基于电力线OFDM载波的厂站自动化通信关键技术研究

张亚娟 丁琳 周顺和

摘要：厂站端的自动化信息有效采集和可靠通信是实现新能源灵活调度的首要条件，传统的厂站通信网络往往具有复杂的网络结构。本文采用压缩感知矩阵完成OFDM信道估计，并通过自适应遗传算法对多模式OFDM频道进行优化分配，以实现信息采集数据的高可靠传输。根据所提分配方法，本文构建了厂站自动化通信网络拓扑规划和厂站一体化系统设计，以解决厂站端自动化可靠通信问题。

关键词：厂站自动化；电力线通信；OFDM；多载波；遗传算法

一、引言

随着电网逐步向电力物联网的方向发展，为了实现新能源灵活调度，厂站端的自动化信息有效采集和可靠通信是首要条件。随着自动化通信技术的发展，电力公司能够大幅度减少运营费用，同时也能够极大地改善电力系统的效率。国网及南网具有广阔的分布范围、复杂的网架结构和众多设备，因此，信息采集和传输管理方面的最大挑战在于是否能够采用灵活多变、便捷可靠、成本相对低廉的通信方式。为了实现信息化和智能化的建设，新型电力系统厂站急需解决通信问题。

电力线载波通信（PLC）技术利用现有的电力线路作为通信媒质，在智能电网中有着广泛的应用前景^[1]，可以节省线路建设成本，具有天然的设备全连接和物理感知能力，并且使用专用电力线路具有较好的安全性。PLC作为“最后一公里”信息传输和泛在电力物联接入的重要组成部分^[2-3]，具有极大的潜力，能够有效地解决当前分布式光伏、小水电信息采集的挑战，并且满足电网调度对小型发电厂信息采集和传输的需求。传统的单载波或窄带PLC通信及其组网方式无法满足厂站信息可靠传输的要求，因此，需要采用异构灵活的多载波通信实现速率和可靠性的有效平衡，以提升自动化信息传输系统的综合性能^[4]。

二、基于OFDM的多载波信道通信技术

电力线载波信道存在频率选择性衰落，不同频率成分的信号衰减程度不同。此外，电力线载波通信模块之间还存在相互干扰，这也会影响通信的可靠性。由于选择性衰减谷频率周边存在信号衰耗严重的现象，因此，应当少分配或者不分配子载波通信频点。频率衰减特性是可变的，并且需要在载波通信设备上使用子信道自适应选择算法来嵌入，以便能够自动调整子载波频点，从而在有限的通信带宽上最大限度地确保通信速率和质量。

（一）多频带自适应分配频点

为了解决单频带模式下不同站点之间的时延不匹配和动态漂移问题，可以采用多频带同时或轮换发送模式来解决干扰问题。在自适应选择算法中，电力线载波通信装置将载波信道划分为带宽相等的子频段，每个子频段都可以传输相同的信息，从而提高通道的抗干扰能力。这种方法可以有效地减少信道的噪声，并实现多频段的冗余传输。每条载波通道都拥有完全独立的特征，因此可以根据需要进行灵活的调制，从而实现对子载波频点、调制类型和信号初始发射功率的调整。

通过设备的反馈，主设备可以对信道进行扫描，从而筛选出最佳的信道，并实现自动选择。在信道测试的开始时，需要将设备的位置、载波频点信息和信号的初始发射功率等信息发送给载波通信设备，以便于设备能够准确地获取信息。其中，如何选择初始频点信息至关重要。通过确定一个最佳的初始频率作为参考，就可以迅速地构建一条信息传输链，以便尽早地识别和确定握手子载波的位置，并实现对自动调节的频率检测。首先，主设备会向用户发送检测请求，并等待用户的回复。如果用户的回复没有及时被检测到，主设备会根据用户的需求调整检测请求的频率，并重新向用户发送检测请求，以确保用户的回复能够及时准确地被检测到。当主设备接受来自用户的信号反馈时，它会根据当前信号的强弱、传输次序和信道的数量，进行三次重复的检查。最终，主设备会综合分析所有的检查结果，挑选出N条质量较高的子载波信道，用于握手操作。通过使用握手信道，不同载波频率的信号可以传输到相应的设备，以确保所传输的数据能够得到准确地 处理和传输。

