电力线载波通信差模传导骚扰测试方法研究

王 毅，邓子乔，温慧安，侯兴哲，李松浓，孙洪亮

(1.重庆邮电大学，重庆 400065； 2.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123；3.国网重庆市电力公司博士后科研工作站，重庆 401123)

0 引 言

电力线通信(power line communication,PLC)系统是一种基于低压配电网的通信系统，能够应用于抄表系统、宽带接入、物联网等信息领域，其运用范围广、发展前景广阔。PLC系统利用低压配电网络，无需进行额外布线，充分利用了已有电力资源，具有良好的经济效益[1]。继智能电网后，能源互联网已成为人们关注热点[2]。能源互联网是能源和互联网的深度融合系统，其中，电力线载波通信技术是能源互联网中信息数据通信关键技术之一。近年，宽带电力线载波通信技术飞速发展，在用电信息采集系统本地信道中得到广泛应用，具有通信速率快、通信质量高等优点[4-5]。

然而，电力线所处的电磁环境与双绞线等通信专用信道截然不同，电力线本身承载着对不同工作模式、不同类型家用电器，如空调、洗衣机、电吹风、电脑、电视、充电设备、开关电源等，给电网带来较强的电磁干扰，同时这些设备的随时切入切出造成电力线负载阻抗的变化，且某些设备还具有时变的阻抗特性，这给电力线中信号的传输带来了极大的挑战[6-7]。

为对电力线通信系统的电磁环境建立一个统计模型，并对家用电器的传导骚扰值加以限制以满足电力线通信系统的正常工作。从电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)测试角度，本文提出了一种针对电力线载波通信系统的家用电器差模传导骚扰的测试方法。目前对于差共模骚扰分离技术已有较多研究，主要可分为3类：软件分离法[8-9]，电流探头分离法和额外网络分离法[10-12]。文献[8-9]提出了一种基于软件的差模骚扰测试方法，然而这类方法一般同时需要两相间骚扰数据，对实时要求高；电流探头分离法虽然简单，其精确性却较低[10]，且其差模骚扰测试方式不易于操作；Paul提出了一种基于网络的差模骚扰测试方法[10]，同时文献[11-12]通过0°/180°射频功率合并器实现共模差模传导骚扰测试，此外文献[13]提出了分离网络在电力线噪声中的应用并对分离网络中元器件性能改善进行了深入探讨。然而，文献[9-13]所给出的分离方法都是基于双端口的线性阻抗稳定网络(line impedance stabilization network, LISN)，即需要同时获取L相与N相的骚扰。

文献[8]已提出了一种面向单端口LISN基于软件的测试方法，而其精确性却受到限制。为在硬件上实现更为准确的差模传导骚扰测试，本文在传统的传导骚扰(conducted emission, CE)测试基础上，提出了一种基于宽带电力线载波通信信号耦合装置的差模传导骚扰测试方案，以提取电器电源端子差模骚扰信号。在电磁兼容实验室中通过该测试方法，对几种典型的家用电器进行了测试，结合测试结果进行了分析并将其与传统测试获得的骚扰值进行比对，结果表明，差模传导骚扰相较于传统骚扰具有更大的骚扰幅值。

1 基于电力线通信耦合装置的差模传导骚扰测试方法

图1给出了传统EMC传导骚扰测试方法，包含LISN，EMI测试接收机(EMI test receiver)等辅助设备[14]。LISN为EMI测试接收机提供了稳定的输出阻抗，同时隔离电源中不必要的射频电磁骚扰。

图1 传统传导骚扰测试框图Fig.1 Conventional conducted emission measurement system

图2为传统EMC传导骚扰测试等效电路，差模传导电流idm与共模传导电流icm给出如下定义

icm=iL+iN

(1)

idm=(iL-iN)/2

(2)

(1)—(2)式中，iL与iN分别为火线与零线上的骚扰电流。

图2 传统传导骚扰测试等效电路Fig.2 Equivalent circuit of conventional conducted emission measurement system

由于LISN输出阻抗稳定为50 Ω，能够得到测试电压VLE与VNE

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

(3)

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

(4)

通过(3)—(4)式不难发现，LISN输出传导骚扰信号既包含有差模骚扰信号也包含共模骚扰信号，而对电力线通信造成影响的主要因素是差模骚扰[15]。为能够提取差模传导骚扰，本文提出了一种基于电力线通信耦合装置的差模传导骚扰测量方法。

为确保本文提出的差模骚扰测试方法的有效性，需要对该耦合装置分别进行共模抑制测试，差模传输测试以及阻抗测试。其中，文献[16]给出了对差模传导骚扰测试设备的基本要求。

①对差模信号分量的衰减足够小；

②对共模信号分量的衰减足够大；

③在测试频段(150 kHz～30 MHz)内具有平坦的幅频特性；

④与EMI测试接收机阻抗匹配(50 Ω)；

⑤低失真度，对LISN和EUT影响较小。

图3给出了一种典型的电力线通信耦合装置。在传统的测试系统中，通过耦合装置，将被测设备电源端子中的差模骚扰信号传输至EMI测试接收机，其中，耦合装置电容一般采用安规电容，用于隔绝50 Hz的工频电压，保证EMI测试接收机的使用安全，射频变压器将150 kHz～30 MHz的射频信号耦合至输出端。

图3 电力线通信耦合装置Fig.3 Coupler in PLC

图4给出了改进后的测试方案等效电路，其中，VDM即为待测设备的差模传导骚扰。

图4 改进测试方案等效电路Fig.4 Equivalent circuit of the proposed measurement system

电力线通信耦合装置差模传输衰减如图5所示。结果表明，在150 kHz～30 MHz频域上，所使用耦合装置幅频特性接近平坦且衰减较小。此外，该频段内耦合器输出阻抗约为50 Ω，保证了测试系统的准确性、测试结果的有效性。

