一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法，其包括建立數(shù)據(jù)測量方案、采集數(shù)據(jù)、建立路徑損耗模型和確定路徑損耗模型的參數(shù)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案中無需大量的樣本數(shù)據(jù)，其能夠精確、高效的確定變電站內(nèi)無線信號路徑損耗特性，計(jì)算得到的參數(shù)能與無線信道的實(shí)測數(shù)據(jù)較好的吻合。
【專利說明】
-種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體講設(shè)及一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] W各級電網(wǎng)作為網(wǎng)架基礎(chǔ)的智能電網(wǎng)，利用了各項(xiàng)新技術(shù)建立的信息通信平臺， 實(shí)現(xiàn)了對電力傳輸、電網(wǎng)運(yùn)行W及電力業(yè)務(wù)等多方面的綜合管理。作為實(shí)現(xiàn)電力信息傳輸 的重要手段的無線通信，實(shí)現(xiàn)了快速、便捷的通信，同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)。
[0003] W高壓變電站應(yīng)用環(huán)境為例，由于高壓變電站電氣設(shè)備在運(yùn)行時會產(chǎn)生電磁干 擾，，放置在電磁環(huán)境十分惡劣的變電站中的無線通信設(shè)備將受到不同程度的電磁干擾，使 設(shè)備通信出現(xiàn)誤碼或者丟包，嚴(yán)重時會造成通信的中斷。
[0004] 無線通信設(shè)備布置在變電站內(nèi)，要對相應(yīng)頻段的電波傳播特性做具體的研究與分 析，目前在電力系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用中尚缺乏有效的評估模型和分析手段。
[0005] 再如對無線通信中電波傳播特性的現(xiàn)有技術(shù)分析中，主要采用理論仿真和現(xiàn)場測 量兩類方法。理論仿真方法遵從電磁波理論，通過計(jì)算電磁學(xué)對傳播環(huán)境的細(xì)節(jié)問題建模， 對信號的傳播特性進(jìn)行仿真預(yù)測，但是變電站內(nèi)空間很大，并且電氣設(shè)備多而復(fù)雜，采用計(jì) 算電磁學(xué)的方法會受到計(jì)算機(jī)速度和內(nèi)存容量的限制，實(shí)現(xiàn)較為困難。
[0006] 又如在實(shí)際工程中通常采用的現(xiàn)場測量方法中，需要確立具體環(huán)境的無線信道路 徑損耗模型。路徑損耗模型公式當(dāng)中，表征路徑損耗的重要參數(shù)路徑損耗因子η及標(biāo)準(zhǔn)差σ 不能通過儀器測量直接得到，通常需要對實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到其參數(shù)的估計(jì) 值。
[0007] 常用的路徑損耗模型中參數(shù)的計(jì)算方法有矩估計(jì)、最小均方差(MMSE)、累積和 (CUSUM)、線性回歸分析等：
[000引其中的矩估計(jì)方法的總體分布特征表征效果較差，只有在樣本容量較大時才能保 證該算法的優(yōu)良性。
[0009] 而最小均方差方法的缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果不能保證估計(jì)后的值與樣本值的剩余誤差 為0。
[0010] 累積和方法計(jì)算公式比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較為繁瑣。
[0011] 線性回歸分析中，選用何種因子和該因子采用何種表達(dá)式只是一種推測，面臨著 因子的多樣性和某些因子的不可測性，引起的線性回歸分析在某些情況下不可用。
[0012] 運(yùn)幾種參數(shù)的計(jì)算方法有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但是均不能與無線信道的實(shí)測數(shù)據(jù)很好 吻合。因此，為滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供一種建模方法，其模型參數(shù)計(jì)算簡單方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供一種變電站環(huán)境的無線信道路徑損耗建模方 法，其改進(jìn)之處在于，所述建模方法包括：
[0014] 步驟1、建立數(shù)據(jù)測量方案；
[0015] 步驟2、采集數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟3、建立路徑損耗模型；
[0017] 步驟4、確定路徑損耗模型的參數(shù)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟(1)中，所述數(shù)據(jù)測量方案包括：
