李強(qiáng) ，張洪欣 ，羅佳祺 ，陸陽 ，李建岐 ，呂英華

（1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

變電站內(nèi)2.4 GHz無線信道路徑損耗建模

李強(qiáng)1，張洪欣1，羅佳祺1，陸陽2，李建岐2，呂英華1

（1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

為了評估變電站內(nèi)電磁干擾對電力通信系統(tǒng)的干擾，采用頻域測量方法對某市110 kV變電站、220 kV變電站的2.4 GHz電磁波路徑損耗進(jìn)行了測量和分析。針對測量數(shù)據(jù)，分別利用最小均方差和累積法對路徑損耗模型中路徑損耗指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并建立了路徑損耗模型，仿真結(jié)果表明，模型估計(jì)結(jié)果與測量值相差不大。另外，搭建了ZigBee仿真系統(tǒng)，在信噪比為5 dB和10 dB的情況下，仿真出誤碼率隨距離的變化關(guān)系，為通信設(shè)備布置在變電站環(huán)境中提供了研究依據(jù)。

短距離無線通信；ZigBee；變電站；路徑損耗模型；最小均方差；累積法；信噪比；誤碼率

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量不斷增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用戶對電力供應(yīng)質(zhì)量的要求越來越高，電力發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。我國電力行業(yè)緊隨歐美發(fā)達(dá)國家和地區(qū)電網(wǎng)智能化的發(fā)展趨勢，著力技術(shù)創(chuàng)新，在智能電網(wǎng)發(fā)展模式、基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系以及智能設(shè)備等方面開展了大量的研究和探索工作。

智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，首先要解決的是電網(wǎng)中各個(gè)環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)信息提取問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為智能信息感知的末端，已成為推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)手段[2]。

然而變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，高壓變電站在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生電磁干擾[3,4]，無線傳感單元放置在變電站中將受到不同程度電磁干擾的影響，這種影響會使通信出現(xiàn)誤碼或者分組丟失現(xiàn)象[5]，嚴(yán)重時(shí)會造成通信的中斷。2.4 GHz作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的頻段，目前在電力系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用中尚缺乏有效的評估模型和分析手段。在對變電站內(nèi)電磁波路徑損耗進(jìn)行測量和分析的基礎(chǔ)上，提出并建立了針對2.4 GHz的無線通信路徑損耗模型。

2 無線信道測量方案

無線信道的測量方式主要可以分為直接脈沖測量、擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)器測量和頻域測量[6]。本文的研究采用了頻域測量法。

2.1 直接脈沖測量

直接脈沖測量是一種簡易的時(shí)域信道測量方法，該方法能夠快捷地測量出信道的功率延遲分布。原理是用一個(gè)寬帶脈沖型雙靜態(tài)雷達(dá)，重復(fù)發(fā)射相同寬度的脈沖，接收端用一個(gè)帶通濾波器接收信號，利用包絡(luò)檢波器檢測信號后進(jìn)行放大，并顯示和存儲在數(shù)字高速示波器上。其缺點(diǎn)是對發(fā)射源和接收端同步的要求較高。

2.2 擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)器測量

擴(kuò)頻信道檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是盡管所探測的信號為寬帶信號，接收機(jī)可以用一個(gè)寬帶混頻器加一個(gè)窄帶接收機(jī)來檢測發(fā)送信號。與直接脈沖系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以有效濾除邊帶噪聲，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，從而在相同的發(fā)射功率下擴(kuò)大了測試系統(tǒng)的覆蓋范圍。缺點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較復(fù)雜，對同步的要求很高。

2.3 頻域測量

頻域測量技術(shù)，通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對信道環(huán)境進(jìn)行逐個(gè)頻點(diǎn)的掃頻測量，通過頻域掃頻的方式，可以得到全頻帶的頻域響應(yīng)，其特點(diǎn)是簡單易行。采用信號源和頻譜儀在頻域?qū)ψ冸娬緝?nèi)主要設(shè)備附近信號的接收功率進(jìn)行了測量。

首先選擇某市110 kV和220 kV的變電站進(jìn)行測量，以220 kV變電站為例，其環(huán)境分布主要由開關(guān)區(qū)、變壓器區(qū)、電容器區(qū)、通信室和主控室組成，其中，變壓器區(qū)是主要敏感區(qū)域，部署1號、2號、3號變壓器。測試點(diǎn)布局如圖1所示。

圖1 220 kV變電站測量布局

在測量過程中，發(fā)射設(shè)備放置在變電站的通信室內(nèi)，位置固定不變，接收設(shè)備放置在變電站內(nèi)主要敏感設(shè)備附近。發(fā)射設(shè)備由信號源和發(fā)射天線組成，信號源采用AV1441A射頻信號發(fā)生器，發(fā)射功率設(shè)為0 dBm，發(fā)射天線采用2.4 GHz單極子天線，接收設(shè)備由是德科技公司的頻譜分析儀N1996A和接收天線組成，檢波方式采用 峰 值檢波，RBW （resolution bandwidth）設(shè)為 10 kHz，VBW(video bandwidth)設(shè)為100 kHz，接收天線使用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 30 MHz～3 GHz。

