WiMAX技术在EMS系统中的接入应用

周新刚 高阳 陈丰波 张国荣 陈建玲 刘爱明

1．中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中国)有限公司天津分公司渤南作业公司，天津300452

WiMAX技术在EMS系统中的接入应用

周新刚1高阳1陈丰波1张国荣2陈建玲1刘爱明1

1．中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中国)有限公司天津分公司渤南作业公司，天津300452

中海石油下属某公司渤中28/34电力组网项目中，由渤中34-1 CEP平台通过海缆为渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台供电，原海缆光纤无备用纤芯用于EMS系统通信。为了将渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台纳入渤中28/34电网，更好地实现电网的安稳控制，综合考虑成本、施工周期、安装方式等因素，采用技术先进、可靠性突出的WiMAX无线微波通信技术。该项技术的应用极大降低了项目成本，也为后期类似工程提供了宝贵的经验。

无线通信;WiMAX;EMS;电力组网;电网控制;微波

0 前言

WiMAX是全球互通微波接入的简称，是一项无线城域网(WMAN)接入技术，是用于解决“最后1 km”的最佳接入方式的无线宽带接入技术［1］。

WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。2007年10月19日，WiMAX正式批准成为继WCDMA、CDMA 2000和TD-CDMA之后的第4个全球3G标准。2012年1月18日，国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advance和Wireless-MAN-Advanced(802.16)技术规范确立为IMT-Advanced (4G)国际标准［2－6］。严格意义上讲WiMAX技术不是一个移动通信系统的标准，而是一个无线城域网的技术。

中海石油下属某公司渤中28/34电力组网项目中，渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台EMS系统接入渤中34-1 CEP平台EMS系统采用了WiMAX无线微波通信技术。

1 WiMAX关键技术

WiMAX关键技术包括:HARQ(混合自动重传请求)，AMC(自适应编码调制)，MIMO/AAS(多入多出/自适应天线系统)，OFDM/OFDMA(正交频分复用)和 AGC(自动增益控制)［7－10］。

HARQ具有自动重传请求，前向纠错功能。接收端做检测时，接收到误码就扔掉或要求对方重发;接收到的误码纠错，能纠正的就无需重发，无法纠正的要求对方重发［11－12］，其传输有同步和异步。HARQ见图1。

图1 HARQ

AMC是根据信道质量情况，选择最合适的调制解码模式，通过编码和调制方式的组合可以产生不同的传输方式和传输速率。处于信道较好的MS(基站较近的位置)可以采取高阶调制方式(如64 QAM)获得较高的传输效率［13－15］。远离基站的位置信道变差，可以调整到低阶调制方式(如QPSK)，以扩展覆盖范围以及避免通过发射功率的途径来提高系统性能，降低干扰。AMC见图2。

图2 AMC

MIMO/AAS是一种多天线技术，通过在收发两端增加天线个数及相应的信号处理功能建立的三维传输结构，将多径作为有利因素加以利用，在不增加带宽的前提下提高通信系统容量、频谱利用率以及传输速率。分集模式(Matrix A)的作用和特点:增大覆盖面积;可以在不同的天线上发射相同的数据;用于对传输质量要求较高的信令传输或边缘用户进行数据传输;接收天线的数目可以少于发射天线的数目［16－18］。复用模式(Matrix B)的作用和特点:在不同的天线上发射不同的数据;可以用于提高传输速率;接收天线的数目不能少于发射天线的数目;2 X 2的复用模式，下行峰值数据速率理论上可达到SISO的2倍。MIMO/AAS见图3。

图3 MIMO/AAS

OFDM/OFDMA(正交频分复用)频率利用率高，各正交子载波的频率交错重叠，可以最大程度地利用频谱资源;频域链路自适应，为不同用户选择条件较好的子载波来传输数据，可实现频率上的多用户分集增益，并容易和MIMO技术结合。

AGC(自动增益控制)是利用子信道的CPE(OFDM)发射器必须具有50 dB的动态功率控制进行工作。对于BS发射器，输出功率电频控制不低于10 dB。CPE实际发射功率取决于终端距离、传输特性、信道带宽和调制方式(QPSK、16 QAM、64 QAM)［19－20］。BS接收功率的工作原理:系统设置1个平衡点，自动控制接入CPE的发射功率，使BS接收所有的CPE功率一致，等于平衡点功率。AGC作用:保证系统最佳工作状态的同时，在BS接收CPE功率一致情况下，使CPE发射功率最小，进而确保系统稳定。

2 应用案例

渤中28/34油田群实现电力组网以来，EMS系统在实现电源和负荷的管理上起到了至关重要的作用，作为电网负荷的一部分，渤中34-2 EP平台和渤中34-4 EP平台，也被纳入渤中28/34电网中，由EMS系统进行统一控制。

