無線數傳電臺技術在風電場SCADA系統中的應用

黃春犁，高敏，高金明

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450015）

0 引言

隨著我國對環境保護重視度的提高，風電、太陽能發電等清潔能源得到快速發展，尤其是新建風電場的數量正逐步增加。然而，新建風電場，尤其是海上、沙漠、丘陵等地區的風電場，大多數風機數據采集與監視控制SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統采用的傳輸方式為光纖雙環網［1］，現有風電場SCADA系統容量有限，需要擴容時仍需增設光纖，增加了擴容的工作量，而且預埋光纖大大增加了整個新建工程的施工周期，并且在光纖出現故障時維護不便。為了縮短新建風電場的工程周期，提高現有風電場SCADA系統容量，部分風電場提出了基于無線接入點（AP）［2］及通用分組無線服務技術（GPRS）［3］的風電 SCADA系統無線傳輸方式，但以上無線傳輸方式均存在組網困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設備安放位置要求高、傳輸帶寬小等缺點，并且需經過多次橋接，使數據的傳輸衰減增大，降低了數據傳輸的穩定性。本文提出了一種基于無線數傳電臺的無線傳輸技術，并將該技術應用到風電場SCADA系統中，在縮短新建風電場工程周期、提高現有風電場系統容量的同時，有效解決了傳統無線傳輸技術傳輸距離短、抗干擾性差、組網困難等問題。

1 風電SCADA系統簡介

1.1 風電SCADA系統概述

SCADA系統［4］是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，通過傳輸系統將采集到的現地設備運行狀態參數、報警信號等數據傳輸至集控中心進行監視和控制，能夠應用于給水系統、電力系統、石油化工系統等。風電場一般位于海上、丘陵、平原、山區等地域，設備區域分布廣泛，并且幾乎沒有影響無線傳輸的阻礙物，系統采集的風機運行數據需遠程傳輸至集控中心，最遠的風機距離集控中心10 km，所以數據傳輸的穩定性、實時性直接影響了監控數據的準確性。

風電 SCADA系統采集的數據［4］包括三相電壓、功率因數、環境溫度、風速、發電機溫度、葉片轉速等電網、氣象、機組狀態參數。

1.2 風電SCADA系統結構及特點

風機SCADA系統［5］由就地監控部分、中央監控部分、遠程監控部分3部分構成：就地監控部分位于風機內部，對該風力發電機的運行狀態進行監控及數據采集；中央監控部分一般布置于風電場控制室內，工作人員根據電腦監控畫面了解每臺風機的運行狀態及參數并進行遠程操作控制；遠程監控部分根據不同需求布置于不同地點，數據傳輸一般采用電信運行商預埋的光纖傳輸。

本文研究對象為風電場內部的就地監控部分至中央監控中心的數據傳輸，該部分數據傳輸具有以下特點。

（1）數據傳輸穩定、可靠。風電機組SCADA系統為風機的穩定、安全運行提供可靠的數據支持和決策依據，系統數據傳輸需要高度的穩定性?；跓o線數傳電臺的無線傳輸技術采用高頻率波段，可避免噪聲干擾，具有可靠的穩定性。

（2）數據傳輸速率快，實時性好。風機在出現故障時，數據必須迅速反饋到監控終端，該無線傳輸方案傳輸速率可達ms級別，實時性較高。

（3）無線傳輸系統可擴展。系統留有擴充接口，將來功能或模塊擴充時不影響現有的系統和結構，方便后續其他系統模塊的擴充。

2 目前風電場常用無線傳輸技術

2.1 無線AP

無線AP［2］主要技術協議為IEEE 802.11系列，典型的傳輸距離可覆蓋幾十米至上百米，也可以通過多個設備進行橋接延長傳輸距離，目前最遠可達30 km左右。該技術傳輸速率可達10MB／s，但應用于大面積覆蓋的風電場時，組網困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設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通信業務，其數據傳輸速率可達1MB／s，工業用RS232／485串口設備可將串口通信立即轉換為3G／4G無線網絡通信，網絡可接入電信公司的衛星網絡實現遠距離傳輸。但由于風電場地處偏僻地區，并且通信基站建設費用很高，且需按流量收費，所以該技術較難應用于風電場數據傳輸。