（二）OFDM多载波信号调制

三、基于OFDM的厂站通信高可靠传输技术

（一）基于压缩感知的OFDM信道估计

良好的信道估计技术可以有效提升整个系统的通信性能，然而电力线载波通信需要同时克服脉冲噪声和信道衰落的影响。针对信号在含多类噪声和多经时延干扰的信道中的传输质量不足问题，首先对电力线信道进行建模，并采用压缩感知算法估计通信信道的冲击响应，再将接收端接收的数据与冲击响应作解卷积运算，即可求出发送端的发送数据。因此，提高信道估计技术的同时，也可以提高传输数据的准确性^[6]。

为了提高信号的传输效率，需要采取一些措施：可以使用压缩感知算法来预测信道的冲击反射，以便更好地处理噪声、时延等因素的影响。同时，也可以使用卷积算法处理和接收来自发射端的数据。通过改进信道估计技术，能够大幅度改善信息的传播精度。

采用传统的技术，如TEM、传输线理论等，能够有效地构建出具有良好性能的电力线信道。此外，利用多径模型的特性，也能够对载波信号的频谱特性进行有效的拟合，从而更好地反映出其特性。通过对比不同的电缆通讯方式的传播特性可以发现，这些通信方式的差异性表现为：它们之间的时延、衰减等因素的相互影响，并形成了一个独特的通信模型：

式中，k_i表示第i条路径的权重因子；τ_i为第i条路径对应的多径延时。

一条通信的信息通常通过多条不同的途径，而这些途径的时间和功耗都是相對的。通常情况下，通信速度越快，通信效率也就越高。通过使用压缩感应技术，能够有效提取电力线信道的时域冲击响应，并降低数据的复杂度。同时，通过压缩冲击响应的数据，还能够更好地记录和分析不同的数据，以便更好地理解和预测未来的发展趋势。通过使用重构算法以及收集和处理压缩的相关数据，可以有效地重建电力网络的传输速率，从而减少冲击反馈。采用带有压缩功能的 ?，可以将原本需要传输的导频信号转换为精确度更高的数据，从而使得接收端能够更准确地获取所需的数据，具体如下：

通过采用基于压缩感知的电力线信道估计方法，可以将测量得到的部分哈达玛矩阵?转换成可被接收的信道冲击响应特征参数，这些参数包括y=[y₁， y₂， …， y_N]，用来对电力线信道传输特征进行压缩存储。同时，通过采用压缩感知重构算法，可以有效地恢复电力线信道的冲击响应，从而更好地理解和处理电力线传输的特征参数。

（二）基于改进遗传算法的OFDM载波分配

OFDM技术可以有效地抑制频率偏移，并减少传输中的时间损耗，因此它在宽带电力线通信中被广泛应用。此外，OFDM还可以根据各种子传输路段的衰减情况来调整传输速率，从而优化网络中传输速率。下面是基于改进遗传算法的OFDM系统的基本原理：首先，通过信道评估获得各个子载波的信道状态信息，然后利用遗传算法来进行最佳子载波分配。OFDM技术利用改良的适应度函数与遗传算法，可以有效地实现子载波的分配，通过连续迭代，最终确定最佳的子载波分配模型^[7]。

改进自适应遗传算法步骤如下：

1.将算法终止条件设定为最大迭代次数，初始群体规模设定，并由随机生成的个体组成。根据电力线信道模型，首先进行信道估计，以获取每个子载波的信道状态信息，接着生成一个以离散均匀分布为基础的随机数组X1和一随机DNA序列X2（其长度为n），随后开始执行寻优迭代过程。

