無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃春犁，高敏，高金明

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)重視度的提高，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源得到快速發(fā)展，尤其是新建風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)量正逐步增加。然而，新建風(fēng)電場(chǎng)，尤其是海上、沙漠、丘陵等地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，大多數(shù)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)采用的傳輸方式為光纖雙環(huán)網(wǎng)［1］，現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)容量有限，需要擴(kuò)容時(shí)仍需增設(shè)光纖，增加了擴(kuò)容的工作量，而且預(yù)埋光纖大大增加了整個(gè)新建工程的施工周期，并且在光纖出現(xiàn)故障時(shí)維護(hù)不便。為了縮短新建風(fēng)電場(chǎng)的工程周期，提高現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)容量，部分風(fēng)電場(chǎng)提出了基于無(wú)線接入點(diǎn)（AP）［2］及通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）［3］的風(fēng)電 SCADA系統(tǒng)無(wú)線傳輸方式，但以上無(wú)線傳輸方式均存在組網(wǎng)困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設(shè)備安放位置要求高、傳輸帶寬小等缺點(diǎn)，并且需經(jīng)過多次橋接，使數(shù)據(jù)的傳輸衰減增大，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文提出了一種基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線傳輸技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)中，在縮短新建風(fēng)電場(chǎng)工程周期、提高現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)容量的同時(shí)，有效解決了傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)傳輸距離短、抗干擾性差、組網(wǎng)困難等問題。

1 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)［4］是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，通過傳輸系統(tǒng)將采集到的現(xiàn)地設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、報(bào)警信號(hào)等數(shù)據(jù)傳輸至集控中心進(jìn)行監(jiān)視和控制，能夠應(yīng)用于給水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石油化工系統(tǒng)等。風(fēng)電場(chǎng)一般位于海上、丘陵、平原、山區(qū)等地域，設(shè)備區(qū)域分布廣泛，并且?guī)缀鯖]有影響無(wú)線傳輸?shù)淖璧K物，系統(tǒng)采集的風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)需遠(yuǎn)程傳輸至集控中心，最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)距離集控中心10 km，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性直接影響了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

風(fēng)電 SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)［4］包括三相電壓、功率因數(shù)、環(huán)境溫度、風(fēng)速、發(fā)電機(jī)溫度、葉片轉(zhuǎn)速等電網(wǎng)、氣象、機(jī)組狀態(tài)參數(shù)。

1.2 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)［5］由就地監(jiān)控部分、中央監(jiān)控部分、遠(yuǎn)程監(jiān)控部分3部分構(gòu)成：就地監(jiān)控部分位于風(fēng)機(jī)內(nèi)部，對(duì)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集；中央監(jiān)控部分一般布置于風(fēng)電場(chǎng)控制室內(nèi)，工作人員根據(jù)電腦監(jiān)控畫面了解每臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控部分根據(jù)不同需求布置于不同地點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸一般采用電信運(yùn)行商預(yù)埋的光纖傳輸。

本文研究對(duì)象為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的就地監(jiān)控部分至中央監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，該部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸具有以下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。風(fēng)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要高度的穩(wěn)定性?；跓o(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線傳輸技術(shù)采用高頻率波段，可避免噪聲干擾，具有可靠的穩(wěn)定性。

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率快，實(shí)時(shí)性好。風(fēng)機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)必須迅速反饋到監(jiān)控終端，該無(wú)線傳輸方案?jìng)鬏斔俾士蛇_(dá)ms級(jí)別，實(shí)時(shí)性較高。

（3）無(wú)線傳輸系統(tǒng)可擴(kuò)展。系統(tǒng)留有擴(kuò)充接口，將來(lái)功能或模塊擴(kuò)充時(shí)不影響現(xiàn)有的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，方便后續(xù)其他系統(tǒng)模塊的擴(kuò)充。

2 目前風(fēng)電場(chǎng)常用無(wú)線傳輸技術(shù)

