（电工理论与新技术专业论文）低压电力线通信（plc）网络电磁辐射测量问题的研究.pdf

声明 本人郑重声列：此处所提交的硕士学位论文低压电力线通信( p l c ) 网络电磁辐 射测量问题的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：冱垒盗日期：麴：! ! ! ：巧 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学：阿关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 忽鱼= 埤 ! 堕! ! 兰 6 导师签名： 日期 华北i u 力人学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 电力线通信( p l c ) 简介 第一章绪论 电力线通信，简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s ) 或p l t ( p o w e rl i n e t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ，该技术利用中、低压电力线路作为通信介质，实现数据、语 音和图像等综合业务传输的通信。在我国，该技术主要是应用于电力线上网：互联 网服务通过光纤进入居民小区或高层住宅，再通过信号光电转换和耦合网络接入低 压配电网为用户提供上网服务。用户可以在房间内的任意电源插座上通过电力调制 解调器接入互联网，使现有低压配电网得到充分利用。 目前国际上p l c 主要有两种应用模式川。 一是以美国为代表的家庭内部联刚模式。这种模式的高速p l c 只提供家庭内部 设备之间的联网，户外访问则使用其他传统的通信方式。荧国的a d s l 、i s d n 等技 术和产品已经比较成熟和普及，而且美国的低压配电变压器一般为单相，平均仅为 5 6 个住宅用户提供供电服务，推广电力线上网成本较高。在一些家庭中，拥有两 台甚至两台以上电脑的情况迓渐增多，传统方式在进行计算机联网时就需要重新布 线，这样就会破坏装修。利用电力线组建计算机网络，将电源插座作为网络接口， 既使用方便，又不影响美观。 幽1 1 冢庭p l c i 网络i 蒽剀 图l - 1 所示为一个家庭p l c 网络。普通话机通过r j 。1 1 接口连至电力调制解调器， 数字电视或者音响通过专用电力调制解调器相连，利用基于电力线的v o l p 系统拨打 或接听i p 电话：利用电力线视频传输和音频传输，既能为电力系统提供利用电力线 进行远程视频监控的通道，又可以实现家庭内部视频信号的多点分布式传输，同时 还能产生高品质的音响效果。 一旦以 。觥沁山一 苫剥k 0 虱霹莓凰一掣一雪一善画 矗回 困 华北电力人学硕十学位论文 另一种模式是面向欧洲和亚太市场的电力线上网。这些地区的低压配电网均为 一台变压器要为2 3 0 0 个住宅用户提供供电服务。因此当宽带利用光纤等方式接 入小区后，在小区内部就可以充分利用遍稚的电力n j f # 送i n t e r n e t 信息。对于用户来 说，可以在室内任意一个有电源插座的地方上网。 图1 ，2p l ct - 网典型组网方案 图1 2 所示为p l c 上网典型组网方案，在配电变压器低压f u 线端安装p l c 主站， 将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。p l c 主站的一侧通过电 容或电感耦合器连接电力电缆，注入雨i 提取高频p l c 信号；另一侧通过传统通信方 式，如光纤、c a t v 、a d s l 等连接至i n t e r n e t 。在用户侧，用户的计算机通过以太 网接口或u s b 接口与电力调制解调器相连，而电力调制解调器直接插入墙上插座。 用户可以通过低压电力线宽带接入高速上网。如果p l c 高频信号衰减较大或干扰较 大，可以在适当的地点加装中继器以放大信号。 与传统通信技术相比，p l c 技术具有如下优点垆1 。 f 1 1 用户利用室内任意一个插座就可以接入i n t e r n e t ，比传统上网方式更方便。 ( 2 ) 充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何新的布线，节约了资源，避免 了对建筑物和公用设施的破坏。 ( 3 ) 为还没有接入电话或者光纤的偏远地区提供了一种可行的上网方式。 ( 4 1 对目前的上网方式是一个很好的补充，n _ k 2 名- q ，方式的竞争，有利于降低价格、 为群众提供更好的服务。 1 1 2p l c 的产生和发展 1 9 9 0 年，英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯公司最早丌始对高速电力线通 信进行研究。1 9 9 5 q z ，该公司又与加拿大n o r t e l 公司联手，共同丌发p l c 技术。1 9 9 5 至- 1 9 9 7 年，n o r w e b * t l n o r t e l 公在英国曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了大量包括话 华北电力火。? ：硕 学位论文 音服务在内的p l c 上网试验，获得成功。