基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾方法的研究

張建粉，錢 宇，湯 三

(國網新疆電力有限公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

近年來，隨著社會經濟的發展和能源需求的增加，電力通信網被廣泛應用。在多終端電力通信網得到廣泛應用的同時，因為電力通信網中線路分散，數量較多，干擾問題也日趨嚴重。這些干擾會導致電力通信質量下降，甚至中斷，因此電力通信網抗干擾設計對提高電力系統運行的穩定性與安全性具有重要意義。

當下，已經有許多專家對于電力通信網抗干擾方法進行了研究，也得到了一定的研究成果。文獻[1]提出一種低壓電力線載波通信主動抗干擾方法，該方法首先最大限度地匹配電力通信線路阻抗與收發控制器阻抗，在此基礎上采用擴頻技術主動選擇高可靠性通信頻段，以抑制強衰減、強干擾對電力通信的影響，實現電力線載波通信主動抗干擾設計。但是利用該方法進行多終端通信時，電力通信系統互聯性差，網絡抗干擾性能并不好。文獻[2]提出基于改進斜投影算子的電力通信抗干擾方法，首先對傳統斜投影偏振濾波器進行改進，利用改進后的濾波器進行偏振傳輸信號的優化、非線性向量的增強處理，以提升通信網絡的抗干擾能力，但是在實際應用中濾波器性能不穩定，導致電力通信網抗干擾能力差。

由于傳統方法的抗干擾能力不佳，因此設計基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾方法。

泛在物聯網是圍繞電力系統各環節，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術等，實現電力系統各個環節互聯、人機交互的一種系統。具有全面感知、信息處理速度快、應用靈活等特點，因此將其應用到多終端電力通信網抗干擾中，具有重要意義。

1 電力通信網傳輸信道劃分

利用泛在物聯網系統對電力通信網傳輸信道劃分，將多終端電力通信網傳輸信道劃分為若干正交子信道，將信道中數據調制到每個子信道上，轉換成低速子數據。由于在信道劃分過程中，要進行頻率選擇，因此根據每個信道的子載波信噪比，對通信網傳輸信道的載波進行動態分配和選擇，以降低噪聲對多終端電力通信網傳輸信道劃分的影響。

首先利用泛在物聯網連接通信網，將通信網與網絡層對接，獲取通信網信息。對多終端電力通信網信號解調處理，根據分碼結構形成一個向量組A={A1,A2,…,An}，在此基礎上，對向量組編碼處理，形成相應的發送矩陣，得到電力通信網信道傳輸的向量，用公式表示為

(1)

N為電力通信網中的第1個循環矩陣[3]；E為代表電力配電中心的通信信號的沖激響應。

在此基礎上，采用動態子載波選擇算法預測下一信道中的子載波，能夠減少誤碼率，動態子載波選擇算法構建[4]發送端和接收端的數學模型，如圖1和圖2所示。

圖1 發送端數學模型

圖2 接收端數學模型

圖1～圖2中，ak表示電力通信網傳輸信號;C0,C1,…,Cn-1表示不同的電力通信網傳輸信道;exp(·)為動態子載波選擇函數。

利用如上所示的發送端數學模型和接收端數學模型為信道劃分提供基礎依據。

在得到電力通信網信道傳輸向量的基礎上，利用泛在物聯網技術進行信道預測，假設電力通信網中共有m個子載波，其中每個子載波的信噪比用Sm(m=1,2,…,n)表示。本文利用通信信道中的每個子載波，對信道值進行預測。發送端根據該子載波在時隙t時的信道預測值，并根據子載波的信道確定值劃分電力通信網通信信道。其中，發送端接收到的應答信息狀況包括在時隙結束時收到的應答信息與在高低誤碼率下接受的應答信息。假設該子載波在誤碼率下接收到的應答信息概率為g，時隙結束時接收到的應答狀態信息[5]為h，則信道處于低碼率的概率為

(2)

η為發送端接收到的信號概率;Pi為接收到應答信息的概率;z為信道誤碼率。

根據上述定義獲得信道狀態的預測值Dk，按照從大到小的順序選用T個信道狀態較好的子載波，以此作為信道劃分依據，算法流程如圖3所示。

圖3 信道劃分流程

圖3中，D1表示信道處于高碼率的概率;qn為n條電力通信網絡通信信道總傳輸向量，當qn=0時，由于子載波信道較差，因此不再進行數據傳輸，重新獲取通信信道子載波信噪比，直至獲取的子載波處于較好狀態。計算所有子載波信道的預測值，并進行排序。按照排序結果，完成對多終端電力通信網傳輸信道的劃分，為多終端電力通信網抗干擾提供基礎依據。

