WiMAX技術(shù)在EMS系統(tǒng)中的接入應(yīng)用

周新剛 高陽 陳豐波 張國榮 陳建玲 劉愛明

1．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司，天津300452

WiMAX技術(shù)在EMS系統(tǒng)中的接入應(yīng)用

周新剛1高陽1陳豐波1張國榮2陳建玲1劉愛明1

1．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司，天津300452

中海石油下屬某公司渤中28/34電力組網(wǎng)項(xiàng)目中，由渤中34-1 CEP平臺通過海纜為渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺供電，原海纜光纖無備用纖芯用于EMS系統(tǒng)通信。為了將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺納入渤中28/34電網(wǎng)，更好地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安穩(wěn)控制，綜合考慮成本、施工周期、安裝方式等因素，采用技術(shù)先進(jìn)、可靠性突出的WiMAX無線微波通信技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用極大降低了項(xiàng)目成本，也為后期類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

無線通信;WiMAX;EMS;電力組網(wǎng);電網(wǎng)控制;微波

0 前言

WiMAX是全球互通微波接入的簡稱，是一項(xiàng)無線城域網(wǎng)(WMAN)接入技術(shù)，是用于解決“最后1 km”的最佳接入方式的無線寬帶接入技術(shù)［1］。

WiMAX也叫802·16無線城域網(wǎng)或802.16。2007年10月19日，WiMAX正式批準(zhǔn)成為繼WCDMA、CDMA 2000和TD-CDMA之后的第4個全球3G標(biāo)準(zhǔn)。2012年1月18日，國際電信聯(lián)盟在2012年無線電通信全會全體會議上，正式審議通過將LTE-Advance和Wireless-MAN-Advanced(802.16)技術(shù)規(guī)范確立為IMT-Advanced (4G)國際標(biāo)準(zhǔn)［2－6］。嚴(yán)格意義上講WiMAX技術(shù)不是一個移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，而是一個無線城域網(wǎng)的技術(shù)。

中海石油下屬某公司渤中28/34電力組網(wǎng)項(xiàng)目中，渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺EMS系統(tǒng)接入渤中34-1 CEP平臺EMS系統(tǒng)采用了WiMAX無線微波通信技術(shù)。

1 WiMAX關(guān)鍵技術(shù)

WiMAX關(guān)鍵技術(shù)包括:HARQ(混合自動重傳請求)，AMC(自適應(yīng)編碼調(diào)制)，MIMO/AAS(多入多出/自適應(yīng)天線系統(tǒng))，OFDM/OFDMA(正交頻分復(fù)用)和 AGC(自動增益控制)［7－10］。

HARQ具有自動重傳請求，前向糾錯功能。接收端做檢測時，接收到誤碼就扔掉或要求對方重發(fā);接收到的誤碼糾錯，能糾正的就無需重發(fā)，無法糾正的要求對方重發(fā)［11－12］，其傳輸有同步和異步。HARQ見圖1。

圖1 HARQ

AMC是根據(jù)信道質(zhì)量情況，選擇最合適的調(diào)制解碼模式，通過編碼和調(diào)制方式的組合可以產(chǎn)生不同的傳輸方式和傳輸速率。處于信道較好的MS(基站較近的位置)可以采取高階調(diào)制方式(如64 QAM)獲得較高的傳輸效率［13－15］。遠(yuǎn)離基站的位置信道變差，可以調(diào)整到低階調(diào)制方式(如QPSK)，以擴(kuò)展覆蓋范圍以及避免通過發(fā)射功率的途徑來提高系統(tǒng)性能，降低干擾。AMC見圖2。

