中压电力线的OFDM通信耦合与误码率分析

任关友+孙媛凯+王昕+李英娜

引言

过去几年，单片机已不是高压电力线载波技术的主要的应用方向，电力载波通信正在渐渐迎来数字化的时代。目前，10kV电力线作为配网自动化系统主要应用的数据传输通道，主要依靠中低压电力线载波通信。380V和220V电网用户自动远距离抄表系统的数据通信模块以及通过电力线来实现上网功能的高速MODEM均是采用中低压电力线载波通信。其中，中压电力线载波通信技术指的是将旧有的电力网结构转换成为高速多媒体传输媒介的技术，稳定的宽带电力线多媒体通信是中压配电网通信的基础，这就需要对中压配电线上的信号传输特性进行各方面的测量和分析以及更加深入的探究，这对中压线上的耦合模型的优化和优化有着深远的意义。

电力线载波通讯中正交频分复用技术（OFDM）的应用前景十分良好。选择正交频分复用技术作为电力线载波通信技术之一的缘故是由于此技术能够对电力线信道的频率选择性衰落进行有效的抑制，并且正交频分复用这项技术的频谱的利用率相对很高。

本文实验是对云南白邑线中压配电线上的信号传输特性针对以下几点进行了探讨和分析：

（1）中压电力线通信的耦合模型的信道特性。

（2）模型中加入等效耦合模块和各种编码模式，对系统的误码率的影响分析，并进行性能仿真测试。

1实验背景及中压配电网信道特性

1.1实验背景

本次实验在云南35kV白邑变电站，白邑变电站分五条10kV的中压配电网电力线路，本文描述的中压配电网线路选择从35kV白邑变电站输出的10kV白邑线，选中的线路为五条线路中的最长，主干线全长为15.487km；分三段全长25.854km的支线；56台容量3691 kVA变压器被安装在这里；供电辐射周围约为17.438km地域，此线路涵盖较多的村落，有平原还有丘陵另外還有跌宕起伏的山地等多种地线环境；并且最长的支线距离有3kM，从以上数据看，该10kV线路具备中压配电线路相关的代表性。基于对嵩明白邑10kV配电线路的调查和研究，实现了H-PLC依据实际情况的通信技术方案。

10kV白邑线的H-PLC网络将覆盖从变电站开始至菜籽地村结束的整条15公里主干线，NMS网管系统和系统主站安装在变电站内部，H-PLC头端安装在变电站白邑线出线1#塔，在沿途的杆塔选点安装中继，分别为：29#杆；85#杆；104#杆110#杆127#杆；152#杆。一共安装6个中继点用以增强H-PLC信号，每个中继可以选择性关闭，每个中继的安装位置和设备类型都将通过现场实地考察最终确定，最大限度确保网络的性能优化。在6个中继点采用10 kV电压互感器的方式进行PT取电，为H-PLC中继器提供电源如图1所示。

1.2中压电力线信道阻抗特性

中压电力线可分为接地和架空线路两种类型。通过以往文献对两种电力线数据的分析，发现电力线的阻抗特性随频率会发生变化。此外，嵌入架空线的阻抗曲线要平滑。因为架空的电磁干扰造成的天气变化。因此，架空线路的阻抗开销不容易得到。

实地测量嵩明白邑线变电站10kV中压配电网分支线路的阻抗特性随频率的变化得到：

通过图2的曲线可知，频率的依次增大的同时，输入阻抗的绝对值是依次变小的，并且频率出现起伏跟随有规律的震荡的变化，致使这种波动发生的主要缘故可能是分支线路、存在电磁干扰和恶劣天气等。

1.3中压电力线信道噪声特性

除阻抗和衰减会造成信号失真，噪声也会影响配电网电力线数据可靠传输。低压电力线噪声繁多，用电器负载噪声、包括中压进入低压电力线路配电变压器对电力设备产生的噪声，综合无线电干扰噪声等，但由于中压电力线与用户没有直接连接，中压电力线的噪声主要是中压配电网的相关设备无线干扰所产生的。图3，为实地测量白邑变电站10kV中压电力线路的不同地区的中压电力线噪声，白邑变电站中压线路部分的节点信噪比。从图中可以看出：整体的噪声水平随着频率的增加而增加，随着不同地点的改变，可能由于地形和气候的变化，噪声也发生不同程度的变化。