3 信道模型

基于電波傳播模型[7]，接收信號的功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型被稱為對數(shù)距離路徑損耗模型[8]，該損耗模型計(jì)算式如下：

Na-K-Mg圖顯示研究區(qū)熱水均落在右下角未成熟水的區(qū)域，這表明研究區(qū)的熱水受到淺層冷水的混合。研究區(qū)冷水的溫度取12.8 ℃，冷水SiO2取12.8 mg/l。根據(jù)公式(1)、(2)將研究區(qū)各水樣點(diǎn)中冷水的混入比例進(jìn)行分析，圖6顯示了ZGJ04與ZGQ05的初始熱水溫度與冷水混入比例的關(guān)系，初始溫度分別為182.36 ℃、197.09 ℃；冷水混入比例分別為39.47%、80.86%，且冷水混入比例相差較大。

其中，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速率，它與周圍的環(huán)境和建筑物類型有關(guān)；Xσ是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯隨機(jī)變量，用來修正估計(jì)值與測量值之間的誤差；PL(d)為發(fā)射端到接收端的路徑損耗，單位為dB；d是收發(fā)天線之間的距離；d0為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)的距離；PL(d0)為參考點(diǎn)損耗值。PL(d0)除了可以利用實(shí)地測試得到之外，還可以用自由空間損耗公式來確定[9]，公式如下：

其中，λ=c/f，即電磁波的波長λ等于光速c除以頻率f。

設(shè)Pt是發(fā)射功率，Pr為接收功率，P(d0)為參考點(diǎn)接收功率，則有：

設(shè)參考點(diǎn)的接收功率Pt(d)-PL(d0)=P(d0)，得：

4 參數(shù)估計(jì)法

在對數(shù)距離路徑損耗模型中的損耗指數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)差σ，這兩個(gè)參數(shù)不能通過儀器直接測量得到，通常需要用參數(shù)估計(jì)法，利用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得出[10]，常用的參數(shù)估計(jì)法有線性回歸預(yù)測法[11]、最小均方差[9]、最大似然估計(jì)法[12]、矩估計(jì)[13]和累積法[14]，本文采用最小均方差和累積法計(jì)算路徑損耗指數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)差σ，并建立路徑損耗模型，對結(jié)果進(jìn)行比較。

4.1 最小均方差

最小均方差是利用測量值和估計(jì)值的均方差最小來計(jì)算路徑損耗n的值。設(shè)測量值和估計(jì)值的方差和為J(n)，則：

解方程求出n=n0，則均方差為：

標(biāo)準(zhǔn)差為：

4.2 累積法

累積法的概念是由意大利數(shù)學(xué)家Marchsi P在1778年提出[15,16]。我國學(xué)者曹定愛進(jìn)一步推出了累積算子的各階通式，簡化了累積法的計(jì)算。其基本原理如下。

給定序列{xi；i=1,2,…,n}，累積和的計(jì)算公式為：

式(9)、式(10)、式(11)分別是序列{xi；i=1,2,…,n}的一階、二階和k階累積算子，本文利用二階累積算子來求解路徑損耗指數(shù)。根據(jù)式（4）的模型，可以得到一階、二階累積和算子如下：，當(dāng) det(X)不等于零時(shí)，可得：A=X-1Y，即可求出路徑損耗指數(shù)n的值。

5 數(shù)值結(jié)果與分析

本文信道模型所用的數(shù)據(jù)在某變電站內(nèi)測量得到，測量數(shù)據(jù)見表1。

把表1的數(shù)據(jù)分別帶入最小均方差和累積法的計(jì)算過程中得到路徑損耗指數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)差σ，見表2。

在自由空間中，通常取路徑損耗指數(shù)等于2，通過對實(shí)際測量數(shù)據(jù)的分析和研究表明，在變電站內(nèi)這種特殊環(huán)境下，電磁波的路徑損耗有可能小于自由空間的損耗指數(shù)。這種現(xiàn)象主要是電磁波的同相疊加導(dǎo)致。

表1 變電站測量數(shù)據(jù)

表2 變電站損耗指數(shù)參數(shù)結(jié)果

將以上兩種方法計(jì)算得到的路徑損耗指數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)差σ?guī)肼窂綋p耗模型式(1)中，路徑損耗曲線和測量數(shù)據(jù)離散點(diǎn)的對比如圖2、圖3所示。

從圖2和圖3所示的曲線中可以看出，最小均方差和累積法算出的路徑損耗，隨著距離的增加，差距越來越明顯。尤其在110 kV變電站內(nèi)，距發(fā)射點(diǎn)30 m處，最小均方差和累積法相差3.7 dB?？傮w來說，兩個(gè)算法求出的路徑損耗相差不大。

