一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法，其包括建立數(shù)據(jù)測量方案、采集數(shù)據(jù)、建立路徑損耗模型和確定路徑損耗模型的參數(shù)。本發(fā)明提供的技術方案中無需大量的樣本數(shù)據(jù)，其能夠精確、高效的確定變電站內(nèi)無線信號路徑損耗特性，計算得到的參數(shù)能與無線信道的實測數(shù)據(jù)較好的吻合。
【專利說明】
-種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及電力無線通信技術領域，具體講設及一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模 方法。
【背景技術】
[0002] W各級電網(wǎng)作為網(wǎng)架基礎的智能電網(wǎng)，利用了各項新技術建立的信息通信平臺， 實現(xiàn)了對電力傳輸、電網(wǎng)運行W及電力業(yè)務等多方面的綜合管理。作為實現(xiàn)電力信息傳輸 的重要手段的無線通信，實現(xiàn)了快速、便捷的通信，同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)。
[0003] W高壓變電站應用環(huán)境為例，由于高壓變電站電氣設備在運行時會產(chǎn)生電磁干 擾，，放置在電磁環(huán)境十分惡劣的變電站中的無線通信設備將受到不同程度的電磁干擾，使 設備通信出現(xiàn)誤碼或者丟包，嚴重時會造成通信的中斷。
[0004] 無線通信設備布置在變電站內(nèi)，要對相應頻段的電波傳播特性做具體的研究與分 析，目前在電力系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境的應用中尚缺乏有效的評估模型和分析手段。
[0005] 再如對無線通信中電波傳播特性的現(xiàn)有技術分析中，主要采用理論仿真和現(xiàn)場測 量兩類方法。理論仿真方法遵從電磁波理論，通過計算電磁學對傳播環(huán)境的細節(jié)問題建模， 對信號的傳播特性進行仿真預測，但是變電站內(nèi)空間很大，并且電氣設備多而復雜，采用計 算電磁學的方法會受到計算機速度和內(nèi)存容量的限制，實現(xiàn)較為困難。
[0006] 又如在實際工程中通常采用的現(xiàn)場測量方法中，需要確立具體環(huán)境的無線信道路 徑損耗模型。路徑損耗模型公式當中，表征路徑損耗的重要參數(shù)路徑損耗因子η及標準差σ 不能通過儀器測量直接得到，通常需要對實際測量數(shù)據(jù)進行曲線擬合得到其參數(shù)的估計 值。
[0007] 常用的路徑損耗模型中參數(shù)的計算方法有矩估計、最小均方差(MMSE)、累積和 (CUSUM)、線性回歸分析等：
[000引其中的矩估計方法的總體分布特征表征效果較差，只有在樣本容量較大時才能保 證該算法的優(yōu)良性。
[0009] 而最小均方差方法的缺點是計算結果不能保證估計后的值與樣本值的剩余誤差 為0。
[0010] 累積和方法計算公式比較復雜，實現(xiàn)較為繁瑣。
[0011] 線性回歸分析中，選用何種因子和該因子采用何種表達式只是一種推測，面臨著 因子的多樣性和某些因子的不可測性，引起的線性回歸分析在某些情況下不可用。
[0012] 運幾種參數(shù)的計算方法有其自身的優(yōu)點，但是均不能與無線信道的實測數(shù)據(jù)很好 吻合。因此，為滿足現(xiàn)有技術的需要，本發(fā)明提供一種建模方法，其模型參數(shù)計算簡單方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為滿足現(xiàn)有技術的需要，本發(fā)明提供一種變電站環(huán)境的無線信道路徑損耗建模方 法，其改進之處在于，所述建模方法包括：
[0014] 步驟1、建立數(shù)據(jù)測量方案；
[0015] 步驟2、采集數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟3、建立路徑損耗模型；
[0017] 步驟4、確定路徑損耗模型的參數(shù)。
[0018] 進一步的，所述步驟(1)中，所述數(shù)據(jù)測量方案包括：
[0019] (1-1)確定無線待測信號源，并用信號源及發(fā)射天線產(chǎn)生無線待測信號；
[0020] (1-2)所述無線待測信號的發(fā)射功率為0地m、頻率為300MHZ-3G化；
[0021] (1-3)用頻譜分析儀分析接收天線接收的無線待測信號。
[0022] 進一步的，所述頻譜分析儀采用峰值檢波方式或準峰值檢波方式；
[0023] 所述頻譜分析儀的帶寬的設置包括：
[0024] I、無線待測信號頻率為300MHZ-1G化時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為化化，視 頻帶寬設為10曲Z;
[0025] II、無線待測信號頻率為1G化-3GHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為lOkHz，視 頻帶寬設為100曲Z。
[0026] 進一步的，所述步驟(2)中，測量每間隔3m的無線待測信號的接收功率，得到實際 測量的無線信號接收功率向量A。
[0027] 進一步的，所述步驟(3)中，根據(jù)大尺度衰落理論，建立如下式（1)所示的路徑損耗 模型化(d):
[002引
（巧
[0029] 其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標準差為0的高斯隨機變量;d是收發(fā)天線 之間的距離;do為發(fā)射天線距離參考點之間的距離;PL(do)為發(fā)射點到參考點之間的路徑損 耗，單位為地。