图5 耦合装置差模传输衰减Fig.5 Attenuation character for the power line coupler

图6给出了耦合装置共模抑制衰减测试结果。在150 kHz～25 MHz频段，对共模骚扰具备较好抑制效果；在25～30 MHz频段，衰减为30～40 dB。

图6 耦合装置共模抑制衰减Fig.6 Common mode rejection for the power line coupler

通过对图5和图6的分析可知，该电力线耦合装置能够有效地对共模信号进行抑制，对差模信号进行提取。故本文提出的基于电力线通信耦合装置的差模传导骚扰测试方法能够有效地对差模传导骚扰进行测量。

2 典型家用电器传导骚扰测试

2.1 家用电器的分类

家用电器由于其供电及工作方式的不同使得测试结果呈现出不同而有规律的特征。家用电器的合理分类，能够更好地总结出家用电器的差模传导骚扰的一般规律，并对不同类别的骚扰进行有效地限制。

通过对大量家用电器的实际测试，我们将其简要归纳为4类。

①家用电动器具。是指具有电动机及含有类似装置的家用电器，如：风扇、空调、洗衣机、电冰箱等；

②家用电热器具。是指具有电发热器及含有类似装置的家用电器，如：电热水壶、电热毯、浴霸、熨斗等；

③家用适配器供电器具。是指利用开关电源供电的装置及含有类似装置的家用电器，如：LED灯、手机充电器、路由器、笔记本电脑等；

④家用电磁器具。是指具有电磁发射装置的器具，如：电磁炉、微波炉等。

2.2 测试方法及步骤

主要试验设备：EMI测试接收机一台(R&S ESCI7)、EMI专用测试软件一套(R&S EMC32)、V型线性阻抗稳定网络一台(R&S ENV216)、耦合装置以及射频线缆等。

依据图4给出的差模传导骚扰测试系统，该测试实验环境及布置应按照文献[17]中的准则严格执行，但在实验设备连接方式上应当注意，LISN输出端需要匹配50 Ω终端负载。相应测试流程如下。

①利用电源滤波器过滤掉外部噪声对LISN进行供电，并利用被测设备口为被测设备供电；

②将耦合装置与被测设备电源线并接，并用射频线缆通过BNC接口与测试接收机的输入口相连；

③用PCI-GPIB卡及线缆将PC机与EMI测试接收机、LISN相连，运行EMC32测试软件，检测实验设备连接的正确性；

④将被测设备正确放置于测试桌上并打开电源，待其工作进入稳定状态后方可进行测试；

⑤在PC上对测试频段、限值进行设置并开始测试，测试完成后保存获取的准峰值、均值的原始数据。

3 测试结果

在上述家用电器简单分类基础上，对各类家用电器进行了传导骚扰测试，有选择性地给出了典型电热水壶、LED灯与手机充电器传导骚扰测试结果以及GB 4343.1—2009标准限值。测试结果表明，低于30 dBμV的电平可看作背景噪声干扰，测试频率范围均为传导骚扰所要求的150 kHz～30 MHz[17]，测试结果也给出了混模传导骚扰与差模传导骚扰。

3.1 电热水壶传导骚扰测试

图7给出了电热器具典型代表电热水壶的混模与差模传导骚扰测试结果。结果显示，在500 kHz～1.5 MHz频段，其差模传导骚扰比混模传导骚扰大6 dBμV左右。

图7 电热水壶混模与差模传导骚扰比对Fig.7 Comparison of mix mode and differential mode emission from electric heater

3.2 LED灯传导骚扰测试

LED灯传导骚扰如图8所示，其差模传导骚扰在150 kHz频点左右已超过标准限值。在2～8 MHz频段，其差模传导骚扰比传统骚扰大6～8 dBμV。

图8 LED灯混模与差模传导骚扰比对Fig.8 Comparison of mix mode and differential mode emission from LED lights

3.3 手机充电器传导骚扰测试

图9给出了手机充电器的混模与差模传导骚扰。其骚扰电平较大，主要分布在150 kHz～18 MHz与25～27 MHz。虽然混模骚扰与差模骚扰皆未超过标准限值，但是在150 kHz～5 MHz频段内，其差模传导骚扰比传统骚扰大4～6 dBμV，在12～13 MHz频段，差模传导骚扰比传统骚扰大5 dBμV左右。

图9 手机充电器混模与差模传导骚扰比对Fig.9 Comparison of mix mode and differential mode emission from phone charger

4 结 论

实验表明，本文提出的差模传导骚扰测试方法能有效对家用电器的差模传导骚扰进行测试。传统的传导骚扰测试中既有共模骚扰也包含有差模骚扰，但差模骚扰为主要的骚扰因素。通过测试结果对比可以看出，这种差模传导骚扰测试的方式能够有效地对差模骚扰进行提取，抑制共模骚扰，使得接收机能够进行差模传导骚扰测试。

从测试结果可以看出，各类家用电器的差模传导骚扰有各自的特点，这与各类家用电器的电路结构不无关系，但绝大部分的骚扰都集中在15 MHz以下，恰巧覆盖在电力线载波通信所占用的频段，若干扰情况较为恶劣甚至会影响到电力线通信设备的正常工作。这也体现出对于家用电器差模传导骚扰测试的重要性。

在宽带电力线载波通信技术重要性日益加深的今天，其在用户数量已过亿的用电信息采集系统以及未来能源互联网双向信息通信的实现上起着至关重要作用。本文所提出的差模传导骚扰测试方法能够对电网负载低压配电网环境中的差模传导骚扰进行测量，为建立电力线差模传导骚扰限制标准提供了理论依据和实验手段，在提高电力线载波通信性能方面具有重要意义。