營配融合通信網(wǎng)信道噪聲小波包分析研究

李 波 林 聰 曹 敏 劉清蟬 孫恩釗 李 川 謝 濤

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，昆明 650217；3.昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650051)

營配融合通信網(wǎng)信道噪聲小波包分析研究

李 波1,2林 聰1,2曹 敏1,2劉清蟬1,2孫恩釗3李 川3謝 濤3

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，昆明 650217；3.昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650051)

應用寬帶電力線載波通信(H-PLC)搭建營配融合通信網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)信道噪聲對通信質(zhì)量的影響很大。首先分析營配融合通信網(wǎng)主干通信信道，選擇3個典型通信環(huán)境進行信號采集，根據(jù)信噪比選擇最優(yōu)小波基對信號進行去噪處理。結(jié)果表明：信道噪聲受高壓線影響較大，通過選擇最優(yōu)小波基進行小波包去噪能有效去除信道噪聲。

噪聲分析 載波信道 營配融合通信網(wǎng) 寬帶電力線載波通信 小波包

電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問題，電力線上電壓高、電流大、噪聲大、負載種類多[1～6]，要在電力線上傳輸信號，就對技術(shù)設(shè)備的抗干擾性和穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。Zimmermann M和Dostert K將電力線的噪聲進行了分類和建模，包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、與電網(wǎng)工頻異步的周期性脈沖噪聲、與電網(wǎng)工頻同步的周期性脈沖噪聲和異步脈沖噪聲[7]。蔡世龍等對中壓電力線的傳輸特性進行了測量，發(fā)現(xiàn)變電站處阻抗的電阻分量較小，電抗分量較大，且在100～450kHz頻段內(nèi)容易呈現(xiàn)容性[8]。李艷龍等對配電網(wǎng)載波通信進行估算(不通順)，估算出10kV配電變壓器、分支線、變電站、架空線及電纜串聯(lián)等的影響，主要還是沿用高壓載波的分析思路，誤差較大[9，10]。孫秀娟等針對電力線上的信號衰減和干擾特性，提出了幾種改善通信質(zhì)量的抗干擾措施[11]。史賢俊等提出了一種基于Shannon熵準則的最優(yōu)小波包基信號去噪算法，對某型導彈慣導系統(tǒng)陀螺儀信號進行去噪[12]。

筆者選擇了3個典型的通信環(huán)境進行信號采集，根據(jù)信噪比的大小選擇出最優(yōu)小波基。通過最優(yōu)小波基處理采集信號，分析對營配融合通信網(wǎng)信道噪聲影響較大的因素。

1 小波包降噪算法①

1.1 小波包基本原理

對平方可積實數(shù)空間L2(R)進行多分辨率分析，得到小波包逼近空間的表達式為：

L2(R)=…⊕W-1⊕W0⊕W1⊕…=⊕Wj,?j∈Z

(1)

式中j——尺度因子；

Wj——小波函數(shù)空間；

⊕——兩個子空間的正交和。

由式(1)可知，根據(jù)不同尺度因子j，將Hibert空間L2(R)分解為小波空間Wj(j∈Z)的正交和，小波包分析就是按照二進制對Wj進行頻帶細分，以達到提高頻率分辨率的目的。三層小波包分解如圖1所示。

圖1 三層小波包分解

圖1中的節(jié)點(0，0)為待分解原始信號，節(jié)點(i，j)(i=0，1，…，7)為第i層分解的第j組系數(shù)。

小波包分析的實質(zhì)就是對上一層的低頻與高頻部分同時進行分解，因而它具有更精確的局部分析能力。

1.2小波包降噪算法

小波包降噪就是根據(jù)噪聲與信號在不同頻帶上的不同特性，將各尺度上的小波分量，尤其是那些噪聲分量占主導地位的尺度上的噪聲小波分量去掉，而保留下來的小波包系數(shù)就可以認為是原始小波包系數(shù)。小波包降噪的關(guān)鍵是濾去由噪聲產(chǎn)生的小波包分解系數(shù)。采用系統(tǒng)默認閾值對小波包分解的系數(shù)進行處理，就是將大于閾值的小波包系數(shù)保留下來重構(gòu)信號，而將小于或等于默認閾值的小波包系數(shù)進行置零處理。

