衛(wèi)星通信在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中的應(yīng)用

包少彬，王 琦

（中電防務(wù)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組一般安裝在草原、戈壁、沿海等無基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋或覆蓋較差的區(qū)域[1]，風(fēng)電運(yùn)營公司難以依靠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)維管理，而建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)會增加投入成本。因此，為風(fēng)電公司在線式故障檢測和預(yù)防系統(tǒng)（以下簡稱“預(yù)檢系統(tǒng)”）構(gòu)建一套安全穩(wěn)定、低成本的信息傳輸平臺，保障“信息孤島”上的機(jī)組可靠運(yùn)行，是一個值得研究的課題。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、地理環(huán)境受限少、安裝部署快、無須復(fù)雜基礎(chǔ)建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，是解決偏遠(yuǎn)無基礎(chǔ)通信區(qū)域信息傳輸?shù)淖罴咽侄蝃2]。

1 概述

衛(wèi)星通信在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用即解決“信息孤島”的與外通信需要，選擇合適的通信體制、制定合適的終端設(shè)備。

（1）可行性。風(fēng)電機(jī)組可提供較好的安裝空間、承重能力、電力供應(yīng)和通信視角。

（2）通信體制。主要為返向通信，且信息量較小，可選用TDMA通信體制。

（3）終端設(shè)備。上行功率需求較小，可選用小型終端。

2 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計目標(biāo)

以風(fēng)電公司信息管理中心（以下簡稱“管理中心”）為核心，構(gòu)建一套基于TDMA體制的中低速衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在管理中心建設(shè)衛(wèi)通固定站作為機(jī)組衛(wèi)通終端管理和業(yè)務(wù)落地節(jié)點(diǎn)，經(jīng)地面有線鏈路連接管理中心預(yù)檢系統(tǒng)，預(yù)檢系統(tǒng)通過地面鏈路及衛(wèi)通固定站和衛(wèi)通終端間的衛(wèi)星鏈路與機(jī)組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 硬件部署

2.3.1 風(fēng)電機(jī)組端

在機(jī)體無遮擋區(qū)域安裝衛(wèi)通終端，并與機(jī)組內(nèi)各功能模塊交互數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星鏈路發(fā)送至管理中心固定站，同時接收經(jīng)衛(wèi)通鏈路發(fā)來的預(yù)檢系統(tǒng)的各類指令信息。

2.3.2 管理中心端

建設(shè)衛(wèi)通固定站，與外圍風(fēng)電機(jī)組通過通信衛(wèi)星建立鏈路，與預(yù)檢系統(tǒng)間通過地面有線鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.4 功能實(shí)現(xiàn)及工程實(shí)施

2.4.1 功能實(shí)現(xiàn)

在風(fēng)電機(jī)組端無遮陽區(qū)安裝衛(wèi)星通信終端，在管理中心建設(shè)衛(wèi)通固定站，衛(wèi)通終端與衛(wèi)通固定站通過衛(wèi)星鏈路交互數(shù)據(jù)，固定站與預(yù)檢系統(tǒng)間采用地面有/無線鏈路交互數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)示意圖

系統(tǒng)通過雙方向的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)管理中心對風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控。

（1）上行鏈路：風(fēng)電機(jī)組向管理中心上報的信息。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中內(nèi)部功能模塊將運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)定時或在發(fā)生異常時的相關(guān)信息突發(fā)上報給給衛(wèi)通終端，衛(wèi)通終端將數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)衛(wèi)星鏈路發(fā)送給衛(wèi)通固定站；衛(wèi)通固定站收到后對信號進(jìn)行解調(diào)，將數(shù)據(jù)經(jīng)地面有/無線鏈路發(fā)送給預(yù)檢系統(tǒng)處理。

（2）下行鏈路：管理中心端給風(fēng)電機(jī)組端發(fā)送的指令。管理中心預(yù)檢系統(tǒng)可主動查詢風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前參數(shù)情況，也可向風(fēng)電機(jī)組功能模塊下達(dá)參數(shù)修改命令。在工作時，預(yù)檢系統(tǒng)下達(dá)查詢或參數(shù)修改命令信息，經(jīng)地面有/無線鏈路發(fā)送給衛(wèi)通固定站，衛(wèi)通固定站對其進(jìn)行調(diào)制后經(jīng)衛(wèi)星鏈路發(fā)送給風(fēng)電機(jī)組衛(wèi)通終端，衛(wèi)通終端解調(diào)后將信息發(fā)給對應(yīng)的機(jī)組功能模塊，由各功能模塊執(zhí)行狀態(tài)上報或參數(shù)修改指令。

2.4.2 工程實(shí)施

雖然衛(wèi)星通信覆蓋范圍大，但對于機(jī)組部署地較遠(yuǎn)（如部署在邊疆、海外等）的運(yùn)營商來說，存在管理中心與機(jī)組不在同一衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍內(nèi)的情況。因此，工程實(shí)施時需考慮以下兩種應(yīng)用環(huán)境。