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司声称已经解决了 电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新丌发的p l c 载波技术， 实现了在低压配电网上进行l m b p s 速率数据传输的远程通信。 2 0 0 0 年5 月，德困r e w 采用瑞士a s c o m 公司的产品为埃森的电力用户，提供电力 线数掘服务，传输速率为2 m b p s l 9 。 2 0 0 1 年4 月，德国通过了允许在电力线上经营i n t e r n e t j 务的电信服务法令。 今年，宾夕法尼亚州立大学研究所的研发人员称，在最佳条件下，他们新开发的电 力网接入系统最高速度可接近l g b p s ，实验理论速度可达25 g b p s 。 目前，p l c 产品的传输速率主要有2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 8m b p s 、4 5 m b p s 、8 5 m b p s 、 1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 等7 种，其中1 4 m b p s 的是目前市场上的主流产品。 为了使p l c 技术更好的发展，研究机构和厂商陆续成立了一些相关的国际组 织，规范p l c 的技术和市场。这些组织主要有h p a ( h o m e p l u gp o w e ra l l i a n c e - - 家 庭插电联盟) 、p l c f o r u m ( 电力线通信沦坛) 、o p e r a ( o p e np l c e u r o p e a n r e s e a r c h a l l i a n c e ) 、u p l c ( u n i t e dp o w e rl i n ec o u n c i l l 、p u a 以及r 本的e c h o n e t 等。其中最有影响力的为h p a 、p l cf o r u m 和o p e r a 【2 ，省一j 。 h p a 是由包括思科、英特尔和康柏和松下在内的9 0 家公司于2 0 0 0 年4 , 9 组成的一 个非赢利集团。2 0 0 1 年6 月2 6 日，该组钐 发布工业界第一个电力线家庭网络标准高 速电力线家庭网络工业技术规范( p o w e r l i n eh o m en e t w o r k i n 9 1 0s p e c i f i c a t i o n ) ， 规定了数据传输速率、调制解调技术，m a c 层协议等重要技术指标。p l cf o r u m 于 2 0 0 0 年3 月2 3 同在瑞士成立。该论坛的i h 场目标是提供包括户外接入和户内联网在 内的全面p l c 解决方案，主要目的是 1 。发下一代用于本地接入的高速p l c 技术。 o p e r a 是欧盟为了促进p l c 技术的发展专门启动的一个计划。该计划从2 0 0 4 年1 月1 r 开始实行，旨在制定欧洲的p l c 统一标准，推动大规模商业化应用。 1 1 _ 3p l c 的技术特性 p l c 利用在发送信号时，电力调制解调器将用户数据进行调制，然后在电力线 上进行传输。在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原 通信信号。p l c 局端负责与内部电力唰制解调器的通信和与外部网络的连接。在通 信时，来自用户的数据进入电力调制解凋器调制后，通过用户的配电线路传输到p l c 局端设备，p l c 局端将信号解调出来，转到外部的i n t e r n e t 【6 ”】。 电力调制解调器主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成【，1 i 。 接口部分是指电力线调制解调器同刖户设备间的双向数据传输的接口，这些接口包 括：同智能设备之间的r s 一2 3 2 接口、同计算机之间的r j 一4 5 以太网接口或u s b 接口、 同模拟电话之问的r j 1 1 接口。不同的产品可以全部或者部分包含上述四种接口。 调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成。数字信号处理单元负责 1 同用户设备间的双向通信、m a c 层田议，并：舟来自用户的数据进行编码、调制后送往 外围电路进行数模转换、放大、滤波，或将来自外围电路经滤波放大、模数转换后的 信号进行解调、解码后送往用户设备。 耦合单元是电力线同调制解调部分的结合设备，它将调制好的高频模拟信号送入电 力线进行传输，或在电力线上提取出高频信号以便进行解调。耦合的方式有电感耦合和 电容耦合两种。 