基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法的研究

張建粉，錢 宇，湯 三

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司巴州供電公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源需求的增加，電力通信網(wǎng)被廣泛應(yīng)用。在多終端電力通信網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，因?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)中線路分散，數(shù)量較多，干擾問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。這些干擾會(huì)導(dǎo)致電力通信質(zhì)量下降，甚至中斷，因此電力通信網(wǎng)抗干擾設(shè)計(jì)對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性具有重要意義。

當(dāng)下，已經(jīng)有許多專家對(duì)于電力通信網(wǎng)抗干擾方法進(jìn)行了研究，也得到了一定的研究成果。文獻(xiàn)[1]提出一種低壓電力線載波通信主動(dòng)抗干擾方法，該方法首先最大限度地匹配電力通信線路阻抗與收發(fā)控制器阻抗，在此基礎(chǔ)上采用擴(kuò)頻技術(shù)主動(dòng)選擇高可靠性通信頻段，以抑制強(qiáng)衰減、強(qiáng)干擾對(duì)電力通信的影響，實(shí)現(xiàn)電力線載波通信主動(dòng)抗干擾設(shè)計(jì)。但是利用該方法進(jìn)行多終端通信時(shí)，電力通信系統(tǒng)互聯(lián)性差，網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能并不好。文獻(xiàn)[2]提出基于改進(jìn)斜投影算子的電力通信抗干擾方法，首先對(duì)傳統(tǒng)斜投影偏振濾波器進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)后的濾波器進(jìn)行偏振傳輸信號(hào)的優(yōu)化、非線性向量的增強(qiáng)處理，以提升通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，但是在實(shí)際應(yīng)用中濾波器性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致電力通信網(wǎng)抗干擾能力差。

由于傳統(tǒng)方法的抗干擾能力不佳，因此設(shè)計(jì)基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法。

泛在物聯(lián)網(wǎng)是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)互聯(lián)、人機(jī)交互的一種系統(tǒng)。具有全面感知、信息處理速度快、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用到多終端電力通信網(wǎng)抗干擾中，具有重要意義。

1 電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分

利用泛在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分，將多終端電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分為若干正交子信道，將信道中數(shù)據(jù)調(diào)制到每個(gè)子信道上，轉(zhuǎn)換成低速子數(shù)據(jù)。由于在信道劃分過(guò)程中，要進(jìn)行頻率選擇，因此根據(jù)每個(gè)信道的子載波信噪比，對(duì)通信網(wǎng)傳輸信道的載波進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和選擇，以降低噪聲對(duì)多終端電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分的影響。

首先利用泛在物聯(lián)網(wǎng)連接通信網(wǎng)，將通信網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)層對(duì)接，獲取通信網(wǎng)信息。對(duì)多終端電力通信網(wǎng)信號(hào)解調(diào)處理，根據(jù)分碼結(jié)構(gòu)形成一個(gè)向量組A={A1,A2,…,An}，在此基礎(chǔ)上，對(duì)向量組編碼處理，形成相應(yīng)的發(fā)送矩陣，得到電力通信網(wǎng)信道傳輸?shù)南蛄?，用公式表示?/p>

(1)

N為電力通信網(wǎng)中的第1個(gè)循環(huán)矩陣[3]；E為代表電力配電中心的通信信號(hào)的沖激響應(yīng)。

在此基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)子載波選擇算法預(yù)測(cè)下一信道中的子載波，能夠減少誤碼率，動(dòng)態(tài)子載波選擇算法構(gòu)建[4]發(fā)送端和接收端的數(shù)學(xué)模型，如圖1和圖2所示。

圖1 發(fā)送端數(shù)學(xué)模型

圖2 接收端數(shù)學(xué)模型

圖1～圖2中，ak表示電力通信網(wǎng)傳輸信號(hào);C0,C1,…,Cn-1表示不同的電力通信網(wǎng)傳輸信道;exp(·)為動(dòng)態(tài)子載波選擇函數(shù)。

