plc辐射干扰测量的外推因子研究 .pdf
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1、第 5 l卷第 1 9期 2 0 1 4年l O月 1 O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt I n s t r ume nt a t i o n V0 J 5 1 No 1 9 Oc t 1 0 2 0 1 4 P L C辐射干扰测量的外推 因子研究 木 陆阳 , 付伟龙 ( 1 中国电力科学研究院, 北京 1 0 0 1 9 2 ; 2 中国传媒大学 信息工程学院, 北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘要: 在研究电力线载波( P o w e r L i n e C a r r i e r , P L C ) 通信系统辐射干扰的过程
2、中, 为了将辐射信号场强与电磁兼 容 ( E l e c t r o Ma g n e t i c C o m p a t i b i l i t y , E MC ) 标准中规定 的限值线进行 比较 ; 需要利用外推 因子把实际测量距离下 测得的辐射信号场强转化为标准测量距离下的对应值。文章基于赫兹偶极子与麦克斯韦方程组推导了在 1 5 0 k H z 一3 0 MH z 频率等级上的电力线辐射外推因子 , 理论结果显示从大于 3 m的实 际测量距离向 3 m标准测量 距离转化的外推因子随频率的增大呈现出减小趋势 。在此基础上 , 提出了适用于 1 5 0 k H z 一3 0 MH z 频
3、率等级的 P L C辐射干扰测量方案 , 并在屏蔽室内进行了辐射干扰测量。研究表明, 基于测量结果得到的外推因子与理论 分析结果基本吻合。 关键词: 电力线载波通信; 电磁兼容; 辐射干扰测量 夕 推因子 中图分类号 : T M9 3 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 90 0 5 3 0 6 Re s e a r c h o n t he Ex t r a p o l a t i o n Fa c t o r f o r PLC Ra d i a t i o n M e a s ur e me n t s LU Ya n g FU
4、W e il o n g ( 1 C h i n a E l e c t ri c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e , B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 , C h i n a 2 I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g S c h o o l , C o m mu n i c a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ,B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :
5、 T h e r a d i a t i o n i n t e n s i t y o b t a i n e d i n r e a l me a s u rin g d i s t a n c e n e e d s t o b e c o n v e r t e d t o t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e i n s t a n d ard me a s u ri n g d i s t a n c e b a s e d o n t h e e x t r a p o l a t i o n f a c t o r ,S O a s
6、 t o c o mp a r e the r a d i a t i o n me a s u r e me n t s i n P o w- e r L i n e C a r r i e r( P L C)c o m mu n i c a t i o n s y s t e ms w i t h t h e l i mi t l i n e s s p e c i f i e d i n t h e E l e c t r o Ma g n e t i c C o m p a t i b i l i t y ( E MC)s t a n d a r d s T h e p o w e r
7、 l i n e r a d i a t i o n e x t r a p o l a t i o n f a c t o r w i t h i n t h e f r e q u e n c y r a n g e f r o m 1 5 0 k Hz t o 3 0 MH z h a s b e e n d e ri v e d b a s e d o n t h e He r t z i a n d i p o l e a n d MA XWEL L S e q u a t i o n s T h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s s h o
