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WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中組網(wǎng)的研究
來源:微型機與應用2010年第22期
王惠中,,范少偉
(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院,,甘肅 蘭州730050)
摘要: 結合風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)的特點,提出了WiMAX技術在該系統(tǒng)中應用的方案,,并介紹了其技術優(yōu)勢。同時給出了風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的WiMAX組網(wǎng)設計,,證明了其應用的可行性,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 結合風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)的特點,提出了WiMAX技術在該系統(tǒng)中應用的方案,,并介紹了其技術優(yōu)勢,。同時給出了風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的WiMAX組網(wǎng)設計,證明了其應用的可行性,。
關鍵詞: 風力發(fā)電,;故障診斷;WiMAX

    隨著社會的發(fā)展,,人們對能源的需求越來越大,。風能作為一種純凈的可再生能源,已經(jīng)被越來越多的人所重視,。風電的發(fā)展對于保障能源安全,、調整能源結構、減輕環(huán)境污染,、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等都具有非常重要的意義[1]。2008年全世界風力發(fā)電新增裝機容量約2 726萬kW,,累計裝機容量達1.21億kW,,全球風力發(fā)電量為2 600億kWh[2]。風力發(fā)電機組是風電場的關鍵設備,,但由于受惡劣自然環(huán)境以及復雜的發(fā)電機組和電力電子裝置等因素影響,,風力發(fā)電機設備很容易出現(xiàn)損壞和故障,影響生產[3],。因此,,多采用故障診斷系統(tǒng)對風力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測跟蹤,并對故障征兆進行分析處理,,從而預測風電機組的故障趨勢,,指導風力發(fā)電機的維修和維護,為風電機組的正常工作提供保障,。
    風電場中使用的通信方式主要有電力線載波通信,、光纖通信和無線通信三種。其中電力線載波通信是一種傳統(tǒng)的電力通信方式,,具有投資小,、易維護的優(yōu)點[4],但是在傳輸信號時具有衰減大、干擾強,、阻抗變化復雜等特點,,不能在電力線上進行高速、可靠,、安全的數(shù)據(jù)通信[5],。光纖通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大,、傳輸損耗小,、不怕電磁干擾、保密性好等優(yōu)點[6],,但由于風電場占地面積大,,采用光纖通信布線需要花費大量的人力,并且建網(wǎng)成本高,、網(wǎng)絡擴展困難,。無線通信解決了布線問題和網(wǎng)絡擴展問題,但現(xiàn)在的電信部門提供的GPRS,、GSM通道具有時延不確定性,、信息安全性差等缺點,相比較而言,,WiMAX無線傳輸技術傳輸距離遠,、接入速度高、抗干擾能力強,,支持完善的QoS機制,,其MAC層中的保密子層為信號實時安全準確地傳輸提供了保障。
1 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢
    WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)全球微波接入互操作性,,是基于IEEE802.16標準系列的無線城域網(wǎng)技術[7],,是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準,能夠提供高速連接[17],。WiMAX的使用頻段是2 GHz~66 GHz,,其中2 GHz~11 GHz頻段支持視距(NOS)和非視距(NLOS)傳輸,11 GHz以上頻段支持NOS傳輸,。WiMAX協(xié)議包括物理層和媒體接入控制層(MAC)兩部分,,物理層支持FDD(頻分復用)和TDD(時分復用)兩種雙工方式,使基站和終端可以根據(jù)需要靈活改變突發(fā)類型,,從而選取合適的發(fā)射參數(shù)(如調制方式[8]),。在物理層上的關鍵技術有OFDM(頻分復用)技術、MIMO(多輸入多輸出)技術,、混合自動重傳(HARQ)技術,、自適應調制編碼(AMC)技術和功率控制技術等。MAC層由特定業(yè)務匯聚子層(CS)、公共部分子層(CPS)和安全子層(SS)三部分組成,。MAC層支持QoS管理,,根據(jù)業(yè)務QoS要求和業(yè)務參數(shù)來請求帶寬連接或帶寬調整,以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r延的要求,。MAC層具有安全子層,,支持MAC層安全機制,實現(xiàn)認證,、加密等安全管理,。
