修成林,梁 棟,孫金華,徐 霞,郭 翔(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司,濟(jì)南 250012)
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擴(kuò)頻通信在電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)中的應(yīng)用
修成林,梁棟,孫金華,徐霞,郭翔
(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司,濟(jì)南250012)
摘要:能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)世界能源可持續(xù)發(fā)展能夠發(fā)揮全局性、戰(zhàn)略性引領(lǐng)作用,總結(jié)國(guó)內(nèi)外能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀。針對(duì)輸電和配電兩個(gè)典型電力網(wǎng)絡(luò),給出擴(kuò)頻通信技術(shù)在電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并分析了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在抵抗電力線噪聲干擾和多徑干擾方面的性能。
關(guān)鍵詞:能源互聯(lián)網(wǎng);擴(kuò)頻通信;電力線噪聲;多徑效應(yīng)
能源互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在能源行業(yè)的延伸和發(fā)展。能源互聯(lián)網(wǎng)利用先進(jìn)的傳感器、控制和軟件應(yīng)用程序,將能源產(chǎn)生端、能源傳輸端、能源消費(fèi)端的數(shù)以億計(jì)的設(shè)備、機(jī)器、系統(tǒng)連接起來(lái),形成能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)?;ヂ?lián)數(shù)據(jù)的有效傳送,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性,將是能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行諸如大數(shù)據(jù)分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)[1]。
2015年2月,國(guó)家電網(wǎng)公司正式提出了全球能源互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃,并認(rèn)為“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”,將是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架,以輸送清潔能源為主導(dǎo),全球互聯(lián)泛在的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[2]。
擴(kuò)頻通信技術(shù)是近年來(lái)迅猛發(fā)展的一種通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信具有一些其他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),如極強(qiáng)的抗干擾性和保密性。將擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用到能源互聯(lián)網(wǎng)的電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)中,一方面將有效地確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供保障;另一方面又能提升數(shù)據(jù)的安全性,避免被惡意截獲、提取。合理地應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù),將有助于提升電力節(jié)點(diǎn)物聯(lián)水平,推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。
1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
全球電網(wǎng)一個(gè)重要的發(fā)展方向就是大電網(wǎng)互聯(lián),這是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心。世界各國(guó)都在積極推進(jìn)電網(wǎng)互聯(lián)工程,歐洲電網(wǎng)互聯(lián)、北美電網(wǎng)互聯(lián)和俄羅斯—波羅的海電網(wǎng)互聯(lián)是能源互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)過(guò)程中的3個(gè)重要事件。
另外,世界許多地區(qū)和科研組織正在積極進(jìn)行特大型互聯(lián)電網(wǎng)的研究和規(guī)劃。比較有代表性的是亞洲超級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃和歐洲超級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃。
1998年,俄羅斯率先提出被稱為“亞洲超級(jí)圈”的亞洲超級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃。根據(jù)對(duì)“亞洲超級(jí)圈”的規(guī)劃,其電力輸送總長(zhǎng)度可達(dá)3.6萬(wàn)km,連接俄羅斯、蒙古、中國(guó)、日本、韓國(guó)5個(gè)國(guó)家的電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)水電、火電、風(fēng)電、太陽(yáng)能等多種能源的綜合傳送?!皝喼蕹?jí)圈”計(jì)劃得到了各國(guó)的積極支持,區(qū)域之間簽署了合作協(xié)議,聯(lián)合開(kāi)展了可行性研究。
歐洲超級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃于2010年發(fā)布,參與實(shí)施的有法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、瑞典、荷蘭、丹麥、盧森堡、愛(ài)爾蘭和比利時(shí)共9個(gè)國(guó)家。該規(guī)劃共分為3個(gè)階段,第一階段積極發(fā)展新能源,以清潔能源代替核電和火電等傳統(tǒng)能源,對(duì)現(xiàn)輸電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)容;第二階段,加大對(duì)大型海上風(fēng)電廠的建設(shè)力度,繼續(xù)縮減火電和核電的規(guī)模,實(shí)現(xiàn)各國(guó)海上風(fēng)電的互聯(lián);第三階段,繼續(xù)完善覆蓋整個(gè)歐洲的電網(wǎng)體系,實(shí)現(xiàn)位于北歐的抽水蓄能設(shè)施、風(fēng)電場(chǎng)和位于南歐的大型光伏電廠與歐洲中心負(fù)荷區(qū)的電網(wǎng)連接[3]。
