（通信与信息系统专业论文）中压电力线通信中噪声对消的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文介绍了电力线信道噪声通用模型，对现场采集的中、低压电力线噪声数 据进行噪声频域特性和时域特性分析，重点对中压信道噪声做相关性计算并建立噪 声互相关模型，采用对称分量法分析相关性，得出三相系统相间噪声具有一定相关 性的结论。根据两相的噪声一致性特点提出基于自适应最小均方误差( l m s ) 算法的 横向滤波器实现中压电力线通信的噪声对消。针对横向滤波器存在收敛速度慢，学 习跟踪能力弱等不足，提出采用格型自适应l m s 改进算法。仿真研究表明，噪声 对消方法有效提高了1 0 k v 中压电力线的信噪比，为l o k v 配网自动化采用载波通信 技术的可靠实现提供了新的途径。 关键字：中压电力线通信，互相关系数，最小均方误差，噪声对消，格型滤波器 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e da g e n e r a lm o d e lo ft h ep o w e r1 i n ec h a n n e ln o i s e ，a n dm a d ea n a n a l y s i so ft h e行e q u e n c ya n dt i m ed o m a i no ft h en o i s ed a t ag a t h e r e df r o mt h e m e d i u m - a n d 一1 0 w v 0 1 t a g ep o w e r1 i n e t h ec o l l r e l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h em e d i u mv o l t a g e p o w e rl i n en o i s ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h en o i s ec o r r e l a t i o nm o d e la r et h ef o c u s p o i n t s t h e nt h ec o r r e l a t i o nt h e o r yh a sb e e ns t u d i e dw i t hs y m m e t r i c a lm e t h o d ，a n dt h e c o n c l u s i o nm a tt h r e e - p h a s es y s t e mn o i s e sa r ea s s o c i a t e dw a sd r a w n a c c o r d i n gt ot h e c o n s i s t e n c yo ft w o p h a s en o i s e s ，t h en o i s eo f f e ti sa c h i e v e dt h r o u g ht h et r a n s v e r s a l f i l t e rb a s e do na d a p t i v el e a s t - m e a n s q u a r ee r r o r ( l m s ) a l g o i i i t h m b e c a u s et r a n s v e r s a l f i l t e rh a sas l o ws p e e do fc o n v e r g e n c ea n di sl a c ko ff o l l o w u pl e a m i n ga b i l i t y t h el m s a d a p t i v el a t t i c ea l g o r i t h mw a su s e d s i m u l a t i o ns t u d i e sh a v es h o w nt h a tn o i s eo f f s e t m e t h o dh a si n c r e a s e de f f e c t i v e l yt h es i g n a l t o n o i s er a t i oo ft h e1o k vm e d i u mv o l t a g e p o w e rl i n e i tp r o v i d e dan e ww a y f o rt h ea u t o m a t i o no ft h e10 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t ht h ec a l l r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m e d i u m v o l t a g e p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ， c o r r e l a t i o n c o e m c i e n t ，l e a s t m e a n s q u a r ee r r o r ，n o i s eo f f s e t ，l a t t i c ef i l t e r z h a n gj u n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o n n a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文介绍了电力线信道噪声通用模型，对现场采集的中、低压电力线噪声数 据进行噪声频域特性和时域特性分析，重点对中压信道噪声做相关性计算并建立噪 声互相关模型，采用对称分量法分析相关性，得出三相系统相间噪声具有一定相关 性的结论。