擴頻通信在電力節點互聯中的應用

修成林，梁　棟，孫金華，徐　霞，郭　翔（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

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擴頻通信在電力節點互聯中的應用

修成林，梁棟，孫金華，徐霞，郭翔
（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

摘要：能源互聯網對世界能源可持續發展能夠發揮全局性、戰略性引領作用，總結國內外能源互聯網發展的現狀。針對輸電和配電兩個典型電力網絡，給出擴頻通信技術在電力節點互聯應用系統設計方案，并分析了擴頻通信系統在抵抗電力線噪聲干擾和多徑干擾方面的性能。

關鍵詞：能源互聯網；擴頻通信；電力線噪聲；多徑效應

0　引言

能源互聯網是物聯網在能源行業的延伸和發展。能源互聯網利用先進的傳感器、控制和軟件應用程序，將能源產生端、能源傳輸端、能源消費端的數以億計的設備、機器、系統連接起來，形成能源互聯網的基礎。互聯數據的有效傳送，保證數據的準確性、完整性，將是能源互聯網進行諸如大數據分析、負荷預測、發電預測等數據整合的基礎［1］。

2015年2月，國家電網公司正式提出了全球能源互聯網計劃，并認為“全球能源互聯網”，將是以特高壓電網為骨干網架，以輸送清潔能源為主導，全球互聯泛在的堅強智能電網［2］。

擴頻通信技術是近年來迅猛發展的一種通信技術。擴頻通信具有一些其他通信方式無法比擬的優勢，如極強的抗干擾性和保密性。將擴頻通信技術應用到能源互聯網的電力節點互聯中，一方面將有效地確保傳輸數據的準確性，為后續的數據分析提供保障；另一方面又能提升數據的安全性，避免被惡意截獲、提取。合理地應用擴頻通信技術，將有助于提升電力節點物聯水平，推進能源互聯網的建設。

1　國內外研究現狀

1.1國外研究現狀

全球電網一個重要的發展方向就是大電網互聯，這是能源互聯網的核心。世界各國都在積極推進電網互聯工程，歐洲電網互聯、北美電網互聯和俄羅斯—波羅的海電網互聯是能源互聯網推進過程中的3個重要事件。

另外，世界許多地區和科研組織正在積極進行特大型互聯電網的研究和規劃。比較有代表性的是亞洲超級電網規劃和歐洲超級電網規劃。

1998年，俄羅斯率先提出被稱為“亞洲超級圈”的亞洲超級電網規劃。根據對“亞洲超級圈”的規劃，其電力輸送總長度可達3．6萬km，連接俄羅斯、蒙古、中國、日本、韓國5個國家的電網，實現對水電、火電、風電、太陽能等多種能源的綜合傳送。“亞洲超級圈”計劃得到了各國的積極支持，區域之間簽署了合作協議，聯合開展了可行性研究。

歐洲超級電網規劃于2010年發布，參與實施的有法國、德國、英國、瑞典、荷蘭、丹麥、盧森堡、愛爾蘭和比利時共9個國家。該規劃共分為3個階段，第一階段積極發展新能源，以清潔能源代替核電和火電等傳統能源，對現輸電網絡的規模進行擴容；第二階段，加大對大型海上風電廠的建設力度，繼續縮減火電和核電的規模，實現各國海上風電的互聯；第三階段，繼續完善覆蓋整個歐洲的電網體系，實現位于北歐的抽水蓄能設施、風電場和位于南歐的大型光伏電廠與歐洲中心負荷區的電網連接［3］。

