本發(fā)明屬于低壓電力線信道測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)變工況環(huán)境的電力線通信信道分析方法。

背景技術(shù)：

由于不需要架設(shè)專用的通信線路，電力線通信技術(shù)具有成本低、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是電力系統(tǒng)的基本通信方式之一，也是電力系統(tǒng)的主要通信方式。同時(shí)由于電力線網(wǎng)絡(luò)起初只是用來傳輸電能，不是專為通信設(shè)計(jì)，其惡劣的信道和復(fù)雜的噪聲環(huán)境最為嚴(yán)重,成為制約其技術(shù)進(jìn)展的瓶頸。特別是現(xiàn)今電力系統(tǒng)中大量存在變工況負(fù)載，變工況負(fù)載不是始終運(yùn)行于額定工況，而是處于變工況的工作狀態(tài)，可以適應(yīng)負(fù)荷的快速變化，尤其是大型工礦企業(yè),其中大部分的負(fù)載是由感應(yīng)多速電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，這種由大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備在運(yùn)行過程中能耗較大，其所處的電力線信道特征相對(duì)于傳統(tǒng)低壓電力用戶臺(tái)區(qū)可能會(huì)存在一些差異，電力線噪聲對(duì)載波模塊通信影響也會(huì)不同，因此有必要進(jìn)行相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?；诖?，針對(duì)負(fù)荷和工況都大幅度變化的情況，本申請(qǐng)對(duì)華北油田抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境下的電力線信道特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，包括阻抗特性，噪聲特性以及PLC通信成功率的測(cè)試。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexig，正交頻分復(fù)用)是一種多載波傳輸技術(shù)，可以有效抑制碼間干擾，大大減小信道均衡的復(fù)雜度，而且能夠有選擇性的使用頻譜，基于OFDM的自適應(yīng)電力線載波通信技術(shù)是未來PLC系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，子載波的動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合與電力線信道狀況密切相關(guān)，通過認(rèn)知信道狀況可以智能管理PLC信號(hào)頻譜，避開噪聲干擾。由于測(cè)量噪聲的時(shí)域和傳統(tǒng)的頻域分析并不能反映信號(hào)的時(shí)頻特性，以及噪聲信號(hào)的非平穩(wěn)性，通過對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析能夠較準(zhǔn)確地分析信道的噪聲狀況，魏格納分布的時(shí)頻域聯(lián)合分析是在時(shí)頻交合平面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提供了各個(gè)頻譜分量的瞬時(shí)特性。在低壓電力線傳輸時(shí)，總的信道特點(diǎn)是：載波信號(hào)傳輸衰減嚴(yán)重，同時(shí)電力線路中各種負(fù)載運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾噪聲，而且線路的阻抗特性動(dòng)態(tài)變化使得載波信號(hào)的接收效率降低。載波信號(hào)的衰減與載波頻率、傳輸距離及路徑結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于變工況負(fù)載不是始終運(yùn)行于額定工況，負(fù)荷具有時(shí)變性和隨機(jī)性，故衰減特性也將具有時(shí)變性和隨機(jī)性。同時(shí)變工況負(fù)載運(yùn)行過程中在不同節(jié)點(diǎn)處和不同時(shí)刻的電壓電流將急劇變化，會(huì)產(chǎn)生各種干擾噪聲，而且不同頻率對(duì)應(yīng)的阻抗特性也會(huì)不同。

由于電力線網(wǎng)絡(luò)起初只是用來傳輸電能，不是專為通信設(shè)計(jì)的，電力網(wǎng)中的負(fù)載多種多樣，產(chǎn)生的噪聲也各不相同，因此低壓電力線信道中的噪聲并不是常見的高斯白噪聲，復(fù)雜的噪聲環(huán)境已成為制約其他技術(shù)進(jìn)展的瓶頸。要在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)高速通信，必須充分了解電力線信道的噪聲特性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，可以把噪聲分為背景噪聲(包括有色背景噪聲、窄帶噪聲和異步于工頻的周期脈沖噪聲)和脈沖噪聲(包括同步于工頻的周期脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲)。前3種噪聲(分別為有色背景噪聲、窄帶噪聲和異步于工頻的周期脈沖噪聲)隨時(shí)間變化緩慢，并且噪聲幅度很小。后2種噪聲(同步于工頻的周期脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲)的時(shí)變性強(qiáng)，噪聲幅度大，是引起數(shù)據(jù)傳輸中位或串的突發(fā)性誤碼，給數(shù)據(jù)傳輸造成很大誤差的主要噪聲。