麓f 世兰r 模数转换 如 兀 ，能没备一l目卜 亘 d s p 数模转换 芒斋 数字信 放大器 l 号处理 _ 一 滤波器1 一 蘼卜丁面可” 图1 3 电力捌制向犁调器结构框图 p l c 技术在设计数字传输系统时，采用的是正交频分多路复用( o f d m - - o n h o g o n a l f r e q u e n c yd i x ，i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的调制疗式【6 i 。 o f d m 的基本原理是将司用带宽分割为若干窄带、低速率子载波。在传统的数字通 信系统r h 符号序列调制在一个载波上进行串行传输，每个符号的频谱可以占有信道的 全部可用带宽。o f d m 采用的是并行数据传输系统，由频率上等f 叫隔的n 个子载波构 成，每一个子载波分别调制路独立的数据信息，调制之后n 个子载波的信号相加同时 发送。因此，每个符号的频谱只占用信道的全部可用带宽的- d , 部分。在o f d m 系统 中，通过选择载波问隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，各子载 波上的信号在频谱上互相重叠，而接收端利用载波之删的正交特性，可以无失真地恢复 发送信息，大大的提高系统的频谱利用率。 c h lc h 2 c h 3c h 4 c h 5c h 6 c h 7 c h 8c h 9c h l 0 ( a ) 频率 纠虑一小术 。 f o 尽管p l c 发展过程中的许多技术难点如低压配电网的复杂拓扑结构导致的多 径反射引起信号的选择性衰减和码问串扰、线路阻抗和感性负载引起的信号衰减以 及非线性元件的影i 咖等都已经得到较好的解决，但还是有很多问题尚未取得突破性 的进展，特别是p l c 的电磁兼容问题，已经成为进一步推动p l c 技术发展和推广 应用的关键问题。 1 1 4 我国p l c 发展现状 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年丁1 ：始研究p l c 技术，当时主要考虑将p l c 技术用于低压抄表系统，因此传输速 率较低。1 9 9 8 年丌发出样机，1 9 9 9 年在现场进行试运行，获得了产品登记许可。 19 9 9 年5 月丌始进行高速p l c 系统的研究工作。2 0 0 0 年丌始引进国外的p l c 芯片， 研制了2 m b p s 的样机。 国家电网公司( 原国家电力公司) 从2 0 0 1 年起专门成立p l c 领导小组，下设 p l c 技术推进办公室统一纽织、m 调和部署全国电力系统范围内的技术研发和应 用试验。通过考察围外p l c 拽术的应f r 漪况，确立了在r 1 圉开展p l c 技术推进的 战略计划，责成中电b 华通信段份确限公司实施p i 。c 宽带接入运营试验，北京意科 通信技术有限责任公司、中田电力科学研究院通信所、福建省亿力电力网络信息设 箭有限公司和深圳囡电科技通信有限公司等公司主要进行p l c 相关产品的研发和 制造。 2 0 0 1 年8 月下旬，中电飞华在沈| 5 u 完成了居民小区的试验，建成我田第一个 p l 。c 小i x 。f d 年底，中l 乜飞华7 r 始在北京的居民小区、学校、宾馆等开展了不同规 模的组例试验和商业化试运营。截止到2 0 0 5 年7 月，已经有北京、上海、武汉、广 州、南京等城市相续开通p l c 业务，全国已有1 2 0 0 个住宅小区，约4 3 0 0 0 户家庭实现 通过电力线上网。在北京地区，p l c 网络覆盖小区5 5 0 个，接入用户4 5 万户，覆盖 用户近5 0 万 1 2p l o 网络的电磁兼容问题 1 2 1p l c 网络电磁辐射的原理 文献 1 8 分忻了p l c 网络电磁辐射原理。! t l ：- - p l c 使用普通电力线为传输介质， 而电力线足为了传输5 0 t q z 交流 且而设计的，凼此，在p l ，c 传输高频信号时，会有很大 的损耗。，；外，电力线没肯群蔽，在p l c f 作时，相线、中线以及p l c 设备的保护 地与：久地之叫的搿，i 袭散吧答j ! 起的字：模电流：； j z f 周围空问产：生电磁辐射。 华北电力人学硕士学位论文 2 二。j - _ _ o ! ： 。一 一 c o m m o nm o d ec u r r e n t d i f f e r e n t i a lm o d ec u r r e n t = l a r g e 目e m = s m a l lf i e l d ( c a n c e l l a t i o n ) 图1 - 5 并行电力线中共模电流与差模电流产生的场 在普通居民的房屋中通常使用的一般单相电源，而且零线与火线通常是并行布 置的。当p l c 信号耦合在火线上时，另一条线( 零线) 就将作为高频信号的回路； 反之亦然。因此，在p l c 网络在传送高频信号时，电磁辐射主要是由共模电流产生 的。 目前，p l c 主要使用的是1 m h z 3 0 m h z 频段，同时将3 0 m h z 1 0 0 m h z 作为 为更高速的p l c 的预留频段。根据我国现行的无线电波段频率划分，1 m h z - - 3 0 m h z 频段己经十分广泛地应用于广播电台和电视台，如中、短波广播、海事通信、射电天文 研究和业余无线电爱好者等业务，还用于许多对安全问题关系十分重大的无线电业务， 如航空管制、船舶航运、军事指挥、公安警察、领使馆机要通信、民间救援以及机要通 信等。