CN1826736A

CN1826736A - 用于在电力线通信系统中减少共模信号的方法和设备

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Publication number: CN1826736A
Application number: CNA2004800206742A
Authority: CN
Inventors: T·福尔默; T·迪尔鲍姆; G·绍尔莱恩德
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-08-30
Also published as: EP1649609A1; WO2005008911A1; JP2007519297A; US20060187004A1; KR20060035772A

Abstract

在包括未屏蔽线路(诸如供电线路)的接线网络中，当发送频率高于电力网频率的数据时产生电磁辐射。依照本发明的设备包括用于减少或消除共模电流(I_cm)的有源装置。为此，这些有源装置产生模拟的不对称性，所述模拟的不对称性与所述网络不对称性互补，并且被连续或周期性地测量。

Description

用于在电力线通信系统中减少共模信号的方法和设备

本发明涉及接线(wire-bound)传输系统，特别涉及那些具有无固定结构的电缆基础结构的传输系统，所述无固定结构的电缆基础结构有诸如未屏蔽的电力线路或通信线路。这些电线或传输系统的不对称性导致并不想要的不对称信号的产生和中继。本发明特别涉及减少这种不对称信号以及由这些信号所产生的有害电磁辐射。

在实践中已知用于抑制不对称信号的无源滤波的方法。为了实现所述抑制，在产生不对称信号的设备和网络输入端的连接之间布置共模滤波器。此网络例如可以是电信网络或电力网络(mains)。此共模滤波器保护网络免受有害不对称信号的影响。

在功率电子学中已知有源消除例如用于电力驱动的换能器电子设备中的不对称信号。

因为常规的电信网络定义了例如特性阻抗之类的参数并且是对称的，所以有源消除不对称信号并不用于常规的无线电通信连接中，所以可以优化用于不对称干扰电压的滤波器，这是因为，所述滤波器可以被发展为离线的。采用这种方法，可以经济地实现借助于无源元件有效抑制不对称信号。

常规电信线路的多股绞合线当被掩埋时包有铅、金属或合成材料，或者当其用于住宅时包有铝。相比之下，不对称网络(诸如在建筑物中的电力设备)并不具有屏蔽线路，以致不对称电流产生有害干扰辐射。这些不对称电流可以被认为是由经历电压补偿过程(由dV/dt表示)的电路的每个部分所产生的电容性置换电流。由于寄生杂散电容，不对称电流作为电容性失调电流从它们的源扩展到其周围(例如，地电势)，并且经由这些线路返回到网络电缆。采用这种方法，它们构成了大的信号回路，所述信号回路作为有效的天线回路辐射有害电磁场。这种源例如可以是具有对称有用信号输入耦合的电力线通信(Power-Line Communication，PLC)收发器。

只利用不可调整的无源装置不能在不对称网络(诸如用于电力线通信的电力网络)的无线电通信连接中实现足够大的不对称信号抑制，这是因为所述网络的不对称性可能是不可预见的并且很大，并且使有用的差动模式信号被部分转换为有害不对称干扰信号，后者在网络的未屏蔽线路中产生高且有害的辐射。

对于诸如xDSL、有线电视和PLC之类的接线宽带通信网络，在某些国家已经定义了这些宽带网络的有害辐射的极限值。遵守这些极限值是在电连接中使用宽带传输系统的条件，特别是使用未屏蔽的网络基础结构的那些宽带传输系统。

这些辐射极限值定义了通信系统传输电平的上限。例如，用于向网络线路馈送PLC信号的电平必须不能产生能够影响无线电接收的辐射。原则上，把相对较高频率(＞50Hz AC)的信号电压附加到电力线通信中的230V供电电压，包括将以适当调制的方式来发送的信息。优选地是，在中性线和相线之间进行耦合。原则上，区分用于在供电线路上发送消息的两个范围：

a)从低压变压器到家庭连接，

b)在建筑物内。

由对称信号所产生的场大部分可以被忽略，这是因为它在较大距离迅速减弱，并且电力网中的对称值基本上衰减到比不对称值更强的程度。

由于传输系统中的机械结构所以存在寄生杂散电容。这些杂散电容在相对较高的频率具有低阻抗，并且构成有用信号的高频部分的电流路径。例如，高频电流可以经由金属外壳流回。单个线路或电路的寄生元件并不是平衡的从而产生了不对称性，这在线路上产生具有不同值的信号。合成的场不再被消除并且获得不对称或纵向信号扩展。合成的不对称电压在线路和地之间产生电流。与不对称电流所组合的场被辐射。这种影响是互逆的以致其它系统的电磁场把干扰电压耦合到具有不对称(信号到串扰)的传输系统中。不对称的原因例如是：

