中壓電力線的OFDM通信耦合與誤碼率分析

任關(guān)友+孫媛凱+王昕+李英娜

引言

過去幾年，單片機(jī)已不是高壓電力線載波技術(shù)的主要的應(yīng)用方向，電力載波通信正在漸漸迎來數(shù)字化的時代。目前，10kV電力線作為配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主要應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸通道，主要依靠中低壓電力線載波通信。380V和220V電網(wǎng)用戶自動遠(yuǎn)距離抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模塊以及通過電力線來實現(xiàn)上網(wǎng)功能的高速M(fèi)ODEM均是采用中低壓電力線載波通信。其中，中壓電力線載波通信技術(shù)指的是將舊有的電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成為高速多媒體傳輸媒介的技術(shù)，穩(wěn)定的寬帶電力線多媒體通信是中壓配電網(wǎng)通信的基礎(chǔ)，這就需要對中壓配電線上的信號傳輸特性進(jìn)行各方面的測量和分析以及更加深入的探究，這對中壓線上的耦合模型的優(yōu)化和優(yōu)化有著深遠(yuǎn)的意義。

電力線載波通訊中正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）的應(yīng)用前景十分良好。選擇正交頻分復(fù)用技術(shù)作為電力線載波通信技術(shù)之一的緣故是由于此技術(shù)能夠?qū)﹄娏€信道的頻率選擇性衰落進(jìn)行有效的抑制，并且正交頻分復(fù)用這項技術(shù)的頻譜的利用率相對很高。

本文實驗是對云南白邑線中壓配電線上的信號傳輸特性針對以下幾點(diǎn)進(jìn)行了探討和分析：

（1）中壓電力線通信的耦合模型的信道特性。

（2）模型中加入等效耦合模塊和各種編碼模式，對系統(tǒng)的誤碼率的影響分析，并進(jìn)行性能仿真測試。

1實驗背景及中壓配電網(wǎng)信道特性

1.1實驗背景

本次實驗在云南35kV白邑變電站，白邑變電站分五條10kV的中壓配電網(wǎng)電力線路，本文描述的中壓配電網(wǎng)線路選擇從35kV白邑變電站輸出的10kV白邑線，選中的線路為五條線路中的最長，主干線全長為15.487km；分三段全長25.854km的支線；56臺容量3691 kVA變壓器被安裝在這里；供電輻射周圍約為17.438km地域，此線路涵蓋較多的村落，有平原還有丘陵另外還有跌宕起伏的山地等多種地線環(huán)境；并且最長的支線距離有3kM，從以上數(shù)據(jù)看，該10kV線路具備中壓配電線路相關(guān)的代表性。基于對嵩明白邑10kV配電線路的調(diào)查和研究，實現(xiàn)了H-PLC依據(jù)實際情況的通信技術(shù)方案。

10kV白邑線的H-PLC網(wǎng)絡(luò)將覆蓋從變電站開始至菜籽地村結(jié)束的整條15公里主干線，NMS網(wǎng)管系統(tǒng)和系統(tǒng)主站安裝在變電站內(nèi)部，H-PLC頭端安裝在變電站白邑線出線1#塔，在沿途的桿塔選點(diǎn)安裝中繼，分別為：29#桿；85#桿；104#桿110#桿127#桿；152#桿。一共安裝6個中繼點(diǎn)用以增強(qiáng)H-PLC信號，每個中繼可以選擇性關(guān)閉，每個中繼的安裝位置和設(shè)備類型都將通過現(xiàn)場實地考察最終確定，最大限度確保網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化。在6個中繼點(diǎn)采用10 kV電壓互感器的方式進(jìn)行PT取電，為H-PLC中繼器提供電源如圖1所示。

1.2中壓電力線信道阻抗特性

中壓電力線可分為接地和架空線路兩種類型。通過以往文獻(xiàn)對兩種電力線數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)電力線的阻抗特性隨頻率會發(fā)生變化。此外，嵌入架空線的阻抗曲線要平滑。因為架空的電磁干擾造成的天氣變化。因此，架空線路的阻抗開銷不容易得到。