[0019] (1-1)確定無線待測信號源，并用信號源及發(fā)射天線產(chǎn)生無線待測信號；
[0020] (1-2)所述無線待測信號的發(fā)射功率為0地m、頻率為300MHZ-3G化；
[0021] (1-3)用頻譜分析儀分析接收天線接收的無線待測信號。
[0022] 進(jìn)一步的，所述頻譜分析儀采用峰值檢波方式或準(zhǔn)峰值檢波方式；
[0023] 所述頻譜分析儀的帶寬的設(shè)置包括：
[0024] I、無線待測信號頻率為300MHZ-1G化時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為化化，視 頻帶寬設(shè)為10曲Z;
[0025] II、無線待測信號頻率為1G化-3GHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為lOkHz，視 頻帶寬設(shè)為100曲Z。
[0026] 進(jìn)一步的，所述步驟(2)中，測量每間隔3m的無線待測信號的接收功率，得到實(shí)際 測量的無線信號接收功率向量A。
[0027] 進(jìn)一步的，所述步驟(3)中，根據(jù)大尺度衰落理論，建立如下式（1)所示的路徑損耗 模型化(d):
[002引
（巧
[0029] 其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為0的高斯隨機(jī)變量;d是收發(fā)天線 之間的距離;do為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)之間的距離;PL(do)為發(fā)射點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的路徑損 耗，單位為地。
[0030] 進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，在0-10范圍內(nèi)選取路徑損耗因子η和標(biāo)準(zhǔn)差0，按照下 式(2)計(jì)算相應(yīng)的預(yù)估計(jì)接收功率Pr(d):
[0031] (2)
[0032] 式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(do):參考點(diǎn)接收功率。
[0033] 進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，求預(yù)估計(jì)接收功率Pr(d)與實(shí)際測量無線信號接收功 率向量A的內(nèi)積；
[0034] 根據(jù)匹配追蹤算法，確定所述最大內(nèi)積對應(yīng)的所述路徑損耗因子η和所述標(biāo)準(zhǔn)差σ 的值，擬合變電站環(huán)境的路徑損耗模型。
[0035] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有W下優(yōu)異效果：
[0036] 本發(fā)明提供的建模方法中原始數(shù)據(jù)的測量實(shí)現(xiàn)簡單，且無需大量的樣本，其能夠 精確、高效的計(jì)算變電站內(nèi)無線信號路徑損耗模型的參數(shù)，且其與實(shí)地測量得到的數(shù)據(jù)極 好的吻合，相對于現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的最小均方差、累積和方法顯著減少路徑損耗模型中參 數(shù)值估計(jì)偏差，保證路徑損耗模型的規(guī)范化，提高對無線信道路徑損耗特性的估計(jì)值，減小 路徑損耗值估計(jì)誤差。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明提供的整體方案實(shí)施流程圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明在llOkV變電站實(shí)際測量無線信號接收功率的布點(diǎn)圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明在220kV變電站實(shí)際測量無線信號接收功率的布點(diǎn)圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明計(jì)算無線信道路徑損耗模型參數(shù)的流程圖；
[0041 ]圖5是本發(fā)明在llOkV變電站、430MHz頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖；
[0042] 圖6是本發(fā)明在220kV變電站、430MHz頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖；
[0043] 圖7是本發(fā)明在llOkV變電站、470MHz頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖；
[0044] 圖8是本發(fā)明在220kV變電站、470MHz頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖；
