許中璞，王學(xué)偉，李建岐，田海亭

(1．北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京市100029;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;3．國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司計(jì)量中心，北京市100045)

0 引 言

用電信息采集系統(tǒng)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)，高速、雙向、實(shí)時(shí)的通信技術(shù)是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。低壓電力線載波通信技術(shù)能夠充分利用現(xiàn)有的電力線資源，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ?，建設(shè)成本低、覆蓋范圍廣，在國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)中被普遍采用［1-6］。

然而，在我國(guó)用電信息采集系統(tǒng)逐漸投入運(yùn)行以后，全國(guó)范圍內(nèi)多個(gè)城市先后出現(xiàn)了家用電器受到低壓電力載波通信影響的情況，其中最典型的是智能電能表的載波通信導(dǎo)致居民漏電保護(hù)器發(fā)生跳閘的現(xiàn)象［7］。此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生對(duì)用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)造成了很大的影響。然而，從更廣泛的角度來(lái)看，載波通信是否還會(huì)對(duì)其他家用電器產(chǎn)生影響?反之，這些電器是否會(huì)對(duì)電力線載波通信可靠性產(chǎn)生影響，影響程度如何，該如何開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，這些問(wèn)題目前都尚未明確。

從電磁兼容原理上來(lái)看，低壓電力載波通信相當(dāng)于在低壓電力線上引入了高頻信號(hào)。按高頻信號(hào)傳播形式劃分，電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾(信號(hào)頻率范圍為0.01 ～30 MHz)和輻射干擾(0.03 ～1 GHz)。由此，低壓電力載波(0.050 ～20 MHz)通信電磁兼容影響研究主要圍繞高頻信號(hào)的傳導(dǎo)干擾展開(kāi)。

目前國(guó)際相關(guān)組織已經(jīng)制定了較為完備的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 17626.6—2008《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)－射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》給出了射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn);GB 4343.2—2009《家用電器、電動(dòng)工具盒類(lèi)似器具的電磁兼容要求 第2 部分:抗擾度》給出了電動(dòng)工具電磁兼容測(cè)試的基本要求［8-9］，但并未給出低壓載波通信對(duì)電器電磁兼容影響試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定及相應(yīng)的試驗(yàn)方法，而且這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)只涉及到射頻干擾信號(hào)的共模注入試驗(yàn)，并未給出相關(guān)的射頻信號(hào)的差模注入試驗(yàn)。此外，對(duì)電磁兼容性的研究，大多集中在通信、電子、電力等產(chǎn)品，而電機(jī)產(chǎn)品的電磁兼容性(electro magnetic compatibility，EMC)研究最近幾年才開(kāi)始［10-12］。作為家用電器的主要驅(qū)動(dòng)，電機(jī)與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，而且配電網(wǎng)中數(shù)量最多的負(fù)荷為電機(jī)，建立電機(jī)的載波模型是低壓電力載波通信的重要研究?jī)?nèi)容。因此，開(kāi)展載波通信與電機(jī)類(lèi)家用電器的電磁兼容性研究具有重要意義。

本文通過(guò)建立低壓電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型以及單相異步電機(jī)載波模型，并分析載波對(duì)電機(jī)的性能影響，在實(shí)驗(yàn)室模擬低壓電力線載波通信對(duì)電機(jī)類(lèi)家用電器電磁兼容性影響的共模和差模試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法，并選取4 種典型電機(jī)類(lèi)家用電器進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，最后給出電機(jī)類(lèi)家電對(duì)載波通信的可靠性影響分析。

1 低壓電力線載波通信信號(hào)傳輸特性

1.1 低壓電力線載波通信信號(hào)傳輸特性分析

1.1.1 頻率選擇特性

國(guó)外低壓電力載波通信開(kāi)展較早，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定了電力線載波頻帶寬度為9 ～490 kHz;歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的EN 50065 －1—2001《頻率范圍3 kHz 至148.5 kHz 的低壓電氣設(shè)備信號(hào)裝置規(guī)范．一般要求、頻帶和電磁干擾》規(guī)定電力載波頻帶為3.0 ～148.5 kHz;日本無(wú)線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)規(guī)定頻帶范圍為10 ～450 kHz。DL/T 790.31—2001《采用配電載波的配電自動(dòng)化 第3 部分:配電線載波信號(hào)傳輸要求 第1 篇:頻帶和輸出電平》規(guī)定，我國(guó)低壓電力載波通信信號(hào)的頻帶范圍為50 ～500 kHz［13-14］。隨著新一代載波通信正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前載波頻帶擴(kuò)展到20 MHz。