1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
近年來(lái),中國(guó)積極為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造技術(shù)、儲(chǔ)備條件,在技術(shù)創(chuàng)新、戰(zhàn)略規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)制定和工程建設(shè)方面進(jìn)行了積極的努力和探索。
在技術(shù)創(chuàng)新方面,中國(guó)積極發(fā)展特高壓技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù),在特高壓交、直流輸電和交、直流設(shè)備研究中取得了重大突破;在戰(zhàn)略規(guī)劃方面,國(guó)家電網(wǎng)公司于2009年制定了《堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃綱要》,把中國(guó)的智能電網(wǎng)發(fā)展分為發(fā)展起步、全面建設(shè)和完善提升3個(gè)階段;在標(biāo)準(zhǔn)制定方面,中國(guó)大力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作,積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。截至2014年底,中國(guó)已經(jīng)編制智能電網(wǎng)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)83項(xiàng),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)204項(xiàng),制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)21項(xiàng);在工程建設(shè)方面,截至2014年底,中國(guó)已經(jīng)建成投運(yùn)了6條特高壓直流線路和3條特高壓交流線路,國(guó)家電網(wǎng)公司在運(yùn)和在建特高壓線路總長(zhǎng)度達(dá)1.6萬(wàn)km,變電容量約1.6億kW,極大地推動(dòng)了電網(wǎng)互聯(lián)的進(jìn)程,促進(jìn)了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[4]。
輸電、配電網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)中非常重要的兩大組成部分。輸電網(wǎng)絡(luò)分布范圍廣,地處偏僻,人煙稀少,節(jié)點(diǎn)互聯(lián)信號(hào)依托電力線進(jìn)行傳輸將是最佳選擇,然而電力線信道特性的不理想將對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾;配電網(wǎng)絡(luò)由于其地理環(huán)境的復(fù)雜性,也會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸帶來(lái)一系列問(wèn)題。輸電、配電系統(tǒng)的電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)問(wèn)題,將是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。
直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有帶寬大、保密性好、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),并且較其他擴(kuò)頻技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn),在電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)中有比較好的應(yīng)用前景。將針對(duì)輸電和配電兩個(gè)典型的電力節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),給出擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[5]。
2.1輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電力通信可以依托于四通八達(dá)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò),不但可以節(jié)省成本,減少重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi),又可以降低人工維護(hù)量。但是由于電力傳輸線信道特性不理想,數(shù)量龐大的電力負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量噪聲,使信號(hào)迅速衰減并淹沒(méi)在噪聲下。因此,電力線載波的通信質(zhì)量一直不盡如人意。利用擴(kuò)頻通信技術(shù),可有效地抵御噪聲干擾,提升通信質(zhì)量[6]。圖1為基于輸電線路電力線載波設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)。
圖1 電力線載波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
在發(fā)送端,互聯(lián)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)偽隨機(jī)序列(PN碼)調(diào)制,頻譜被展寬,成為擴(kuò)頻信號(hào)。然后,為擴(kuò)頻信號(hào)加載本地載波,調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控(BPSK),完成調(diào)制和對(duì)載波的抑制[7]。然后完成數(shù)模轉(zhuǎn)換,將其變?yōu)槟M信號(hào),經(jīng)過(guò)結(jié)合濾波器送入電力線傳輸。
在接收端,從電力線長(zhǎng)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)已經(jīng)很微弱,需經(jīng)功率放大后進(jìn)行下一步處理。經(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后降低白噪聲和帶外噪聲的干擾,模數(shù)轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)的方法即為用與發(fā)送端相同的PN碼,在同步時(shí)鐘的控制下,進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)。可用聲表面波卷積器實(shí)現(xiàn)快速同步捕獲,用抖動(dòng)跟蹤法實(shí)現(xiàn)同步跟蹤[8]。
