婁佳，范超，孔文杰，王甜甜，方晴程，吳昊

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310000； 2.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，合肥 230000）

引言

變電站內(nèi)電氣設(shè)備多，電磁環(huán)境復(fù)雜[1,2]。通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性對于變電站的運(yùn)行至關(guān)重要。無論是設(shè)備監(jiān)測、遠(yuǎn)程操作還是故障診斷，通信系統(tǒng)都需要具備高度的可靠性。要保證變電站中無線通信安全穩(wěn)定地運(yùn)行，將面對很多挑戰(zhàn)[3]。無線設(shè)備在通信的過程中會(huì)受到電磁干擾，這會(huì)導(dǎo)致傳輸失真等問題，針對這些問題，部分研究者也研究出一些解決通信干擾和噪聲抑制的方法。但是，在目前提出的方法中，通信鏈路的噪聲分析多數(shù)采用如高斯脈沖，方波脈沖等單電磁脈沖作為分析目標(biāo)，復(fù)雜電磁環(huán)境中如雷電電磁 （lightning electromagnetic pulse，LEMP）脈沖，電快速瞬變（electrical fast transient，EFT）脈沖群等典型噪聲的解析函數(shù)未被建立。

因此，本文提出了一種獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）算法的變電站無線通信干擾抑制方法。第二節(jié)分析了雷電與EFT電磁脈沖對無線鏈路的影響。第三節(jié)提出了基于ICA算法的變電站干擾抑制方法并對提出了方法進(jìn)行了驗(yàn)證。第四節(jié)為結(jié)論。

1 變電站復(fù)雜電磁環(huán)境對無線鏈路的影響

電磁脈沖（electromagnetic pulse EMP）具有頻譜寬、輻射強(qiáng)度大、范圍廣等特點(diǎn)[4]。電磁脈沖在空間以輻射的形式傳播，屬于異常嚴(yán)重的電磁干擾源。其中，常見的電磁脈沖類型有LEMP脈沖、EFT脈沖群等[5-7]。為了有效地減少變電站內(nèi)的干擾，本節(jié)以LEMP脈沖、EFT脈沖群為例，分析了復(fù)雜的電磁環(huán)境對無線鏈路的影響。采用圖像作為原始信號，對信號進(jìn)行調(diào)制、加噪處理，最后進(jìn)行解調(diào)，從而獲得輸出圖像。將借助這些輸出圖像，通過分析圖像的變化，分析不同電磁脈沖對圖像傳輸質(zhì)量所造成的影響。這個(gè)分析過程將有助于優(yōu)化無線通信鏈路的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

1.1 LEMP電磁脈沖對通信鏈路的影響

現(xiàn)實(shí)生活中，雷電放電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖與地表甚至地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，將大量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雷電電磁波波形極不規(guī)則，每一幅都各不相同，具有很大的偶然性和隨機(jī)性。但依舊能發(fā)現(xiàn)其中的相似點(diǎn)，比如其波形上升前沿都極為相似，非常陡峭，只需非常短的時(shí)間即可達(dá)到峰值；而波形尾部則趨于平緩。由此，通?？梢杂脙蓚€(gè)電流或電壓參量組成的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描繪LEMP波形圖，表達(dá)式為:

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》所定義的雷擊參數(shù)[8]，在本文中選擇了國家標(biāo)準(zhǔn)所推薦的雷電試驗(yàn)波形1.2/50（μs）來構(gòu)建LEMP模型以進(jìn)行詳細(xì)分析。盡管這一模型與實(shí)際雷電波形并非完全相符，它僅僅是理想化的單次脈沖波形，但其主要特性仍然保持一致。

取波頭τ1=1.2 μs、波長τ2=50 μs，又因?yàn)棣?=3T2，τ2=T1ln2，據(jù)此可得：

將式代入式得：

將式進(jìn)行傅氏變換可得出雷電電磁波的頻譜函數(shù)：

取雷電電磁波的振幅頻譜圖為u（ω），則有：

單個(gè)雷電電磁脈沖波形如圖1所示，GB 50057-94規(guī)定：雷電波波形峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)為tp，波尾半峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)為tm，0.1倍峰值點(diǎn)與0.9倍峰值點(diǎn)連線的延長線與峰值切線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為t0，雷電波的波頭時(shí)間τ1=tp-t0，半峰值時(shí)間τ2=tm-t0，如圖1（b）所示。一般的雷電波波形就是用τ1/τ2（μs）表示的。

