衛(wèi)星通信在水電站集控通信項目中的應用

唐立原 孫華

摘 ?要：隨著通信技術的發(fā)展和電廠管理水平的提高，電站群現(xiàn)代集控技術的應用越來越廣泛，傳統(tǒng)的有線通信在發(fā)生臺風、地震等自然災害時易受地理條件的限制不容易修復，而衛(wèi)星通信技術彌補了這方面的不足。該文介紹了老撾南歐江流域集控中心以衛(wèi)星通信作為備用通信的設計過程，通過波段選擇、衛(wèi)星天線配置和主要設備的選型幾方面介紹了集控衛(wèi)星通信的設計和項目建設情況。

關鍵詞：衛(wèi)星通信 ?電站集控 ?C波段 ?衛(wèi)星天線 ?BUC ?LNB

中圖分類號： TM62 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（c）-0024-03

Application of Satellite Communication in Centralized Control Communication Project of Hydropower Station

TANG Liyuan ?SUN Hua

（PowerChina Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming， Yunnan Province， 650051 ?China）

Abstract： With the development of communication technology and the improvement of power plant management level， the application of modern centralized control technology of power station group is more and more extensive. The traditional wired communication is easily limited by geographical conditions in the event of typhoon， earthquake and other natural disasters， and it is not easy to repair， while the satellite communication technology makes up for this deficiency. This paper introduces the design process of the centralized control center in Laos' Nan'ou River basin with satellite communication as standby communication， and introduces the design and project construction of the centralized control satellite communication from the aspects of band selection， satellite antenna configuration and main equipment selection.

Key Words： Satellite communications; Power station centralized control; C-Band; Satellite Antenna; BUC; LNB

1 ?項目概況

南歐江是湄公河在老撾境內最大支流，發(fā)源于中國云南省江城縣與老撾豐沙里省接壤的邊境山脈一帶。

南歐江梯級水電站集控中心是正在建設的南歐江電力運維中心的一部分，位于老撾瑯勃拉邦省。所轄的南歐江7個梯級電站總裝機約為127.2萬kW，項目在2020年底完工。

2 ?電站衛(wèi)星通信的必要性

水電站通常處于距離城市較遠的偏遠地區(qū)，發(fā)生自然災害時很難快速組織人員處理，此時對外通信顯得非常迫切。

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，電力系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的傳輸必須采用一套主用通道和一套備用通道，主備同時工作。平時主通道傳輸生產(chǎn)運行、和調度管理的各種業(yè)務，如果主通道意外中斷，重要監(jiān)控數(shù)據(jù)及調度語音業(yè)務能夠自動地在備用通道上傳輸。主用和備用通信通道必須相對獨立，采用不同的通信技術去實現(xiàn)。

南歐江集控通信的主要通信通道設計為建立在老撾電網(wǎng)OPGW光纜上的大容量光纖通信通道，如果任何一段主要OPGW光纜線路發(fā)生斷線故障，流域集控中心將完全失去與后端電站的通信聯(lián)系，對電網(wǎng)安全構成了嚴重威脅。因此，構建另一套可獨立運行的、不同實現(xiàn)方式的通信網(wǎng)作為備用和應急通信方式，是非常必要的。

衛(wèi)星通信是一種在大氣中借助電磁波傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，具有抗自然災害、恢復能力較強的特點，與傳統(tǒng)的光纖通信方式相比，衛(wèi)星通信可確保在特殊情況，包括地面輸電線路倒桿或網(wǎng)絡站點遭到破壞的情況下，可及時、快速、可靠地提供通信服務，以便實施快速救援或應急指揮。

衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點在于：（1）通信范圍大;（2）抗毀能力強，不易受自然災害影響;（3）衛(wèi)星站點設備較少，建設周期短;（4）易于實現(xiàn)多址數(shù)據(jù)的匯聚和分發(fā);（5）數(shù)據(jù)帶寬可靈活調整。

這些特點都非常符合南歐江流域大范圍多點集控通信的需要，因此根據(jù)南歐江集控的實際情況，選用衛(wèi)星通信作為系統(tǒng)通信的備用通信方式，可以很好地彌補光纖通信抗自然災害能力較差的短板，從而實現(xiàn)整個集控通信系統(tǒng)的高可靠性。