2.2配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)要覆蓋城市的每一個(gè)角落。在一些地形復(fù)雜、高樓林立、樹(shù)木繁多的小區(qū),電力節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)是困擾電力通信的一個(gè)瓶頸。采用光纜敷設(shè)等有線通信方式施工難度很大,而傳統(tǒng)的無(wú)線通信存在信號(hào)受環(huán)境干擾嚴(yán)重的問(wèn)題。擴(kuò)頻通信的應(yīng)用則可以為配電系統(tǒng)電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)提供一個(gè)有效的途徑。針對(duì)配電系統(tǒng)電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。
在周圍環(huán)境復(fù)雜的居民小區(qū)或者建筑群密集的城市環(huán)境適合應(yīng)用本通信系統(tǒng)。
圖2 配電系統(tǒng)電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)第一層為硬件層。在需要互聯(lián)的配電箱、電力桿塔或其他電力節(jié)點(diǎn)上裝設(shè)擴(kuò)頻裝置,同一區(qū)域內(nèi)若干個(gè)電力節(jié)點(diǎn)都擁有唯一的PN碼序列。
第二層為傳輸層。由于環(huán)境的復(fù)雜性,信號(hào)經(jīng)建筑物、樹(shù)木繞射反射后,會(huì)經(jīng)不同時(shí)間段先后到達(dá)接收端,形成多徑干擾;某一節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)的解調(diào)會(huì)受到其他節(jié)點(diǎn)的干擾,形成多址效應(yīng)。
第三層為應(yīng)用層?,F(xiàn)場(chǎng)接收端將各個(gè)互聯(lián)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)分別還原,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送給ONU,經(jīng)EPON(配網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)傳回主站端。主站側(cè)由OLT設(shè)備完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
3.1輸電擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能分析
輸電系統(tǒng)的電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)信號(hào)主要依托于電力線進(jìn)行傳輸。電力線并非理想的通信信道,含有大量的加性噪聲。噪聲來(lái)源主要有兩種:來(lái)自負(fù)載的高頻諧波和白噪聲[9]。
密集分布于整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)、不同電壓等級(jí)的含有非線性元件的電力負(fù)載,是電力線高頻諧波的主要來(lái)源之一。
對(duì)電力線接收機(jī)接收的信號(hào)k1(t)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,可得式中:n(t)為電力線上的加性噪聲;k0(t)為經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制的電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián)信號(hào);A為振幅;d(t)為基帶信息序列;為擴(kuò)頻碼;為載波的頻率;為載波的相位。
式中:α為卷積的積分因子;β為時(shí)延。
諧波干擾信號(hào)n(t)可以建模為
把式(4)帶入式(3),可得
-∞頻信號(hào)功率譜密度;N為擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度;Pk為噪聲原功率;G為擴(kuò)頻比,即擴(kuò)頻碼速與信號(hào)速率之比;H(f)為系統(tǒng)函數(shù)h(t)的傅里葉變換。
由式(6)可以看出,諧波干擾的輸出功率變成了原輸入功率的1/G。G越大,諧波干擾的輸出功率越低。具體在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的噪聲情況,選擇不同長(zhǎng)度的擴(kuò)頻序列。
白噪聲是電力線噪聲的另一主要來(lái)源[10]。白噪聲的功率譜密度在整個(gè)頻帶內(nèi)均勻分布,理論上具有無(wú)限的帶寬??梢宰C明,擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)(噪聲)的抑制能力正比于擴(kuò)頻信號(hào)與噪聲信號(hào)的帶寬比。在噪聲信號(hào)與擴(kuò)頻信號(hào)帶寬相仿或大于擴(kuò)頻信號(hào)的情況下,擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)噪聲功率的抑制不起作用。因此,在接收系統(tǒng)前端要加一級(jí)低通濾波器,濾除帶外高頻部分,削弱白噪聲的影響。
3.2配電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能分析
城市建筑物比較密集,樹(shù)木繁多,若采用無(wú)線通信方式存在較為嚴(yán)重的多徑衰落和干擾問(wèn)題。城市環(huán)境可以建模為瑞利衰落信道(Rayleigh fading channel)模型。
假設(shè)經(jīng)過(guò)信道傳輸,一共產(chǎn)生m個(gè)多徑信號(hào),傳播時(shí)延用τ表示,衰落為頻率選擇性衰落[8],則瑞利信道系統(tǒng)模型h(τ,t)可以表示為
在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備接收端,設(shè)接收信號(hào)m(t)的幅值為A,傳播時(shí)延為,則m(t)可以表示為
假設(shè)信號(hào)到達(dá)接收端,有L條多徑路徑,第i (i=1,2,3,…,L)條路徑到達(dá)接收端時(shí)延為τi,信號(hào)衰減系數(shù)為,設(shè)發(fā)射端與接收端同步,則接收信號(hào)可以表示為
將式(9)改寫(xiě)為以下形式:
由式(10)可以看出,解擴(kuò)后信號(hào)的幅值大小與擴(kuò)頻碼字的自相關(guān)函數(shù)R(t)有關(guān)。在相關(guān)的過(guò)程中,擴(kuò)頻序列只有在完全重合時(shí)具有非常明顯的自相關(guān)峰值,其他時(shí)刻與噪聲很相似。因此,擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)多徑效應(yīng)不敏感。,即多徑干擾為碼片外干擾(為一個(gè)碼片周期)時(shí),干擾信號(hào)輸出的平均值E(t)滿足:
由式(12)可以看出,多徑干擾信號(hào)與有用信號(hào)ATcdi的符號(hào)相同,有用信號(hào)ATcdi≥0,m(t)≥0,此時(shí)的多徑干擾作為有用信號(hào)的一部分,增強(qiáng)了有用信號(hào),部分影響有用信號(hào)的幅值,但不會(huì)影響偽隨機(jī)序列的寬度。
