风电场自组网无线通讯网络搭建研究与应用

风电场自组网无线通讯网络搭建研究与应用
曲金星
罗蒙蒙
张
伟(华电电力科学研究院有限公司,浙江杭州310030)
1风电场智能化改造数据传输需求
电厂信息智能化是建设智能电厂的基础。

当前,电厂数据主要传输方式为光纤传输,优点是数据传输稳定性较高,但存在以下问题:光纤敷设复杂程度高,离散监控点多的区域,建设及扩容成本高;调试及后期维护难度大,危及信息安全;易老化,难扩容。

同时,电厂其他有线通信方式有485线传输以及电话线拨号上网等,但均存在线路或是传输问题。

近年来,为弥补有线传输方式的不足,无线通讯技术已逐渐在电厂开始应用。

本文依托的某风电场,地处滨海丘陵地貌单元。

场地地形起伏较大,地面高程在4~60m 左右。

风电场装机容量30MW ,安装有20台1.5MW 的大型风电机组,单机容量1500kW ,每台机组配一台箱式变压器,以1500kW 机组进行排列布置,场内设一座110kV 升压变电站及相应生产、生活设施,风电机组塔架高度为64.9m ,风电机组平面布置图见图1。

图1某风电场风电机组布置图
为保证风力发电机组安全稳定运行,需采集风电机组振动数据;对于消防监控,风电场火灾控制难度较大,对风电机组进行消防监控至关重要;为保证风电机组的安全运行,增加视频监控系统,可有效提高运行管理水平,实现上述智能化改造需保证数据的稳定传输[1]。

目前该风电场现有光纤容量无法满足智能化改造数据传输需求,重新敷设光纤施工难度大,难以实现,使用MESH 自组网无线通讯技术,可实现网络覆盖范围内数据的无线传输,因此,利用MESH 自组网无线通讯技术实现智能化数据采集在该风场应用优势尤为突出。

2无线通讯技术研究现状
目前电厂主要无线通信方式有GPRS /4G 、Wi-Fi 、ZigBee 、Bluetooth 等,宽带无线MESH 自组网系统是一个具有自组织功能的分布式宽带无线网络系统。

网络能够自动发现网内设备、自
动寻找路由,当某节点失效时,网络能够自动恢复,抗毁性强。

系统特别适合于偏僻无通信基础设施,带宽需求大的场合使用;系统体积小、重量轻、携带方便、安装使用简单,适合便携、车载使用[2-5]。

宽带无线MESH 自组网具有如下特点:(1)点对点、点对多点特性
网络传输速率点对点5~10km 实际吞吐量高达30Mbps 以上,点对多点5~10km 以实际总吞吐量自动分配,可为高吞吐量远距离的链路应用提供最佳连接性能。

(2)网络的自组织、自愈、多跳特性
网络不需要中心节点,Mesh 节点的部署非常灵活;各节点可以自动组成网络,当某一节点损毁时,其他节点会迅速重新聚合成一张新的完整的网络;不相邻的节点可通过多跳接力的形式完成通信,很容易实现非视距传输(NLOS )。

(3)覆盖范围大
对传输协议进行了优化,在通视条件下,两节点可实现10km 以上的单跳传输距离;多跳后,系统覆盖范围可进一步成倍扩展;系统在5跳范围内均可提供有效的QoS 保障。

(4)高带宽、低时延
在单跳、距离10km 条件下,两节点带宽可保持5Mbps 以上。

另外,由于采用多正交信道设计,MESH 节点可实现全双工工作,多跳后带宽下降较小,3跳后带宽仍能保持在4Mbps 以上。

此外,系统采用了高效的最佳网络二层路由协议,节点间数据传输时延更小,单跳传输时延小于3ms 。

(5)分布式网络管理
基于SNMP 协议设计实现了分布式网络管理软件,在每个MESH 节点上均可实现对整个MESH 网络的管理,通过网管软件,既可查看网络的拓扑信息、节点间连接关系、传输速率等信息,也可对节点的使用频率、IP 地址、发射功率等进行配置。