2.1 無(wú)線AP

無(wú)線AP［2］主要技術(shù)協(xié)議為IEEE 802.11系列，典型的傳輸距離可覆蓋幾十米至上百米，也可以通過多個(gè)設(shè)備進(jìn)行橋接延長(zhǎng)傳輸距離，目前最遠(yuǎn)可達(dá)30 km左右。該技術(shù)傳輸速率可達(dá)10MB／s，但應(yīng)用于大面積覆蓋的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，組網(wǎng)困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設(shè)備安放位置要求較高。

2.2 3G／4G

3G／4G是電信公司的一種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1MB／s，工業(yè)用RS232／485串口設(shè)備可將串口通信立即轉(zhuǎn)換為3G／4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)可接入電信公司的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。但由于風(fēng)電場(chǎng)地處偏僻地區(qū)，并且通信基站建設(shè)費(fèi)用很高，且需按流量收費(fèi)，所以該技術(shù)較難應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

3 無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)［6］是借助數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)和無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)。數(shù)傳電臺(tái)不僅可以傳輸數(shù)據(jù)，而且能夠傳輸視頻圖像。數(shù)傳電臺(tái)采用透明傳輸協(xié)議，傳輸速率可達(dá)1 MB／s，數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為10ms，能夠?qū)崟r(shí)、可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸，具有安裝維護(hù)方便、成本低、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠(yuǎn)的特點(diǎn)，適合點(diǎn)多分散、地理環(huán)境復(fù)雜等場(chǎng)合［7］。

3.1 傳輸數(shù)據(jù)可靠

無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的工作波段包括2個(gè)頻段336～344MHz及902～928MHz，與電廠常見噪聲波段30 MHz不相交，能夠很好地避免噪聲干擾，并且每臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)置不同信道，每組網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同的傳輸頻率／波段，避免風(fēng)機(jī)、網(wǎng)段之間的干擾，大大降低系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率。

3.2 傳輸協(xié)議為透明傳輸

風(fēng)機(jī)塔基控制柜內(nèi)的數(shù)據(jù)由網(wǎng)口輸出，所以無(wú)線傳輸系統(tǒng)前端連接網(wǎng)口，后端通過無(wú)線將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳輸協(xié)議為透明傳輸，即輸入為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，傳輸至集控中心的仍是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，傳輸效果與光纖傳輸方式一致。

3.3 傳輸距離遠(yuǎn)

系統(tǒng)采用高速工業(yè)級(jí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案，傳輸衰減極弱，理論傳輸距離可達(dá)50 km。基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線傳輸技術(shù)與以上技術(shù)的對(duì)比見表1。

表1 無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)比

4 無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸解決方案

4.1 無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成

風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)控制單元PLC將數(shù)據(jù)傳輸至塔機(jī)控制柜交換機(jī)，再通過光纖／無(wú)線傳輸至風(fēng)電場(chǎng)控制中心。為了提高穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的光纖傳輸采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其原理是采用2條傳輸線路，每條線路為全雙工工作模式，即收發(fā)并用，2條傳輸線路互為備用，增強(qiáng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸模式為時(shí)序雙工工作模式，即不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)，收與發(fā)之間有10～20ms的延時(shí)，為了繼承光纖自愈環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文基于無(wú)線數(shù)傳的無(wú)線傳輸方案采用雙收雙發(fā)的工作模式，形成雙線路互為備用的輸出模式，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)組成如圖2所示。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸理論分析

為了能夠?qū)⒉杉降腟CADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳輸至風(fēng)電場(chǎng)控制中心，需對(duì)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的天線架設(shè)高度進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)據(jù)傳輸距離與天線架設(shè)高度的關(guān)系如圖3所示：受地球曲面曲率的影響，收發(fā)設(shè)備之間最大可視距離

式中：d為最大可視距離，km；hs，hf分別為收、發(fā)天線的架設(shè)高度，m。

圖2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成

圖3 可視距離計(jì)算示意

假設(shè)某個(gè)風(fēng)電場(chǎng)控制中心高度為30.0m，最遠(yuǎn)一臺(tái)風(fēng)機(jī)距離控制中心為30 km，則通過公示計(jì)算得出風(fēng)機(jī)發(fā)射端天線架設(shè)高度至少為3.3m。