因此，如果注入到p l c 网络的信号功率过高，其产生的电磁辐射有可能超过 该频段其他通信服务和广播接收设备的电磁抗扰度限值，对这些通信服务和广播接 收设备造成电磁干扰；反之，如果注入到p l c 网络的信号功率过低，又将导致p l c 信号接收端的信噪比达不到要求，使信号的有效传输距离缩短。因此，p l c 网络的 电磁辐射特性成为p l c 技术发展的一个关键问题。 表1 1 我国现行的无线电波段频率划分 波段名称频段名称频率范围 波长 工频 5 0 h z6 0 0 0k m 超长波 甚低频( v l f ) 3 3 0 k h z1 0 0 1 0 k i n 长波 低频( l f ) 3 0 3 0 0 k h z1 0 l k m 中波 中频( m f ) 0 3 3 m h z1 o 1 k i n 短波 高频( h f ) 3 3 0 m h z1 0 0 - - 1 0 m 超短波( 米波)甚高频( v h f l 3 0 3 0 0 m h z1 0 1 m 分米波 超高频( u h f ) o 3 3 g h z1 o h n 厘米波微波特高频( s h f l3 3 0 g h z1 0 1 c m 毫米波 极高频( e h f ) 3 0 3 0 0 g h z 1 0 1 m m 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 国外相关电磁兼容标准的研究制定情况 12 2 1 国际上相关标准 对p l c 的现场测试最早开始于英国、德国、西班牙、意大利等欧洲国家。目前 国际上上许多机构和组织，如国际电工委员会( i e c ) 及其下属组织国际无线电干 扰特别委员会( c i s p r ) 、欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 、欧洲邮电管理局 ( c e p t ) 、国际电信联盟( i t u ) 、欧洲电信标准化协会( e t s i ) 、美国联邦通信委 员会( f c c ) 等，对p l c 使用频率范围内骚扰电压和场强的测量方法和限值进行了 研究，也制定了自己的标准，但是尚未形成统一的电磁兼容标准。 ( 1 ) c i s p r l l 该标准将所有设备分为两组和两类。 1 组设备是指为了发挥其自身功能的需要而有意产生或使用传导耦合射频能量 的所有工业科学医疗( 以下简称工科医) 设备。2 组设备是指为材料处理、电火花 腐蚀等功能的需要而有意产生或使用电磁辐射射频能量的所有工科医设备。 a 类设备是指非家用和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备。b 类 设备是指家用和宜接连接到住宅低压供电网设施中使用的没备。 显然p l c 仅有可能归为1 组b 类设备。该标准对1 组b 类设备在0 1 5 m h z 一 3 0 m h z 频率范围内的场强限值，仅规定为应该在测量距离为1 0 米情况下测量磁场 强度，但是具体限值仍在考虑中。 ( 2 ) n b 3 0 德国经济部下属的电信与邮政法规管理局( r e g t p ) 于1 9 9 9 年颁稀了名为n b 3 0 的电磁兼容标准。该标准给出了在测量距离为3 m 下，频率范围在9 k h z - - 3 g h z 内电 信服务( 包括c a t v 、x d s l 矛n p l c ) 沿信号传输线的电磁辐射限值。其中在1 m h z 一3 0 m h z 频段内，采用峰值检波时的辐射骚扰场强限值为4 0 一8 8 l o g f ( m h z ) d b p , v m 。 ( 3 ) m p t l5 7 0 英国无线通信管理局( r a ) 于2 0 0 0 年2 月颁布了电磁兼容标准m p t l 5 7 0 ，规定 了9 k h z 一3 0 0m h z 频段内的辐射骚扰场强限值，其中测量距离为3 m 下，1 6 m h z 一 3 0 m h z 频段内，采用峰值检波时的限值为2 0 一7 7 l o g f ( m h z ) d b p v m 。 ( 4 ) f c cp a r t l5 2 0 0 5 年9 月1 9 同美国联邦通信委员会颁布了最新的电磁兼容标准第1 5 部分 ( f c cp a r t l 5 ) 给出的1 m h z 一3 0 m h z 的辐射骚扰场强限值如表1 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表1 2f c cp a r t l 5 圭! l l 定的1 m h z 一3 0 m h z 内的辐射骚扰限值 场强限值( d b g v m ) 频率( m h z ) 场强限值( g v m ) 测量距离( 米) ( 折合到3 米) 1 1 ，7 0 51 5 ( 峰值) 3 0 米4 3 5 1 7 0 5 1 0 1 0 0 ( 峰值) 3 0 米6 0 l o 一1 3 1 1 03 0 ( 峰值)3 0 米4 9 5 1 3 1 1 0 1 3 4 1 0 1 0 6 ( 峰值) 3 0 米6 0 5 1 3 4 1 0 1 3 5 5 33 3 4 ( 