圖1 單個(gè)LEMP脈沖波形圖

圖2是雷電電磁脈沖的頻譜圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)LEMP的振幅分量主要集中在（0～200）kHz范圍內(nèi)，在此區(qū)間內(nèi)振幅隨頻率的增加迅速下降到峰值的8.378 %，200 kHz后振幅變化趨于平緩。

圖2 LEMP頻譜圖

在無線通信鏈路中添加LEMP干擾信號，解調(diào)得到被干擾圖像如圖3所示。圖中出現(xiàn)大量毛刺，無法辨認(rèn)，解調(diào)后的誤碼率為0.487 0。

1.2 EFT電磁脈沖對通信鏈路的影響

電快速瞬變脈沖群屬于寬頻帶高干擾信號[9]，是電磁干擾源的一種。電快速瞬變脈沖群由具有特定電壓幅值、上升時(shí)間、脈沖寬度以及重復(fù)周期的單脈沖組成，其持續(xù)時(shí)間有限，形成振蕩或呈數(shù)量有限且清晰可辨的脈沖序列。根據(jù)IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)，常使用雙指數(shù)函數(shù)來描述仿真電快速瞬變的測試波形。對于5/50 ns波形而言，其函數(shù)方程可以表示為：

比例系數(shù)k=1.269 94，波前系數(shù)τ1=4.5 ns，波長系數(shù)τ2=52.6 ns。單個(gè)EFT脈沖波形如圖4所示，EFT脈沖群波形如圖5所示。

圖4 單個(gè)EFT脈沖波形圖

圖5 EFT脈沖群

對式進(jìn)行拉普拉斯變換得：

令s=jω，把k，E0，τ1，τ2的值代入式，繪制Bode圖，如圖6所示。

圖6 EFT頻譜Bode圖

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-4和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.4的規(guī)定，EFT脈沖群如圖5（b）所示。

從Bode圖可以看出，EFT脈沖群干擾波形的頻譜主要在100 MHz之內(nèi)，很小的電快速瞬變脈沖群就會(huì)對電路運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，因?yàn)樗哳l部分的能量雖不大，但輻射能力卻很強(qiáng)。

將EFT脈沖群干擾信號引入無線通信鏈路后，通過解調(diào)過程獲得的被干擾圖像呈現(xiàn)于圖7中。這幅圖像表現(xiàn)出大量的斑紋遮蔽，導(dǎo)致圖像內(nèi)容難以辨認(rèn)，同時(shí)誤碼率高達(dá)0.461 3。

圖7 被干擾圖像

2 變電站無線通信干擾抑制方法

在變電站內(nèi)部，電磁環(huán)境的特點(diǎn)極為復(fù)雜且多變，各類電磁干擾問題時(shí)有發(fā)生。這些干擾會(huì)與信號的接收設(shè)備發(fā)生耦合，對信號產(chǎn)生影響。ICA算法目前常用于語音識別、圖像處理、機(jī)器人控制、通信信號處理等領(lǐng)域。為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，本節(jié)提出一種基于ICA的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電磁干擾識別與抑制方法。

2.1 基于ICA算法的無線通信干擾抑制方法

基于ICA算法的變電站干擾抑制方法旨在針對不同干擾情景進(jìn)行獨(dú)立分析，以識別干擾源并采取措施進(jìn)行抑制。相應(yīng)的原理示意圖如圖8所示。

圖8 基于獨(dú)立分量分析算法的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抗干擾方法

圖9 正弦脈沖干擾

圖中虛線所示為基于ICA算法的無線信號電磁脈沖噪聲分離模塊。為了使加噪傳輸信號中的各分量相互獨(dú)立，方便噪聲分離，通過接收兩路相互線性無關(guān)的加噪信號來組成新的加噪信號，通過去中心化、白化、求解分離矩陣、頻譜分析、對比通信信號報(bào)頭，就可以得到分離出的干擾信號和原始傳輸信號，再將干擾信號進(jìn)行數(shù)字濾波。無線信號傳輸中，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)受到站內(nèi)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)空間電磁干擾影響，導(dǎo)致信噪比降低和誤差率提高，甚至造成無線通信異常。在信號接收端設(shè)立兩根天線（天線2和天線3），利用獨(dú)立分析分析算法處理兩組時(shí)域接收信號，實(shí)現(xiàn)干擾識別和抑制。