1.1.2 阻抗特性

阻抗是低壓配電網(wǎng)用作載波通信信道的一個(gè)重要參數(shù)，其大小直接影響傳輸信號(hào)的耦合效率。電力線信道的阻抗特性隨著時(shí)間、頻率、接入位置、負(fù)載類(lèi)型、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素的不同而變化，電力線信道的阻抗波動(dòng)大，最大值與最小值差距較大，導(dǎo)致載波裝置不能采用固定的阻抗輸出，增加了發(fā)射端、信道和接收端阻抗匹配的難度，從而導(dǎo)致接收端信號(hào)能量無(wú)法達(dá)到最大，造成傳輸信號(hào)的衰減。

1.1.3 噪聲特性

低壓電力線通信信道的噪聲分布與地點(diǎn)、時(shí)間、負(fù)載的隨機(jī)接入與斷開(kāi)等密切相關(guān)，各類(lèi)噪聲相互獨(dú)立。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前公認(rèn)在低壓電力線載波通信環(huán)境中存在三大類(lèi)噪聲，分別為:

(1)有色背景噪聲。主要由網(wǎng)絡(luò)上眾多功率較低的噪聲源疊加而成，功率譜密度相對(duì)較低，與頻率相關(guān)，隨時(shí)間變化緩慢。

(2)窄帶噪聲。多為正弦調(diào)幅信號(hào)，只出現(xiàn)在一段很窄的有限頻率范圍內(nèi)，但功率譜密度高，主要是由中短波廣播引起，可由N個(gè)獨(dú)立正弦波疊加產(chǎn)生。

式中:Ai(t)、fi、φi分別為第i個(gè)子載波的幅度、頻率和相角，可以通過(guò)測(cè)量獲得。

(3)脈沖噪聲。脈沖噪聲又可以分為:1)與工頻異步的周期性脈沖噪聲，噪聲重復(fù)頻率一般為50 ～200 Hz，由電視機(jī)或電腦顯示器干擾造成;2)與工頻同步的周期性脈沖噪聲，持續(xù)時(shí)間很短，頻率覆蓋范圍大，功率譜密度隨功率的升高而下降，主要由可控硅整流器件造成;3)隨機(jī)脈沖噪聲，由閃電或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載(冰箱，空調(diào)等)的開(kāi)關(guān)操作造成，到達(dá)時(shí)間隨機(jī)，持續(xù)時(shí)間在幾μs 到幾十ms 之間。

1.1.4 衰減特性

低壓電網(wǎng)信號(hào)衰減分為線路衰減和耦合衰減。線路衰減的主要原因是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)載具有多樣性和時(shí)變性，耦合衰減是由載波通信模塊與線路輸入阻抗不匹配引起的。對(duì)高頻載波信號(hào)而言，電力線是非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在傳輸線上的任意位置隨機(jī)地連接或斷開(kāi)，導(dǎo)致通信系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，因此信號(hào)會(huì)遇到反射、諧振等現(xiàn)象，使高頻載波信號(hào)在傳輸過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的衰減特性。高頻載波信號(hào)的衰減與通信距離、傳輸信號(hào)頻率以及電源相位等都有密切聯(lián)系。

1.1.5 多徑效應(yīng)特性

低壓電力線連接的負(fù)載阻抗具有時(shí)變性和隨機(jī)性，是非均勻不平衡的傳輸線。因此，信號(hào)在傳輸過(guò)程中遇到反射、駐波等情況時(shí)，可能會(huì)由不同的路徑到達(dá)接收端，出現(xiàn)多徑效應(yīng)現(xiàn)象，傳輸信號(hào)如果以微小的時(shí)間差到達(dá)接收端會(huì)產(chǎn)生干涉影響，造成頻率選擇性衰落［15-16］。

1.2 低壓電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型

低壓電力線通信中對(duì)于高頻載波信號(hào)傳輸?shù)闹饕绊懸蛩厥撬p、多徑效應(yīng)和干擾噪聲，電力線干擾噪聲主要有背景噪聲、窄帶噪聲以及脈沖噪聲三大類(lèi)。此外，具有時(shí)變性和多樣性特性的負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減、多徑效應(yīng)以及噪聲都具有一定的影響，進(jìn)而影響低壓電力線載波通信的可靠性。因此，建立了電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型，如圖1 所示。