圖2 AMC

MIMO/AAS是一種多天線技術(shù)，通過在收發(fā)兩端增加天線個數(shù)及相應(yīng)的信號處理功能建立的三維傳輸結(jié)構(gòu)，將多徑作為有利因素加以利用，在不增加帶寬的前提下提高通信系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及傳輸速率。分集模式(Matrix A)的作用和特點(diǎn):增大覆蓋面積;可以在不同的天線上發(fā)射相同的數(shù)據(jù);用于對傳輸質(zhì)量要求較高的信令傳輸或邊緣用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;接收天線的數(shù)目可以少于發(fā)射天線的數(shù)目［16－18］。復(fù)用模式(Matrix B)的作用和特點(diǎn):在不同的天線上發(fā)射不同的數(shù)據(jù);可以用于提高傳輸速率;接收天線的數(shù)目不能少于發(fā)射天線的數(shù)目;2 X 2的復(fù)用模式，下行峰值數(shù)據(jù)速率理論上可達(dá)到SISO的2倍。MIMO/AAS見圖3。

圖3 MIMO/AAS

OFDM/OFDMA(正交頻分復(fù)用)頻率利用率高，各正交子載波的頻率交錯重疊，可以最大程度地利用頻譜資源;頻域鏈路自適應(yīng)，為不同用戶選擇條件較好的子載波來傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)頻率上的多用戶分集增益，并容易和MIMO技術(shù)結(jié)合。

AGC(自動增益控制)是利用子信道的CPE(OFDM)發(fā)射器必須具有50 dB的動態(tài)功率控制進(jìn)行工作。對于BS發(fā)射器，輸出功率電頻控制不低于10 dB。CPE實(shí)際發(fā)射功率取決于終端距離、傳輸特性、信道帶寬和調(diào)制方式(QPSK、16 QAM、64 QAM)［19－20］。BS接收功率的工作原理:系統(tǒng)設(shè)置1個平衡點(diǎn)，自動控制接入CPE的發(fā)射功率，使BS接收所有的CPE功率一致，等于平衡點(diǎn)功率。AGC作用:保證系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)的同時，在BS接收CPE功率一致情況下，使CPE發(fā)射功率最小，進(jìn)而確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 應(yīng)用案例

渤中28/34油田群實(shí)現(xiàn)電力組網(wǎng)以來，EMS系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)荷的管理上起到了至關(guān)重要的作用，作為電網(wǎng)負(fù)荷的一部分，渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺，也被納入渤中28/34電網(wǎng)中，由EMS系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。

為實(shí)現(xiàn)EMS系統(tǒng)對電力負(fù)荷精細(xì)化管理及精確的分級卸載控制，需要分別在渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺設(shè)置1套EMS控制站，用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及優(yōu)先脫扣等功能。由于渤中34-1 CEP平臺和渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺之間的光纖已全部被占用，無備用芯數(shù)，在綜合考慮施工周期和成本后，決定采用基于WiMAX技術(shù)的產(chǎn)品搭建通信鏈路。在渤中34-1 CEP平臺架設(shè)2套WiMAX基站，在渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺分別架設(shè)2套WiMAX終端，基站與通信終端的距離約為4～5 km左右。

通過WiMAX無線微波將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺EMS子站接入到渤中34-1 CEP平臺，并連接至EMS系統(tǒng)的光纖環(huán)網(wǎng)中。接入后電網(wǎng)EMS系統(tǒng)可以直接讀取渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺的電力數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)調(diào)度員管理電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)支持，同時也為負(fù)荷平臺的電力應(yīng)急故障處理提供可靠的信息支持通道。

3 通信測試

為保證該系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性，進(jìn)行了嚴(yán)格的通信測試。通信測試包括:無線鏈路時延、用戶端通信帶寬測試和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試。WiMAX基站和終端相關(guān)設(shè)置如下:

通信頻率:1 785～1 805 MHz;

信道帶寬:3.5 MHz/5 MHz/7 MHz/10 MHz，TDD雙工模式;

尋址方式:TDMA，OFDMA 1 024 FFT多載波調(diào)制;