根据两相的噪声一致性特点提出基于自适应最小均方误差( l m s ) 算法的 横向滤波器实现中压电力线通信的噪声对消。针对横向滤波器存在收敛速度慢，学 习跟踪能力弱等不足，提出采用格型自适应l m s 改进算法。仿真研究表明，噪声 对消方法有效提高了1 0 k v 中压电力线的信噪比，为l o k v 配网自动化采用载波通信 技术的可靠实现提供了新的途径。 关键字：中压电力线通信，互相关系数，最小均方误差，噪声对消，格型滤波器 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dag e n e r a lm o d e lo ft h ep o w e r1 i n ec h a n n e ln o i s e ，a n dm a d ea n a n a l y s i so ft h e行e q u e n c ya n dt i m ed o m a i no ft h en o i s ed a t ag a t h e r e df r o mt h e m e d i u m - a n d 一1 0 w v 0 1 t a g ep o w e r1 i n e t h ec o l l r e l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h em e d i u mv o l t a g e p o w e rl i n en o i s ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h en o i s ec o r r e l a t i o nm o d e la r et h ef o c u s p o i n t s t h e nt h ec o r r e l a t i o nt h e o r yh a sb e e ns t u d i e dw i t hs y m m e t r i c a lm e t h o d ，a n dt h e c o n c l u s i o nm a tt h r e e - p h a s es y s t e mn o i s e sa r ea s s o c i a t e dw a sd r a w n a c c o r d i n gt ot h e c o n s i s t e n c yo ft w o p h a s en o i s e s ，t h en o i s eo f b e ti sa c h i e v e dt h r o u g ht h et r a n s v e r s a l f i l t e rb a s e do na d a p t i v el e a s t - m e a n s q u a r ee r r o r ( l m s ) a l g o i i i t h m b e c a u s et r a n s v e r s a l f i l t e rh a sas l o ws p e e do fc o n v e r g e n c ea n di sl a c ko ff o l l o w u pl e a m i n ga b i l i t y t h el m s a d a p t i v el a t t i c ea l g o r i t h mw a su s e d s i m u l a t i o ns t u d i e sh a v es h o w nt h a tn o i s eo f f s e t m e t h o dh a si n c r e a s e de f 诧c t i v e l yt h es i g n a l t o n o i s er a t i oo ft h e1o k vm e d i u mv o l t a g e p o w e r l i n e i tp r o v i d e dan e ww a yf o rt h ea u t o m a t i o no ft h e10 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t ht h ec a l l r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m e d i u m v o l t a g e p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ， c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ，l e a s t m e a n s q u a r ee r r o r ，n o i s eo f f s e t ，l a t t i c ef i l t e r z h a n gj u n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o n n a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中压电力线通信中噪声对消的研 究，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 特此申明。 