扩频通信在电力节点互联中的应用

修成林，梁　栋，孙金华，徐　霞，郭　翔（国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）



扩频通信在电力节点互联中的应用

修成林，梁栋，孙金华，徐霞，郭翔
（国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

摘要：能源互联网对世界能源可持续发展能够发挥全局性、战略性引领作用，总结国内外能源互联网发展的现状。针对输电和配电两个典型电力网络，给出扩频通信技术在电力节点互联应用系统设计方案，并分析了扩频通信系统在抵抗电力线噪声干扰和多径干扰方面的性能。

关键词：能源互联网；扩频通信；电力线噪声；多径效应

0　引言

能源互联网是物联网在能源行业的延伸和发展。能源互联网利用先进的传感器、控制和软件应用程序，将能源产生端、能源传输端、能源消费端的数以亿计的设备、机器、系统连接起来，形成能源互联网的基础。互联数据的有效传送，保证数据的准确性、完整性，将是能源互联网进行诸如大数据分析、负荷预测、发电预测等数据整合的基础［1］。

2015年2月，国家电网公司正式提出了全球能源互联网计划，并认为“全球能源互联网”，将是以特高压电网为骨干网架，以输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网［2］。

扩频通信技术是近年来迅猛发展的一种通信技术。扩频通信具有一些其他通信方式无法比拟的优势，如极强的抗干扰性和保密性。将扩频通信技术应用到能源互联网的电力节点互联中，一方面将有效地确保传输数据的准确性，为后续的数据分析提供保障；另一方面又能提升数据的安全性，避免被恶意截获、提取。合理地应用扩频通信技术，将有助于提升电力节点物联水平，推进能源互联网的建设。

1　国内外研究现状

1.1国外研究现状

全球电网一个重要的发展方向就是大电网互联，这是能源互联网的核心。世界各国都在积极推进电网互联工程，欧洲电网互联、北美电网互联和俄罗斯—波罗的海电网互联是能源互联网推进过程中的3个重要事件。

另外，世界许多地区和科研组织正在积极进行特大型互联电网的研究和规划。比较有代表性的是亚洲超级电网规划和欧洲超级电网规划。

1998年，俄罗斯率先提出被称为“亚洲超级圈”的亚洲超级电网规划。根据对“亚洲超级圈”的规划，其电力输送总长度可达3．6万km，连接俄罗斯、蒙古、中国、日本、韩国5个国家的电网，实现对水电、火电、风电、太阳能等多种能源的综合传送。“亚洲超级圈”计划得到了各国的积极支持，区域之间签署了合作协议，联合开展了可行性研究。

欧洲超级电网规划于2010年发布，参与实施的有法国、德国、英国、瑞典、荷兰、丹麦、卢森堡、爱尔兰和比利时共9个国家。该规划共分为3个阶段，第一阶段积极发展新能源，以清洁能源代替核电和火电等传统能源，对现输电网络的规模进行扩容；第二阶段，加大对大型海上风电厂的建设力度，继续缩减火电和核电的规模，实现各国海上风电的互联；第三阶段，继续完善覆盖整个欧洲的电网体系，实现位于北欧的抽水蓄能设施、风电场和位于南欧的大型光伏电厂与欧洲中心负荷区的电网连接［3］。

1.2国内研究现状

近年来，中国积极为能源互联网的发展创造技术、储备条件，在技术创新、战略规划、标准制定和工程建设方面进行了积极的努力和探索。

在技术创新方面，中国积极发展特高压技术和智能电网技术，在特高压交、直流输电和交、直流设备研究中取得了重大突破；在战略规划方面，国家电网公司于2009年制定了《坚强智能电网发展规划纲要》，把中国的智能电网发展分为发展起步、全面建设和完善提升3个阶段；在标准制定方面，中国大力推进标准化工作，积极参与国际标准的制定。截至2014年底，中国已经编制智能电网相关国家标准83项，行业标准204项，制定国际标准21项；在工程建设方面，截至2014年底，中国已经建成投运了6条特高压直流线路和3条特高压交流线路，国家电网公司在运和在建特高压线路总长度达1．6万km，变电容量约1．6亿kW，极大地推动了电网互联的进程，促进了能源互联网的发展［4］。

2　扩频技术应用系统设计

输电、配电网络是电力系统中非常重要的两大组成部分。输电网络分布范围广，地处偏僻，人烟稀少，节点互联信号依托电力线进行传输将是最佳选择，然而电力线信道特性的不理想将对信号产生严重干扰；配电网络由于其地理环境的复杂性，也会对信号的传输带来一系列问题。输电、配电系统的电力节点互联问题，将是能源互联网发展过程中必须解决的问题。