1.2國內研究現狀

近年來，中國積極為能源互聯網的發展創造技術、儲備條件，在技術創新、戰略規劃、標準制定和工程建設方面進行了積極的努力和探索。

在技術創新方面，中國積極發展特高壓技術和智能電網技術，在特高壓交、直流輸電和交、直流設備研究中取得了重大突破；在戰略規劃方面，國家電網公司于2009年制定了《堅強智能電網發展規劃綱要》，把中國的智能電網發展分為發展起步、全面建設和完善提升3個階段；在標準制定方面，中國大力推進標準化工作，積極參與國際標準的制定。截至2014年底，中國已經編制智能電網相關國家標準83項，行業標準204項，制定國際標準21項；在工程建設方面，截至2014年底，中國已經建成投運了6條特高壓直流線路和3條特高壓交流線路，國家電網公司在運和在建特高壓線路總長度達1．6萬km，變電容量約1．6億kW，極大地推動了電網互聯的進程，促進了能源互聯網的發展［4］。

2　擴頻技術應用系統設計

輸電、配電網絡是電力系統中非常重要的兩大組成部分。輸電網絡分布范圍廣，地處偏僻，人煙稀少，節點互聯信號依托電力線進行傳輸將是最佳選擇，然而電力線信道特性的不理想將對信號產生嚴重干擾；配電網絡由于其地理環境的復雜性，也會對信號的傳輸帶來一系列問題。輸電、配電系統的電力節點互聯問題，將是能源互聯網發展過程中必須解決的問題。

直接序列擴頻技術具有帶寬大、保密性好、抗干擾強的優點，并且較其他擴頻技術更容易實現，在電力節點互聯中有比較好的應用前景。將針對輸電和配電兩個典型的電力節點網絡，給出擴頻系統的設計方案［5］。

2.1輸電網絡系統設計

電力通信可以依托于四通八達的電力傳輸網絡，不但可以節省成本，減少重復建設和資源浪費，又可以降低人工維護量。但是由于電力傳輸線信道特性不理想，數量龐大的電力負載會產生大量噪聲，使信號迅速衰減并淹沒在噪聲下。因此，電力線載波的通信質量一直不盡如人意。利用擴頻通信技術，可有效地抵御噪聲干擾，提升通信質量［6］。圖1為基于輸電線路電力線載波設計的通信系統。

圖1　電力線載波擴頻通信系統設計方案

在發送端，互聯節點的信號經過一個偽隨機序列（PN碼）調制，頻譜被展寬，成為擴頻信號。然后，為擴頻信號加載本地載波，調制方式為二進制相移鍵控（BPSK），完成調制和對載波的抑制［7］。然后完成數模轉換，將其變為模擬信號，經過結合濾波器送入電力線傳輸。

在接收端，從電力線長距離傳輸過來的信號已經很微弱，需經功率放大后進行下一步處理。經過功率放大的信號經低通濾波器后降低白噪聲和帶外噪聲的干擾，模數轉換后，進行解擴。解擴的方法即為用與發送端相同的PN碼，在同步時鐘的控制下，進行滑動相關。可用聲表面波卷積器實現快速同步捕獲，用抖動跟蹤法實現同步跟蹤［8］。

2.2配電網絡系統設計

電力系統配電網絡要覆蓋城市的每一個角落。在一些地形復雜、高樓林立、樹木繁多的小區，電力節點之間的互聯是困擾電力通信的一個瓶頸。采用光纜敷設等有線通信方式施工難度很大，而傳統的無線通信存在信號受環境干擾嚴重的問題。擴頻通信的應用則可以為配電系統電力節點互聯提供一個有效的途徑。針對配電系統電力節點互聯的通信系統設計如圖2所示。

在周圍環境復雜的居民小區或者建筑群密集的城市環境適合應用本通信系統。

圖2　配電系統電力節點互聯的通信系統設計

系統第一層為硬件層。在需要互聯的配電箱、電力桿塔或其他電力節點上裝設擴頻裝置，同一區域內若干個電力節點都擁有唯一的PN碼序列。

第二層為傳輸層。由于環境的復雜性，信號經建筑物、樹木繞射反射后，會經不同時間段先后到達接收端，形成多徑干擾；某一節點之間的信號的解調會受到其他節點的干擾，形成多址效應。

