低壓電力載波通信與電動機類家用電器電磁兼容性影響分析

許中璞，王學偉，李建岐，田海亭

(1．北京化工大學信息科學與技術學院，北京市100029;2．中國電力科學研究院，北京市100192;3．國網(wǎng)冀北電力有限公司計量中心，北京市100045)

0 引 言

用電信息采集系統(tǒng)是堅強智能電網(wǎng)的物理基礎，高速、雙向、實時的通信技術是用電信息采集系統(tǒng)建設的關鍵。低壓電力線載波通信技術能夠充分利用現(xiàn)有的電力線資源，在不影響傳輸電能的基礎上，實現(xiàn)窄帶或寬帶通信，建設成本低、覆蓋范圍廣，在國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的建設中被普遍采用［1-6］。

然而，在我國用電信息采集系統(tǒng)逐漸投入運行以后，全國范圍內多個城市先后出現(xiàn)了家用電器受到低壓電力載波通信影響的情況，其中最典型的是智能電能表的載波通信導致居民漏電保護器發(fā)生跳閘的現(xiàn)象［7］。此類問題的發(fā)生對用電信息采集系統(tǒng)的建設造成了很大的影響。然而，從更廣泛的角度來看，載波通信是否還會對其他家用電器產生影響?反之，這些電器是否會對電力線載波通信可靠性產生影響，影響程度如何，該如何開展相關試驗，這些問題目前都尚未明確。

從電磁兼容原理上來看，低壓電力載波通信相當于在低壓電力線上引入了高頻信號。按高頻信號傳播形式劃分，電磁干擾分為傳導干擾(信號頻率范圍為0.01 ～30 MHz)和輻射干擾(0.03 ～1 GHz)。由此，低壓電力載波(0.050 ～20 MHz)通信電磁兼容影響研究主要圍繞高頻信號的傳導干擾展開。

目前國際相關組織已經(jīng)制定了較為完備的電磁兼容標準，如GB/T 17626.6—2008《電磁兼容試驗和測量技術－射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》給出了射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗;GB 4343.2—2009《家用電器、電動工具盒類似器具的電磁兼容要求 第2 部分:抗擾度》給出了電動工具電磁兼容測試的基本要求［8-9］，但并未給出低壓載波通信對電器電磁兼容影響試驗的相關規(guī)定及相應的試驗方法，而且這類標準只涉及到射頻干擾信號的共模注入試驗，并未給出相關的射頻信號的差模注入試驗。此外，對電磁兼容性的研究，大多集中在通信、電子、電力等產品，而電機產品的電磁兼容性(electro magnetic compatibility，EMC)研究最近幾年才開始［10-12］。作為家用電器的主要驅動，電機與人們日常生活息息相關，而且配電網(wǎng)中數(shù)量最多的負荷為電機，建立電機的載波模型是低壓電力載波通信的重要研究內容。因此，開展載波通信與電機類家用電器的電磁兼容性研究具有重要意義。

本文通過建立低壓電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型以及單相異步電機載波模型，并分析載波對電機的性能影響，在實驗室模擬低壓電力線載波通信對電機類家用電器電磁兼容性影響的共模和差模試驗系統(tǒng)與試驗方法，并選取4 種典型電機類家用電器進行實測分析，最后給出電機類家電對載波通信的可靠性影響分析。

1 低壓電力線載波通信信號傳輸特性

1.1 低壓電力線載波通信信號傳輸特性分析

1.1.1 頻率選擇特性

國外低壓電力載波通信開展較早，美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)定了電力線載波頻帶寬度為9 ～490 kHz;歐洲電氣標準委員會的EN 50065 －1—2001《頻率范圍3 kHz 至148.5 kHz 的低壓電氣設備信號裝置規(guī)范．一般要求、頻帶和電磁干擾》規(guī)定電力載波頻帶為3.0 ～148.5 kHz;日本無線工業(yè)及商貿聯(lián)合會規(guī)定頻帶范圍為10 ～450 kHz。DL/T 790.31—2001《采用配電載波的配電自動化 第3 部分:配電線載波信號傳輸要求 第1 篇:頻帶和輸出電平》規(guī)定，我國低壓電力載波通信信號的頻帶范圍為50 ～500 kHz［13-14］。隨著新一代載波通信正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)調制技術的廣泛應用，目前載波頻帶擴展到20 MHz。