3 ?項目需求

集控通信項目現(xiàn)有1個水電站集控中心，7個已建成的水電站，要求將下屬7個流域電站的計算機監(jiān)控信號、調度數(shù)據(jù)和調度電話傳回集控中心，同時也需要由集控中心以點對點的形式向下屬電站下達指令。

集控中心與電站間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，要求系統(tǒng)按每路數(shù)據(jù)實際容量動態(tài)分配帶寬，總的衛(wèi)星帶寬為上行1.0 Mbps，下行1.0 Mbps[1]。衛(wèi)星網(wǎng)絡需兼顧互聯(lián)網(wǎng)需求，以及后期可與國內總部通信。

需求如下：（1）南歐江集控中心作為整個網(wǎng)絡的管理控制協(xié)調中心，負責管理所有鏈路的衛(wèi)星帶寬資源、設備資源，全網(wǎng)設備鑒權認證;（2）業(yè)務主站可與遠端站單跳連接;（3）衛(wèi)星主站與端站無業(yè)務時，只發(fā)射窄帶信令載波，廣播到所有端站;（4）近期7個遠端站，后期可擴展到8個遠端站;（5）帶寬日常需滿足3個遠端站同時回傳數(shù)據(jù)，包括話音和監(jiān)控;應急時刻，根據(jù)需求靈活租賃并配置信道。

4 ?衛(wèi)星通信技術方案

4.1 衛(wèi)星波段選擇

現(xiàn)在主要的商業(yè)衛(wèi)星工作頻段有Ku波段和C波段，Ku波段頻率高（12～18 GHz），天線小，接收成本低。但由于信號波長短，造成雨衰較大[2]。C波段頻率低一些，分為3.7～4.2 GHz下行和5.925～6.425 GHz上行信號，衛(wèi)星天線較Ku波段的大，建站有一定難度，但是信號雨衰較小。

由于老撾地處熱帶地區(qū)，氣候濕潤降雨量大，因此該項目選擇受降雨影響不大的C波段作為衛(wèi)星通信波段。

通過對老撾當?shù)氐纳虡I(yè)衛(wèi)星運營服務情況的調查和比較，項目相關人員最終選擇工作于C波段的VSAT衛(wèi)星來構建集控衛(wèi)星通信通道。

該項目采用在瑯勃拉邦自建衛(wèi)星地面主站，在流域電站自建衛(wèi)星子站，然后租用商業(yè)衛(wèi)星帶寬，由老撾當?shù)匦l(wèi)星運營公司進行運營的方式。

4.2 通信方案

項目在集控中心和各流域電站建設VSAT衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星地面站必須具備信息收發(fā)功能，當收信時，通過地面站的衛(wèi)星天線向在軌運行的地球同步衛(wèi)星接收頻段內的高頻衛(wèi)星信號，再經(jīng)過LNB（高頻頭，Low Noise Block）將由天線收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過放大和下變頻，變成L波段的中頻信號，經(jīng)同軸電纜傳送給衛(wèi)星接收機的收端（RX）進行調制解調后變成標準的以太網(wǎng)口信號送入交換機與其他系統(tǒng)相連。當發(fā)信時與收信相反，需要將衛(wèi)星接收機發(fā)端（TX）送出的信號經(jīng)過BUC（Block Up-Converter）即上變頻功率放大器，將衛(wèi)星接收機Modem輸出的中頻信號，經(jīng)過功率放大轉變?yōu)楦哳l射頻信號，經(jīng)天線逆向傳送到軌道同步衛(wèi)星[3-4]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

該系統(tǒng)結構圖構成了南歐江一期集控中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用自建的4個衛(wèi)星地面?zhèn)鬏斊脚_，實現(xiàn)南歐江集控中心到1～3級水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，并且可通過路由進行主/備通道自動切換，實現(xiàn)主要數(shù)據(jù)在光纖網(wǎng)傳輸?shù)耐瑫r備用衛(wèi)星通道也在傳輸水電站監(jiān)控數(shù)據(jù)。

該項目的衛(wèi)星網(wǎng)采用的調制方式為QPSK方式[5]，其編譯碼方式為動態(tài)3/4LDPC，最大通信速率為2 048 kb/s，門限EB/N0為3.5 dB。跟蹤損耗和線纜損耗設計小于1 dB。