峰值)3 0 米7 0 5 1 3 5 5 3 1 3 5 6 71 5 8 4 8 ( 峰值) 3 0 米1 0 4 1 3 5 6 7 1 3 7 1 03 3 4 ( 峰值)3 0 米7 0 5 1 3 7 1 0 一1 4 0 1 0 1 0 6 ( 峰值) 3 0 米 6 0 5 1 4 0 l o 一2 6 9 63 0 ( 峰值)3 0 米4 9 5 2 6 9 6 2 7 f 2 8 1 0 0 0 0 ( 平均值)3 米8 0 2 7 2 8 3 03 0 ( 峰值)3 0 米4 9 5 ( 5 ) e t s i 欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定了一系列关于p l c 网络的标准，其中2 0 0 4 年5 月颁布的电力电通信网络的辐射骚扰特性和测量方法( e t s i t r1 0 23 2 4 ) 提出 的p l c 系统辐射骚扰磁场强度限值。该标准规定在1 6 0 5 m h z - - 3 0 m h z 频段内，测量 距离为3 米、准峰值检波的情况下，1 0 0 的p l c 辐射骚扰测量的样本值都要低于 1 4 d b g a m ，折合到电场强度为6 5 5 d b g v m ；8 0 的测量样本值要低于4 d b p a m ， 折合到电场强度为5 5 5 d b p v m 。 ( 6 ) 1 t u tk 6 0 国际电信联盟( i t u ) 的建议k 6 0 规定了9 k h z 一3 g h z 内电信网络的无意辐射骚 扰强度的测量方法和电场强度辐射限值，其中1 m h z - - 3 0 m h z 内的骚扰限值为在3 米测量距离下，峰值检波时为5 2 8 8 l o g f ( m h z ) d b g v m ，准峰值检波时为 4 0 8 8 l o g f ( m h z ) d b u v m 。 以上所有标准中，只有m p t l 5 7 0 和n b 3 0 是专门针对高速p l c 通信而制定的 法规。但是这两个标准却过于严格，德国多特蒙德大学的试验研究表明1 9 1 ，在6 4 台 计算机同时使用五类双绞线上网时产生的电磁辐射就已经超过了n b 3 0 标准的限 值。 1 2 2 2 国内相关标准 我国尚未制定专门针对p l c 的国家或行业标准，仅有一些通用的电磁兼容国家 标准。由于1 m h z 一3 0 m h z 频率范围涵盖了无线电通信中的中波( o 3 3 m h z ) 和 华北电力大学硕+ 学位论文 短波( 3 3 0 m h z ) ，主要处于短波频段，因此，信息产业部对这一频段内的一些信 息产品的传导和辐射骚扰限值也有一些规定。 ( 1 ) ： 业、科学和医疗射频设备的电磁骚扰特性的测量方法和限值( g b 4 8 2 4 1 9 9 6 ) 此标准等同于c i s p r1 1 。 ( 2 ) 信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法( g b 9 2 5 4 1 9 9 8 ) 该标准等同与c ! s p r2 2 ，规定了0 15 m h z 一3 0 m h z 内电源端子干扰电压的限 值，但是没有规定3 0 m h z 以内辐射干扰场强的限值 ( 3 ) 电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的发射标准( g b l 7 7 9 9 _ 3 2 0 0 1 ) 陔标准仅规定对辐射场强的测量距离应该为1 0 米，但是也没有规定3 0 m h z 以 内辐射干扰场强的限值 ( 4 ) 微功率( 短距离) 无线电设备的技术要求 我国信息产业部发布的2 0 0 5 年第4 2 3 号文件微功率( 短距离) 无线电设备 的技术要求对频率范围9 k h z 一2 4 2 5 g h z 的各类微功率无线电设备的发射电场或 发射功率的限值进行了规定。在频率范围l m h z 一3 0 m h z 内，准峰值检波时，距离 设备l o 米处的各类通用微功率无线电发射设备的发射磁场不大于一1 5 d b p a m ，归算 到3 米处的电场强度为4 6 9 6d b g v m 。 表1 3 有关p l c 主要辐射骚扰电场限值对比( 均折合到3 米处) 频率范围归算到3 米的电场检波测量距场强 标准名称 ( m h z ) 限值( d b g v m ) 方式 离( m ) 类型 c i s p r l lo 1 5 3 0 在考虑中 1 0 磁场 n b3 01 。3 0 4 0 8 8 1 0 9 f m h z 准峰值 3 电场 m p t l5 7 01 6 3 0 2 9 5 7 7 1 0 9 f m h z 峰值 3 磁场 1 7 0 5 一l o6 03 0 电场 f c cp a r t l5 峰值 1 40 1 2 6 9 64 9 53 0电场 1 6 0 5 3 06 5 。