電力線載波通訊電磁相容技術問題分析
General 更新 2024年11月22日
電力線通訊技術目前發展非常迅速，現在已經進入初步應用階段。PLC系統充分利用電力系統的廣泛線路資源，通過OFDM等技術可以在同一電力線不同頻寬的通道上傳輸資料。但是由於電力線傳輸的無遮蔽性，電網的穩定性比傳統的通訊網差得多，使得電力線通訊線路的電磁環境極為複雜，這就給電力線通訊系統提出了更高的電磁相容要求，電磁相容技術也成了實現電力線通訊所需的關鍵技術之一。本文在深入分析了電力線通訊系統產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，並通過實驗驗證了該濾波網路對於抑制電力線載波通訊EMI的可行性。
l 電力線載波通訊電磁相容問題分析
1．1 電磁相容分析模型
一個電子系統如果能與其他電子系統相相容的工作，也就是不產生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統與區環境電磁相容。對於一般的電磁相容問題的基本分析模型如圖1所示。
對於PLC系統來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC裝置，而且要考慮當訊號加到電力線上時，由於電力線是一種非遮蔽的線路，有可能作為發射天線對無線通訊和廣播產生不利影響。此外還要考慮多種PLC裝置間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常複雜的，是不同的途徑相互作用的結果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被幹擾裝置是無線通訊和廣播訊號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此PLC系統的電磁相容問題涉及多個PLC系統的共存，以及與無線網路的共存等。
1．2 PLC系統電磁干擾產生機理
由於電力線的特性和結構是按照輸送電能的損失最小並保證安全可靠地傳輸低頻***50 Hz***電流來設計的，不具備電信網的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通訊網所必須具備的通訊線路電氣特性。而PLC系統所產生的電磁干擾問題正是由於電力線的這種對地不對稱性產生的。
電力線產生干擾的機理有兩種***如圖2***，一種是電力線中的訊號電流Id***差模電流***迴路產生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產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系統電磁相容性的主要措施
***1***充分利用或改善PLC系統電力線的對稱性
PLC系統的輻射強度取決於PLC網路或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特徵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線，例如4芯電纜，但此法不適用於室內網路，而且成本較高。
***2***減小PLC系統中高頻訊號的功率譜密度
減小PLC訊號的功率譜密度***PSD***能降低輻射電平，但不影響總的傳送功率。因此，PLC系統適宜採用寬頻調製技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。
***3***合理選擇調製技術
OFDM是一種高效的調製技術，其基本原理是將傳送的資料流分散到許多個子載波上，使各子載波的訊號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力。
***4***合理設計EMI濾波網路
將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭使用者的連線點上，或者直接在電力線調變解調器內部引入濾波器。這樣既可以保持PLC訊號的異模傳播，又可以阻止PLC訊號進入輻射效率高的導線或其他附接裝置。本文將主要對EMI濾波網路進行研究設計。
2 濾波電路設計
基於以上對於電力線通訊電磁相容性的分析，可以在電力線通訊系統的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統所產生的共模干擾。由於兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產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濾波電路基本網路結構如圖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，並將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對於共模訊號呈現出大電感具有抑制作用，而對於差模訊號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。由於干擾訊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匯入地線***共模***，或將電源正極高頻干擾電流匯入電源負極***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，共模扼流圈磁芯採用錳一鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3．7 mH。
3．1 EMI濾波網路濾波效能模擬
圖4為干擾噪聲隨頻率關係的模擬模擬，由此可見干擾訊號的頻率越高，則干擾訊號通過該濾波網路後衰減越大。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濾波網路輸出結果分析
當採用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入訊號時，用頻寬為20 MHz的示波器測得濾波前後訊號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網路對干擾訊號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產生的干擾噪聲。
4 結 語
電力線通訊技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發展環境和空間。但是，低壓電力線並不是專門用來傳輸通訊資料的，它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通訊傳輸介質***如雙絞線、同軸電纜、光纖等***不同。它在傳輸通訊訊號時通道特性相當複雜，負載多、噪聲干擾強、通道衰減大，通訊環境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調製技術和編碼技術的改進，通訊訊號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由於共模電流和差模電流產生的共模和差模干擾，今後還有待於結合電磁原理，在PLC裝置和網路的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。
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1．1 電磁相容分析模型
一個電子系統如果能與其他電子系統相相容的工作，也就是不產生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統與區環境電磁相容。對於一般的電磁相容問題的基本分析模型如圖1所示。
對於PLC系統來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC裝置，而且要考慮當訊號加到電力線上時，由於電力線是一種非遮蔽的線路，有可能作為發射天線對無線通訊和廣播產生不利影響。此外還要考慮多種PLC裝置間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常複雜的，是不同的途徑相互作用的結果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被幹擾裝置是無線通訊和廣播訊號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此PLC系統的電磁相容問題涉及多個PLC系統的共存，以及與無線網路的共存等。
1．2 PLC系統電磁干擾產生機理
由於電力線的特性和結構是按照輸送電能的損失最小並保證安全可靠地傳輸低頻***50 Hz***電流來設計的，不具備電信網的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通訊網所必須具備的通訊線路電氣特性。而PLC系統所產生的電磁干擾問題正是由於電力線的這種對地不對稱性產生的。
電力線產生干擾的機理有兩種***如圖2***，一種是電力線中的訊號電流Id***差模電流***迴路產生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產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系統電磁相容性的主要措施
***1***充分利用或改善PLC系統電力線的對稱性
PLC系統的輻射強度取決於PLC網路或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特徵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線，例如4芯電纜，但此法不適用於室內網路，而且成本較高。
***2***減小PLC系統中高頻訊號的功率譜密度
減小PLC訊號的功率譜密度***PSD***能降低輻射電平，但不影響總的傳送功率。因此，PLC系統適宜採用寬頻調製技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。
***3***合理選擇調製技術
OFDM是一種高效的調製技術，其基本原理是將傳送的資料流分散到許多個子載波上，使各子載波的訊號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力。
***4***合理設計EMI濾波網路
將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭使用者的連線點上，或者直接在電力線調變解調器內部引入濾波器。這樣既可以保持PLC訊號的異模傳播，又可以阻止PLC訊號進入輻射效率高的導線或其他附接裝置。本文將主要對EMI濾波網路進行研究設計。
2 濾波電路設計
基於以上對於電力線通訊電磁相容性的分析，可以在電力線通訊系統的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統所產生的共模干擾。由於兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產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濾波電路基本網路結構如圖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，並將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對於共模訊號呈現出大電感具有抑制作用，而對於差模訊號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。由於干擾訊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匯入地線***共模***，或將電源正極高頻干擾電流匯入電源負極***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，共模扼流圈磁芯採用錳一鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3．7 mH。
3．1 EMI濾波網路濾波效能模擬
圖4為干擾噪聲隨頻率關係的模擬模擬，由此可見干擾訊號的頻率越高，則干擾訊號通過該濾波網路後衰減越大。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濾波網路輸出結果分析
當採用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入訊號時，用頻寬為20 MHz的示波器測得濾波前後訊號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網路對干擾訊號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產生的干擾噪聲。
4 結 語
電力線通訊技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發展環境和空間。但是，低壓電力線並不是專門用來傳輸通訊資料的，它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通訊傳輸介質***如雙絞線、同軸電纜、光纖等***不同。它在傳輸通訊訊號時通道特性相當複雜，負載多、噪聲干擾強、通道衰減大，通訊環境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調製技術和編碼技術的改進，通訊訊號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由於共模電流和差模電流產生的共模和差模干擾，今後還有待於結合電磁原理，在PLC裝置和網路的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。
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