基于電力線OFDM載波的廠站自動化通信關(guān)鍵技術(shù)研究

張亞娟 丁琳 周順和

摘要：廠站端的自動化信息有效采集和可靠通信是實現(xiàn)新能源靈活調(diào)度的首要條件，傳統(tǒng)的廠站通信網(wǎng)絡(luò)往往具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文采用壓縮感知矩陣完成OFDM信道估計，并通過自適應(yīng)遺傳算法對多模式OFDM頻道進行優(yōu)化分配，以實現(xiàn)信息采集數(shù)據(jù)的高可靠傳輸。根據(jù)所提分配方法，本文構(gòu)建了廠站自動化通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃和廠站一體化系統(tǒng)設(shè)計，以解決廠站端自動化可靠通信問題。

關(guān)鍵詞：廠站自動化；電力線通信；OFDM；多載波；遺傳算法

一、引言

隨著電網(wǎng)逐步向電力物聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，為了實現(xiàn)新能源靈活調(diào)度，廠站端的自動化信息有效采集和可靠通信是首要條件。隨著自動化通信技術(shù)的發(fā)展，電力公司能夠大幅度減少運營費用，同時也能夠極大地改善電力系統(tǒng)的效率。國網(wǎng)及南網(wǎng)具有廣闊的分布范圍、復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和眾多設(shè)備，因此，信息采集和傳輸管理方面的最大挑戰(zhàn)在于是否能夠采用靈活多變、便捷可靠、成本相對低廉的通信方式。為了實現(xiàn)信息化和智能化的建設(shè)，新型電力系統(tǒng)廠站急需解決通信問題。

電力線載波通信（PLC）技術(shù)利用現(xiàn)有的電力線路作為通信媒質(zhì)，在智能電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用前景^[1]，可以節(jié)省線路建設(shè)成本，具有天然的設(shè)備全連接和物理感知能力，并且使用專用電力線路具有較好的安全性。PLC作為“最后一公里”信息傳輸和泛在電力物聯(lián)接入的重要組成部分^[2-3]，具有極大的潛力，能夠有效地解決當(dāng)前分布式光伏、小水電信息采集的挑戰(zhàn)，并且滿足電網(wǎng)調(diào)度對小型發(fā)電廠信息采集和傳輸?shù)男枨?。傳統(tǒng)的單載波或窄帶PLC通信及其組網(wǎng)方式無法滿足廠站信息可靠傳輸?shù)囊?，因此，需要采用異?gòu)靈活的多載波通信實現(xiàn)速率和可靠性的有效平衡，以提升自動化信息傳輸系統(tǒng)的綜合性能^[4]。

二、基于OFDM的多載波信道通信技術(shù)

電力線載波信道存在頻率選擇性衰落，不同頻率成分的信號衰減程度不同。此外，電力線載波通信模塊之間還存在相互干擾，這也會影響通信的可靠性。由于選擇性衰減谷頻率周邊存在信號衰耗嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此，應(yīng)當(dāng)少分配或者不分配子載波通信頻點。頻率衰減特性是可變的，并且需要在載波通信設(shè)備上使用子信道自適應(yīng)選擇算法來嵌入，以便能夠自動調(diào)整子載波頻點，從而在有限的通信帶寬上最大限度地確保通信速率和質(zhì)量。

（一）多頻帶自適應(yīng)分配頻點

為了解決單頻帶模式下不同站點之間的時延不匹配和動態(tài)漂移問題，可以采用多頻帶同時或輪換發(fā)送模式來解決干擾問題。在自適應(yīng)選擇算法中，電力線載波通信裝置將載波信道劃分為帶寬相等的子頻段，每個子頻段都可以傳輸相同的信息，從而提高通道的抗干擾能力。這種方法可以有效地減少信道的噪聲，并實現(xiàn)多頻段的冗余傳輸。每條載波通道都擁有完全獨立的特征，因此可以根據(jù)需要進行靈活的調(diào)制，從而實現(xiàn)對子載波頻點、調(diào)制類型和信號初始發(fā)射功率的調(diào)整。

通過設(shè)備的反饋，主設(shè)備可以對信道進行掃描，從而篩選出最佳的信道，并實現(xiàn)自動選擇。在信道測試的開始時，需要將設(shè)備的位置、載波頻點信息和信號的初始發(fā)射功率等信息發(fā)送給載波通信設(shè)備，以便于設(shè)備能夠準(zhǔn)確地獲取信息。其中，如何選擇初始頻點信息至關(guān)重要。通過確定一個最佳的初始頻率作為參考，就可以迅速地構(gòu)建一條信息傳輸鏈，以便盡早地識別和確定握手子載波的位置，并實現(xiàn)對自動調(diào)節(jié)的頻率檢測。首先，主設(shè)備會向用戶發(fā)送檢測請求，并等待用戶的回復(fù)。如果用戶的回復(fù)沒有及時被檢測到，主設(shè)備會根據(jù)用戶的需求調(diào)整檢測請求的頻率，并重新向用戶發(fā)送檢測請求，以確保用戶的回復(fù)能夠及時準(zhǔn)確地被檢測到。當(dāng)主設(shè)備接受來自用戶的信號反饋時，它會根據(jù)當(dāng)前信號的強弱、傳輸次序和信道的數(shù)量，進行三次重復(fù)的檢查。最終，主設(shè)備會綜合分析所有的檢查結(jié)果，挑選出N條質(zhì)量較高的子載波信道，用于握手操作。通過使用握手信道，不同載波頻率的信號可以傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備，以確保所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠得到準(zhǔn)確地 處理和傳輸。

