电力线通信中高频干扰的测量与计算

电力线通信中高频干扰的测量与计算

徐小平1李同康2

关键词：电力线通信、高频无线电噪声、电磁兼容性、测量计算

1、引言

电力线通信（PowerLineCommunication，PLC）技术是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频信号耦合到电力线上，然后用电线传输，接收信息的调制解调器再把高频信号从电力线中分离出来，并传送到计算机或电话，以实现信息传递。如图1所示。

在家庭网络环境中，PLC使用现有的电力线来进行宽带通信，并提供电信业务。因为电力线在每个家庭中都是存在的。PLC的应用可以被描述为“来自插座的因特网”。PLC的好处是使用了广泛配置的电力网络，实现了通信无需额外配线。当前已有多种高速PLC产品在家庭联网、高速Internet接入、智能家居等方面得到应用。

当使用PLC时，电力线相当于低功率的线性天线，电力线信道好像一个开放的无线信道，承受噪声、衰落、多径的干扰，同时，也会干扰其他信号。电力线长度与30MHZ以下电磁波长相近，且无任何屏蔽措施，很容易向外辐射电磁波，首当其冲的是各类短波无线电服务，如业余无线电、公共无线电、军事短波和飞行控制等敏感服务；这些问题在欧美使用PLC普遍的国家已经凸显，对北约的许多军用设施运行构成威胁。因此，监管部门需要制定了非常严格的电磁辐射限制，以控制PLC网络的电磁辐射对环境的影响。

2、PLC传输系统的架构

PLC技术就是将高速数据信号传入一个本地电力供电网络，对于这个网络电能消费和电信消费是彼此独立的。由于电力网是一个共享的网络，因此，即使只有一个用户需要提供基于PLC的数据业务，本地电力网也要为整个区域传输电信信号。图2显示了将电信网络连接到电能网络的不同的可能的场所。级别1到3被不同的变压器分隔，级别3到4被家庭接入点所分隔。

目前，PLC的应用存在两个分支：1）接入PLC（户外PLC，连接屋内到屋外），它的目标市场是在变电站和用户之间的“最后一英里”，因此对于接入本地电信环路，它是一个可选择的解决方案。2）屋内PLC，它的目标是用于分配信号（例如来自接入PLC或者DSL的信号）到家庭内（家庭网络）的电插头上。

一般地，PLC接入系统使用了整个的低压电流分配网络（LVEDNs）。在企业和住宅地，用于从低压变电器到个人家庭的电力线是地下电缆，而在乡村则大多是架空线。如今，PLC接入系统使用地下电缆，因为架空电力线的高频辐射是非常大的。在很多国家，PLC接入系统一般也包括了中压电流分配网络（MVEDNs）的部分。这些系统可以通过使用现有的中压电力线以像蜂房的形式配置在一个很大的范围内。接入PLC设备包括了接入器（集中器），中继器和分离器。PLC接入器经由光纤或E1、T1线连接到因特网中枢。

3、PLC与高频辐射

携带有PLC信号的PLC设备和电力线可能成为一个辐射体。辐射的量取决于处于无线电频率上的网络的对称性。对称性是与导体和地面间在阻抗上的差异相关的。对于一个具有两根配线的电线，如果在每个导体和地面之间的阻抗是相同的，这根电线就是对称的或平衡的。不对称将导致一个不希望的信号。

PLC线比xDSL电话线具有更差的对称性，产生阻抗不对称性。在传输线上的任何阻抗不对称性可能会直接产生辐射，这种传输线可以来自一个PLC联结设备，一个变压器，电线方向上的一条分支或一个接头。

具有射频信息的电能被接入了两个或更多导体中，没有接出的配线一般作为一个寄生的辐射体工作，因此电力线在一个特定的频率上能够被视作一列天线单元工作。辐射可能来自一个或更多的点辐射体，这个点辐射体是与联结装置和一个或更多的电力线相关的。

在接入系统中的每个接头套管形成了一个特殊的电力线不连续，这是造成高频辐射的原因。在室内系统中，相当一部分高频辐射由照明电路所引起。最近在奥地利发现，PLC信号可能会导致更高的从汞蒸汽路灯上产生的放射，这种放射是在一个很宽的覆盖高频范围中，频率高达3GHz。

4、PLC系统中的电磁兼容性

电磁兼容性（EMC）包括了以下两个方面：（1）、电磁敏感性（EMS）指工作时，该设备可以容忍其他设备，不易被其他设备发射的电磁信号所影响；（2）、电磁发射（EME），指不产生过度的骚扰，该设备发射的电磁信号不会给环境中其他设备带来电磁干扰问题。

