電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)專網(wǎng)傳輸?shù)男诺谰鈾C(jī)理

1、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)專網(wǎng)傳輸?shù)男诺谰鈾C(jī)理*馬立新，范麗君（上海理工大學(xué)電氣工程系，上海 200093）摘要：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用230MHz專網(wǎng)傳輸時(shí)，由于多徑效應(yīng)等會(huì)引起碼間干擾，嚴(yán)重制約數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致電力能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)的誤差。論文提出了基于遞歸最小二乘法（RLS）的自適應(yīng)濾波器作為均衡器設(shè)置在數(shù)字電臺(tái)中。RLS權(quán)值控制機(jī)制具有較快的收斂速度，滿足通信實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)能夠有效減小因碼間干擾引起的誤碼，使得通信可靠性也得到了提高。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法能夠有效降低電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基于專網(wǎng)傳輸?shù)恼`碼率，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；能效測(cè)評(píng)；專網(wǎng)傳輸；信道均衡；RLS中圖分類號(hào)：TM933

2、 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1390（2014）00-0000-00Channel Equalization Mechanism of Transmission in Power Energy Quality Monitoring Private NetworkDatas Transmission Based on Electric Power Private NetworkMA Li-xin, FAN Li-jun (Dept. of Electrical Engineering, Univ. of Shanghai for Sci.& Tech., Shanghai 200093

3、, China)Abstract: Intersymbol interference caused by multipath effects will severely restrict the data transmission quality when 230MHz private network is adopted for electric power quality monitoring data, which will produce Power quality monitoring datas transmission, based on 230 MHz wireless net

4、work, due to multipath effects, will result intersymbol interference, severely restricting quality of data transmission, producing error of energy efficiency evaluation systems errorIn this paper, aAn RLS (recursive least squares) adaptive filter based equalizer, based on RLS (recursive least square

5、s) adaptive filter, washas been put forward to be added in the digital radio. RLS weight control mechanism, with faster convergence speed, will meet the requirements of real-time communication , and will it can effectively reduce the error caused by intersymbol interference effectively at the same t

6、ime, which will improve the communication reliability. As a result, the communication reliability is improved. The sSimulation results shows that the proposedis method can will effectively effectively reduce the error rate of data transmission for during power quality monitoring datas transmission p

7、rivate network so as to possess a wide application prospect.in the energy efficiency evaluation system, it has broad prospects of application.Keywords: power squality, energy efficiency evaluation system, private network, equalizer, RLS0 引 言電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是指以 HYPERLINK /view/62176.htm t _blank 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 HYPERLI

8、NK /view/500320.htm t _blank 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為依托，結(jié)合電網(wǎng)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)建成一個(gè)完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中電壓、諧波以及三相不平衡進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)并有報(bào)警功能,是電力能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)不可或缺的一部分1-3。1 能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)電力能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)，是在國(guó)家大力提倡“節(jié)能減排”的大背景下提出的，為智能電網(wǎng)服務(wù)的高效節(jié)能系統(tǒng)。目前這方面的文獻(xiàn)較少。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，通過(guò)多種類多功能的能效測(cè)量、監(jiān)視、治理等裝置、*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技部政府間科技合作項(xiàng)目（2009014）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61205076）現(xiàn)代化的高速通訊網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種企業(yè)的耗

9、電信息以及大型電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)視、事故預(yù)警、事故記錄和分析、能耗管理、設(shè)備管理和運(yùn)行管理。系統(tǒng)以數(shù)字化手段，對(duì)不同的用電設(shè)備如電力有源濾波器、無(wú)功補(bǔ)償裝置、負(fù)荷點(diǎn)等，配置電能計(jì)量裝置及數(shù)據(jù)采集裝置，采用先進(jìn)、安全可靠的通信手段及時(shí)將采集的各個(gè)用電裝置的用電數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)管理層的服務(wù)器，為管理、評(píng)價(jià)、治理系統(tǒng)電能質(zhì)量及制定節(jié)能改造方案提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)，然后通過(guò)電能質(zhì)量治理即線/變損實(shí)時(shí)分析、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等，實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)挖掘，從而提高用戶的管理水平，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、情節(jié)的用電目標(biāo)4-7。2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的230MHz專網(wǎng)無(wú)線傳輸簡(jiǎn)介電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

10、通信單元是指將遠(yuǎn)程終端采集和計(jì)算的電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)中心，以便有關(guān)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和數(shù)據(jù)分析、報(bào)表等，主要采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行傳輸。230MHz專網(wǎng)是我國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)規(guī)劃給電力部門的，用于電力負(fù)荷管理系統(tǒng)組件。其優(yōu)越的可靠性、實(shí)時(shí)性、保密性使得在電力系統(tǒng)無(wú)線傳輸應(yīng)用中占有很大比例，其在電力能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)中的應(yīng)用見(jiàn)圖1。圖1 電力能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of energy efficiency evaluation system電力專網(wǎng)通信屬于超短波通信。由于傳輸帶寬限制，大氣層、建筑物等反射產(chǎn)生的時(shí)延與多徑效應(yīng)

