无线以太网通信系统在风电场的应用

戴建军，赵国群，邵科，蔡璐璐

（1.浙江运达风电股份有限公司，杭州 310000；2.安徽工程大学 机电学院，芜湖 241000）

无线以太网通信系统在风电场的应用

戴建军1，赵国群1，邵科1，蔡璐璐2

（1.浙江运达风电股份有限公司，杭州 310000；2.安徽工程大学 机电学院，芜湖 241000）

目前风电场内的监控系统是通过在风电机组间铺设光缆，机舱内安装工业以太网交换机的方式将机组运行数据上传到SCADA上位机来实现的。为了适应海上风电场的建设，文章介绍一种能在风电机组内进行快速布置、灵活组网的无线局域网技术的应用，并重点探讨了机组偏航导致天线间相对位置变化带来的天线方向图的不均匀问题和风电机组桨叶运转对无线信号的动态阻挡形成衍射效应导致的多径衰落问题及解决途径。

风力发电；海上风电；无线以太网； SCADA

0 引言

在全球化石能源紧缺而需求又激增的历史背景下，各国纷纷提出发展新能源技术。中国政府也已在最新的“十二五”规划中提出了第一个绿色发展规划，要求不断提高可再生能源的比例，风电发展将迎来新一轮的建设高潮。风力发电是门新兴的综合性技术，涉及空气动力学、材料学、机械学、电子学、自动化和通信等学科。

为了对风电场进行数据采集和监控，需要部署现场通信网络。目前采用的传统传输方式为单/多模通信光缆在风电机组之间铺设，塔筒控制柜内设置工业以太网交换机。存在的主要问题是光缆铺设和光纤熔接工期长、施工量大，光缆容易受外力损坏。另外，未来风电机组将被大量安装到海上风电场，采用有线通讯系统施工和运维的难度和成本大幅增加。

随着无线通信技术的出现，在许多IP联网技术中，无线网（Wireless Network）以其无需布线、维护方便、运行费用低廉等优点，在许多这些应用场合发挥着其他联网技术不可替代的作用。对于风力发电监控系统而言，也是具有一定创新性的方案。

风电场主要考虑如何使用无线设备更方便、快捷、稳定地把每个风电机组的控制信息、变电站数据，远距离传输给升压站，通过升压站SCADA系统把数据汇总、分析并报告，及至支持大流量的实时视频监控数据传输。由于每一座风电场的风电机组数量、风电机组位置、面积等均不相同，因此需要针对每一个风电场来专门设计实施方案，要求系统拥有高性价比，可扩展性。

1 无线技术的适用性比较

工业场所应用的无线技术包含WWAN广域网（如GPRS、EDGE、WCDMA、CDMA2OOO、TDSCDMA、LTE等技术）和WLAN局域网（WAPI、WIFI、ZIGBEE等技术）等，由于WWAN要依赖于电信运营商的网络支撑，存在三个现实和潜在问题：一是风电场偏远地区网络覆盖不佳；二是长期付费使用成本高； 三是后续运维存在不确定性（如撤基站或运营商网络调整）。因此，我们倾向于使用WLAN局域网系统，比较各种技术后采用目前最成熟、稳定的WIFI（全称Wireless Fidelity）技术[1]。WIFI采用IEEE 802.11a/b/g/n协议,最新版本是802.11n。各种无线技术数据传输速率比较如图1所示。

1.1 覆盖范围比较

在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证网桥接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。因此，其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，目前主流设备点对点最大可达8KM，使WLAN覆盖性能极大提高。

1.2 传输速率比较

在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率提供到300Mbps甚至高达600Mbps。得益于将MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术相结合而应用的MIMO OFDM技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升[2]。

1.3 其它关键技术

802.11n是一组协议的总称，其中定义了MAC协议、路由协议、能量管理机制、QoS保证技术、数据融合技术、安全机制、同步管理机制等关键技术。由于篇幅所限，在此不予展开。仅对本方案有所关联的几个关键技术做简单阐述。

1.3.1 MESH组网

顾名思义，无线MESH组网的意义可以理解为各无线节点（AP或网桥）之间非简单的点对点连接，而是点对多点混合组网以形成一张网状网络结构。具体的连接方式由现场环境（距离、天线发射和接收功率）来动态变化并自动组网。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP或网桥，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的节点由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

1.3.2 MIMO天线

MIMO天线技术可以理解为多进多出（MIMO：Multiple Input Multiple Output）技术，是20世纪90年代末美国的贝尔实验室提出的多天线通信系统，在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。无线信号同时被不同的天线经过不同的路径传送，由于无线信号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，到达接收端的时间也会不一致。为了避免数据不一致而无法获得准确结果，接收端会同时具备多重天线接收，利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的数据重新计算，然后得到正确且快速的数据流。

2 系统体系结构和功能

2.1 组网结构

图1 各种无线技术数据传输速率比较

我们以河北省张北县某风电场中的一组15台风电机组为例制定实际方案并进行测试。15台风电机组以不规则的形态分布在长2公里宽5公里的区域内，升压站控制室距离风电机组约2公里。