    風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)總的功能和要求是保證機組安全可靠地運行。通過測試各部分的狀態(tài)和數(shù)據(jù),,判斷整個風力發(fā)電系統(tǒng)的狀況是否良好,,并通過顯示和數(shù)據(jù)遠傳,將機組的各類信息及時準確地報告給運行人員,。幫助運行人員追憶現(xiàn)場,,診斷故障原因[9]。風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應該控制盡可能多的風電機組,,并具有良好的顯示速度,,通信質量穩(wěn)定,工作可靠,,抗干擾能力強,。
    WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應用上有明顯的技術優(yōu)勢:
    (1)傳輸距離遠,接入速度高
    基于OFDM(正交頻分復用)技術的WiMAX具有NLOS傳輸?shù)哪芰?,最大傳輸距離可達50 km,,單一基站的基本有效覆蓋范圍為6 km~10 km,是WLAN和3G基站所無法比擬的,。WiMAX提供的最高接入速度是70 Mb/s,數(shù)據(jù)傳輸能力大,,可彌補3G在數(shù)據(jù)傳輸速率和WLAN覆蓋范圍的不足[10],。WiMAX利用自適應功率控制,可以根據(jù)信道狀況動態(tài)調整發(fā)射功率,,從而使得 WiMAX 具有更大的覆蓋范圍以及更高的接入速率[11],。
    (2)抗干擾能力強,準確性高
    在無線信號傳輸過程中會遭遇各種損耗和衰落過程,,主要包括:快衰落信道,、頻率選擇性衰落、碼間干擾(ISI),、信道間干擾,、其他衰耗[12]。WiMAX采用OFDM(一種多載波傳輸技術),傳輸時把高速串行數(shù)據(jù)轉調至低速并行數(shù)據(jù),,并通過正交子載波聯(lián)合編碼調制,,解決了無線傳輸過程中存在的嚴重的頻率衰落問題。通過聯(lián)合編碼,,使傳輸具有很強的抗衰落能力,,同時具有很強的抗窄帶干擾能力。低碼速傳輸使接收端降低了均衡器的復雜度,,解決了碼間干擾(ISI)問題,,如果選取合適的保護間隔(GI)甚至可以消除碼間干擾。另外WiMAX采用混合自動重傳技術(HARQ)降低系統(tǒng)的誤碼率,。
    (3)安全性
    WiMAX提供了完善的加密機制,,它在介質訪問層(MAC)中定義的加密子層支持128 bit、192 bit及256 bit加密系統(tǒng),,通過使用數(shù)字證書的認證方式,,確保了無線網(wǎng)絡內傳輸?shù)男畔⒌玫酵晟频陌踩Wo[13]。
    (4)服務質量(完善的QoS機制)
    在WiMAX標準中,,MAC層定義了較為完整的QoS機制,,包括4種不同的業(yè)務類型:主動授予業(yè)務(UGS),周期產生數(shù)據(jù)包長度固定的實時數(shù)據(jù)流業(yè)務,;實時輪詢業(yè)務(rtPS),,周期產生數(shù)據(jù)包長度不固定的實時數(shù)據(jù)流業(yè)務;非實時輪詢業(yè)務(nrtPS),,不定期地提供數(shù)據(jù)包長度不固定的允許有較長時延的數(shù)據(jù)流業(yè)務,;盡力而為業(yè)務(BE)。MAC層通過設置不同的QoS參數(shù)(時延,、時延抖動,、最小保證速率等)提供相應的QoS服務屬性,這些屬性包括如何請求上行鏈路帶寬以及帶寬管理,、接入控制,、資源預留等,從而有效地進行業(yè)務流管理,。
    (5)建設成本低
    由于采用無線傳輸,,不需要進行現(xiàn)場布線,從而節(jié)省了很多人力和物力,;由于WiMAX基站的覆蓋范圍大,,減少了基站的建設成本和維修費用。
    (6)可擴展性,,易維護
    WiMAX使用動態(tài)TDMA,,帶寬按需分配,,且可以使用所有能用的頻率,支持多信道和蜂窩結構,。在物理層,,WiMAX支持靈活的射頻信道寬帶和頻率復用,當網(wǎng)絡擴展時,,可以作為增加小區(qū)容量的一種手段,。此外,WiMAX還支持自動功率控制和信道質量測試,,可以作為物理層的附加工具來支持小區(qū)規(guī)劃,、部署以及頻譜的有效利用[14]。
2 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的組網(wǎng)
2.1 WiMAX組網(wǎng)模式

    WiMAX的組網(wǎng)方式可粗略地分為兩種,,一種是小區(qū)蜂窩架構,,也稱為點對多點結構PMP(Point to Multi-
