仝杰+劉艷麗+楊德龍+雷煜卿

摘 要： 作為智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)必不可少的一部分，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)實(shí)時(shí)管控、提高運(yùn)行管理精益化水平的重要技術(shù)手段。系統(tǒng)通過部署在輸電線路上的終端監(jiān)測設(shè)備來采集信息，但是信息回傳時(shí)通信方式的選取需結(jié)合線路情況提出最佳的解決方案。對(duì)比分析目前輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式，利用OFDM和LDPC編碼的特點(diǎn)，提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)，選取AWGN和瑞利衰弱這兩個(gè)典型情景仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，并在山西進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。該研究為輸電網(wǎng)的建設(shè)提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 在線監(jiān)測； 輸電線路； OFDM； LDPC編碼； 無線專網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN915.11?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0162?05

Research of LDPC coding?based OFDM wireless special network communication applied to online monitoring of power transmission line

TONG Jie1， LIU Yanli2， YANG Delong1， LEI Yuqing1

（1. Academy of Information and Communications， China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China；

2. School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： As an essential part of the power transmission of the smart grid， the online monitoring system of power transmission line is an important technical means to realize the real?time control of power transmission line status and improve the level of operation management. The system gathers information by means of the terminal monitoring device deployed on the power transmission line. However， when transmitting information back， the optimal solution about the communication mode selection needs to be proposed in combination with line status. In this paper， the communication modes of the current online monitoring system of power transmission line are analyzed and contrasted. The OFDM wireless special network communication system based on LDPC coding is proposed by utilizing the characteristics of OFDM and LDPC coding. AWGN and Rayleigh fading as two typical scenes are chosen to simulate and verify the system reliability. The system was applied in Shanxi. The research in this paper provides an important theoretical basis for the construction of the power transmission network.

Keywords： online monitoring； transmission line； OFDM； LDPC coding； wireless special network

0 引 言

近幾年，我國電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，復(fù)雜地形條件下的電網(wǎng)建設(shè)和設(shè)備維護(hù)工作也越來越多，輸電線路的巡檢和維護(hù)更大程度地表現(xiàn)出地域廣、距離長、難度高等特點(diǎn)。因此，對(duì)輸電線路本身以及其運(yùn)行環(huán)境的智能化監(jiān)測成為智能電網(wǎng)改造的重點(diǎn)之一。

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過各種傳感器技術(shù)、廣域通信技術(shù)和信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知、監(jiān)視預(yù)警、分析診斷和評(píng)估預(yù)測[1]。但是，由于輸電線路多分布在野外，運(yùn)行環(huán)境惡劣等，需結(jié)合實(shí)際情況采用可靠的通信方案來完成數(shù)據(jù)回傳。本文提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網(wǎng)通信解決方案，具備靈活組網(wǎng)，即插即用以及完善的系統(tǒng)保密功能，統(tǒng)一的網(wǎng)管功能等特點(diǎn)，可為輸電線路提供強(qiáng)大的在線監(jiān)測功能。

1 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)通信方式現(xiàn)狀及問題

1.1 輸電線路在線監(jiān)測模型及基本需要

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)供電的可靠性、安全性提出了更高的要求，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)通過各種傳感技術(shù)監(jiān)測線路情況并采集信息，通過公網(wǎng)/專網(wǎng)/光纖網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)傳輸信息到地市、網(wǎng)省主站，實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)作出相應(yīng)處理，確保電力輸電線路的安全運(yùn)行。圖1給出了輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本模型。endprint

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測的信息數(shù)據(jù)包括：溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量、光輻射、覆冰監(jiān)測等氣象環(huán)境；導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線微風(fēng)震動(dòng)、導(dǎo)線風(fēng)偏、導(dǎo)線舞動(dòng)等導(dǎo)線情況；桿塔振動(dòng)監(jiān)測、桿塔傾斜監(jiān)測等桿塔信息；絕緣子風(fēng)偏監(jiān)測、絕緣子污穢監(jiān)測等桿塔附件信息[1]。

通信接入方案在選擇時(shí)，應(yīng)考慮以下準(zhǔn)則：

（1） 比較通信方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行情況，并綜合考慮帶寬、成本、可管控性等因素，選取最佳通信方式。選擇的通信技術(shù)應(yīng)盡可能先進(jìn)，能滿足未來5年內(nèi)的通信需求并有一定的預(yù)留容量。

（2） 考慮到系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，應(yīng)盡可能選用可靠性高、功耗小的通信設(shè)備。

（3） 系統(tǒng)需要符合國家電網(wǎng)對(duì)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、安全、管理調(diào)控等方面的相關(guān)規(guī)范。

