电磁兼容评估方法综述

孟士超

摘 要：随着信息化设备、系统的发展与应用，各平台与系统的电磁环境更加复杂，面临了严峻电磁兼容性问题。为了在电磁兼容设计阶段提前预测系统或平台的电磁兼容性，需要开展电磁兼容性评估。本文在探讨电磁兼容性评估的重要价值与主要的评估方法的基础上，对电网、铁路、机场、飞机、汽车、船舶等不同平台的电磁兼容特点与对应的评估方法进行了介绍，并对各平台电磁兼容性评估面临的困难进行了梳理，并指出了电磁兼容性评估中值得进一步研究与探索的前沿方向。

关键词：电磁兼容性；电磁兼容性评估；数学模型；计算机仿真

1概述

随着电气与电子技术的高速发展与广泛应用，各类信息化、智能化电子设备给现代社会带来了便利，各工业设备、系统使用的电磁信号具有功率大、频谱宽、密度高的特点，构成了极其复杂的电磁环境。各信息化、智能化电子设备在复杂的电磁环境中面临了愈发严峻的电磁干扰（Electromagnetic Interfere，EMI），电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题也成了现代社会日益关注的焦点。

电磁兼容性是指一个装置、设备或系统可以在其环境中正常工作，并且不对其所在环境中的任何其它事物产生难以容忍的电磁干扰[1]。它是与电磁环境密切相关的一门应用学科，它以电子、电气、电磁场、工艺材料等学科的基本理论和技术为基础，关注并解决一切自然和人为的电磁干扰所产生的理论和技术课题，因此其是一门综合性很强的边缘学科，同时又是一门实践性很强的应用学科[2]；其研究的最终目的就是在有限的空间和频谱范围内，使可能发出电磁干扰的各种电子、电气设备或子系统在合理的条件下使其互不干扰，保证系统或子系统的兼容性，即实现共存[3]。

为了在电磁兼容设计阶段提前预测系统或平台的电磁兼容性，需要开展电磁兼容性评估。目前，电磁兼容性评估被广泛应用于汽车、飞机、船舶等移动平台的设计、制造与改造过程中提前释放电磁兼容风险，并在铁路、机场、电网等工程中扮演更加重要的角色。

2电磁兼容评估方法

在系统级的电磁兼容性评估中，最早提出的评估方法为“电磁兼容分数法”，通常根据工程经验、试验数据及专家评分对整体电磁兼容性进行评估[4]。随着先进的数学理论与方法应用于电磁兼容性评估，电磁兼容性评估通常会根据系统或平台中的各设备特性、功能、连接方式等构建数学模型，并基于不同的数学分析方法对电磁兼容性做出定量评估。文献[5]针对电磁兼容性测试过程中，存在的被测对象不具有唯一特定值的问题，提出了一种可用于电磁兼容不确定合格评定和计算的矩阵模型及预测后验密度函数。文献[6]针对不确定电磁环境下电磁兼容故障概率估计的问题，提出了一种适用于复杂系统的安全评估模型。并结合故障树分析法与电磁拓扑法实现了电磁兼容性的定量评估。文献[7]针对电磁防护性能的评估，对TOPSIS-ANP(Analytic Network Process)综合评估方法进行了改进。文献[8]则提出了一种基于模糊数学的隶属度函数法，实现了针对系统中设备性能的电磁兼容性评估。文献[9]在文献[7]、文献[8]基础上通过分析理想点排序法、层次分析法和模糊综合评价法，提出了一种基于TOPSIS-AHP 组合赋权的模糊综合评估法。表1对比了常用评估数学模型的方案与特性[9]。

表1 常用评估数学模型评估法

评估方法	模糊综合评判法	层次分析法	TOPSIS 法
原理	模糊数学中的模糊变换及模糊关系合成的原理	通过构造判断矩阵，对各层因素进行重要性排序，利用组合权向量获得优劣排序	通过计算各方案与理想解之间距离的远近，判断参与决策的各方案的优劣
评估形式	给出各方案对相应评语的隶属程度，由最大隶属原则确定各方案的评判等级。	得出各层次的权重向量及组合权重向量；用组合权重向量反映所有方案的优劣排序。	分别给出各方案与理想方案的贴近度，贴近度越大，方案性能越优。
优点	无需量化指标，对于主观指标和客观指标的评价都适用	系统性较强，综合了定量和定性分析	适用于多指标评估系统，利用定量计算得出多方案优劣排序。
缺点	评估结果的主观性很强，且评估结果的一致性较差。	没有引入指标的量化值信息，可能会损失大量的有用信息，减小了评估的精度。	指标权重不易确定，评估结果只能反映当前评估方案之间的相对优劣排序。

