基于電力線OFDM載波的廠站自動化通信關鍵技術研究

張亞娟 丁琳 周順和

摘要：廠站端的自動化信息有效采集和可靠通信是實現新能源靈活調度的首要條件，傳統的廠站通信網絡往往具有復雜的網絡結構。本文采用壓縮感知矩陣完成OFDM信道估計，并通過自適應遺傳算法對多模式OFDM頻道進行優化分配，以實現信息采集數據的高可靠傳輸。根據所提分配方法，本文構建了廠站自動化通信網絡拓撲規劃和廠站一體化系統設計，以解決廠站端自動化可靠通信問題。

關鍵詞：廠站自動化；電力線通信；OFDM；多載波；遺傳算法

一、引言

隨著電網逐步向電力物聯網的方向發展，為了實現新能源靈活調度，廠站端的自動化信息有效采集和可靠通信是首要條件。隨著自動化通信技術的發展，電力公司能夠大幅度減少運營費用，同時也能夠極大地改善電力系統的效率。國網及南網具有廣闊的分布范圍、復雜的網架結構和眾多設備，因此，信息采集和傳輸管理方面的最大挑戰在于是否能夠采用靈活多變、便捷可靠、成本相對低廉的通信方式。為了實現信息化和智能化的建設，新型電力系統廠站急需解決通信問題。

電力線載波通信（PLC）技術利用現有的電力線路作為通信媒質，在智能電網中有著廣泛的應用前景^[1]，可以節省線路建設成本，具有天然的設備全連接和物理感知能力，并且使用專用電力線路具有較好的安全性。PLC作為“最后一公里”信息傳輸和泛在電力物聯接入的重要組成部分^[2-3]，具有極大的潛力，能夠有效地解決當前分布式光伏、小水電信息采集的挑戰，并且滿足電網調度對小型發電廠信息采集和傳輸的需求。傳統的單載波或窄帶PLC通信及其組網方式無法滿足廠站信息可靠傳輸的要求，因此，需要采用異構靈活的多載波通信實現速率和可靠性的有效平衡，以提升自動化信息傳輸系統的綜合性能^[4]。

二、基于OFDM的多載波信道通信技術

電力線載波信道存在頻率選擇性衰落，不同頻率成分的信號衰減程度不同。此外，電力線載波通信模塊之間還存在相互干擾，這也會影響通信的可靠性。由于選擇性衰減谷頻率周邊存在信號衰耗嚴重的現象，因此，應當少分配或者不分配子載波通信頻點。頻率衰減特性是可變的，并且需要在載波通信設備上使用子信道自適應選擇算法來嵌入，以便能夠自動調整子載波頻點，從而在有限的通信帶寬上最大限度地確保通信速率和質量。

（一）多頻帶自適應分配頻點

為了解決單頻帶模式下不同站點之間的時延不匹配和動態漂移問題，可以采用多頻帶同時或輪換發送模式來解決干擾問題。在自適應選擇算法中，電力線載波通信裝置將載波信道劃分為帶寬相等的子頻段，每個子頻段都可以傳輸相同的信息，從而提高通道的抗干擾能力。這種方法可以有效地減少信道的噪聲，并實現多頻段的冗余傳輸。每條載波通道都擁有完全獨立的特征，因此可以根據需要進行靈活的調制，從而實現對子載波頻點、調制類型和信號初始發射功率的調整。

通過設備的反饋，主設備可以對信道進行掃描，從而篩選出最佳的信道，并實現自動選擇。在信道測試的開始時，需要將設備的位置、載波頻點信息和信號的初始發射功率等信息發送給載波通信設備，以便于設備能夠準確地獲取信息。其中，如何選擇初始頻點信息至關重要。通過確定一個最佳的初始頻率作為參考，就可以迅速地構建一條信息傳輸鏈，以便盡早地識別和確定握手子載波的位置，并實現對自動調節的頻率檢測。首先，主設備會向用戶發送檢測請求，并等待用戶的回復。如果用戶的回復沒有及時被檢測到，主設備會根據用戶的需求調整檢測請求的頻率，并重新向用戶發送檢測請求，以確保用戶的回復能夠及時準確地被檢測到。當主設備接受來自用戶的信號反饋時，它會根據當前信號的強弱、傳輸次序和信道的數量，進行三次重復的檢查。最終，主設備會綜合分析所有的檢查結果，挑選出N條質量較高的子載波信道，用于握手操作。通過使用握手信道，不同載波頻率的信號可以傳輸到相應的設備，以確保所傳輸的數據能夠得到準確地 處理和傳輸。