[0030] 進一步的，所述步驟(4)中，在0-10范圍內(nèi)選取路徑損耗因子η和標準差0，按照下 式(2)計算相應的預估計接收功率Pr(d):
[0031] (2)
[0032] 式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(do):參考點接收功率。
[0033] 進一步的，所述步驟(4)中，求預估計接收功率Pr(d)與實際測量無線信號接收功 率向量A的內(nèi)積；
[0034] 根據(jù)匹配追蹤算法，確定所述最大內(nèi)積對應的所述路徑損耗因子η和所述標準差σ 的值，擬合變電站環(huán)境的路徑損耗模型。
[0035] 與最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明具有W下優(yōu)異效果：
[0036] 本發(fā)明提供的建模方法中原始數(shù)據(jù)的測量實現(xiàn)簡單，且無需大量的樣本，其能夠 精確、高效的計算變電站內(nèi)無線信號路徑損耗模型的參數(shù)，且其與實地測量得到的數(shù)據(jù)極 好的吻合，相對于現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)的最小均方差、累積和方法顯著減少路徑損耗模型中參 數(shù)值估計偏差，保證路徑損耗模型的規(guī)范化，提高對無線信道路徑損耗特性的估計值，減小 路徑損耗值估計誤差。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明提供的整體方案實施流程圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明在llOkV變電站實際測量無線信號接收功率的布點圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明在220kV變電站實際測量無線信號接收功率的布點圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明計算無線信道路徑損耗模型參數(shù)的流程圖；
[0041 ]圖5是本發(fā)明在llOkV變電站、430MHz頻點采用多種方法估計路徑損耗圖；
[0042] 圖6是本發(fā)明在220kV變電站、430MHz頻點采用多種方法估計路徑損耗圖；
[0043] 圖7是本發(fā)明在llOkV變電站、470MHz頻點采用多種方法估計路徑損耗圖；
[0044] 圖8是本發(fā)明在220kV變電站、470MHz頻點采用多種方法估計路徑損耗圖；
[0045] 圖9是本發(fā)明在llOkV變電站、2.4G化頻點采用多種方法估計路徑損耗圖；
[0046] 圖10是本發(fā)明在220kV變電站、2.4G化頻點采用多種方法估計路徑損耗圖。
【具體實施方式】
[0047] W下將結合附圖對本發(fā)明提供的路徑損耗建模方法作進一步的詳細說明。
[0048] 如圖1所示的本發(fā)明的整體方案實施流程圖，本發(fā)明提供的路徑損耗模型的建模 方法中，包括W下步驟：
[0049] (1)建立路徑損耗模型的原始測量數(shù)據(jù)測量方案；
[0050] 如圖2和圖3所示，分別為在llOkV和220kV變電站實際測量無線信號接收功率的布 點圖，在測量過程中，無線待測信號源放置在變電站的通信室內(nèi)，位置固定不變，發(fā)射設備 由信號源和發(fā)射天線組成，信號源采用了 AV1441A射頻信號發(fā)生器，發(fā)射天線分別采用了適 用于200MHZ-2G化頻段的對數(shù)周期天線、W及2.4G化單極子天線。
[0051 ] 設置無線待測信號的發(fā)射功率為0地m，并分別選擇了 430MHz、470MHz、2.4G化Ξ個 待測頻點。
[0052] 接收設備由是德科技公司的頻譜分析儀N1996A和接收天線組成，其中，接收天線 采用了 Ainfoinc公司生產(chǎn)的對數(shù)周期天線，型號為DS-3300,帶寬覆蓋范圍為30MHZ-3G化。
[0053] 頻譜分析儀檢波方式采用峰值檢波，對于430MHz、470MHz頻點，頻譜分析儀的分辨 率帶寬(RBW)為1曲Z，視頻帶寬(VBW)為1 OkHz，對于2.4GHz頻點，頻譜分析儀的RBW為10曲Z， VBW為 100 曲Z。
[0054] (2)搭建測量系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)；
[0055] 無線待測信號接收位置沿變電站內(nèi)主要電磁敏感設備附近布局，每間隔3m確定一 個測量點，依次測量無線待測信號的接收功率，得到實際測量無線信號接收信號功率向量 A。由于測量環(huán)境及場地限制等特殊要求，本實施例中每個變電站選取了 10個測量點，向量A 表示為：
[0056] A=[ai、a2、...、aio]。
[0057] (3)根據(jù)大尺度衰落理論，建立路徑損耗模型；
[0058] 建立如下式（1)所示的發(fā)射點到接收位置之間的路徑損耗化(d)的模型：
[0059]
(1)
[0060] 其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標準差為ο的高斯隨機變量;d是收發(fā)天線 之間的距離;do為發(fā)射天線距離參考點之間的距離;PL(do)為發(fā)射點到參考點之間的路徑損 耗，單位為地。
[0061] 所述路徑損耗模型中的發(fā)射點到參考點之間的路徑損耗化(do),可實地測試；
[0062] 或者，按下式(2)所示的自由空間損耗確定：
[0063]
(馮
[0064] 式中，do為發(fā)射天線距離參考點之間的距離;A = c/f，即電磁波的波長λ等于光速C 除W頻率f。