随着数值计算仿真软件的发展，干扰裕度法被大量使用于平台级电磁兼容性评估与分析中，这是一种基于建模仿真的电磁兼容性评估方法，通过计算耦合到敏感源上的电磁干扰强度并与该敏感源对该类型电磁干扰的安全裕度进行比较，从而对系统的电磁兼容性能进行评估，当可能出现并耦合到敏感源上的电磁干扰期望小于其安全裕度时，可以认为该系统的电磁兼容性满足要求。然而这种方法通常需要大量敏感源、干扰源的电磁兼容试验数据作为仿真输入，干扰途径的类型、设备与系统的空间分布等参数也会影响电磁兼容仿真的精度，建模越接近实物则仿真结果精度越高。此外，由于干扰裕度法为了实现高精度仿真，通常采用有限元分析法，在大范围、大尺度的电磁兼容仿真计算中需要消耗大量的运算资源，文献[10,11]提出了一种线缆窜扰耦合高速计算方法，在精度与有限元分析法相当的情况下大大节省了计算时间。

3固定平台的电磁兼容性评估方法

3.1 电力系统电磁兼容性评估方法

中国电网作为世界上最大的电力系统，电压等级不断提高、系统容量不断增大、自动化设备不断更新升级，电力设备所面临的电磁兼容问题也越来越严重，尤其是继电保护设备、控制设备、自动化数据采集与处理设备极易受到电磁干扰从而发生误动作和故障[12]。同时，由于公用线路走廊的限制，部分高压输电线路与其它输电线路及弱电信号回路不能保证需要的距离，电磁干扰现象时常发生。因此电力系统对自身设备以及周围环境产生的电磁兼容问题受到了极大关注。

电力系统的电磁兼容性评估通常以建模-仿真的模式开展，主要关注的问题包括:电压中断、电压降落、雷电脉冲、谐波、开关过电压、母线或线缆的辐射、多线电缆及屏蔽等。常用的数学模型主要包括：低频电路模型、高频辐射模型、传输线模型等，此外由于电力系统的发展，远距离电力传输技术得到了广泛的应用，其传输距离已可与低频电磁波波长相比拟，低频电磁场下的分布参数模型也会用于电磁兼容性评估。常用的分析方法包括矩量法、FDTD法、传输线方法、有限元法、几何光学法、几何绕射理论（GTD）、几何均匀绕射理论、物理光学法、物理绕射理论、多极法、模拟电荷法等[13]。

3.2 交通线路、交通枢纽的电磁兼容性评估方法

随着经济的发展，交通运输业日益兴旺，铁路运输线路、车站及机场建设密度不断提高。一方面，智能化、自动化的先进设备在高铁中得到广泛的应用，铁路沿线的电力线路的电磁干扰及火车弓网电弧产生的瞬变电磁场会对敏感源产生电磁干扰[14]；另一方面，受到土地与规划的限制，铁路线路可能穿越机场附近地域，铁路产生的电磁干扰可能会对飞机起降的安全造成严重威胁。

在交通线路、交通枢纽的电磁兼容性评估中，由于涉及到不同交通载体，评估方法更为复杂[15]。同时，对地形、地貌及地表电磁环境的评估是交通线路、交通枢纽的电磁兼容性评估额外需要重点考虑的要素。考虑到空间尺寸，如果在在交通线路、交通枢纽的电磁兼容性评估中使用建模仿真分析方法，会存在计算量过大、花费时间过长的问题

文献[16]介绍了一种应用于铁路、机场的电磁兼容性评估方法，其评估流程如图1所示。基于高精度数字高程模型(DEM)数据，以及高铁线路设计、勘察数据，实现了铁路线路及机场起降区、通信塔台的精确建模，并依托无锡超算中心的计算能力，实现了对铁路、机场电磁干扰的仿真计算。

图1 一种应用于铁路、机场的电磁兼容性评估方法

3.3 天文射电望远镜的电磁兼容性评估方法

大口径射电望远镜运行阶段，台址周围无线电业务及内部潜在的电磁干扰会降低观测系统灵敏度、影响天文观测的质量[17]。天文射电望远镜在运行阶段具有较高的敏感度，电磁环境是其电磁兼容评估的重要因素。文献[17]提出一种准实时电波环境测量方法及基于邻值比较的信噪分离方法提取并分析了新疆天文台射电望远镜的电磁环境数据，采用馈源口面干扰电平限值量化方法实现了射电望远镜及电磁环境的仿真建模并完成了天文射电望远镜电磁兼容性评估。

4移动平台的电磁兼容性评估方法

移动平台与固定平台相比，通常具有尺寸较小、结构紧凑、线缆密集、设备集成度高的特点，电磁干扰极易发生，电磁兼容性评估尤为重要。此外，飞机与船舶等移动平台在正常工作状态下不能与大地接触，往往不能形成有效接地，电磁兼容控制面临极大挑战，因此在早期对移动平台进行电磁兼容性评估可以有效释放电磁干扰风险。

