營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道噪聲小波包分析研究

李 波 林 聰 曹 敏 劉清蟬 孫恩釗 李 川 謝 濤

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.中國(guó)南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650051)

營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道噪聲小波包分析研究

李 波1,2林 聰1,2曹 敏1,2劉清蟬1,2孫恩釗3李 川3謝 濤3

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.中國(guó)南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650051)

應(yīng)用寬帶電力線載波通信(H-PLC)搭建營(yíng)配融合通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)信道噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響很大。首先分析營(yíng)配融合通信網(wǎng)主干通信信道，選擇3個(gè)典型通信環(huán)境進(jìn)行信號(hào)采集，根據(jù)信噪比選擇最優(yōu)小波基對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。結(jié)果表明：信道噪聲受高壓線影響較大，通過(guò)選擇最優(yōu)小波基進(jìn)行小波包去噪能有效去除信道噪聲。

噪聲分析 載波信道 營(yíng)配融合通信網(wǎng) 寬帶電力線載波通信 小波包

電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問(wèn)題，電力線上電壓高、電流大、噪聲大、負(fù)載種類(lèi)多[1～6]，要在電力線上傳輸信號(hào)，就對(duì)技術(shù)設(shè)備的抗干擾性和穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。Zimmermann M和Dostert K將電力線的噪聲進(jìn)行了分類(lèi)和建模，包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、與電網(wǎng)工頻異步的周期性脈沖噪聲、與電網(wǎng)工頻同步的周期性脈沖噪聲和異步脈沖噪聲[7]。蔡世龍等對(duì)中壓電力線的傳輸特性進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)變電站處阻抗的電阻分量較小，電抗分量較大，且在100～450kHz頻段內(nèi)容易呈現(xiàn)容性[8]。李艷龍等對(duì)配電網(wǎng)載波通信進(jìn)行估算(不通順)，估算出10kV配電變壓器、分支線、變電站、架空線及電纜串聯(lián)等的影響，主要還是沿用高壓載波的分析思路，誤差較大[9，10]。孫秀娟等針對(duì)電力線上的信號(hào)衰減和干擾特性，提出了幾種改善通信質(zhì)量的抗干擾措施[11]。史賢俊等提出了一種基于Shannon熵準(zhǔn)則的最優(yōu)小波包基信號(hào)去噪算法，對(duì)某型導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀信號(hào)進(jìn)行去噪[12]。

筆者選擇了3個(gè)典型的通信環(huán)境進(jìn)行信號(hào)采集，根據(jù)信噪比的大小選擇出最優(yōu)小波基。通過(guò)最優(yōu)小波基處理采集信號(hào)，分析對(duì)營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道噪聲影響較大的因素。

1 小波包降噪算法①

1.1 小波包基本原理

對(duì)平方可積實(shí)數(shù)空間L2(R)進(jìn)行多分辨率分析，得到小波包逼近空間的表達(dá)式為：

L2(R)=…⊕W-1⊕W0⊕W1⊕…=⊕Wj,?j∈Z

(1)

式中j——尺度因子；

Wj——小波函數(shù)空間；

⊕——兩個(gè)子空間的正交和。

由式(1)可知，根據(jù)不同尺度因子j，將Hibert空間L2(R)分解為小波空間Wj(j∈Z)的正交和，小波包分析就是按照二進(jìn)制對(duì)Wj進(jìn)行頻帶細(xì)分，以達(dá)到提高頻率分辨率的目的。三層小波包分解如圖1所示。

圖1 三層小波包分解

圖1中的節(jié)點(diǎn)(0，0)為待分解原始信號(hào)，節(jié)點(diǎn)(i，j)(i=0，1，…，7)為第i層分解的第j組系數(shù)。

小波包分析的實(shí)質(zhì)就是對(duì)上一層的低頻與高頻部分同時(shí)進(jìn)行分解，因而它具有更精確的局部分析能力。

1.2小波包降噪算法

小波包降噪就是根據(jù)噪聲與信號(hào)在不同頻帶上的不同特性，將各尺度上的小波分量，尤其是那些噪聲分量占主導(dǎo)地位的尺度上的噪聲小波分量去掉，而保留下來(lái)的小波包系數(shù)就可以認(rèn)為是原始小波包系數(shù)。小波包降噪的關(guān)鍵是濾去由噪聲產(chǎn)生的小波包分解系數(shù)。采用系統(tǒng)默認(rèn)閾值對(duì)小波包分解的系數(shù)進(jìn)行處理，就是將大于閾值的小波包系數(shù)保留下來(lái)重構(gòu)信號(hào)，而將小于或等于默認(rèn)閾值的小波包系數(shù)進(jìn)行置零處理。

將在不同地點(diǎn)采集的信號(hào)分別用db2、haar、sym6小波包基進(jìn)行三層分解，去噪后再對(duì)信號(hào)做頻譜分析，通過(guò)比較信噪比的大小即可得到最優(yōu)小波基[13～17]。整個(gè)過(guò)程的算法流程如圖2所示。

