變電站內2.4 GHz無線信道路徑損耗建模

李強 ，張洪欣 ，羅佳祺 ，陸陽 ，李建岐 ，呂英華

（1.北京郵電大學電子工程學院，北京 100876；2.全球能源互聯網研究院，北京 102209）

變電站內2.4 GHz無線信道路徑損耗建模

李強1，張洪欣1，羅佳祺1，陸陽2，李建岐2，呂英華1

（1.北京郵電大學電子工程學院，北京 100876；2.全球能源互聯網研究院，北京 102209）

為了評估變電站內電磁干擾對電力通信系統的干擾，采用頻域測量方法對某市110 kV變電站、220 kV變電站的2.4 GHz電磁波路徑損耗進行了測量和分析。針對測量數據，分別利用最小均方差和累積法對路徑損耗模型中路徑損耗指數和標準差相關參數進行估計，并建立了路徑損耗模型，仿真結果表明，模型估計結果與測量值相差不大。另外，搭建了ZigBee仿真系統，在信噪比為5 dB和10 dB的情況下，仿真出誤碼率隨距離的變化關系，為通信設備布置在變電站環境中提供了研究依據。

短距離無線通信；ZigBee；變電站；路徑損耗模型；最小均方差；累積法；信噪比；誤碼率

1 引言

隨著我國社會經濟的發展，用電量不斷增長，電網規模不斷擴大，用戶對電力供應質量的要求越來越高，電力發展面臨著巨大的挑戰[1]。我國電力行業緊隨歐美發達國家和地區電網智能化的發展趨勢，著力技術創新，在智能電網發展模式、基礎理論、技術體系以及智能設備等方面開展了大量的研究和探索工作。

智能電網的實現，首先要解決的是電網中各個環節重要運行參數的在線監測和實時信息提取問題，無線傳感器網絡作為智能信息感知的末端，已成為推動智能電網發展的重要技術手段[2]。

然而變電站內電磁環境復雜，高壓變電站在運行時會產生電磁干擾[3,4]，無線傳感單元放置在變電站中將受到不同程度電磁干擾的影響，這種影響會使通信出現誤碼或者分組丟失現象[5]，嚴重時會造成通信的中斷。2.4 GHz作為無線傳感網絡廣泛使用的頻段，目前在電力系統復雜電磁環境的應用中尚缺乏有效的評估模型和分析手段。在對變電站內電磁波路徑損耗進行測量和分析的基礎上，提出并建立了針對2.4 GHz的無線通信路徑損耗模型。

2 無線信道測量方案

無線信道的測量方式主要可以分為直接脈沖測量、擴頻滑動相關器測量和頻域測量[6]。本文的研究采用了頻域測量法。

2.1 直接脈沖測量

直接脈沖測量是一種簡易的時域信道測量方法，該方法能夠快捷地測量出信道的功率延遲分布。原理是用一個寬帶脈沖型雙靜態雷達，重復發射相同寬度的脈沖，接收端用一個帶通濾波器接收信號，利用包絡檢波器檢測信號后進行放大，并顯示和存儲在數字高速示波器上。其缺點是對發射源和接收端同步的要求較高。

2.2 擴頻滑動相關器測量

擴頻信道檢測系統的優點是盡管所探測的信號為寬帶信號，接收機可以用一個寬帶混頻器加一個窄帶接收機來檢測發送信號。與直接脈沖系統相比，該系統可以有效濾除邊帶噪聲，提高了系統的動態范圍，從而在相同的發射功率下擴大了測試系統的覆蓋范圍。缺點是電路實現技術比較復雜，對同步的要求很高。

2.3 頻域測量

頻域測量技術，通常采用矢量網絡分析儀對信道環境進行逐個頻點的掃頻測量，通過頻域掃頻的方式，可以得到全頻帶的頻域響應，其特點是簡單易行。采用信號源和頻譜儀在頻域對變電站內主要設備附近信號的接收功率進行了測量。

首先選擇某市110 kV和220 kV的變電站進行測量，以220 kV變電站為例，其環境分布主要由開關區、變壓器區、電容器區、通信室和主控室組成，其中，變壓器區是主要敏感區域，部署1號、2號、3號變壓器。測試點布局如圖1所示。