（二）OFDM多載波信號調(diào)制

三、基于OFDM的廠站通信高可靠傳輸技術(shù)

（一）基于壓縮感知的OFDM信道估計

良好的信道估計技術(shù)可以有效提升整個系統(tǒng)的通信性能，然而電力線載波通信需要同時克服脈沖噪聲和信道衰落的影響。針對信號在含多類噪聲和多經(jīng)時延干擾的信道中的傳輸質(zhì)量不足問題，首先對電力線信道進行建模，并采用壓縮感知算法估計通信信道的沖擊響應(yīng)，再將接收端接收的數(shù)據(jù)與沖擊響應(yīng)作解卷積運算，即可求出發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，提高信道估計技術(shù)的同時，也可以提高傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^[6]。

為了提高信號的傳輸效率，需要采取一些措施：可以使用壓縮感知算法來預(yù)測信道的沖擊反射，以便更好地處理噪聲、時延等因素的影響。同時，也可以使用卷積算法處理和接收來自發(fā)射端的數(shù)據(jù)。通過改進信道估計技術(shù)，能夠大幅度改善信息的傳播精度。

采用傳統(tǒng)的技術(shù)，如TEM、傳輸線理論等，能夠有效地構(gòu)建出具有良好性能的電力線信道。此外，利用多徑模型的特性，也能夠?qū)d波信號的頻譜特性進行有效的擬合，從而更好地反映出其特性。通過對比不同的電纜通訊方式的傳播特性可以發(fā)現(xiàn)，這些通信方式的差異性表現(xiàn)為：它們之間的時延、衰減等因素的相互影響，并形成了一個獨特的通信模型：

式中，k_i表示第i條路徑的權(quán)重因子；τ_i為第i條路徑對應(yīng)的多徑延時。

一條通信的信息通常通過多條不同的途徑，而這些途徑的時間和功耗都是相對的。通常情況下，通信速度越快，通信效率也就越高。通過使用壓縮感應(yīng)技術(shù)，能夠有效提取電力線信道的時域沖擊響應(yīng)，并降低數(shù)據(jù)的復(fù)雜度。同時，通過壓縮沖擊響應(yīng)的數(shù)據(jù)，還能夠更好地記錄和分析不同的數(shù)據(jù)，以便更好地理解和預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。通過使用重構(gòu)算法以及收集和處理壓縮的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以有效地重建電力網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，從而減少沖擊反饋。采用帶有壓縮功能的 ?，可以將原本需要傳輸?shù)膶?dǎo)頻信號轉(zhuǎn)換為精確度更高的數(shù)據(jù)，從而使得接收端能夠更準(zhǔn)確地獲取所需的數(shù)據(jù)，具體如下：

通過采用基于壓縮感知的電力線信道估計方法，可以將測量得到的部分哈達瑪矩陣?轉(zhuǎn)換成可被接收的信道沖擊響應(yīng)特征參數(shù)，這些參數(shù)包括y=[y₁， y₂， …， y_N]，用來對電力線信道傳輸特征進行壓縮存儲。同時，通過采用壓縮感知重構(gòu)算法，可以有效地恢復(fù)電力線信道的沖擊響應(yīng)，從而更好地理解和處理電力線傳輸?shù)奶卣鲄?shù)。

（二）基于改進遺傳算法的OFDM載波分配

OFDM技術(shù)可以有效地抑制頻率偏移，并減少傳輸中的時間損耗，因此它在寬帶電力線通信中被廣泛應(yīng)用。此外，OFDM還可以根據(jù)各種子傳輸路段的衰減情況來調(diào)整傳輸速率，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率。下面是基于改進遺傳算法的OFDM系統(tǒng)的基本原理：首先，通過信道評估獲得各個子載波的信道狀態(tài)信息，然后利用遺傳算法來進行最佳子載波分配。OFDM技術(shù)利用改良的適應(yīng)度函數(shù)與遺傳算法，可以有效地實現(xiàn)子載波的分配，通過連續(xù)迭代，最終確定最佳的子載波分配模型^[7]。

改進自適應(yīng)遺傳算法步驟如下：

1.將算法終止條件設(shè)定為最大迭代次數(shù)，初始群體規(guī)模設(shè)定，并由隨機生成的個體組成。根據(jù)電力線信道模型，首先進行信道估計，以獲取每個子載波的信道狀態(tài)信息，接著生成一個以離散均勻分布為基礎(chǔ)的隨機數(shù)組X1和一隨機DNA序列X2（其長度為n），隨后開始執(zhí)行尋優(yōu)迭代過程。