直接序列扩频技术具有带宽大、保密性好、抗干扰强的优点，并且较其他扩频技术更容易实现，在电力节点互联中有比较好的应用前景。将针对输电和配电两个典型的电力节点网络，给出扩频系统的设计方案［5］。

2.1输电网络系统设计

电力通信可以依托于四通八达的电力传输网络，不但可以节省成本，减少重复建设和资源浪费，又可以降低人工维护量。但是由于电力传输线信道特性不理想，数量庞大的电力负载会产生大量噪声，使信号迅速衰减并淹没在噪声下。因此，电力线载波的通信质量一直不尽如人意。利用扩频通信技术，可有效地抵御噪声干扰，提升通信质量［6］。图1为基于输电线路电力线载波设计的通信系统。

图1　电力线载波扩频通信系统设计方案

在发送端，互联节点的信号经过一个伪随机序列（PN码）调制，频谱被展宽，成为扩频信号。然后，为扩频信号加载本地载波，调制方式为二进制相移键控（BPSK），完成调制和对载波的抑制［7］。然后完成数模转换，将其变为模拟信号，经过结合滤波器送入电力线传输。

在接收端，从电力线长距离传输过来的信号已经很微弱，需经功率放大后进行下一步处理。经过功率放大的信号经低通滤波器后降低白噪声和带外噪声的干扰，模数转换后，进行解扩。解扩的方法即为用与发送端相同的PN码，在同步时钟的控制下，进行滑动相关。可用声表面波卷积器实现快速同步捕获，用抖动跟踪法实现同步跟踪［8］。

2.2配电网络系统设计

电力系统配电网络要覆盖城市的每一个角落。在一些地形复杂、高楼林立、树木繁多的小区，电力节点之间的互联是困扰电力通信的一个瓶颈。采用光缆敷设等有线通信方式施工难度很大，而传统的无线通信存在信号受环境干扰严重的问题。扩频通信的应用则可以为配电系统电力节点互联提供一个有效的途径。针对配电系统电力节点互联的通信系统设计如图2所示。

在周围环境复杂的居民小区或者建筑群密集的城市环境适合应用本通信系统。

图2　配电系统电力节点互联的通信系统设计

系统第一层为硬件层。在需要互联的配电箱、电力杆塔或其他电力节点上装设扩频装置，同一区域内若干个电力节点都拥有唯一的PN码序列。

第二层为传输层。由于环境的复杂性，信号经建筑物、树木绕射反射后，会经不同时间段先后到达接收端，形成多径干扰；某一节点之间的信号的解调会受到其他节点的干扰，形成多址效应。

第三层为应用层。现场接收端将各个互联节点的信号分别还原，经光电转换装置转换成光信号送给ONU，经EPON（配网）网络传回主站端。主站侧由OLT设备完成光电信号的转换。

3　系统的抗干扰性能分析

3.1输电扩频系统的抗干扰性能分析

输电系统的电力节点互联信号主要依托于电力线进行传输。电力线并非理想的通信信道，含有大量的加性噪声。噪声来源主要有两种：来自负载的高频谐波和白噪声［9］。

密集分布于整个电力网络、不同电压等级的含有非线性元件的电力负载，是电力线高频谐波的主要来源之一。

对电力线接收机接收的信号k1（t）进行数学建模，可得式中：n（t）为电力线上的加性噪声；k0（t）为经过扩频调制的电力节点互联信号；A为振幅；d（t）为基带信息序列；为扩频码；为载波的频率；为载波的相位。

式中：α为卷积的积分因子；β为时延。

谐波干扰信号n（t）可以建模为

把式（4）带入式（3），可得

-∞频信号功率谱密度；N为扩频码长度；Pk为噪声原功率；G为扩频比，即扩频码速与信号速率之比；H（f）为系统函数h（t）的傅里叶变换。

由式（6）可以看出，谐波干扰的输出功率变成了原输入功率的1/G。G越大，谐波干扰的输出功率越低。具体在实际应用中，可根据电力网络中实际的噪声情况，选择不同长度的扩频序列。

白噪声是电力线噪声的另一主要来源［10］。白噪声的功率谱密度在整个频带内均匀分布，理论上具有无限的带宽。可以证明，扩频技术对于平稳随机信号（噪声）的抑制能力正比于扩频信号与噪声信号的带宽比。在噪声信号与扩频信号带宽相仿或大于扩频信号的情况下，扩频技术对噪声功率的抑制不起作用。因此，在接收系统前端要加一级低通滤波器，滤除带外高频部分，削弱白噪声的影响。

