电力线载波通信抗干扰性能测试研究

2017-12-21吴维德申杰白泰李方硕向景睿

电测与仪表 2017年14期

吴维德，申杰，白泰，李方硕，向景睿

（国网四川省电力公司计量中心，成都610000）

0 引言

受低压配网信道环境中传输衰减、噪声干扰和阻抗变化等因素的影响，电力线载波通信的可靠性难以得到保证，严重影响系统稳定性［1］。因此提高载波通信系统抗干扰能力是这一技术创新发展的关键，迫切需要有效提升测试系统的抗干扰检验测试能力。但由于电磁传导和辐射串扰等相关因素，目前在用的电力线载波通信性能测试系统，其抗干扰测试仍存在准确度较低、可靠性较差问题，无法满足现实迫切需求。本文针对抗干扰测试项目：解调门限信噪比和接收灵敏度的测试需求，提出了解决思路和修改方案，基于高性能EMI滤波器、屏蔽箱、同轴程控衰减器等关键部件，建立了更为完善的载波通信测试环境和测试系统。

1 载波通信抗干扰测试关键技术需求

1.1 载波通信测试技术原理简述

针对众多不同的低压配网电力线载波通信方案，现有的测试系统，其基本设计思路是遵循国网检验标准规范制定的测试项目和测试方法，模拟低压配网电力线传输信道特性，以测控计算机为操控中心，建立自动化的电力线载波通信性能测试流程。测试环境实现机制可以简述为：三相交流净化电源、交流电源隔离设备和人工电源网络实现整体测试环境与市电网络的有效隔离；测控中心智能控制噪声、衰减以及阻抗、负载特性，完成协议数据传输控制与分析研判，从而实现对电力线载波通信环境的有效模拟和通信性能的检验评估。

区别于低压配网用电信息采集现场的共用电力线信道，测试系统的工频交流电源通路和电力线载波信道相对分离独立，从原理角度，其目的是避免载波信号由发送端通过衰减网络及阻抗网络之外的信道到达接收端［2］。现有的电力线载波通信性能检验设备，基本上属于这种体系结构（见图1）。

图1 载波通信性能测试系统组成结构Fig.1 Structure of carrier communication performance test system

1.2 抗干扰测试项目及其关键技术需求

决定低压电力线载波信道的传输特性是：载波信号衰减和电力线路的噪声干扰，载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比要求和接收灵敏度［3］。实验室环境下，仅仅按照标准规范的检验项目和测试方法，交流通道和载波信道并不需要严格意义上的高度隔离，因为这些测试项目及其指标要求诸如载波信号频率和频带、最大输出电平和带外骚扰电平，包括传输成功率测试［4-6］，基本上属于功能性和兼容性测试，并不需要十分精确可控的信道衰减量作为必要的测试手段。

目前认为解调门限信噪比和接收灵敏度（最低接收门槛电平）两类测试项目，可以较好地用于评估载波通信系统的抗干扰性能。但这些项目的有效测试要求建立实际测试环境下而不仅仅是原理上的独立载波信道，才能提供相对精确的可控的信道衰减量。因此在复杂的电磁传导和辐射串扰环境下，如何针对多径干扰，建立高度隔离独立的交流通道和载波信道是抗干扰性能测试的关键技术需求。

2 抗干扰测试准确性及可靠性研究

所谓测试准确性，是指测试结果与载波通信设备真值的接近程度，其重在程度值；这里所谓的测试可靠性，不是测试系统本身的无故障运行情况，主要指测试结果的可信懒程度。

2.1 测试系统的信号辐射与传导耦合

2.1.1 载波收发设备之间的辐射耦合

系统内无目的天线（导线、印刷电路板印制线、金属构件）的辐射发射对于设备、系统级EMC性能十分重要［6］。载波通信单元实际上就是射频数传电台，载波耦合器是射频收发双工器，低压电力线就是低效率收发天线（见图2）。目前的窄带载波通信单元发送电平最高可以达到峰峰值10 V，折算到50Ω阻抗线路，峰值功率达到500 mW，是微功率无线电台50 mW发射限值的10倍之多。实验室载波通信测试系统，其被测设备和配合测试设备互为收发设备。作为近距离部署的数传电台，同频无线辐射链路将会形成另外的载波信道，影响到抗干扰性能测试结果的稳定性、准确性和可靠性。