8、 w t h a t t h e e x t r a po l a t i o n f a c t o r wi l l d e c r e a s e wi t h t h e fre q ue n c y i n c r e a s i n g wh e n i t c o n v e r t s f r o m t he r e a l me a s u rin g d i s t a n c e t h a t i s l a r g e r t h a n 3 m t o t h e s t a n d a r d me a s u ri n g d i s t a n c e Mo
9、 r e o v e r ,a P L C r a d i a t i o n me a s u r e me n t s c h e me w h i c h i s a p p r o p r i a t e i n t h e fr e q u e n c y r a n g e fro m 1 5 0 k Hz t o 3 0 MHz h a s b e e n p r o p o s e d a n d p e r f o rm e d i n t h e s h i e l d e d r o o mT h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o
10、 w t h a t t h e e x t r a p o l a t i o n f a c t o r d e ri v e d f r o m t h e me a s u r e me n t s wi l l v e ri f y t h e a n aly t i c a l r e s u l t s Ke y wo r d s : p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n,e l e c t r o ma g n e t i c c o mp a t i b i l i t y,r a d i a t i o
11、 n me a s u r e me n t ,e x t r a p o l a t i o n f a c t n r 0引 言 P L C是以 电力线 为媒介 来 传输 信 息 的通信 方 式, 基于该技术可以将电能与高频载波信号通过同 一条线缆进行传输 , 无需铺设专用通信线路 J 。 由于电力线结 构的不对 称性 , P L C信号在 其上 传播 时, 其中的共模( C o m mo n Mo d e , C M) 电流分量会 基金项目: 国家电网公司“ 千人计划” 专项“ 新一代智能电力线载波 通信关键技术研究 ” 。 向外产生辐射 能量 , 故对 自由空间中的无线 电信号 而言
12、, P L C系统相 当于电磁干扰源。反过来 , 无线 电 信号也会渗 透到 电力线上形成 窄带 噪声 , 电力线也 是被干扰物 。针对 P L C系统的辐射干扰测量 目前还 没有专门的标准 。 国际无线 电干扰 特 别委 员会 ( C I S P R) 制 订 有 C I S P R 2 2标准 , 规定了信息技术设备 ( I n f o r m a ti o n T e c h n o l o g y E q u i p m e n t , I T E) 的分级 ( A级和 B级) , 相 应级别 I T E的辐射骚扰限值、 电源端子及电信端口的 学兔兔 w w w .x u e t u
13、t u .c o m第 5 l卷第 1 9期 2 0 1 4年1 0月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a Me a s u r e me nt I n s t r u me n t a t i o n VO 1 5 1 N0 1 9 Oc t 1 0 2 0 1 4 传导骚扰限值 以及 相应 的测 量方法 , 涉及频率 范围 为 0 1 53 0 MHz的传 导骚 扰和 3 01 Q 0 0 M Hz的辐 射骚扰 , 3 0 MHz以下没有规定辐射骚 扰限值 J 。欧 洲标准 E N 5 5 0 2 2和 中国国家标准 G B 9 2 5 4都是依据 C I S P R
14、2 2制定的 J 。但是 P L C设备 的特殊之处在 于电源端子同时又是电信网络端 口, 而在 C I S P R 2 2 中电源端子和 电信端 口是分别考虑 的。另外 , 从 网 络角度看 , C I S P R 2 2毕竟只是针对 I T E的 E MC标准, 并不能完全解决 网络层面上 的 E MC 问题 。 目前 , 主 要有 四个涉及网络 E MC的技术标准 : N B 3 0 ( 德 国) 、 MP T 1 5 7 0 ( 英 国) 、 F C C P a r t 1 5 ( 美 国 ) 和 I T UT K 6 0 。 概括的讲 , 美 国 F C C标准限值相对 比较宽松 ,
15、 英 国 M P T 1 5 7 0最严 , 德 国 N B 3 0和 I T UT K 6 0处 于二 者之间。在 3 3 0 MH z 频率范围内, F C C P a rt 1 5规定 距离 P L C系统信号源 3 0 m外 的辐射场强不 得高于 3 0 ix V m ; 而在 3 03 0 0 MHz 频率范 围内, 则 规定距 离 P L C系统信号源 3 I n外的辐射场强不得高于 1 0 0 tx V m j 。此外, 国际电信联盟 ( I n t e r n a t i o n a l T e l e c o mm u n i c a t i o n U n i o n ,