对噪声模型进行仿真建模之后对获得波形采样，然后获得一部分噪声的数据，每一秒采集6278个样本数据。仿真波形跟随时间的不同也有所差异，因此采样到的噪声数据也有较大的随机性。这当中，我们编写M函数的文件实现多径衰落，且通过Mmlab Fcn和噪声数据形式的MAT格式的文件通过simulink模型导入From File模块，该模型在图4所示，图5所示。

2OFDM的通信耦合系统建模及部分算法

2.1OFDM的通信耦合系统建模

在配电网自动运行和类似的推广普及中，很多的系统都是采用单向方式来实现数据的传送的，而对高可靠性、实时性要求的要求较低，所以，通常采用较慢的传送的速率。此实验的目的是希望在中压电力线的传输速率满足要求，以达到配电自动化、自动抄表等要求。根据这些指标与中压电力线信道条件的要求，系统框图如图6所示。

该编解码器使用简单（4，2）编码，编码效率是1/2，从9.6 kbps到19.2 kbps转化率；调整后的QPSK编码系统，然后将数据加载到96数量的子载波，每个子载波的振幅和相位调制信息的数据串并变换后，插入导频（采用BPSK调制）信号处理后的处理；数据串并转换后，得到一个保护间隔的OFDM符号框架；OFDM符号的数据调制到载波频率320khz。

OFDM的子信道存在一定的间隔，这些间隔是影响系统的性能的主要因素之一。子信道间隔大，由于子信道干扰造成的诸多因素较小，但与此同时，由于信道带宽有所增加，也会导致系统频谱效率有所减小，电力系统的频率选择性衰落也会下降；另一方面，为了提高系统的频谱效率和信道而减少的子信道之间的间隔，势必使子载波间干扰的增加，它们之间的一种折衷在系统设计需要有所体现。endprint

OFDM信道数量和FFT信道间隔确定的原则包括子信道的间隔带宽的确定，满足系统频谱利用率，保证OFDM系统的良好抗击频率选择性衰落，以频率选择性衰落，最大负载尽可能地增加之间的差距。此外，根据主电力线信道噪声的分布特性，避免噪声干扰（主要为周期性脉冲干扰）为严重地区的数据传输的方法，即在正、负峰值附近时频区域电网电压无通信。然后，对每一帧的结构定义（AC电源线）如图4-2所示，OFDM的符号保护的时间设定为2ms（其中循环及后缀均为1ms），IFFT数据的时间是4ms，而6ms为符号的时间，它可以完全去配电系统模块下的多径信号。子载波间隔为1/4MS=0.25khz。除了对系统通过96个子载波数据来加载外，还需要通过8个子载波的来对导频符号进行处理，并进行信道估计和相位校正，在另一端预先留出24子载波，共128个子载波（IFFT 128分），为0.25 khz×128=32 khz带宽使用。

接收数据的OFDM系统是传输数据的逆过程，刚开始是对接收到的数据的下变频；同步信息通过同步模块来进行输出，针对通过下变频处理的的数据再采用去保护间隔的方式处理，接下来使用FFT进行处理；处理后的数据中提取其数据的FFT的导频信息，然后对于剩余数据采用相位校正和QPSK解调（解调的软价值）以及解码的方式接收数据得到。

由于特殊的传输方案（时域传输），在中压电力线固有噪声（交流同步语音）对通信质量的影响已大大减少，因此从其他的主要噪声干扰（主要是背景噪声），噪声相当于设计，高斯白噪声。

2.2信号调制算法

OFDM系统的基石便是IFFT/FFT技术，通过给所有的子载波以符号使得IFFT得以实现子载波的调制，子载波和每个符号相乘，然后再求其和。

假定连续的时间，OFDM信号是：

X对于n个OFDM符号的K符号（每一个OFDM符号都拥有n个码元），每一个OFDM的符号周期是T，OFDM的子载波的数量是N，.f中心频率为K副载波，.fn表达的是中心频率的低点值。基带信号在第n个OFDM符号周期中采用t=T/N为间隔然后采样便可以获取到离散的采样的最终值。

