卫星通信在水电站集控通信项目中的应用

唐立原 孙华

摘  要：随着通信技术的发展和电厂管理水平的提高，电站群现代集控技术的应用越来越广泛，传统的有线通信在发生台风、地震等自然灾害时易受地理条件的限制不容易修复，而卫星通信技术弥补了这方面的不足。该文介绍了老挝南欧江流域集控中心以卫星通信作为备用通信的设计过程，通过波段选择、卫星天线配置和主要设备的选型几方面介绍了集控卫星通信的设计和项目建设情况。

关键词：卫星通信  电站集控  C波段  卫星天线  BUC  LNB

中图分类号： TM62                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（c）-0024-03

Application of Satellite Communication in Centralized Control Communication Project of Hydropower Station

TANG Liyuan  SUN Hua

（PowerChina Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming， Yunnan Province， 650051  China）

Abstract： With the development of communication technology and the improvement of power plant management level， the application of modern centralized control technology of power station group is more and more extensive. The traditional wired communication is easily limited by geographical conditions in the event of typhoon， earthquake and other natural disasters， and it is not easy to repair， while the satellite communication technology makes up for this deficiency. This paper introduces the design process of the centralized control center in Laos' Nan'ou River basin with satellite communication as standby communication， and introduces the design and project construction of the centralized control satellite communication from the aspects of band selection， satellite antenna configuration and main equipment selection.

Key Words： Satellite communications; Power station centralized control; C-Band; Satellite Antenna; BUC; LNB

1  項目概况

南欧江是湄公河在老挝境内最大支流，发源于中国云南省江城县与老挝丰沙里省接壤的边境山脉一带。

南欧江梯级水电站集控中心是正在建设的南欧江电力运维中心的一部分，位于老挝琅勃拉邦省。所辖的南欧江7个梯级电站总装机约为127.2万kW，项目在2020年底完工。

2  电站卫星通信的必要性

水电站通常处于距离城市较远的偏远地区，发生自然灾害时很难快速组织人员处理，此时对外通信显得非常迫切。

根据行业规范，电力系统重要数据的传输必须采用一套主用通道和一套备用通道，主备同时工作。平时主通道传输生产运行、和调度管理的各种业务，如果主通道意外中断，重要监控数据及调度语音业务能够自动地在备用通道上传输。主用和备用通信通道必须相对独立，采用不同的通信技术去实现。

南欧江集控通信的主要通信通道设计为建立在老挝电网OPGW光缆上的大容量光纤通信通道，如果任何一段主要OPGW光缆线路发生断线故障，流域集控中心将完全失去与后端电站的通信联系，对电网安全构成了严重威胁。因此，构建另一套可独立运行的、不同实现方式的通信网作为备用和应急通信方式，是非常必要的。

卫星通信是一种在大气中借助电磁波传输的通信方式，具有抗自然灾害、恢复能力较强的特点，与传统的光纤通信方式相比，卫星通信可确保在特殊情况，包括地面输电线路倒杆或网络站点遭到破坏的情况下，可及时、快速、可靠地提供通信服务，以便实施快速救援或应急指挥。

卫星通信的主要优点在于：（1）通信范围大;（2）抗毁能力强，不易受自然灾害影响;（3）卫星站点设备较少，建设周期短;（4）易于实现多址数据的汇聚和分发;（5）数据带宽可灵活调整。

这些特点都非常符合南欧江流域大范围多点集控通信的需要，因此根据南欧江集控的实际情况，选用卫星通信作为系统通信的备用通信方式，可以很好地弥补光纤通信抗自然灾害能力较差的短板，从而实现整个集控通信系统的高可靠性。

3  项目需求

集控通信项目现有1个水电站集控中心，7个已建成的水电站，要求将下属7个流域电站的计算机监控信号、调度数据和调度电话传回集控中心，同时也需要由集控中心以点对点的形式向下属电站下达指令。

集控中心与电站间传输的数据，要求系统按每路数据实际容量动态分配带宽，总的卫星带宽为上行1.0 Mbps，下行1.0 Mbps[1]。卫星网络需兼顾互联网需求，以及后期可与国内总部通信。

需求如下：（1）南欧江集控中心作为整个网络的管理控制协调中心，负责管理所有链路的卫星带宽资源、设备资源，全网设备鉴权认证;（2）业务主站可与远端站单跳连接;（3）卫星主站与端站无业务时，只发射窄带信令载波，广播到所有端站;（4）近期7个远端站，后期可扩展到8个远端站;（5）带宽日常需满足3个远端站同时回传数据，包括话音和监控;应急时刻，根据需求灵活租赁并配置信道。

4  卫星通信技术方案

4.1 卫星波段选择

现在主要的商业卫星工作频段有Ku波段和C波段，Ku波段频率高（12～18 GHz），天线小，接收成本低。但由于信号波长短，造成雨衰较大[2]。C波段频率低一些，分为3.7～4.2 GHz下行和5.925～6.425 GHz上行信号，卫星天线较Ku波段的大，建站有一定难度，但是信号雨衰较小。