针对电厂应用与其他无线通信技术相比,MESH 自组网及优势如表1:
表1
各类无线通信技术对比
摘要:为实现某风电场数据的智能化采集和传输,通过对比分析数据传输方式的优缺点,选择利用MESH 自组网技术搭建无线通讯网络。

通过无线通信系统设备选型和理想无线链路估算,结合现场地形和环境勘测,确定了通信节点的数量和部署方式,实现风电场20台风电机组100%覆盖在该无线网络中,节约光线铺设成本,提高了设备管理效率。

关键词:风电场;无线通讯;自组网;MESH ;链
路风电场自组网无线通讯网络搭建研究与应用
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《工业控制计算机》2019年第32卷第12
期
综上所述,MESH 自组网技术作为一个新兴技术,非常适合对风电场终端设备数据进行实时监测和管理,实现数据的智能化传输。

目前,相关技术并未在风电场应用,本项目选择某风电场进行MESH 技术的应用。

3自组网无线通讯网络搭建3.1无线通信系统设计
MESH 自组网无线通讯技术可实现将仪器仪表等数据信息通过无线形式传输到后台数据库中,为系统平台提供最直接的数据对接;基于MESH 自组网无线通讯技术,实现网络之间无缝连接及广域网的无线全覆盖。

为实现无线系统可靠传输考察通信节点链路损耗与天线。

(1)设备选型
目前市场上传输5~15km 的无线通信节点产品分两类:①采用COFDM 的无线自组网产品;②基于WLAN 技术的无线MESH 产品。

两种类型代表的产品的技术特点对比见表2。

表2
市场无线通讯节点设备参数对比
通过对比发现,COFDM 具有传输距离远、价格高、带宽速率低的特点;WLAN MESH 具有带宽高、价格低优势的特点,虽然传输性能略不足,但是可以通过链路计算,提高收发天线的功率,设计充足的MESH 链路余量可调高传输的可靠性。

(2)理想无线链路估算
采用802.11n 协议的无线通信设备,满足最小39Mb/s 理论速率,根据采用对MCS4的数据要求,则接收电平最小为-86dBm 。

无线传输分系统传输距离与下列因素有关:设备发射功率Pt 、设备接收灵敏度Prmin 、系统发射天线增益Gt 和接收天线的增益Gr 。

自由空间传输损耗计算如下:
对于自由空间(即视距无阻挡)传播条件,电磁波传输损耗为:
Ls=92.4+20loF+20lgD
其中,F 为发射频率(单位为GHz );D 为传输距离(单位为km )由于F=5.8GHz ,D=10km 所以:Ls=127.4(dB )系统的功率增益为:G=Pt+Gt+Gr-Prmin 系统的发射功率为:
Pt=Ls-(Gt+Gr-Prmin )=127.4-(10+10+86)=21.4dBm
在实际系统链路预算时,功率余量越大,系统传输性能越好;功率余量越小,系统工作状态越接近系统能量的临界状态,系统越容易出现传播错误,传输性能越差。

由上述公式可以看出,初步预设部署固定节点23台、分别位于升压站和风机。

升压站安装3台通信节点,采用19dBi 扇区120℃定向天线。

风机安装21台通信节点,采用10dBi 双极化MIMO 全向天线,每天通信节点发射功率27dBm ,理论上发射功率的余量有14dBm ,即可实现风机各路传感信号及视频信号的无线传输,在网络实际构建过程中,需进一步对风场实际地形踏勘及电磁环境进行精确测量,并根据实际测量和试验的效果对节点配置的位置、参数型号以及组合方式进行修正,以达到最为理想的性能。

3.2无线部署方案
根据现场勘查后无线专网设计如下:
1)经过现场勘查后发现2、3、4、5号风机与升压站有遮挡,现场测试吞吐量低,不能正常获得有效带宽,距离2、3、4、5号风机最近并且与升压站通视的风机是8号风机,因此8号风机作为2、3、4、5号风机的无线中继点,保证能够将数据传回升压站,为保证通信链路不干扰,采用两个不同的频段进行通信。