[0045] 圖9是本發(fā)明在llOkV變電站、2.4G化頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖；
[0046] 圖10是本發(fā)明在220kV變電站、2.4G化頻點(diǎn)采用多種方法估計(jì)路徑損耗圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的路徑損耗建模方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0048] 如圖1所示的本發(fā)明的整體方案實(shí)施流程圖，本發(fā)明提供的路徑損耗模型的建模 方法中，包括W下步驟：
[0049] (1)建立路徑損耗模型的原始測量數(shù)據(jù)測量方案；
[0050] 如圖2和圖3所示，分別為在llOkV和220kV變電站實(shí)際測量無線信號接收功率的布 點(diǎn)圖，在測量過程中，無線待測信號源放置在變電站的通信室內(nèi)，位置固定不變，發(fā)射設(shè)備 由信號源和發(fā)射天線組成，信號源采用了 AV1441A射頻信號發(fā)生器，發(fā)射天線分別采用了適 用于200MHZ-2G化頻段的對數(shù)周期天線、W及2.4G化單極子天線。
[0051 ] 設(shè)置無線待測信號的發(fā)射功率為0地m，并分別選擇了 430MHz、470MHz、2.4G化Ξ個 待測頻點(diǎn)。
[0052] 接收設(shè)備由是德科技公司的頻譜分析儀N1996A和接收天線組成，其中，接收天線 采用了 Ainfoinc公司生產(chǎn)的對數(shù)周期天線，型號為DS-3300,帶寬覆蓋范圍為30MHZ-3G化。
[0053] 頻譜分析儀檢波方式采用峰值檢波，對于430MHz、470MHz頻點(diǎn)，頻譜分析儀的分辨 率帶寬(RBW)為1曲Z，視頻帶寬(VBW)為1 OkHz，對于2.4GHz頻點(diǎn)，頻譜分析儀的RBW為10曲Z， VBW為 100 曲Z。
[0054] (2)搭建測量系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)；
[0055] 無線待測信號接收位置沿變電站內(nèi)主要電磁敏感設(shè)備附近布局，每間隔3m確定一 個測量點(diǎn)，依次測量無線待測信號的接收功率，得到實(shí)際測量無線信號接收信號功率向量 A。由于測量環(huán)境及場地限制等特殊要求，本實(shí)施例中每個變電站選取了 10個測量點(diǎn)，向量A 表示為：
[0056] A=[ai、a2、...、aio]。
[0057] (3)根據(jù)大尺度衰落理論，建立路徑損耗模型；
[0058] 建立如下式（1)所示的發(fā)射點(diǎn)到接收位置之間的路徑損耗化(d)的模型：
[0059]
(1)
[0060] 其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為ο的高斯隨機(jī)變量;d是收發(fā)天線 之間的距離;do為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)之間的距離;PL(do)為發(fā)射點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的路徑損 耗，單位為地。
[0061] 所述路徑損耗模型中的發(fā)射點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的路徑損耗化(do),可實(shí)地測試；
[0062] 或者，按下式(2)所示的自由空間損耗確定：
[0063]
(馮
[0064] 式中，do為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)之間的距離;A = c/f，即電磁波的波長λ等于光速C 除W頻率f。
[0065] (4)確定路徑損耗模型中的參數(shù)；
[0066] (I)如圖4所示的參數(shù)計(jì)算流程圖，使路徑損耗因子η和標(biāo)準(zhǔn)差σ在一定范圍內(nèi)變 化，分別求出相應(yīng)的預(yù)估計(jì)接收功率Pr(d)。
[0067] 路徑損耗因子η和標(biāo)準(zhǔn)差〇在0-10的范圍內(nèi)變化，根據(jù)不同的11和〇值，按照下式(3) 計(jì)算相應(yīng)的預(yù)估計(jì)接受功率Pr(d):
[006引 巧）
[0069] 式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(do):參考點(diǎn)接收功率。
[0070] (II)基于匹配追蹤算法，計(jì)算Pr(d)與實(shí)際測量無線信號接收功率向量A的內(nèi)積， 找出最大內(nèi)積所對應(yīng)的路徑損耗因子η和標(biāo)準(zhǔn)差0,擬合出變電站具體環(huán)境的最佳路徑損耗 模型。
[0071] 圖5-圖10分別是本發(fā)明分別采用傳統(tǒng)的最小均方差(MMSE)、累積和(CUSUM)、W及 按照上述路徑損耗模型參數(shù)的估值方法(New method)等多種方法，對實(shí)測路徑損耗(Test Data)模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果的比較，變電站采樣環(huán)境為：