將在不同地點采集的信號分別用db2、haar、sym6小波包基進行三層分解，去噪后再對信號做頻譜分析，通過比較信噪比的大小即可得到最優(yōu)小波基[13～17]。整個過程的算法流程如圖2所示。

圖2 小波包降噪算法流程

2 信號采集

此次所研究的數(shù)據(jù)采集于35kV白邑變電站。選擇從35kV白邑變電站輸出的10kV白邑線，該線路全長15.487km，途徑平地、丘陵及山地等多種環(huán)境，具有較強的代表性。通過對10kV白邑線電網(wǎng)環(huán)境的考察分析，依據(jù)實際需要設(shè)計H-PLC營配融合通信網(wǎng)信道技術(shù)方案(營配融合通信網(wǎng)信道示意圖詳見文獻[18])，對低壓集抄、配電終端、專變用戶及銜接線路等電力設(shè)施做詳細統(tǒng)計，測量電力線中的雜訊情況，證實該線路符合H-PLC通信要求。

在本次信號采集期間，針對不同的環(huán)境，挑選了3個采集點，具體如下：

a. 1號采集點。該處距離終端基站680m，周邊基本沒有其他設(shè)施的干擾，采用單耦合方式，信號比較強。

b. 2號采集點。距離1號采集點1.6km，由于該點附近有500kV的高壓輸電線路通過，采用的是負控終端和集差雙耦合技術(shù)來弱化干擾。因此，針對此環(huán)境，采集該處的信號，具有相對的代表性。

c. 3號采集點。距離2號采集點1.4km，附近有800kV的高壓輸電線路通過，采用的也是負控終端和集差雙耦合技術(shù)來弱化干擾。

采用TPS-2024數(shù)字信號示波器在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，在不同環(huán)境下均采取兩組數(shù)據(jù)，按照相關(guān)規(guī)范，技術(shù)人員將示波器連接在PLC系統(tǒng)回路上，采集到混合信號，將該混合信號的時域波形圖和數(shù)據(jù)分別存儲起來?，F(xiàn)場分別采集多組數(shù)據(jù)，以便用于統(tǒng)計分析，可以進行比較。

3 信號處理結(jié)果與分析

對采集到的信號進行小波包分解后，得到的信號時域波形和噪聲波形如圖3所示。

圖3 各個信號的時域波形

對3個采集點采集到的信號進行小波包分解，去噪并進行頻譜分析后得到不同小波基下信號的信噪比(表1)。可見，在同一地點，使用sym6作為小波基來處理信號，能得到最大的信噪比。因而，在處理中壓信道信號中，用sym6小波基對信號使用小波包變換，能有效地去除噪聲。

表1 3種小波基下信號的信噪比 dB

對每個采集點進行兩次采集，采用最優(yōu)小波基sym6進行分解，去噪并進行頻譜分析后得到兩次采集信號的信噪比如下：

1號采集點 25.57dB、21.39dB

2號采集點 5.19dB、8.10dB

3號采集點 1.06dB、1.49dB

可以看出，1號采集點周圍由于沒有高壓線的干擾，信噪比較高；2號采集點周圍有500kV高壓線，信噪比明顯比1號采集點的低，說明高壓線對信道中的噪聲有較大影響；3號采集點周圍有800kV高壓線，信噪比最低，說明高壓線中的電壓越高，對信道中的噪聲影響越大。

4 結(jié)束語

為了分析周圍環(huán)境中高壓線對營配融合通信網(wǎng)信道的影響，將采用3種不同的小波基分解采集到的信號進行小波去噪，通過比較信噪比即可得到最優(yōu)小波基。然后利用最優(yōu)小波基對不同采集點的信號進行小波包分解和重構(gòu)，得到信號的信噪比。使用最優(yōu)小波基處理不同地點采集到的信號，通過對比其信噪比，并結(jié)合采集點周圍的環(huán)境，可知高壓線對營配融合通信網(wǎng)信道有較高的影響，當電壓越高時信道中的噪聲越大，信噪比就越低。

[1] 張有兵,程時杰,何海波,等.低壓電力線高頻載波通信信道的建模研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26(23):62～66.