實地測量嵩明白邑線變電站10kV中壓配電網(wǎng)分支線路的阻抗特性隨頻率的變化得到：

通過圖2的曲線可知，頻率的依次增大的同時，輸入阻抗的絕對值是依次變小的，并且頻率出現(xiàn)起伏跟隨有規(guī)律的震蕩的變化，致使這種波動發(fā)生的主要緣故可能是分支線路、存在電磁干擾和惡劣天氣等。

1.3中壓電力線信道噪聲特性

除阻抗和衰減會造成信號失真，噪聲也會影響配電網(wǎng)電力線數(shù)據(jù)可靠傳輸。低壓電力線噪聲繁多，用電器負(fù)載噪聲、包括中壓進(jìn)入低壓電力線路配電變壓器對電力設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，綜合無線電干擾噪聲等，但由于中壓電力線與用戶沒有直接連接，中壓電力線的噪聲主要是中壓配電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備無線干擾所產(chǎn)生的。圖3，為實地測量白邑變電站10kV中壓電力線路的不同地區(qū)的中壓電力線噪聲，白邑變電站中壓線路部分的節(jié)點(diǎn)信噪比。從圖中可以看出：整體的噪聲水平隨著頻率的增加而增加，隨著不同地點(diǎn)的改變，可能由于地形和氣候的變化，噪聲也發(fā)生不同程度的變化。

對噪聲模型進(jìn)行仿真建模之后對獲得波形采樣，然后獲得一部分噪聲的數(shù)據(jù)，每一秒采集6278個樣本數(shù)據(jù)。仿真波形跟隨時間的不同也有所差異，因此采樣到的噪聲數(shù)據(jù)也有較大的隨機(jī)性。這當(dāng)中，我們編寫M函數(shù)的文件實現(xiàn)多徑衰落，且通過Mmlab Fcn和噪聲數(shù)據(jù)形式的MAT格式的文件通過simulink模型導(dǎo)入From File模塊，該模型在圖4所示，圖5所示。

2OFDM的通信耦合系統(tǒng)建模及部分算法

2.1OFDM的通信耦合系統(tǒng)建模

在配電網(wǎng)自動運(yùn)行和類似的推廣普及中，很多的系統(tǒng)都是采用單向方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送的，而對高可靠性、實時性要求的要求較低，所以，通常采用較慢的傳送的速率。此實驗的目的是希望在中壓電力線的傳輸速率滿足要求，以達(dá)到配電自動化、自動抄表等要求。根據(jù)這些指標(biāo)與中壓電力線信道條件的要求，系統(tǒng)框圖如圖6所示。

該編解碼器使用簡單（4，2）編碼，編碼效率是1/2，從9.6 kbps到19.2 kbps轉(zhuǎn)化率；調(diào)整后的QPSK編碼系統(tǒng)，然后將數(shù)據(jù)加載到96數(shù)量的子載波，每個子載波的振幅和相位調(diào)制信息的數(shù)據(jù)串并變換后，插入導(dǎo)頻（采用BPSK調(diào)制）信號處理后的處理；數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后，得到一個保護(hù)間隔的OFDM符號框架；OFDM符號的數(shù)據(jù)調(diào)制到載波頻率320khz。

OFDM的子信道存在一定的間隔，這些間隔是影響系統(tǒng)的性能的主要因素之一。子信道間隔大，由于子信道干擾造成的諸多因素較小，但與此同時，由于信道帶寬有所增加，也會導(dǎo)致系統(tǒng)頻譜效率有所減小，電力系統(tǒng)的頻率選擇性衰落也會下降；另一方面，為了提高系統(tǒng)的頻譜效率和信道而減少的子信道之間的間隔，勢必使子載波間干擾的增加，它們之間的一種折衷在系統(tǒng)設(shè)計需要有所體現(xiàn)。endprint

