高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究

馮 敬，李培龍，邢煥智

（聊城華昌實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，山東 聊城 252000）

0 引 言

隨著電力通信技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)在能源領(lǐng)域的地位日益重要。然而，由于高壓輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，且存在電磁干擾，嚴(yán)重影響著輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，文章主要研究高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)概述

1.1 高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)由前端采集裝置、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)主站3部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端采集裝置負(fù)責(zé)在高壓輸電線路上采集數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；通信網(wǎng)絡(luò)則承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，即將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)主站；后臺(tái)主站作為系統(tǒng)的核心控制中心，接收并處理從前端采集裝置傳輸過來的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)解碼和解密等，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的監(jiān)測、診斷和控制[1]。

圖1 高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 抗干擾技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中的重要性和應(yīng)用價(jià)值

由于高壓輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，易受各種干擾源的影響，如雷電、電磁干擾和電壓突變等，這些干擾會(huì)對電力通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成影響。因此，采用有效的抗干擾技術(shù)對電力通信系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和優(yōu)化具有重要意義?？垢蓴_技術(shù)通過抑制外界干擾信號(hào)的干擾效應(yīng)，減少通信信號(hào)的失真和丟失，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，采用有效的抗干擾技術(shù)，可以有效降低外部干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，確保系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下正常運(yùn)行。例如，采用抗干擾技術(shù)可以有效防范并應(yīng)對外部惡意攻擊和網(wǎng)絡(luò)安全威脅，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2 干擾源與干擾機(jī)理分析

2.1 高壓輸電線路的干擾源及其特點(diǎn)分析

在高壓輸電線路周圍存在多種干擾源，這些干擾源的特點(diǎn)各不相同，但都會(huì)對電力通信系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響，具體如圖2 所示。大氣電場是常見的干擾源之一，具有較高的頻率和信號(hào)強(qiáng)度，且受天氣條件和地理環(huán)境的影響較大。在雷雨天氣或雷暴季節(jié)，由于雷電活動(dòng)頻繁，會(huì)產(chǎn)生大氣電場，從而對電力通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。雷電是高壓輸電線路中另一個(gè)重要的干擾源，具有極高的電壓和電流，瞬時(shí)放電產(chǎn)生的電磁波干擾會(huì)輻射到周圍空間，對通信設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，導(dǎo)致通信信號(hào)失真或中斷。此外，高壓輸電線路本身的電磁輻射也是常見的一種干擾源，主要特點(diǎn)為頻率較高、信號(hào)強(qiáng)度較大，且容易受到輸電線路結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)的影響[2]。當(dāng)高壓輸電線路跨越或臨近通信設(shè)備時(shí)，電磁輻射會(huì)對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響通信信號(hào)的傳輸和接收效果。

圖2 常見的高壓輸電線路干擾源及其特點(diǎn)

2.2 干擾機(jī)理與影響因素分析

在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，干擾機(jī)理主要涉及電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)2 個(gè)方面。電磁感應(yīng)是當(dāng)高壓輸電線路中有電流通過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場，該磁場會(huì)作用于周圍的導(dǎo)體（包括電力通信系統(tǒng)中的導(dǎo)線和各種設(shè)備），進(jìn)而在這些導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流和干擾信號(hào)。傳導(dǎo)指高壓輸電線路通過電流傳導(dǎo)的方式直接向周圍的導(dǎo)體傳播電磁波，導(dǎo)致通信設(shè)備中的線路、電路板等受到干擾，從而產(chǎn)生故障或誤動(dòng)作。

影響高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)的因素主要包括輸電線路的電流和頻率、線路的載流子密度以及線路的電壓和電流波形等。其中，電流大小和頻率決定著磁場的強(qiáng)度和頻譜分布，會(huì)影響感應(yīng)電流的大小和頻率，進(jìn)而影響干擾信號(hào)的特性；線路的載流子密度和電壓電流波形則影響著電磁波在傳導(dǎo)過程中的傳播特性，會(huì)直接影響干擾信號(hào)的強(qiáng)度和傳播范圍。

3 抗干擾技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)在抗干擾中的應(yīng)用

在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，合適的信號(hào)調(diào)制方案可以有效提高信號(hào)的抗干擾能力，確保通信系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。常用的調(diào)制技術(shù)包括頻率調(diào)制（Frequency Modulation，F(xiàn)M）、幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）和相位調(diào)制（Phase Modulation，PM）等。在信號(hào)調(diào)制過程中，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制參數(shù)可以增加信號(hào)的帶寬和頻率偏移，使信號(hào)在傳輸過程中更加穩(wěn)定，避免受到外界干擾的影響。對于頻率調(diào)制技術(shù)而言，調(diào)制指數(shù)的選擇對信號(hào)的抗干擾性能具有重要影響。調(diào)制指數(shù)越大，信號(hào)的頻率偏移越大，信號(hào)更容易被區(qū)分和識(shí)別，能夠提高信號(hào)的抗干擾能力[3]。調(diào)制后的信號(hào)可以表示為

