到多媒体数据传输以及互联网接入的要求。图1为电力线通信网络结构图，由图可见PLC系统是一个集中式的主/从体系结构，具有点到多点的网络拓扑特性。一方面安装在变电站内的室外主控器为主干连接提供以太网接口，主干连接普遍使用光纤和数字用户线（DSL）。另一方面，每一用户的住宅内都有1个独立的室内PLC部分，由室内控制器（IC）控制，IC控制室内适配器（IA），为最终用户提供标准网络（以太网络、UBS和模拟电话线等）接口[3，4]。

图1　电力线通信（PLC）网络结构

近年来，随着Internet技术和数字调制技术的飞速发展，宽带电力线通信技术成为目前发展前景十分看好的宽带接入技术。宽带PLC接入的显著优点是利用现有的电力线网络，不需要重新布线，网络覆盖范围广，连接方便，可以快速地实现宽带接入。缺点是利用中低压电力线信道传输高频通信信号，会遇到交流噪声对数据的损害以及信号衰减等问题，另外还存在与其他无线电业务之间的电磁兼容问题。

　　3、BPLC中的电磁兼容问题
电力线通信中的噪声主要来源于与低压电网相连的所有负载以及无线电广播的干扰等，所以沿电力线传送数据时会碰到许多意想不到的问题。一般为了达到数Mbit/s以上的数据传输速率，必须采用数MHz以上频段。但在当前的技术条件下，可能会引发电磁干扰（EMI）问题。BPLC所采用的1～30MHz频段已经被国家无线电委员会分配给其他无线电应用了，如固定业务、移动业务、无线电定位、无线电导航、广播电台、业余无线电业务、卫星业余业务和射电天文等。因为BPLC系统的载波信号能量可能辐射到周围空间，对此频段内的无线电业务造成影响，因此必须有效地解决由BPLC系统引发的EMI问题，以保护在这个频段内的无线电业务。
3.1　BPLC通信系统内的电磁兼容
电力电缆是按照50Hz或60Hz低损耗输电要求设计的，当把它们用于高速数据传输时，意味着必须传送9kHz～30MHz频率之间的信号。在这个HF频段上传输的信号，电力电缆会有泄漏，部分高频信号功率会以电磁波的形式辐射出去。此时电力线信道好像一个开放的无线信道，在受到噪声、多径衰落和干扰影响的同时，也会对其他信号形成干扰。为了实现数据高速传输、信号衰减最小，目前发展的宽带电力线通信采用1.6～30.0MHz的最佳数据传输频段，其中集中了短波无线电广播、海岸电台、固定和移动通信短波频段等众多用户。当电力线调制解调器工作时，电力线将产生较高的泄漏电波，所以会对这个频带内的无线电业务造成电磁干扰（EMI）。BPLC系统会对传输频带内其他无线电通信造成干扰，主要是对无线电通信频率的重叠区间产生干扰，其大小与发送功率、距离及布线的具体情况相关。当BPLC系统应用规模扩大时，电力线将形成一个天线阵，可能产生辐射的累积效应。
此外，电力线作为高速数据传输的媒介时，本身会遇到许多噪声干扰。首先，与低压电网相连的所有负载如开关电源、家用电器等，会引起电力线上电流的波动，使得电力线的周围产生电磁辐射，在电力线传送数据时产生不可预料的噪声干扰；其次，由于电力线上接入了很多电气设备，这些负载的开关是随机的，因而导致电力线的特性随时间不断地变化，很难进行阻抗匹配。所以电力线通信的环境极为恶劣，为了保证数据传输的质量，必须采用许多相关的技术加以解决。