為了驗(yàn)證時(shí)頻分析的優(yōu)越性，可以利用MATLAB/SIMULINK仿真復(fù)雜信道環(huán)境下的噪聲，該噪聲根據(jù)以上五種噪聲模型的產(chǎn)生數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和類型合成，含有豐富的脈沖噪聲，可以發(fā)現(xiàn)合成噪聲的時(shí)變性很大，但從此時(shí)域圖并不能知道噪聲的頻率特性。而傳統(tǒng)的頻譜分析，如傅里葉變換，雖然可以知道信號(hào)的頻率特性，卻無法提供信號(hào)的各個(gè)頻譜分量的時(shí)域分布。這就是說，如果某一頻率的噪聲幅度很小，采用傳統(tǒng)的頻譜分析會(huì)造成這是最佳的傳輸PLC信號(hào)頻率的假象，但若此頻率噪聲時(shí)變性很大，則會(huì)影響PLC信號(hào)檢測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成很大誤差。而魏格納時(shí)頻分析圖可以清楚的表明信號(hào)中頻率隨時(shí)間變化的特性，不僅可以看出各個(gè)頻率分量的噪聲大小，還可以知道噪聲在這一頻段的時(shí)變性大小，即噪聲的平穩(wěn)性。通過測(cè)試知道電力線信道的噪聲十分復(fù)雜，不是加性高斯白噪聲，它是一種時(shí)變?cè)肼?。由于噪聲信?hào)的非平穩(wěn)性，通過對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析能夠較準(zhǔn)確地分析信道的噪聲狀況。

由于變工況負(fù)載運(yùn)行機(jī)理復(fù)雜，工況和負(fù)荷處于不斷變化狀態(tài)，在不同節(jié)點(diǎn)處的電壓電流會(huì)急劇變化，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電力線噪聲很難通過仿真實(shí)現(xiàn)。本申請(qǐng)通過對(duì)華北油田抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境下的電力線信道特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來分析變工況負(fù)載對(duì)電力線信道特性的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)變工況環(huán)境的電力線通信信道分析方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案。

一種針對(duì)變工況環(huán)境的電力線通信信道分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

A.對(duì)變工況環(huán)境進(jìn)行電力線信道測(cè)試；

B.使用MATLAB仿真電力線信道的噪聲，得到各種仿真噪聲；

C.將各種仿真噪聲合成得到合成噪聲，采用魏格納分布，通過基于短時(shí)傅里葉變換的自譜窗函數(shù)，得到抑制交叉干擾的魏格納分布；

D.通過分析噪聲信號(hào)的魏格納分布來判斷信道狀況，為電力線通信信道載波頻段提供依據(jù)。

進(jìn)一步，步驟A中所述測(cè)試包括阻抗測(cè)試，噪聲測(cè)試以及PLC通信成功率測(cè)試。

進(jìn)一步，步驟C中所述魏格納分布為

$W_s(t,f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})s^{*}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中s(t)是合成噪聲信號(hào)，t為時(shí)間，τ為積分因子，f是進(jìn)行分析的頻率，“*”表示取復(fù)共軛，即實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)；

所述抑制交叉干擾的魏格納分布為

W_F(t,f)＝W_s(t,f)F(t,w) (2)

其中，F(xiàn)(t,w)是自譜窗函數(shù)，表達(dá)式為

$F(t,w)={\left|{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)h(\mathrm{\τ}-t)e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\right|}^2---\left(3\right)$

其中，h為F(t,w)在時(shí)域的沖激響應(yīng)函數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：基于魏格納分布對(duì)電力線信道噪聲進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，能夠較準(zhǔn)確地分析信道的噪聲狀況，可以清楚地表明信號(hào)中頻率隨時(shí)間變化的特性，不僅可以看出各個(gè)頻率分量的噪聲大小，還可以知道噪聲在這一頻段的時(shí)變性大小，即噪聲的平穩(wěn)性。

附圖說明

圖1為抽油機(jī)供電系統(tǒng)示意圖。

圖2為噪聲測(cè)試方框圖。

圖3為通信成功率測(cè)試方案圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一種針對(duì)變工況環(huán)境的電力線通信信道分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

A.對(duì)變工況環(huán)境進(jìn)行電力線信道測(cè)試；

B.使用MATLAB仿真電力線信道的噪聲，得到各種仿真噪聲；

C.將各種仿真噪聲合成得到合成噪聲，采用魏格納分布，通過基于短時(shí)傅里葉變換的自譜窗函數(shù)，得到抑制交叉干擾的魏格納分布；

D.通過分析噪聲信號(hào)的魏格納分布來判斷信道狀況，為電力線通信信道載波頻段提供依據(jù)。

其中，步驟A中所述測(cè)試包括阻抗測(cè)試，噪聲測(cè)試以及PLC通信成功率測(cè)試。

其中，步驟C中所述魏格納分布為

$W_s(t,f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})s^{*}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中s(t)是合成噪聲信號(hào)，t為時(shí)間，τ為積分因子，f是進(jìn)行分析的頻率，“*”表示取復(fù)共軛，即實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)；

所述抑制交叉干擾的魏格納分布為

W_F(t,f)＝W_s(t,f)F(t,w) (2)

其中，F(xiàn)(t,w)是自譜窗函數(shù)，表達(dá)式為

$F(t,w)={\left|{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)h(\mathrm{\τ}-t)e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\right|}^2---\left(3\right)$

