输变电终端通信网电能质量频谱感知技术研究

金 鑫，刁培磊

（聊城新瑞能电气有限公司，山东 聊城 252000）

0 引 言

随着现代电力系统的不断发展，对电能质量的要求也越来越高。输变电终端通信网的电能质量直接影响着整个电力系统的稳定性和可靠性。电能质量频谱感知技术的主要研究对象是电能质量的频谱信息，如电压、电流、频率等参数的频谱特性。通过对这些频谱特性的分析，可以了解电能质量的各种指标，如电压波动、谐波、闪变等。因此，监测和管理输变电终端通信网的电能质量十分重要。近年来，随着信号处理技术和通信技术的发展，电能质量频谱感知技术逐渐成为研究的热点。该技术能够实现对电能质量问题的早期预警和实时监测，为保障电力系统的稳定运行提供了强有力的支持。因此，开展对输变电终端通信网电能质量频谱感知技术的研究具有重要的现实意义[1]。

1 输变电终端通信网电能质量频谱感知技术的设计

1.1 构建输变电终端通信网的频谱感知信号模型

光纤通信具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强等优点，是输变电终端通信网的主要通信方式之一。无线通信则具有灵活方便、可扩展性强等优点，适用于一些临时性或移动性的场景。在输变电终端通信网中，通常需要远程监控和管理输电线路与变电设备，以确保电力系统的稳定运行。同时，需要有效地管理和维护输变电终端通信网，包括设备的调试、故障处理、安全防范等。输变电终端通信网为智能电网提供设备状态、用户信息、调度信息等数据传输的可靠通道。按照网络的大小和所处的位置，采取了一种层次的网络架构，即家庭局域网、邻居接入网和广域接入网。其中，家庭局域网作为智能电网中一个非常小但非常重要的子系统，为用户和客户提供了有效的能效管理与需求响应。该通信网的结构如图1 所示[2]。

图1 输变电终端通信网结构

根据图1，分析通信网性能度量指标的覆盖能力、可靠性等，从而构建出输变电终端通信网的频谱感知信号模型[3]。

一般来说，一个已部署的通信网涉及一个关联的覆盖范围。对于点对点链路，可以用可靠度水平或者中断概率来描述2 个点之间的链接距离。这样一个特定的通信网所涵盖的半径或者范围，可以用最大的发送和接收距离来表示，这就符合最低的可靠度[4]。其计算公式为

式中：pout(r)表示通信网收发距离为r时的中断概率；pout,max表示可容忍范围内的最大中断概率。中断概率通常指接收信号强度或信噪比低于保证可靠通信所需的最小阈值的概率。因此，它是评估通信系统性能时的关键指标之一。可以利用链路预算和信道统计信息来计算中断概率值[5]。

检测概率是频谱感知中最重要的通用性能指标，尤其对于输变电终端通信网而言，检测概率在通信网络中具有非常重要的地位。其原因是监管机构和标准化机构要求最大化检测概率以确保能够可靠地检测出使用无线电频谱的在线用户。检测概率的表达公式为

式中：∂表示检测的阈值；α表示检验统计量；h0表示无通信网电信号；h1表示有通信网电信号；Tr表示感知周期。

相对应的频谱感知信号模型的表达式为

式中：z表示信道分量，具有相对的相位、振幅；r(t)表示感知到的通信网电能质量的复基带信号；s(t)表示接收到的主用户信号；v(t)表示加性带限复高斯噪声。

在无线通信中，传输的信号在调制方式、载频和数据率方面显示出极强的循环平稳特性，尤其是超宽带信号。因此，对于一个特定的无线接入系统中的无线电信号，识别出其唯一不变的特征后，可以进行频谱感知的能量检测。

1.2 电能质量频谱感知的能量检测

能量检测的主要原理是在特定频段上，对接收到的电能质量信号进行总能量测量，然后比较测量值与预设的阈值，以判断主信号是否存在。如果统计得到的能量统计值高于预设阈值，则说明该信道存在信号，如果低于一定阈值，则说明接收信号中仅有噪声。这种方法的优点是不需要掌握接收信号的任何特征，属于盲检测算法[6]。接收信号的能量统计数值应服从卡方分布，其表达公式为