利用如上所示的發(fā)送端數(shù)學(xué)模型和接收端數(shù)學(xué)模型為信道劃分提供基礎(chǔ)依據(jù)。

在得到電力通信網(wǎng)信道傳輸向量的基礎(chǔ)上，利用泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信道預(yù)測(cè)，假設(shè)電力通信網(wǎng)中共有m個(gè)子載波，其中每個(gè)子載波的信噪比用Sm(m=1,2,…,n)表示。本文利用通信信道中的每個(gè)子載波，對(duì)信道值進(jìn)行預(yù)測(cè)。發(fā)送端根據(jù)該子載波在時(shí)隙t時(shí)的信道預(yù)測(cè)值，并根據(jù)子載波的信道確定值劃分電力通信網(wǎng)通信信道。其中，發(fā)送端接收到的應(yīng)答信息狀況包括在時(shí)隙結(jié)束時(shí)收到的應(yīng)答信息與在高低誤碼率下接受的應(yīng)答信息。假設(shè)該子載波在誤碼率下接收到的應(yīng)答信息概率為g，時(shí)隙結(jié)束時(shí)接收到的應(yīng)答狀態(tài)信息[5]為h，則信道處于低碼率的概率為

(2)

η為發(fā)送端接收到的信號(hào)概率;Pi為接收到應(yīng)答信息的概率;z為信道誤碼率。

根據(jù)上述定義獲得信道狀態(tài)的預(yù)測(cè)值Dk，按照從大到小的順序選用T個(gè)信道狀態(tài)較好的子載波，以此作為信道劃分依據(jù)，算法流程如圖3所示。

圖3 信道劃分流程

圖3中，D1表示信道處于高碼率的概率;qn為n條電力通信網(wǎng)絡(luò)通信信道總傳輸向量，當(dāng)qn=0時(shí)，由于子載波信道較差，因此不再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，重新獲取通信信道子載波信噪比，直至獲取的子載波處于較好狀態(tài)。計(jì)算所有子載波信道的預(yù)測(cè)值，并進(jìn)行排序。按照排序結(jié)果，完成對(duì)多終端電力通信網(wǎng)傳輸信道的劃分，為多終端電力通信網(wǎng)抗干擾提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型構(gòu)建

在上述電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分的基礎(chǔ)上，構(gòu)建多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型。利用泛在物聯(lián)網(wǎng)中的人工智能技術(shù)建立通信連接、快速組網(wǎng)[6]，對(duì)電力通信網(wǎng)中的信息實(shí)時(shí)感知和處理。首先建立多終端電力通信網(wǎng)信號(hào)模型，利用多普勒頻移公式[7]表示電力通信網(wǎng)信號(hào)頻率與信號(hào)傳輸速度之間的關(guān)系，即

(3)

根據(jù)上述信號(hào)模型，得到電力通信網(wǎng)中信號(hào)線性時(shí)變信號(hào)，假設(shè)電力通信網(wǎng)中跟蹤誤差ex=x-xn，信道的沖擊響應(yīng)為隨機(jī)過(guò)程，即滿足

(4)

w為電力通信網(wǎng)狀態(tài)信息;a為參考信號(hào);E{·}為通信信號(hào)沖激響應(yīng)量。

在此基礎(chǔ)上，將得到的電力通信網(wǎng)信號(hào)的散射函數(shù)[9]定義為

(5)

j為電力通信網(wǎng)散射信號(hào);F{·}為通信網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸總量;d(c,t)為電力通信網(wǎng)信道函數(shù)。

在上述計(jì)算完成的基礎(chǔ)上，得到干擾抑制后的多終端電力通信網(wǎng)狀態(tài)方程[10]

(6)

h為多終端電力通信網(wǎng)通信信號(hào)帶寬;B為采樣間隔;r為電力終端數(shù)量。

當(dāng)多終端電力通信網(wǎng)中2個(gè)狀態(tài)信號(hào)相同時(shí)，相關(guān)峰值最大，可以由相關(guān)監(jiān)測(cè)器發(fā)送信號(hào)。但是當(dāng)存在單頻、窄帶、多徑以及多址干擾時(shí)，需要對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行解拓處理，以過(guò)濾其他信號(hào)。通過(guò)上述定義，得到基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型，如圖4所示。