圖1 低壓電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型Fig.1 Send and receive model of LV-PLC signal

多徑傳輸信道函數(shù)頻域表達(dá)式為:

由式(2)得到時(shí)域表達(dá)式:

式中:cj、τj分別為路徑j(luò) 的衰減系數(shù)和時(shí)延;n 為路徑數(shù)，n 的選取與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜头瓷湫盘?hào)的衰減大小有關(guān)。

在時(shí)域范圍內(nèi)，可以得到接受信號(hào)R(t)為:

由式(3)和(4)得:

式中N(t)為所有噪聲之和。

2 低壓電力載波通信對(duì)電機(jī)類(lèi)家用電器影響分析

2.1 載波對(duì)電機(jī)類(lèi)家電影響分析

電機(jī)類(lèi)家用電器，如電風(fēng)扇、冰箱、空調(diào)等，電機(jī)是其最為核心的部件，盡管各種新型電機(jī)層出不窮，目前家電產(chǎn)品中使用最多的仍是單相感應(yīng)電機(jī)，約占市場(chǎng)容量的80%以上。單相感應(yīng)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，在低功率家用電器應(yīng)用方面占有重要位置［11］。研究載波對(duì)電動(dòng)機(jī)類(lèi)家用電器影響，主要圍繞載波對(duì)電器電機(jī)的影響展開(kāi)。

2.1.1 單相異步電機(jī)載波模型建立

單相異步電機(jī)作為感性負(fù)荷的代表，其主、副繞組主要表現(xiàn)為電感特性。電感在高頻時(shí)，除了表現(xiàn)其自身的電感特性，還表現(xiàn)一定的損耗電阻和分布電容。此外，繞組在高頻時(shí)還表現(xiàn)對(duì)地的分布耦合電容。因此，建立的單相異步電機(jī)載波等效模型如圖2 所示。

圖2 單相電機(jī)載波等效模型Fig.2 Single-phase motor carrier equivalent model

圖2 中:R 為定子和轉(zhuǎn)子的繞組阻抗;Ld為繞組漏電感;Ct為匝間的分布耦合電容;Cg為線圈到地的分布耦合電容;Re為磁芯和外殼間的漩渦流損耗;Lse和Rse為趨膚效應(yīng)對(duì)定子繞組電阻和漏電感的影響;w、n、g 分別為火線、零線和地線。

2.1.2 載波對(duì)電器電機(jī)性能影響分析

電力載波通信對(duì)電器電機(jī)性能的影響分析主要圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi):

(1)載波對(duì)電機(jī)的噪聲影響。電機(jī)的噪音主要有電磁噪音、通風(fēng)躁音、機(jī)械噪音，這里只分析電磁噪音。載波頻率越低，導(dǎo)致的諧波電流頻率越高，使電機(jī)氣隙的高次諧波磁通增加，其表現(xiàn)為較低的諧波分量與轉(zhuǎn)子固有頻率，以及鐵心、機(jī)殼、軸承座的諧振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪音增大。

(2)載波對(duì)電機(jī)的振動(dòng)影響。電機(jī)的振動(dòng)原因有電磁與機(jī)械兩種，這里只針對(duì)電磁原因做出分析。電機(jī)的轉(zhuǎn)子，可近似看作為實(shí)心圓柱體，因此產(chǎn)生噪聲的主要原因是定子鐵心的振動(dòng)。如圖3 所示為電機(jī)的簡(jiǎn)化模型，可以看成一個(gè)從內(nèi)側(cè)受到隨時(shí)間變化和空間上有一定分布的壓力作用的空心圓柱體。

圖3 電機(jī)的簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of motor

高頻載波成分進(jìn)入電機(jī)形成電流，流經(jīng)嵌于定子內(nèi)側(cè)的線圈繞組，在電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙中形成磁場(chǎng)。據(jù)麥克斯韋定律，在電機(jī)氣隙中單位面積的徑向電磁力可表示為

式中:b 為氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度;μ0為真空磁導(dǎo)率;t 為時(shí)間。這一徑向電磁力隨時(shí)間(t)和空間(a)不斷變化，產(chǎn)生行進(jìn)的力波，其中各分量的一般形式可表示為