11、、耦合效應(yīng)和多址干擾等，以及傳輸信息量的大量增加，傳輸速率的提高等因素都會(huì)使信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生碼間干擾，產(chǎn)生大量誤碼。碼間干擾是制約通信質(zhì)量的重要因素。為了解決碼間干擾帶來(lái)的問(wèn)題，滿足無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性、高效性、可靠性等要求，除了采取合適的調(diào)制解調(diào)方法、差錯(cuò)編碼等措施外，還可以采取時(shí)域均衡的措施，使數(shù)據(jù)傳輸在一定信噪比的情況下滿足一定的誤碼率要求指標(biāo)。根據(jù)電管理委員會(huì)在1991年下發(fā)的文件(1991)國(guó)無(wú)管字5號(hào)文件，230MHz頻段的15對(duì)雙頻拼點(diǎn)和10個(gè)單頻頻點(diǎn)作為無(wú)線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的專用頻點(diǎn)8，其中，相鄰頻點(diǎn)間隔為50150kHz，帶寬為25kHz。電力企業(yè)在使用230MHz頻段無(wú)線資

12、源時(shí)，采用數(shù)傳電臺(tái)作為通信終端，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2示。230MHz無(wú)線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)主站與用電側(cè)大量負(fù)荷數(shù)據(jù)與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸和命令的傳遞，數(shù)傳質(zhì)量直接影響電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和功能的發(fā)揮。隨著窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)的數(shù)傳速率也在不斷的提高，已從以往普遍使用的1.2kbps逐步提高到目前的19.2kbps。為了提高傳輸系統(tǒng)的可靠性，除了在數(shù)字電臺(tái)中采取合適的調(diào)制方法、前向糾錯(cuò)等方法外，還可以采取添加時(shí)域均衡的方法來(lái)減小因信道環(huán)境造成的碼間干擾，降低誤碼率。 圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)通信環(huán)節(jié)簡(jiǎn)圖Fig.2 The diagram of communicate communication par

13、t of Power Energy Quality Monitoring3 無(wú)線信道均衡原理信道均衡技術(shù)即在接收數(shù)字電臺(tái)端添加信道均衡濾波器能夠補(bǔ)償信道非理想特性，減小碼間干擾，減小傳輸誤碼率，提高通信質(zhì)量，保證能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)基于230MHz專網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃?。在本文中采用RLS（遞歸最小二乘）濾波器實(shí)現(xiàn)信道均衡，RLS算法由于采用LS準(zhǔn)則，能夠?qū)r(shí)變信道進(jìn)行快速跟蹤，只用較少的階數(shù)就可以均衡線性部分，且收斂速度很快，需要較少的訓(xùn)練序列即可完成均衡9。通常情況下，收、發(fā)雙方依照通信協(xié)議進(jìn)行信息傳輸。發(fā)送方可以通過(guò)定期地發(fā)送訓(xùn)練序列幫助接收方調(diào)整自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)，橫向?yàn)V波器的輸出

14、與期望相應(yīng)的誤差通過(guò)自適應(yīng)權(quán)值控制機(jī)制的作用去調(diào)整橫向?yàn)V波器的系數(shù)(如圖3所示)，從而達(dá)到跟蹤信道變化，減小多徑效應(yīng)所帶來(lái)的碼間干擾。 圖3 濾波器權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程Fig.3 Weight Aadaptive adjustment of the filters weight adjustment4 自適應(yīng)權(quán)值控制的實(shí)現(xiàn)在本文中采用的是基于遞歸最小二乘法的自適應(yīng)濾波器權(quán)值控制機(jī)制。自適應(yīng)濾波器權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程如圖4所示。遞歸最小二乘法作為其中的權(quán)值控制機(jī)制，是指給定n-1次迭代濾波器抽頭權(quán)向量最小二乘估計(jì)，依據(jù)新到達(dá)的數(shù)據(jù)計(jì)算n次迭代向量的最新估計(jì)。RLS濾波器的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它的收斂速率

15、比一般的LMS（最小均方）濾波器快一個(gè)數(shù)量級(jí)10。這是因?yàn)镽LS濾波器通過(guò)數(shù)據(jù)相關(guān)逆矩陣對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了白化處理，以增加計(jì)算復(fù)雜度代價(jià)，改善了濾波器性能11。 圖4 橫向?yàn)V波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 The internal structure of the transversaladaptive filter如圖4所示，在橫向自適應(yīng)濾波器內(nèi)部，是時(shí)刻的抽頭權(quán)向量，是時(shí)刻的抽頭輸入向量。RLS算法總結(jié)如下：（1）算法初始化 （1） （2）（2）權(quán)值調(diào)整流程 （3） （4） （5） （6） （7）其中，時(shí)刻的輸入信號(hào)矢量，是先驗(yàn)誤差，是卡爾曼增益矢量，是時(shí)刻的輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣的逆矩陣， QUOTE