5 ( 1 0 0 )3 e t s i 准峰值磁场 1 6 0 5 3 05 5 5 ( 8 0 )3 1 3 0 5 2 8 8 1 0 9 f m h z 峰值 3 i t u k 6 0 电场 1 3 0 4 0 8 8 1 0 9 f m h z 准峰值3 我国信息产业部 1 3 04 6 9 6准峰值1 0 磁场 1 3 本文主要工作 本文结合国家自然科学基金项目“低压配电网p l c 络电磁辐射测量方法与场强 的研究”( 6 0 5 7 1 0 3 0 ) 和家电网公司项目“p l c 安全问题研究”( s g k j 2 0 0 4 1 4 0 5 ) ，详 细论述了低压电力线通信( p l c ) 网络电磁辐射的测量方法和限值的有关问题，其 华北电力人学硕十学位论文 结论对制定适合我国国情的p l c 网络电磁辐射测量方法和场强限值相关标准具有较 好的参考意义。 本文共分六章，各章具体内容如下： 第一章首先介绍了p l c 技术的一般概况及其推广应用过程中遇到的电磁兼容 问题，并综述了国内外对p l c 辐射场强测量方法和限值的研究现状，进一步明确了 本文的研究内容及研究方法。 第二章基于线导体结构电磁场计算的矩量法，计算了目前在p l c 网络电磁辐射 测量中，采用c i s p r 等标准规定的将磁场强度乘以3 7 7 q ( 或者加上5 15 d b ) 得到 的电场强度这一方法的有效性和误差。本章还借助华北电力大学3 米法紧凑型暗室， 通过试验验证了在不同距离下测量得到的电场强度值之间换算公式的有效性，得出了 一些有益的结论。 第三章提出了一种基于电偶极子随频率变化的波阻抗，实现由磁场强度推算电 场强度的方法，通过大量的仿真计算，分析了该方法的有效性和误差，总结了该方 法准确性的各利，凶素。 第四章分析讨论了p l c 网络辐剁场强测量设备和测量方法选取中的几个问题， 结合目前的国内外标准，提出了p l c 网络辐射场强的测量方法。 第五章分别对搭建在华北电力大学3 米法紧凑型暗室内的一个p l c 网络模型和 在某公司“真实电器一仪器仿真混合测试网络”进行了测量，分析了p l c 网络辐射 场强受传输速率、网络工作方式、电力调制解调器待机以及其它家用电器工作情况 的影n 向规律。分别将暗室内p l c 模型的测量结果和现场试验网络的测量结果与日前 国内外最主要的辐射场强限值相比较，对我国的p l c 产品能否通过电磁辐射测试做 出了分析和预测。 第六章对全篇进行了总结。 华北电力人学硕十学位论文 第二章目前p l c 辐射场强测量方法的误差分析 本文第一章综述了目前国内外有关p l c 辐射场强限值的几个主要标准。其中一 些标准规定的是电场强度，另一些标准规定的是磁场强度。此外，不同标准规定的 测量距离也不完全相同，有1 米法，3 米法，1 0 米法和3 0 米法。 为了使规定磁场限值的标准和电场限值的标准之间可以互相比较，需要将磁场 强度值换算为电场强度。目前国际上通常采用c i s p r l 6 推荐的方法( 以下简称为 c i s p r 方法) ：将磁场强度值乘以远场中白由空问的波阻抗3 7 7q ( 或者加上5 1 5 d b ) 转化为电场强度值。3 7 7 f l ( 或5 1 5 d b ) 是在远场条件下得到的，此时电场强度和磁 场强度在空间上相互垂直，振幅反比于距离r ，相位相同。p l c 使用的频率为1 m h z 一3 0 m h z ，这一频段对应的波长为3 0 0 米一1 0 米，显然，这时测量到的电场和磁场 不满足远场条件，因此，目前用自由空间波阻抗进行磁场到电场转化的方法并不十 分科学，这利；转化方法必定存在一定的误差。本章借助基于线导体结构矩量法的电 磁场计算软件n e c 计算了不同导线布置情况下，c i s p r 方法的误差。 在实际测量中，有些时候由于其他建筑的阻挡或者实际条件的限制，并不能满 足标准要求的测量距离。而这些在不是在标准规定的测量距离下测量的值，应该能 够归算到标准规定的距离下。另外，大多数标准规定的测量距离是3 米，但是也有 一些标准规定的测量距离为1 米、l o 米和3 0 米，不同测量距离f 测量的场强值要 进行比较，就要通过归算到某一个相同距离下。所以，有必要确定一个不同距离场 强间转化的公式。目前通行的转化公式是从电偶极子的辐射电场得到的。本章通过 在华北电力大学电磁兼容实验室的3 米法紧凑型暗室内进行的试验，验证了目前采 用的这种转化方法的有效性，并评价了其误差。 21 电偶极子周围的场 2 1 1 自由空间电偶极子 在几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流 设线元上的电流随时间做正弦变化，表示为： i ( t ) = l c o s c a t = r e i e 7 就构成了电偶极子【1 2 。 ( 2 1 ) 华北l u 力人学硕+ 学1 1 i 7 ：论文 、l a 埘f | 。潞， 一 a ) 、l 、j 图2 1 垂直电偶极了： 如图2 1 所示，电偶极子沿z 轴放置，中心位于坐标原点 虑到1 ，载流线元在p 点产生的矢量位【1 3 】近似为 a f n ：e 型e 加 4 7 0 、 其中k ：竺：堕孥 ccl 它在球坐标系中的三个坐标分量为 4 = 舢。s 口= 等c 。s “ 以= 吐s i n 臼一筹s i n a = 0 线元的长度为l ，考 将式( 2 4 ) 带入b = v a ，可得电偶极子在场点p 产生的磁场 h = 土v a - 矿丽1。