电能质量监测专网传输的信道均衡机理

1、电能质量监测专网传输的信道均衡机理*马立新，范丽君（上海理工大学电气工程系，上海 200093）摘要：电能质量监测数据采用230MHz专网传输时，由于多径效应等会引起码间干扰，严重制约数据传输质量，会导致电力能效测评系统的误差。论文提出了基于递归最小二乘法（RLS）的自适应滤波器作为均衡器设置在数字电台中。RLS权值控制机制具有较快的收敛速度，满足通信实时性的要求，同时能够有效减小因码间干扰引起的误码，使得通信可靠性也得到了提高。仿真结果验证了该方法能够有效降低电能质量监测数据基于专网传输的误码率，具有广泛的应用前景。关键词：电能质量；能效测评；专网传输；信道均衡；RLS中图分类号：TM933

2、 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2014）00-0000-00Channel Equalization Mechanism of Transmission in Power Energy Quality Monitoring Private NetworkDatas Transmission Based on Electric Power Private NetworkMA Li-xin, FAN Li-jun (Dept. of Electrical Engineering, Univ. of Shanghai for Sci.& Tech., Shanghai 200093

3、, China)Abstract: Intersymbol interference caused by multipath effects will severely restrict the data transmission quality when 230MHz private network is adopted for electric power quality monitoring data, which will produce Power quality monitoring datas transmission, based on 230 MHz wireless net

4、work, due to multipath effects, will result intersymbol interference, severely restricting quality of data transmission, producing error of energy efficiency evaluation systems errorIn this paper, aAn RLS (recursive least squares) adaptive filter based equalizer, based on RLS (recursive least square

5、s) adaptive filter, washas been put forward to be added in the digital radio. RLS weight control mechanism, with faster convergence speed, will meet the requirements of real-time communication , and will it can effectively reduce the error caused by intersymbol interference effectively at the same t

6、ime, which will improve the communication reliability. As a result, the communication reliability is improved. The sSimulation results shows that the proposedis method can will effectively effectively reduce the error rate of data transmission for during power quality monitoring datas transmission p

7、rivate network so as to possess a wide application prospect.in the energy efficiency evaluation system, it has broad prospects of application.Keywords: power squality, energy efficiency evaluation system, private network, equalizer, RLS0 引 言电能质量监测是指以 HYPERLINK /view/62176.htm t _blank 计算机技术、 HYPERLI

8、NK /view/500320.htm t _blank 数据库技术、网络通信技术为依托，结合电网中各个监测点构建成一个完整的电能质量监测网络，能够对电网中电压、谐波以及三相不平衡进行实时、连续监测并有报警功能,是电力能效测评系统不可或缺的一部分1-3。1 能效测评系统电力能效测评系统，是在国家大力提倡“节能减排”的大背景下提出的，为智能电网服务的高效节能系统。目前这方面的文献较少。系统采用分布式结构，通过多种类多功能的能效测量、监视、治理等装置、*基金项目：国家科技部政府间科技合作项目（2009014）；国家自然科学基金（61205076）现代化的高速通讯网络和计算机技术，实现对各种企业的耗

9、电信息以及大型电力设备的运行状态进行在线数据采集、运行监视、事故预警、事故记录和分析、能耗管理、设备管理和运行管理。系统以数字化手段，对不同的用电设备如电力有源滤波器、无功补偿装置、负荷点等，配置电能计量装置及数据采集装置，采用先进、安全可靠的通信手段及时将采集的各个用电装置的用电数据上传到系统管理层的服务器，为管理、评价、治理系统电能质量及制定节能改造方案提供有力的数据依据，然后通过电能质量治理即线/变损实时分析、无功补偿、谐波治理等，实现多维度的数据挖掘，从而提高用户的管理水平，实现安全、可靠、经济、高效、情节的用电目标4-7。2 电能质量监测数据的230MHz专网无线传输简介电能质量监测

10、通信单元是指将远程终端采集和计算的电能质量指标数据通过网络传输到电能质量监测中心，以便有关人员进行实时查看和数据分析、报表等，主要采用实时数据传输方式进行传输。230MHz专网是我国无线电管理委员会规划给电力部门的，用于电力负荷管理系统组件。其优越的可靠性、实时性、保密性使得在电力系统无线传输应用中占有很大比例，其在电力能效测评系统中的应用见图1。图1 电力能效测评系统架构示意图Fig.1 The schematic diagram of energy efficiency evaluation system电力专网通信属于超短波通信。由于传输带宽限制，大气层、建筑物等反射产生的时延与多径效应

11、、耦合效应和多址干扰等，以及传输信息量的大量增加，传输速率的提高等因素都会使信号在传输过程中产生码间干扰，产生大量误码。码间干扰是制约通信质量的重要因素。为了解决码间干扰带来的问题，满足无线通信的实时性、高效性、可靠性等要求，除了采取合适的调制解调方法、差错编码等措施外，还可以采取时域均衡的措施，使数据传输在一定信噪比的情况下满足一定的误码率要求指标。根据电管理委员会在1991年下发的文件(1991)国无管字5号文件，230MHz频段的15对双频拼点和10个单频频点作为无线电力负荷管理系统的专用频点8，其中，相邻频点间隔为50150kHz，带宽为25kHz。电力企业在使用230MHz频段无线资

12、源时，采用数传电台作为通信终端，通信系统结构简图如图2示。230MHz无线电台实现主站与用电侧大量负荷数据与电能质量数据的传输和命令的传递，数传质量直接影响电能质量监测系统的性能和功能的发挥。随着窄带无线通信系统的发展，系统的数传速率也在不断的提高，已从以往普遍使用的1.2kbps逐步提高到目前的19.2kbps。为了提高传输系统的可靠性，除了在数字电台中采取合适的调制方法、前向纠错等方法外，还可以采取添加时域均衡的方法来减小因信道环境造成的码间干扰，降低误码率。 图2 电能质量监测通信环节简图Fig.2 The diagram of communicate communication par