1.1.2 阻抗特性

阻抗是低壓配電網(wǎng)用作載波通信信道的一個重要參數(shù)，其大小直接影響傳輸信號的耦合效率。電力線信道的阻抗特性隨著時間、頻率、接入位置、負載類型、電網(wǎng)結構等因素的不同而變化，電力線信道的阻抗波動大，最大值與最小值差距較大，導致載波裝置不能采用固定的阻抗輸出，增加了發(fā)射端、信道和接收端阻抗匹配的難度，從而導致接收端信號能量無法達到最大，造成傳輸信號的衰減。

1.1.3 噪聲特性

低壓電力線通信信道的噪聲分布與地點、時間、負載的隨機接入與斷開等密切相關，各類噪聲相互獨立。據(jù)國內外研究現(xiàn)狀，目前公認在低壓電力線載波通信環(huán)境中存在三大類噪聲，分別為:

(1)有色背景噪聲。主要由網(wǎng)絡上眾多功率較低的噪聲源疊加而成，功率譜密度相對較低，與頻率相關，隨時間變化緩慢。

(2)窄帶噪聲。多為正弦調幅信號，只出現(xiàn)在一段很窄的有限頻率范圍內，但功率譜密度高，主要是由中短波廣播引起，可由N個獨立正弦波疊加產生。

式中:Ai(t)、fi、φi分別為第i個子載波的幅度、頻率和相角，可以通過測量獲得。

(3)脈沖噪聲。脈沖噪聲又可以分為:1)與工頻異步的周期性脈沖噪聲，噪聲重復頻率一般為50 ～200 Hz，由電視機或電腦顯示器干擾造成;2)與工頻同步的周期性脈沖噪聲，持續(xù)時間很短，頻率覆蓋范圍大，功率譜密度隨功率的升高而下降，主要由可控硅整流器件造成;3)隨機脈沖噪聲，由閃電或網(wǎng)絡負載(冰箱，空調等)的開關操作造成，到達時間隨機，持續(xù)時間在幾μs 到幾十ms 之間。

1.1.4 衰減特性

低壓電網(wǎng)信號衰減分為線路衰減和耦合衰減。線路衰減的主要原因是電網(wǎng)結構復雜，負載具有多樣性和時變性，耦合衰減是由載波通信模塊與線路輸入阻抗不匹配引起的。對高頻載波信號而言，電力線是非均勻分布的傳輸線，各種不同性質的負載在傳輸線上的任意位置隨機地連接或斷開，導致通信系統(tǒng)無法實時地實現(xiàn)阻抗匹配，因此信號會遇到反射、諧振等現(xiàn)象，使高頻載波信號在傳輸過程中表現(xiàn)出明顯的衰減特性。高頻載波信號的衰減與通信距離、傳輸信號頻率以及電源相位等都有密切聯(lián)系。

1.1.5 多徑效應特性

低壓電力線連接的負載阻抗具有時變性和隨機性，是非均勻不平衡的傳輸線。因此，信號在傳輸過程中遇到反射、駐波等情況時，可能會由不同的路徑到達接收端，出現(xiàn)多徑效應現(xiàn)象，傳輸信號如果以微小的時間差到達接收端會產生干涉影響，造成頻率選擇性衰落［15-16］。

1.2 低壓電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型

低壓電力線通信中對于高頻載波信號傳輸?shù)闹饕绊懸蛩厥撬p、多徑效應和干擾噪聲，電力線干擾噪聲主要有背景噪聲、窄帶噪聲以及脈沖噪聲三大類。此外，具有時變性和多樣性特性的負載對信號衰減、多徑效應以及噪聲都具有一定的影響，進而影響低壓電力線載波通信的可靠性。因此，建立了電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型，如圖1 所示。

圖1 低壓電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型Fig.1 Send and receive model of LV-PLC signal

多徑傳輸信道函數(shù)頻域表達式為:

由式(2)得到時域表達式:

式中:cj、τj分別為路徑j 的衰減系數(shù)和時延;n 為路徑數(shù)，n 的選取與實際網(wǎng)絡的拓撲和反射信號的衰減大小有關。

在時域范圍內，可以得到接受信號R(t)為:

由式(3)和(4)得:

式中N(t)為所有噪聲之和。

2 低壓電力載波通信對電機類家用電器影響分析

2.1 載波對電機類家電影響分析

電機類家用電器，如電風扇、冰箱、空調等，電機是其最為核心的部件，盡管各種新型電機層出不窮，目前家電產品中使用最多的仍是單相感應電機，約占市場容量的80%以上。單相感應電機以其結構簡單、生產成本低等優(yōu)勢，在低功率家用電器應用方面占有重要位置［11］。研究載波對電動機類家用電器影響，主要圍繞載波對電器電機的影響展開。