各衛(wèi)星地面站建立了以網(wǎng)絡交換機為中心的IP網(wǎng)絡平臺， IP地址歸入該地計算機監(jiān)控網(wǎng)，由監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一劃分IP網(wǎng)段和地址。通過交換機將電站該地監(jiān)控IP網(wǎng)絡通過衛(wèi)星信道接入集控后方IP網(wǎng)絡實行數(shù)據(jù)通信。IP調度電話也可通過衛(wèi)星通道實現(xiàn)前后調度雙方之間的電話通信。基于VSAT衛(wèi)星通信的系統(tǒng)把計算機監(jiān)控、語音、圖像（可選）有效地綜合在一起， 實現(xiàn)了局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的結合，有線網(wǎng)與無線網(wǎng)的結合[1]。

5 ?衛(wèi)星系統(tǒng)主要設備

該系統(tǒng)設計可用度為99.9%，上下行各為99.95%，經(jīng)過鏈路計算，確定各站衛(wèi)星天線與BUC組合如下：衛(wèi)星主站：4.5 m口徑天線，40 WBUC;衛(wèi)星電站端站：2.4 m口徑天線，20 WBUC。該配置針對任一方向降雨條件下的信號增益余量均超過4個dB，確保網(wǎng)絡的可靠性。

5.1 衛(wèi)星地面站構成

衛(wèi)星地面站天饋部分選擇C波段4.5 m口徑天線40 WBUC。由于該項目要求較高可靠性，因此衛(wèi)星主站BUC部分與核心中頻設備，均配置為熱備系統(tǒng)，即2臺同廠 、同系列、同規(guī)格的BUC一起組成熱備系統(tǒng)，中頻也采用2臺HUB型MODEM，在網(wǎng)管的統(tǒng)一調配下實現(xiàn)中頻系統(tǒng)的熱備。在衛(wèi)星主站安裝衛(wèi)星網(wǎng)管軟件，提供對整個網(wǎng)絡的集中監(jiān)控、資源自動分配、站點入網(wǎng)鑒權等功能，形成衛(wèi)星網(wǎng)絡的通信樞紐。

5.2 地面站典型設備

地面站典型設備清單見表1。

6 ?衛(wèi)星通道業(yè)務的實現(xiàn)

6.1 計算機監(jiān)控業(yè)務

計算機監(jiān)控業(yè)務為集控衛(wèi)星通信要求承載的一個非常重要的業(yè)務，項目在衛(wèi)星主站與子站衛(wèi)星設備均有TCP協(xié)議加速功能，使TCP/IP在衛(wèi)星通道上的傳輸效率大大提高，完全滿足計算機監(jiān)控業(yè)務對通道的時延要求。

6.2 路由自主管理

衛(wèi)星主站和子站的地面設備和衛(wèi)星通道滿足無人值守自動切換的功能，具體過程如下：當下屬水電站與集控中心光纖線路出現(xiàn)故障無法傳輸時，由路由器實時判斷路由狀況，并自動將優(yōu)化過的集控數(shù)據(jù)切換到衛(wèi)星通道上;當?shù)孛婀饫w線路恢復后，所有業(yè)務自動恢復。以上所有過程均由路由器自動實現(xiàn)路由判斷、切換，無需人工介入。也可設置為雙通道同時運行，需要監(jiān)控系統(tǒng)對在衛(wèi)星通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)衛(wèi)星帶寬進行優(yōu)化[5-6]。

6.3 話音業(yè)務

該網(wǎng)絡中話音業(yè)務主要為調度電話，在地面光纖線路中斷后，提供每個子站2路到集控中心的話音通信。集控調度軟交換平臺需為每個衛(wèi)星子站提供2個話音接口，通過衛(wèi)星通道接入集控主站的調度軟交換中心。

7 ?結語

該文通過對主要衛(wèi)星通信的特點進行的闡述和比較，提供了一套集控中心備用通道使用C波段VAST衛(wèi)星通信的設計方案和實施方法。

我國衛(wèi)星通信技術和運用都與國際存在不小的差距，隨著技術的進步，工程技術人員應拋開對衛(wèi)星通信的偏見和陳舊認識，更多地研究衛(wèi)星通信技術，使衛(wèi)星通信為社會發(fā)展發(fā)揮更大的作用。

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