圖1 220 kV變電站測量布局

在測量過程中，發射設備放置在變電站的通信室內，位置固定不變，接收設備放置在變電站內主要敏感設備附近。發射設備由信號源和發射天線組成，信號源采用AV1441A射頻信號發生器，發射功率設為0 dBm，發射天線采用2.4 GHz單極子天線，接收設備由是德科技公司的頻譜分析儀N1996A和接收天線組成，檢波方式采用 峰 值檢波，RBW （resolution bandwidth）設為 10 kHz，VBW(video bandwidth)設為100 kHz，接收天線使用Ainfoinc公司生產的對數周期天線，型號為DS-3300。帶寬覆蓋范圍為 30 MHz～3 GHz。

3 信道模型

基于電波傳播模型[7]，接收信號的功率隨距離對數衰減，這種模型被稱為對數距離路徑損耗模型[8]，該損耗模型計算式如下：

Na-K-Mg圖顯示研究區熱水均落在右下角未成熟水的區域，這表明研究區的熱水受到淺層冷水的混合。研究區冷水的溫度取12.8 ℃，冷水SiO2取12.8 mg/l。根據公式(1)、(2)將研究區各水樣點中冷水的混入比例進行分析，圖6顯示了ZGJ04與ZGQ05的初始熱水溫度與冷水混入比例的關系，初始溫度分別為182.36 ℃、197.09 ℃；冷水混入比例分別為39.47%、80.86%，且冷水混入比例相差較大。

其中，n為路徑損耗指數，表明路徑損耗隨距離增長的速率，它與周圍的環境和建筑物類型有關；Xσ是均值為0、標準差為σ的高斯隨機變量，用來修正估計值與測量值之間的誤差；PL(d)為發射端到接收端的路徑損耗，單位為dB；d是收發天線之間的距離；d0為發射天線距離參考點的距離；PL(d0)為參考點損耗值。PL(d0)除了可以利用實地測試得到之外，還可以用自由空間損耗公式來確定[9]，公式如下：

其中，λ=c/f，即電磁波的波長λ等于光速c除以頻率f。

設Pt是發射功率，Pr為接收功率，P(d0)為參考點接收功率，則有：

設參考點的接收功率Pt(d)-PL(d0)=P(d0)，得：

4 參數估計法

在對數距離路徑損耗模型中的損耗指數n和標準差σ，這兩個參數不能通過儀器直接測量得到，通常需要用參數估計法，利用測量數據進行計算而得出[10]，常用的參數估計法有線性回歸預測法[11]、最小均方差[9]、最大似然估計法[12]、矩估計[13]和累積法[14]，本文采用最小均方差和累積法計算路徑損耗指數n和標準差σ，并建立路徑損耗模型，對結果進行比較。

4.1 最小均方差

最小均方差是利用測量值和估計值的均方差最小來計算路徑損耗n的值。設測量值和估計值的方差和為J(n)，則：

解方程求出n=n0，則均方差為：

標準差為：

4.2 累積法

累積法的概念是由意大利數學家Marchsi P在1778年提出[15,16]。我國學者曹定愛進一步推出了累積算子的各階通式，簡化了累積法的計算。其基本原理如下。

給定序列{xi；i=1,2,…,n}，累積和的計算公式為：

式(9)、式(10)、式(11)分別是序列{xi；i=1,2,…,n}的一階、二階和k階累積算子，本文利用二階累積算子來求解路徑損耗指數。根據式（4）的模型，可以得到一階、二階累積和算子如下：，當 det(X)不等于零時，可得：A=X-1Y，即可求出路徑損耗指數n的值。

5 數值結果與分析

本文信道模型所用的數據在某變電站內測量得到，測量數據見表1。

把表1的數據分別帶入最小均方差和累積法的計算過程中得到路徑損耗指數n和標準差σ，見表2。

在自由空間中，通常取路徑損耗指數等于2，通過對實際測量數據的分析和研究表明，在變電站內這種特殊環境下，電磁波的路徑損耗有可能小于自由空間的損耗指數。這種現象主要是電磁波的同相疊加導致。

表1 變電站測量數據

表2 變電站損耗指數參數結果

將以上兩種方法計算得到的路徑損耗指數n和標準差σ帶入路徑損耗模型式(1)中，路徑損耗曲線和測量數據離散點的對比如圖2、圖3所示。

從圖2和圖3所示的曲線中可以看出，最小均方差和累積法算出的路徑損耗，隨著距離的增加，差距越來越明顯。尤其在110 kV變電站內，距發射點30 m處，最小均方差和累積法相差3.7 dB。總體來說，兩個算法求出的路徑損耗相差不大。

