无线数传电台技术在风电场SCADA系统中的应用

2015-04-24黄春犁高敏高金明

综合智慧能源 2015年10期

黄春犁，高敏，高金明

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015）

0 引言

随着我国对环境保护重视度的提高，风电、太阳能发电等清洁能源得到快速发展，尤其是新建风电场的数量正逐步增加。然而，新建风电场，尤其是海上、沙漠、丘陵等地区的风电场，大多数风机数据采集与监视控制SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统采用的传输方式为光纤双环网［1］，现有风电场SCADA系统容量有限，需要扩容时仍需增设光纤，增加了扩容的工作量，而且预埋光纤大大增加了整个新建工程的施工周期，并且在光纤出现故障时维护不便。为了缩短新建风电场的工程周期，提高现有风电场SCADA系统容量，部分风电场提出了基于无线接入点（AP）［2］及通用分组无线服务技术（GPRS）［3］的风电 SCADA系统无线传输方式，但以上无线传输方式均存在组网困难、抗干扰能力弱、不穿墙、设备安放位置要求高、传输带宽小等缺点，并且需经过多次桥接，使数据的传输衰减增大，降低了数据传输的稳定性。本文提出了一种基于无线数传电台的无线传输技术，并将该技术应用到风电场SCADA系统中，在缩短新建风电场工程周期、提高现有风电场系统容量的同时，有效解决了传统无线传输技术传输距离短、抗干扰性差、组网困难等问题。

1 风电SCADA系统简介

1.1 风电SCADA系统概述

SCADA系统［4］是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，通过传输系统将采集到的现地设备运行状态参数、报警信号等数据传输至集控中心进行监视和控制，能够应用于给水系统、电力系统、石油化工系统等。风电场一般位于海上、丘陵、平原、山区等地域，设备区域分布广泛，并且几乎没有影响无线传输的阻碍物，系统采集的风机运行数据需远程传输至集控中心，最远的风机距离集控中心10 km，所以数据传输的稳定性、实时性直接影响了监控数据的准确性。

风电 SCADA系统采集的数据［4］包括三相电压、功率因数、环境温度、风速、发电机温度、叶片转速等电网、气象、机组状态参数。

1.2 风电SCADA系统结构及特点

风机SCADA系统［5］由就地监控部分、中央监控部分、远程监控部分3部分构成：就地监控部分位于风机内部，对该风力发电机的运行状态进行监控及数据采集；中央监控部分一般布置于风电场控制室内，工作人员根据电脑监控画面了解每台风机的运行状态及参数并进行远程操作控制；远程监控部分根据不同需求布置于不同地点，数据传输一般采用电信运行商预埋的光纤传输。

本文研究对象为风电场内部的就地监控部分至中央监控中心的数据传输，该部分数据传输具有以下特点。

（1）数据传输稳定、可靠。风电机组SCADA系统为风机的稳定、安全运行提供可靠的数据支持和决策依据，系统数据传输需要高度的稳定性。基于无线数传电台的无线传输技术采用高频率波段，可避免噪声干扰，具有可靠的稳定性。

（2）数据传输速率快，实时性好。风机在出现故障时，数据必须迅速反馈到监控终端，该无线传输方案传输速率可达ms级别，实时性较高。

（3）无线传输系统可扩展。系统留有扩充接口，将来功能或模块扩充时不影响现有的系统和结构，方便后续其他系统模块的扩充。

2 目前风电场常用无线传输技术

2.1 无线AP

无线AP［2］主要技术协议为IEEE 802.11系列，典型的传输距离可覆盖几十米至上百米，也可以通过多个设备进行桥接延长传输距离，目前最远可达30 km左右。该技术传输速率可达10MB／s，但应用于大面积覆盖的风电场时，组网困难、抗干扰能力弱、不穿墙、设备安放位置要求较高。

2.2 3G／4G

3G／4G是电信公司的一种移动通信业务，其数据传输速率可达1MB／s，工业用RS232／485串口设备可将串口通信立即转换为3G／4G无线网络通信，网络可接入电信公司的卫星网络实现远距离传输。但由于风电场地处偏僻地区，并且通信基站建设费用很高，且需按流量收费，所以该技术较难应用于风电场数据传输。

3 无线数传电台技术简介

无线数传电台［6］是借助数字信号处理（DSP）技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传电台不仅可以传输数据，而且能够传输视频图像。数传电台采用透明传输协议，传输速率可达1 MB／s，数据处理时间约为10ms，能够实时、可靠地完成数据传输，具有安装维护方便、成本低、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多分散、地理环境复杂等场合［7］。

3.1 传输数据可靠

无线数传电台的工作波段包括2个频段336～344MHz及902～928MHz，与电厂常见噪声波段30 MHz不相交，能够很好地避免噪声干扰，并且每台风机设置不同信道，每组网络设置不同的传输频率／波段，避免风机、网段之间的干扰，大大降低系统传输的误码率。

3.2 传输协议为透明传输

风机塔基控制柜内的数据由网口输出，所以无线传输系统前端连接网口，后端通过无线将数据传输至集控中心，无线数传电台传输协议为透明传输，即输入为网络数据包，传输至集控中心的仍是网络数据包，传输效果与光纤传输方式一致。