发送器的输出级相对于地的不对称性，

不对称的接收器，

相对于地的不对称线路。

影响不对称性及其沿着电缆的随机分布的参数是可变的。不对称的共模电流很难被抑制并且是有害辐射的主要原因。电流电路中的不对称性导致把对称的有用信号有害地转换为不对称的干扰电压。由于通常在对称系统中地和信号线路之间没有低电阻连接，所以不对称的共模电流经由寄生耦合电容流向地。在较小频率，这些阻抗是高电阻的，并且共模电流较小并且由此辐射场较小。随着频率增加，不对称的干扰电压也增加了。为了估算在线路系统中产生不对称干扰电压的风险，定义了相对于地的不对称的度量。用于表征耦入位置处的不对称性的两个量是横向变换损耗(Transverse-Conversion-Loss，TCL)和纵向变换损耗(Longitudinal-Conversion-Loss，LCL)。当测量LCL时，在测量位置把不对称的电压EL馈送到电力网，并且测量得到的对称电压V_T。依照下列方程式(1)，LCL是所测得的对称电压V_T相对于耦入不对称电压E_L的对数比(以dB为单位)：

LCL = 20 \times lo g_{10} (\frac{V_{T}}{E_{L}}) dB . . . (1)

LCL表明了输入耦合端处对称和不对称电压之间的关系。从而其可以用于估算当把有用信号对称地耦合到电力线路中时所预计的不对称的干扰电压。

由于对称信号转换为不对称信号以及得到的不对称电流在线路上的分布，所以产生有害辐射。参数LCL描述了多少接线的对称的有用信号转换为有害的不对称干扰信号。LCL具有时间相关性。此相关性可以追踪到与用户相关的设备的接通和断开，以及设备的内部操作模式。

当测量TCL时，在串联电阻器上测量电压U_L，所述串联电阻器的值是测试对象全电阻的1/4。此电阻器布置在信号输入耦合的中心点和地之间。当提供对称电压U_T时测量电压U_L。依照下列方程式(2)TCL是所测得的供电电压U_T相对于所测得的不对称电压U_L的对数比(以dB为单位)：

TCL = 20 \times \log (\frac{U_{T}}{U_{L}}) dB . . . (2)

本发明的目的是提供一种防止或减少不对称干扰信号并由此减少接线网络的电磁辐射的设备，所述接线范围网络包括例如不对称且未屏蔽的线路。本发明进一步的目的是提供一种减少具有未屏蔽线路的接线传输系统的电磁辐射的方法。

依照本发明，所述目的由包括用于在供电点测量网络不对称性的装置以及用于有源消除或减少不对称信号的装置的设备来实现。

在诸如电力网络之类的未定义网络中，LCL和TCL随时间和供电位置而改变。具有固定调整的过滤系统不能对这些改变作出反应，从而也不能对改变电磁辐射的不对称属性作出反应。因此本发明提出利用适当装置来有源消除或至少减少不对称信号。

用于有源消除或减少不对称信号的装置包括控制电路，所述控制电路改变所提供有用信号的对称性达到一定程度，即其根据当前所测得的网络不对称性而改变。对于具有不对称性以及未屏蔽线路的网络，仅已知使用用于抑制不对称信号的无源滤波器。在功率电子学中，确实已知使用有源元件，但是对于传输系统却并非如此。因此本发明是基于这样的认识的，在具有不可预见行为的网络中，利用有源且自适应的装置与利用无源装置相比能够进一步减少不对称信号，并且甚至可以消除所述不对称信号。在这里，有源被理解为意味着所述装置的行为是可改变的。

依照本发明实施例，该控制电路至少包括下列元件：

用于测量不对称共模电流的传感器，所述不对称共模电流在相线和中性线与地或保护线路之间流动，和

用于把所测得的不对称共模电流值与不对称电流的标称值比较的求和点。

优选地是，标称值为0A。控制电路连续或周期性操作，以便由比较器所产生的差动电流随时间改变。

用于有源消除或减少不对称信号的装置包括控制器，所述控制器被馈送实际传输信号和比较器的输出信号，并且根据两个输入信号来计算两个输出信号。这两个输出信号表示所述传输信号的分配。因为传输信号被分配到两个电力网耦合设备，其中一个布置在相线和地之间，而另一个布置在中性线和地之间，所以获得该分配。