3 無線數傳電臺技術簡介

無線數傳電臺［6］是借助數字信號處理（DSP）技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電臺。數傳電臺不僅可以傳輸數據，而且能夠傳輸視頻圖像。數傳電臺采用透明傳輸協議，傳輸速率可達1 MB／s，數據處理時間約為10ms，能夠實時、可靠地完成數據傳輸，具有安裝維護方便、成本低、組網結構靈活、覆蓋范圍遠的特點，適合點多分散、地理環境復雜等場合［7］。

3.1 傳輸數據可靠

無線數傳電臺的工作波段包括2個頻段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，并且每臺風機設置不同信道，每組網絡設置不同的傳輸頻率／波段，避免風機、網段之間的干擾，大大降低系統傳輸的誤碼率。

3.2 傳輸協議為透明傳輸

風機塔基控制柜內的數據由網口輸出，所以無線傳輸系統前端連接網口，后端通過無線將數據傳輸至集控中心，無線數傳電臺傳輸協議為透明傳輸，即輸入為網絡數據包，傳輸至集控中心的仍是網絡數據包，傳輸效果與光纖傳輸方式一致。

3.3 傳輸距離遠

系統采用高速工業級的無線網絡解決方案，傳輸衰減極弱，理論傳輸距離可達50 km?；跓o線數傳電臺的無線傳輸技術與以上技術的對比見表1。

表1 無線傳輸技術對比

4 無線數傳電臺數據傳輸解決方案

4.1 無線傳輸系統組成

風機SCADA系統數據傳輸網絡結構如圖1所示。

圖1 網絡結構簡圖

系統控制單元PLC將數據傳輸至塔機控制柜交換機，再通過光纖／無線傳輸至風電場控制中心。為了提高穩定性，傳統的光纖傳輸采用光纖自愈環網網絡結構，其原理是采用2條傳輸線路，每條線路為全雙工工作模式，即收發并用，2條傳輸線路互為備用，增強傳輸的穩定性。由于無線數傳電臺的數據傳輸模式為時序雙工工作模式，即不能同時進行收發，收與發之間有10～20ms的延時，為了繼承光纖自愈環網的結構特點，本文基于無線數傳的無線傳輸方案采用雙收雙發的工作模式，形成雙線路互為備用的輸出模式，單臺風機的系統組成如圖2所示。

4.2 數據傳輸理論分析

為了能夠將采集到的SCADA系統數據準確地傳輸至風電場控制中心，需對無線數傳電臺的天線架設高度進行計算。

數據傳輸距離與天線架設高度的關系如圖3所示：受地球曲面曲率的影響，收發設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、發天線的架設高度，m。

圖2 單臺風機無線傳輸系統組成

圖3 可視距離計算示意

假設某個風電場控制中心高度為30.0m，最遠一臺風機距離控制中心為30 km，則通過公示計算得出風機發射端天線架設高度至少為3.3m。

5 無線傳輸系統在某風電場的應用

基于無線數傳電臺的無線傳輸系統在內蒙古某風電場應用后，運行效果良好，數據傳輸穩定、可靠，且傳輸實時性好，能夠滿足該風電場SCADA系統對數據傳輸的要求。該風電場70m高年平均風速為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，該風電場共設有風機33臺，風機之間最小距離約為400m，風機到監控中心最遠距離約為5 km。某風電場風機布置如圖4所示。

圖4 某風電場風機布置圖

針對該風電場進行無線傳輸系統設計，無線數傳電臺采用點對多的工作方式，1臺接收電臺理論上可接收253臺設備發送信號，接收方式為輪巡方式，即接收端不能同時接收253臺設備發送的數據，需要逐個接收。為了更好地接收數據，將33臺風機分為3組，無線傳輸系統采用1對11的工作方式，即1臺接收端接收管控11臺風機發送端，3組在控制中心收發端共用1臺管理型交換機。網絡結構設置為星型網絡結構（如圖5所示），單組系統結構如圖6所示（圖中：字母a為第1組網絡，a～f共6組，b～f未在圖中表示；數字1～11為一組網絡11臺風機編號；字母t表示發送端；字母r表示接收端；字母bt表示備份發送端；字母br表示備份接收端）。