3.3 传输距离远

系统采用高速工业级的无线网络解决方案，传输衰减极弱，理论传输距离可达50 km。基于无线数传电台的无线传输技术与以上技术的对比见表1。

表1 无线传输技术对比

4 无线数传电台数据传输解决方案

4.1 无线传输系统组成

风机SCADA系统数据传输网络结构如图1所示。

图1 网络结构简图

系统控制单元PLC将数据传输至塔机控制柜交换机，再通过光纤／无线传输至风电场控制中心。为了提高稳定性，传统的光纤传输采用光纤自愈环网网络结构，其原理是采用2条传输线路，每条线路为全双工工作模式，即收发并用，2条传输线路互为备用，增强传输的稳定性。由于无线数传电台的数据传输模式为时序双工工作模式，即不能同时进行收发，收与发之间有10～20ms的延时，为了继承光纤自愈环网的结构特点，本文基于无线数传的无线传输方案采用双收双发的工作模式，形成双线路互为备用的输出模式，单台风机的系统组成如图2所示。

4.2 数据传输理论分析

为了能够将采集到的SCADA系统数据准确地传输至风电场控制中心，需对无线数传电台的天线架设高度进行计算。

数据传输距离与天线架设高度的关系如图3所示：受地球曲面曲率的影响，收发设备之间最大可视距离

式中：d为最大可视距离，km；hs，hf分别为收、发天线的架设高度，m。

图2 单台风机无线传输系统组成

图3 可视距离计算示意

假设某个风电场控制中心高度为30.0m，最远一台风机距离控制中心为30 km，则通过公示计算得出风机发射端天线架设高度至少为3.3m。

5 无线传输系统在某风电场的应用

基于无线数传电台的无线传输系统在内蒙古某风电场应用后，运行效果良好，数据传输稳定、可靠，且传输实时性好，能够满足该风电场SCADA系统对数据传输的要求。该风电场70m高年平均风速为8.2m／s，平均海拔约为1 630m，地形起伏不大，地表植被稀少，多为荒漠草原，该风电场共设有风机33台，风机之间最小距离约为400m，风机到监控中心最远距离约为5 km。某风电场风机布置如图4所示。

图4 某风电场风机布置图

针对该风电场进行无线传输系统设计，无线数传电台采用点对多的工作方式，1台接收电台理论上可接收253台设备发送信号，接收方式为轮巡方式，即接收端不能同时接收253台设备发送的数据，需要逐个接收。为了更好地接收数据，将33台风机分为3组，无线传输系统采用1对11的工作方式，即1台接收端接收管控11台风机发送端，3组在控制中心收发端共用1台管理型交换机。网络结构设置为星型网络结构（如图5所示），单组系统结构如图6所示（图中：字母a为第1组网络，a～f共6组，b～f未在图中表示；数字1～11为一组网络11台风机编号；字母t表示发送端；字母r表示接收端；字母bt表示备份发送端；字母br表示备份接收端）。

图5 星型网络结构

图6 单组（11台）风机网络结构

理论分析：该风电场控制中心楼房高度为12 m，最远风机距离控制中心5 km，通过式（1）计算得出风机发射端的天线架设高度至少为0m，即天线架设在地面即可。系统架设完成后，数据收发正常，运行稳定、可靠。

无线传输系统在该风电场经过一段时间的应用，应用情况整体良好，没有事故发生，系统能够准确无误地传输SCADA系统采集的数据，数据传输的实时性能够满足SCADA系统的要求，而且大大提高了维护的便利性，但是在应用过程中仍然存在一定的不足［9-16］。

（1）无线传输系统受恶劣雷雨天气影响较大。经过对无线传输系统一段时间的观察发现，系统在天气较好的情况下数据传输实时、稳定，但一遇到雷雨天气，个别风机状态数据的接受经常会出现中断及长期不刷新的情况，且该问题尚未彻底解决。

（2）在老风电场增设无线传输系统存在IP不足的情况。在该风电场的应用是在风电场原有的光纤传输方式基础上增设一套无线传输系统，风电场的风机IP局域网段255个IP地址大部分已被使用，仅剩下40个IP地址供扩展使用，但常规情况下每台风机需要4个IP地址，33台风机需要132个IP地址，IP地址严重不足。最终在系统的收发端各增设一个交换机问题才得以解决，但同时增加了系统的复杂程度。

6 结论

基于无线数传电台技术的无线传输系统在数据传输方面收发稳定、可靠，并且设备安装简单，只需将天线架设到适当的高度即可，数据传输速率达到ms级别，且最长传输距离在无阻碍物的状况下可达50 km，能够完全覆盖绝大部分风电场的所有风机，实时性也满足SCADA系统的要求。将无线传输系统应用于某风电场，能够准确无误地收发数据，系统运行安全、稳定。但也存在个别风机受恶劣天气的影响以及IP不足等问题，为了解决存在的问题，今后将针对系统的抗干扰能力进行研究。

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