4.1 飞机平台的电磁兼容性评估方法

飞机平台的电磁兼容性评估与分析主要关注机载天线耦合、线缆线束串扰、电磁脉冲对飞机上线缆的耦合作用等干扰模式[18]，主要的电磁干扰耦合途径如图2所示。通常采用电磁兼容建模仿真的方法对飞机平台进行电磁兼容性评估，文献[19]介绍了一种基于半实物建模仿真的电磁兼容性评估方法，通过分析GPS、TCAS、气象雷达等天线及部分敏感设备的测试数据，实现了对评估对象的半实物电磁兼容建模与评估。文献[20]针对测试结果对商用飞机电磁兼容性设计指导性不明确的问题，通过地面试验校准仿真结果并通过仿真对ARJ21-700飞机进行电磁兼容性评估，依据评估结果设计机上EMC测试系统并指导EMC整改措施。

图2 飞机平台电磁干扰耦合途径

4.2 车辆平台的电磁兼容性评估方法

随着电池技术的不断发展，近年来以电力作为主驱动能源的新能源汽车受到了广泛关注，车辆电力系统的功率容量与电压等级不断提升，车辆平台的电磁兼容性评估是车辆平台设计的重要环节。车辆平台与飞机、船舶等移动平台相比，结构紧凑，体积较小，干扰源与敏感设备处于同一空间，电磁干扰的传播途径更加复杂。此外由于空间尺寸较小，在电磁兼容性评估的建模与仿真过程中不会消耗太多的时间与计算资源[21]。

文献[22]建立了汽车的简化仿真模型，并采用小波包分解技术提取干扰源特征能量，针对线缆束、天线、车身、控制器分别进行仿真分析，实现了车辆平台的电磁兼容性评估。

文献[23]设计了一种信息车辆测量电磁兼容性能评估系统，通过车辆屏蔽效能、接地电阻、车载天线驻波比与发射功率、对关键设备干扰信号带宽等电磁兼容参数的测量求解信息车辆电磁兼容性能整体评价指标：

        （1）

其中，n为待测设备的数量；S 为平均屏蔽效能，单位为dB；R 为平均接地电阻，单位为mΩ；P 为平均发射功率，单位为dBm；V 为平均驻波比，Bf为平均干扰带宽，单位为MHz。Q 值越大表明车辆具有越好的电磁兼容性能。

4.3 船舶平台的电磁兼容性评估方法

与汽车平台类似，船舶平台也越来越多的将电能作为主要动力能源，此外由于船舶平台通常空间体积庞大，通过电磁兼容性建模与仿真进行电磁兼容性评估具有较高难度。

文献[24]设计了一套用于船舶平台的电磁兼容性评估系统，并开发了电磁兼容性评估软件，基于分布式电磁兼容性仿真服务器、测试与试验数据库、管控与交互系统实现了各层次仿真协同，形成了一套完善的船舶平台电磁兼容性评估流程。

文献[25]建立了一套应用于船舶平台的电磁兼容性评估指标体系，其主要评估流程如图3所示，通过多层次加权求和综合方法建立评估矩阵，其评估打分经过一致性检验后与量化的电磁兼容性指标加权计算，得到电磁兼容性的量化评估分数，实现了船舶平台的电磁兼容性量化评估。

图3 评估基本流程

5结语

现代社会的电气化、信息化、智能化程度不断提升，电磁干扰与兼容性问题逐渐凸显。保障各系统、平台的电磁兼容性并避免电磁干扰的发生是行业重点关注的问题。为了在电磁兼容设计阶段提前预测系统或平台的电磁兼容性并提前释放电磁兼容风险，需要开展电磁兼容性评估。

各行业的工程技术人员针对电磁兼容性评估方法已经开展了诸多有益的研究与探索，本文探讨了电磁兼容性评估的重要价值与主要的评估方法，并对固定平台、移动平台的电磁兼容特点与对应的评估方法进行了梳理。但各平台电磁兼容性评估是一项复杂的综合性工程问题，应该针对本平台特点选择合适的电磁兼容性评估方法。目前电磁兼容性评估与分析还勋在一定的局限性，在许多方便有待进一步完善与研究：

1）在许多空间尺寸较大平台的电磁兼容性评估中进行建模仿真需要消耗大量计算资源与时间，为了在合理时间与成本范围内完成电磁兼容性评估可能需要牺牲部分计算精度；

2）同一平台内不同系统的物理特征存在差异，当使用数学模型评估法开展系统电磁兼容性评估时，不同系统之间选择的评估方法难以统一，需要研究能统筹评估各系统电磁兼容性的数学模型评估法；

3）加强电磁兼容仿真与测试数据的综合管理，形成电磁兼容性评估与风险分析的数据库，为进一步实现智能电磁兼容性风险分析提供理论支撑。

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