光伏電站直流單導線載波通信信號提取方法

陳茂洲

（大同煤炭職業技術學院機電工程系，山西大同，037001）

1 光伏電站直流單導線載波通信信號提取方法設計

光伏電站直流單導線載波通信信號提取過程比較復雜且計算量比較大，此次結合傳統方法利用無線傳感技術、經驗模態分解以及獨立分量分析，設計一套新的提取方法，將其過程細致分為三個部分。首先利用無線傳感器接收原始通信信號，通過經驗模態分解和獨立分量分析將通信信號分離出來，以下將對其具體提取過程進行詳細分析。

1.1 獲取原始通信數據

通常情況下光伏電站直流單導線載波通信使用的是10KV/35KV通電線路，其采用的是點對點之間的耦合方式與通道，利用載波主機對電力數據進行接收和處理，并將數據傳輸到載波從機，由載波從機接收數據和傳輸，載波從機接收到的數據經過放大器進行放大處理，處理后的數據再經過傳輸接口傳輸到電容耦合器設備，從而實現載波通信。載波在傳輸信號過程中必然會產生一些信號，這些信號在沒被特殊處理的情況下稱之為原始通信信號。由于受到外界環境的干擾，原始通信信號含噪較大，因此在提取光伏電站直流單導線載波通信信號之前，首先需要對原始通信信號進行獲取。對于原始通信數據的獲取此次使用無線傳感設備，利用無線傳感設備讀取到直流單導線兩點之間的原始載波通信信號。根據需求此次采用GUHN-2554型號無線傳感器，其對光伏電站直流單導線載波原始通信信號的獲取如圖1所示。

圖1 光伏電站直流單導線載波原始通信信號獲取示意圖

如圖1所示，將GUHN-2554無線傳感器安裝在光伏單站直流單導線上，并與從載波機連接，當光伏電站直流單導線載波通信時自動讀取到從載波機接收到的原始通信信號，并將讀取到的數據統一存儲到計算機數據庫中，用于后續光伏電站直流單導線載波通信信號特征參數提取。

1.2 光伏電站直流單導線載波通信信號特征參數提取

光伏單站直流單導線載波通信過程中會發生局部變化，因此原始通信信號是一組非線性非平穩信號，對于其特征的提取具有一定的難度，但是相關研究資料表明光伏電站直流單導線載波通信信號具有時間特征，因此此次從該方面入手，通過對原始通信信號進行經驗模態分解獲取到通信信號特征參數，為后續提取信號提供依據。首先提出如下假設：多數情況下光伏電站直流單 導線載波通信信號在不同時間尺度下會存在極值點，其極大值和極小值可以確定通信信號時間特征參數，因此假設通信信號至少存在一個極大值m和一個極小值n。如果光伏電站直流單導線載波通信信號不存在極大值和極小值，而只有時間拐點，為了獲取這類信號的時間特征參數，此次選擇通過一階或者多階微分得到通信信號極大值和極小值。以上兩種情況下，通過經驗模態分解、積分的方式獲取到特征參數，假設原始通信信號為x(t)，則其經驗模態分解過程如下。

第一步：求出原始通信信號x(t)的所有極值點，將極值點進行排序，確定原始通信信號x(t)序列的局部極大值和局部極小值。第二步：在原始通信信號x(t)極值點之間使用三次樣條函數進行插值，得到上、下兩條直流單導線最大值和最小值。第三步：通過得到的所有極值，使用極值函數計算出均值線，并求出原始通信信號x(t)的局部均值，以及原始通信信號x(t)極值與局部極值的差值。第四步：反復計算以上三個步驟直到使得最終結果為零，將此時的通信信號進行記錄并分離出來，原始通信信號x(t)經驗模態分解結束。通過對原始通信信號經驗模態分解，獲得多個模態分量和剩余的通信信號，獲得的模態分量可以用于表示光伏電站直流單導線載波通信信號在不同時間尺度下的特征參數，用于后續分析。