[0065] (4)確定路徑損耗模型中的參數(shù)；
[0066] (I)如圖4所示的參數(shù)計算流程圖，使路徑損耗因子η和標準差σ在一定范圍內(nèi)變 化，分別求出相應的預估計接收功率Pr(d)。
[0067] 路徑損耗因子η和標準差〇在0-10的范圍內(nèi)變化，根據(jù)不同的11和〇值，按照下式(3) 計算相應的預估計接受功率Pr(d):
[006引 巧）
[0069] 式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(do):參考點接收功率。
[0070] (II)基于匹配追蹤算法，計算Pr(d)與實際測量無線信號接收功率向量A的內(nèi)積， 找出最大內(nèi)積所對應的路徑損耗因子η和標準差0,擬合出變電站具體環(huán)境的最佳路徑損耗 模型。
[0071] 圖5-圖10分別是本發(fā)明分別采用傳統(tǒng)的最小均方差(MMSE)、累積和(CUSUM)、W及 按照上述路徑損耗模型參數(shù)的估值方法(New method)等多種方法，對實測路徑損耗(Test Data)模型參數(shù)估計結果的比較，變電站采樣環(huán)境為：
[0072] llOkV 變電站、430MHz 頻點；
[0073] 220kV 變電站、430MHz 頻點；
[0074] llOkV 變電站、470MHz 頻點；
[00巧]220kV變電站、470MHz頻點；
[0076] llOkV 變電站、2.4GHz 頻點；
[0077] 220kV 變電站、2.4GHz 頻點。
[0078] 對比圖顯示出本發(fā)明方法計算出的變電站環(huán)境內(nèi)無線信道路徑損耗模型參數(shù)與 實際測量的路徑損耗參數(shù)值最接近，具有最佳效果。
[0079] W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對 本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可W對本發(fā)明的【具體實施方式】進 行修改或者等同替換，運些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請 待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法，其特征在于，所述建模方法包括： 步驟1、建立數(shù)據(jù)測量方案； 步驟2、采集數(shù)據(jù)； 步驟3、建立路徑損耗模型； 步驟4、確定路徑損耗模型的參數(shù)。2. 如權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟（1)中，所述數(shù)據(jù)測量方案包 括： (1-1)確定無線待測信號源，并用信號源及發(fā)射天線產(chǎn)生無線待測信號； (1-2)所述無線待測信號的發(fā)射功率為OdBm、頻率為300MHZ-3GHZ; (1-3)用頻譜分析儀分析接收天線接收的無線待測信號。3. 如權利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述頻譜分析儀采用峰值檢波方式或準 峰值檢波方式； 所述頻譜分析儀的帶寬的設置包括： I、 無線待測信號頻率為300MHz-lGHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為1kHz，視頻帶 寬設為10kHz; II、 無線待測信號頻率為lGHz-3GHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為10kHz，視頻帶 寬設為100kHz。4. 如權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(2)中，測量每間隔3m的無線待 測信號的接收功率，得到實際測量的無線信號接收功率向量A。5. 如權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(3)中，根據(jù)大尺度衰落理論， 建立如下式（1)所示的路徑損耗模型PL(d):其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標準差為〇的高斯隨機變量;d是收發(fā)天線之間的 距離;do為發(fā)射天線距離參考點之間的距離;PL(d〇)為發(fā)射點到參考點之間的路徑損耗，單 位為dB。6. 如權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(4)中，在0-10范圍內(nèi)選取路徑 損耗因子η和標準差〇，按照下式(2)計算相應的預估計接收功率P r(d):式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(d〇):參考點接收功率。7. 如權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(4)中，求預估計接收功率Pr(d) 與實際測量無線信號接收功率向量A的內(nèi)積； 根據(jù)匹配追蹤算法，確定所述最大內(nèi)積對應的所述路徑損耗因子η和所述標準差σ的 值，擬合變電站環(huán)境的路徑損耗模型。
【文檔編號】H04B17/391GK106059692SQ201610423326
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】李強, 張洪欣, 陸陽, 李建岐, 呂英華, 劉偉麟, 安春燕, 張東磊, 劉文亮, 林樹
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司, 國家電網(wǎng)公司, 北京郵電大學