16、I T u) 中的电信标准化局第 5研 究委员会制订 了 I T U T建议书 K 6 0 。该建议书将 测量对象的适用范围归类为 3种网络: ( 1 ) 通信电 缆、 户内配线、 内部线、 连接通信终端的所有通信网 络; ( 2 ) 使用低压交流电源线的所有通信网络; ( 3 ) 有 线电视网络。同时, 建议书还编制了3 m标准测量距 离的辐射允许值 、 测 量方法 、 测量条 件 以及 注意事 项 , 目前还在讨论推进 J 。 然而 , 在 P L C系统辐射信号强度的实际测量环 境 中, 很多时候 条件 的限制使 得进行辐射干扰测量 的距离无法满足 E MC标准 中的规定 。 r 因此
17、, 开展将 实际测量距离下的辐射信号场强转化为标准测量距 离下对应值 的外推因子研究 , 就十分必要 。 文献 7 描述 了辐射电场外推因子 的来历 , 运用 麦克斯韦方程组、 矩量法和电力线在 23 0 MHz 的辐 射 电场强度测量结果 , 对辐射电场外推 因子进行 了 研究 , 但是测量环境具体细节不 明, 测量数据应当与 测量环境密不可分。文献 8 利用 电磁场理论 和矩 量法研究了 P L C系统在 1 5 0 5 0 0 k H z频率范围内的 辐射磁场外推 因子 , 并用环形天线进行 了测量验证 。 文献 9 建立了简单的电力线拓扑结构 , 在不 同 P L C 信号发射功率谱密
18、度( P o w e r S p e c t r u m D e n s i t y , P S D ) 情况下, 将3 0 1 0 0 M H z 频带内的辐射干扰测量结果 与 E N 5 5 0 2 2限值线作了对比分析。但是该实验是 在开阔场地进行的 , 空间无线电信号对 P L C系统的 -5 4 辐射干扰测量结果产生了一定的影响。 针对上述问题 , 本文首先利用麦克斯韦方程组和 赫兹偶极子原理, 对 电力线辐射外推 因子进行 了理论 推导。在此基础上 , 提 出了适用于1 5 0 k Hz 3 0 MH z 频 率等级的 P L C系统辐射干扰测量方案 , 并在屏蔽 室 内进 行 了
19、 辐射 干 扰测 量 。之 所 以选 择 1 5 0 k H z一 3 0 MH z 作 为研究 的频率范 围, 是 由于其不仅包含 了 传统窄带 P L C和宽带 P L C所主要使用 的频段 , 而且 也可以为 5 0 0 k H z一1 6 MH z这 一潜 在频 段 在未 来 P L C技术 中的应用作 一些前期研究。在屏蔽室 内的 测量过程中 , 本文将标准测量距离设定为 3 m, 实 际测 量距离设定为 31 0 m, 基于测量结果 的分析验证了 此频段内外推因子的理论推导结果 。 1 外推因子的理论推导 、 : P L C系统在通信过程中 产生的辐射电场和磁场可以 用赫兹偶极子和
20、麦克斯韦方程组来分析。如图 1 所示。 电力线 图 1 电力线 的 电场 分析模 型 F i g 1 T h e e l e c t r i c f i e l d a n a l y s i s mo d e l o f p o we r l i n e 根据图 1中的理论模型 , 可以得到其 电场和磁场 的部分公式如下 : 。 击 一 古 ( 1 ) 。 古 + 击 一 击 = 【 古 + 击 ( 3 ) H = =E =0 ( 4 ) k r= t o r c ( 5 ) A : ( 6 ) c=1 二 31 0 m s ( 7 ) 、 f Z : 3 7 7 n s0 ( 8 ) 在上
21、述公式中, 表示测量距离 r 内某频率辐射 信号的波长数, 如公式 ( 5 ) 所示。本文利用标 准环形 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 l卷第 1 9期 2 0 1 4年l 0月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a d M e a s u r e me nt& l n s t r ume nt a t i o n Vo1 5 l NO 1 9 oc t 1 0 2 01 4 天线测量 , 测量结果为磁场强度, 再利用公式( 8 ) 转化 为电场强度。需要 注意 的是 , 公式 ( 8 ) 是 自由空间的 波阻抗 , 由公式( 1 )
22、、 ( 2 ) 和( 3 ) 在远场情况下得到, 即 r A, A是电磁波长。在 E MC工程中, 近场 、 远场主要 是依据测量距离与电磁波长相 比较 的结果进行划分 的。由于目前 P L C系统主要使用 3 0 MH z 以下的电磁 波进行通信, 其波长较长, 在实际辐射干扰测量过程 中, 由于电磁屏蔽室大小的限制 , 测量距离将很大程度 上均位于近场范围内。然而 , 为了把测得的辐射信号 磁场场强转化为电场场强并与标准中的限值线进行 比 较, 工程上允许在研究 P L C辐射干扰时利用远场波阻 抗近似处理近场的磁场 、 电场转化问题。 基于上述分析 , 在给定测量频率 的情况下 , 实际
23、 测量距离上获得的磁场强度可以利用下式推导为标 准测量距离上 的磁场强度 : r 、 = ( 9 ) 文献 6 , 1 0 规定 r =3 m。将公式 ( 3 ) 、 ( 6 ) 代入公式( 9 ) , 得到: 日 。 = = , a c 。 式中e 描述了磁场的振荡情况。在测量过程中可以 使用峰值和准峰值检波。公式( 1 0 ) 可以进一步简化为: H , = = a r 2 : li : :+ 丽 ( k 3 ) 2( 1 1 ) 基于 上 式 , 则 外 推 因 子 可 以 表 示 为 。 与 虬 “ 的比值, 转化成对数形式即为: 实际测量距离, m 图2 基 于理论推 导获得的外推
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