[0072] llOkV 變電站、430MHz 頻點(diǎn)；
[0073] 220kV 變電站、430MHz 頻點(diǎn)；
[0074] llOkV 變電站、470MHz 頻點(diǎn)；
[00巧]220kV變電站、470MHz頻點(diǎn)；
[0076] llOkV 變電站、2.4GHz 頻點(diǎn)；
[0077] 220kV 變電站、2.4GHz 頻點(diǎn)。
[0078] 對比圖顯示出本發(fā)明方法計(jì)算出的變電站環(huán)境內(nèi)無線信道路徑損耗模型參數(shù)與 實(shí)際測量的路徑損耗參數(shù)值最接近，具有最佳效果。
[0079] W上實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對 本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可W對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn) 行修改或者等同替換，運(yùn)些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請 待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變電站環(huán)境的路徑損耗建模方法，其特征在于，所述建模方法包括： 步驟1、建立數(shù)據(jù)測量方案； 步驟2、采集數(shù)據(jù)； 步驟3、建立路徑損耗模型； 步驟4、確定路徑損耗模型的參數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟（1)中，所述數(shù)據(jù)測量方案包 括： (1-1)確定無線待測信號源，并用信號源及發(fā)射天線產(chǎn)生無線待測信號； (1-2)所述無線待測信號的發(fā)射功率為OdBm、頻率為300MHZ-3GHZ; (1-3)用頻譜分析儀分析接收天線接收的無線待測信號。3. 如權(quán)利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述頻譜分析儀采用峰值檢波方式或準(zhǔn) 峰值檢波方式； 所述頻譜分析儀的帶寬的設(shè)置包括： I、 無線待測信號頻率為300MHz-lGHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為1kHz，視頻帶 寬設(shè)為10kHz; II、 無線待測信號頻率為lGHz-3GHz時，所述頻譜分析儀的分辨率帶寬為10kHz，視頻帶 寬設(shè)為100kHz。4. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(2)中，測量每間隔3m的無線待 測信號的接收功率，得到實(shí)際測量的無線信號接收功率向量A。5. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(3)中，根據(jù)大尺度衰落理論， 建立如下式（1)所示的路徑損耗模型PL(d):其中，η為路徑損耗因子;X。是均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為〇的高斯隨機(jī)變量;d是收發(fā)天線之間的 距離;do為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)之間的距離;PL(d〇)為發(fā)射點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的路徑損耗，單 位為dB。6. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(4)中，在0-10范圍內(nèi)選取路徑 損耗因子η和標(biāo)準(zhǔn)差〇，按照下式(2)計(jì)算相應(yīng)的預(yù)估計(jì)接收功率P r(d):式中，Pt:無線待測信號發(fā)射功率;P(d〇):參考點(diǎn)接收功率。7. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(4)中，求預(yù)估計(jì)接收功率Pr(d) 與實(shí)際測量無線信號接收功率向量A的內(nèi)積； 根據(jù)匹配追蹤算法，確定所述最大內(nèi)積對應(yīng)的所述路徑損耗因子η和所述標(biāo)準(zhǔn)差σ的 值，擬合變電站環(huán)境的路徑損耗模型。
【文檔編號】H04B17/391GK106059692SQ201610423326
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】李強(qiáng), 張洪欣, 陸陽, 李建岐, 呂英華, 劉偉麟, 安春燕, 張東磊, 劉文亮, 林樹
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司, 國家電網(wǎng)公司, 北京郵電大學(xué)