輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術研究

金 鑫，刁培磊

（聊城新瑞能電氣有限公司，山東 聊城 252000）

0 引 言

隨著現代電力系統的不斷發展，對電能質量的要求也越來越高。輸變電終端通信網的電能質量直接影響著整個電力系統的穩定性和可靠性。電能質量頻譜感知技術的主要研究對象是電能質量的頻譜信息，如電壓、電流、頻率等參數的頻譜特性。通過對這些頻譜特性的分析，可以了解電能質量的各種指標，如電壓波動、諧波、閃變等。因此，監測和管理輸變電終端通信網的電能質量十分重要。近年來，隨著信號處理技術和通信技術的發展，電能質量頻譜感知技術逐漸成為研究的熱點。該技術能夠實現對電能質量問題的早期預警和實時監測，為保障電力系統的穩定運行提供了強有力的支持。因此，開展對輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術的研究具有重要的現實意義[1]。

1 輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術的設計

1.1 構建輸變電終端通信網的頻譜感知信號模型

光纖通信具有傳輸速率高、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點，是輸變電終端通信網的主要通信方式之一。無線通信則具有靈活方便、可擴展性強等優點，適用于一些臨時性或移動性的場景。在輸變電終端通信網中，通常需要遠程監控和管理輸電線路與變電設備，以確保電力系統的穩定運行。同時，需要有效地管理和維護輸變電終端通信網，包括設備的調試、故障處理、安全防范等。輸變電終端通信網為智能電網提供設備狀態、用戶信息、調度信息等數據傳輸的可靠通道。按照網絡的大小和所處的位置，采取了一種層次的網絡架構，即家庭局域網、鄰居接入網和廣域接入網。其中，家庭局域網作為智能電網中一個非常小但非常重要的子系統，為用戶和客戶提供了有效的能效管理與需求響應。該通信網的結構如圖1 所示[2]。

圖1 輸變電終端通信網結構

根據圖1，分析通信網性能度量指標的覆蓋能力、可靠性等，從而構建出輸變電終端通信網的頻譜感知信號模型[3]。

一般來說，一個已部署的通信網涉及一個關聯的覆蓋范圍。對于點對點鏈路，可以用可靠度水平或者中斷概率來描述2 個點之間的鏈接距離。這樣一個特定的通信網所涵蓋的半徑或者范圍，可以用最大的發送和接收距離來表示，這就符合最低的可靠度[4]。其計算公式為

式中：pout(r)表示通信網收發距離為r時的中斷概率；pout,max表示可容忍范圍內的最大中斷概率。中斷概率通常指接收信號強度或信噪比低于保證可靠通信所需的最小閾值的概率。因此，它是評估通信系統性能時的關鍵指標之一。可以利用鏈路預算和信道統計信息來計算中斷概率值[5]。

檢測概率是頻譜感知中最重要的通用性能指標，尤其對于輸變電終端通信網而言，檢測概率在通信網絡中具有非常重要的地位。其原因是監管機構和標準化機構要求最大化檢測概率以確保能夠可靠地檢測出使用無線電頻譜的在線用戶。檢測概率的表達公式為

式中：?表示檢測的閾值；α表示檢驗統計量；h0表示無通信網電信號；h1表示有通信網電信號；Tr表示感知周期。

相對應的頻譜感知信號模型的表達式為

式中：z表示信道分量，具有相對的相位、振幅；r(t)表示感知到的通信網電能質量的復基帶信號；s(t)表示接收到的主用戶信號；v(t)表示加性帶限復高斯噪聲。

在無線通信中，傳輸的信號在調制方式、載頻和數據率方面顯示出極強的循環平穩特性，尤其是超寬帶信號。因此，對于一個特定的無線接入系統中的無線電信號，識別出其唯一不變的特征后，可以進行頻譜感知的能量檢測。

1.2 電能質量頻譜感知的能量檢測

能量檢測的主要原理是在特定頻段上，對接收到的電能質量信號進行總能量測量，然后比較測量值與預設的閾值，以判斷主信號是否存在。如果統計得到的能量統計值高于預設閾值，則說明該信道存在信號，如果低于一定閾值，則說明接收信號中僅有噪聲。這種方法的優點是不需要掌握接收信號的任何特征，屬于盲檢測算法[6]。接收信號的能量統計數值應服從卡方分布，其表達公式為