学位论文作者签名： 考良磊 日期：幽：曼， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段 复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文 的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 多艮星导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 配网自动化是电力系统现代化的必然趋势，其优势在于能够优化网络结构和无 功配置，降低电能损耗，提高城区配电网的运行水平和用户服务质量。与输电网络 相比，配电网络拥有点多面广的远方终端，要实现信息交换，通信系统需要满足以 下要求：具有较高的可靠性和抗干扰能力；满足双向和实时通信；容易操作，灵活 方便；建设成本低等【1 ，2 】优点。 由于配网自动化系统功能的复杂性，单一的通信方式一般无法满足所有要求。 可供选择的通信方式主要有：有线通信方式，包括光纤通信，公用电话网，i s d n 等；无线通信方式，包括微波通信，移动网通信，卫星通信等【3 】。其中，光纤通信 由于其可传输距离远，抗干扰抗辐射能力强，保密性高，以及传输容量高等优点， 获得广泛应用，尤其在主干通信网中。但光纤通信也有诸如成本高、技术要求高、 维护和扩展不方便等不足之处。若使用移动g s m 网中g p r s 作为传输通道，则由 于是公用网络，保密性差，而且不是专用的数据通信网，在网络中语音优先，在通 话多的情况下，不能保证数据的及时传输。 近年来，随着通信技术以及相应数字信号处理技术的发展，使得直接在配网上 实现可靠的数据传输成为可能。直接利用电力线本身无疑具有最大的吸引力。它组 网方便，不用布线，能最大限度地减少投资，并且覆盖范围广，可扩展性好，可以 容易地覆盖整个配电网。由于电力线通信先天具有的这些优势，使得电力线通信技 术可以成为配网自动化系统通信技术的重要选择之一，提高和改善电力线通信的可 靠性成为研究热点。配电线是为输送5 0 h z 强电设计的，与其它通信方式相比，具 有以下特点： ( 1 ) 信道建设投资相对较低。 ( 2 ) 组网灵活，实时性强。利用现有配电网构成通信信道，一次系统构成网络， 相应也就构成了数据传输网络。监控节点的电气连接也同样确保了该节点的通信连 接，因而确保了与任节点的实时通信。 ( 3 ) 信道时变性。电力线是一根非均匀的传输线，各种不同性质的电力负载在配 电网的任意位置随机地投入和断开，使信道表现出很强的时变性。 ( 4 ) 频率选择性。由于配电网中存在负荷情况复杂，负载变化幅度大，噪声种类 多且强等特点，各节点阻抗不匹配，信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象，造 成电力线载波通信信道具有很强的频率选择性。我国统一规定电力线载波通信使用 华北电力大学硕士学位论文 频率范围是4 0 k h z 5 0 0 k h z 。 ( 5 ) 线路存在强大的电磁干扰。由于电力线上存在强大的电晕等干扰噪声，要求 载波设备具有较高的发信功率，以获得必须的输出信噪比。 电力线通信环境恶劣，要在配网中实现可靠的通信，需要解决一些技术难点。 其中，最主要的问题在于噪音和信号衰减。电力线通信的噪声来自与低压电网相连 的负载。而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。与 高斯白噪声不同，中、低压线路中存在大量由高压开关操作，较大的负荷变化，短 路故障等诱发的脉冲干扰或脉冲干扰群，这些干扰一般持续时间较短，但能量很大 且集中。为解决噪声的干扰问题，适应时变的、大范围的线路衰减和阻抗变化，使 用l m s 算法实现自适应噪声对消，从而提高信噪比，大大改善通信的可靠性，是 方便可行的方法。 自适应噪声对消是自适应滤波的典型应用，是利用前一时刻已获得的滤波器的 参数来自动调节现时刻的滤波器的参数，以满足某种最佳准则要求。根据不同的准 则，产生不同的自适应算法，主要有两种：最小均方误差( l m s ) 算法和递推最小二 乘( r l s ) 算法。由w i n d o w 和h o f f 提出的l m s 算法，因其具有计算量小，易于实现 等优点在实践中被广泛采用。l m s 算法的基本思想：调整滤波器自身参数，使滤波 器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差最小，这样系统输出为有用信号的最 佳估计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电力线载波信道传输特性研究现状 电力线不同于光纤、同轴电缆、双绞线等专用的通信媒质，它的主要功能是电 力传输，即传送5 0 h z 工频信号，所以电力线的设计不可能兼顾高频通信的技术要求。 