依照本发明的设备适于产生具有模拟的(artificial)不对称性的两个输出信号。将这样选择模拟的不对称性，以致当其被添加到真正的不对称性网络时，能显著减少或者消除共模电流。

依照本发明的设备适于具有不对称性和未屏蔽线路的接线传输系统，所述未屏蔽线路例如由通信线路、电力设备线路或供电线路组成。

本发明的目的还借助于用于减少具有不对称性和未屏蔽线路的接线传输系统的电磁辐射的方法来实现，当发送频率高于电力网频率的数据时产生辐射，其中测量所述网络的电流不对称性，并且根据传输信号产生两个输出信号，所述输出信号具有与所述网络的不对称性互补的模拟的不对称性。在这方面，模拟被理解为意味着依照使得实际的对称传输信号是不对称的方式来改变所述实际的对称传输信号。“互补”被理解为意味着一方面网络的不对称性和另一方面所模拟产生的不对称性当被混合时相互抵消。

在依照本发明的方法中，第一电力网耦合设备的次级侧传送第一电力网耦合电压，其对应于相线和中性线之间的差动模式电压乘以系数(a)，而第二电源耦合设备的次级侧传送第二电力网耦合电压，其对应于在所述相线和中性线之间的差动模式电压乘以系数(1-a)。当a的值不等于0.5时，次级电压和电力网耦合电压是不相等的，即是不对称的。

依照本发明实施例，所述方法包括步骤：

测量网络的电流不对称性，

把所测得的不对称性与标称值相比较，

向控制器提供所述比较的结果，

根据比较的结果和所提供的传输信号来计算所述控制器的两个输出信号，

根据第一输出信号来控制第一发送器的第一调整元件，

根据第二输出信号来控制第二发送器的第二调整元件，并且

把通过控制所产生的分配的差动模式电压耦合到所述网络中。

网络的电流不对称性例如可以由在电流测量传感器中的感生电压或通过确定LCL或TCL来测量。可以在求和点把所测得的不对称性与标称值(例如，零)相比较。控制设备的两个输出信号是用于两个发送器的调整元件的值。每个发送器连接到电力网耦合设备。

依照本发明的设备例如可以用于传输调制解调器。

以下参考图1将以举例形式来描述本发明，其中图1是实施例的示意性框图。

图1是依照本发明用于减少接线传输系统的电磁辐射的设备实施例的示意性框图，其中所述接线传输系统具有不对称性和未屏蔽线路。相线P和中性线N上的有害的不对称共模电流I_cm在电流测量传感器1中感生电压。输出设备2通过按比例变换由电流测量传感器1所检测的感生电压值，来使共模电流I_cm的实际值可视化。在求和点3从标称值I_cm中减去共模电流I_cm的电流值。不对称电流的标称值优选为0A。求和点3处的输出信号——差值I_diff——被应用于控制器4。控制器4的第二输入值是传输信号Tx。根据两个输入量：传输信号Tx和电流差I_diff，控制器4计算用于控制两个发送器5和6的两个输出信号。第一发送器5由第一调整元件7、第一电阻抗8和第一切换装置9组成，所述第一切换装置9用于在第一传输信号Txa和第一接收信号Rxa之间切换。第一传输信号Txa被经由第一电力网耦合设备10提供给网络，并且所述切换装置9闭合。第一电力网耦合设备10的次级侧传送第一电力网耦合电压U_NK1，依照下列方程式(3)，所述第一电力网耦合电压U_NK1对应于差动模式电压U_dm乘以系数a：

U_NK1＝a×U_dm (3)

第二发送器6由第二调整元件11、第二阻抗12和第二切换装置13组成，所述第二切换装置13用于在第二传输信号Txb和第二接收信号Rxb之间切换。第二传输信号Txb经由第二电力网耦合设备14被提供给网络，所述切换装置13闭合。第二电力网耦合设备14的次级侧传送第二电力网耦合电压U_NK2，依照下列方程式(4)，所述第二电力网耦合电压U_NK2对应于差动模式电压U_dm乘以系数(1-a)：

U_NK2＝-(1-a)×U_dm (4)