s l nc ， 解得： h ，= 0 h 日= 0 e d 凹 a c o s 0 r e o d a 臼 一r a ，s i n 0 牛警c 吾+ 寿，e 呐 将式( 2 6 ) 带入无源区的麦克斯韦方程 v h = 一，们e 可得电场强度的三个分量： 耻絮笋击一斋弘1 书 rs i n o e d a 西 0 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 a ) ( 2 6 b ) ( 2 6 c ) ( 2 7 ) ( 2 8 a ) 华北电力火学硕十学位论文 岛= 等c 吾+ 击一斋f 归 瓯= 0 为了计算方便，式( 2 6 c ) 、( 2 - 8 a ) t l ( 2 8 b ) n 以将合并到含k r 的项中 一项都是打的各次幂的线性组合，整理如下： e ，：一2 ks l l c o s o _ ! 了+ ! t p 一止r 丘，一4 o 石万+ 两旷。 ( 2 - 8 b ) f 2 8 c ) 这样，每 ( 2 9 a ) b ：一絮警 去+ 击+ 击f 归( 2 - 9 b ) 丘日一i 岳+ 丽了+ 丽8 “ 卟一半 击+ 志f 步 陋 可见，磁场强度只有一个分量h ，而电场强度有两个分量e ，和e o ，因此，将 整个存在电磁场的空间分为三个区，在不同的区，各项对场的贡献大小也不同。 k r 1 的区称为远场区，在远场区内，电磁场主要取决于分母中含o r 的最低次幂项。 k r = 1 的区称为中场区，在中场区内，k r 的各次幂项均为1 。 2 1 2 垂直电偶极子在半空间上的场 图2 - 2 所示为垂直电偶极子放在e h e c - 限大理想导体平面上方h 处。图中的载流 线元发出的电磁能量是按无界空间的方向特性辐射出去的。在考虑地面的作用以 后，要通过镜像法引入一个虚设的辐射源，在平面上方，虚设的辐射源与实际的 辐射源组成一个等效辐射系统。 图2 - 2 垂直电偶极了及其镜像 长度为，、均匀电流为，的电偶极子位于无限大理想导体平面上的几何关系如图 2 2 所示。此电偶极子在观察点p 的直射电场分量为 华j ! 坐塑查堂堡主堂堡丝塞 一一 = j z 肛1 l 徊盯向 ( 2 - 1 1 ) 其中，r 3 7 7 q 而镜像源在同一观察点p 的反射电场分量为 e ，= 吩i 帆i - r l s i n 0 2 毋 ( 2 1 2 ) 式中，r 为反射系数。在这里，r = 1 。 平面上方( z 0 ) 的总电场等于直射分量与反射分量之和，即 驴驴刍归n o l e - ) k qq - 朋老删舭0 2 鹏 陋1 3 若认为鼠= 0 2 = 曰，12 t 2 2 7 = r h c o s o ，如= r + h c o s o 则式( 2 1 3 ) 可以简化为 “瓦1 1 椰私。s ( 砌c 。s o ) 1 e 叫 2 1 3 水平电偶极子在半空间上面的场 ( 2 1 4 ) ， 图2 - 3 水平电偶极予及其镜像 图2 3 所示为水平电偶极子在距无限大理想导体平面上方 处，引入一个镜像 源。根据边界条件，镜像源与真实源时反向的。观察点p 处的直射场和反射场分量 分别为 e ，d = j 瓦i i 嘞w 帆( 2 - 1 5 ) = 弘。去删n k 旺。6 式中，r 。是水平极化的反射系数，角度掣是y 轴与点p 的矢径之间的夹角，有 拦 华北电力人学硕十学位论文 c o s 。f = e 。p ， = e y ( e 。s i n o c o s # + e 。s i n o c o s + e = c o s 0 ) = s i n o s i n 西 故s i n t = , 1 一s i n2 0 s i n 2 若认为0 l = 岛= 臼，= ，2 = ， = r h c o s 0 ，r z = r + h c o s 0 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 则无限大理想导体平面( 此时r h = 一1 ) 的上半空间( z 0 ) 观察点p 的总场 为： e v = e t d + e = 尝叩乒i 面而卅“一业。尝叩正i 面而沙m 一 ( 2 19 ) z a rz a t = ，尝7 7 1 一s i n 2o s i n 2 j 2 s i n ( k h c o s o ) e 廿 对于真实大地，电导率为有限值，此时的镜像源强度为r 。观察点p 的总电 场由式( 2 15 ) 和式( 2 1 6 ) 叠加，并应用近似条件，得 e ，：，墨 ，f i _ 二i i i i 可e 一归p 肿c 一+ r 。e m c 一( 2 2 0 ) 其中r 。：型里蛐旦! 堡 “ r ic o s 0 , + 玎oc o s o , 2 ，1 4 电偶极子的波阻抗 在电磁兼容理论中，通常将空问某处的电场与磁场的横向分量的比值称为媒质 的波阻抗z 。 2 7 1 。 因此，电偶极予波阻抗为： z 。：扣蜷 陋z - ， 其中：7 7 一自由空间波阻抗； k 波数； 式( 2 2 1 ) 为自由空间中电偶极子的波阻抗，可以看到，在近场范围内j 波阻抗是 波数k 和距离d 的函数。由式( 2 3 ) 可知，波数k 是振子频率厂的函数，因此电偶极子 的波阻抗是频率厂和距离，的函数。