电力线环境是一种恶劣的信道环境，信号衰减、阻抗和噪声干扰是决定其性能的基 本参数。对信道特性的分析是一项重要研究，决定了传输的可行性。对此，很多研 究工作者做了大量工作。 1 2 1 1 信号衰减 大量文献资料表明【4 。7 】：信号的衰减不仅随传输距离的增加而增加，而且不同频 率上的衰减也不同。总体上，电力线上的衰减随着频率的增加而增加；但在某些频 率点，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然的迅速增加。 电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载也不匹配，所以信号会遇到反射、 驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常 复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。 华北电力大学硕士学位论文 对于低压民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强 度的信号在三相的衰减也不同，这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不 变，接在不同相上，通信的误码率不同。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大 1 0 d b 以上，随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。 在不同的时间段、不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化很大。文献研究表明： 中压线路的衰减比低压线路的衰减严重，但是在1 7 k m 线路长度内的通信测试中， 仍可以实现通信，前提是加大调制解调器的功率0 1 。 1 2 1 2 阻抗特性 配电网上千变万化的负载以及分支线路都会导致配电线路阻抗的变化。其阻抗 变化范围大，可造成阻抗零点，并且因为接入线路的负载是动念的，不能保证与线 路的特性阻抗匹配，从而会引起驻波效应。 另外，研究表明【。1 5 】中低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相 关。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分 布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负 载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的 阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。输入 阻抗的剧烈变化使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保 持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。 1 2 1 3 噪声特性 在电力线上进行数据通信时的另一个需要研究的重要问题是电力线上的噪声。 研究表明，电力线上的干扰不能被简单的认为是可加性高斯白噪声。为了表示这种 干扰的复杂特性并简化分析，一般可以近似将其分成4 类：周期性的连续干扰、周 期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下，前两 类干扰占主导地位。噪声干扰的规律性总结为以下几点【1 6 。2 0 】： ( 1 ) 周期性 由于许多用电设备会在工频交流电基波的某个固定相位上释放出干扰，噪声干 扰存在周期性。许多大功率的用电设备，如电机等，会在电网上产生很多的高次谐 波。这些谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率有可能延伸 到几万赫兹。如果信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大影响。 消除这种干扰的困难有两点：首先，由于无法对这种干扰的周期、宽度、强度和发 生时间等做出准确的预测，而且这些参数的变化范围可能很大，所以很难有针对性 的采取措施抑制这种干扰；其次，由于这种干扰的频谱非常宽，所以对接收端滤波 器的灵敏度有很高的要求。 华北电力大学硕士学位论文 在实际情况中，由于有大量的用电设备同时释放出干扰，而这些干扰的瞬时功 率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上产生时不变的连 续干扰。 ( 2 ) 随机性 随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的 短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间短，但能 量很集中，频谱也很宽。 这种干扰持续时间短，从几十微妙到几秒不等，强度大小也不等，出现时间爱 你也是随机的，具有很大的不可预测性。如果f 好发生在数据通信中，由于其高能 量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生错误。 ( 3 ) 多变性 多变性表现在两个方面：首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度 都各不相同。其次是因地而变，即在不同的电网之间，干扰情况各不相同；在同一 个电网之内，干扰情况也不相同。连接的负载、线路情况、电网结构等都不同，导 致电网内的各种参数都不同，则必然会影响干扰的分布。 1 2 2 电力线通信技术研究现状 目前电力线通信在日本、德国、瑞士等国家已得到良好的应用，但我国配电系 统中线路复杂，设备众多，线路较短，干扰较大，尚未成熟的应用和推广。在技术 方面，为应对恶劣的通信环境，p l c 技术领域的研究重点及难点可归结为以下两个 方面： ( 1 ) 应用先进的信号检测理论，研究抗噪声性能良好的调制解调技术，以获得足 够的数据传输可靠性，这是实现电力通信的关键环节。目前国内外己研发出多种低 压p l c 产品，但是这些芯片并不适用于我国复杂的低压配电网，因此需要适用我国 的调制解调技术来保证数据传输的可靠性。 正交频分复用( o f d m ) 传输以它很高的频谱利用率和抗多径的能力成为电力线 通信的优选方案。针对电力线信道时域平稳的特点，前人提出了一种新的比特分配 算法，利用上次比特分配结果和当前信道特性进行o f d m 子信道非迭代比特分配， 算法快速有效。还利用低压电力线信道慢时变的特点提出一种适合电力线信道的判 决反馈信道估计方法，这种方法使用前一个正交频分复用符号计算得到的信道估计 值去均衡下一个接收符号，形成一个集判决，反馈，信道估计为一体的回路，不需 要加入导频符号，能够进行连续信道估计，大大提高了系统传输速率。文献 2 1 】提 出，在o f d m 调制系统中，由于持续时间很短的脉冲噪声包含了所有子信道的频谱 成分，会影响所有子信道上传输符号的判决，提出接收机通过计算时域和频域中接 华北电力大学硕士学位论文 收符号的幅值来检测脉冲的存在及其在o f d m 符号内的起始位置并恢复样本，该算 法在低信噪比下取得了良好的性能增益。另外，扩频技术( 如d s s 直接序列扩频、 f h 跳频和c h i 印方式) 也是电力线通信中的研究热点。在电力线通信中主要应用的 是d s s 方式，0 f d m 和扩频通信技术在一定程度上克服窄带噪声的干扰，但是有限 的扩频增益对于较大功率的窄带干扰仍然无能为力。因此为取得良好的通信性能， 需要使用自适应滤波方法消除噪声干扰。 ( 2 ) 进一步研究自适应滤波和自适应均衡，以适应时变的、大范围的线路衰减和 线路阻抗的变化。配电网中衰落严重，噪声干扰大，只能在少量的符号范围内认为 信道特性不变，前人提出一种寻找快速的信道辨识算法，将信道进行多相分解，利 用子信道输出的二阶统计特性求解线性方程组，得到信道参数估计。该算法无需知 道输入信号和噪声的二阶统计特性，但是当干扰较大，信噪比比较低时，要求采用 较长的符号序列进行信道辨识，算法复杂，辨识精度低。需要寻求更简便，效果更 好的算法提高信噪比【2 2 2 9 】。 1 2 3 自适应滤波研究现状 自适应滤波器就是利用前一时刻已获得的滤波器系数等结果，自动的调节现时 刻的滤波器系数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特征，从而实现最 优滤波。理论上讲，自适应滤波问题没有唯一的解。为了得到自适应滤波器及其应 用系统，可以采用各种不同的递推算法，这些算法都有各自的特点，能适用于不同 场合。 国内外已有的两种经典的自适应算法是基于维纳滤波理论的最小均方算法 ( l m s ) 和基于最小二乘准则的递归最小二乘算法( r l s ) 。两种算法各有优缺点，具体 特点比较如表1 1 。l m s 算法拥有计算量小，易于实现的优点，被广泛应用于信号 处理，语音增强和图像处理等领域【3 0 3 6 1 。 表1 1 自适应算法比较 递推算法优点缺点 l m s 具有最低的计算复杂度和收敛速度慢和具有较高的 较好的收敛稳定性失调量 r l s 具有更快的收敛速度过高的计算复杂度和引入 了数值稳定性问题 华北电力人学硕士学位论文 1 3 课题的主要研究工作 近年来，为提高供电质量，保证电力系统安全运行，中压配电网自动化系统及 负荷控制已开始使用。配电网自动化的数据传输和交换利用1 0 k v 线路实现是方便 经济比较可靠的，但在特殊情况下，可靠性受到一定影响，通信一直是个瓶颈。因 此利用中压配电网作为电力自动化的载波通信媒介，对通信可靠性的研究成为热点 问题。本文首先介绍了中压电力线信道噪声通用模型，对现场采集的噪声进行相关 性分析，改变单相传输模式，利用两相的噪声一致性提出基于最小均方误差( l m s ) 算法实现中压线上通信( m v p l c ) 的噪声对消。然后针对基本l m s 算法的不足，提 出改进算法。为lo k v 配网自动化采用载波通信技术的可靠实现，提供了新的途径。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 电力线噪声特性分析。实地采集电力线信道噪声，获得现场数据，分别对中、 低压电力线的噪声频域特性和时域特性进行比较，重点对中压信道噪声互相关特性 进行分析和计算。 ( 2 ) 建立噪声互相关模型。建立中压电力线的噪声相关模型并做电力线噪声相关 性原因的理论阐述，尝试从理论的角度，解释电力线三相系统中各相问的噪声存在 显著一致性的原因。 ( 3 ) 实现中压电力线载波通信噪声对消。