2.1.1 單相異步電機載波模型建立

單相異步電機作為感性負荷的代表，其主、副繞組主要表現(xiàn)為電感特性。電感在高頻時，除了表現(xiàn)其自身的電感特性，還表現(xiàn)一定的損耗電阻和分布電容。此外，繞組在高頻時還表現(xiàn)對地的分布耦合電容。因此，建立的單相異步電機載波等效模型如圖2 所示。

圖2 單相電機載波等效模型Fig.2 Single-phase motor carrier equivalent model

圖2 中:R 為定子和轉子的繞組阻抗;Ld為繞組漏電感;Ct為匝間的分布耦合電容;Cg為線圈到地的分布耦合電容;Re為磁芯和外殼間的漩渦流損耗;Lse和Rse為趨膚效應對定子繞組電阻和漏電感的影響;w、n、g 分別為火線、零線和地線。

2.1.2 載波對電器電機性能影響分析

電力載波通信對電器電機性能的影響分析主要圍繞以下幾個方面展開:

(1)載波對電機的噪聲影響。電機的噪音主要有電磁噪音、通風躁音、機械噪音，這里只分析電磁噪音。載波頻率越低，導致的諧波電流頻率越高，使電機氣隙的高次諧波磁通增加，其表現(xiàn)為較低的諧波分量與轉子固有頻率，以及鐵心、機殼、軸承座的諧振，導致轉子固有頻率附近的噪音增大。

(2)載波對電機的振動影響。電機的振動原因有電磁與機械兩種，這里只針對電磁原因做出分析。電機的轉子，可近似看作為實心圓柱體，因此產生噪聲的主要原因是定子鐵心的振動。如圖3 所示為電機的簡化模型，可以看成一個從內側受到隨時間變化和空間上有一定分布的壓力作用的空心圓柱體。

圖3 電機的簡化模型Fig.3 Simplified model of motor

高頻載波成分進入電機形成電流，流經(jīng)嵌于定子內側的線圈繞組，在電機定子與轉子間的氣隙中形成磁場。據(jù)麥克斯韋定律，在電機氣隙中單位面積的徑向電磁力可表示為

式中:b 為氣隙中磁感應強度;μ0為真空磁導率;t 為時間。這一徑向電磁力隨時間(t)和空間(a)不斷變化，產生行進的力波，其中各分量的一般形式可表示為

式中Ωr為r 階力波的角頻率，當r =0 時，P0沿圓周均勻分布且隨時間作周期性變化，使定子發(fā)生徑向振動。因此，當較低頻率的載波信號注入時，各種頻率的諧波成分分別經(jīng)定子線圈繞組產生磁場，進而產生激振力，可能使電機定子產生振動。

(3)載波對電機的溫升影響。電機內部由鐵芯和繞組線圈組成。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，所謂銅損;鐵芯有磁滯渦流效應，在交變磁場中會產生損耗，其大小與材料、電流、頻率、電壓有關，即鐵損。載波頻率越大，電動機銅損和鐵損可能增加，會導致電機繞組鐵芯(普通硅鋼片)發(fā)熱，進而使電機溫度升高。

(4)載波對電機輸出功率的影響。載波頻率越大，諧波電流頻率增大，電機定子的集膚效應也越嚴重，電機損耗越大，輸出功率越小。

2.2 載波通信對電機類家用電器影響試驗系統(tǒng)設計與試驗方案

2.2.1 試驗系統(tǒng)設計

低壓電力線載波通信對電器的影響本質上屬于低壓電力線上引入了射頻干擾。本文給出模擬載波通信對電機類家電電磁兼容影響的試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)主要可進行兩大類試驗，第一類為模擬載波信號以共模注入影響測試，如圖4(a)所示，第二類為模擬載波信號以差模注入影響測試，如圖4(b)所示。

圖4 試驗系統(tǒng)Fig.4 Test system

本試驗系統(tǒng)使用的設備有:(1)連續(xù)波發(fā)生器(CWS 500 C)產生模擬載波信號;(2)衰減器(ATT6/75)減少射頻信號發(fā)生器同受試設備之間的失配;(3)差模、共模耦合、去耦網(wǎng)絡(couping/decouping network，CDN)/(衰減值都很小，最大不超過15 dB)，將經(jīng)連續(xù)波發(fā)生器輸出的模擬載波信號注入到受試設備輸入端;(4)隔離變壓器(NDK －3000;)主要作用是將受試設備測試系統(tǒng)和電網(wǎng)隔離開;(5) 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(line impedance stabilization network，LISN)，可以隔離電網(wǎng)干擾，為受試設備提供穩(wěn)定的測試阻抗［17］;(6)數(shù)字示波器(安捷倫DS07104B)，用于觀察經(jīng)去耦網(wǎng)絡輸出的實際模擬信號電平與頻率。其中共模/差模CDN 原理圖如圖5 所示。