2.从已知的染色体序列中抽取一对，然后按照预先确定的交叉概率，从这对染色体序列中抽取一个交叉点，最后利用电力线载波通信，完成交叉配对。

3.在两个不同的种群中，通过随机选择一列染色体进行复制，以确定每个种群的适应性函数值。

4.通过注水算法的功率分配，可以确定的适应度函数，再借助初始模型来确定子载波初始状态分配的功率。在总功率保持不变的情况下，根据注水算法自适应地为子载波分配功率，具体分配方式可以使用公式（8）来计算。通过（9）可以获得适应度函数，然后计算每次迭代中最优个体的评价函数值。

5.当两个原有的基因被重组时，通过染色体变异，形成一个新的用户，它将会被分配到一个更小的子载波中。

6.在达到最大迭代次数之后终止操作，记录整个改进自适应遗传算法过程中最佳个体和收敛曲线，据此分析得出子载波功率分配情况和是否收敛。根据上述信息确定电力线载波通信的信道容量C，具体公式如下：

上式?f为频率间隔；P_s（f_n）为子信道的分配功率；N（f_n）为噪声功率；hf_n为频率响应。

四、基于电力线OFDM载波的厂站自动化通信系统设计

（一）厂站端自动化信息可靠采集通信拓扑规划

基于OFDM载波的厂站通信网络的拓扑结构如下所示：

第一层：厂站监控平台。该层负责厂站运行数据的储存，并掌握厂站整体运行情况，同时根据当前的运行情况进行必要的控制和调整^[8]。

第二层：集中器。这一层通过载波通信模块、厂站监控平台和组件的采集控制设备实现通信。集中器负责将来自监控平台的指令传递到厂站组件的采集控制器，并将采集控制器采集到的数据发送回监控平台。

第三层：厂站组件采集设备。位于现场的采集控制设备使用了基于OFDM的可靠分配传输技术。载波通信模块可以从集中器获取指令，也可以将获取的信息实时传输至集中器，以实现有效的信息交换。这个拓扑结构充分利用了OFDM技术，以实现厂站通信网络的各层之间的可靠数据传输和控制指令传递。具体如图1所示。

（二）厂站一体化测量系统设计

基于在线电力线载波通信模组的厂站一体化信道测量系统旨在实时测量、高速采集电力线载波频带内的信道特性，并通过PLC通信传输和实时数据获取方法进行通道监测^[9]。系统结构如图2所示。

该信道特征测量系统由信道测量装置和上位机监控终端构成，其中，在线运行的PLC通信模组是核心，负责执行信道特征测量操作和命令响应流程。系统采用OFDM多载波信道通信技术，以实现可靠的载波分配和传输。上位机监控终端负责参数配置、流程控制、数据收集、信号和数据包分析等功能。通过与PLC通信模组协同工作，实现对整个信道特征测量系统的管理和监测。该系统的设计目的是充分发挥电力线载波通信模组的优势，实现电力线通信信道特性的实时测量和分析。

五、结束语

本文主要研究基于电力线OFDM多载波调制的厂站端自动化高可靠通信技术。首先，使用多个子载波传输相同信息来提高载波通信的可靠性，完成多频带自适应点分配。其次，利用自适应遗传算法寻求每一代个体中适应度最好的子载波，并筛选出每组内对邻区干扰严重的子载波，为其分配不同的功率，以保证传输速率并降低对其他区域通信的干扰。最后，基于OFDM宽带自动化通信技术，构建厂站自动化网络拓扑规划和厂站一体化信道测量系统，解决厂站在复杂环境下的信息通信问题。

作者单位：张亚娟 中国联合网络通信有限公司河北省分公司

丁琳 中国联合网络通信有限公司保定分公司

周顺和 华北电力大学 电子与通信工程系

参  考  文  献

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[9]任毅，张海龙，祝恩国，等.高速电力线载波一体化信道特征测量系统设计[J].电力信息与通信技术，2022，20（04）：9-17.

张亚娟（1979.02-），女，汉族，河北石家庄，本科，工程师，研究方向：网络通信，互联网技术；

丁琳，女，汉族，河北保定，研究方向：网络通信；

周顺和，男，汉族，湖北荆门，硕士研究生，学生，研究方向：OFDM载波通信。