2 多終端電力通信網抗干擾模型構建

在上述電力通信網傳輸信道劃分的基礎上，構建多終端電力通信網抗干擾模型。利用泛在物聯網中的人工智能技術建立通信連接、快速組網[6]，對電力通信網中的信息實時感知和處理。首先建立多終端電力通信網信號模型，利用多普勒頻移公式[7]表示電力通信網信號頻率與信號傳輸速度之間的關系，即

(3)

根據上述信號模型，得到電力通信網中信號線性時變信號，假設電力通信網中跟蹤誤差ex=x-xn，信道的沖擊響應為隨機過程，即滿足

(4)

w為電力通信網狀態信息;a為參考信號;E{·}為通信信號沖激響應量。

在此基礎上，將得到的電力通信網信號的散射函數[9]定義為

(5)

j為電力通信網散射信號;F{·}為通信網中數據傳輸總量;d(c,t)為電力通信網信道函數。

在上述計算完成的基礎上，得到干擾抑制后的多終端電力通信網狀態方程[10]

(6)

h為多終端電力通信網通信信號帶寬;B為采樣間隔;r為電力終端數量。

當多終端電力通信網中2個狀態信號相同時，相關峰值最大，可以由相關監測器發送信號。但是當存在單頻、窄帶、多徑以及多址干擾時，需要對信號功率進行解拓處理，以過濾其他信號。通過上述定義，得到基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾模型，如圖4所示。

圖4 多終端電力通信網抗干擾模型

通過上述處理，完成多終端電力通信網抗干擾模型的建立。

3 實驗對比

3.1 實驗方案

為驗證此次設計的基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾方法的有效性，此次實驗利用多臺移動電腦與終端配合來進行。將通信距離設置為1 500 m左右，實驗電力線噪聲功率在10～100 dBm中調整，實驗中載波頻率選擇210 kHz，擴頻帶寬設定為20 kHz。

為了保證實驗的嚴謹性，將文獻[1]方法與文獻[2]方法與此次設計方法對比。實驗指標選擇為電力系統環節互聯度與抗干擾性能比較。

在此次實驗過程中，電力通信網輸入信號的時域波形如圖5所示，實驗噪聲強度如圖6所示。

圖5 實驗信號的時域波形

圖6 實驗噪聲強度

根據上述仿真環境與參數的設定，使用文獻抗干擾方法與此次設計的基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾方法進行比較。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 電力通信系統環節互聯度比較

電力通信系統環節互聯度是指各條電力線路與電力通信系統環節各個環節的互聯程度，互聯度好的電力通信系統信息傳輸速度快，整體性好，一旦哪個環節發生干擾就能快速檢測到并加以解決，是提升電力通信網抗干擾能力的基礎。計算公式為

(7)

HZ為第Z條線路上的電力通信系統環節;α為互聯系數;HK為電力系統環節總數量。

不同研究方法互聯度計算結果如表1所示。

分析表1可知，在120次實驗中，文獻[1]方法互聯度在63.4%～69.3%之間，文獻[2]方法互聯度的變化范圍是73.9%～80.1%，本文方法互聯度在97.6%以上，電力系統各個環節的連通性好，是提升電力通信網抗干擾能力的基礎。

表1 互聯度比較結果

3.2.2 抗干擾性能比較

實驗過程中，在不同時間段進行多次測試，檢驗應用不同方法后多終端電力通信網抗干擾能力，對比結果如圖7所示。

圖7 抗干擾性能比較

由圖7可以看出，文獻[1]方法應用后，在采樣點110～130處存在噪聲干擾，說明此方法不能完全抵御噪聲干擾，抗干擾能力較差。文獻[2]方法應用后，在采樣點370～470處存在噪聲干擾，且噪聲干擾范圍較大，因此該方法的抗干擾性能不好。基于泛在物聯網的抗干擾方法應用后，能夠完全抵御噪聲對多終端電力通信網的干擾，抗干擾性強。

因此，通過上述實驗對比結果可以證明，此次設計的電力通信網抗干擾方法大大提高了多終端電力通信網的抗干擾能力。

4 結束語

針對傳統的多終端電力通信網抗干擾方法抗干擾性能較差的問題，利用泛在物聯網系統，設計了一種基于泛在物聯網的多終端電力通信網抗干擾方法。此次設計從電力通信網傳輸信道劃分和多終端電力通信網抗干擾模型構建實現了多終端電力通信網的抗干擾。實驗對比結果表明，本文所設計方法的抗干擾性能好。

綜上所述，此次設計的電力通信網抗干擾方法提高了電力通信網的抗干擾性能，在電力通信網管理中具有較好的應用價值，能夠推動電力通信網的發展。