在通信的過程中，接收信號會隨著傳輸距離的增加而發(fā)生變化，信噪比也會隨之發(fā)生改變，從而影響誤碼率的變化。本文搭建ZigBee仿真系統(tǒng)，以發(fā)射功率為0 dBm，初始信噪比分別設(shè)為SNR=5 dB和10 dB，在這兩種情況下，保持其背景白噪聲不變。仿真出誤碼率與傳輸距離的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖2 110 kV變電站測量數(shù)據(jù)與回歸曲線比較

圖3 220 kV變電站測量數(shù)據(jù)與回歸曲線比較

圖4 誤碼率隨距離的變化

可以看出，在理想信道條件下，系統(tǒng)誤碼率會隨著信號傳輸距離的增加而急劇增加。對比初始信噪比分別為5 dB和10 dB兩種情況下，信噪比越大，通信質(zhì)量越好。在實(shí)際中可以引申為，發(fā)射信號功率越大，傳輸距離越遠(yuǎn)。但增加發(fā)射功率對系統(tǒng)能耗要求將變高，工程成本將會提高。而且由圖4中兩條曲線對比可看出，當(dāng)超出一定距離界限時(shí)，發(fā)射信號功率的提高對通信質(zhì)量的提升并不明顯。

6 結(jié)束語

在短距離無線通信的組網(wǎng)過程中，無線通信性能受到多種因素的影響，然而變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，要將短距離無線通信設(shè)備布置在變電站內(nèi)，建立路徑損耗模型，估算覆蓋范圍，評估通信系統(tǒng)的性能非常重要。

采用頻域測量方法對某市110 kV、220 kV變電站進(jìn)行了2.4 GHz頻率的測量，并利用測量數(shù)據(jù)建立了路徑損耗模型，在建模的過程中采用最小均方差和累積法對路徑損耗指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果表明隨著距離的增加，模型與測量值會有一定的誤差，但只要在可接受的范圍內(nèi)，模型具有一定的預(yù)測意義。

另外，在110 kV變電站的路徑損耗模型的建模中，出現(xiàn)路徑損耗指數(shù)小于自由空間損耗指數(shù)的值，很大程度上是由于變電站內(nèi)，地形地貌、建筑物類型以及一次二次設(shè)備所引起的電磁波同相疊加所導(dǎo)致的結(jié)果，這種特性為特定環(huán)境、具體的變電站、短距離無線通信覆蓋規(guī)劃提供了研究依據(jù)和指導(dǎo)方向。

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Modeling of the 2.4 GHz wireless channel path loss in substation

LI Qiang1,ZHANG Hongxin1,LUO Jiaqi1,LU Yang2,LI Jianqi2,LV Yinghua1
1.School of Electronic Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China 2.Global Energy Interconnection Research Institute,Beijing 102209,China

In order to assess the influence of electromagnetic interference in the substation of the electric power communication system,frequency measurement method was adopted to obtain the data of 2.4 GHz electromagnetic wave path loss of the substation of 110 kV and 220 kV in a certain city.By using the method of minimum mean square error(MMSE)and cumulative sum(CUSUM)to estimate the parameters of path loss model such as path loss index and the standard deviation,the path loss model was set up according to measured data,respectively.The simulation results show that the gap between estimation results and the measured values is not big.In addition,a ZigBee simulation system was constructed to simulate the relationship of bit error rate (BER)varies with distance in two cases of the signal to noise ratio (SNR)at 5 dB and 10 dB respectively.A research basis for short distance wireless communication devices decorated in the substation environment was provided.

short distance wireless communication,ZigBee,substation,path loss model,minimum mean square error,cumulative sum,signal to noise ratio,bit error rate

s：State Grid Corporation of China (SGCC):Research on Key Technologies of High Reliability and Short Distance Wireless Communication in Power Complex Electromagnetic Environment(No.SGRIXTKJ[2015]-796),The National Natural Science Foundation of China(No.61571063)

TN925

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016195

2016-04-11；

2016-07-08

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“電力復(fù)雜電磁環(huán)境下高可靠短距離無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究”（No.SGRIXTKJ[2015]-796）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61571063）

李 強(qiáng) （1985-），男 ，北 京 郵 電 大 學(xué) 電 子 工 程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信與信號處理、電磁兼容與微波技術(shù)。

張洪欣（1969-），男，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，寬帶通信與微波技術(shù)中心主任，主要研究方向?yàn)闊o線通信與電磁兼容、通信信號處理、電磁輻射信息安全、生物電子等。

羅佳祺（1990-），男，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信。

陸陽（1984-），男，博士，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院工程師，主要從事電力通信新技術(shù)研究工作。

李建岐（1969-），男，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院教授級高級工程師，主要從事電力通信新技術(shù)研究及應(yīng)用研發(fā)工作。

呂英華（1944-），男，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、電磁兼容、生物醫(yī)電工程、天線和電磁散射、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等。