式中Ωr為r 階力波的角頻率，當(dāng)r =0 時(shí)，P0沿圓周均勻分布且隨時(shí)間作周期性變化，使定子發(fā)生徑向振動(dòng)。因此，當(dāng)較低頻率的載波信號(hào)注入時(shí)，各種頻率的諧波成分分別經(jīng)定子線圈繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生激振力，可能使電機(jī)定子產(chǎn)生振動(dòng)。

(3)載波對(duì)電機(jī)的溫升影響。電機(jī)內(nèi)部由鐵芯和繞組線圈組成。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，所謂銅損;鐵芯有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料、電流、頻率、電壓有關(guān)，即鐵損。載波頻率越大，電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損可能增加，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組鐵芯(普通硅鋼片)發(fā)熱，進(jìn)而使電機(jī)溫度升高。

(4)載波對(duì)電機(jī)輸出功率的影響。載波頻率越大，諧波電流頻率增大，電機(jī)定子的集膚效應(yīng)也越嚴(yán)重，電機(jī)損耗越大，輸出功率越小。

2.2 載波通信對(duì)電機(jī)類(lèi)家用電器影響試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

2.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓電力線載波通信對(duì)電器的影響本質(zhì)上屬于低壓電力線上引入了射頻干擾。本文給出模擬載波通信對(duì)電機(jī)類(lèi)家電電磁兼容影響的試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要可進(jìn)行兩大類(lèi)試驗(yàn)，第一類(lèi)為模擬載波信號(hào)以共模注入影響測(cè)試，如圖4(a)所示，第二類(lèi)為模擬載波信號(hào)以差模注入影響測(cè)試，如圖4(b)所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Test system

本試驗(yàn)系統(tǒng)使用的設(shè)備有:(1)連續(xù)波發(fā)生器(CWS 500 C)產(chǎn)生模擬載波信號(hào);(2)衰減器(ATT6/75)減少射頻信號(hào)發(fā)生器同受試設(shè)備之間的失配;(3)差模、共模耦合、去耦網(wǎng)絡(luò)(couping/decouping network，CDN)/(衰減值都很小，最大不超過(guò)15 dB)，將經(jīng)連續(xù)波發(fā)生器輸出的模擬載波信號(hào)注入到受試設(shè)備輸入端;(4)隔離變壓器(NDK －3000;)主要作用是將受試設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)和電網(wǎng)隔離開(kāi);(5) 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(line impedance stabilization network，LISN)，可以隔離電網(wǎng)干擾，為受試設(shè)備提供穩(wěn)定的測(cè)試阻抗［17］;(6)數(shù)字示波器(安捷倫DS07104B)，用于觀察經(jīng)去耦網(wǎng)絡(luò)輸出的實(shí)際模擬信號(hào)電平與頻率。其中共模/差模CDN 原理圖如圖5 所示。

2.2.2 載波通信對(duì)電機(jī)類(lèi)家用電器影響試驗(yàn)的測(cè)試方法

(1)模擬載波信號(hào)的形式與電平等級(jí)。由低壓電力線載波通信信號(hào)傳輸特性及建立的電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型知，電力線傳輸信道存在不同的噪聲干擾，所以為了模擬真實(shí)的信道環(huán)境，模擬載波信號(hào)需要經(jīng)過(guò)1 kHz，調(diào)制深度80%的AM 調(diào)制。耦合到電力線上的調(diào)制載波信號(hào)如圖6 所示。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)電平為10 V，頻率為1 MHz時(shí)，耦合到電力線的信號(hào)電平為4.5 V。

圖5 共模、差模CDN 原理圖Fig.5 Schematic diagram of common-mode CDN and differential-mode CDN

圖6 耦合到電力線的調(diào)制載波信號(hào)波形Fig.6 Waveform of modulated carrier signal coupled to power line

GB/T 17626.6—2008《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)－射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定4個(gè)試驗(yàn)等級(jí)的試驗(yàn)信號(hào)電平分別為1，3，10 V 和待定。DL/T 698—1999《低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定載波信號(hào)最大輸出電平為:3 ～148.5 kHz頻帶的最大輸出信號(hào)電平應(yīng)不超過(guò)134 dBμV;148.5 ～500 kHz頻帶的最大輸出信號(hào)電平不大于56 ～66dBμV［18］，因此選取注入模擬載波信號(hào)的電平為3 ～5 V(均方根值)。