point),網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都直接與基站通信,,由基站控制所有的傳輸和資源的分配,。另一種是自組織狀網(wǎng)結構,也可稱為Mesh結構,,所有節(jié)點間通過一跳或多跳鏈路相互通信[15],。802.16d 標準MAC層支持PMP和Mesh兩種模式,如圖1所示,。

    (1)PMP模式是包括一個基站BS(Base Station)和多個用戶終端SS(Subscriber Station)的蜂窩結構,,傳輸信道被分為上行(從SS到BS)和下行(從BS到SS),所有的上下行鏈路都是用戶終端所共享,。PMP模式要求所有的SS必須在BS的傳輸范圍以內并且是視距傳輸[16],。
    (2)Mesh模式中,部分或者全部節(jié)點作為中繼線路,,并作為網(wǎng)絡的接收機和發(fā)射機組成一個Ad Hoc網(wǎng)絡,。另外網(wǎng)絡中有些節(jié)點仍然作為BS提供回程連接[17]。Mesh模式使得多個節(jié)點使用WiMAX無線Mesh結構互聯(lián),,這意味著可以靈活地擴展接入網(wǎng)絡結構,,可適用于主干網(wǎng)覆蓋局域網(wǎng)覆蓋不到的地方,從而實現(xiàn)城域網(wǎng)的擴展[18],。
2.2 WiMAX在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的組網(wǎng)設計
    本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構,使用PMP和Mesh模式相結合的組網(wǎng)方式,,如圖2所示,。PMP網(wǎng)絡采用Mesh組網(wǎng)方式擴大覆蓋區(qū)域,把中心基站作為接入點與核心網(wǎng)(監(jiān)控室和Internet網(wǎng)絡)相連,,其余PMP網(wǎng)遠端基站通過無線鏈路與該中心基站相連,。兩種網(wǎng)絡嵌套增加了網(wǎng)絡的覆蓋范圍,,并且靈活多樣,即使一點出現(xiàn)故障也不影響其他網(wǎng)絡,,增加了數(shù)據(jù)傳輸可靠性,。

    遠端基站和中心基站之間采用無線連接,中間無中繼基站,,風力發(fā)電機通過一跳(即遠端基站)直接與中心基站通信,,其中風力發(fā)電機采用固定天線,遠端基站及中心基站采用全向天線或者定向/扇形天線,,遠端基站和風力發(fā)電機之間采用3.5 GHz頻段,,各個基站的服務區(qū)范圍是5 km~7 km。遠端基站和中心基站間的距離可以為30 km~50 km,,基站間采用5.8 GHz頻段,。遠端基站的頻率覆蓋范圍與中心基站的頻率覆蓋范圍會有部分重疊,但因使用頻段不同而互不干擾,,從而避免了使用相同頻段造成的同頻干擾,。
    在風力發(fā)電機端,通過傳感器周期采集風力發(fā)電機狀態(tài)數(shù)據(jù),,經(jīng)過WiMAX物理層和MAC層處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠端基站,,數(shù)據(jù)包經(jīng)遠端基站傳送到中心基站,基站在此過程中動態(tài)地分配帶寬,,根據(jù)網(wǎng)絡覆蓋情況,,動態(tài)地選擇天線和扇區(qū)覆蓋技術。中心基站通過光纜接入到監(jiān)控室的主機上(使用光纜可以避免傳輸過程中的電磁干擾問題),,監(jiān)控端使用數(shù)據(jù)庫對風機狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比對分析,,預測風力發(fā)電機故障信息,并把故障信息和故障位置信息傳送回風力發(fā)電機使其進行相應的調整,,避免故障的發(fā)生,,與此同時將風力發(fā)電機狀態(tài)數(shù)據(jù)信息上傳至Internet,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,,授權用戶可以通過網(wǎng)上數(shù)據(jù)直接觀察風力發(fā)電機的運行狀態(tài),,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
    綜上所述,, WiMAX技術構建的網(wǎng)絡適合在風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中應用,,WiMAX不僅能支持遠距離傳輸,并且能夠提供很高的寬帶容量和數(shù)據(jù)速率,,同時具有完善的QoS機制,、抗干擾、建設成本低,、易擴展等優(yōu)點,,是構建風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)無線網(wǎng)絡的可行選擇,。隨著WiMAX技術的不斷發(fā)展,WiMAX將更好地服務于風力發(fā)電故障診斷系統(tǒng),,為我國風電企業(yè)的安全生產做出重要的貢獻,。
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