李 波 林 聪 曹 敏 刘清蝉 孙恩钊 李 川 谢 涛

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，昆明 650217；3.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650051)

营配融合通信网信道噪声小波包分析研究

李 波1,2林 聪1,2曹 敏1,2刘清蝉1,2孙恩钊3李 川3谢 涛3

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，昆明 650217；3.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650051)

应用宽带电力线载波通信(H-PLC)搭建营配融合通信网络，发现信道噪声对通信质量的影响很大。首先分析营配融合通信网主干通信信道，选择3个典型通信环境进行信号采集，根据信噪比选择最优小波基对信号进行去噪处理。结果表明：信道噪声受高压线影响较大，通过选择最优小波基进行小波包去噪能有效去除信道噪声。

噪声分析 载波信道 营配融合通信网 宽带电力线载波通信 小波包

电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，电力线上电压高、电流大、噪声大、负载种类多[1～6]，要在电力线上传输信号，就对技术设备的抗干扰性和稳定性提出了挑战。Zimmermann M和Dostert K将电力线的噪声进行了分类和建模，包括有色背景噪声、窄带噪声、与电网工频异步的周期性脉冲噪声、与电网工频同步的周期性脉冲噪声和异步脉冲噪声[7]。蔡世龙等对中压电力线的传输特性进行了测量，发现变电站处阻抗的电阻分量较小，电抗分量较大，且在100～450kHz频段内容易呈现容性[8]。李艳龙等对配电网载波通信进行估算(不通顺)，估算出10kV配电变压器、分支线、变电站、架空线及电缆串联等的影响，主要还是沿用高压载波的分析思路，误差较大[9，10]。孙秀娟等针对电力线上的信号衰减和干扰特性，提出了几种改善通信质量的抗干扰措施[11]。史贤俊等提出了一种基于Shannon熵准则的最优小波包基信号去噪算法，对某型导弹惯导系统陀螺仪信号进行去噪[12]。

笔者选择了3个典型的通信环境进行信号采集，根据信噪比的大小选择出最优小波基。通过最优小波基处理采集信号，分析对营配融合通信网信道噪声影响较大的因素。

1 小波包降噪算法①

1.1 小波包基本原理

对平方可积实数空间L2(R)进行多分辨率分析，得到小波包逼近空间的表达式为：

L2(R)=…⊕W-1⊕W0⊕W1⊕…=⊕Wj,∀j∈Z

(1)

式中j——尺度因子；

Wj——小波函数空间；

⊕——两个子空间的正交和。

由式(1)可知，根据不同尺度因子j，将Hibert空间L2(R)分解为小波空间Wj(j∈Z)的正交和，小波包分析就是按照二进制对Wj进行频带细分，以达到提高频率分辨率的目的。三层小波包分解如图1所示。

图1 三层小波包分解

图1中的节点(0，0)为待分解原始信号，节点(i，j)(i=0，1，…，7)为第i层分解的第j组系数。

小波包分析的实质就是对上一层的低频与高频部分同时进行分解，因而它具有更精确的局部分析能力。

1.2小波包降噪算法

小波包降噪就是根据噪声与信号在不同频带上的不同特性，将各尺度上的小波分量，尤其是那些噪声分量占主导地位的尺度上的噪声小波分量去掉，而保留下来的小波包系数就可以认为是原始小波包系数。小波包降噪的关键是滤去由噪声产生的小波包分解系数。采用系统默认阈值对小波包分解的系数进行处理，就是将大于阈值的小波包系数保留下来重构信号，而将小于或等于默认阈值的小波包系数进行置零处理。

将在不同地点采集的信号分别用db2、haar、sym6小波包基进行三层分解，去噪后再对信号做频谱分析，通过比较信噪比的大小即可得到最优小波基[13～17]。整个过程的算法流程如图2所示。