（4） 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的接入應(yīng)盡可能簡單快捷，避免繁雜的施工改造。

1.2 輸電線路在線監(jiān)測通信方式的性能比較及存在的問題

輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭和傳感器采集到的信號(hào)均為模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并壓縮后，通過有線或無線方式傳送到地市或網(wǎng)省中心，在監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，存儲(chǔ)、分析并展示圖像或視頻。目前，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)控主站之間采用最為常見的接入方式——光纖通信和無線公網(wǎng)通信。

由于光纖通信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大、頻帶寬、傳輸衰耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，它一問世便首先在電力部門得到應(yīng)用并迅速發(fā)展，除普通光纖外，一些專用特種光纖也在電力通信中大量使用[2]。目前ADSS和OPGW在我國廣泛分布且應(yīng)用較多。雖然光纖通信方式在很多方面具有優(yōu)勢，但是在電力的輸電線路上OPGW不宜頻繁開口，施工周期長，同時(shí)線路鋪設(shè)其他光纜也不現(xiàn)實(shí)。此外，光纖在長時(shí)間使用過程中逐漸老化，易受外力破壞而受到損傷。

無線公網(wǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如成本低、容易建網(wǎng)和維護(hù)等，包括衛(wèi)星通信方式和2G/3G/4G公網(wǎng)方式。衛(wèi)星通信是在兩個(gè)或多個(gè)地面站之間，以人造地球衛(wèi)星為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)進(jìn)行通信[3]。而電信運(yùn)營商公網(wǎng)普遍提供2G/3G/4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，主要方式包括GPRS，EDGE，CDMA，LTE等。雖然衛(wèi)星通信方式數(shù)據(jù)傳輸距離長、覆蓋廣、開通方便，但資費(fèi)成本較高、帶寬較低，且無線公網(wǎng)通信存在信號(hào)穩(wěn)定性低、可靠性較差等問題，威脅到電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

無線專網(wǎng)接入方式具有時(shí)延小、效率高、可靠性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得專網(wǎng)通信得到越來越多的關(guān)注。隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、移動(dòng)巡檢作業(yè)、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，構(gòu)建電力無線專網(wǎng)越來越迫切，已成為輸電網(wǎng)中通信技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

因此，如何提高無線專網(wǎng)的質(zhì)量就成為輸電線路中的重要問題之一。本文設(shè)計(jì)了LDPC編碼的OFDM系統(tǒng)，提升了無線專網(wǎng)的性能，確保了電網(wǎng)輸電線路的通信質(zhì)量。

2 基于LDPC編碼的OFDM通信系統(tǒng)

2.1 LDPC編碼基本原理

低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low?Density Parity?Check Codes，LDPC）是繼Turbo碼后又一種逼近香農(nóng)極限的信道編碼。LDPC碼是一種分組碼，其校驗(yàn)矩陣只含有很少量的非零元素，正是校驗(yàn)矩陣的這種稀疏性保證了譯碼的復(fù)雜度和最小碼距，僅隨碼長呈現(xiàn)線性增加[4]。研究表明，在信道編碼中，LDPC碼的糾錯(cuò)能力最強(qiáng)，而且譯碼器結(jié)構(gòu)簡單，吞吐量極高，因此有很好的應(yīng)用前景。

表示LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，相對(duì)于矩陣的行、列數(shù)，的每行、每列中只有少量的1，這一現(xiàn)象為低密度特性，是LDPC碼最大的特點(diǎn)。每行每列中1的個(gè)數(shù)固定的LDPC碼稱為規(guī)則碼。一個(gè)長為的低密度奇偶校驗(yàn)碼與稀疏校驗(yàn)矩陣相對(duì)應(yīng)，可用表示，即每行有個(gè)1，每列有個(gè)1。的密度定義為中1的數(shù)目與行數(shù)目或列數(shù)目的比值，記為。如果矩陣是滿秩，那么由該稀疏校驗(yàn)矩陣定義的LDPC碼的碼率為。此外，為了保證LDPC碼譯碼性能，矩陣任意兩行或任意兩列相重疊，非零元素個(gè)數(shù)不大于1。二元（10，2，4）規(guī)則的LDPC碼的稀疏校驗(yàn)矩陣[5]可表示為：

（1）

理論上，由校驗(yàn)矩陣算出生成矩陣根據(jù)公式求得編碼后的碼字。但求得的生成矩陣一般都不是稀疏矩陣，所以運(yùn)算量和存儲(chǔ)量都很大，對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成了很大困難[6?8]。

2.2 OFDM系統(tǒng)基本原理

正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸[7]。雖然總信道不是平坦的，但每一個(gè)子信道都是窄帶傳輸，因此就可以大大降低信號(hào)波形間的干擾。