某一電力節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收不但受自身信號(hào)多徑效應(yīng)的影響,也會(huì)受到其他互聯(lián)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的干擾(即多址效應(yīng))。應(yīng)對(duì)多徑效應(yīng)與擴(kuò)頻序列的自相關(guān)特性有關(guān),而多址效應(yīng)則關(guān)系到其互相關(guān)特性。在環(huán)境比較復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)頻序列建議選用正交Gold序列。正交Gold序列數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)m序列優(yōu)選對(duì)的數(shù)目,而且其最大互相關(guān)主瓣衰減較大,具有比較好的互相關(guān)特性。關(guān)于擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)多址效應(yīng)的抑制能力,可參考文獻(xiàn)[11]。
能源互聯(lián)是全球能源行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。有了智能電網(wǎng)的數(shù)字化基礎(chǔ),能源互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的不僅是互聯(lián)網(wǎng)理念對(duì)能源行業(yè)的根本性變革,而且也會(huì)隨之產(chǎn)生爆炸式的信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)作為通信領(lǐng)域的尖端產(chǎn)品,在軍用和民用通信領(lǐng)域迅猛發(fā)展的同時(shí),在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也在引發(fā)人們的關(guān)注。在能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展過(guò)程中,擴(kuò)頻通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)電力節(jié)點(diǎn)互聯(lián),保證通信可靠性、安全性方面,必將大有作為。
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孫金華(1985),男,工程師,從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行分析及維護(hù)工作;
徐霞(1986),女,工程師,從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行分析及維護(hù)工作;
郭翔(1987),男,工程師,從事電力系統(tǒng)營(yíng)銷工作。
·專題論述·
External Insulation Improvement of Transm ission Lines in±660 kV Yinchuan-Jiaodong HVDC
LIU Hui1,WANG Hongchuan2,SHEN Hao3,HAN Zhengxin2,WANG Jin2
(1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute,Jinan 250003,China;
2.State Grid Shandong Electric Power maintenance company,Jinan 250000,China;3.Guangxi University,Nanning 530000,China)
Abstract: The voltage level of±660 kV Yinchuan-Jiaodong HVDC transmission line is a new DC transmission voltage level in China.Since 2010 after the Yinchuan-Jiaodong transmission line was put into operation,abnormal discharges occurred at several times which accordingly resulting in the reduced voltage operation of the line.The abnormal discharge phenomena of No.1894 tower in the Yinchuan-Jiaodong transmission line were studied.Effects of the local environment and pollution degree on discharge were analyzed.On this basis,countermeasures of the abnormal discharge were proposed for the N o.1894 tower,even for the whole transmission line.
Key words: Yinchuan-Jiaodong HVDC transmission line;±600 kV;abnormal discharge
Application of Spread Spectrum Communication in Power Node Interconnection
XIU Chenglin,LIANG Dong,SUN Jinhua,XU Xia,GUO Xiang
(State Grid Jinan Power Supply Company,Jinan 250012,China)
Key words:energy internet;spread spectrum communication;noise of power line;multi-path interference
Abstract:For the sustainable development of energy,internet plays an overall and strategic leading role.Development of the energy internet in the world is summarized.For power transmission network and power distribution network,two typical designs of power nodes interconnected with spread spectrum communication are proposed.Performances of spread spectrum communication in weakening noise which comes from power lines and multi-path interference are analyzed.
中圖分類號(hào):TN914.42
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1007-9904(2016)02-0017-04
收稿日期:2015-09-14
作者簡(jiǎn)介:修成林(1986),男,工程師,從事電力系統(tǒng)運(yùn)行分析及運(yùn)維工作;梁棟(1986),男,工程師,從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行分析及維護(hù)工作;