电力网耦合设备10和14的次级侧的相反输出被连接到地或接地端15。用虚线示出了两个寄生杂散电容，相线P和保护线路SL之间的C_Str1，以及中性线N和保护线路SL之间的第二寄生杂散电容C_Str2。杂散电容C_Str1和C_Str2都经由保护线路SL的接地端16连接到地。

优选地是，相线P和中性线N之间的差动模式电压U_dm在第一和第二电力网耦合设备10和12的两个次级侧之间被不对称地分解开，即a≠0.5。

控制设备4通过改变输出信号AS1和AS2来控制该分配，即值a。为此，网络的不对称性在设备的输入点被测量，并且例如用共模电流I_cm来表示。例如通过在设想的数据传输开始之前应用所定义的对称比较信号，并且通过同时观察所得到的、有害且不对称信号的幅度和相位来执行测量。根据所观察到的不对称性，控制设备4在传输信号上给出模拟的不对称性。该模拟的不对称性是对在输入点所测得的网络的不对称性的准互补。该模拟的不对称性以及网络的电流不对称性在理论上互相抵消，但是至少减少了电磁辐射。

依照本发明的变式，传输信号适于周期性并且等间隔的网络不对称性。依照本发明的进一步变式，连续地控制所述控制电路。

总之，依照本发明的设备包括用于减少或消除共模电流I_cm的有源装置，以便抵消在由未屏蔽线路(诸如电源线路)构成的接线网络中所产生的电磁辐射。为此，这些有源装置产生模拟的不对称性，所述模拟的不对称性与所述网络不对称性互补，并且被连续或周期性地测量。

Claims

1.一种用于减少接线传输系统的电磁辐射的设备，所述接线传输系统具有不对称性和未屏蔽线路，用于宽带通信并且具有用于传输信号的传输路径，所述设备包括用于在供电点测量所述网络不对称性的装置，其特征在于所述设备包括用于有源地消除或减少不对称信号的装置。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于用于有源地消除或减少不对称信号的装置包括用于改变当前所测得的网络不对称性的控制电路。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述控制电路至少包括：

用于不对称的共模电流(I_cm)的测量头(1)，所述不对称的共模电流在相线(P)和中性线(N)与地或保护线路(SL)之间流动，和

用于把不对称的共模电流(I_cm)的测量值与不对称电流的标称值(I_cm，sp)相比较的求和点(3)。

4.如权利要求1到3中任何一个所述的设备，其特征在于用于有源地消除或减少不对称信号的装置包括控制器(4)，所述控制器(4)被馈送求和点(3)的输出信号(I_diff)和电流传输信号(Tx)，并且根据输入信号(Tx，I_diff)来计算两个输出信号(AS1，AS2)。

5.如权利要求1到4中任何一个所述的设备，其特征在于所述设备适于产生具有模拟的不对称性的两个输出信号(AS1，AS2)。

6.如权利要求1到5中任何一个所述的设备，其特征在于利用由通信线路、电力设备线路或供电线路组成的未屏蔽线路来构造所述接线传输系统。

7.一种用于减少具有不对称性和未屏蔽线路的接线传输系统的电磁辐射的方法，当发送频率高于电力网频率的数据时产生辐射，其特征在于依照所述方法，测量所述网络的电流不对称性，并且根据传输信号(Tx)产生两个输出信号(AS1，AS2)，所述两个输出信号具有与所述网络的不对称性互补的模拟不对称性。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于第一电力网耦合设备(10)的次级侧传送第一电力网耦合电压(U_NK1)，该电压(U_NK1)对应于相线(P)和中性线(N)之间的差动模式电压(U_dm)乘以系数(a)，并且第二电力网耦合设备的次级侧传送第二电力网耦合电压(U_NK2)，该电压(U_NK2)对应于相线(P)和中性线(N)之间的差动模式电压(U_dm)乘以系数(1-a)。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述方法包括步骤：

测量网络的电流不对称性，

把所测量的不对称性与标称值相比较，

向控制器(4)提供所述比较的结果，

根据比较的结果(I_diff)和所提供的传输信号(Tx)来计算控制器(4)的两个输出信号(AS1，AS2)，

根据第一输出信号(AS1)来控制第一发送器(5)的第一调整元件(7)，

根据第二输出信号(AS2)来控制第二发送器(6)的第二调整元件(11)，并且

把通过控制所产生的分配的差动模式电压(U_dm)耦合到所述网络中。

10.如权利要求1到6中任何一个所述的设备在传输调制解调器上的应用。