16、 （范圍為01）是遺忘因子， QUOTE 越小，對(duì)時(shí)變參數(shù)的跟蹤能力越強(qiáng)，同時(shí)會(huì)造成穩(wěn)態(tài)誤差較大；越大，跟蹤能力減小，收斂時(shí)的估計(jì)誤差也會(huì)變小。一般取接近為1的值。圖7為分別為0.95、1時(shí)權(quán)值的收斂曲線?？梢钥闯觯鄬?duì) QUOTE =1 ，=0.95時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差偏大，但是跟蹤能力較強(qiáng)。固定遺忘因子不能兼顧二者，在本文中，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)比較，最終選取 QUOTE =0.99. 圖5 濾波器權(quán)值調(diào)整過(guò)程Fig.5 The adjustment process of adaptive filter weight5.均衡效果仿真在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)MATLAB M文件建立一個(gè)既有碼間干擾又有高斯白噪聲的信道

17、模型，來(lái)模擬230MHz專網(wǎng)傳輸信道。在本文中，采用了傳統(tǒng)的、在均衡方面應(yīng)用較多的LMS（最小均方）濾波器的均衡效果作為參考。給定一個(gè)二進(jìn)制輸入序列作為經(jīng)解調(diào)后的均衡訓(xùn)練序列，通過(guò)自定義函數(shù)random_binary產(chǎn)生，建立channel.m來(lái)模擬專網(wǎng)傳輸信道，fir_lms.m文件實(shí)現(xiàn)LMS均衡，fir_rls.m文件實(shí)現(xiàn)RLS均衡。在不同的信噪比下，對(duì)未經(jīng)均衡器均衡，和經(jīng)LMS濾波器均衡以及經(jīng)RLS濾波器均衡的三種情況下的誤碼率進(jìn)行對(duì)比。仿真系統(tǒng)框圖如圖6所示。圖6 仿真系統(tǒng)框圖Fig.6 The diagram of simulation system該實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用的是10000個(gè)二進(jìn)

18、制序列作為輸入，由信噪比818的、存在高斯白噪聲和碼間干擾的信道進(jìn)行傳輸，分別觀察經(jīng)LMS濾波器和經(jīng)RLS濾波器的均衡效果。誤碼率對(duì)比如圖7。該實(shí)驗(yàn)中，LMS濾波器步長(zhǎng)為0.11，RLS濾波器的遺忘因子設(shè)置為0.9。從圖8可以看出，信號(hào)經(jīng)模擬的230MHz信道傳輸之后，有較大的誤碼率，而在相同信噪比情況,經(jīng)RLS均衡的信號(hào)誤碼率明顯低于LMS均衡，誤碼率均保持在 QUOTE 以下，達(dá)到了理想的效果，大大提高了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，提高了通信質(zhì)量，對(duì)于能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層的處理，包括故障數(shù)據(jù)、電壓波動(dòng)的準(zhǔn)確記錄與分析、諧波治理、負(fù)荷預(yù)測(cè)、能效優(yōu)化等的準(zhǔn)確性的提高具有很重要的意義。圖7 均

19、衡效果的誤碼率對(duì)比Fig.7 Error rate contrast of equalization Eeffect contrast of different equalization6 結(jié)束語(yǔ)在本文中，詳細(xì)分析了能效測(cè)評(píng)系統(tǒng)中電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基于230MHz電力專網(wǎng)傳輸時(shí)存在的碼間干擾以及可能導(dǎo)致的問(wèn)題，通過(guò)MATLAB仿真建立230MHz專網(wǎng)具有碼間干擾的信道模型，驗(yàn)證了RLS濾波器均衡對(duì)改善誤碼率，提高電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量有一定的作用。還存在的問(wèn)題有RLS算法有矩陣求逆現(xiàn)象，復(fù)雜度高，數(shù)值穩(wěn)定性不理想等缺點(diǎn)，會(huì)一定程度的干擾信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，例如會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量信號(hào)召測(cè)緩慢，以及如何在

20、工程上實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，進(jìn)一步的工作可以考慮解決這些問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1 Simon Haykin著, 鄭寶玉, 譯. 自適應(yīng)濾波器原理 M.第四版.北京：工業(yè)電子出版社. 2004.2 余中建，龔代圣，戴聿雯. 基于協(xié)同節(jié)能理念的電網(wǎng)能效理系統(tǒng)研究 J.現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(23): 199-202.YU Zhong-jian, GONG Dai-sheng, DAI Yu-wen. Research on Power Grid Energy Efficiency Management System Based on Collaborative Energy Saving ConceptJ

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