圖5 星型網絡結構

圖6 單組（11臺）風機網絡結構

理論分析：該風電場控制中心樓房高度為12 m，最遠風機距離控制中心5 km，通過式（1）計算得出風機發射端的天線架設高度至少為0m，即天線架設在地面即可。系統架設完成后，數據收發正常，運行穩定、可靠。

無線傳輸系統在該風電場經過一段時間的應用，應用情況整體良好，沒有事故發生，系統能夠準確無誤地傳輸SCADA系統采集的數據，數據傳輸的實時性能夠滿足SCADA系統的要求，而且大大提高了維護的便利性，但是在應用過程中仍然存在一定的不足［9-16］。

（1）無線傳輸系統受惡劣雷雨天氣影響較大。經過對無線傳輸系統一段時間的觀察發現，系統在天氣較好的情況下數據傳輸實時、穩定，但一遇到雷雨天氣，個別風機狀態數據的接受經常會出現中斷及長期不刷新的情況，且該問題尚未徹底解決。

（2）在老風電場增設無線傳輸系統存在IP不足的情況。在該風電場的應用是在風電場原有的光纖傳輸方式基礎上增設一套無線傳輸系統，風電場的風機IP局域網段255個IP地址大部分已被使用，僅剩下40個IP地址供擴展使用，但常規情況下每臺風機需要4個IP地址，33臺風機需要132個IP地址，IP地址嚴重不足。最終在系統的收發端各增設一個交換機問題才得以解決，但同時增加了系統的復雜程度。

6 結論

基于無線數傳電臺技術的無線傳輸系統在數據傳輸方面收發穩定、可靠，并且設備安裝簡單，只需將天線架設到適當的高度即可，數據傳輸速率達到ms級別，且最長傳輸距離在無阻礙物的狀況下可達50 km，能夠完全覆蓋絕大部分風電場的所有風機，實時性也滿足SCADA系統的要求。將無線傳輸系統應用于某風電場，能夠準確無誤地收發數據，系統運行安全、穩定。但也存在個別風機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，今后將針對系統的抗干擾能力進行研究。

［1］佘慎思，楊文斌，李春.風力發電廠 SCADA系統設計［J］.上海電氣技術，2010（3）：39-42.

［2］王成，王志新.基于無線局域網的大型風電場遠程監控系統［J］］.電網與清潔能源，2009（12）：75-77.

［3］劉臣賓，夏彥輝，常東旭.基于GPRS的風電并網穩定控制系統［J］.電力自動化設備，2010（30）：104-108.

［4］杜名欣，于林韜.基于物聯網的風電SCADA系統架構與研究［J］.長春大學學報，2013（23）：165-167.

［5］吳欣乾.風電SCADA系統圖形與組態功能的研究［D］.北京：華北電力大學，2013.

［6］鄭祖輝.數字機群移動通信系統［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［7］藍翱華，張立，劉篤仁.無線數傳電臺在自來水行業的應用設計［J］.設計參考，2009，11（8）：49-51.

［8］任香凝，李文計.海面蒸發波導微波超視距通信可行性分析［J］.無線電通信技術，2008，34（2）：22-24.

［9］劉子玉，張宇，謝吉龍.一種基于無線數傳電臺通訊的遠程監控系統［J］.工業控制計算機，2006（2）：32-33.

［10］郭鳳儀，劉勛，王智勇，等.無線數傳電臺在泵房供水遠程控制系統中的應用［J］.電子技術應用，2010，36（5）：151-154.

［11］劉為國.無線數傳電臺在遠程監控系統中的應用與設計［J］.礦山機械，2008（8）：44-46.

［12］吳忠華.無線數傳電臺在遠程監控系統中的應用與設計［J］.科技視界，2014（34）：103-103.

［13］王淑霞，范寶紅.無線數傳電臺實現數據可靠傳輸技術的探討［J］.平頂山工學院學報，2003（4）：39-40.

［14］陳曉春，王羿，何光偉，等.無線數傳技術的研究與應用［J］.中國高新技術企業，2015（5）：51-52.

［15］李毅.PLC與無線數傳電臺組成的SCADA控制系統在德陽孝感水廠中的應用［J］.西南給排水，2009（4）：40-42.

［16］李峰，張志杰.無線數傳電臺實現數據可靠傳輸技術的探討［J］.機械管理開發，2006（1）：107-108，112.