离散采样值的获取过程为：通过对基带信号在第n个OFDM符号周期内以t=T/N为间隔进行采样，则有：

其中0≤n≤N-1。因此，N个彼此正交的子载波分别被基带的信号通过调制的方法调制，也就等同于{Xk}被做IDFT计算，另外IFFT算法可以快速高效的方式达到IDFT的功能，对获取的讯号采用FFT方法就等同于对应的的解调。

快速傅里叶算法是基带信号的调制算法之一，采用这种算法计算时，OFDM系统的复杂性可以得到较大的减小，同时系统模块的性能也可以有较大的提高。基带信号使用IFFT算法，子载波解调使用FFT，然后信号映射到频域。整个系统所使用的子载波的数目就是IFFT的长度数量。IFFT长度与其误码率呈现负相关的关系，与系统的性能呈现正相关关系，若果IFFT的长度太大，则会增加系统的统计负担，通信的实时性将会遭到破坏，因此，以上缘故需要综合研究。此项目中，选取64作为IFFT的长度，它是由64个子载波组成的调制。

由于信道之间存在一定的延迟，码间干扰事件频频影响信号的接受，因此，保护间隔的添加在每个OFDM符号中加入有一定的必要性，一旦信道延迟小于保护间隔的所持续时间，则只有长距离内的干扰才会有所反映。循环前缀（CP）便是在保护间隔内产生的OFDM信号，它对应于每个OFDM符号的尾部信号周期的延伸。

2.3耦合模型实现算法

耦合电容器是用于在电力网络中传输信号的电容器。主要用于高频高压交流输电线路，实现载波、通信、测量、控制、保护和电能提取的目的。

耦合电容器使强弱电系统通过两个电容耦合隔离，提供高频信号通路，防止电流进入电力系统，保证人的安全。除了上述功能，与电压抽取装置的耦合电容器也可以提取保护工频电压和重合闸的使用，起到电压互感器的作用。图7是在顶盖17kv模型耦合电容器的等效电路。

中压耦合电容器模拟电路图如上所示，进过简化获得电路图8。

在控制工程中常常用到将模型由离散转变为连续，由于即便控制器是离散的然而被控制的对象是连续的，需要说明的是d2c为控制工具箱的函数。

例如，s变换到z变换：

H（S）=（S-1）/（s^2+4s+5）

H=tf（[1-1]，[1 4 5]）

Hd=c2d（H，0.1，'zoh'）

通過z变换获得图9的z传递函数得到图9的等效耦合电容器的模块，接下来将其接入整个OFDM模块即可实现耦合通信的部分功能。

3系统仿真及结果分析

3.1各个子载波的调制方法的误码的参数的对比

配电网的电力线通信的信道中添加至模型的前后，QPSK、DQPSK及QAM三种调制方式的误码率曲线如图10所示。

误差在图10误码率曲线可以看出，电力线信道速率曲线率曲线的环境比AWGN信道下的误码高得多，对误比特率的电力线信道仿真高于AWGN，电力线信道的较差的环境，20dB的信噪比情况下，误码率是0.035。

3种调制的方式下的电力线的信道环境中的仿真结果显示：使用QPSK的调制系统具有良好的性能，DQPSK，QAM是较差的；而3种调制的方法针对误码率的优化效果不够明显，如果将其投入现实系统当中调制，如果要达到信息的联通并进行通信，则需要综合信道编码、交织以及其他相关技术理论。

3.2OFDM的耦合通信仿真

耦合模块加入配电网的电力线通信的信道的模型的前后，QPSK、DQPSK及QAM三种调制方式的误码率曲线，见图11：

图中CP表示的就是加入耦合模块的曲线，在图11误码率曲线中我们能够得到，未添加耦合模块的电力线信道曲线的误码率比加入耦合模块的的误码要低得多，即添加耦合模块后，系统的误码率有明显的增加，并且随着信噪比的的增加，添加耦合模块的误码率曲线比未添加耦合模块的误码率曲线下降的速率要低一些。40dB的信噪比情况下，添加耦合模块的误码率约是0.001～0.0001左右。

4总结

中压电力线载波通信耦合因其特有的优势，成为当前的研究热点之一。本文对中压电力线耦合模型系统仿真这一部分进行了更深入的探索。通过仿真结果可以看出，中压电力线信道的耦合通信系统下，OFDM技术可以达到数据的高性能传输。endprint