WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中組網的研究*

王惠中，范少偉

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050）

隨著社會的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。風能作為一種純凈的可再生能源，已經被越來越多的人所重視。風電的發(fā)展對于保障能源安全、調整能源結構、減輕環(huán)境污染、實現可持續(xù)發(fā)展等都具有非常重要的意義[1]。2008年全世界風力發(fā)電新增裝機容量約2 726萬kW，累計裝機容量達1.21億kW，全球風力發(fā)電量為2 600億kWh[2]。風力發(fā)電機組是風電場的關鍵設備，但由于受惡劣自然環(huán)境以及復雜的發(fā)電機組和電力電子裝置等因素影響，風力發(fā)電機設備很容易出現損壞和故障，影響生產[3]。因此，多采用故障診斷系統(tǒng)對風力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測跟蹤，并對故障征兆進行分析處理，從而預測風電機組的故障趨勢，指導風力發(fā)電機的維修和維護，為風電機組的正常工作提供保障。

風電場中使用的通信方式主要有電力線載波通信、光纖通信和無線通信三種。其中電力線載波通信是一種傳統(tǒng)的電力通信方式，具有投資小、易維護的優(yōu)點[4]，但是在傳輸信號時具有衰減大、干擾強、阻抗變化復雜等特點，不能在電力線上進行高速、可靠、安全的數據通信[5]。光纖通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗小、不怕電磁干擾、保密性好等優(yōu)點[6]，但由于風電場占地面積大，采用光纖通信布線需要花費大量的人力，并且建網成本高、網絡擴展困難。無線通信解決了布線問題和網絡擴展問題，但現在的電信部門提供的GPRS、GSM通道具有時延不確定性、信息安全性差等缺點，相比較而言，WiMAX無線傳輸技術傳輸距離遠、接入速度高、抗干擾能力強，支持完善的QoS機制，其 MAC層中的保密子層為信號實時安全準確地傳輸提供了保障。

1 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16標準系列的無線城域網技術[7]，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準，能夠提供高速連接[17]。WiMAX的使用頻段是 2 GHz～66 GHz，其中 2 GHz～11 GHz頻段支持視距（NOS）和非視距（NLOS）傳輸，11 GHz以上頻段支持NOS傳輸。WiMAX協(xié)議包括物理層和媒體接入控制層(MAC)兩部分，物理層支持 FDD（頻分復用）和 TDD（時分復用）兩種雙工方式，使基站和終端可以根據需要靈活改變突發(fā)類型，從而選取合適的發(fā)射參數(如調制方式[8])。在物理層上的關鍵技術有OFDM（頻分復用）技術、MIMO（多輸入多輸出）技術、混合自動重傳（HARQ）技術、自適應調制編碼（AMC）技術和功率控制技術等。MAC層由特定業(yè)務匯聚子層（CS）、公共部分子層（CPS）和安全子層（SS）三部分組成。MAC層支持QoS管理，根據業(yè)務QoS要求和業(yè)務參數來請求帶寬連接或帶寬調整，以保證數據傳輸低時延的要求。MAC層具有安全子層，支持MAC層安全機制，實現認證、加密等安全管理。

風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)總的功能和要求是保證機組安全可靠地運行。通過測試各部分的狀態(tài)和數據，判斷整個風力發(fā)電系統(tǒng)的狀況是否良好，并通過顯示和數據遠傳，將機組的各類信息及時準確地報告給運行人員。幫助運行人員追憶現場，診斷故障原因[9]。風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應該控制盡可能多的風電機組，并具有良好的顯示速度，通信質量穩(wěn)定，工作可靠，抗干擾能力強。

WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應用上有明顯的技術優(yōu)勢：

(1)傳輸距離遠，接入速度高

基于OFDM(正交頻分復用)技術的WiMAX具有NLOS傳輸的能力，最大傳輸距離可達50 km，單一基站的基本有效覆蓋范圍為 6 km～10 km，是 WLAN和3G基站所無法比擬的。WiMAX提供的最高接入速度是70 Mb/s，數據傳輸能力大，可彌補3G在數據傳輸速率和WLAN覆蓋范圍的不足[10]。WiMAX利用自適應功率控制，可以根據信道狀況動態(tài)調整發(fā)射功率，從而使得 WiMAX具有更大的覆蓋范圍以及更高的接入速率[11]。

(2)抗干擾能力強，準確性高

在無線信號傳輸過程中會遭遇各種損耗和衰落過程，主要包括：快衰落信道、頻率選擇性衰落、碼間干擾(ISI)、信道間干擾、其他衰耗[12]。WiMAX采用 OFDM（一種多載波傳輸技術），傳輸時把高速串行數據轉調至低速并行數據，并通過正交子載波聯合編碼調制，解決了無線傳輸過程中存在的嚴重的頻率衰落問題。通過聯合編碼，使傳輸具有很強的抗衰落能力，同時具有很強的抗窄帶干擾能力。低碼速傳輸使接收端降低了均衡器的復雜度，解決了碼間干擾（ISI）問題，如果選取合適的保護間隔（GI）甚至可以消除碼間干擾。另外WiMAX采用混合自動重傳技術（HARQ）降低系統(tǒng)的誤碼率。

(3)安全性

WiMAX提供了完善的加密機制，它在介質訪問層(MAC)中定義的加密子層支持 128 bit、192 bit及256 bit加密系統(tǒng)，通過使用數字證書的認證方式，確保了無線網絡內傳輸的信息得到完善的安全保護[13]。