由于老撾地处热带地区，气候湿润降雨量大，因此该项目选择受降雨影响不大的C波段作为卫星通信波段。

通过对老挝当地的商业卫星运营服务情况的调查和比较，项目相关人员最终选择工作于C波段的VSAT卫星来构建集控卫星通信通道。

该项目采用在琅勃拉邦自建卫星地面主站，在流域电站自建卫星子站，然后租用商业卫星带宽，由老挝当地卫星运营公司进行运营的方式。

4.2 通信方案

项目在集控中心和各流域电站建设VSAT卫星地面站，卫星地面站必须具备信息收发功能，当收信时，通过地面站的卫星天线向在轨运行的地球同步卫星接收频段内的高频卫星信号，再经过LNB（高频头，Low Noise Block）将由天线收到的卫星信号经过放大和下变频，变成L波段的中频信号，经同轴电缆传送给卫星接收机的收端（RX）进行调制解调后变成标准的以太网口信号送入交换机与其他系统相连。当发信时与收信相反，需要将卫星接收机发端（TX）送出的信号经过BUC（Block Up-Converter）即上变频功率放大器，将卫星接收机Modem输出的中频信号，经过功率放大转变为高频射频信号，经天线逆向传送到轨道同步卫星[3-4]。系统结构如图1所示。

该系统结构图构成了南欧江一期集控中心卫星通信系统，利用自建的4个卫星地面传输平台，实现南欧江集控中心到1～3级水电站计算机监控系统的数据传输，并且可通过路由进行主/备通道自动切换，实现主要数据在光纤网传输的同时备用卫星通道也在传输水电站监控数据。

该项目的卫星网采用的调制方式为QPSK方式[5]，其编译码方式为动态3/4LDPC，最大通信速率为2 048 kb/s，门限EB/N0为3.5 dB。跟踪损耗和线缆损耗设计小于1 dB。

各卫星地面站建立了以网络交换机为中心的IP网络平台， IP地址归入该地计算机监控网，由监控系统统一划分IP网段和地址。通过交换机将电站该地监控IP网络通过卫星信道接入集控后方IP网络实行数据通信。IP调度电话也可通过卫星通道实现前后调度双方之间的电话通信。基于VSAT卫星通信的系统把计算机监控、语音、图像（可选）有效地综合在一起， 实现了局域网与广域网的结合，有线网与无线网的结合[1]。

5  卫星系统主要设备

该系统设计可用度为99.9%，上下行各为99.95%，经过链路计算，确定各站卫星天线与BUC组合如下：卫星主站：4.5 m口径天线，40 WBUC;卫星电站端站：2.4 m口径天线，20 WBUC。该配置针对任一方向降雨条件下的信号增益余量均超过4个dB，确保网络的可靠性。

5.1 卫星地面站构成

卫星地面站天馈部分选择C波段4.5 m口径天线40 WBUC。由于该项目要求较高可靠性，因此卫星主站BUC部分与核心中频设备，均配置为热备系统，即2台同厂 、同系列、同规格的BUC一起组成热备系统，中频也采用2台HUB型MODEM，在网管的统一调配下实现中频系统的热备。在卫星主站安装卫星网管软件，提供对整个网络的集中监控、资源自动分配、站点入网鉴权等功能，形成卫星网络的通信枢纽。

5.2 地面站典型设备

地面站典型设备清单见表1。

6  卫星通道业务的实现

6.1 计算机监控业务

计算机监控业务为集控卫星通信要求承载的一个非常重要的业务，项目在卫星主站与子站卫星设备均有TCP协议加速功能，使TCP/IP在卫星通道上的传输效率大大提高，完全满足计算机监控业务对通道的时延要求。

6.2 路由自主管理

卫星主站和子站的地面设备和卫星通道满足无人值守自动切换的功能，具体过程如下：当下属水电站与集控中心光纤线路出现故障无法传输时，由路由器实时判断路由状况，并自动将优化过的集控数据切换到卫星通道上;当地面光纤线路恢复后，所有业务自动恢复。以上所有过程均由路由器自动实现路由判断、切换，无需人工介入。也可设置为双通道同时运行，需要监控系统对在卫星通道上传输的数据根据卫星带宽进行优化[5-6]。

6.3 话音业务

该网络中话音业务主要为调度电话，在地面光纤线路中断后，提供每个子站2路到集控中心的话音通信。集控调度软交换平台需为每个卫星子站提供2个话音接口，通过卫星通道接入集控主站的调度软交换中心。

7  结语

该文通过对主要卫星通信的特点进行的阐述和比较，提供了一套集控中心备用通道使用C波段VAST卫星通信的设计方案和实施方法。

我国卫星通信技术和运用都与国际存在不小的差距，随着技术的进步，工程技术人员应抛开对卫星通信的偏见和陈旧认识，更多地研究卫星通信技术，使卫星通信为社会发展发挥更大的作用。

参考文献

[1] 窦开明.配电网WAMS通信规约及组网技术研究[D].合肥工业大学，2019.

[2] 杨仁庆，杨清森，孙振龙，等.VSAT卫星便携站的设计与实现[J].数字通信世界，2019（11）：3-4，15.

[3] 董彦磊.卫星通信系统运行控制关键技术研究[D].中国电子科技集团公司电子科学研究院，2018.

[4] 马婵娟.卫星网络多址接入技术研究[D].西安电子科技大学，2019.

[5] 戴朝辉.新型配电自动化系统的设计与研究[D].南京理工大学，2017.

[6] 张伟.配电网智能调控一体化研究[D].山东大学，2016.