3.2　相邻BPLC通信系统之间的电磁兼容
随着BPLC系统的广泛使用，不同BPLC局域网之间可能出现电磁辐射的叠加效应。重复使用相同频率的相邻BPLC系统之间会相互干扰（即小区间干扰）。在室外PLC网络中，尤其在小区的边缘会产生这种干扰，这主要是由电缆末端（位于路边配电盒或链路盒）的残余串话造成的。但实际在室外很少发生小区间干扰，因为辐射骚扰的电场强度随距离增加的衰减很大，按照目前建筑物间的间隔距离，辐射骚扰的叠加不会很明显。室内相邻PLC系统之间的干扰是主要问题。多数情况下，在相邻室内控制器（IC）之间室外通路的损耗是接近或者小于室内链路损耗的，所以在小区之间对上行时隙和下行时隙的使用进行协调，就可把IC之间的干扰降至最低。实际中为了降低小区间干扰，可以把IC定义为一组潜在干扰IC的同步主控器，或者将IC耦接在配电表盘之后。但未来随着BPLC接入系统的扩大应用，通信网络内节点数目会大量增加，小区间干扰将更加频繁地发生，因此必须引入更有效的干扰检测和减小措施。
4、BPLC中电磁辐射的测量
BPLC的电磁干扰能否得到有效测量，是BPLC能否推广应用的必备因素。目前对BPLC电磁辐射的测量还没有一个统一的标准，但有一个统一的认识就是应该将BPLC系统作为一个干扰源。对BPLC电磁辐射的测量主要是测量有天线效应的电力线，因为BPLC系统的设备体积都在0.5m之内，在1～30MHz的频带内相对于电磁波的波长（10～300m）小得多，根据电磁辐射理论，设备产生的辐射非常小，因此BPLC系统的电磁干扰主要来自于电力线的传导干扰。在电力线附近的电磁场可分为导波和辐射波两种类型，导波是主要电磁场，辐射场很小，随着离导线距离的增加，导波迅速衰落，以辐射场为主。考虑到建筑物的影响，辐射场的实际衰减速度要比（理论衰减速度）快得多。
通常，电场强度E是用来评估和描述电磁干扰的，但市场上现有的电场传感器的精度仅仅允许测量垂直场量，所以通常采用磁场传感器来测量BPLC系统的辐射，如图2所示，然后乘以波阻抗转换成电场强度。在低压配电线中注入信号（图中用内阻为50Ω的电压源Us表示），由于低压配电网在高频下的阻抗特性变化很大，所以配电线信号耦合器不但要有通高频、滤低频的作用，以尽可能减小注入配电网的信号能量衰减，还要能自适应地将线路阻抗Pin匹配到50Ω。按照测量距离与电磁波波长相比较而言，电磁辐射场可划分为远场和近场，在测量电磁辐射时，为了达到测量的真实性，必须尽可能屏蔽外界对BPLC系统的电磁干扰。按照电磁理论，在BPLC系统处于远场的情况下即电场与磁场的方向正交，辐射电场强度EPLC可以由磁场强度H和自由空间阻抗（Z=377Ω）计算得：
EPLC=Z·H（V/m）
但由于实际的测量受电磁屏蔽空间的限制（因为30 MHz以下的电磁波较长），测量的距离很可能落在近场范围内，而无法达到远场的效果，因此现在大多数测量结果只是在近场情况下测得。在近场内测量时，波阻抗是377Ω的2～3倍，由于波阻抗变化较大，实际在近场测量时常采用平均值，意味着转换过程中可能因为系数关系而引入误差。因此，这种近场的测量就无法评估BPLC系统远场的干扰效果。这种近场的测量数据只能用来评估工作距离较近的不同设备之间可能产生的干扰，很难通过推算获得远场的电磁辐射值。