無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將信號傳輸至接收終端或云平臺時(shí)會(huì)受到站內(nèi)空間電磁場EP的干擾，造成信噪比降低和誤差率提高，甚至出現(xiàn)無線通信異常和中斷。此時(shí)，天線2和3接收到的信號是原始傳輸信號和空間電磁場干擾信號的疊加。本文提出了基于獨(dú)立分量分析算法的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抗干擾措施，其具體步驟為：

步驟1：對兩組同步接收信號中心化和白化處理；

為了簡化獨(dú)立分量的提取過程，采用白化處理消除觀測信號間的關(guān)聯(lián)性。因此，需要尋找一個(gè)B(t)信號的線性變換，如式：

式中：

Z（t）—原始信號經(jīng)過白化后的白化向量；

P0—白化矩陣；

Λ—信號B（t）的協(xié)方差矩陣CB的特征值矩陣；

U—信號B（t）的協(xié)方差矩陣CB的特征向量矩陣。

數(shù)據(jù)的白化處理能大大增強(qiáng)算法的收斂性。若觀測信號的個(gè)數(shù)比源信號多，經(jīng)過白化后觀測信號數(shù)目能自動(dòng)減少到與源信號同維。該方程式也是本抑制策略的預(yù)處理，它可以降低混合矩陣的自由度，例如N×N混合矩陣A，其白化后其自由度將減小為N×（N-1）/ 2。它也可以減小混合矩陣A的維數(shù)，提高后面迭代收斂速度，改善整個(gè)策略求解過程。

步驟2：采用ICA算法處理兩組處理，通過不斷迭代直至其收斂；

設(shè)一個(gè)隨機(jī)的初始權(quán)矢量W，其維數(shù)等于需要估計(jì)出的分量個(gè)數(shù)m將白化向量Z（t），初始權(quán)矢量W帶入式進(jìn)行迭代計(jì)算：

式中：

W1，W2—迭代過程中W的中間變量；

W*—W一次計(jì)算的新矢量；

WT—矢量W的轉(zhuǎn)置；

p—矩陣的第p行，是正整數(shù)且屬于[1, m]范圍；

j—矩陣中的第j列；

g—非線性函數(shù)，可取g1(y)=tanh（y），或g2（y）=yexp（-y2/2），或g3（y）=y3；

m—初始權(quán)矢量W的維數(shù)。

在每次迭代計(jì)算后檢驗(yàn)W是否收斂，若滿足式任一條件則表示收斂：

式中：

q—規(guī)定收斂值。

步驟3：通過頻譜分析以及對比通信信號報(bào)頭，從而在混合信號中識別空間干擾信號和原始傳輸信號。

步驟4：再進(jìn)行數(shù)字濾波，實(shí)現(xiàn)干擾抑制。

2.2 仿真與分析

為了對所提出的干擾抑制方法進(jìn)行驗(yàn)證，分別對受正弦干擾、EFT干擾、浪涌干擾的無線通信信號進(jìn)行處理。圖中第一列為原始的圖像，受到正弦干擾后變成第二列所示的正弦脈沖噪聲干擾圖像。使用本文所提出的抑制方法對受干擾的圖像進(jìn)行處理后，得到第三列的圖像?？梢钥吹?，除噪圖像的平滑度得到了有效的改善，基本上與原始圖像相同，并且除噪圖像字符也與原始圖像非常一致。

與處理正弦脈沖干擾類似，再對EFT干擾和浪涌干擾的圖片進(jìn)行處理，得到的結(jié)果分別如圖10、11所示。

圖10 EFT干擾

圖11 浪涌干擾

為了更精確地衡量數(shù)據(jù)傳輸精確性，對受干擾和使用本文提出的方法處理后的圖片的誤碼率進(jìn)行對比，得到表1。

表1 干擾抑制前后圖像誤碼率

從表1中可以看出，處理后的圖像的誤碼率明顯降低，再次驗(yàn)證了本文所提出的方法的有效性。

3 結(jié)論

本文提出了一種針對變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下，基于ICA算法的無線通信干擾抑制方法。分析了變電站中LEMP電磁脈沖和EFT電磁脈沖對無線鏈路的影響，使用提出的方法對變電站的無線通信信號進(jìn)行了處理，在混合信號中識別空間干擾信號和原始傳輸信號，進(jìn)而針對分離出的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，實(shí)現(xiàn)干擾抑制。明顯降低誤碼率，誤碼率抑制率高于99.3 %，可以改善變電站通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。