根据风电机组特点，本方案采用点对多点+点对点混合的MESH无线互联模式，保证整个风力发电厂数据采集传输的安全稳定。由于风电机组间相隔大致会有400m至1000m，机舱和塔筒金属物较多，无线信道衰落较大，采用某品牌MP8100系列网桥外接全向天线模式来设计风电场网络架构，并采用某品牌QB-8150-LNK系列网桥进行数据的采集汇聚工作，拓扑图如图2所示。

区域内每一台网桥都安装到机舱上的控制柜内（控制柜提供24V电源），通过馈线方式引出全向天线，全向天线安装在吊舱顶部的风标固定架上。无线网桥通过高质量的屏蔽网线连接到光电转换器，塔上塔下之间已经有多模光缆进行连接。并通过光电转换器连接到风电机组的控制器（PLC），如图3所示。

区域内每一台无线网桥都与周围距离最近的无线网桥进行连接，每台无线网桥可同时与3台以上的相邻节点建立通信。随着风电机组的偏航和叶片规律性的扫风造成的无线环境的变换，进行动态微调并重新计算路由。

2.2 网络安全

安全性是无线以太网须考虑的一个重要部分，风电场是重要的工业环境，任何未知的网络侵入都将对整个系统造成严重影响。所谓无线网络的不安全性，在一定程度上可以理解为接入方式促成了连接的方便性。如果设备已经接入系统，无论有线或是无线安全性都是一样的。因此，我们特别关注无线侧的网络安全。在风电场的无线网络系统中，我们将采取如下安全机制：

（1）风电机组之间无线系统内部连接，在802.11n基础上可选设备私有协议以保证只有同品牌设备才能互联互通；

（2）采用3种信息过滤机制：SSID隐藏并过滤、MAC地址过滤和端口过滤；

（3）隐藏SSID，并有限开放客户端，建立访问控制列表。如此，只有授信用户才能通过主动添加的方式接入系统。普通笔记本电脑将搜索不到任何无线信号；

（4）多种访问认证机制，包含802.11n最新的开放式验证、共享密钥验证机制；

（5）数据加密机制，WEP使用RSA数据安全公司的使用伪随机数生成器（PRNG）RC4对称加密算法。

图2 MESH网络组网拓扑图

图3 风电机组内逻辑图

3 关键技术问题

与其它无线通信不同，风电机组间无线通信信道的时变性有其自身的特征，主要表现在三个方面：一是风向变化引起的经常性机组偏航导致网桥间全向天线相对位置变化而带来的无线环境变化，进而带来数据丢包；二是机组运行过程中，风电机组桨叶运转对无线信号的动态阻挡形成类似衍射效应的多径衰落；三是考虑恶劣天气情况对无线信道造成的影响程度，确保在极端恶劣天气情况下的通信稳定，这一问题实际是对大尺度衰落信道根据气象条件的修正问题。

3.1 机组偏航与天线方向图

针对机组偏航导致天线位置变化带来的无线环境变化，我们从两个方面进行讨论。

（1）研究所使用的全向天线的方向图特征，分析偏航导致的无线环境变化是否由天线方向图的不均匀造成的。

全向天线的方向图特征图中，一个相当重要的参量就是等效全向辐射功率（EIRP）。EIRP定义为功率增益与输入功率的乘积：EIRP=GPrad。当各向同性天线的辐射强度等于所讨论的实际天线的最大辐射强度时，EIRP是各向同性天线所辐射的总功率：EIRP=4πUmax。

根据Friis方程：

（2）提高天线的可靠性。工程应用上，因天线方向图不均匀造成，考虑使用设计更为合理方向图更为均匀的天线，使用多天线(MIMO)并通过选择性合并的方法在尽可能减少性能额外复杂度的情况下提高可靠性[3]。

在一个典型的MIMO OFDM系统中，具有Nt根天线发射和Nr根接收天线的多天线系统，在频率选择性MIMO信道上传输，每根天线使用OFDM（解）调制，如图4所示。

图4 多天线空时OFDM系统

3.2 桨叶运转形成的多径衰落

（1）桨叶对无线信道动态阻挡引起的信道变化是一种小尺度衰落。对这一问题，采用的基于时域有限差分法(FDTD)电磁场计算方法，对桨叶运转对电磁波的动态阻挡造成电磁波传播特性的影响进行仿真。电磁波的传播遵循麦克斯韦方程，将天线发射信号建模成电磁波的平面波源，使用FDTD方法将麦克斯韦微分方程转化为差分方程，模拟电磁波在空气中的传播及其遇到桨叶时候造成的电波的散射、折射以及损耗特性，并根据桨叶的不同物理尺寸以及转动速度等参数，得到不同情况下桨叶转动引起信道变化的时变信道特性和统计信道特征，给出信道修正曲线或图表。由于天线与桨叶之间的距离一般不会太远，使用这方法进行计算的计算量是可以接受的[4]。