圖2 小波包降噪算法流程

2 信號(hào)采集

此次所研究的數(shù)據(jù)采集于35kV白邑變電站。選擇從35kV白邑變電站輸出的10kV白邑線，該線路全長(zhǎng)15.487km，途徑平地、丘陵及山地等多種環(huán)境，具有較強(qiáng)的代表性。通過(guò)對(duì)10kV白邑線電網(wǎng)環(huán)境的考察分析，依據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)H-PLC營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道技術(shù)方案(營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道示意圖詳見(jiàn)文獻(xiàn)[18])，對(duì)低壓集抄、配電終端、專(zhuān)變用戶(hù)及銜接線路等電力設(shè)施做詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，測(cè)量電力線中的雜訊情況，證實(shí)該線路符合H-PLC通信要求。

在本次信號(hào)采集期間，針對(duì)不同的環(huán)境，挑選了3個(gè)采集點(diǎn)，具體如下：

a. 1號(hào)采集點(diǎn)。該處距離終端基站680m，周邊基本沒(méi)有其他設(shè)施的干擾，采用單耦合方式，信號(hào)比較強(qiáng)。

b. 2號(hào)采集點(diǎn)。距離1號(hào)采集點(diǎn)1.6km，由于該點(diǎn)附近有500kV的高壓輸電線路通過(guò)，采用的是負(fù)控終端和集差雙耦合技術(shù)來(lái)弱化干擾。因此，針對(duì)此環(huán)境，采集該處的信號(hào)，具有相對(duì)的代表性。

c. 3號(hào)采集點(diǎn)。距離2號(hào)采集點(diǎn)1.4km，附近有800kV的高壓輸電線路通過(guò)，采用的也是負(fù)控終端和集差雙耦合技術(shù)來(lái)弱化干擾。

采用TPS-2024數(shù)字信號(hào)示波器在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，在不同環(huán)境下均采取兩組數(shù)據(jù)，按照相關(guān)規(guī)范，技術(shù)人員將示波器連接在PLC系統(tǒng)回路上，采集到混合信號(hào)，將該混合信號(hào)的時(shí)域波形圖和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)起來(lái)。現(xiàn)場(chǎng)分別采集多組數(shù)據(jù)，以便用于統(tǒng)計(jì)分析，可以進(jìn)行比較。

3 信號(hào)處理結(jié)果與分析

對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波包分解后，得到的信號(hào)時(shí)域波形和噪聲波形如圖3所示。

圖3 各個(gè)信號(hào)的時(shí)域波形

對(duì)3個(gè)采集點(diǎn)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波包分解，去噪并進(jìn)行頻譜分析后得到不同小波基下信號(hào)的信噪比(表1)。可見(jiàn)，在同一地點(diǎn)，使用sym6作為小波基來(lái)處理信號(hào)，能得到最大的信噪比。因而，在處理中壓信道信號(hào)中，用sym6小波基對(duì)信號(hào)使用小波包變換，能有效地去除噪聲。

表1 3種小波基下信號(hào)的信噪比 dB

對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行兩次采集，采用最優(yōu)小波基sym6進(jìn)行分解，去噪并進(jìn)行頻譜分析后得到兩次采集信號(hào)的信噪比如下：

1號(hào)采集點(diǎn) 25.57dB、21.39dB

2號(hào)采集點(diǎn) 5.19dB、8.10dB

3號(hào)采集點(diǎn) 1.06dB、1.49dB

可以看出，1號(hào)采集點(diǎn)周?chē)捎跊](méi)有高壓線的干擾，信噪比較高；2號(hào)采集點(diǎn)周?chē)?00kV高壓線，信噪比明顯比1號(hào)采集點(diǎn)的低，說(shuō)明高壓線對(duì)信道中的噪聲有較大影響；3號(hào)采集點(diǎn)周?chē)?00kV高壓線，信噪比最低，說(shuō)明高壓線中的電壓越高，對(duì)信道中的噪聲影響越大。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了分析周?chē)h(huán)境中高壓線對(duì)營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道的影響，將采用3種不同的小波基分解采集到的信號(hào)進(jìn)行小波去噪，通過(guò)比較信噪比即可得到最優(yōu)小波基。然后利用最優(yōu)小波基對(duì)不同采集點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行小波包分解和重構(gòu)，得到信號(hào)的信噪比。使用最優(yōu)小波基處理不同地點(diǎn)采集到的信號(hào)，通過(guò)對(duì)比其信噪比，并結(jié)合采集點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境，可知高壓線對(duì)營(yíng)配融合通信網(wǎng)信道有較高的影響，當(dāng)電壓越高時(shí)信道中的噪聲越大，信噪比就越低。

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ChannelNoiseWaveletPacketAnalysisinMarketingandAssignableCommunicationNetwork

LI Bo1,2, LIN Cong1,2, CAO Min1,2, LIU Qing-chan1,2, SUN En-zhao3, LI Chuan3, XIE Tao3

(1.ElectricPowerResearchInstitute,YunnanPowerGridCo.,Ltd.,Kunming650217,China; 2.CSGKeyLaboratoryforElectricPowerMeasurement,Kunming650217,China; 3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

H-PLC (broadband power line carrier communications) was applied to establish marketing and assignable communication network, the result shows that channel noise can influence communication quality much. Analyzing the converged communication network’s main communication channel, selecting three typical communication environments for signal acquisition and choosing the optimal wavelet bases to denoise the signals were implemented to show that, the high-voltage lines can influence the channel noise much and selecting the optimal wavelet basis for wavelet packet denoising can effectively remove channel noise.

noise analysis, carrier channel, marketing and assignable communication network, H-PLC, wavelet packet

TH865

B

1000-3932(2016)12-1296-04

2016-09-20(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51567013)