本文噪声对消方法的实现采用自适应 l m s 算法，详细阐述噪声对消的实现原理和特点以及横向滤波器结构，然后用 m a t l a b 软件进行仿真研究。重点针对不同情况噪声，如不同噪声频段和不同噪声 时段以及d p s k 调制信号的仿真结果，研究噪声对消效果，并从学习速率，收敛性 等方面对l m s 算法的噪声对消做性能分析。 ( 4 ) 改进l m s 算法，提出采用l m s 自适应格型滤波器实现噪声对消。针对自适 应l m s 横向滤波器存在收敛速度慢，学习跟踪能力弱等不足，提出采用格型l m s 算法，做仿真实验和性能分析。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电力线信道噪声的测试与分析 利用配电网作为电力自动化的载波通信媒介近年来备受关注，然而将电力网作 为高频载波通信信道使用时，首先需要面对的问题就是要了解信道的复杂电气特 性，这种特性与通信用的专用通信信道的复杂电气特性相比，具有几乎完全不同的 电气特性。其中信道噪声特性是描述通信信道性质的重要参数之一，要在电力线上 实现高速通信，必须充分了解电力线信道的噪声特性。但电力线网络是为电力传输 设计的，电力网中的负载多种多样，产生的噪声也各不相同。 电力线上存在着大量的噪声，尤其是低压线路，负载多且其工作状态随时间变 化，配置情况复杂。其对传输信号的不利影响主要表现为具有随机性的信道损耗、 信道噪声和多径效应。与高斯白噪声不同，低压线路中存在大量由高压开关操作、 较大的负荷变化、短路故障等诱发的脉冲干扰或脉冲干扰群，这些干扰一般持续时 间较短( 从几十微秒到几秒不等) ，但能量很大且集中，频谱也很宽，往往干扰p l c 信道的大部分可用频带。某些特定的电力负荷会长时间影响某些频率，使得此频率 上的信号严重衰落，造成数据丢失。 本章的主要内容是分析电力线噪声特性。首先介绍电力线噪声模型及噪声种类 和特点，然后通过实地采集中、低压电力线噪声，分析和计算现场噪声数据的频谱 特性以及互相关系数，对中、低压噪声相关性进行详细的分析并作比较。重点是对 中压电力线的噪声相关性的研究，通过在山西某供电局搭建实验基地，进行现场的 测试。最后建立噪声互相关模型，对电力线三相噪声相关性的原因采用变压器对称 分量法做理论分析。 2 2 噪声的模型及特点 电力线信道中的干扰情况比其他通信信道更加复杂，不仅仅表现为一个加性高 斯白噪声信道，除了有色宽带噪声以外，还有窄带干扰和其它不同形式的脉冲干扰 存在。根据国内外的研究现状，现在公认的是在中低压电力线载波通信环境中存在 着五类噪声。 按图2 1 所示，即电力线载波通信噪声干扰情况可粗略分为五类：有色背景噪 声、窄带噪声、同步于工频的周期脉冲噪声，异步于工频的周期脉冲噪声和异步非 周期脉冲噪声。 同样可以把噪声分为背景噪声( 包括有色背景噪声、窄带噪声和异步于工频的周 华北电力大学硕十学位论文 期脉冲噪声) 和脉冲噪声( 包括同步于工频的周期脉冲噪声和异步脉冲噪声) 。 图2 1 电力线载波通信噪声构成示意图 ( 1 ) 有色背景噪声 有色背景噪声的功率谱密度( p s d ) 相对较低，但在较低的频段有显著的增加。 这种噪声可以由不同幅度的在不重叠频段的一些白噪声源近似。该噪声由普通家用 电器，如电脑、调光器或电吹风产生，它可以造成频率范围高达3 0 m h z 的干扰。 它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发生变化。 ( 2 ) 窄带噪声 窄带噪声通常由调制的正弦波构成，其来源于频率范围为1 2 2 m h z 的广播电 台，它随时间发生变化。 ( 3 ) 异步于工频的周期脉冲噪声 其重复率在5 0 2 0 0 k h z 范围内，具有离散的频线，其频率间隔与重复率有对应 关系。这种类型的噪声主要由开关电源和显示器的行扫描频率及其谐波产生。 ( 4 ) 同步于工频的周期性脉冲噪声 其重复率为5 0 或1 0 0 h z ，这种噪声持续时间短( 微秒级) ，其功率谱幅度随着频 率增加而减小。主要由可控硅( s c r ) 调节器件所产生。 ( 5 ) 突发性噪声 该噪声也称为随机脉冲噪声，由系统内开关瞬时的开断引起，它以无规律的间 隔时间出现在整个电网中。该噪声是五类噪声中最复杂的一种。闪电或网络上复杂 的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。它的到达时间是 随机的，持续时间从几us 到几m s 。脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出 5 0 d b 。 通常，前三种噪声随时间变化缓慢，常归结为背景噪声。后两种噪声的时变性 强，当出现这些噪声时，功率谱密度会突然上升，数据传输会造成很大的误差。噪 声很难直接定量地表示，但也有一定的规律性，比如噪声随频率的增高有下降的趋 r 华北电力大学硕士学位论文 势，并且无论噪声多复杂，都是由各种特定性质的噪声源叠加而成。 背景噪声包括有色背景噪声、窄带噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声。背景 噪声的平均功率较小，但频谱很宽，并且持续存在，有可能部分或全部覆盖信号频 谱。因此，通信过程中的信噪比可能会变差，导致误码率的增加。与工频同步的周 期性噪声和随机脉冲噪声都造成了电力线上噪声的短期变化。而与工频同步的周期 性噪声和随机脉冲噪声相比，具有较低的功率谱密度，持续时间短为us 级。