OFDM信道數(shù)量和FFT信道間隔確定的原則包括子信道的間隔帶寬的確定，滿足系統(tǒng)頻譜利用率，保證OFDM系統(tǒng)的良好抗擊頻率選擇性衰落，以頻率選擇性衰落，最大負(fù)載盡可能地增加之間的差距。此外，根據(jù)主電力線信道噪聲的分布特性，避免噪聲干擾（主要為周期性脈沖干擾）為嚴(yán)重地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，即在正、?fù)峰值附近時頻區(qū)域電網(wǎng)電壓無通信。然后，對每一幀的結(jié)構(gòu)定義（AC電源線）如圖4-2所示，OFDM的符號保護(hù)的時間設(shè)定為2ms（其中循環(huán)及后綴均為1ms），IFFT數(shù)據(jù)的時間是4ms，而6ms為符號的時間，它可以完全去配電系統(tǒng)模塊下的多徑信號。子載波間隔為1/4MS=0.25khz。除了對系統(tǒng)通過96個子載波數(shù)據(jù)來加載外，還需要通過8個子載波的來對導(dǎo)頻符號進(jìn)行處理，并進(jìn)行信道估計和相位校正，在另一端預(yù)先留出24子載波，共128個子載波（IFFT 128分），為0.25 khz×128=32 khz帶寬使用。

接收數(shù)據(jù)的OFDM系統(tǒng)是傳輸數(shù)據(jù)的逆過程，剛開始是對接收到的數(shù)據(jù)的下變頻；同步信息通過同步模塊來進(jìn)行輸出，針對通過下變頻處理的的數(shù)據(jù)再采用去保護(hù)間隔的方式處理，接下來使用FFT進(jìn)行處理；處理后的數(shù)據(jù)中提取其數(shù)據(jù)的FFT的導(dǎo)頻信息，然后對于剩余數(shù)據(jù)采用相位校正和QPSK解調(diào)（解調(diào)的軟價值）以及解碼的方式接收數(shù)據(jù)得到。

由于特殊的傳輸方案（時域傳輸），在中壓電力線固有噪聲（交流同步語音）對通信質(zhì)量的影響已大大減少，因此從其他的主要噪聲干擾（主要是背景噪聲），噪聲相當(dāng)于設(shè)計，高斯白噪聲。

2.2信號調(diào)制算法

OFDM系統(tǒng)的基石便是IFFT/FFT技術(shù)，通過給所有的子載波以符號使得IFFT得以實現(xiàn)子載波的調(diào)制，子載波和每個符號相乘，然后再求其和。

假定連續(xù)的時間，OFDM信號是：

X對于n個OFDM符號的K符號（每一個OFDM符號都擁有n個碼元），每一個OFDM的符號周期是T，OFDM的子載波的數(shù)量是N，.f中心頻率為K副載波，.fn表達(dá)的是中心頻率的低點(diǎn)值?；鶐盘栐诘趎個OFDM符號周期中采用t=T/N為間隔然后采樣便可以獲取到離散的采樣的最終值。

離散采樣值的獲取過程為：通過對基帶信號在第n個OFDM符號周期內(nèi)以t=T/N為間隔進(jìn)行采樣，則有：

其中0≤n≤N-1。因此，N個彼此正交的子載波分別被基帶的信號通過調(diào)制的方法調(diào)制，也就等同于{Xk}被做IDFT計算，另外IFFT算法可以快速高效的方式達(dá)到IDFT的功能，對獲取的訊號采用FFT方法就等同于對應(yīng)的的解調(diào)。

快速傅里葉算法是基帶信號的調(diào)制算法之一，采用這種算法計算時，OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜性可以得到較大的減小，同時系統(tǒng)模塊的性能也可以有較大的提高?；鶐盘柺褂肐FFT算法，子載波解調(diào)使用FFT，然后信號映射到頻域。整個系統(tǒng)所使用的子載波的數(shù)目就是IFFT的長度數(shù)量。IFFT長度與其誤碼率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與系統(tǒng)的性能呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，若果IFFT的長度太大，則會增加系統(tǒng)的統(tǒng)計負(fù)擔(dān)，通信的實時性將會遭到破壞，因此，以上緣故需要綜合研究。此項目中，選取64作為IFFT的長度，它是由64個子載波組成的調(diào)制。