图2 小波包降噪算法流程

2 信号采集

此次所研究的数据采集于35kV白邑变电站。选择从35kV白邑变电站输出的10kV白邑线，该线路全长15.487km，途径平地、丘陵及山地等多种环境，具有较强的代表性。通过对10kV白邑线电网环境的考察分析，依据实际需要设计H-PLC营配融合通信网信道技术方案(营配融合通信网信道示意图详见文献[18])，对低压集抄、配电终端、专变用户及衔接线路等电力设施做详细统计，测量电力线中的杂讯情况，证实该线路符合H-PLC通信要求。

在本次信号采集期间，针对不同的环境，挑选了3个采集点，具体如下：

a. 1号采集点。该处距离终端基站680m，周边基本没有其他设施的干扰，采用单耦合方式，信号比较强。

b. 2号采集点。距离1号采集点1.6km，由于该点附近有500kV的高压输电线路通过，采用的是负控终端和集差双耦合技术来弱化干扰。因此，针对此环境，采集该处的信号，具有相对的代表性。

c. 3号采集点。距离2号采集点1.4km，附近有800kV的高压输电线路通过，采用的也是负控终端和集差双耦合技术来弱化干扰。

采用TPS-2024数字信号示波器在现场采集数据，在不同环境下均采取两组数据，按照相关规范，技术人员将示波器连接在PLC系统回路上，采集到混合信号，将该混合信号的时域波形图和数据分别存储起来。现场分别采集多组数据，以便用于统计分析，可以进行比较。

3 信号处理结果与分析

对采集到的信号进行小波包分解后，得到的信号时域波形和噪声波形如图3所示。

图3 各个信号的时域波形

对3个采集点采集到的信号进行小波包分解，去噪并进行频谱分析后得到不同小波基下信号的信噪比(表1)。可见，在同一地点，使用sym6作为小波基来处理信号，能得到最大的信噪比。因而，在处理中压信道信号中，用sym6小波基对信号使用小波包变换，能有效地去除噪声。

表1 3种小波基下信号的信噪比 dB

对每个采集点进行两次采集，采用最优小波基sym6进行分解，去噪并进行频谱分析后得到两次采集信号的信噪比如下：

1号采集点 25.57dB、21.39dB

2号采集点 5.19dB、8.10dB

3号采集点 1.06dB、1.49dB

可以看出，1号采集点周围由于没有高压线的干扰，信噪比较高；2号采集点周围有500kV高压线，信噪比明显比1号采集点的低，说明高压线对信道中的噪声有较大影响；3号采集点周围有800kV高压线，信噪比最低，说明高压线中的电压越高，对信道中的噪声影响越大。

4 结束语

为了分析周围环境中高压线对营配融合通信网信道的影响，将采用3种不同的小波基分解采集到的信号进行小波去噪，通过比较信噪比即可得到最优小波基。然后利用最优小波基对不同采集点的信号进行小波包分解和重构，得到信号的信噪比。使用最优小波基处理不同地点采集到的信号，通过对比其信噪比，并结合采集点周围的环境，可知高压线对营配融合通信网信道有较高的影响，当电压越高时信道中的噪声越大，信噪比就越低。

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ChannelNoiseWaveletPacketAnalysisinMarketingandAssignableCommunicationNetwork

LI Bo1,2, LIN Cong1,2, CAO Min1,2, LIU Qing-chan1,2, SUN En-zhao3, LI Chuan3, XIE Tao3

(1.ElectricPowerResearchInstitute,YunnanPowerGridCo.,Ltd.,Kunming650217,China; 2.CSGKeyLaboratoryforElectricPowerMeasurement,Kunming650217,China; 3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

H-PLC (broadband power line carrier communications) was applied to establish marketing and assignable communication network, the result shows that channel noise can influence communication quality much. Analyzing the converged communication network’s main communication channel, selecting three typical communication environments for signal acquisition and choosing the optimal wavelet bases to denoise the signals were implemented to show that, the high-voltage lines can influence the channel noise much and selecting the optimal wavelet basis for wavelet packet denoising can effectively remove channel noise.

noise analysis, carrier channel, marketing and assignable communication network, H-PLC, wavelet packet

TH865

B

1000-3932(2016)12-1296-04

2016-09-20(修改稿)

国家自然科学基金项目(51567013)