電力線載波通信抗干擾性能測試研究

吳維德，申杰，白泰，李方碩，向景睿

（國網四川省電力公司計量中心，成都610000）

0 引 言

受低壓配網信道環(huán)境中傳輸衰減、噪聲干擾和阻抗變化等因素的影響，電力線載波通信的可靠性難以得到保證，嚴重影響系統穩(wěn)定性［1］。因此提高載波通信系統抗干擾能力是這一技術創(chuàng)新發(fā)展的關鍵，迫切需要有效提升測試系統的抗干擾檢驗測試能力。但由于電磁傳導和輻射串擾等相關因素，目前在用的電力線載波通信性能測試系統，其抗干擾測試仍存在準確度較低、可靠性較差問題，無法滿足現實迫切需求。本文針對抗干擾測試項目：解調門限信噪比和接收靈敏度的測試需求，提出了解決思路和修改方案，基于高性能EMI濾波器、屏蔽箱、同軸程控衰減器等關鍵部件，建立了更為完善的載波通信測試環(huán)境和測試系統。

1 載波通信抗干擾測試關鍵技術需求

1.1 載波通信測試技術原理簡述

針對眾多不同的低壓配網電力線載波通信方案，現有的測試系統，其基本設計思路是遵循國網檢驗標準規(guī)范制定的測試項目和測試方法，模擬低壓配網電力線傳輸信道特性，以測控計算機為操控中心，建立自動化的電力線載波通信性能測試流程。測試環(huán)境實現機制可以簡述為：三相交流凈化電源、交流電源隔離設備和人工電源網絡實現整體測試環(huán)境與市電網絡的有效隔離；測控中心智能控制噪聲、衰減以及阻抗、負載特性，完成協議數據傳輸控制與分析研判，從而實現對電力線載波通信環(huán)境的有效模擬和通信性能的檢驗評估。

區(qū)別于低壓配網用電信息采集現場的共用電力線信道，測試系統的工頻交流電源通路和電力線載波信道相對分離獨立，從原理角度，其目的是避免載波信號由發(fā)送端通過衰減網絡及阻抗網絡之外的信道到達接收端［2］。現有的電力線載波通信性能檢驗設備，基本上屬于這種體系結構（見圖1）。

圖1 載波通信性能測試系統組成結構Fig.1 Structure of carrier communication performance test system

1.2 抗干擾測試項目及其關鍵技術需求

決定低壓電力線載波信道的傳輸特性是：載波信號衰減和電力線路的噪聲干擾，載波通信的成功率主要取決于接收載波信號的信噪比要求和接收靈敏度［3］。實驗室環(huán)境下，僅僅按照標準規(guī)范的檢驗項目和測試方法，交流通道和載波信道并不需要嚴格意義上的高度隔離，因為這些測試項目及其指標要求諸如載波信號頻率和頻帶、最大輸出電平和帶外騷擾電平，包括傳輸成功率測試［4-6］，基本上屬于功能性和兼容性測試，并不需要十分精確可控的信道衰減量作為必要的測試手段。

目前認為解調門限信噪比和接收靈敏度（最低接收門檻電平）兩類測試項目，可以較好地用于評估載波通信系統的抗干擾性能。但這些項目的有效測試要求建立實際測試環(huán)境下而不僅僅是原理上的獨立載波信道，才能提供相對精確的可控的信道衰減量。因此在復雜的電磁傳導和輻射串擾環(huán)境下，如何針對多徑干擾，建立高度隔離獨立的交流通道和載波信道是抗干擾性能測試的關鍵技術需求。

2 抗干擾測試準確性及可靠性研究

所謂測試準確性，是指測試結果與載波通信設備真值的接近程度，其重在程度值；這里所謂的測試可靠性，不是測試系統本身的無故障運行情況，主要指測試結果的可信懶程度。

2.1 測試系統的信號輻射與傳導耦合

2.1.1 載波收發(fā)設備之間的輻射耦合

系統內無目的天線（導線、印刷電路板印制線、金屬構件）的輻射發(fā)射對于設備、系統級EMC性能十分重要［6］。載波通信單元實際上就是射頻數傳電臺，載波耦合器是射頻收發(fā)雙工器，低壓電力線就是低效率收發(fā)天線（見圖2）。目前的窄帶載波通信單元發(fā)送電平最高可以達到峰峰值10 V，折算到50Ω阻抗線路，峰值功率達到500 mW，是微功率無線電臺50 mW發(fā)射限值的10倍之多。實驗室載波通信測試系統，其被測設備和配合測試設備互為收發(fā)設備。作為近距離部署的數傳電臺，同頻無線輻射鏈路將會形成另外的載波信道，影響到抗干擾性能測試結果的穩(wěn)定性、準確性和可靠性。

圖2 電力線輻射耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of power line radiation coupling