由于信道之間存在一定的延遲，碼間干擾事件頻頻影響信號的接受，因此，保護(hù)間隔的添加在每個OFDM符號中加入有一定的必要性，一旦信道延遲小于保護(hù)間隔的所持續(xù)時間，則只有長距離內(nèi)的干擾才會有所反映。循環(huán)前綴（CP）便是在保護(hù)間隔內(nèi)產(chǎn)生的OFDM信號，它對應(yīng)于每個OFDM符號的尾部信號周期的延伸。

2.3耦合模型實現(xiàn)算法

耦合電容器是用于在電力網(wǎng)絡(luò)中傳輸信號的電容器。主要用于高頻高壓交流輸電線路，實現(xiàn)載波、通信、測量、控制、保護(hù)和電能提取的目的。

耦合電容器使強(qiáng)弱電系統(tǒng)通過兩個電容耦合隔離，提供高頻信號通路，防止電流進(jìn)入電力系統(tǒng)，保證人的安全。除了上述功能，與電壓抽取裝置的耦合電容器也可以提取保護(hù)工頻電壓和重合閘的使用，起到電壓互感器的作用。圖7是在頂蓋17kv模型耦合電容器的等效電路。

中壓耦合電容器模擬電路圖如上所示，進(jìn)過簡化獲得電路圖8。

在控制工程中常常用到將模型由離散轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)，由于即便控制器是離散的然而被控制的對象是連續(xù)的，需要說明的是d2c為控制工具箱的函數(shù)。

例如，s變換到z變換：

H（S）=（S-1）/（s^2+4s+5）

H=tf（[1-1]，[1 4 5]）

Hd=c2d（H，0.1，'zoh'）

通過z變換獲得圖9的z傳遞函數(shù)得到圖9的等效耦合電容器的模塊，接下來將其接入整個OFDM模塊即可實現(xiàn)耦合通信的部分功能。

3系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

3.1各個子載波的調(diào)制方法的誤碼的參數(shù)的對比

配電網(wǎng)的電力線通信的信道中添加至模型的前后，QPSK、DQPSK及QAM三種調(diào)制方式的誤碼率曲線如圖10所示。

誤差在圖10誤碼率曲線可以看出，電力線信道速率曲線率曲線的環(huán)境比AWGN信道下的誤碼高得多，對誤比特率的電力線信道仿真高于AWGN，電力線信道的較差的環(huán)境，20dB的信噪比情況下，誤碼率是0.035。

3種調(diào)制的方式下的電力線的信道環(huán)境中的仿真結(jié)果顯示：使用QPSK的調(diào)制系統(tǒng)具有良好的性能，DQPSK，QAM是較差的；而3種調(diào)制的方法針對誤碼率的優(yōu)化效果不夠明顯，如果將其投入現(xiàn)實系統(tǒng)當(dāng)中調(diào)制，如果要達(dá)到信息的聯(lián)通并進(jìn)行通信，則需要綜合信道編碼、交織以及其他相關(guān)技術(shù)理論。

3.2OFDM的耦合通信仿真

耦合模塊加入配電網(wǎng)的電力線通信的信道的模型的前后，QPSK、DQPSK及QAM三種調(diào)制方式的誤碼率曲線，見圖11：

圖中CP表示的就是加入耦合模塊的曲線，在圖11誤碼率曲線中我們能夠得到，未添加耦合模塊的電力線信道曲線的誤碼率比加入耦合模塊的的誤碼要低得多，即添加耦合模塊后，系統(tǒng)的誤碼率有明顯的增加，并且隨著信噪比的的增加，添加耦合模塊的誤碼率曲線比未添加耦合模塊的誤碼率曲線下降的速率要低一些。40dB的信噪比情況下，添加耦合模塊的誤碼率約是0.001～0.0001左右。

4總結(jié)

中壓電力線載波通信耦合因其特有的優(yōu)勢，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。本文對中壓電力線耦合模型系統(tǒng)仿真這一部分進(jìn)行了更深入的探索。通過仿真結(jié)果可以看出，中壓電力線信道的耦合通信系統(tǒng)下，OFDM技術(shù)可以達(dá)到數(shù)據(jù)的高性能傳輸。endprint