但是 随机脉冲持续时间是随机的，从us 级到m s 级，而且功率谱密度能比背景噪声高出 5 0 d b 。通常，描述它的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。由脉冲幅度和宽度 可以得到脉冲能量，到达间歇时间给出了脉冲噪声出现的频率。由于随机噪声的突 发性，可能会使传输的数据部分或整个发生错误。 2 3 低压电力线信道噪声分析 2 3 1 低压信道噪声数据和波形的采集 为了能真实的得到低压线路的噪声数据，在华北电力大学通信实验室搭建测试 设备，进行长时间连续带电测试，采集到3 8 0 v 用户端多组现场噪声数据。低压电 力线信道噪声测试框图如图2 2 所示，用户端电力线a 、b 相的噪声分别通过耦合 网络耦合至示波器，示波器获取噪声数据并存储后再传输至p c 机进行谱分析。 ：6 u r公“：r i2 陋。 2 胄 存储式 计算机 l l il 数字示渡器 i2 扣。旯。1 fc 1 2 2 r 图2 23 8 0 v 用户端噪声采集框图 噪声测试使用的存储式数字示波器的数据长度是2 5 0 0 点；耦合器在电路中主 要有三个作用：第一，内部的高通滤波器保证高频通信信号顺利通过，而电网的工 频信号完全被阻断；第二，内部的高频耦合线圈实现了强电侧和弱电侧的物理分离； 第三，高频耦合线圈弱电侧的耦合阻容元件构成的阻抗匹配网络实现与噪声测量仪 输入电路的阻抗匹配。由传输特性可看出，低压噪声采集中用到的耦合器可阻止工 频信号进入测量仪器，而所关心的4 0 k h z 5 0 0 k h z 频率范围内的信号几乎没有衰 减。 电力线信道的噪声主要是由电网中工作的各种用电设备产生的。不同地点，不 同时间电网中工作的用电设备是不同的，因此电力线信道的噪声必然随着时间和地 华北电力人学硬i ：学位论文 点变化。因此低压电力线噪声测试中，采集了大量不同时间段的噪声数据。图2 - 3 所示波形是不同时日j 的两相噪声同步时域波形比较。抽样时间依次选择的2us 和 o4 us 。可以看出，噪声随时间变化，两相同步噪声波形包络走向有相似趋势。 o0 5 世0 馨 倒0 孽 1 时间，m 8 0 1 00 5 越0 i 0 5 05 世0 罂 05 l 山【j “i - - “m “】i _ 山“山山1 山衄血u 山山“血。 隅丌呷- _ i 唧 丌l 】旷_l i 川叫r 唧fm _ f 1呷t 7 7 | | j f j ! 州f i 肝阿f 050607 08o 9 时间，m s c h 2 甜m删蝴佛 f 1 00 1020 3040506 07o809 时间，m s b 抽样时间o4 ps 图2 3 低压电力线噪声波形 - 1 0 - 拍m时娜 2 曲 华北n 力入学顶f 学位论立 232 低压信道噪声测量频谱分析 为了进一步分析低压噪声特性，在前竹大量的3 8 0 v 噪声数据和噪声波形的 测试基础e 本小节将针对这些数据，重点分析低压噪卢频域波形的特点。噪声f f t 频谱是通过将噪声数据经过m a t l a b 软件中的s p t o o ll 具得到。噪声频谱获得 的过程，旨先选择需璎处理的噪，目数据的时域数据值和抽样频牢，打j l ：s p t o o l 工 具选择抽丰羊频率，按照规定的点数做f f t 变换，最后土瞰出对应的数州并确定频率轴 坐标叩u ，求得所需要的频谱数掘。 如图2 4 所示是抽样频率f s = 25 1 0 0 h z 两州i 频域波形比较。由f 拒实验窜用电 设备t 要是训算机，可l l 看到这_ 频段计算机的r 戈电源产牛的周圳性脉冲噪声幅 度大且频：簪分布j ，在频谱r 是一些离散的谱，基本r 覆盖褴个低频段。另外， 畸 柑之州有很多柑刚的t 频率成分，比如罔中所标记的1 1 9 k h z 频率能茸丰富，分别 达到一6 4 d b 和一9 2 d b ，属f 士要的频率成分；第二个标记是在6 5 l k h z 左右，是f 司样 的高频段的土频：年成分，比较并频段的频谱，可以看到很多相似的曲线另外从图 中大致1 4 以看m4 0 0 8 0 0 k h z 频段致性比较理想。因此在电力线通信中也可以利 用这频段噪声相关特性做进一步分析。 妒哪嗍卅州训 f _ 厂一- _ 一一 陬1 小妒蚋w 卅。m 州 二一i 一一 1 上 ，一 f 一 。1 0 ， b 噪声c h 2 的频诖 矧 图2 4 低爪两相噪声颤域波形对比 华北t b 力大学硕十学位论文 接下来我们重点分析4 0 k h z 一5 0 0 k h z 频段的频谱特性，将图2 4 局部放太，可 以清晰的看到4 0 k h z 5 0 0 k h z 的频谱分布情况。如图2 5 所示，两个标记点分别为 1 1 9 k h z 和3 7 5 k h z 频率。整体上看，频谱曲线走向大体一致。 i i 6 _ f 。与 竺二竺! 竺二_ i o y x 1 d ， l y 一一* y 5 l b 噪声c h 2 图2 5 低骶两相噪声局部放大频谱图对比 2 4 中压电力线信道噪声分析 对于中压电力线通信的研究，相关的理论和实验数据很少中高压电力线网络 结构简单，柑对于低压线路，其距离衰减特性好，噪卢干扰较小，但是供电系统电 力线路的主要任务是为几十赫兹的低频传输设计的，要在这种线路上传输高频信号 井实现宽带p l c 的应用，信道的干扰和抗干扰、通信串扰、阻抗特性、电抗特性及 接电线时的高频信号的泄漏等问题均会影响p l c 信号的传输质量。