[2] 蔡紅娟，賀良華.基于低壓電力線通信的信號耦合電路設(shè)計[J].電力科學與工程，2007，23(1):49～51.

[3] 孔英會，鮑慧.電力線載波通信的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力科學與工程，1996，12(4)：15～17.

[4] 閆磊，常海嬌，許鴻飛，等.中壓電力線載波通信現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].電力信息與通信技術(shù)，2014，12(1)：12～16.

[5] 何海波，周擁華，吳昕，等.低壓電力線載波通信研究與應用現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2001，29(7)：12～16.

[6] 戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術(shù)研究進展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，(5)：161～172.

[7] Zimmermann M,Dostert K.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broadband Powerline Communications[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2002,44(1):249～258.

[8] 蔡世龍,汪曉巖,劉胤龍,等.中壓配電線傳輸特性的測量與研究[J].電力系統(tǒng)通信,2004,25(4):11～15.

[9] 李艷龍,陳維千.在城市10kV配網(wǎng)上實現(xiàn)載波通信[J].電力系統(tǒng)通信,2001,22(3):5～8.

[10] 焦邵華,劉萬順,鄭衛(wèi)文,等.配電網(wǎng)線路故障時的載波通信衰耗分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24(9):35～37.

[11] 孫秀娟,羅運虎,劉志海,等.低壓電力線載波通信的信道特性分析與抗干擾措施[J].電力自動化設(shè)備，2007，27(2):43～46.

[12] 史賢俊,林颯,李瑞亮.基于最優(yōu)小波包基的信號去噪算法及其應用[J].海軍航空工程學院學報,2006,21(5):506～509.

[13] Zhang S Q,Sarah K S,Zhang L G, et al.Wavelet Packet-Based Identification of Complex Oscillation in Biological Signals[J].儀器儀表學報,2008,29(2):225～232.

[14] 李家壘,許化龍,何婧.光纖陀螺信號的小波包去噪及改進[J].光學學報,2010,30(8):2224～2228.

[15] Gan C,Wu J H,Yang S Y.Fault Diagnosis of Power Converters for Switched Reluctance Motors Based on Wavelet Packet Energy Analysis[J].Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering,2014,34(9):1415～1422.

[16] 任學平,馬文生,宋小龍,等.基于小波包變換的減速機降噪方法研究[J].聲學技術(shù),2008,27(3):381～385.

[17] Wu Z W,Jiang X P,Ma H M,et al.Wavelet Packet-fuzzy Control of Hybrid Energy Storage Systems for PV Power Smoothing[J].Proceedings of the CSEE,2014,39(3):317～324.

[18] 林聰,李波,曹敏,等.H-PLC信道中雙譜自適應功率調(diào)節(jié)算法研究[J].化工自動化及儀表,2016,43(10):1074～1078.

ChannelNoiseWaveletPacketAnalysisinMarketingandAssignableCommunicationNetwork

LI Bo1,2, LIN Cong1,2, CAO Min1,2, LIU Qing-chan1,2, SUN En-zhao3, LI Chuan3, XIE Tao3

(1.ElectricPowerResearchInstitute,YunnanPowerGridCo.,Ltd.,Kunming650217,China; 2.CSGKeyLaboratoryforElectricPowerMeasurement,Kunming650217,China; 3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

H-PLC (broadband power line carrier communications) was applied to establish marketing and assignable communication network, the result shows that channel noise can influence communication quality much. Analyzing the converged communication network’s main communication channel, selecting three typical communication environments for signal acquisition and choosing the optimal wavelet bases to denoise the signals were implemented to show that, the high-voltage lines can influence the channel noise much and selecting the optimal wavelet basis for wavelet packet denoising can effectively remove channel noise.

noise analysis, carrier channel, marketing and assignable communication network, H-PLC, wavelet packet

TH865

B

1000-3932(2016)12-1296-04

2016-09-20(修改稿)

國家自然科學基金項目(51567013)