低壓電力載波通信可靠性研究

莫秉湖，農(nóng)榮貴

在我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中，電能計(jì)量自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。低壓電力線載波通信是實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量自動(dòng)化的一種有效方式。由于利用低壓電力線作為通信媒介，可以減少由于布線造成的成本上升及資源浪費(fèi)，同時(shí)，隨著近年來(lái)擴(kuò)頻跳頻技術(shù)的發(fā)展，低壓電力線載波通信的通信可靠性大為提高，這在一定程度上提升了電力管理辦公自動(dòng)化水平，提高人們的生產(chǎn)生活水平。但由于非線性元器件的廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成干擾，尤其是當(dāng)今大量變頻設(shè)備的應(yīng)用推廣，低壓電力載波抄表在實(shí)際應(yīng)用中還是存在穩(wěn)定性不夠的問(wèn)題，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，低壓電力線載波通信應(yīng)用會(huì)達(dá)不到電能計(jì)量自動(dòng)化結(jié)算率要求，這嚴(yán)重阻礙了低壓電力線載波通信的推廣。鑒于此，本文提出一種基于自適應(yīng)算法的自適應(yīng)濾波器的干擾抵消，以實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的有效傳輸，從而提高低壓電力載波通信可靠性。

一、低壓電力載波通信原理

低壓電力線載波通信是利用低壓電力線路作為載波傳輸媒介的通信方式。在電力線路這個(gè)載體上，存在著大量的頻率在數(shù)百kHz到20MHz范圍內(nèi)的噪聲，為保證通信信號(hào)能夠有效傳輸，需對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行一次或多次調(diào)制，將信號(hào)頻率調(diào)制到不同于線路的傳輸頻帶，并將調(diào)制后的高頻信號(hào)經(jīng)放大后耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。在接收的另一端，我們將信號(hào)解調(diào)后載波處理器將會(huì)接收到有效的載波信號(hào)。考慮到模擬信號(hào)比數(shù)字信號(hào)更容易受到干擾，在調(diào)制過(guò)程中，一般都會(huì)將信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)。

從通信的角度看，低壓電力載波通信系統(tǒng)的原理框圖如下圖1所示。

圖1 低壓電力載波通信系統(tǒng)原理框圖

二、低壓電力載波通道基本特性

低壓電力載波線信號(hào)是在50Hz交流輸電線路上進(jìn)行傳輸?shù)?。除了線路本身的工頻干擾外，還存在著衰減，其衰減頻率特性取決于電力線本身的結(jié)構(gòu)尺寸、長(zhǎng)度、線種、地面高度、導(dǎo)線排列、有無(wú)換位和分支、大地導(dǎo)電率等因素。通常低壓電力線載波高頻信號(hào)傳送組成時(shí)，最有效的耦合方式是相—地耦合。

采用相—地耦合方式的電力線高頻通道衰減特性常用如下公式表示：

式中L為有效通信距離，單位為km；

F為通信信號(hào)頻率（即所傳輸信號(hào)頻率），單位為kHz；

K為系數(shù)，對(duì)35kV以下線路一般取12.2×10-3；

N為通信電力線路的端數(shù)，一般取n=2；

E為高頻電纜衰減值，單位為dB/km；

P為兩端高頻電纜總長(zhǎng)度，單位km。

從式（1-1）可以看出，傳輸頻率越高衰減越大、距離越遠(yuǎn)衰減越嚴(yán)重。考慮到目前國(guó)內(nèi)城市低壓線路一般布線距離基本上小于1km，且不另外架設(shè)通信用高頻電纜，以上式（1-1）可以簡(jiǎn)寫(xiě)成：

除衰減和多徑效應(yīng)外，噪聲也是影響電力線通信的最重要因素，為了在電力線上傳送高頻信號(hào)，必須在電力載波設(shè)備和電力線路之間加裝耦合電路、濾波電路等，以減小因噪聲造成的干擾。由于低壓電力線本身傳輸著50Hz交流電，在通信過(guò)程中，載波信號(hào)比較容易受到工頻干擾，且為防止載波通信信號(hào)高頻段進(jìn)入廣播頻段，以及避免線路傳輸衰減因頻率過(guò)高而增加得過(guò)大，同時(shí)抑制工頻干擾，電力線載波通道的帶寬一般限制在40～500kHz內(nèi)。即通信時(shí)載波信號(hào)中心頻率為270kHz左右。

根據(jù)式 (1-2)，1km左右的電力線載波衰減約為2dB。

三、自適應(yīng)算法基礎(chǔ)