电偶极子波阻抗随波数和距离变化的益线如图 华北电力人：学硕_ ：学位论文 0 2 i 一l - 一。i i j 0 一一i j 川一上i ：j i j i j j j i j 1 0 1 0 01 0 1 1 0 2 k r 图2 4 电偶极子波阻抗与频率和距离的关系 从图2 4 可以看出，在近场下，b 远小于1 ，电偶极子的场为高阻抗场，波阻 抗远大于3 7 7 q 。随着扫的增加，电偶极子波阻抗逐渐减小。在k rz7 0 7 时，波阻抗 等于3 7 7 f 2 。之后，电偶极子波阻抗先减小后减增大，在k r 2 以后，逐渐接近3 7 7 q 。 因此，只有当k r 2 以后，波阻抗值爿近似为3 7 7 f l ，在k r 竺时，才 c九2 万 可以认为波阻抗为常数。 2 2 电场与磁场转化方法误差分析 2 2 l 计算方法 矩量法的实质是将一泛函方程化为一个矩阵方程，通过矩阵求逆或其他解线性 方程组的方法求解。文献 2 4 】介绍了经典的矩量法的抽象，在此不多赘述。 在本文计算方法中，以导体段的轴向电流为变量，电流基函数采用三角函数的电流 模型，通过列解电场积分方程计算导线周围空间电磁场。 由于导线的半径远远小于激励源的波长，在计算时，将导体分成若干直线段，并 做如下假设： ( 1 ) 在每段导体中，电流连续变化，并且集中于导体的轴线上； ( 2 ) 忽略导线上相对于轴线方向的横向电流和轴向电流中的环向分量； ( 3 ) 在每段导体表面，线电荷均匀分布。 在每个直导体段的表面，导体内外的电场强度应当满足下面的边界条件： n ( e + e 。) = 0 ( 2 - 2 2 ) 其中i i 是圆柱导体表面外法线方向，e 。是施加于导体表面的外电场强度，e 5 是导体 本身轴向电流产生的内l 乜场强度。 华北电力大学硕十学位论文 从洛仑兹规范 va ：一“s 丝 班 和动态位的达朗贝尔方程 v 2 a 一肛警一 v 2 帅s 窘一詈 可以得到导体轴线，上线性变化的电流，( f ) 和均匀分布的线电荷 产生的散射电场强度： e 。= 一j c o a v 西 其中，v ( f ) 表示以l 为变量时砸) 的梯度。 f 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) v z q ) ( j c o ) 在空间 ( 2 2 6 ) 在无限大自由空唰中，有： a = 尝埘e - ，j k 兰d ，( 2 - 2 7 ) 痧= 去雕) 竿出 ( 2 - 2 s ) 其中e 为圆柱导体线电流的轴线方向，a 为轴向电流，o ) 产生的矢量磁位，为导 体表面均匀分布的线电荷一v l ( 1 ) ( j c o ) 产生的标量电位，、s 分别是导体所在空间的 磁导率和介电常数，k 是波数。将式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 4 ) n 以得到电场强度的 积分方程： 肚尝e f ，( ) - _ - j k rd + 去一v ，_ - j k r d z ( 2 2 9 ) 各小段导体上的电流分布巾) 用三角函数逼近： ，f ，1 = a + b s i n k l + c c o s k l ( 2 3 0 ) 式中a 、b 和c 是待定系数。在半径不相同的导体连接处或多根导体的交点处的线电 荷密度符合下面的关系式2 8 j ： 掣l ：善 ( 2 3 1 ) 刮1 l n f 三 一y 。 l k a 其中a 为导体半径，y 是欧拉常数为0 5 7 7 2 ，q 是与导体交点区域的总电荷相关的数 值，对于所有连接到这一点的导体都是相同的值。 忽略导体的端部效应，并设非电流注入段的悬空导体端点处的电流和电荷都为零。 在交点处应用电流连续性和电荷连续性方程，可以得到a 、b 、c 和0 之间的关系。这样， 总的未知数个数与导体的段数相同，可以解出方程组唯一的解。 在计算中，使用咆压源为外加激励。当导体一端连接电压源时，电压注入段导体中 华北电力人学硕士学位论文 点的电位为已知量，由式( 2 2 8 ) 得： 矿= 石i 善n 耻) 半d ， ( 2 ，z ) 然后求解各导体段上的电流分布，( ，) 。 本章在计算时，使用了电磁场计算程序n e c ( n u m e r i c a le l e c t r o m a 2 n e t i cc o d e ) 2 4 - 2 1 1 。n e c 程序是线导体结构电磁场计算中最常用的训算程序之一，该程序最早是 在2 0 世纪7 0 年代由美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室( l l n l ) 为了计算线天线 电磁辐射和架空导体的电磁散射问题而研究开发。目前，n e c 程序已经成为国际通 用的线导体结构电磁辐射和电磁散射计算程序。n e c 程序以电场积分方程为基础， 可以准确方便的对各种线导体结构的传输线和集中负载元件等进行建模。对于分析 各种线导体结构的电磁辐射和电磁散射问题具有输入计算简单和计算效率高的优 点。 2 2 ，2 计算结果 实际房屋内电力线是由水平方向和垂直方向两个基本方的导线向组成的。因 此，本文计算了不同走向导线在加上高频信号以后，采用c i s p r 方法推算得到的电 场强度的误