3.2配电网络扩频系统的抗干扰性能分析

城市建筑物比较密集，树木繁多，若采用无线通信方式存在较为严重的多径衰落和干扰问题。城市环境可以建模为瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）模型。

假设经过信道传输，一共产生m个多径信号，传播时延用τ表示，衰落为频率选择性衰落［8］，则瑞利信道系统模型h（τ，t）可以表示为

在现场无线设备接收端，设接收信号m（t）的幅值为A，传播时延为，则m（t）可以表示为

假设信号到达接收端，有L条多径路径，第i （i=1，2，3，…，L）条路径到达接收端时延为τi，信号衰减系数为，设发射端与接收端同步，则接收信号可以表示为

将式（9）改写为以下形式：

由式（10）可以看出，解扩后信号的幅值大小与扩频码字的自相关函数R（t）有关。在相关的过程中，扩频序列只有在完全重合时具有非常明显的自相关峰值，其他时刻与噪声很相似。因此，扩频系统对多径效应不敏感。，即多径干扰为码片外干扰（为一个码片周期）时，干扰信号输出的平均值E（t）满足：

由式（12）可以看出，多径干扰信号与有用信号ATcdi的符号相同，有用信号ATcdi≥0，m（t）≥0，此时的多径干扰作为有用信号的一部分，增强了有用信号，部分影响有用信号的幅值，但不会影响伪随机序列的宽度。

某一电力节点的信号接收不但受自身信号多径效应的影响，也会受到其他互联节点信号的干扰（即多址效应）。应对多径效应与扩频序列的自相关特性有关，而多址效应则关系到其互相关特性。在环境比较复杂的配电网络，扩频序列建议选用正交Gold序列。正交Gold序列数目远远超过m序列优选对的数目，而且其最大互相关主瓣衰减较大，具有比较好的互相关特性。关于扩频系统对多址效应的抑制能力，可参考文献［11］。

4　结语

能源互联是全球能源行业发展的大趋势。有了智能电网的数字化基础，能源互联网带来的不仅是互联网理念对能源行业的根本性变革，而且也会随之产生爆炸式的信息数据。扩频通信技术作为通信领域的尖端产品，在军用和民用通信领域迅猛发展的同时，在电力系统中的应用也在引发人们的关注。在能源互联网的快速发展过程中，扩频通信技术在实现电力节点互联，保证通信可靠性、安全性方面，必将大有作为。

参考文献

［1］刘振亚．全球能源互联网［M］．北京：中国电力出版社，2015．

［2］毛六平，李晟，罗文钦．扩频通信及其在电力系统通信中的应用［J］．湖南大学学报（自然科学版），2000，27（2）：38-42．

［3］查亚兵，张涛，谭树人，等．关于能源互联网的认识与思考［J］．国防科技，2012，33（5）：1-6．

［4］董朝阳，赵俊华，文福拴．从智能电网到能源互联网［J］．电力系统自动化，2014，38（15）：1-3．

［5］刘影，谢驰．基于并行扩频技术降低电力通信电源的电磁干扰研究［J］．电网清洁与能源，2014，30（5）：22-25．

［6］曲宙强，付丽君．基于扩频通信的电力噪声分析［J］．广东电力，2003，16（5）：20-23．

［7］张平华，朱运航．瑞利衰落信道下扩频通信系统抗多径干扰性能研究［J］．广西科学，2012，19（4）：341-344．

［8］关雷．直扩系统抗多径性能分析及补偿方法研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．

［9］林建宇．基于扩频通信技术的电力监控系统设计［J］．上海电力学院学报，2011，27（3）：257-260．

［10］郝张红．直接序列扩频通信系统中的时变干扰抑制关键技术研究［D］．成都：电子科技大学，2013．

［11］王娟．无线扩频通信系统及其多用户干扰抑制方法的研究与实现［D］．成都：电子科技大学，2009．

孙金华（1985），男，工程师，从事电力系统通信运行分析及维护工作；

徐霞（1986），女，工程师，从事电力系统通信运行分析及维护工作；

郭翔（1987），男，工程师，从事电力系统营销工作。

·专题论述·

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．

中图分类号：TN914．42

文献标志码：A

文章编号：1007-9904（2016）02-0017-04

收稿日期：2015-09-14

作者简介：修成林（1986），男，工程师，从事电力系统运行分析及运维工作；梁栋（1986），男，工程师，从事电力系统通信运行分析及维护工作；