不同于一般的多載波傳輸，OFDM允許子載波頻譜部分重疊，只要重疊的子載波之間兩兩正交，則可將信號(hào)從混疊的子載波中分離出來。根據(jù)OFDM的基本原理，若想實(shí)現(xiàn)OFDM，子載波必須是一組正交信號(hào)[8]，而每個(gè)OFDM均為多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)之和。如果用表示子信道個(gè)數(shù)，表示OFDM的符號(hào)寬度，是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，表示載波頻率，，則OFDM輸出可以表示為：

（2）

采用等效基帶信號(hào)來描述OFDM的輸出信號(hào)：

（3）

式中：實(shí)部表示OFDM符號(hào)的同相分量；虛部表示OFDM符號(hào)的正交分量。OFDM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)可分別用余弦分量和正弦分量相乘來實(shí)現(xiàn)。圖2給出了OFDM系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的框圖，其中假定。

上述方法所需設(shè)備多，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。為了降低OFDM系統(tǒng)成本和簡化系統(tǒng)，一般采用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）和離散傅里葉反變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）來實(shí)現(xiàn)上述功能。首先信號(hào)在發(fā)送端做IDFT后，將信號(hào)經(jīng)信道傳送到接收端，然后對(duì)接收到的信號(hào)做DFT，結(jié)果的實(shí)部即為原始信號(hào)。這樣便可以不失真地將原始信號(hào)還原，實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。用DFT和IDFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)較簡單且成本低，有利于OFDM的廣泛應(yīng)用。endprint

2.3 基于LDPC編碼的OFDM通信系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)框架

OFDM技術(shù)對(duì)定時(shí)和頻率偏差比較敏感，頻率的偏差會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生子通道間干擾ICI[9]。而LDPC編碼具有極好的糾錯(cuò)抗干擾能力，將LDPC編碼應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)中，可以降低系統(tǒng)的誤碼率，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的性能?；贚DPC編碼的OFDM系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

圖3為信源發(fā)送信號(hào)經(jīng)LDPC信道編碼以后，再進(jìn)行OFDM調(diào)制等一系列的處理，最后進(jìn)入信道中進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)框圖。在發(fā)送端，二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特流首先進(jìn)行LDPC編碼，經(jīng)過比特交織、星座映射、時(shí)域深度交織，利用導(dǎo)頻技術(shù)進(jìn)行OFDM符號(hào)匹配，后經(jīng)IFFT、插保護(hù)間隔、插幀頭，完成OFDM調(diào)制后經(jīng)射頻發(fā)射出去。在接收端，首先保護(hù)間隔，經(jīng)濾波、采樣、FFT、導(dǎo)頻后，進(jìn)行信道估計(jì)與均衡（如果通道衰落較嚴(yán)重，需要用均衡器對(duì)信道均衡處理），解符號(hào)、時(shí)域、比特交織，通過LDPC解碼后，經(jīng)數(shù)據(jù)解擾后輸出二進(jìn)制比特流。其中，該系統(tǒng)通過LDPC編碼對(duì)OFDM各個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)聯(lián)合編碼，具有較強(qiáng)的抗衰落能力，系統(tǒng)性能得到明顯提升。

2.3.2 性能仿真

分別選取AWGN和瑞利衰弱信道這兩種典型的環(huán)境下，對(duì)比無編碼OFDM、卷積碼編碼OFDM和LDPC?OFDM的性能。從圖4中可以看出，LDPC?OFDM系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于無編碼OFDM和卷積碼編碼OFDM系統(tǒng)。

由圖4（a）可得：在白噪聲下，當(dāng)BER為10-3的條件下，LDPC?OFDM優(yōu)于卷積編碼約2.3 dB，優(yōu)于無編碼OFDM約5.3 dB；當(dāng)BER為10-4的條件下，LDPC?OFDM優(yōu)于卷積編碼約2.7 dB，優(yōu)于無編碼OFDM約6.5 dB。由圖4（b）可得：在瑞利衰落信道下，當(dāng)BER為10-3的條件下，LDPC?OFDM優(yōu)于卷積編碼約6.3 dB，LDPC?OFDM優(yōu)于無編碼OFDM約4.0 dB；當(dāng)BER為10-4的條件下，LDPC?OFDM優(yōu)于卷積編碼OFDM約8.2 dB，LDPC?OFDM優(yōu)于無編碼OFDM約1.8 dB。由此可見，基于LDPC編碼的OFDM系統(tǒng)明顯降低了信噪比，提高了抗干擾性能。