其中，h為F(t,w)在時(shí)域的沖激響應(yīng)函數(shù)。

以下以華北油田抽油機(jī)為例進(jìn)行說明。華北油田抽油機(jī)由拖動(dòng)其抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的三相交流電機(jī)由附近的架空變壓器供電。抽油機(jī)供電系統(tǒng)見圖1所示。測(cè)試點(diǎn)選擇在抽油機(jī)旁邊的配電控制箱處，由于抽油機(jī)實(shí)際供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境比較簡(jiǎn)單，路徑結(jié)構(gòu)單一，并無分支結(jié)構(gòu)，因此對(duì)衰減特性影響較小。另外，華北油田供電公司在設(shè)備運(yùn)維方面設(shè)置了一些限制。測(cè)試內(nèi)容包括阻抗測(cè)試，噪聲測(cè)試以及PLC通信成功率的測(cè)試。

低壓電力線載波通信信道的輸入阻抗是指在信號(hào)發(fā)送裝置和信號(hào)接收裝置驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處配電網(wǎng)的等效阻抗，載波通信電路阻抗匹配時(shí)，能夠提高載波信號(hào)發(fā)送、接收電路的效率。分別測(cè)試電力線載波信道測(cè)試儀測(cè)量油田電網(wǎng)抽油機(jī)電機(jī)正常工作和停止運(yùn)行兩種情況下三相電動(dòng)機(jī)處的電力線信道接入阻抗，觀察阻抗在30-500kHz低頻下的變化情況，得到電力線變工況情況下的阻抗特性。

對(duì)抽油機(jī)工作時(shí)配電箱相噪聲測(cè)試的框圖如圖2所示。電力線噪聲通過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合至示波器，示波器獲取噪聲數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)后再傳輸至PC機(jī)進(jìn)行譜分析。耦合網(wǎng)絡(luò)主要有兩個(gè)作用：一是使測(cè)試儀器與220v的強(qiáng)電隔離，保證測(cè)試設(shè)備的安傘；二足耦合網(wǎng)絡(luò)中的濾波器對(duì)測(cè)試頻段外的噪聲進(jìn)行濾波，減少干擾。通過分別測(cè)試抽油機(jī)電機(jī)正常工作/停止運(yùn)行時(shí)的噪聲，可以得到抽油機(jī)對(duì)電力線信道噪聲的影響。

為了說明抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電力線噪聲對(duì)載波模塊通信影響，本申請(qǐng)分別在抽油機(jī)工作和停止時(shí)測(cè)量抄控器單向透?jìng)魍ㄐ懦晒β?，測(cè)試方案圖如圖3所示。由于測(cè)試環(huán)境的限制，用衰減器來模擬實(shí)際電力線的衰減，以對(duì)比PLC的抗衰減能力。兩個(gè)抄控器之間加入45dB的窄帶載波衰減器，接收抄控器連接電動(dòng)機(jī)配電箱A相，修改發(fā)送抄控器的發(fā)送增益，測(cè)試時(shí)間為2分鐘，每隔0.5s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，即發(fā)送幀數(shù)為240幀，然后對(duì)接收信號(hào)電平和通信成功率進(jìn)行記錄。

通過對(duì)華北油田抽油機(jī)電力線信道測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析。測(cè)試內(nèi)容包括阻抗測(cè)試，噪聲測(cè)試以及PLC通信成功率的測(cè)試，可以得到華北油田抽油機(jī)電力線變工況情況下對(duì)信道特性產(chǎn)生的影響。

根據(jù)電力線信道各種噪聲的特性，使用MATLAB仿真電力線信道的噪聲，得到各種噪聲的仿真時(shí)域圖，將各種噪聲合成得到合成噪聲，并采用魏格納時(shí)域分布圖可以清楚的表明信號(hào)中頻率隨時(shí)間變化的特性，不僅可以看出各個(gè)頻率分量的噪聲大小，還可以知道噪聲在這一頻段的時(shí)變性大小，即噪聲的平穩(wěn)性。

魏格納分布是較常用的時(shí)頻分析方法，具有視頻分辨率高，能量分布集中的特點(diǎn)，由于屬于非線性變換，魏格納分布存在交叉干擾會(huì)影響其準(zhǔn)確性，通過基于短時(shí)傅里葉變換的的自譜窗函數(shù)能夠抑制交叉干擾。信號(hào)s(t)的魏格納分布為

$W_s(t,f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})s^{*}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中s(t)是合成噪聲信號(hào)，t為時(shí)間，τ為積分因子，f是進(jìn)行分析的頻率，“*”表示取復(fù)共軛，即實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)。

所述抑制交叉干擾的魏格納分布為

W_F(t,f)＝W_s(t,f)F(t,w) (2)

其中，F(xiàn)(t,w)是自譜窗函數(shù)，表達(dá)式為

$F(t,w)={\left|{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)h(\mathrm{\τ}-t)e^{-j2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\right|}^2---\left(3\right)$

其中，h為F(t,w)在時(shí)域的沖激響應(yīng)函數(shù)。

通過分析噪聲信號(hào)的魏格納分布來判斷信道狀況，為動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合電力線載波頻段提供依據(jù)。

應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。