在国际电工委员会（IEC）的200个委员会和分委会中，有50个左右的委员会在不同程度上与EMC相关，起主导作用的是“无线电干扰国际特别委员会（CISPR）”，另一个是技术委员会77（TC77），也被称为IECTC77，是CISPR的补充。

PLC在电磁兼容性方面的标准包括：PLC辐射限值标准和PLC传导发射限值标准。

在PLC辐射(RadiatedEmission)限值标准方面，在英国，通过电磁干扰的场景进行了的许多现场试验后，发展了一个叫做MPT1570的新测量程序；德国，于1999年1月在经济事务部之下发表了第一版电磁限值标准，这个后来被称作“NB30”，其标准大约比英国标准低了20dB；美国，提出了FCC15建议，为电力线通信提供了较宽的范围，并且对电磁干扰具有较高的容忍度。

在PLC传导发射(ConductedEmission)限值标准方面，由CISPR（国际无线电干扰特别委员会）制定的一个国际标准CISPR22。EN55022是它的欧洲版本并且它是在EMC的指导下的一个具有统一性的标准。

5、PLC中高频无线电噪声的测量与计算

5.1在远场中所辐射功率的主要特点

图3显示了一个有线传输系统的简化的模型。发射机（PLC）在两根电线之间差动地将信号接入，所测出的功率谱密度的单位是dBm/Hz。如果使用一个理想的电线，可能不会存在由于接入信号的差动性而引起的共模（CM）对地信号，但是实际上这种对地信号是存在的。CM和差模（DM）信号之间的比率由共态抑制比（CMRR）或者纵向变换损耗（LCL）给出。对于差动信号，来自两根配线的辐射将在远场的地方相互抵偿。这种情况并不适用于CM信号，因此这种情况下CM信号将是最主要的辐射源。

CM信号包括了沿着电线传输的CM电流和电压。它们之间的比率由共模阻抗所决定，并且CM电流的返回路径是通过地面返回。欧洲所提议的PLC规章定义了CM电流的上限值。在由网络中的阻抗不连续性而引起的反射波和驻波的情况中，所测的CM电流水平在沿着电线的不同的位置上是不同的。

5.2具有双极子的PLC电线模拟技术

在模拟来自PLC的辐射的模型中，一项技术就是将PLC配线模拟成一套连续的双极子，假设存在的驻波是主要的发射源。因为PLC根本上是一个配线，此双极子是离配线最近的模型。为了实现这样一个目标，需要首先列出此双极子公式。至于双极子的类型半波长和全波长的双极子都是适用的；但是，半波长拥有更宽的半功率波束宽度，因此它是更优越的（波束宽度越宽，交迭的模式越平滑）。

PLC的模拟有两个主要的问题：（1）与离PLC的距离有关的磁场强度衰减的测定；（2）在离PLC的不同距离上的磁场强度的一般的轮廓,并以此评估干扰的影响。

在近场和远场的任何距离上的双极子的准确的解决方案可以通过在图4中所示的几何学方法实现。假定给出了PLC的几何学，在这个例子中圆柱坐标系统比球形坐标系统是更加的实际的，而球形坐标系统在电磁学中是被广泛使用的。

假设沿着Z轴上的任何长度为L的每半个双极子的电流的正弦曲线分布为：

这里k是自由空间的波束（或传播常量），取值为，并且为线性电流。

在圆柱坐标中，场分量通过下面的解答表达式被表达出来。

这里是圆柱坐标(,,z)的半径，是自由空间的固有阻抗。R1，R2和r被给出如下：

随着远离天线，电场的半径分量将会消失。沿着Z轴的电场，是被使用在此模型中的场。在高频范围，在距离天线的一段距离上，远场的近似解是非常适合的。

作者简介：徐小平：女，南京信息职业技术学院，高级工程师，曾就职于南京紫金信息工业公司，从事电力载波通信技术研究，相关成果获得国家科技进步三等奖。李同康：男，南京邮电大学，硕士研究生。

参考文献：

[1]、(德)KlausDostert著；栗宁等译电力线通信[M]中国电力出版社，2003

[2]、齐淑清主编电力线通信(PLC)技术与应用[M]中国电力出版社,，2005

[3]、DL/T1589-2004电力线载波通信设计技术规程[S]，中华人民共和国国家发展和改革委员会，北京，2004

[4]、HalidHrasnica,AbdelfattehHaidine,RalfLehnert；BroadbandPowerlineCommunicationsNetworksNetworkDesign，JohnWiley&SonsLtd,2004

[5]、Soo-YoungJung，AChannelModelforPowerLineCommunicationinHomeNetwork，Proceedingsonthe15thCISLWinterWorkshop，Kushu,Japan，February2002