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電力線載波通信電磁兼容技術(shù)問題分析

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電力線通信技術(shù)目前發(fā)展非常迅速,現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入初步應(yīng)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(shù)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(fù)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(shù)也成了實(shí)現(xiàn)電力線通信所需的關(guān)鍵技術(shù)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(chǔ)上,對EMI濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波網(wǎng)絡(luò)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(shè)備,而且要考慮當(dāng)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(shè)備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復(fù)雜的,是不同的途徑相互作用的結(jié)果。總體上分為兩種,一種是空間的輻射,對應(yīng)的被干擾設(shè)備是無線通信和廣播信號;另一種是沿電力線的傳導(dǎo)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(luò)的共存等。
  1.2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理
  由于電力線的特性和結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jī)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(rèn)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(qiáng)度取決于PLC網(wǎng)絡(luò)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。可以選擇對稱性好的導(dǎo)線,例如4芯電纜,但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò),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(shù),但其擴(kuò)頻效率受電力線低通特性的限制。
  (3)合理選擇調(diào)制技術(shù)
  OFDM是一種高效的調(diào)制技術(shù),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(shè)計(jì)EMI濾波網(wǎng)絡(luò)
  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。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。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。
  2 濾波電路設(shè)計(jì)
  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(shè)計(jì)濾波電路時,也應(yīng)考慮到差模干擾的抑制。
  EMI濾波電路基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(fù)極高頻干擾電流導(dǎo)入地線(共模),或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導(dǎo)入電源負(fù)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(shí)驗(yàn)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(luò)濾波性能仿真
  圖4為干擾噪聲隨頻率關(guān)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(luò)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(luò)輸出結(jié)果分析
  當(dāng)采用輸入為24 V,輸出為12 V,功率為25 W的開關(guān)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(luò)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(shù)作為一種強(qiáng)有力的手段,有著雄厚的發(fā)展基礎(chǔ)和廣闊的市場,應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dāng)復(fù)雜,負(fù)載多、噪聲干擾強(qiáng)、信道衰減大,通信環(huán)境相當(dāng)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(shù)和編碼技術(shù)的改進(jìn),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(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。
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