(2)模擬載波信號(hào)的頻率點(diǎn)選取。本試驗(yàn)采用的信號(hào)頻率范圍為0.05 ～20 MHz。國(guó)內(nèi)主要載波芯片廠家有東軟，鼎信，福星曉程，瑞斯康，其中東軟和鼎信使用FSK 調(diào)制方式，其中心頻率分別為270，421 kHz;福星曉程和瑞斯康使用PSK 調(diào)制，其中心頻率點(diǎn)分別為121，132 kHz［19］。因此在50 ～500 kHz載波頻率范圍內(nèi)，除了基本頻率點(diǎn)121，132，270，421 kHz，從50 kHz 開(kāi)始，選取的頻率點(diǎn)滿足50 kHz為首項(xiàng)，500 kHz 為末項(xiàng)，等差為50 kHz 的等差數(shù)列;在1 ～20 MHz 頻率范圍，選取的頻率點(diǎn)滿足以1 MHz為首項(xiàng)，20 MHz 為末項(xiàng)，等比為的等比數(shù)列，便于高效測(cè)試。

(3)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置要求。1)測(cè)試環(huán)境:溫度23 ～25 ℃，相對(duì)濕度62%;2)差模CDN、共模CDN以及去耦網(wǎng)絡(luò)與受試電器之間連接電纜的長(zhǎng)度為0.1 ～0.3 m，不允許捆扎或盤(pán)成圈;3)受試電器、輔助設(shè)備(隔離變壓器，LISN)置于距地參考平面上面0.1 m 高的絕緣支架，并且受試設(shè)備距任何金屬物體至少0.5 m 以上;與受試設(shè)備連接的電纜放置于接地參考平面上方至少30 mm 高;4)試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，避免產(chǎn)生測(cè)試誤差。

(4)試驗(yàn)項(xiàng)目與性能判據(jù)。

1)試驗(yàn)項(xiàng)目說(shuō)明。需要測(cè)試的電機(jī)指標(biāo)有:振動(dòng)、溫升、噪聲、輸出功率。此外，電機(jī)類(lèi)家用電器還有其他功能，如指示燈顯示等。以家用電風(fēng)扇為例，測(cè)試的項(xiàng)目有指示燈顯示，檔位切換、開(kāi)關(guān)功能、定時(shí)、遙控、電機(jī)振動(dòng)、溫升、噪聲、輸出功率。測(cè)試對(duì)象:電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)、加濕器。以上電器的電機(jī)均使用單相異步電機(jī)。溫度測(cè)試的具體測(cè)試方法為，不加載波情況下，電器正常工作，從某一時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，用手持式紅外測(cè)溫儀每隔30 s測(cè)試一次電器電機(jī)溫度并記錄數(shù)據(jù)，10 min 時(shí)間段內(nèi)連續(xù)記錄20 組數(shù)據(jù);模擬調(diào)制載波信號(hào)分別以差模注入和共模注入，用紅外測(cè)溫儀分別測(cè)得電器在不同頻率載波以不同方式注入時(shí)的溫度。輸出功率測(cè)試方法為，首先用PRS1.3 三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得不加載波情況下電器正常工作時(shí)線路電壓，電流，功率因數(shù)以及有功功率作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù);其次分別測(cè)得電器正常工作狀態(tài)下模擬載波信號(hào)分別以差模和共模兩種方式注入時(shí)線路電壓，電流，功率因數(shù)以及有功功率作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

2)性能判據(jù)。性能指標(biāo)主要包括家用電器的基本功能，如開(kāi)關(guān)與檔位切換功能，指示燈顯示、定時(shí)等是否出現(xiàn)功能喪失，以及電器核心構(gòu)成部分－電機(jī)的性能指標(biāo)，如振動(dòng)，噪聲，溫升，輸出功率等是否出現(xiàn)性能降低。性能判據(jù)可分為4個(gè)等級(jí)，A:在技術(shù)范圍內(nèi)性能正常;B:功能和性能暫時(shí)性降低或喪失，但可自行恢復(fù);C:功能和性能暫時(shí)性降低或喪失，要求操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常;D:由于設(shè)備(元件)和軟件的損壞和數(shù)據(jù)喪失，而造成不可自行恢復(fù)的功能降低或喪失［20］。

(5)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析。1 kHz，80%AM 調(diào)制，信號(hào)電平為3 ～5 V(有效值)的不同頻率的模擬載波信號(hào)分別以差模和共模兩種方式注入線路時(shí)，測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