为实现EMS系统对电力负荷精细化管理及精确的分级卸载控制，需要分别在渤中34-2 EP平台和渤中34-4 EP平台设置1套EMS控制站，用于实现电网数据采集、监控以及优先脱扣等功能。由于渤中34-1 CEP平台和渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台之间的光纤已全部被占用，无备用芯数，在综合考虑施工周期和成本后，决定采用基于WiMAX技术的产品搭建通信链路。在渤中34-1 CEP平台架设2套WiMAX基站，在渤中34-2 EP平台和渤中34-4 EP平台分别架设2套WiMAX终端，基站与通信终端的距离约为4～5 km左右。

通过WiMAX无线微波将渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台EMS子站接入到渤中34-1 CEP平台，并连接至EMS系统的光纤环网中。接入后电网EMS系统可以直接读取渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台的电力数据，对电网调度员管理电网负荷节点提供数据支持，同时也为负荷平台的电力应急故障处理提供可靠的信息支持通道。

3 通信测试

为保证该系统的可靠稳定性，进行了严格的通信测试。通信测试包括:无线链路时延、用户端通信带宽测试和数据业务测试。WiMAX基站和终端相关设置如下:

通信频率:1 785～1 805 MHz;

信道带宽:3.5 MHz/5 MHz/7 MHz/10 MHz，TDD双工模式;

寻址方式:TDMA，OFDMA 1 024 FFT多载波调制;

编码方式:QPSK 1/2、QPSK 3/4、16 QAM 1/2、16 QAM 3/4、64 QAM 2/3、64 QAM 3/4、64 QAM 5/6。

3.1 无线链路时延测试

无线链路时延测试目的为测试无线接入系统的无线链路时延，判断其是否满足精准控制的要求。测试设备及工具为BS、SS各1套，测试环境见表1。具体测试时，将SS放置在信号接收较好的位置，将测试PC分别连接BS和SS，使其处于正常工作状态，通过PC 1向PC 2作Ping包测试。测试系统在32字节、512字节、1 024字节情况下的无线链路时延。无线链路时延测试结果显示，渤中34-1 CEP平台与渤中34-2 EP平台之间的丢包率为0%，见表2;渤中34-1 CEP平台与渤中34-4 EP平台之间的丢包率为0%，满足系统使用要求，见表3。

表1 无线链路时延测试环境

表2 无线链路时延测试结果(渤中34-1 CEP平台与渤中34-2 EP平台之间)

表3 无线链路时延测试结果(渤中34-1 CEP平台与渤中34-4 EP平台之间)

3.2 用户端通信带宽测试

用户端通信带宽测试目的为验证单扇区存在多个用户端情况下系统的业务容量。测试设备包括1套BS，1个SS，2台运行J-Perf Measurement Tool软件的测试PC。测试信道调制方式和编码为链路自适应(要求达到64 QAM 5/6)。首先配置点对点无线测试环境，然后运行测试软件进行测试。用户端通信带宽测试环境见表4，测试结果见表5。从表5测试结果可知，单向情况下，上传49 Mbps，下载为98 Mbps;双向情况下，上传29 Mbps，下载为67 Mbps，业务容量满足系统要求。

表4 用户端通信带宽测试环境

表5 用户端通信带宽测试结果

3.3 数据业务测试

数据业务测试方式:通过在EMS服务器配置Rslinx的通信接口，然后与PLC进行数据交互测试，目的是测试渤中28-2S EMS HMI服务器通过光纤环网、WiMAX无线微波系统接入渤中34-2 EP平台以及渤中34-4 EP平台EMS数据的性能。测试设备包括1套BS，1套SS及1套PLC，测试环境见表6。首先将基站BS以及终端SS按照测试环境进行设置，在通信正常后将测试服务器连接到SS，并配置正确IP地址，使其可以通过OPC Server访问远端的PLC设备，最后测试服务器访问PLC数据的通信质量。上位机PC共有标签348个，报警47个，画面4个，下位机PLC为1756-L 71，数据和逻辑程序空间1.07 M字节，I/O空间89 K字节。各参数设置完成后，进行为期1 d的测试。经测试，该系统数据性能良好，未发现数据中断或数据阻塞现象。

表6 数据业务测试环境

4 结论

中海石油下属某公司渤中28/34电网投运以来，WiMAX参数运行稳定，通过WiMAX技术将渤中34-2 EP平台、渤中34-4 EP平台的电力负荷接入到渤中28/34油田群电力组网中，相对于单独架设光纤网络，不仅降低设备采购、施工、调试以及后期的维护成本，也实现了中海石油降本增效，并为后期类似工程提供了宝贵的经验。

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2016－05－05

周新刚(1975－)，男，辽宁抚顺人，高级工程师，学士，主要从事海上油气田电力设计研究。