綜上所述，在相同信道下，加入LDPC編碼后，LDPC?OFDM系統(tǒng)的性能得到了顯著提高。

3 基于LDPC編碼的OFDM無線專網(wǎng)通信方案

針對(duì)電力企業(yè)輸電線路的特點(diǎn)，在具體建設(shè)過程中，將基于LDPC編碼的OFDM系統(tǒng)應(yīng)用于光纖+無線的專網(wǎng)解決方案中。

3.1 組網(wǎng)方案

組網(wǎng)方案中，首先監(jiān)測終端收集某一區(qū)域的桿塔或輸電線路上的各種圖像或視頻信息，將信息傳送到臨近的桿塔節(jié)點(diǎn)；然后桿塔節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)并處理信息，以無線方式向這一區(qū)域的匯聚點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)；接著通過OPGW光通信系統(tǒng)，將多個(gè)區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)的信息匯集到特定的一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，通過ADSS光纜實(shí)現(xiàn)到變電站的連接；最后利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站到地市、網(wǎng)省公司之間的數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示。

混合組網(wǎng)解決方案特點(diǎn)如下：

（1） 采用無線方式將就近的多個(gè)桿塔監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚，然后將具備OPGW接頭的匯聚桿塔采用光纖進(jìn)行連接。

（2） 無線系統(tǒng)開通便捷，沿輸電線路的走向進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，部署的可擴(kuò)展性和靈活性高，組網(wǎng)靈活方便，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)不會(huì)存在覆蓋問題[10]。

（3） 光纖方式傳輸距離長、實(shí)時(shí)性好、安全可靠、支持冗余保護(hù)組網(wǎng)功能等，同時(shí)能滿足巡檢等擴(kuò)展業(yè)務(wù)。

（4） 一臺(tái)設(shè)備損壞，往往不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地抗單點(diǎn)失效。

混合組網(wǎng)解決方案適用于輸電線路上有豐富的光纜纖芯資源，監(jiān)測桿塔上安裝有光纖接續(xù)盒，同時(shí)接入點(diǎn)光纜應(yīng)有余留長度，具備開斷條件。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

在 “山西電力公司輸電線路在線監(jiān)測無線專網(wǎng)綜合接入項(xiàng)目”中，采用無線專網(wǎng)+光纖的方式，實(shí)現(xiàn)神忻Ⅱ線89#桿塔的輸電線路視頻在線監(jiān)測系統(tǒng)接入。由于無線專網(wǎng)設(shè)備采用LDPC編碼技術(shù)和先進(jìn)的OFDM調(diào)制技術(shù)，使整個(gè)無線系統(tǒng)帶寬變大，無線系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)。

項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樯裥芒蚓€89#通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線專網(wǎng)設(shè)備連接至神忻Ⅰ線122#桿塔，而后接入神忻Ⅰ線122#桿塔的OPGW光纜的光交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)高清視頻的接入，無線通信鏈路組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖6所示，圖7為89#桿塔至122#桿塔鏈路的仿真圖，其中藍(lán)色區(qū)域表示兩個(gè)桿塔之間無線設(shè)備的模擬菲尼爾區(qū)，紅線表示兩個(gè)桿塔的無線設(shè)備到最高點(diǎn)的距離。從圖7可以看出菲尼爾區(qū)完全正常，沒有任何的破壞，說明組網(wǎng)良好。

在分析仿真圖的基礎(chǔ)上，對(duì)鏈路進(jìn)行仿真預(yù)算，結(jié)果如圖8所示。無編碼OFDM系統(tǒng)的總IP吞吐量為27.93 Mb/s，LDPC?OFDM系統(tǒng)的總IP吞吐量為79.52 Mb/s，明顯高于無編碼OFDM系統(tǒng)，說明系統(tǒng)性能明顯提高；無編碼OFDM系統(tǒng)的增益余量為11.29 dB，LDPC?OFDM系統(tǒng)的增益余量為16.03 dB，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠（系統(tǒng)增益余量越大越穩(wěn)定）?？梢钥闯?，在同等條件下采用LDPC編碼技術(shù)和先進(jìn)的OFDM調(diào)制技術(shù)的無線設(shè)備在帶寬和鏈路余量方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)不可或缺的一部分，能保障智能電網(wǎng)的信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化。由于輸電桿塔種類較多，線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因此在選擇通信方案時(shí)，應(yīng)盡可能避免對(duì)輸電桿塔和線路的施工改造。本文提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網(wǎng)通信解決方案，具備靈活組網(wǎng)、即插即用以及完善的系統(tǒng)保密功能、統(tǒng)一的網(wǎng)管功能等特點(diǎn)，可為輸電線路提供強(qiáng)大的在線監(jiān)測功能。

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