編碼方式:QPSK 1/2、QPSK 3/4、16 QAM 1/2、16 QAM 3/4、64 QAM 2/3、64 QAM 3/4、64 QAM 5/6。

3.1 無線鏈路時延測試

無線鏈路時延測試目的為測試無線接入系統(tǒng)的無線鏈路時延，判斷其是否滿足精準(zhǔn)控制的要求。測試設(shè)備及工具為BS、SS各1套，測試環(huán)境見表1。具體測試時，將SS放置在信號接收較好的位置，將測試PC分別連接BS和SS，使其處于正常工作狀態(tài)，通過PC 1向PC 2作Ping包測試。測試系統(tǒng)在32字節(jié)、512字節(jié)、1 024字節(jié)情況下的無線鏈路時延。無線鏈路時延測試結(jié)果顯示，渤中34-1 CEP平臺與渤中34-2 EP平臺之間的丟包率為0%，見表2;渤中34-1 CEP平臺與渤中34-4 EP平臺之間的丟包率為0%，滿足系統(tǒng)使用要求，見表3。

表1 無線鏈路時延測試環(huán)境

表2 無線鏈路時延測試結(jié)果(渤中34-1 CEP平臺與渤中34-2 EP平臺之間)

表3 無線鏈路時延測試結(jié)果(渤中34-1 CEP平臺與渤中34-4 EP平臺之間)

3.2 用戶端通信帶寬測試

用戶端通信帶寬測試目的為驗(yàn)證單扇區(qū)存在多個用戶端情況下系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量。測試設(shè)備包括1套BS，1個SS，2臺運(yùn)行J-Perf Measurement Tool軟件的測試PC。測試信道調(diào)制方式和編碼為鏈路自適應(yīng)(要求達(dá)到64 QAM 5/6)。首先配置點(diǎn)對點(diǎn)無線測試環(huán)境，然后運(yùn)行測試軟件進(jìn)行測試。用戶端通信帶寬測試環(huán)境見表4，測試結(jié)果見表5。從表5測試結(jié)果可知，單向情況下，上傳49 Mbps，下載為98 Mbps;雙向情況下，上傳29 Mbps，下載為67 Mbps，業(yè)務(wù)容量滿足系統(tǒng)要求。

表4 用戶端通信帶寬測試環(huán)境

表5 用戶端通信帶寬測試結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試方式:通過在EMS服務(wù)器配置Rslinx的通信接口，然后與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互測試，目的是測試渤中28-2S EMS HMI服務(wù)器通過光纖環(huán)網(wǎng)、WiMAX無線微波系統(tǒng)接入渤中34-2 EP平臺以及渤中34-4 EP平臺EMS數(shù)據(jù)的性能。測試設(shè)備包括1套BS，1套SS及1套PLC，測試環(huán)境見表6。首先將基站BS以及終端SS按照測試環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，在通信正常后將測試服務(wù)器連接到SS，并配置正確IP地址，使其可以通過OPC Server訪問遠(yuǎn)端的PLC設(shè)備，最后測試服務(wù)器訪問PLC數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量。上位機(jī)PC共有標(biāo)簽348個，報(bào)警47個，畫面4個，下位機(jī)PLC為1756-L 71，數(shù)據(jù)和邏輯程序空間1.07 M字節(jié)，I/O空間89 K字節(jié)。各參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)行為期1 d的測試。經(jīng)測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)性能良好，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或數(shù)據(jù)阻塞現(xiàn)象。

表6 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試環(huán)境

4 結(jié)論

中海石油下屬某公司渤中28/34電網(wǎng)投運(yùn)以來，WiMAX參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，通過WiMAX技術(shù)將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺的電力負(fù)荷接入到渤中28/34油田群電力組網(wǎng)中，相對于單獨(dú)架設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，不僅降低設(shè)備采購、施工、調(diào)試以及后期的維護(hù)成本，也實(shí)現(xiàn)了中海石油降本增效，并為后期類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.021

2016－05－05

周新剛(1975－)，男，遼寧撫順人，高級工程師，學(xué)士，主要從事海上油氣田電力設(shè)計(jì)研究。