2.2.2 載波通信對電機類家用電器影響試驗的測試方法

(1)模擬載波信號的形式與電平等級。由低壓電力線載波通信信號傳輸特性及建立的電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型知，電力線傳輸信道存在不同的噪聲干擾，所以為了模擬真實的信道環(huán)境，模擬載波信號需要經(jīng)過1 kHz，調制深度80%的AM 調制。耦合到電力線上的調制載波信號如圖6 所示。當信號發(fā)生器輸出信號電平為10 V，頻率為1 MHz時，耦合到電力線的信號電平為4.5 V。

圖5 共模、差模CDN 原理圖Fig.5 Schematic diagram of common-mode CDN and differential-mode CDN

圖6 耦合到電力線的調制載波信號波形Fig.6 Waveform of modulated carrier signal coupled to power line

GB/T 17626.6—2008《電磁兼容試驗和測量技術－射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》標準中規(guī)定4個試驗等級的試驗信號電平分別為1，3，10 V 和待定。DL/T 698—1999《低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術條件》規(guī)定載波信號最大輸出電平為:3 ～148.5 kHz頻帶的最大輸出信號電平應不超過134 dBμV;148.5 ～500 kHz頻帶的最大輸出信號電平不大于56 ～66dBμV［18］，因此選取注入模擬載波信號的電平為3 ～5 V(均方根值)。

(2)模擬載波信號的頻率點選取。本試驗采用的信號頻率范圍為0.05 ～20 MHz。國內主要載波芯片廠家有東軟，鼎信，福星曉程，瑞斯康，其中東軟和鼎信使用FSK 調制方式，其中心頻率分別為270，421 kHz;福星曉程和瑞斯康使用PSK 調制，其中心頻率點分別為121，132 kHz［19］。因此在50 ～500 kHz載波頻率范圍內，除了基本頻率點121，132，270，421 kHz，從50 kHz 開始，選取的頻率點滿足50 kHz為首項，500 kHz 為末項，等差為50 kHz 的等差數(shù)列;在1 ～20 MHz 頻率范圍，選取的頻率點滿足以1 MHz為首項，20 MHz 為末項，等比為的等比數(shù)列，便于高效測試。

(3)試驗現(xiàn)場布置要求。1)測試環(huán)境:溫度23 ～25 ℃，相對濕度62%;2)差模CDN、共模CDN以及去耦網(wǎng)絡與受試電器之間連接電纜的長度為0.1 ～0.3 m，不允許捆扎或盤成圈;3)受試電器、輔助設備(隔離變壓器，LISN)置于距地參考平面上面0.1 m 高的絕緣支架，并且受試設備距任何金屬物體至少0.5 m 以上;與受試設備連接的電纜放置于接地參考平面上方至少30 mm 高;4)試驗系統(tǒng)的各個設備試驗前應進行校準，避免產生測試誤差。

(4)試驗項目與性能判據(jù)。

1)試驗項目說明。需要測試的電機指標有:振動、溫升、噪聲、輸出功率。此外，電機類家用電器還有其他功能，如指示燈顯示等。以家用電風扇為例，測試的項目有指示燈顯示，檔位切換、開關功能、定時、遙控、電機振動、溫升、噪聲、輸出功率。測試對象:電風扇、電冰箱、空調、加濕器。以上電器的電機均使用單相異步電機。溫度測試的具體測試方法為，不加載波情況下，電器正常工作，從某一時間點開始，用手持式紅外測溫儀每隔30 s測試一次電器電機溫度并記錄數(shù)據(jù)，10 min 時間段內連續(xù)記錄20 組數(shù)據(jù);模擬調制載波信號分別以差模注入和共模注入，用紅外測溫儀分別測得電器在不同頻率載波以不同方式注入時的溫度。輸出功率測試方法為，首先用PRS1.3 三相多功能標準表測得不加載波情況下電器正常工作時線路電壓，電流，功率因數(shù)以及有功功率作為基準數(shù)據(jù);其次分別測得電器正常工作狀態(tài)下模擬載波信號分別以差模和共模兩種方式注入時線路電壓，電流，功率因數(shù)以及有功功率作為對比數(shù)據(jù)。

