论文总字数：36398字

摘 要

姓名：林宇星 学号：04012218 指导教师：尤肖虎 教授

全球能源互联网的建设对智能电网实时高效的通信技术提出了更高的要求。设计和构建集成化的综合性通信系统，有利于保障电力配给的经济性和安全性，也为系统维护和故障应急处理提供便利。

本课题基于电力无线专网建设项目，主要研究智能电网通信系统的相关方案设计，旨在设计符合电力行业需求和资源利用现状的无线通信系统。根据电力行业通信系统建设的频谱资源分配，针对电力专网授权频点离散且带宽较窄等特点，本课题计划采用多载波通信技术实现载波聚合，有效利用有限频谱资源进行数据信息传输。

本课题重点研究的多载波系统是以滤波器集合架构为核心理论的。相比于传统的正交频分复用（OFDM）多载波技术，滤波器组多载波（FBMC）技术可以在继承OFDM易于实现、频带利用率高等特点的同时，克服OFDM的频偏敏感性和定时误差等缺点。

论文对多速率系统和滤波器组理论进行了详细介绍，研究了滤波器组的相关设计方案，包括原型滤波器的研究和优化、基带处理方式的选择以及实现结构的设计和快速算法等。主要围绕广义离散傅里叶变换（DFT）多载波通信技术，研究了收发端滤波器组的设计方案。

在实验研究中，使用数学软件分析和建模，仿真了滤波器组结构在数字信息系统中的应用，验证了FBMC技术的时频特性和数据传递特性等。同时考虑了非授权频段干扰信号对于有效信号的影响，初步测试了FBMC系统在电力无线专网中的频段过滤特性。

关键字：智能电网；多载波通信；滤波器组；数字信号处理；计算机仿真

Research of Wireless communication scheme

for smart grid

Name: Lin Yuxing Student No: 04012218 Supervisor：Prof. You Xiaohu

Abstract

The construction of global Energy Internet has raised higher demand on the efficiency and real-time performance of communication techniques in smart grid. In order to ensure the economy and safety of power allocation and benefit the system maintenance and emergency processing, compositive communication systems should be scientifically designed and constructed.

Based on the construction project of power grid wireless private network, this scheme mainly researches the design of wireless communication, aiming to propose a new communication system corresponding to the energy requirement and resource utilization. According to the allocation of wireless resource, the grid network frequency band features the discrete and narrow-band characteristics. This scheme attempts to employ multi-carrier communication technique to realize carrier aggregation and use limited frequency resource to transmit data information.

This paper mainly focuses on multi-carrier communication technique based on filter banks theory. Compared with traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) multi-carrier technique, filter banks multi-carrier (FBMC) technique not only inherits the uncomplicated and efficient characteristics of OFDM, but also surmounts the disadvantages of frequency deviation sensitivity and timing error, etc.

This paper introduces the theory of multi-rate system and the fundamental of filter banks. Relevant design approaches are taken into consideration, such as the design and optimization of prototype filter, the selection of modulation method and the algorithm of fast implementation structure. Based on generalized DFT multi-carrier communication technique, this paper proposes a design approach of analysis/synthesis filter banks.

The performance analysis and numerical modeling are implemented with mathematical software platform. The simulation of FBMC in digital communication system is carried out, including the verification of time/frequency characteristics and data transmission performance. The interference from unlicensed frequency bands to transmitted data has been researched, and the preliminary tests of filtering performance of FBMC system are completed in this scheme.

KEY WORDS: smart grid, multi-carrier communication, filter banks, digital signal processing, computer simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 方案研究及技术要点 2

1.2.1 电网通信方案 2

1.2.2 课题技术要求 3

1.3 多载波通信技术概述 4

1.3.1 多载波技术发展 4

1.3.2 滤波器组多载波 7

1.4 论文主要工作及结构 7

1.4.1 主要研究工作 7

1.4.2 论文结构 7

第二章 多速率系统与滤波器组理论 9

2.1 多速率系统理论 9

2.1.1 多速率系统研究发展 9

2.1.2 多速率系统原理 9

2.2 滤波器组理论 14

2.2.1 滤波器组理论研究发展 14

2.2.2 多通道滤波器组 15

2.2.3 滤波器组频率分析 16

2.2.4 滤波器组完全重建条件 18

2.3 基于滤波器组的多载波传输 19

2.3.1 传输多路复用器 19

2.3.2 FBMC时频分析 19

第三章 滤波器组多载波系统设计 22

3.1 广义调制滤波器组设计 22

3.1.1 调制滤波器组结构 22

3.1.2 调制方式设计 23

3.1.3 原型滤波器设计 25

3.2 滤波器组多载波系统有效实现 31

3.2.1 基于z域分析的多相分解实现 31

3.2.2 基于时域分析的广义多载波实现 34

3.2.3 计算复杂度及适用性分析 38

第四章 滤波器组多载波仿真 39

4.1 滤波器组Simulink仿真 39

4.1.1 SIMULINK建模 39

4.1.2 时频特性仿真 45

4.2 基于滤波器组的通信系统仿真 50

4.2.1 基于电力无线专网频谱的FBMC设计 50

4.2.2 通信系统搭建及噪声测试 55

4.2.3 干扰信号测试 58

第五章 总结及展望 61

5.1 课题研究总结 61

5.2 未来工作展望 61

参考文献 63

致谢 ........................................................................................................................................65

绪 论

课题背景及意义

课题背景

能源互联网计划

能源互联网（Energy Internet）是一种综合利用电力设施、信息通信和管理策略的交互网络。通过将分散的能源采集、存储装置和负载工作系统构成的电力、煤炭、天然气网络等能源节点互联，能源互联网可以实现能源实时分配和智能调度，极大地提高能源利用效率，同时改善各地区供求关系[^[1]]。

能源互联网以物联网为基础，使用感知系统、操控电路系统和软硬件产品等，在能源产生环节、运输环节和配给环节的系统设备之间传输各类信息，通过整合电网运行数据、市场消费数据和设施配置数据等，进行大数据分析、供求预测、发配电规划和自适应升级等操作，实现能源运转效率的优化以及资源分配的动态调整。

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