2.從已知的染色體序列中抽取一對，然后按照預(yù)先確定的交叉概率，從這對染色體序列中抽取一個交叉點，最后利用電力線載波通信，完成交叉配對。

3.在兩個不同的種群中，通過隨機選擇一列染色體進行復(fù)制，以確定每個種群的適應(yīng)性函數(shù)值。

4.通過注水算法的功率分配，可以確定的適應(yīng)度函數(shù)，再借助初始模型來確定子載波初始狀態(tài)分配的功率。在總功率保持不變的情況下，根據(jù)注水算法自適應(yīng)地為子載波分配功率，具體分配方式可以使用公式（8）來計算。通過（9）可以獲得適應(yīng)度函數(shù)，然后計算每次迭代中最優(yōu)個體的評價函數(shù)值。

5.當(dāng)兩個原有的基因被重組時，通過染色體變異，形成一個新的用戶，它將會被分配到一個更小的子載波中。

6.在達到最大迭代次數(shù)之后終止操作，記錄整個改進自適應(yīng)遺傳算法過程中最佳個體和收斂曲線，據(jù)此分析得出子載波功率分配情況和是否收斂。根據(jù)上述信息確定電力線載波通信的信道容量C，具體公式如下：

上式?f為頻率間隔；P_s（f_n）為子信道的分配功率；N（f_n）為噪聲功率；hf_n為頻率響應(yīng)。

四、基于電力線OFDM載波的廠站自動化通信系統(tǒng)設(shè)計

（一）廠站端自動化信息可靠采集通信拓?fù)湟?guī)劃

基于OFDM載波的廠站通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下所示：

第一層：廠站監(jiān)控平臺。該層負(fù)責(zé)廠站運行數(shù)據(jù)的儲存，并掌握廠站整體運行情況，同時根據(jù)當(dāng)前的運行情況進行必要的控制和調(diào)整^[8]。

第二層：集中器。這一層通過載波通信模塊、廠站監(jiān)控平臺和組件的采集控制設(shè)備實現(xiàn)通信。集中器負(fù)責(zé)將來自監(jiān)控平臺的指令傳遞到廠站組件的采集控制器，并將采集控制器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回監(jiān)控平臺。

第三層：廠站組件采集設(shè)備。位于現(xiàn)場的采集控制設(shè)備使用了基于OFDM的可靠分配傳輸技術(shù)。載波通信模塊可以從集中器獲取指令，也可以將獲取的信息實時傳輸至集中器，以實現(xiàn)有效的信息交換。這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了OFDM技術(shù)，以實現(xiàn)廠站通信網(wǎng)絡(luò)的各層之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳遞。具體如圖1所示。

（二）廠站一體化測量系統(tǒng)設(shè)計

基于在線電力線載波通信模組的廠站一體化信道測量系統(tǒng)旨在實時測量、高速采集電力線載波頻帶內(nèi)的信道特性，并通過PLC通信傳輸和實時數(shù)據(jù)獲取方法進行通道監(jiān)測^[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該信道特征測量系統(tǒng)由信道測量裝置和上位機監(jiān)控終端構(gòu)成，其中，在線運行的PLC通信模組是核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行信道特征測量操作和命令響應(yīng)流程。系統(tǒng)采用OFDM多載波信道通信技術(shù)，以實現(xiàn)可靠的載波分配和傳輸。上位機監(jiān)控終端負(fù)責(zé)參數(shù)配置、流程控制、數(shù)據(jù)收集、信號和數(shù)據(jù)包分析等功能。通過與PLC通信模組協(xié)同工作，實現(xiàn)對整個信道特征測量系統(tǒng)的管理和監(jiān)測。該系統(tǒng)的設(shè)計目的是充分發(fā)揮電力線載波通信模組的優(yōu)勢，實現(xiàn)電力線通信信道特性的實時測量和分析。

五、結(jié)束語

本文主要研究基于電力線OFDM多載波調(diào)制的廠站端自動化高可靠通信技術(shù)。首先，使用多個子載波傳輸相同信息來提高載波通信的可靠性，完成多頻帶自適應(yīng)點分配。其次，利用自適應(yīng)遺傳算法尋求每一代個體中適應(yīng)度最好的子載波，并篩選出每組內(nèi)對鄰區(qū)干擾嚴(yán)重的子載波，為其分配不同的功率，以保證傳輸速率并降低對其他區(qū)域通信的干擾。最后，基于OFDM寬帶自動化通信技術(shù)，構(gòu)建廠站自動化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃和廠站一體化信道測量系統(tǒng)，解決廠站在復(fù)雜環(huán)境下的信息通信問題。

作者單位：張亞娟 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河北省分公司

丁琳 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司保定分公司

周順和 華北電力大學(xué) 電子與通信工程系

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張亞娟（1979.02-），女，漢族，河北石家莊，本科，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；

丁琳，女，漢族，河北保定，研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信；

周順和，男，漢族，湖北荊門，碩士研究生，學(xué)生，研究方向：OFDM載波通信。