由表1 可知:(1)各電器接入線路正常時(shí)，以共模和差模兩種方式注入載波信號(hào)，測(cè)得的線路電壓、電流、功率因數(shù)、輸出有功功率與無(wú)載波注入時(shí)各參數(shù)對(duì)比，各參數(shù)呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。(2)在載波信號(hào)注入短時(shí)間內(nèi)(30 s)，各電器電機(jī)溫度升高，但不明顯;電風(fēng)扇電機(jī)，空調(diào)及電冰箱壓縮機(jī)，加濕器電機(jī)均無(wú)明顯振動(dòng)，無(wú)明顯噪聲。(3)電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)、加濕器開(kāi)關(guān)、檔位切換，定時(shí)功能，指示燈顯示功能，遙控等功能正常，以上均符合性能判據(jù)A 的要求。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，雖然高頻載波信號(hào)會(huì)導(dǎo)致受試電器線路電壓、電流呈現(xiàn)較小范圍的上、下波動(dòng)，有功功率呈現(xiàn)較小范圍的減少，但這些影響并未使電器表現(xiàn)出性能指標(biāo)或者功能喪失。符合性能判據(jù)A 的要求。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

3 電機(jī)類(lèi)家用電器對(duì)低壓電力載波通信影響分析

載波信號(hào)在電力線信道傳播時(shí)的噪聲、衰減、阻抗、多徑效應(yīng)與具有多樣性和時(shí)變性特性的電力線負(fù)載有很大的聯(lián)系。文獻(xiàn)［21］給出了家庭電力線網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 家庭電力線網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical structure of power line network

由圖7 可知，家庭電力線負(fù)載主要有電燈、電視機(jī)、電腦、冰箱、電風(fēng)扇、空調(diào)等。其中，電燈屬于阻性負(fù)載，電視機(jī)和電腦屬于容性負(fù)載、冰箱、電風(fēng)扇、空調(diào)屬于感性負(fù)載，且在家用電器中占有較大的比例。因此分析電風(fēng)扇等電動(dòng)類(lèi)家用電器對(duì)電力線通信的影響具有重要的意義。

(1)對(duì)載波通信噪聲干擾的影響。電機(jī)類(lèi)家電產(chǎn)生的噪聲主要有兩類(lèi)，由開(kāi)關(guān)切換造成的脈沖噪聲干擾以及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的背景噪聲干擾，可能會(huì)引起載波信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送位或串的突發(fā)性錯(cuò)誤。

(2)對(duì)載波通信線路阻抗的影響。電機(jī)類(lèi)家用電器阻抗迥異，從幾十到上千Ω不等，以及各個(gè)電器的隨機(jī)接入與斷開(kāi)，造成線路阻抗的不均勻，容易導(dǎo)致傳輸信號(hào)的衰減。此外，電器阻抗和線路本身阻抗有可能組成諧振電路，當(dāng)載波信號(hào)頻率在諧振頻率附近時(shí)，諧振電路阻抗小，導(dǎo)致載波信號(hào)衰減量增大。

(3)對(duì)載波信號(hào)衰減的影響。對(duì)高頻載波信號(hào)而言，感性負(fù)載阻抗較大，衰減較小;但是，當(dāng)線路阻抗和負(fù)載阻抗失配時(shí)，容易造成載波信號(hào)的反射(多徑效應(yīng))、駐留等現(xiàn)象，引起信號(hào)的復(fù)衰減，主要包括幅值衰減和相位偏移問(wèn)題。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)分析載波通信信號(hào)傳輸特性，建立了低壓電力線載波通信信號(hào)發(fā)送與接收模型。

(2)建立了電機(jī)類(lèi)家用電器主要構(gòu)件－單相感應(yīng)電機(jī)的載波模型，并分析了載波信號(hào)對(duì)其的性能影響。在以上基礎(chǔ)上首次設(shè)計(jì)給出了在實(shí)驗(yàn)室模擬低壓電力線載波對(duì)電機(jī)類(lèi)家用電器影響的共模和差模試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，并測(cè)試了4 種常見(jiàn)電機(jī)類(lèi)家用電器，發(fā)現(xiàn)載波會(huì)對(duì)電器接入線路時(shí)線路電壓、電流等參數(shù)造成一定影響，但這些影響并未導(dǎo)致電器性能降低或功能喪失。

(3)分析給出了電機(jī)類(lèi)家用電器對(duì)電力載波通信的可靠性影響。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法以及通過(guò)試驗(yàn)給出的試驗(yàn)結(jié)論對(duì)于低壓電力線載波通信在智能電網(wǎng)用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用具有重要的意義。

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