1.3 提取光伏電站直流單導線載波通信信號

經過經驗模態分解之后，根據獲取到的不同時間尺度的特征參數提取到光伏電站直流單導線載波通信信號。由于載波通信信號數據量較大，因此此次采用獨立分量分析的方式對通信信號數據進行學習，并根據提取的特征參數將通信信號在混淆信號中分離出來，其過程如下。

假設光伏電站直流單導線載波通信過程中存在n個源信號，利用混合矩陣對源信號進行計算，生成多個含有噪聲的觀察信號y(t)，再由觀察信號y(t)帶入到混合矩陣中進行分離，同時也將特征參數h列入到混合矩陣中，使得輸出的通信信號特征逼近參數h值，將其作為最終的通信信號進行提取，其計算公式如下：

公式（1）中，x1(t)表示輸出信號，即提取到的光伏電站直流單導線載波通信信號；I表示m×n維混合矩陣；h表示不同時間尺度下通信信號的特征參數值；y(t)表示含加性噪聲的觀察信號；O表示球化陣，球化陣計算使得通信信號各個分量正交統一；P表示正交系統；K表示置換矩陣，通過置換矩陣計算表示觀察信號特征與通信信號特征之間的順序變化。通過上述公式計算即可求出光伏電站直流單導線載波通信信號，以此完成了光伏電站直流單導線載波通信信號提取。

2 實驗論證分析

實驗以某光伏電站為實驗對象，從該光伏電站隨機選取100根直流單導線，利用設計方法與傳統方法對該光伏電站直流單導線載波通信信號進行提取。在實驗中針對不同的通信環境，挑選了兩種通信信號采集點，一種是距離終端基站1000m，周邊沒有任何設施的干擾；另一種是距離終端基站超過1000m，且在附近存有500-800kv的高壓輸電線路通過。實驗中獲取到的光伏電站直流單導線載波原始通信信號是由一組隨機序列，采用5-OTY方式調制后的信號，根據實驗需求設定的實驗參數如下：光伏電站直流單導線載波通信周期為224×10-6s，光伏電站直流單導線載波基帶周期為2014，子載波數為1550，光伏電站直流單導線載波周期與基本周期的比設定為10，光伏電站直流單導線載波頻率為26471.14Hz，光伏電站直流單導線載波通信信號傳輸速度為2.56kbos。實驗將350MB通信信號在不同時間段分別發送到光伏電站直流單導線上，再從光伏電站直流單導線采樣到含有通信信號的電網電壓信號，將其作為原始信號，最后通過獨立分量分析提取到光伏電站直流單導線載波通信信號，將提取到的光伏電站直流單導線載波通信信號與實際通信信號相關系數超過0.9的信號作為提取結果，計算出兩種方法對于光伏電站直流單導線載波通信信號的提取率，實驗結果如下表1所示。

從表1中可以看出，此次設計方法對于光伏電站直流單導線載波通信信號的提取比較全面，信號提取率基本可以達到99%以上，遠高于傳統方法，這是因為此次設計方法采用了經驗模態分解和單獨分量分析原理，將接近提取特征參數的信號作為提取對象，可以全面提取到載波通信信號。因此實驗證明了此次設計方法相比較傳統方法更適用于光伏電站直流單導線載波通信信號的提取，具有較高的可行性和可靠性。

表1 兩種方法提取率對比（MB）

3 結束語

光伏電站直流單導線載波通信信號提取是無線電中的核心技術之一，是光伏電站正常運行的基礎和前提，只有準確地提取到直流單導線載波通信信號，才能對接收通信信號進行調解和后續的處理。此次針對傳統方法存在的缺陷，著重研究了光伏電站直流單導線載波通信信號提取方法的設計，并且通過實驗驗證了所研究成功的有效性，提高了光伏電站直流單導線載波通信信號提取率，對光伏電站無線通信技術的發展具有良好的實際意義。