2.1.2 電力線部件傳導與輻射串擾

載波測試系統內，電力線衰減、隔離網絡等部件之間均處于阻抗失配狀態(tài)，由此產生反射形成駐波，引起信號振鈴、輻射串擾。以EMI電源濾波器為例，其工作機制就是建立端口阻抗的失配連接，對高頻差模和共模干擾產生強反射，加上濾波網絡固有的插入損耗，對EMI信號形成更加有效的抑制。因而測試系統內載波信號的反射震蕩、駐波、傳導及輻射耦合必然較強。當載波信號通過電力線導體傳輸時，會通過容性耦合及感性耦合兩種方式在相鄰導體上形成串擾（見圖3）。載波測試系統包括大量繼電器組件以及電源濾波、載波耦合、衰減網絡等零部件，電力線進出關系復雜，在機柜機箱空間有限的情況下，難以有效隔離進出線纜。同時考慮設備布線整齊有序，常常集中平行捆扎線纜，線間傳導耦合不可避免。

圖3 電力線互感互容耦合示意圖Fig.3 Schematic diagram of power line mutual inductance and mutual capacitance coupling

2.2 電力線程控衰減網絡的準確性分析

電力線程控衰減器是指行業(yè)里標準的LC濾波器，由安規(guī)電容和工字電感加上輸入輸出電磁保持繼電器構成。由于商用元器件誤差等級和標稱值限制，加上印制電路板布局布線影響，LC衰減器的實測值與設計值常常存在較大偏離，多次測試也不太一致，準確性、穩(wěn)定性較差。

針對每種載波通信產品的衰減測試，采用將四級低量程（10 dB、20 dB、40 dB、60 dB）的衰減單元級聯形成一個具有高衰減量的衰減網絡；多個衰減網絡并聯形成衰減陣列，以應對廠家眾多、產品種類繁雜的局面。實際應用中，多數網省公司要求能夠提供滿足六種產品以上的衰減通道，因而構造了7×4衰減矩陣結構（見圖4）。復雜的LC網絡加上緊湊平行的電力線纜，導致網絡衰減范圍不確定、不穩(wěn)定，多次加電啟動測試，衰減值不一樣，也很難找出其中的規(guī)律，難以有效實施抗干擾測試項目。

圖4 載波測試系統LC衰減矩陣結構圖Fig.4 Structure diagram of LC attenuation matrix

3 測試系統改進方案及測試實例

3.1 測試系統改進方案

電力線作為載波通信媒介，與通常的射頻同軸通道不同，它承載了兩類信號的傳輸，一是工頻強電信號，二是載波（射頻）弱電信號。基于前述分析，影響抗干擾性能測試的主要原因在于測試系統存在較強的電磁輻射和傳導串擾，導致載波信號的多徑傳輸效應，無法形成有效隔離的載波信道。

改進方案采取了如下改進措施：

（1）對載波通信收發(fā)設備加裝屏蔽箱，良好接地，建立載波射頻收發(fā)單元之間的電磁屏蔽環(huán)境；

（2）重視EMI電源濾波器的選擇與安裝，首先結合阻抗失配原則，選擇濾波網絡結構；其次保證電源濾波器金屬殼與機箱殼緊密接觸并良好接地；第三，選用雙絞線作為濾波器輸入輸出連接線，并拉開距離，避免并行布線，最終實現對電力線載波信號的有效隔離，建立實際獨立的交流通路；

（3）衰減網絡的改進設計，采用射頻通信行業(yè)成熟的50Ω同軸程控衰減器替換復雜的LC衰減矩陣。衰減器頻率范圍 DC 0 GHz～3GHz，衰減量程127 dB，步進1 dB，有效提高了系統測試準確性和可靠性；

（4）優(yōu)化機架布局布線，適當增加機箱，拉開線纜距離，減少平行布線；

系統關鍵部件是EMI濾波器、載波分離耦合器和電磁屏蔽箱。分離耦合器隔離工頻強電信號耦合高頻載波信號；而EMI電源濾波器正好相反，有效濾除載波信號耦合工頻信號（見圖5）。

圖5 載波通信抗干擾測試系統結構Fig.5 Structure of carrier communication anti-interference test system

目前，電力線載波耦合技術比較成熟，且簡單有效。業(yè)界超高性能EMI濾波器在頻段70 kHz～20 MHz范圍內，其共模干擾抑制能力達到50 dB～80 dB，加上人工電源網絡的濾波能力，可以實現對載波信號的有效隔離。

3.2 抗干擾性能測試方法及測試實例

確定數傳速率下解調門限信噪比定義為白噪聲、單頻點窄帶噪聲條件下，成功率為50%時的最小信噪比。測試方法：首先記錄通信速率；然后在噪聲輸入端加入100 dBμV白噪聲或120 dBμV的載波中心頻率單頻點窄帶噪聲，在測試端口2測量噪聲電平；第三步，調節(jié)程控衰減器，直到接收端出現穩(wěn)態(tài)的50%成功率，發(fā)送命令不少于100次；第四步，關閉噪聲源，在測量端口2測量信號電平并記錄；最后，計算信噪比S/N。接收靈敏度測試方法類似，只是關閉噪聲源即可。基于改進研制的測試系統，兩種載波產品的實測數據見表1。

表1 載波設備抗干擾性能測試結果Tab.1 Test results of anti-jamming performance

4 結束語

電力線信道類同一個開放的無線信道，電磁輻射是限制電力線載波通信推廣的關鍵因素之一，對于載波測試系統，較強的電磁輻射與傳導串擾影響了抗干擾性能測試的穩(wěn)定性和準確性。本文所提出的方案既適用于點對點電力線載波通信性能測試，同樣適用于大規(guī)模載波通信組網路由性能測試系統。