图2　使用磁场传感器测量BPLC辐射场

将整个BPLC系统作为干扰源也为电磁辐射的测量造成了困难。由于电场强度依赖于电力线网络中多个参数，如几何架构、负载、电力线物理特性等，为了定义不同网络架构中的电场强度，要在不同的区域（室内、室外）测量磁场，这些结果会因为实际的BPLC应用环境而千差万别。所以，在标准化中不可能只使用一种电场强度，要根据网络结构、环境位置、电力线参数等定义不同的电场强度。
5、改善BPLC系统电磁兼容性的措施
由于BPLC系统中传输的是高频信号，且电力线没有屏蔽措施，由此产生的电磁辐射会对这个频段内的短波无线电造成电磁干扰；同时电力线通信在复杂的电磁环境下工作，也会受到其他噪声骚扰的影响。为了加快BPLC技术的发展速度和扩大其应用范围，必须逐步改善BPLC系统的电磁兼容性。目前，有效控制BPLC系统电磁辐射的方法是通过控制载波信号的功率来减少能量辐射。另外，根据电磁辐射机理，还可以采取以下几项措施来提高BPLC系统的电磁兼容性：
（1）充分利用或改善BPLC系统电力线的对称性。
BPLC系统的辐射强度取决于PLC网络或其电缆的对称性。对称性是按导线与地之间的阻抗来定义的，对二线电力线而言，如果每一导线和地之间的阻抗相等，则视该线路为对称或平衡。为了减小电磁辐射，信号应尽可能实现理想的异模传输（即信号导线上的异模电流大小相等，但方向相反，无辐射），所以线路必须对称。相反，线路不对称会导致不希望的共模。共模电流在两根导线上并行流动，经地而返回。共模电流一般会产生辐射。高度对称线路的特征是异模电流与共模电流的比值很大，故辐射非常小。
具体措施有三个。一是将滤波器安装在紧邻变压器和紧邻家庭用户的连接点上，或者直接在电力线调制解调器内部引入滤波器[5]。这样既可以保持PLC信号的异模传播，又可以阻止PLC信号进入辐射效率高的导线或其他附接设备，这种方法很有效，但成本较高。二是选择对称性好的导线，例如4芯电缆，但此法不适用于室内网络。三是采用变压器和共模扼流圈降低共模噪声，该技术可应用于PLC调制解调器；同时对PLC系统收发模拟电路进行改进，以减低电力线的泄漏电场。
（2）减小BPLC系统中高频信号的功率谱密度。
由于BPLC信号的电磁辐射是在30MHz以下的有限带宽内度量的，故减小BPLC信号的功率谱密度（PSD）能立即降低辐射电平，但不影响总的发送功率。因此，BPLC系统适宜采用宽带调制技术，但其扩频效率受电力线低通特性的限制。
（3）合理选择OFDM调制技术的有关参数。
对于BPLC应用来说，首先要考虑在1～30MHz频带内没有分配给其他无线电业务的频段。为了适应这种频带不连续的情况，目前用于高速数据传输的BPLC系统多数采用正交频分复用（OFDM）技术，OFDM采用多载波调制，可以灵活选择子载波频率以避开已经使用的某些频段，在频带间隙中增加发射功率谱密度，从而彻底消除对这些频段的干扰。与此同时，当BPLC通信系统受到开关脉冲等噪声干扰时，可适当降低某些子载波上的数据传输速率，以提高整个系统的数据传输性能。
（4）引入网络调节等组网技术。
由于一个典型的BPLC接入网络可能覆盖数百米，因而我们可以认为电磁干扰对于不同的网段会有不同程度的影响。在这种情况下，BPLC网络受到所谓的选择性干扰的影响，例如网络中的工作站会因为处于网络中的不同位置而受到不同干扰的影响。此时，可以根据噪声源的位置，对不同网络部分的电力线实施网格保护等措施。
6、结语
随着配电网的扩大和通信技术的发展，宽带电力线通信技术正处在高速发展过程中，如何利用现有的低压配电网实现宽带接入和高速数据传输引起了各国电力公司的高度关注。作为一种资源广泛的通信网络，电力网结构复杂，电力传输线没有屏蔽措施，容易受到干扰噪声的影响多而且BPLC系统的载波频率和短波无线电频段有重叠，有可能造成电磁骚扰，因此电磁兼容技术成为发展宽带电力线通信的重要技术之一。通过BPLC调制技术和电力网组网技术的不断完善，BPLC系统的电磁兼容问题正逐步得到改善。随着电磁兼容相关研究的展开以及相关标准的制定，BPLC技术的应用会有一个健康快速的发展前景。
参考文献
[1]　梁明，梁恩明，宋晋冀等.高速电力线通信的关键技术[J].电工技术杂志，2004，4：11-14.
[2]　王小虎.电力系统自动化设备的电磁兼容技术[J].广西水利水电，2006，3：76-79.
[3]　Lin Yuju，Latchman A H，Lee Minkyu et a1.A Power Line Communication Network Infrastructure for the Smart Home[J].IEEE Wireless Communications:2002，9（6）：104-111.
[4]　Liu Weilin，Widmer Hanspeter，Raffin Philippe.Broadband PLC Access　Systems　and　field Development in European Power Line Networks [J].IEEE Communications Magazine.2003，41（5）114-118.
[5]　丁道齐.要正视和研究电力线通信技术发展中的关键问题[J].电力系统通信，2003，4:1-12.