在通信的過程中，接收信號會隨著傳輸距離的增加而發生變化，信噪比也會隨之發生改變，從而影響誤碼率的變化。本文搭建ZigBee仿真系統，以發射功率為0 dBm，初始信噪比分別設為SNR=5 dB和10 dB，在這兩種情況下，保持其背景白噪聲不變。仿真出誤碼率與傳輸距離的關系曲線如圖4所示。

圖2 110 kV變電站測量數據與回歸曲線比較

圖3 220 kV變電站測量數據與回歸曲線比較

圖4 誤碼率隨距離的變化

可以看出，在理想信道條件下，系統誤碼率會隨著信號傳輸距離的增加而急劇增加。對比初始信噪比分別為5 dB和10 dB兩種情況下，信噪比越大，通信質量越好。在實際中可以引申為，發射信號功率越大，傳輸距離越遠。但增加發射功率對系統能耗要求將變高，工程成本將會提高。而且由圖4中兩條曲線對比可看出，當超出一定距離界限時，發射信號功率的提高對通信質量的提升并不明顯。

6 結束語

在短距離無線通信的組網過程中，無線通信性能受到多種因素的影響，然而變電站內電磁環境復雜，要將短距離無線通信設備布置在變電站內，建立路徑損耗模型，估算覆蓋范圍，評估通信系統的性能非常重要。

采用頻域測量方法對某市110 kV、220 kV變電站進行了2.4 GHz頻率的測量，并利用測量數據建立了路徑損耗模型，在建模的過程中采用最小均方差和累積法對路徑損耗指數和標準差進行估計，結果表明隨著距離的增加，模型與測量值會有一定的誤差，但只要在可接受的范圍內，模型具有一定的預測意義。

另外，在110 kV變電站的路徑損耗模型的建模中，出現路徑損耗指數小于自由空間損耗指數的值，很大程度上是由于變電站內，地形地貌、建筑物類型以及一次二次設備所引起的電磁波同相疊加所導致的結果，這種特性為特定環境、具體的變電站、短距離無線通信覆蓋規劃提供了研究依據和指導方向。

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Modeling of the 2.4 GHz wireless channel path loss in substation

LI Qiang1,ZHANG Hongxin1,LUO Jiaqi1,LU Yang2,LI Jianqi2,LV Yinghua1
1.School of Electronic Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China 2.Global Energy Interconnection Research Institute,Beijing 102209,China

In order to assess the influence of electromagnetic interference in the substation of the electric power communication system,frequency measurement method was adopted to obtain the data of 2.4 GHz electromagnetic wave path loss of the substation of 110 kV and 220 kV in a certain city.By using the method of minimum mean square error(MMSE)and cumulative sum(CUSUM)to estimate the parameters of path loss model such as path loss index and the standard deviation,the path loss model was set up according to measured data,respectively.The simulation results show that the gap between estimation results and the measured values is not big.In addition,a ZigBee simulation system was constructed to simulate the relationship of bit error rate (BER)varies with distance in two cases of the signal to noise ratio (SNR)at 5 dB and 10 dB respectively.A research basis for short distance wireless communication devices decorated in the substation environment was provided.

short distance wireless communication,ZigBee,substation,path loss model,minimum mean square error,cumulative sum,signal to noise ratio,bit error rate

s：State Grid Corporation of China (SGCC):Research on Key Technologies of High Reliability and Short Distance Wireless Communication in Power Complex Electromagnetic Environment(No.SGRIXTKJ[2015]-796),The National Natural Science Foundation of China(No.61571063)

TN925

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016195

2016-04-11；

2016-07-08

國家電網公司科技項目“電力復雜電磁環境下高可靠短距離無線通信關鍵技術研究”（No.SGRIXTKJ[2015]-796）；國家自然科學基金資助項目（No.61571063）

李 強 （1985-），男 ，北 京 郵 電 大 學 電 子 工 程學院博士生，主要研究方向為無線通信與信號處理、電磁兼容與微波技術。

張洪欣（1969-），男，北京郵電大學電子工程學院教授、博士生導師，寬帶通信與微波技術中心主任，主要研究方向為無線通信與電磁兼容、通信信號處理、電磁輻射信息安全、生物電子等。

羅佳祺（1990-），男，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為無線通信。

陸陽（1984-），男，博士，全球能源互聯網研究院工程師，主要從事電力通信新技術研究工作。

李建岐（1969-），男，全球能源互聯網研究院教授級高級工程師，主要從事電力通信新技術研究及應用研發工作。

呂英華（1944-），男，北京郵電大學教授、博士生導師，主要研究方向為計算電磁學、電磁兼容、生物醫電工程、天線和電磁散射、計算機信息技術等。