13、t of Power Energy Quality Monitoring3 无线信道均衡原理信道均衡技术即在接收数字电台端添加信道均衡滤波器能够补偿信道非理想特性，减小码间干扰，减小传输误码率，提高通信质量，保证能效测评系统中电能质量数据基于230MHz专网传输的可靠性。在本文中采用RLS（递归最小二乘）滤波器实现信道均衡，RLS算法由于采用LS准则，能够对时变信道进行快速跟踪，只用较少的阶数就可以均衡线性部分，且收敛速度很快，需要较少的训练序列即可完成均衡9。通常情况下，收、发双方依照通信协议进行信息传输。发送方可以通过定期地发送训练序列帮助接收方调整自适应滤波器的抽头系数，横向滤波器的输出

14、与期望相应的误差通过自适应权值控制机制的作用去调整横向滤波器的系数(如图3所示)，从而达到跟踪信道变化，减小多径效应所带来的码间干扰。 图3 滤波器权值自适应调整过程Fig.3 Weight Aadaptive adjustment of the filters weight adjustment4 自适应权值控制的实现在本文中采用的是基于递归最小二乘法的自适应滤波器权值控制机制。自适应滤波器权值自适应调整过程如图4所示。递归最小二乘法作为其中的权值控制机制，是指给定n-1次迭代滤波器抽头权向量最小二乘估计，依据新到达的数据计算n次迭代向量的最新估计。RLS滤波器的一个重要特点是，它的收敛速率

15、比一般的LMS（最小均方）滤波器快一个数量级10。这是因为RLS滤波器通过数据相关逆矩阵对输入数据进行了白化处理，以增加计算复杂度代价，改善了滤波器性能11。 图4 横向滤波器内部结构Fig.4 The internal structure of the transversaladaptive filter如图4所示，在横向自适应滤波器内部，是时刻的抽头权向量，是时刻的抽头输入向量。RLS算法总结如下：（1）算法初始化 （1） （2）（2）权值调整流程 （3） （4） （5） （6） （7）其中，时刻的输入信号矢量，是先验误差，是卡尔曼增益矢量，是时刻的输入信号自相关矩阵的逆矩阵， QUOTE

16、 （范围为01）是遗忘因子， QUOTE 越小，对时变参数的跟踪能力越强，同时会造成稳态误差较大；越大，跟踪能力减小，收敛时的估计误差也会变小。一般取接近为1的值。图7为分别为0.95、1时权值的收敛曲线。可以看出，相对 QUOTE =1 ，=0.95时稳态误差偏大，但是跟踪能力较强。固定遗忘因子不能兼顾二者，在本文中，经过多次试验比较，最终选取 QUOTE =0.99. 图5 滤波器权值调整过程Fig.5 The adjustment process of adaptive filter weight5.均衡效果仿真在该实验中，通过MATLAB M文件建立一个既有码间干扰又有高斯白噪声的信道

17、模型，来模拟230MHz专网传输信道。在本文中，采用了传统的、在均衡方面应用较多的LMS（最小均方）滤波器的均衡效果作为参考。给定一个二进制输入序列作为经解调后的均衡训练序列，通过自定义函数random_binary产生，建立channel.m来模拟专网传输信道，fir_lms.m文件实现LMS均衡，fir_rls.m文件实现RLS均衡。在不同的信噪比下，对未经均衡器均衡，和经LMS滤波器均衡以及经RLS滤波器均衡的三种情况下的误码率进行对比。仿真系统框图如图6所示。图6 仿真系统框图Fig.6 The diagram of simulation system该实验过程采用的是10000个二进

18、制序列作为输入，由信噪比818的、存在高斯白噪声和码间干扰的信道进行传输，分别观察经LMS滤波器和经RLS滤波器的均衡效果。误码率对比如图7。该实验中，LMS滤波器步长为0.11，RLS滤波器的遗忘因子设置为0.9。从图8可以看出，信号经模拟的230MHz信道传输之后，有较大的误码率，而在相同信噪比情况,经RLS均衡的信号误码率明显低于LMS均衡，误码率均保持在 QUOTE 以下，达到了理想的效果，大大提高了电能质量监测数据的传输可靠性，提高了通信质量，对于能效测评系统的业务层的处理，包括故障数据、电压波动的准确记录与分析、谐波治理、负荷预测、能效优化等的准确性的提高具有很重要的意义。图7 均

19、衡效果的误码率对比Fig.7 Error rate contrast of equalization Eeffect contrast of different equalization6 结束语在本文中，详细分析了能效测评系统中电能质量监测数据基于230MHz电力专网传输时存在的码间干扰以及可能导致的问题，通过MATLAB仿真建立230MHz专网具有码间干扰的信道模型，验证了RLS滤波器均衡对改善误码率，提高电能质量数据的通信质量有一定的作用。还存在的问题有RLS算法有矩阵求逆现象，复杂度高，数值稳定性不理想等缺点，会一定程度的干扰信号传输的实时性，例如会导致电能质量信号召测缓慢，以及如何在

20、工程上实现等问题，进一步的工作可以考虑解决这些问题。参考文献1 Simon Haykin著, 郑宝玉, 译. 自适应滤波器原理 M.第四版.北京：工业电子出版社. 2004.2 余中建，龚代圣，戴聿雯. 基于协同节能理念的电网能效理系统研究 J.现代电子技术, 2012, 35(23): 199-202.YU Zhong-jian, GONG Dai-sheng, DAI Yu-wen. Research on Power Grid Energy Efficiency Management System Based on Collaborative Energy Saving ConceptJ

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