電力線載波通信EMI濾波電路研究

摘要：電力線通信是一個(gè)正在發(fā)展的嶄新學(xué)科，但由于電力線傳輸?shù)臒o(wú)屏蔽性，給電力線通信帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾與電磁兼容問(wèn)題。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(duì)EMI濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)于抑制電力線載波通信EMI的可行性。
關(guān)鍵詞：電力線載波通信；電磁兼容；共模干擾；EMI濾波

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(guò)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(wú)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(duì)EMI濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(wèn)題分析
1．1 電磁兼容分析模型
一個(gè)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(duì)于一般的電磁兼容問(wèn)題的基本分析模型如圖1所示。

對(duì)于PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(hào)加到電力線上時(shí)，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(duì)無(wú)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(duì)應(yīng)的被干擾設(shè)備是無(wú)線通信和廣播信號(hào)；另一種是沿電力線的傳導(dǎo)騷擾，主要造成對(duì)電能質(zhì)量的影響。因此PLC系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題涉及多個(gè)PLC系統(tǒng)的共存，以及與無(wú)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(lái)設(shè)計(jì)的，不具備電信網(wǎng)的對(duì)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(wèn)題正是由于電力線的這種對(duì)地不對(duì)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(hào)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(chǎng)相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互疊加，所以電力線的干擾主要來(lái)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(duì)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(duì)稱性。高度對(duì)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?？梢赃x擇對(duì)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(hào)的功率譜密度
減小PLC信號(hào)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(gè)子載波上，使各子載波的信號(hào)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(hào)的異模傳播，又可以阻止PLC信號(hào)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(duì)EMI濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。