2.4.2.1 同一轉(zhuǎn)發(fā)器

管理中心衛(wèi)通固定站與風(fēng)電機(jī)組處于同一衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器范圍內(nèi)的工程實(shí)施較為簡單。一是在風(fēng)電機(jī)組安裝衛(wèi)通終端，用于與管理中心衛(wèi)星固定站間的信息傳輸；二是在管理中心配套建設(shè)衛(wèi)星固定站，用于與風(fēng)電機(jī)組衛(wèi)通終端間的信息傳輸；三是建立衛(wèi)星固定站與預(yù)檢中心的有/無線連接；四是租用相應(yīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源。

2.4.2.2 不同轉(zhuǎn)發(fā)器

管理中心衛(wèi)通固定站與風(fēng)電機(jī)組處于不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器范圍內(nèi)的工程實(shí)施較為復(fù)雜，一般可通過以下方式實(shí)施。

（1）衛(wèi)星鏈路轉(zhuǎn)發(fā)。該方式適用于無衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可同時覆蓋管理中心與風(fēng)電機(jī)組，但機(jī)組和管理中心由不同轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋，且兩個轉(zhuǎn)發(fā)器在某一地區(qū)有重合的覆蓋區(qū)域。此時可借助重合區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)管理中心與風(fēng)電機(jī)組間的信息傳輸。一是給風(fēng)電機(jī)組安裝衛(wèi)通終端；二是在管理中心配套建設(shè)衛(wèi)星固定站；三是在轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋重合區(qū)域建設(shè)一套雙天線衛(wèi)星固定站，租用兩個衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器資源。其中，一幅天線與風(fēng)電機(jī)組同轉(zhuǎn)發(fā)器，用于與風(fēng)電機(jī)組衛(wèi)通終端間的數(shù)據(jù)交互；另一幅天線與管理中心衛(wèi)星固定站同轉(zhuǎn)發(fā)器，用于與管理中心固定站間的數(shù)據(jù)交互。

（2）地面通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)。該方式適用于無法通過上述衛(wèi)星鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組衛(wèi)通終端與管理中心衛(wèi)通固定站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，或上述衛(wèi)星鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方式受政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素影響無法操作的情況。此時可根據(jù)實(shí)際情況利用地面通信網(wǎng)解決。一是給風(fēng)電機(jī)組安裝衛(wèi)通終端；二是在管理中心配套建設(shè)衛(wèi)星固定站；三是在與風(fēng)電機(jī)組衛(wèi)通終端可利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通信，且與管理中心衛(wèi)通固定站有地面通信網(wǎng)的區(qū)域建設(shè)一個衛(wèi)星固定站，用于與風(fēng)電機(jī)組衛(wèi)通終端間數(shù)據(jù)交互；四是通過地面通信網(wǎng)建立上述衛(wèi)星固定站與管理中心預(yù)檢測系統(tǒng)間的地面通信鏈路（如國際互聯(lián)網(wǎng)等），用于管理中心與衛(wèi)星固定站間數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)增強(qiáng)性設(shè)計

3.1 自適應(yīng)傳輸設(shè)計

自適應(yīng)傳輸可根據(jù)衛(wèi)通終端實(shí)時傳輸需求、系統(tǒng)內(nèi)其他衛(wèi)通終端工作狀態(tài)和系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行情況，動態(tài)分配通信時隙，可實(shí)時調(diào)整衛(wèi)通終端的通信時隙直至清零或占滿整個載波時隙，以滿足異常情況下某一機(jī)組較大數(shù)據(jù)上報的需求。

3.2 異常斷電設(shè)計

考慮到機(jī)組故障導(dǎo)致衛(wèi)通終端斷電無法上報信息的情況，可內(nèi)置蓄電池組，在異常斷電時提供供電保障，使機(jī)組狀態(tài)可正常上報。

3.3 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計

考慮到機(jī)組規(guī)模較大帶來的衛(wèi)通終端硬件資金投入問題，可在風(fēng)電機(jī)組群中選取一個機(jī)組安裝衛(wèi)通終端，作為機(jī)組群樞紐節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與管理中心的數(shù)據(jù)交互；區(qū)域內(nèi)其他機(jī)組通過成本更低的有/無線方式與樞紐機(jī)組節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)整個機(jī)組群與管理中心的數(shù)據(jù)交互。

3.4 備份設(shè)計

結(jié)合本文3.3所述，考慮到衛(wèi)通終端故障帶來的機(jī)組群離線問題，可考慮在機(jī)組群選擇兩個機(jī)組安裝衛(wèi)通終端，兩個衛(wèi)通終端通過區(qū)域有無線方式互為備份，在一個出現(xiàn)故障時不影響機(jī)組群與管理中心的數(shù)據(jù)交互，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.5 加密設(shè)計

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營商如對相關(guān)管控信息有加密需求，可采用嵌入式軟/硬件加密模塊增強(qiáng)鏈路傳輸?shù)陌踩浴?/p>

4 結(jié)束語

依托通信衛(wèi)星的覆蓋能力和鏈路可靠性，以及風(fēng)電機(jī)組安裝使用衛(wèi)通終端的先天優(yōu)勢，構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠的空中信息傳輸平臺，是解決風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營商對偏遠(yuǎn)無基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)機(jī)組的全面管控，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性以及維護(hù)能力的重要途徑。■