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(wǎng)四川省電力公司計量中心，成都610000）

0 引 言

受低壓配網(wǎng)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(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性［1］。因此提高載波通信系統(tǒng)抗干擾能力是這一技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵，迫切需要有效提升測試系統(tǒng)的抗干擾檢驗測試能力。但由于電磁傳導(dǎo)和輻射串?dāng)_等相關(guān)因素，目前在用的電力線載波通信性能測試系統(tǒng)，其抗干擾測試仍存在準(zhǔn)確度較低、可靠性較差問題，無法滿足現(xiàn)實迫切需求。本文針對抗干擾測試項目：解調(diào)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(guān)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(tǒng)。

1 載波通信抗干擾測試關(guān)鍵技術(shù)需求

1.1 載波通信測試技術(shù)原理簡述

針對眾多不同的低壓配網(wǎng)電力線載波通信方案，現(xiàn)有的測試系統(tǒng)，其基本設(shè)計思路是遵循國網(wǎng)檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定的測試項目和測試方法，模擬低壓配網(wǎng)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(xiàn)機制可以簡述為：三相交流凈化電源、交流電源隔離設(shè)備和人工電源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整體測試環(huán)境與市電網(wǎng)絡(luò)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(xié)議數(shù)據(jù)傳輸控制與分析研判，從而實現(xiàn)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(wǎng)用電信息采集現(xiàn)場的共用電力線信道，測試系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)及阻抗網(wǎng)絡(luò)之外的信道到達接收端［2］。現(xiàn)有的電力線載波通信性能檢驗設(shè)備，基本上屬于這種體系結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 載波通信性能測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of carrier communication performance test system

1.2 抗干擾測試項目及其關(guān)鍵技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)格意義上的高度隔離，因為這些測試項目及其指標(biāo)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(diào)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(tǒng)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(fù)雜的電磁傳導(dǎo)和輻射串?dāng)_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(guān)鍵技術(shù)需求。

2 抗干擾測試準(zhǔn)確性及可靠性研究

所謂測試準(zhǔn)確性，是指測試結(jié)果與載波通信設(shè)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(tǒng)本身的無故障運行情況，主要指測試結(jié)果的可信懶程度。

2.1 測試系統(tǒng)的信號輻射與傳導(dǎo)耦合

2.1.1 載波收發(fā)設(shè)備之間的輻射耦合

系統(tǒng)內(nèi)無目的天線（導(dǎo)線、印刷電路板印制線、金屬構(gòu)件）的輻射發(fā)射對于設(shè)備、系統(tǒng)級EMC性能十分重要［6］。載波通信單元實際上就是射頻數(shù)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(tǒng)，其被測設(shè)備和配合測試設(shè)備互為收發(fā)設(shè)備。作為近距離部署的數(shù)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(jié)果的穩(wěn)定性、準(zhǔn)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(dǎo)與輻射串?dāng)_

載波測試系統(tǒng)內(nèi)，電力線衰減、隔離網(wǎng)絡(luò)等部件之間均處于阻抗失配狀態(tài)，由此產(chǎn)生反射形成駐波，引起信號振鈴、輻射串?dāng)_。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(chǎn)生強反射，加上濾波網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)內(nèi)載波信號的反射震蕩、駐波、傳導(dǎo)及輻射耦合必然較強。當(dāng)載波信號通過電力線導(dǎo)體傳輸時，會通過容性耦合及感性耦合兩種方式在相鄰導(dǎo)體上形成串?dāng)_（見圖3）。載波測試系統(tǒng)包括大量繼電器組件以及電源濾波、載波耦合、衰減網(wǎng)絡(luò)等零部件，電力線進出關(guān)系復(fù)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(shè)備布線整齊有序，常常集中平行捆扎線纜，線間傳導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性分析

電力線程控衰減器是指行業(yè)里標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成。由于商用元器件誤差等級和標(biāo)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(shè)計值常常存在較大偏離，多次測試也不太一致，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較差。

針對每種載波通信產(chǎn)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(lián)形成一個具有高衰減量的衰減網(wǎng)絡(luò)；多個衰減網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)形成衰減陣列，以應(yīng)對廠家眾多、產(chǎn)品種類繁雜的局面。實際應(yīng)用中，多數(shù)網(wǎng)省公司要求能夠提供滿足六種產(chǎn)品以上的衰減通道，因而構(gòu)造了7×4衰減矩陣結(jié)構(gòu)（見圖4）。復(fù)雜的LC網(wǎng)絡(luò)加上緊湊平行的電力線纜，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)LC衰減矩陣結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of LC attenuation matrix

3 測試系統(tǒng)改進方案及測試實例

3.1 測試系統(tǒng)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(tǒng)存在較強的電磁輻射和傳導(dǎo)串?dāng)_，導(dǎo)致載波信號的多徑傳輸效應(yīng)，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(shè)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(jié)合阻抗失配原則，選擇濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的改進設(shè)計，采用射頻通信行業(yè)成熟的50Ω同軸程控衰減器替換復(fù)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(tǒng)測試準(zhǔn)確性和可靠性；

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

系統(tǒng)關(guān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of carrier communication anti-interference test system

目前，電力線載波耦合技術(shù)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(nèi)，其共模干擾抑制能力達到50 dB～80 dB，加上人工電源網(wǎng)絡(luò)的濾波能力，可以實現(xiàn)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(shù)傳速率下解調(diào)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(diào)節(jié)程控衰減器，直到接收端出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的50%成功率，發(fā)送命令不少于100次；第四步，關(guān)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(guān)閉噪聲源即可。基于改進研制的測試系統(tǒng)，兩種載波產(chǎn)品的實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 載波設(shè)備抗干擾性能測試結(jié)果Tab.1 Test results of anti-jamming performance

4 結(jié)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(guān)鍵因素之一，對于載波測試系統(tǒng)，較強的電磁輻射與傳導(dǎo)串?dāng)_影響了抗干擾性能測試的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(wǎng)路由性能測試系統(tǒng)。