2)性能判據(jù)。性能指標主要包括家用電器的基本功能，如開關與檔位切換功能，指示燈顯示、定時等是否出現(xiàn)功能喪失，以及電器核心構成部分－電機的性能指標，如振動，噪聲，溫升，輸出功率等是否出現(xiàn)性能降低。性能判據(jù)可分為4個等級，A:在技術范圍內性能正常;B:功能和性能暫時性降低或喪失，但可自行恢復;C:功能和性能暫時性降低或喪失，要求操作人員干預或系統(tǒng)復位才能恢復正常;D:由于設備(元件)和軟件的損壞和數(shù)據(jù)喪失，而造成不可自行恢復的功能降低或喪失［20］。

(5)試驗測試結果及分析。1 kHz，80%AM 調制，信號電平為3 ～5 V(有效值)的不同頻率的模擬載波信號分別以差模和共模兩種方式注入線路時，測得相關數(shù)據(jù)如表1 所示。

由表1 可知:(1)各電器接入線路正常時，以共模和差模兩種方式注入載波信號，測得的線路電壓、電流、功率因數(shù)、輸出有功功率與無載波注入時各參數(shù)對比，各參數(shù)呈現(xiàn)一定的波動。(2)在載波信號注入短時間內(30 s)，各電器電機溫度升高，但不明顯;電風扇電機，空調及電冰箱壓縮機，加濕器電機均無明顯振動，無明顯噪聲。(3)電風扇、電冰箱、空調、加濕器開關、檔位切換，定時功能，指示燈顯示功能，遙控等功能正常，以上均符合性能判據(jù)A 的要求。以上實驗結果說明，雖然高頻載波信號會導致受試電器線路電壓、電流呈現(xiàn)較小范圍的上、下波動，有功功率呈現(xiàn)較小范圍的減少，但這些影響并未使電器表現(xiàn)出性能指標或者功能喪失。符合性能判據(jù)A 的要求。

表1 測試結果Tab.1 Test results

3 電機類家用電器對低壓電力載波通信影響分析

載波信號在電力線信道傳播時的噪聲、衰減、阻抗、多徑效應與具有多樣性和時變性特性的電力線負載有很大的聯(lián)系。文獻［21］給出了家庭電力線網(wǎng)絡的典型結構，如圖7 所示。

圖7 家庭電力線網(wǎng)絡的典型結構Fig.7 Typical structure of power line network

由圖7 可知，家庭電力線負載主要有電燈、電視機、電腦、冰箱、電風扇、空調等。其中，電燈屬于阻性負載，電視機和電腦屬于容性負載、冰箱、電風扇、空調屬于感性負載，且在家用電器中占有較大的比例。因此分析電風扇等電動類家用電器對電力線通信的影響具有重要的意義。

(1)對載波通信噪聲干擾的影響。電機類家電產生的噪聲主要有兩類，由開關切換造成的脈沖噪聲干擾以及運行過程中產生的背景噪聲干擾，可能會引起載波信號數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送位或串的突發(fā)性錯誤。

(2)對載波通信線路阻抗的影響。電機類家用電器阻抗迥異，從幾十到上千Ω不等，以及各個電器的隨機接入與斷開，造成線路阻抗的不均勻，容易導致傳輸信號的衰減。此外，電器阻抗和線路本身阻抗有可能組成諧振電路，當載波信號頻率在諧振頻率附近時，諧振電路阻抗小，導致載波信號衰減量增大。

(3)對載波信號衰減的影響。對高頻載波信號而言，感性負載阻抗較大，衰減較小;但是，當線路阻抗和負載阻抗失配時，容易造成載波信號的反射(多徑效應)、駐留等現(xiàn)象，引起信號的復衰減，主要包括幅值衰減和相位偏移問題。

4 結 論

(1)通過分析載波通信信號傳輸特性，建立了低壓電力線載波通信信號發(fā)送與接收模型。

(2)建立了電機類家用電器主要構件－單相感應電機的載波模型，并分析了載波信號對其的性能影響。在以上基礎上首次設計給出了在實驗室模擬低壓電力線載波對電機類家用電器影響的共模和差模試驗系統(tǒng)和試驗方法，并測試了4 種常見電機類家用電器，發(fā)現(xiàn)載波會對電器接入線路時線路電壓、電流等參數(shù)造成一定影響，但這些影響并未導致電器性能降低或功能喪失。

(3)分析給出了電機類家用電器對電力載波通信的可靠性影響。本文設計的試驗系統(tǒng)與試驗方法以及通過試驗給出的試驗結論對于低壓電力線載波通信在智能電網(wǎng)用戶用電信息采集系統(tǒng)建設中的應用具有重要的意義。

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