5 無(wú)線傳輸系統(tǒng)在某風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用

基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)在內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用后，運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，且傳輸實(shí)時(shí)性好，能夠滿足該風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ擄L(fēng)電場(chǎng)70m高年平均風(fēng)速為8.2m／s，平均海拔約為1 630m，地形起伏不大，地表植被稀少，多為荒漠草原，該風(fēng)電場(chǎng)共設(shè)有風(fēng)機(jī)33臺(tái)，風(fēng)機(jī)之間最小距離約為400m，風(fēng)機(jī)到監(jiān)控中心最遠(yuǎn)距離約為5 km。某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置如圖4所示。

圖4 某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置圖

針對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)采用點(diǎn)對(duì)多的工作方式，1臺(tái)接收電臺(tái)理論上可接收253臺(tái)設(shè)備發(fā)送信號(hào)，接收方式為輪巡方式，即接收端不能同時(shí)接收253臺(tái)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要逐個(gè)接收。為了更好地接收數(shù)據(jù)，將33臺(tái)風(fēng)機(jī)分為3組，無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用1對(duì)11的工作方式，即1臺(tái)接收端接收管控11臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)送端，3組在控制中心收發(fā)端共用1臺(tái)管理型交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖5所示），單組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示（圖中：字母a為第1組網(wǎng)絡(luò)，a～f共6組，b～f未在圖中表示；數(shù)字1～11為一組網(wǎng)絡(luò)11臺(tái)風(fēng)機(jī)編號(hào)；字母t表示發(fā)送端；字母r表示接收端；字母bt表示備份發(fā)送端；字母br表示備份接收端）。

圖5 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 單組（11臺(tái)）風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

理論分析：該風(fēng)電場(chǎng)控制中心樓房高度為12 m，最遠(yuǎn)風(fēng)機(jī)距離控制中心5 km，通過式（1）計(jì)算得出風(fēng)機(jī)發(fā)射端的天線架設(shè)高度至少為0m，即天線架設(shè)在地面即可。系統(tǒng)架設(shè)完成后，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

無(wú)線傳輸系統(tǒng)在該風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用，應(yīng)用情況整體良好，沒有事故發(fā)生，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能夠滿足SCADA系統(tǒng)的要求，而且大大提高了維護(hù)的便利性，但是在應(yīng)用過程中仍然存在一定的不足［9-16］。

（1）無(wú)線傳輸系統(tǒng)受惡劣雷雨天氣影響較大。經(jīng)過對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)一段時(shí)間的觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在天氣較好的情況下數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、穩(wěn)定，但一遇到雷雨天氣，個(gè)別風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的接受經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)中斷及長(zhǎng)期不刷新的情況，且該問題尚未徹底解決。

（2）在老風(fēng)電場(chǎng)增設(shè)無(wú)線傳輸系統(tǒng)存在IP不足的情況。在該風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用是在風(fēng)電場(chǎng)原有的光纖傳輸方式基礎(chǔ)上增設(shè)一套無(wú)線傳輸系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)IP局域網(wǎng)段255個(gè)IP地址大部分已被使用，僅剩下40個(gè)IP地址供擴(kuò)展使用，但常規(guī)情況下每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要4個(gè)IP地址，33臺(tái)風(fēng)機(jī)需要132個(gè)IP地址，IP地址嚴(yán)重不足。最終在系統(tǒng)的收發(fā)端各增設(shè)一個(gè)交換機(jī)問題才得以解決，但同時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

6 結(jié)論

基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面收發(fā)穩(wěn)定、可靠，并且設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，只需將天線架設(shè)到適當(dāng)?shù)母叨燃纯?，?shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到ms級(jí)別，且最長(zhǎng)傳輸距離在無(wú)阻礙物的狀況下可達(dá)50 km，能夠完全覆蓋絕大部分風(fēng)電場(chǎng)的所有風(fēng)機(jī)，實(shí)時(shí)性也滿足SCADA系統(tǒng)的要求。將無(wú)線傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于某風(fēng)電場(chǎng)，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定。但也存在個(gè)別風(fēng)機(jī)受惡劣天氣的影響以及IP不足等問題，為了解決存在的問題，今后將針對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行研究。

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