圖4 多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型

通過(guò)上述處理，完成多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型的建立。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法的有效性，此次實(shí)驗(yàn)利用多臺(tái)移動(dòng)電腦與終端配合來(lái)進(jìn)行。將通信距離設(shè)置為1 500 m左右，實(shí)驗(yàn)電力線噪聲功率在10～100 dBm中調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中載波頻率選擇210 kHz，擴(kuò)頻帶寬設(shè)定為20 kHz。

為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法與此次設(shè)計(jì)方法對(duì)比。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選擇為電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)互聯(lián)度與抗干擾性能比較。

在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電力通信網(wǎng)輸入信號(hào)的時(shí)域波形如圖5所示，實(shí)驗(yàn)噪聲強(qiáng)度如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形

圖6 實(shí)驗(yàn)噪聲強(qiáng)度

根據(jù)上述仿真環(huán)境與參數(shù)的設(shè)定，使用文獻(xiàn)抗干擾方法與此次設(shè)計(jì)的基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法進(jìn)行比較。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 電力通信系統(tǒng)環(huán)節(jié)互聯(lián)度比較

電力通信系統(tǒng)環(huán)節(jié)互聯(lián)度是指各條電力線路與電力通信系統(tǒng)環(huán)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)程度，互聯(lián)度好的電力通信系統(tǒng)信息傳輸速度快，整體性好，一旦哪個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生干擾就能快速檢測(cè)到并加以解決，是提升電力通信網(wǎng)抗干擾能力的基礎(chǔ)。計(jì)算公式為

(7)

HZ為第Z條線路上的電力通信系統(tǒng)環(huán)節(jié);α為互聯(lián)系數(shù);HK為電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)總數(shù)量。

不同研究方法互聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，在120次實(shí)驗(yàn)中，文獻(xiàn)[1]方法互聯(lián)度在63.4%～69.3%之間，文獻(xiàn)[2]方法互聯(lián)度的變化范圍是73.9%～80.1%，本文方法互聯(lián)度在97.6%以上，電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的連通性好，是提升電力通信網(wǎng)抗干擾能力的基礎(chǔ)。

表1 互聯(lián)度比較結(jié)果

3.2.2 抗干擾性能比較

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在不同時(shí)間段進(jìn)行多次測(cè)試，檢驗(yàn)應(yīng)用不同方法后多終端電力通信網(wǎng)抗干擾能力，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 抗干擾性能比較

由圖7可以看出，文獻(xiàn)[1]方法應(yīng)用后，在采樣點(diǎn)110～130處存在噪聲干擾，說(shuō)明此方法不能完全抵御噪聲干擾，抗干擾能力較差。文獻(xiàn)[2]方法應(yīng)用后，在采樣點(diǎn)370～470處存在噪聲干擾，且噪聲干擾范圍較大，因此該方法的抗干擾性能不好?；诜涸谖锫?lián)網(wǎng)的抗干擾方法應(yīng)用后，能夠完全抵御噪聲對(duì)多終端電力通信網(wǎng)的干擾，抗干擾性強(qiáng)。

因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以證明，此次設(shè)計(jì)的電力通信網(wǎng)抗干擾方法大大提高了多終端電力通信網(wǎng)的抗干擾能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法抗干擾性能較差的問(wèn)題，利用泛在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的多終端電力通信網(wǎng)抗干擾方法。此次設(shè)計(jì)從電力通信網(wǎng)傳輸信道劃分和多終端電力通信網(wǎng)抗干擾模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了多終端電力通信網(wǎng)的抗干擾。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)方法的抗干擾性能好。

綜上所述，此次設(shè)計(jì)的電力通信網(wǎng)抗干擾方法提高了電力通信網(wǎng)的抗干擾性能，在電力通信網(wǎng)管理中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，能夠推動(dòng)電力通信網(wǎng)的發(fā)展。