自適應(yīng)濾波是指數(shù)字濾波器在處理和分析過(guò)程中，根據(jù)處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征自動(dòng)搜尋最小誤差點(diǎn)，并自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)，使其與所處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征、結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)，以取得最佳的處理效果?？紤]到文中采用自適應(yīng)濾波器對(duì)以上噪聲v(n)進(jìn)行濾波，在濾波過(guò)程中并不需要確定噪聲的參數(shù)與模型，而只需對(duì)載波通信信號(hào)x(n)與輸出期望信號(hào)y(n)進(jìn)行逼近，故而只簡(jiǎn)單敘述電力線載波通信中存在的噪聲類型，而不對(duì)噪聲進(jìn)行建模與仿真。

在本文中，自適應(yīng)算法的核心內(nèi)容是確定并調(diào)整自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，而自適應(yīng)濾波器的參數(shù)取決于輸入和輸出信號(hào)。基于此，濾波器的輸入信號(hào)是確定的，就是經(jīng)調(diào)頻后加載到低壓電力載波線路的270kHz中心頻率的高頻信號(hào)。我們期待從自適應(yīng)濾波器輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)完全匹配，即輸入與輸出完全相同，此時(shí)，誤差信號(hào)的期望值可以達(dá)到最小，即ε(n)=E[e2(n)]=0。但由于誤差、干擾的存在，ε(n)=E[e2(n)]無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)值，所以，在算法中，經(jīng)查詢到ε(n)=E[e2(n)]=min時(shí)，我們即認(rèn)為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)完成匹配。

經(jīng)以上分析，自適應(yīng)算法在低壓電力載波通信上的應(yīng)用就演變?yōu)椋狠d波集中器（或載波采集器）發(fā)出的270kHz中心頻率的高頻信號(hào)，發(fā)送到接收端的信號(hào)是不確定的，但是，接收端所接收的信號(hào)應(yīng)該是發(fā)送端所發(fā)出的信號(hào)，否則，自適應(yīng)濾波器就要根據(jù)誤差信號(hào)的期望值來(lái)調(diào)整自身的參數(shù)。參數(shù)確定后，發(fā)送與接收兩端的信號(hào)就可以基本同步。

四、自適應(yīng)濾波硬件實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)濾波器是能夠根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)整性能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)字濾波器。在本文中，輸入信號(hào)是經(jīng)調(diào)制的270kHZ中心頻率的通信信號(hào)，考慮到通信通道的噪聲干擾、衰減等影響，實(shí)際輸入自適應(yīng)濾波器的信號(hào)可能會(huì)偏離270kHZ。參考信號(hào)d(n)是調(diào)制過(guò)的不經(jīng)自適應(yīng)濾波的原始信號(hào)，該信號(hào)不經(jīng)線路傳輸，而是由發(fā)送端產(chǎn)生且與接收端同步（雙方可約定后進(jìn)行通信）或發(fā)送接收雙方經(jīng)通信驗(yàn)證測(cè)試后再通信。自適應(yīng)濾波器對(duì)以上兩路信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后，根據(jù)誤差信號(hào)均方根最小原則確定自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，若誤差信號(hào)均方根未達(dá)到最小，則繼續(xù)調(diào)整參數(shù)。自適應(yīng)濾波器的原理框圖如下圖2所示：

圖2 自適應(yīng)濾波器原理框圖

考慮到我們通信時(shí)的載波信號(hào)為單輸入，輸出信號(hào)可表示為：

若用W(n)表示權(quán)矢量，即

W(n)=[w0(n)w1(n)… wL(n)]T，則式（3-2）可表示為：

d(n)為參考信號(hào)，該信號(hào)由疊加到到低壓載波線路的信號(hào)決定，并與加載到低壓載波線路的信號(hào)相同；

e(n)為誤差信號(hào)，定義為：

自適應(yīng)處理器的參數(shù)根據(jù)誤差信號(hào)e(n)均方值（或平均功率）最小的準(zhǔn)則來(lái)調(diào)整，最終使e(n)的均方值最小，即

五、基于LMS自適應(yīng)算法軟件實(shí)現(xiàn)

六、總 結(jié)

通過(guò)以上分析可知，通信信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)濾波器后，經(jīng)自適應(yīng)算法查詢到ε(n)=E[e2(n)]=min時(shí)，輸出信號(hào)與參考信號(hào)可以達(dá)到完美匹配。經(jīng)測(cè)試，低壓電力載波抄表成功率可以達(dá)到95%以上，即自適應(yīng)算法對(duì)低壓電力載波通信可靠性的提高是有效的。

［1］張建超，李斯偉，鄧毅華.數(shù)字通信［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［2］低壓電力線載波自動(dòng)化抄表系統(tǒng)［Z］.青島東軟電腦技術(shù)有限公司，2010.

［3］電力載波通信與數(shù)據(jù)處理芯片應(yīng)用手冊(cè)［Z］.青島東軟電腦技術(shù)有限公司，2010.