（2）在无线系统设计中，抗衰落技术可归结为三种基本方法。最常见的方法是采用分集天线。两个天线间距足够远，假如一个天线位于深度阴影内的话，另一个天线绝不会出现这种情况；第二种方法是将发射信号的频谱扩展到足够大，使其包含有不被衰落的频率；第三种方法是采用方向性更强的天线，这样就能排除掉导致破坏性干涉的那些路径。但是由于风电机组的偏航特性，我们暂不考虑第三种方法。

关于分集天线上部分已略作阐述，以下对于发射信号扩频调制稍作分析。下面是一个直达波与反射波的简单例子。如果改变频率，则传播常数也随之改变，将路程差与传播常数的变化量δκ相乘以后，这两条路径的相对相位就会发生变化。当天线对某一个频率产生衰落时，一般不会对该频率附近的其它频率也产生衰落。

如果k的变化量与路程差的乘积小于π/8(45°)，则频率的该变量就不能再增加了。假设在低于某个路程差时，天线仍然处于衰落状，则我们可以建立频率的该变量和路程差之间的关系式：

3.3 恶劣天气的影响

在海面无线信道基本建模的基础上，研究各种恶劣天气情况(如台风、暴雨)不同空气湿度、温度等情况无线信号传输特性，将各种情况下海面空气的湿度、温度等特性映射到波导中介质的介电常数、磁导率、电导率等介质材料特性参数，即可通过电磁场仿真得到电磁波传播的能量分布与衰减情况随不同气象条件的变化。实际风电场环境中，相邻两台风电机组的机舱位置（即全向天线安装位置）大多为视距可达，并无城市环境或者室内环境内的阻挡物。但是尽管无建筑物的阻挡，对于如果存在的远距离的室外传播链路仍需考虑风、雨和雪等气候条件，对大气湿度和温度的梯度变化可能导致不同的直达波束产生折射效应[5]。

雨是水，而水的折射系数和对WLAN的频率的时候强度很高，所以会有额外的衰减，然而在空气中雨水的实际密度非常小，并且相对于ISM波长来说是很小的，因此散射是在可接受范围内。结论是雨的衰减仅在大雨和5GHz波段时是比较明显的，实测结合相关文献得出表1。

4 结语

本系统进行了24小时＊3个月的连续测试，测试计算机长期进行Ping大包实验。并每周获取结果数据，以检验在实际环境中风电机组震动、下雨对无线环境的干扰，得出实际使用效果的结论：

（1）系统建立初期多台控制器经常失联，经查为丢包严重导致时断时续。经过网络优化（天线功率调整、工作频段调整、更换天馈线）后，问题基本解决。满足连续2小时Ping 1024bps大包丢包率在2%以内、系统平均时延在30ms以内的要求，见图5。

（2）系统实际效果基本符合预期，系统部署方便，操作维护成本低。难点在于无线网络的优化。鉴于此，我们认为可以进行推广，但需要无线通信经验丰富的工程师进行部署和定期维护。

表1 不同频率WLAN的衰减与降雨的关系

图5 短时实测Ping包结果

[1]王刚,译.宽带无线通信中的空时编码[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]黄标,彭木根.无线网络规划与优化导论[M].北京:北京邮电大学出版社,2011.

[3]李晋文等,译.无线网络射频工程-硬件、天线和电波传播[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[4]张洪欣,吕英华,黄永明.基于FDTD方法的无线信道衰落特性模拟研究[J].电路与系统学报,2004,9(3):127-131.

[5]叶伟,丁桂林,颜毅斌,胡凯凯.UDP协议在风电机组通信系统中的实现[J].风能, 2013(6):86-91.

Application of Wireless Ethernet Communication System in Wind Farm

Dai Jianjun1, Zhao Guoqun1, Shao Ke1, Cai Lulu2
（1. ZheJiang Windey Co., Ltd., Hangzhou 310000, China;
2. College of Mechanical & Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China）

Nowadays, the monitoring system of wind farm is operated by the installation of optical cable among turbines and industrial Ethernet switch in cabin to upload the operation data to SCADA upper computer. In order to adapt to the construction of offshore wind farm, this paper introduced an application of wireless LAN technology which capable of rapid deployment and flexible networking among turbines. The focus of the paper is on the problem of the unevenness of antenna pattern caused by the relative position change between the antennas by unit yaw and its solution. Moreover, the multipath fading problem formed by the diffraction effect because of the dynamic blocking to wireless signal by the operation of fan blade and its solution are another emphasis of the paper.

wind power; offshore wind power; wireless Ethernet; SCADA

TM614

A

1674-9219（2013）09-0068-05

2013-06-14。

戴建军（1981-），男，本科，工程师，主要从事风电领域通信系统设计工作。

赵国群（1969-），男，本科，工程师，主要从事风电领域控制系统设计工作。

邵科（1974-），男，本科，工程师，主要从事风电领域电控系统设计工作。

蔡璐璐（1991-），女，本科，就读安徽工程大学电气工程自动化专业。