第三層為應用層。現場接收端將各個互聯節點的信號分別還原，經光電轉換裝置轉換成光信號送給ONU，經EPON（配網）網絡傳回主站端。主站側由OLT設備完成光電信號的轉換。

3　系統的抗干擾性能分析

3.1輸電擴頻系統的抗干擾性能分析

輸電系統的電力節點互聯信號主要依托于電力線進行傳輸。電力線并非理想的通信信道，含有大量的加性噪聲。噪聲來源主要有兩種：來自負載的高頻諧波和白噪聲［9］。

密集分布于整個電力網絡、不同電壓等級的含有非線性元件的電力負載，是電力線高頻諧波的主要來源之一。

對電力線接收機接收的信號k1（t）進行數學建模，可得式中：n（t）為電力線上的加性噪聲；k0（t）為經過擴頻調制的電力節點互聯信號；A為振幅；d（t）為基帶信息序列；為擴頻碼；為載波的頻率；為載波的相位。

式中：α為卷積的積分因子；β為時延。

諧波干擾信號n（t）可以建模為

把式（4）帶入式（3），可得

-∞頻信號功率譜密度；N為擴頻碼長度；Pk為噪聲原功率；G為擴頻比，即擴頻碼速與信號速率之比；H（f）為系統函數h（t）的傅里葉變換。

由式（6）可以看出，諧波干擾的輸出功率變成了原輸入功率的1/G。G越大，諧波干擾的輸出功率越低。具體在實際應用中，可根據電力網絡中實際的噪聲情況，選擇不同長度的擴頻序列。

白噪聲是電力線噪聲的另一主要來源［10］。白噪聲的功率譜密度在整個頻帶內均勻分布，理論上具有無限的帶寬。可以證明，擴頻技術對于平穩隨機信號（噪聲）的抑制能力正比于擴頻信號與噪聲信號的帶寬比。在噪聲信號與擴頻信號帶寬相仿或大于擴頻信號的情況下，擴頻技術對噪聲功率的抑制不起作用。因此，在接收系統前端要加一級低通濾波器，濾除帶外高頻部分，削弱白噪聲的影響。

3.2配電網絡擴頻系統的抗干擾性能分析

城市建筑物比較密集，樹木繁多，若采用無線通信方式存在較為嚴重的多徑衰落和干擾問題。城市環境可以建模為瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）模型。

假設經過信道傳輸，一共產生m個多徑信號，傳播時延用τ表示，衰落為頻率選擇性衰落［8］，則瑞利信道系統模型h（τ，t）可以表示為

在現場無線設備接收端，設接收信號m（t）的幅值為A，傳播時延為，則m（t）可以表示為

假設信號到達接收端，有L條多徑路徑，第i （i=1，2，3，…，L）條路徑到達接收端時延為τi，信號衰減系數為，設發射端與接收端同步，則接收信號可以表示為

將式（9）改寫為以下形式：

由式（10）可以看出，解擴后信號的幅值大小與擴頻碼字的自相關函數R（t）有關。在相關的過程中，擴頻序列只有在完全重合時具有非常明顯的自相關峰值，其他時刻與噪聲很相似。因此，擴頻系統對多徑效應不敏感。，即多徑干擾為碼片外干擾（為一個碼片周期）時，干擾信號輸出的平均值E（t）滿足：

由式（12）可以看出，多徑干擾信號與有用信號ATcdi的符號相同，有用信號ATcdi≥0，m（t）≥0，此時的多徑干擾作為有用信號的一部分，增強了有用信號，部分影響有用信號的幅值，但不會影響偽隨機序列的寬度。