如果能解决噪声 干扰和衰耗的问题中压配电载波将是配网通信的首选方案，中压p l c 在国际和国 内部处于研究起步阶段，需要做的工作更多一些。为了在中压配电线上实现可靠的 数字载波通信，有必要对中压配电线的传输特性进行全方位的测量和分析，这对数 字载波通信的研究有非常重要的指导意义。本文对一典型的1 0 k v 配网线路试验进 行分析，为下。步中压通信中噪声对消的研究作一定的参考。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 中压信道噪声数据和波形的采集 为了能真实地得到1 0 k v 中压电力线信道噪声特性，在山西某变电站搭建实验 基地，进行中压电缆的长时间带电实际测试，得到噪声测量实验的多组现场数据。 测试点之间的分支线路较多。分支线路多不但会造成较大的信号衰减，还会产生复 杂的信号反射、折射、驻波等现象，线路负荷变化较大，干扰噪声较强，具有一定 的代表性。分支线路上加阻波器在一定程度上可以解决这些问题，高压线路一般在 点对点间传输数据和语音等信号，加阻波器在一定程度上可以有效解决上述现象。 但是中压电力线主要用于组成网络使用，不针对点对点的通信方式，另外这样做既 增加了工程实施难度又增加工程成本，所以现场测试时没有采用阻波器。测试框图 如图2 6 所示，测试中压线路长度4 0 0 m 。测量频段主要为4 0 k h z 5 0 0 k h z 。中压电 力线a 、b 相的噪声信号分别通过耦合网络耦合至示波器，示波器获取噪声数据并 存储后再传输至p c 机进行分析。 c 一一一 呈= = 二哥二二二二一 t 一一 图2 6 中压噪声测试框图 噪声测试使用的荧光存储式数字示波器数据长度是1 m 点；中压耦合技术分为 电容耦合和电感耦合，电容耦合既可采用相地耦合方式，也可采用相相耦合方式， 后者成本较高，但是相相耦合方式可靠性更高。当发生单相接地故障时，相相耦合 方式可以退化为相地耦合方式继续工作。一般建议相地祸合方式用于监测，而相相 耦合方式用于控制。电感耦合方式一改原有的在工频功率通道上传输高频通信信号 的做法，利用电缆线路故有的屏蔽层进行载波高频信号的传输，并获得成功。该耦 合方案具有以下突出的优点：高频通信信号与工频电气量传输通道分离；通道无高 压；通信设备维护的安全性大大提高；耦合设备的成本降低；可以与电容耦合相结 合改善电缆与架空线路的混合传输；安装非常方便。本论文的测试采用最基本的相 地电容耦合方式。因为使用基本的相地耦合方式所测量的结果，是相对比较复杂噪 声特性，对于其他耦合方式来讲，也具有类似的特性。 低压电力线上的噪声是各种用电设备产生的噪声、配电变压器中压侧通过变压 器影响到低压侧的噪声和无线电干扰等综合作用的结果，而中压电力线由于与用户 并不直接相连，其噪声主要由中压电力线附属设备以及无线电干扰产生。总体噪声 1 3 醯l l ：田嚣 华北电力人学硕十学 奇论文 水平随着频率增加而降低，噪声水平基本上不随时自j 变化。经过长时间的噪声数据 监测，中压测试中采集了不同时白j 段的大量噪声时域波形，具体的波形采集如图2 7 所示，是两相同步噪声时域波形比较，噪声抽样频率为5 m h z 。从整体r 观察噪声 时域波形，可以看到波形的包络走向有显著的一致趋势，可以得到结论：三相线路 h 的噪声存在叫显的一致十牛。 ch 艘群固 2 宅 扭。 罂 ，2 图2 7 中压噪声时域波形罔 我们接下来选墩两组不同频段的巾压噪卢时域波形进行一致性比较。做法是将 噪声信号通过带宽为4 k h z 的带通滤波器，分别得到中心频率为2 7 7 k h z 和4 0 0 k h z 的两相l 噪声波形图。如图2 8 所示，a 和b 两个子图分别代表两午日步波形，从波 形的包络曲线的走向叮以看出，相对于子图a ，子图b 巾两相噪卢一致性更加理想。 5 蠢。 5 主。 时间- m 5 a 中心颠牢为2 7 7 k h z 噪声波形 - 1 4 毛商警 华j 匕电力人学硕士学位论文 c h l 渡形图 时间，m s c h 2 波形图 时目7 m s b 中心频率为4 0 0 k h z 噪声波形 图2 8 两个频率段的噪声波形一致性对比 24 2 中压信道噪声特性测试及结果分析 相对于低压配电网，中压配电网结构上要简单一些，但是由于中j 玉电力线路的 主要任务是为5 0 h z 的工频交流电能传输设计，且相对于通常的低压电力线路而言 传输距离较长，因此要在这种线路上传输高频信号，仍然是一项非常具有挑战的工 作。为了更为有效可靠的传递信息，本文针对中压噪声特点，做以下详细的分析。 242 1 频谱分析 对中压噪声进行分类，有利于利用计算机进行噪声建模。然而，从测量到的大 量噪声数据中，分辨出不j 叫类型噪声是非常困难的工作，通常需要用统计的方法进 行分析。根据低压电力线噪声的频谱分析可以看出，三相系统的频谱能量分布具有 相关性，也就是相问噪卢是有联系的。本小节将采用同样的方法对中压电力线噪声 做进一步的频谱分析，从频域角度米研究噪声一致性特点。 如图2 9 所示是抽样频率f s = 5 m h z 的两相中压噪声频谱图对比。整体来讲不同 地点和不同时问电力线上的噪声是变化的。但中压电力线上的噪声也存在一个大致 相同的变化趋势。从图中可以看出，噪声分布曲线随频率的增大而减小，某些频带 有固定的大功率噪声，频带较窄，噪声谱线较高；有些频带噪声比较平稳，存在少 量的窄带噪声。通过对比两相同一时问的噪声，如