式中：y(t)表示調(diào)制后的信號(hào)；A表示信號(hào)幅度；fc表示載波頻率；φ表示相位偏移。

在信號(hào)解調(diào)過程中，采用適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)算法可以有效抑制干擾信號(hào)，并提取出有效的信息。常見的解調(diào)算法有鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）解調(diào)、數(shù)字濾波解調(diào)等。例如，鎖相環(huán)解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的自動(dòng)跟蹤和鎖定，從而提高信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力；數(shù)字濾波解調(diào)技術(shù)可以對信號(hào)進(jìn)行濾波處理，抑制干擾成分，提高信號(hào)的清晰度和準(zhǔn)確性。

3.2 前端濾波與信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)研究

在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，前端濾波技術(shù)通過選擇合適的濾波器，對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以去除頻譜中的干擾成分，使系統(tǒng)接收的信號(hào)更加干凈、清晰。信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)則是在信號(hào)處理的過程中采用一系列信號(hào)處理算法，對信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，以提高信號(hào)的強(qiáng)度、清晰度和可辨識(shí)性。

在前端濾波方面，常用的濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。這些濾波器可以根據(jù)輸入信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行選擇，去除不需要的頻率成分，并保留有效信號(hào)，從而有效抑制干擾信號(hào)對系統(tǒng)的影響。該過程用公式表示為

式中：Y(f) 表示經(jīng)過濾波后的信號(hào)頻譜；X(f) 表示原始信號(hào)頻譜；H(f) 表示濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。

在信號(hào)增強(qiáng)方面，常用的方法包括數(shù)字濾波、信號(hào)放大、信號(hào)重構(gòu)等。數(shù)字濾波技術(shù)可以對信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，如采用數(shù)字濾波器對信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度和清晰度。信號(hào)放大技術(shù)則通過放大器對信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信號(hào)的幅度，從而提升信號(hào)的辨識(shí)度。信號(hào)重構(gòu)技術(shù)則是通過重建信號(hào)的波形，補(bǔ)償信號(hào)中的損失，使信號(hào)更加完整、準(zhǔn)確。

3.3 碼型設(shè)計(jì)與糾錯(cuò)編碼技術(shù)探索

碼型設(shè)計(jì)是在通信系統(tǒng)中選擇合適的碼型，以增強(qiáng)信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾能力。常見的碼型設(shè)計(jì)包括差分編碼、曼徹斯特編碼、迪布斯編碼等。在碼型設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮通信環(huán)境的特點(diǎn)，如高壓輸電線路存在的頻率干擾、脈沖干擾等。合理的碼型設(shè)計(jì)可以減小干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。

糾錯(cuò)編碼技術(shù)是通過在通信系統(tǒng)中添加冗余信息，使接收端可以在檢測到部分錯(cuò)誤的情況下進(jìn)行自動(dòng)糾正[4]。常見的糾錯(cuò)編碼技術(shù)包括海明碼、卷積碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼等。這些編碼技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以通過檢測和糾正錯(cuò)誤位來提高通信的可靠性，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，碼型設(shè)計(jì)與糾錯(cuò)編碼技術(shù)通常結(jié)合使用。通過合理選擇碼型設(shè)計(jì)，并結(jié)合糾錯(cuò)編碼技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對干擾信號(hào)的識(shí)別和修復(fù)。例如，在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，可以采用迪布斯編碼和海明碼，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在發(fā)送端，利用迪布斯編碼對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；在接收端，利用海明碼對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和糾錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾和糾錯(cuò)功能。

3.4 智能算法在抗干擾中的應(yīng)用研究

在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，智能算法可以分析和處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，應(yīng)用流程如圖3 所示。例如，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對高壓輸電線路上的電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，以快速識(shí)別異常信號(hào)和干擾源。智能算法通過對干擾信號(hào)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，能夠準(zhǔn)確識(shí)別干擾信號(hào)，并對其分類。例如，采用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）等分類算法，可以有效區(qū)分干擾信號(hào)與正常信號(hào)，從而準(zhǔn)確識(shí)別出干擾源的類型和位置[5]。通過對信號(hào)特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，智能算法可以實(shí)時(shí)調(diào)整通信系統(tǒng)的參數(shù)和工作模式，以最大限度地降低干擾信號(hào)的影響，保障通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖3 智能算法在抗干擾中的應(yīng)用流程

在高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)中，電力設(shè)備開關(guān)操作產(chǎn)生的電磁干擾是一種常見的干擾。這種干擾會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)中的信號(hào)失真，提高誤碼率，從而影響通信質(zhì)量。將智能算法應(yīng)用于高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)，以抑制信號(hào)干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，未應(yīng)用智能算法時(shí)系統(tǒng)的誤碼率在5%～11%，而應(yīng)用智能算法后，系統(tǒng)的誤碼率隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)明顯下降，從5%降至1%，表明智能算法能夠有效抑制電磁干擾對通信系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié) 論

通過研究高壓輸電線路電力通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)可知，不同的抗干擾技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中具有不同的優(yōu)勢和適用場景，均能提高電力系統(tǒng)的抗干擾能力。未來，將進(jìn)一步研究和優(yōu)化這些抗干擾技術(shù)，以滿足電力通信系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行需求，為電力行業(yè)的發(fā)展提供更加可靠的技術(shù)支持。