某一電力節點的信號接收不但受自身信號多徑效應的影響，也會受到其他互聯節點信號的干擾（即多址效應）。應對多徑效應與擴頻序列的自相關特性有關，而多址效應則關系到其互相關特性。在環境比較復雜的配電網絡，擴頻序列建議選用正交Gold序列。正交Gold序列數目遠遠超過m序列優選對的數目，而且其最大互相關主瓣衰減較大，具有比較好的互相關特性。關于擴頻系統對多址效應的抑制能力，可參考文獻［11］。

4　結語

能源互聯是全球能源行業發展的大趨勢。有了智能電網的數字化基礎，能源互聯網帶來的不僅是互聯網理念對能源行業的根本性變革，而且也會隨之產生爆炸式的信息數據。擴頻通信技術作為通信領域的尖端產品，在軍用和民用通信領域迅猛發展的同時，在電力系統中的應用也在引發人們的關注。在能源互聯網的快速發展過程中，擴頻通信技術在實現電力節點互聯，保證通信可靠性、安全性方面，必將大有作為。

參考文獻

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［2］毛六平，李晟，羅文欽．擴頻通信及其在電力系統通信中的應用［J］．湖南大學學報（自然科學版），2000，27（2）：38-42．

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［4］董朝陽，趙俊華，文福拴．從智能電網到能源互聯網［J］．電力系統自動化，2014，38（15）：1-3．

［5］劉影，謝馳．基于并行擴頻技術降低電力通信電源的電磁干擾研究［J］．電網清潔與能源，2014，30（5）：22-25．

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［9］林建宇．基于擴頻通信技術的電力監控系統設計［J］．上海電力學院學報，2011，27（3）：257-260．

［10］郝張紅．直接序列擴頻通信系統中的時變干擾抑制關鍵技術研究［D］．成都：電子科技大學，2013．

［11］王娟．無線擴頻通信系統及其多用戶干擾抑制方法的研究與實現［D］．成都：電子科技大學，2009．

孫金華（1985），男，工程師，從事電力系統通信運行分析及維護工作；

徐霞（1986），女，工程師，從事電力系統通信運行分析及維護工作；

郭翔（1987），男，工程師，從事電力系統營銷工作。

·專題論述·

External Insulation Improvement of Transm ission Lines in±660 kV Yinchuan-Jiaodong HVDC

LIU Hui1，WANG Hongchuan2，SHEN Hao3，HAN Zhengxin2，WANG Jin2
（1．State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；
2．State Grid Shandong Electric Power maintenance company，Jinan 250000，China；3．Guangxi University，Nanning 530000，China）

Abstract: The voltage level of±660 kV Yinchuan-Jiaodong HVDC transmission line is a new DC transmission voltage level in China．Since 2010 after the Yinchuan-Jiaodong transmission line was put into operation，abnormal discharges occurred at several times which accordingly resulting in the reduced voltage operation of the line．The abnormal discharge phenomena of No．1894 tower in the Yinchuan-Jiaodong transmission line were studied．Effects of the local environment and pollution degree on discharge were analyzed．On this basis，countermeasures of the abnormal discharge were proposed for the N o．1894 tower，even for the whole transmission line．

Key words: Yinchuan-Jiaodong HVDC transmission line；±600 kV；abnormal discharge

Application of Spread Spectrum Communication in Power Node Interconnection

XIU Chenglin，LIANG Dong，SUN Jinhua，XU Xia，GUO Xiang
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Key words:energy internet；spread spectrum communication；noise of power line；multi-path interference

Abstract:For the sustainable development of energy，internet plays an overall and strategic leading role．Development of the energy internet in the world is summarized．For power transmission network and power distribution network，two typical designs of power nodes interconnected with spread spectrum communication are proposed．Performances of spread spectrum communication in weakening noise which comes from power lines and multi-path interference are analyzed．

中圖分類號：TN914．42

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）02-0017-04

收稿日期：2015-09-14

作者簡介：修成林（1986），男，工程師，從事電力系統運行分析及運維工作；梁棟（1986），男，工程師，從事電力系統通信運行分析及維護工作；