2)考虑到除2~5号风机以外其他分析分布升压站的360°周围并且可以与升压站通视无遮挡,使用3个传播角度120°的板状天线覆盖所有风机。

3个板状天线覆盖角度的示意图如图2所示。

图2板状天线覆盖角度示意图
3)系统内部通过无线链路完成通信,升压站节点和风机节点间点对多点路由,具有高度的无线链路可靠性,为保证系统带宽、灵活性和抗干扰性,所有节点基于多射频正交多信道设计,初步设计方案见表3。

拟部署固定节点24台、多功能采编器
20台,分别位于升压站和风机。

升压站安装3台通信节点,风机安装20台通信节点(需每台风机安装1台通信节点和1台多功能采编器),其中中继通信节点1台(8#风机,作为中继转发),即可实现风机各路传感器及视频信号的无线传输。

部署逻辑框图初步设计如图3。

图3基站部署逻辑框图
4结束语
1)通过某风电场实地测试,搭建了覆盖风电场的MESH 自组网无线通讯网络。

利用MESH 自组网无线通讯技术的各种技术特点,将整个风电场20台风电机组覆盖在该无线网络中,覆盖率实现100%。

(下转第128页
)
表3风电场通讯节点频率设置125
(上接第125页)
2)相比于光纤传输,采用无线网络覆盖方案,其成本仅为铺设光纤成本的三分之一,且无需对周围环境动土施工,保护了风电场及周边地区的生态环境。

3)基于MESH 自组网无线通讯技术,简化风电机组测点间的光纤布线方式,为后期外围设备接入或者风电场区内进行实时监控提供便利,提高了运行人员管理现场设备的效率。

参考文献
[1]李伟.风电机组状态监测与故障诊断系统的设计与实现[D ].广州:华
南理工大学,2014
[2]孙云.风电场SCADA 系统数据通信设计与实现[D ].北京:华北电力大学,2018
[3]刘小满,刘建芳,黄其舟.基于MESH 的本安无线通信装置的研究[J ].微型电脑应用,2016,32(7):50-52[4]周信,王忠宾,谭超,等.综采工作面机电装备无线Mesh 通信方法[J ].重庆大学学报,2014(3):108-114[5]牛晓光,崔莉,黄长城.移动自组织网络中基于优化分簇的混合路由
协议[J ].通信学报,2010(10):58-67
[收稿日期:2019.11.4]
接口获取温度测量数据,将数据解码后填充到前端界面对应的框架中。

前端网页界面如图6所示。

图6前端显示界面
4实地测验数据
本设备进行了-40℃~120℃的高低温实验,将设备放置于恒温箱中,修改恒温箱温度后读取测量温度,实验数据如图7、表1所示,由此可见测量数据误差性很低。

5结束语
本设备使用AVR 单片机采集PT100热电偶温度,使用CAN 总线组网,实现了高温高压情况下的温度采集上报功能,数据上报至云端可以直观地显示,应用价值高,有一定的推广性。

-40℃~120℃的广范围温度适应性使得本产品可以应用于很多种测温场合,后续的研究将进一步缩小设备体积,进一步提高信号稳定性,从而适应更多的极端温度测量场合。

参考文献
[1]张超,陈甦欣,郭乐凯,刘杰,朱志成.基于CAN 总线的通用型电池包数据采集系统设计[J ].机械工程师,2019(9):85-86,89
[2]张宗良.基于4G 物联网的热计量表远程集抄系统设计[D ].济南:山东大学,2019
[3]赵颖慧,白杨,赵聪聪.基于CAN 总线的低成本测试/诊断工具开发[J ].汽车文摘,2019(9):18-21[4]王响.机车上Pt100温度传感器原理及调试方法分析[J ].技术与市场,2019,26(5):22-25[5]丘书荣.基于PT100的温度控制系统[J ].科技资讯,2019,17(14):38-39
[6]王涛.基于组态王和S7-1200PLC 的锅炉内胆水温控制[J ].湖北农
机化,2019(6):142
[收稿日期:2019.11.11
]
表1温度测量
实验结果
图7温度测量实验数据对比图
基于云服务和CAN 网络的分布式测温连接件系统
128。