光伏电站直流单导线载波通信信号提取方法

陈茂洲

（大同煤炭职业技术学院机电工程系，山西大同，037001）

1 光伏电站直流单导线载波通信信号提取方法设计

光伏电站直流单导线载波通信信号提取过程比较复杂且计算量比较大，此次结合传统方法利用无线传感技术、经验模态分解以及独立分量分析，设计一套新的提取方法，将其过程细致分为三个部分。首先利用无线传感器接收原始通信信号，通过经验模态分解和独立分量分析将通信信号分离出来，以下将对其具体提取过程进行详细分析。

1.1 获取原始通信数据

通常情况下光伏电站直流单导线载波通信使用的是10KV/35KV通电线路，其采用的是点对点之间的耦合方式与通道，利用载波主机对电力数据进行接收和处理，并将数据传输到载波从机，由载波从机接收数据和传输，载波从机接收到的数据经过放大器进行放大处理，处理后的数据再经过传输接口传输到电容耦合器设备，从而实现载波通信。载波在传输信号过程中必然会产生一些信号，这些信号在没被特殊处理的情况下称之为原始通信信号。由于受到外界环境的干扰，原始通信信号含噪较大，因此在提取光伏电站直流单导线载波通信信号之前，首先需要对原始通信信号进行获取。对于原始通信数据的获取此次使用无线传感设备，利用无线传感设备读取到直流单导线两点之间的原始载波通信信号。根据需求此次采用GUHN-2554型号无线传感器，其对光伏电站直流单导线载波原始通信信号的获取如图1所示。

图1 光伏电站直流单导线载波原始通信信号获取示意图

如图1所示，将GUHN-2554无线传感器安装在光伏单站直流单导线上，并与从载波机连接，当光伏电站直流单导线载波通信时自动读取到从载波机接收到的原始通信信号，并将读取到的数据统一存储到计算机数据库中，用于后续光伏电站直流单导线载波通信信号特征参数提取。

1.2 光伏电站直流单导线载波通信信号特征参数提取

光伏单站直流单导线载波通信过程中会发生局部变化，因此原始通信信号是一组非线性非平稳信号，对于其特征的提取具有一定的难度，但是相关研究资料表明光伏电站直流单导线载波通信信号具有时间特征，因此此次从该方面入手，通过对原始通信信号进行经验模态分解获取到通信信号特征参数，为后续提取信号提供依据。首先提出如下假设：多数情况下光伏电站直流单 导线载波通信信号在不同时间尺度下会存在极值点，其极大值和极小值可以确定通信信号时间特征参数，因此假设通信信号至少存在一个极大值m和一个极小值n。如果光伏电站直流单导线载波通信信号不存在极大值和极小值，而只有时间拐点，为了获取这类信号的时间特征参数，此次选择通过一阶或者多阶微分得到通信信号极大值和极小值。以上两种情况下，通过经验模态分解、积分的方式获取到特征参数，假设原始通信信号为x(t)，则其经验模态分解过程如下。

第一步：求出原始通信信号x(t)的所有极值点，将极值点进行排序，确定原始通信信号x(t)序列的局部极大值和局部极小值。第二步：在原始通信信号x(t)极值点之间使用三次样条函数进行插值，得到上、下两条直流单导线最大值和最小值。第三步：通过得到的所有极值，使用极值函数计算出均值线，并求出原始通信信号x(t)的局部均值，以及原始通信信号x(t)极值与局部极值的差值。第四步：反复计算以上三个步骤直到使得最终结果为零，将此时的通信信号进行记录并分离出来，原始通信信号x(t)经验模态分解结束。通过对原始通信信号经验模态分解，获得多个模态分量和剩余的通信信号，获得的模态分量可以用于表示光伏电站直流单导线载波通信信号在不同时间尺度下的特征参数，用于后续分析。

1.3 提取光伏电站直流单导线载波通信信号

经过经验模态分解之后，根据获取到的不同时间尺度的特征参数提取到光伏电站直流单导线载波通信信号。由于载波通信信号数据量较大，因此此次采用独立分量分析的方式对通信信号数据进行学习，并根据提取的特征参数将通信信号在混淆信号中分离出来，其过程如下。

假设光伏电站直流单导线载波通信过程中存在n个源信号，利用混合矩阵对源信号进行计算，生成多个含有噪声的观察信号y(t)，再由观察信号y(t)带入到混合矩阵中进行分离，同时也将特征参数h列入到混合矩阵中，使得输出的通信信号特征逼近参数h值，将其作为最终的通信信号进行提取，其计算公式如下：

公式（1）中，x1(t)表示输出信号，即提取到的光伏电站直流单导线载波通信信号；I表示m×n维混合矩阵；h表示不同时间尺度下通信信号的特征参数值；y(t)表示含加性噪声的观察信号；O表示球化阵，球化阵计算使得通信信号各个分量正交统一；P表示正交系统；K表示置换矩阵，通过置换矩阵计算表示观察信号特征与通信信号特征之间的顺序变化。通过上述公式计算即可求出光伏电站直流单导线载波通信信号，以此完成了光伏电站直流单导线载波通信信号提取。

2 实验论证分析

实验以某光伏电站为实验对象，从该光伏电站随机选取100根直流单导线，利用设计方法与传统方法对该光伏电站直流单导线载波通信信号进行提取。在实验中针对不同的通信环境，挑选了两种通信信号采集点，一种是距离终端基站1000m，周边没有任何设施的干扰；另一种是距离终端基站超过1000m，且在附近存有500-800kv的高压输电线路通过。实验中获取到的光伏电站直流单导线载波原始通信信号是由一组随机序列，采用5-OTY方式调制后的信号，根据实验需求设定的实验参数如下：光伏电站直流单导线载波通信周期为224×10-6s，光伏电站直流单导线载波基带周期为2014，子载波数为1550，光伏电站直流单导线载波周期与基本周期的比设定为10，光伏电站直流单导线载波频率为26471.14Hz，光伏电站直流单导线载波通信信号传输速度为2.56kbos。实验将350MB通信信号在不同时间段分别发送到光伏电站直流单导线上，再从光伏电站直流单导线采样到含有通信信号的电网电压信号，将其作为原始信号，最后通过独立分量分析提取到光伏电站直流单导线载波通信信号，将提取到的光伏电站直流单导线载波通信信号与实际通信信号相关系数超过0.9的信号作为提取结果，计算出两种方法对于光伏电站直流单导线载波通信信号的提取率，实验结果如下表1所示。

从表1中可以看出，此次设计方法对于光伏电站直流单导线载波通信信号的提取比较全面，信号提取率基本可以达到99%以上，远高于传统方法，这是因为此次设计方法采用了经验模态分解和单独分量分析原理，将接近提取特征参数的信号作为提取对象，可以全面提取到载波通信信号。因此实验证明了此次设计方法相比较传统方法更适用于光伏电站直流单导线载波通信信号的提取，具有较高的可行性和可靠性。

表1 两种方法提取率对比（MB）

3 结束语

光伏电站直流单导线载波通信信号提取是无线电中的核心技术之一，是光伏电站正常运行的基础和前提，只有准确地提取到直流单导线载波通信信号，才能对接收通信信号进行调解和后续的处理。此次针对传统方法存在的缺陷，着重研究了光伏电站直流单导线载波通信信号提取方法的设计，并且通过实验验证了所研究成功的有效性，提高了光伏电站直流单导线载波通信信号提取率，对光伏电站无线通信技术的发展具有良好的实际意义。