图2 电力线辐射耦合示意图Fig.2 Schematic diagram of power line radiation coupling

2.1.2 电力线部件传导与辐射串扰

载波测试系统内，电力线衰减、隔离网络等部件之间均处于阻抗失配状态，由此产生反射形成驻波，引起信号振铃、辐射串扰。以EMI电源滤波器为例，其工作机制就是建立端口阻抗的失配连接，对高频差模和共模干扰产生强反射，加上滤波网络固有的插入损耗，对EMI信号形成更加有效的抑制。因而测试系统内载波信号的反射震荡、驻波、传导及辐射耦合必然较强。当载波信号通过电力线导体传输时，会通过容性耦合及感性耦合两种方式在相邻导体上形成串扰（见图3）。载波测试系统包括大量继电器组件以及电源滤波、载波耦合、衰减网络等零部件，电力线进出关系复杂，在机柜机箱空间有限的情况下，难以有效隔离进出线缆。同时考虑设备布线整齐有序，常常集中平行捆扎线缆，线间传导耦合不可避免。

图3 电力线互感互容耦合示意图Fig.3 Schematic diagram of power line mutual inductance and mutual capacitance coupling

2.2 电力线程控衰减网络的准确性分析

电力线程控衰减器是指行业里标准的LC滤波器，由安规电容和工字电感加上输入输出电磁保持继电器构成。由于商用元器件误差等级和标称值限制，加上印制电路板布局布线影响，LC衰减器的实测值与设计值常常存在较大偏离，多次测试也不太一致，准确性、稳定性较差。

针对每种载波通信产品的衰减测试，采用将四级低量程（10 dB、20 dB、40 dB、60 dB）的衰减单元级联形成一个具有高衰减量的衰减网络；多个衰减网络并联形成衰减阵列，以应对厂家众多、产品种类繁杂的局面。实际应用中，多数网省公司要求能够提供满足六种产品以上的衰减通道，因而构造了7×4衰减矩阵结构（见图4）。复杂的LC网络加上紧凑平行的电力线缆，导致网络衰减范围不确定、不稳定，多次加电启动测试，衰减值不一样，也很难找出其中的规律，难以有效实施抗干扰测试项目。

图4 载波测试系统LC衰减矩阵结构图Fig.4 Structure diagram of LC attenuation matrix

3 测试系统改进方案及测试实例

3.1 测试系统改进方案

电力线作为载波通信媒介，与通常的射频同轴通道不同，它承载了两类信号的传输，一是工频强电信号，二是载波（射频）弱电信号。基于前述分析，影响抗干扰性能测试的主要原因在于测试系统存在较强的电磁辐射和传导串扰，导致载波信号的多径传输效应，无法形成有效隔离的载波信道。

改进方案采取了如下改进措施：

（1）对载波通信收发设备加装屏蔽箱，良好接地，建立载波射频收发单元之间的电磁屏蔽环境；

（2）重视EMI电源滤波器的选择与安装，首先结合阻抗失配原则，选择滤波网络结构；其次保证电源滤波器金属壳与机箱壳紧密接触并良好接地；第三，选用双绞线作为滤波器输入输出连接线，并拉开距离，避免并行布线，最终实现对电力线载波信号的有效隔离，建立实际独立的交流通路；

（3）衰减网络的改进设计，采用射频通信行业成熟的50Ω同轴程控衰减器替换复杂的LC衰减矩阵。衰减器频率范围 DC 0 GHz～3GHz，衰减量程127 dB，步进1 dB，有效提高了系统测试准确性和可靠性；

（4）优化机架布局布线，适当增加机箱，拉开线缆距离，减少平行布线；

系统关键部件是EMI滤波器、载波分离耦合器和电磁屏蔽箱。分离耦合器隔离工频强电信号耦合高频载波信号；而EMI电源滤波器正好相反，有效滤除载波信号耦合工频信号（见图5）。

图5 载波通信抗干扰测试系统结构Fig.5 Structure of carrier communication anti-interference test system

目前，电力线载波耦合技术比较成熟，且简单有效。业界超高性能EMI滤波器在频段70 kHz～20 MHz范围内，其共模干扰抑制能力达到50 dB～80 dB，加上人工电源网络的滤波能力，可以实现对载波信号的有效隔离。

3.2 抗干扰性能测试方法及测试实例

确定数传速率下解调门限信噪比定义为白噪声、单频点窄带噪声条件下，成功率为50%时的最小信噪比。测试方法：首先记录通信速率；然后在噪声输入端加入100 dBμV白噪声或120 dBμV的载波中心频率单频点窄带噪声，在测试端口2测量噪声电平；第三步，调节程控衰减器，直到接收端出现稳态的50%成功率，发送命令不少于100次；第四步，关闭噪声源，在测量端口2测量信号电平并记录；最后，计算信噪比S/N。接收灵敏度测试方法类似，只是关闭噪声源即可。基于改进研制的测试系统，两种载波产品的实测数据见表1。