式中：u表示時間帶寬積；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表示參數。

若頻譜感知信號模型為加性高斯白噪聲，則從式（4）卡方分布函數可以推出衡量頻譜感知性能的各項參數，檢測概率的計算公式為

式中：q表示泛化函數。

如果閾值設置過低，則可能會將噪聲誤判為信號；如果閾值設置過高，則可能無法檢測到信號。因此，需要預設合適的閾值。此外，因為單門限的檢測法采用“一刀切”方法，可能導致判斷失誤，所以提出采用雙門限值法判定的能量檢測法。這種方法采用高、低兩個閾值作為判決門限，其電能質量的能量檢測模型如圖2 所示。

圖2 能量檢測

對于電能質量的頻譜感知技術還可以基于頻譜感知濾波進行匹配感知。匹配濾波檢測技術與數字接收機中使用的傳統匹配濾波器檢測技術完全相同，因此基于頻譜感知的匹配濾波器需要了解主用戶信號的所有信息（數據率、調制樣式、載波頻率、脈沖形狀等）。設定式（3）中提到的主用戶波形實信號s(t)，具有最大信噪比匹配濾波器的采樣輸出的計算公式為

式中：g表示原始信道；G表示認知信道。

由以上分析可以得出，能量檢測在頻譜感知技術中實現有效檢測。雖然能量檢測技術具有諸多優點，但其在檢測過程中仍受到噪聲不確定度的影響。因此，需要深入了解環境噪聲的產生原因和特點，深入研究噪聲不確定度這一影響因素，并找到解決這種不確定度的方法，以減少其帶來的困擾。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

通過仿真實驗分析文章提出的輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術的性能。首先，實驗選用MATLAB 軟件作為測試平臺，選擇合適的實驗場地和環境，確保實驗過程中不會受到干擾和影響。經分析，選擇遠離噪聲源的安靜環境。其次，設定在40 MHz（電壓暫升）、55 MHz（電壓暫降）、60 MHz（電壓中斷）、65 MHz（電壓尖峰）、70 MHz（電壓缺口）、75 MHz（電壓脈沖）等頻點中存在信號，信噪比設定為-15 dB。最后，輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術的實驗準備需要充分考慮實驗目的、設備、場地、方案、人員以及安全等方面，以確保實驗的順利進行和結果的準確性。

2.2 實驗結果與分析

根據實驗設定，對電能質量的頻譜感知信號分別進行定位、檢測測試。電能質量頻譜感知信號的定位結果如表1 所示，檢測結果如表2 所示。

表1 電能質量頻譜感知信號的定位結果

表2 電能質量頻譜感知信號的檢測結果

由表1 結果可知，在對起始時刻進行定位時，電壓暫升的檢測值與設定值相差最大僅為0.000 8 s，電壓中斷的檢測值與設定值相差最小為0.000 1 s ；在對終止時刻進行定位時，電壓中斷的檢測值與設定值相差最大僅為0.000 7 s，電壓尖峰的檢測值與設定值相差最小為0.000 1 s。輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術能夠較準確地定位出電能質量的起始和終止時刻。由表2 結果可知，在對信號頻率進行檢測時，電壓暫降的檢測值與設定值相差最大僅為0.02 Hz，電壓尖峰、電壓缺口、電壓脈沖的檢測值與設定值相同，沒有誤差；在對信號幅值進行檢測時，電壓暫生和電壓中斷的檢測值與設定值相差最大僅為0.002 V，電壓暫降和電壓脈沖的檢測值與設定值相同，沒有誤差。因此，對于擾動發生前的電能質量頻譜感知信號，輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術都能準確檢測信號的頻率和幅值。

3 結 論

在輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術研究的過程中，深入探討了電能質量頻譜感知的基本原理、方法以及應用場景。通過分析和實驗驗證，發現該技術能夠有效早期預警和實時監測電能質量問題，為保障電力系統的穩定運行提供了強有力的支持。同時，輸變電終端通信網電能質量頻譜感知技術的研究和應用仍存在一定的局限性與挑戰。例如，對于復雜環境下的信號干擾和噪聲處理還需進一步研究和優化。此外，如何將該技術與智能電網等新興技術相結合，以實現更高效、智能的電力管理也是今后需要深入研究的方向。