(4)服務質量（完善的QoS機制）

在WiMAX標準中，MAC層定義了較為完整的QoS機制，包括 4種不同的業(yè)務類型：主動授予業(yè)務（UGS），周期產生數據包長度固定的實時數據流業(yè)務；實時輪詢業(yè)務(rtPS)，周期產生數據包長度不固定的實時數據流業(yè)務；非實時輪詢業(yè)務（nrtPS），不定期地提供數據包長度不固定的允許有較長時延的數據流業(yè)務；盡力而為業(yè)務（BE）。MAC層通過設置不同的QoS參數（時延、時延抖動、最小保證速率等）提供相應的QoS服務屬性，這些屬性包括如何請求上行鏈路帶寬以及帶寬管理、接入控制、資源預留等，從而有效地進行業(yè)務流管理。

(5)建設成本低

由于采用無線傳輸，不需要進行現場布線，從而節(jié)省了很多人力和物力；由于WiMAX基站的覆蓋范圍大，減少了基站的建設成本和維修費用。

(6)可擴展性，易維護

WiMAX使用動態(tài)TDMA，帶寬按需分配，且可以使用所有能用的頻率，支持多信道和蜂窩結構。在物理層，WiMAX支持靈活的射頻信道寬帶和頻率復用，當網絡擴展時，可以作為增加小區(qū)容量的一種手段。此外，WiMAX還支持自動功率控制和信道質量測試，可以作為物理層的附加工具來支持小區(qū)規(guī)劃、部署以及頻譜的有效利用[14]。

2 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的組網

2.1 WiMAX組網模式

WiMAX的組網方式可粗略地分為兩種，一種是小區(qū)蜂窩架構，也稱為點對多點結構PMP(Point to Multipoint)，網絡中所有的節(jié)點都直接與基站通信，由基站控制所有的傳輸和資源的分配。另一種是自組織狀網結構，也可稱為Mesh結構，所有節(jié)點間通過一跳或多跳鏈路相互通信[15]。802.16d標準MAC層支持PMP和Mesh兩種模式，如圖1所示。

(1)PMP模式是包括一個基站 BS（Base Station）和多個用戶終端 SS（Subscriber Station）的蜂窩結構，傳輸信道被分為上行（從 SS到 BS）和下行（從 BS到 SS），所有的上下行鏈路都是用戶終端所共享。PMP模式要求所有的SS必須在BS的傳輸范圍以內并且是視距傳輸[16]。

(2)Mesh模式中，部分或者全部節(jié)點作為中繼線路，并作為網絡的接收機和發(fā)射機組成一個Ad Hoc網絡。另外網絡中有些節(jié)點仍然作為BS提供回程連接[17]。Mesh模式使得多個節(jié)點使用WiMAX無線Mesh結構互聯，這意味著可以靈活地擴展接入網絡結構，可適用于主干網覆蓋局域網覆蓋不到的地方，從而實現城域網的擴展[18]。

2.2 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的組網設計

本系統(tǒng)采用星型網絡拓撲結構，使用PMP和Mesh模式相結合的組網方式，如圖2所示。PMP網絡采用Mesh組網方式擴大覆蓋區(qū)域，把中心基站作為接入點與核心網（監(jiān)控室和Internet網絡）相連，其余 PMP網遠端基站通過無線鏈路與該中心基站相連。兩種網絡嵌套增加了網絡的覆蓋范圍，并且靈活多樣，即使一點出現故障也不影響其他網絡，增加了數據傳輸可靠性。

遠端基站和中心基站之間采用無線連接，中間無中繼基站，風力發(fā)電機通過一跳（即遠端基站）直接與中心基站通信，其中風力發(fā)電機采用固定天線，遠端基站及中心基站采用全向天線或者定向/扇形天線，遠端基站和風力發(fā)電機之間采用3.5 GHz頻段，各個基站的服務區(qū)范圍是5 km～7 km。遠端基站和中心基站間的距離可以為30 km～50 km，基站間采用5.8 GHz頻段。遠端基站的頻率覆蓋范圍與中心基站的頻率覆蓋范圍會有部分重疊，但因使用頻段不同而互不干擾，從而避免了使用相同頻段造成的同頻干擾。

在風力發(fā)電機端，通過傳感器周期采集風力發(fā)電機狀態(tài)數據，經過WiMAX物理層和MAC層處理后將數據發(fā)送給遠端基站，數據包經遠端基站傳送到中心基站，基站在此過程中動態(tài)地分配帶寬，根據網絡覆蓋情況，動態(tài)地選擇天線和扇區(qū)覆蓋技術。中心基站通過光纜接入到監(jiān)控室的主機上 (使用光纜可以避免傳輸過程中的電磁干擾問題)，監(jiān)控端使用數據庫對風機狀態(tài)數據進行比對分析，預測風力發(fā)電機故障信息，并把故障信息和故障位置信息傳送回風力發(fā)電機使其進行相應的調整，避免故障的發(fā)生，與此同時將風力發(fā)電機狀態(tài)數據信息上傳至Internet，實現數據共享，授權用戶可以通過網上數據直接觀察風力發(fā)電機的運行狀態(tài)，實現遠程監(jiān)控。

綜上所述，WiMAX技術構建的網絡適合在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中應用，WiMAX不僅能支持遠距離傳輸，并且能夠提供很高的寬帶容量和數據速率，同時具有完善的QoS機制、抗干擾、建設成本低、易擴展等優(yōu)點，是構建風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)無線網絡的可行選擇。隨著WiMAX技術的不斷發(fā)展，WiMAX將更好地服務于風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)，為我國風電企業(yè)的安全生產做出重要的貢獻。

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