（二）OFDM多載波信號調制

三、基于OFDM的廠站通信高可靠傳輸技術

（一）基于壓縮感知的OFDM信道估計

良好的信道估計技術可以有效提升整個系統的通信性能，然而電力線載波通信需要同時克服脈沖噪聲和信道衰落的影響。針對信號在含多類噪聲和多經時延干擾的信道中的傳輸質量不足問題，首先對電力線信道進行建模，并采用壓縮感知算法估計通信信道的沖擊響應，再將接收端接收的數據與沖擊響應作解卷積運算，即可求出發送端的發送數據。因此，提高信道估計技術的同時，也可以提高傳輸數據的準確性^[6]。

為了提高信號的傳輸效率，需要采取一些措施：可以使用壓縮感知算法來預測信道的沖擊反射，以便更好地處理噪聲、時延等因素的影響。同時，也可以使用卷積算法處理和接收來自發射端的數據。通過改進信道估計技術，能夠大幅度改善信息的傳播精度。

采用傳統的技術，如TEM、傳輸線理論等，能夠有效地構建出具有良好性能的電力線信道。此外，利用多徑模型的特性，也能夠對載波信號的頻譜特性進行有效的擬合，從而更好地反映出其特性。通過對比不同的電纜通訊方式的傳播特性可以發現，這些通信方式的差異性表現為：它們之間的時延、衰減等因素的相互影響，并形成了一個獨特的通信模型：

式中，k_i表示第i條路徑的權重因子；τ_i為第i條路徑對應的多徑延時。

一條通信的信息通常通過多條不同的途徑，而這些途徑的時間和功耗都是相對的。通常情況下，通信速度越快，通信效率也就越高。通過使用壓縮感應技術，能夠有效提取電力線信道的時域沖擊響應，并降低數據的復雜度。同時，通過壓縮沖擊響應的數據，還能夠更好地記錄和分析不同的數據，以便更好地理解和預測未來的發展趨勢。通過使用重構算法以及收集和處理壓縮的相關數據，可以有效地重建電力網絡的傳輸速率，從而減少沖擊反饋。采用帶有壓縮功能的 ?，可以將原本需要傳輸的導頻信號轉換為精確度更高的數據，從而使得接收端能夠更準確地獲取所需的數據，具體如下：

通過采用基于壓縮感知的電力線信道估計方法，可以將測量得到的部分哈達瑪矩陣?轉換成可被接收的信道沖擊響應特征參數，這些參數包括y=[y₁， y₂， …， y_N]，用來對電力線信道傳輸特征進行壓縮存儲。同時，通過采用壓縮感知重構算法，可以有效地恢復電力線信道的沖擊響應，從而更好地理解和處理電力線傳輸的特征參數。

（二）基于改進遺傳算法的OFDM載波分配

OFDM技術可以有效地抑制頻率偏移，并減少傳輸中的時間損耗，因此它在寬帶電力線通信中被廣泛應用。此外，OFDM還可以根據各種子傳輸路段的衰減情況來調整傳輸速率，從而優化網絡中傳輸速率。下面是基于改進遺傳算法的OFDM系統的基本原理：首先，通過信道評估獲得各個子載波的信道狀態信息，然后利用遺傳算法來進行最佳子載波分配。OFDM技術利用改良的適應度函數與遺傳算法，可以有效地實現子載波的分配，通過連續迭代，最終確定最佳的子載波分配模型^[7]。

改進自適應遺傳算法步驟如下：

1.將算法終止條件設定為最大迭代次數，初始群體規模設定，并由隨機生成的個體組成。根據電力線信道模型，首先進行信道估計，以獲取每個子載波的信道狀態信息，接著生成一個以離散均勻分布為基礎的隨機數組X1和一隨機DNA序列X2（其長度為n），隨后開始執行尋優迭代過程。