式中：u表示时间带宽积；η表示信噪比；表示非中心的卡方分布；表示中心的卡方分布；2u表示自由度；2η表示参数。

若频谱感知信号模型为加性高斯白噪声，则从式（4）卡方分布函数可以推出衡量频谱感知性能的各项参数，检测概率的计算公式为

式中：q表示泛化函数。

如果阈值设置过低，则可能会将噪声误判为信号；如果阈值设置过高，则可能无法检测到信号。因此，需要预设合适的阈值。此外，因为单门限的检测法采用“一刀切”方法，可能导致判断失误，所以提出采用双门限值法判定的能量检测法。这种方法采用高、低两个阈值作为判决门限，其电能质量的能量检测模型如图2 所示。

图2 能量检测

对于电能质量的频谱感知技术还可以基于频谱感知滤波进行匹配感知。匹配滤波检测技术与数字接收机中使用的传统匹配滤波器检测技术完全相同，因此基于频谱感知的匹配滤波器需要了解主用户信号的所有信息（数据率、调制样式、载波频率、脉冲形状等）。设定式（3）中提到的主用户波形实信号s(t)，具有最大信噪比匹配滤波器的采样输出的计算公式为

式中：g表示原始信道；G表示认知信道。

由以上分析可以得出，能量检测在频谱感知技术中实现有效检测。虽然能量检测技术具有诸多优点，但其在检测过程中仍受到噪声不确定度的影响。因此，需要深入了解环境噪声的产生原因和特点，深入研究噪声不确定度这一影响因素，并找到解决这种不确定度的方法，以减少其带来的困扰。

2 实验测试与分析

2.1 实验准备

通过仿真实验分析文章提出的输变电终端通信网电能质量频谱感知技术的性能。首先，实验选用MATLAB 软件作为测试平台，选择合适的实验场地和环境，确保实验过程中不会受到干扰和影响。经分析，选择远离噪声源的安静环境。其次，设定在40 MHz（电压暂升）、55 MHz（电压暂降）、60 MHz（电压中断）、65 MHz（电压尖峰）、70 MHz（电压缺口）、75 MHz（电压脉冲）等频点中存在信号，信噪比设定为-15 dB。最后，输变电终端通信网电能质量频谱感知技术的实验准备需要充分考虑实验目的、设备、场地、方案、人员以及安全等方面，以确保实验的顺利进行和结果的准确性。

2.2 实验结果与分析

根据实验设定，对电能质量的频谱感知信号分别进行定位、检测测试。电能质量频谱感知信号的定位结果如表1 所示，检测结果如表2 所示。

表1 电能质量频谱感知信号的定位结果

表2 电能质量频谱感知信号的检测结果

由表1 结果可知，在对起始时刻进行定位时，电压暂升的检测值与设定值相差最大仅为0.000 8 s，电压中断的检测值与设定值相差最小为0.000 1 s ；在对终止时刻进行定位时，电压中断的检测值与设定值相差最大仅为0.000 7 s，电压尖峰的检测值与设定值相差最小为0.000 1 s。输变电终端通信网电能质量频谱感知技术能够较准确地定位出电能质量的起始和终止时刻。由表2 结果可知，在对信号频率进行检测时，电压暂降的检测值与设定值相差最大仅为0.02 Hz，电压尖峰、电压缺口、电压脉冲的检测值与设定值相同，没有误差；在对信号幅值进行检测时，电压暂生和电压中断的检测值与设定值相差最大仅为0.002 V，电压暂降和电压脉冲的检测值与设定值相同，没有误差。因此，对于扰动发生前的电能质量频谱感知信号，输变电终端通信网电能质量频谱感知技术都能准确检测信号的频率和幅值。

3 结 论

在输变电终端通信网电能质量频谱感知技术研究的过程中，深入探讨了电能质量频谱感知的基本原理、方法以及应用场景。通过分析和实验验证，发现该技术能够有效早期预警和实时监测电能质量问题，为保障电力系统的稳定运行提供了强有力的支持。同时，输变电终端通信网电能质量频谱感知技术的研究和应用仍存在一定的局限性与挑战。例如，对于复杂环境下的信号干扰和噪声处理还需进一步研究和优化。此外，如何将该技术与智能电网等新兴技术相结合，以实现更高效、智能的电力管理也是今后需要深入研究的方向。