2.從已知的染色體序列中抽取一對，然后按照預先確定的交叉概率，從這對染色體序列中抽取一個交叉點，最后利用電力線載波通信，完成交叉配對。

3.在兩個不同的種群中，通過隨機選擇一列染色體進行復制，以確定每個種群的適應性函數值。

4.通過注水算法的功率分配，可以確定的適應度函數，再借助初始模型來確定子載波初始狀態分配的功率。在總功率保持不變的情況下，根據注水算法自適應地為子載波分配功率，具體分配方式可以使用公式（8）來計算。通過（9）可以獲得適應度函數，然后計算每次迭代中最優個體的評價函數值。

5.當兩個原有的基因被重組時，通過染色體變異，形成一個新的用戶，它將會被分配到一個更小的子載波中。

6.在達到最大迭代次數之后終止操作，記錄整個改進自適應遺傳算法過程中最佳個體和收斂曲線，據此分析得出子載波功率分配情況和是否收斂。根據上述信息確定電力線載波通信的信道容量C，具體公式如下：

上式?f為頻率間隔；P_s（f_n）為子信道的分配功率；N（f_n）為噪聲功率；hf_n為頻率響應。

四、基于電力線OFDM載波的廠站自動化通信系統設計

（一）廠站端自動化信息可靠采集通信拓撲規劃

基于OFDM載波的廠站通信網絡的拓撲結構如下所示：

第一層：廠站監控平臺。該層負責廠站運行數據的儲存，并掌握廠站整體運行情況，同時根據當前的運行情況進行必要的控制和調整^[8]。

第二層：集中器。這一層通過載波通信模塊、廠站監控平臺和組件的采集控制設備實現通信。集中器負責將來自監控平臺的指令傳遞到廠站組件的采集控制器，并將采集控制器采集到的數據發送回監控平臺。

第三層：廠站組件采集設備。位于現場的采集控制設備使用了基于OFDM的可靠分配傳輸技術。載波通信模塊可以從集中器獲取指令，也可以將獲取的信息實時傳輸至集中器，以實現有效的信息交換。這個拓撲結構充分利用了OFDM技術，以實現廠站通信網絡的各層之間的可靠數據傳輸和控制指令傳遞。具體如圖1所示。

（二）廠站一體化測量系統設計

基于在線電力線載波通信模組的廠站一體化信道測量系統旨在實時測量、高速采集電力線載波頻帶內的信道特性，并通過PLC通信傳輸和實時數據獲取方法進行通道監測^[9]。系統結構如圖2所示。

該信道特征測量系統由信道測量裝置和上位機監控終端構成，其中，在線運行的PLC通信模組是核心，負責執行信道特征測量操作和命令響應流程。系統采用OFDM多載波信道通信技術，以實現可靠的載波分配和傳輸。上位機監控終端負責參數配置、流程控制、數據收集、信號和數據包分析等功能。通過與PLC通信模組協同工作，實現對整個信道特征測量系統的管理和監測。該系統的設計目的是充分發揮電力線載波通信模組的優勢，實現電力線通信信道特性的實時測量和分析。

五、結束語

本文主要研究基于電力線OFDM多載波調制的廠站端自動化高可靠通信技術。首先，使用多個子載波傳輸相同信息來提高載波通信的可靠性，完成多頻帶自適應點分配。其次，利用自適應遺傳算法尋求每一代個體中適應度最好的子載波，并篩選出每組內對鄰區干擾嚴重的子載波，為其分配不同的功率，以保證傳輸速率并降低對其他區域通信的干擾。最后，基于OFDM寬帶自動化通信技術，構建廠站自動化網絡拓撲規劃和廠站一體化信道測量系統，解決廠站在復雜環境下的信息通信問題。

作者單位：張亞娟 中國聯合網絡通信有限公司河北省分公司

丁琳 中國聯合網絡通信有限公司保定分公司

周順和 華北電力大學 電子與通信工程系

參? 考? 文? 獻

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張亞娟（1979.02-），女，漢族，河北石家莊，本科，工程師，研究方向：網絡通信，互聯網技術；

丁琳，女，漢族，河北保定，研究方向：網絡通信；

周順和，男，漢族，湖北荊門，碩士研究生，學生，研究方向：OFDM載波通信。