摘  要： 結(jié)合風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)的特點(diǎn),，提出了WiMAX技術(shù)在該系統(tǒng)中應(yīng)用的方案，并介紹了其技術(shù)優(yōu)勢。同時(shí)給出了風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的WiMAX組網(wǎng)設(shè)計(jì),，證明了其應(yīng)用的可行性,。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)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(fēng)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(fēng)電的發(fā)展對于保障能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu),、減輕環(huán)境污染,、實(shí)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(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量約2 726萬kW,，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)1.21億kW,，全球風(fēng)力發(fā)電量為2 600億kWh[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場的關(guān)鍵設(shè)備,，但由于受惡劣自然環(huán)境以及復(fù)雜的發(fā)電機(jī)組和電力電子裝置等因素影響,，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備很容易出現(xiàn)損壞和故障，影響生產(chǎn)[3],。因此,，多采用故障診斷系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測跟蹤，并對故障征兆進(jìn)行分析處理,，從而預(yù)測風(fēng)電機(jī)組的故障趨勢,，指導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維修和維護(hù)，為風(fēng)電機(jī)組的正常工作提供保障,。
    風(fēng)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(hù)的優(yōu)點(diǎn)[4]，但是在傳輸信號時(shí)具有衰減大,、干擾強(qiáng),、阻抗變化復(fù)雜等特點(diǎn)，不能在電力線上進(jìn)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(diǎn)[6],，但由于風(fēng)電場占地面積大，采用光纖通信布線需要花費(fèi)大量的人力,，并且建網(wǎng)成本高,、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展困難。無線通信解決了布線問題和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展問題,，但現(xiàn)在的電信部門提供的GPRS,、GSM通道具有時(shí)延不確定性、信息安全性差等缺點(diǎn),，相比較而言,，WiMAX無線傳輸技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)、接入速度高,、抗干擾能力強(qiáng),，支持完善的QoS機(jī)制，其MAC層中的保密子層為信號實(shí)時(shí)安全準(zhǔn)確地傳輸提供了保障,。
1 WiMAX在風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)系列的無線城域網(wǎng)技術(shù)[7]，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn),，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(fù)用）和TDD（時(shí)分復(fù)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(diào)制方式[8])。在物理層上的關(guān)鍵技術(shù)有OFDM（頻分復(fù)用）技術(shù),、MIMO（多輸入多輸出）技術(shù),、混合自動重傳（HARQ）技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)和功率控制技術(shù)等,。MAC層由特定業(yè)務(wù)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(wù)QoS要求和業(yè)務(wù)參數(shù)來請求帶寬連接或帶寬調(diào)整,，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r(shí)延的要求。MAC層具有安全子層,，支持MAC層安全機(jī)制,，實(shí)現(xiàn)認(rèn)證,、加密等安全管理。
    風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)總的功能和要求是保證機(jī)組安全可靠地運(yùn)行,。通過測試各部分的狀態(tài)和數(shù)據(jù),，判斷整個(gè)風(fēng)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(yuǎn)傳,，將機(jī)組的各類信息及時(shí)準(zhǔn)確地報(bào)告給運(yùn)行人員,。幫助運(yùn)行人員追憶現(xiàn)場，診斷故障原因[9],。風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該控制盡可能多的風(fēng)電機(jī)組,，并具有良好的顯示速度，通信質(zhì)量穩(wěn)定,，工作可靠,，抗干擾能力強(qiáng)。
    WiMAX在風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用上有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：
    (1)傳輸距離遠(yuǎn),，接入速度高
    基于OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)的WiMAX具有NLOS傳輸?shù)哪芰?，最大傳輸距離可達(dá)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(bǔ)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(yīng)功率控制，可以根據(jù)信道狀況動態(tài)調(diào)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(qiáng)，準(zhǔn)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(shù)）,，傳輸時(shí)把高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)調(diào)至低速并行數(shù)據(jù),，并通過正交子載波聯(lián)合編碼調(diào)制，解決了無線傳輸過程中存在的嚴(yán)重的頻率衰落問題,。通過聯(lián)合編碼,，使傳輸具有很強(qiáng)的抗衰落能力，同時(shí)具有很強(qiáng)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(fù)雜度,，解決了碼間干擾（ISI）問題,，如果選取合適的保護(hù)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(shù)（HARQ）降低系統(tǒng)的誤碼率,。
    (3)安全性
    WiMAX提供了完善的加密機(jī)制，它在介質(zhì)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(rèn)證方式，確保了無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒌玫酵晟频陌踩Ｗo(hù)[13],。
    (4)服務(wù)質(zhì)量（完善的QoS機(jī)制）
    在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中,，MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制，包括4種不同的業(yè)務(wù)類型：主動授予業(yè)務(wù)（UGS）,，周期產(chǎn)生數(shù)據(jù)包長度固定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù),；實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)，周期產(chǎn)生數(shù)據(jù)包長度不固定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù),；非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（nrtPS）,，不定期地提供數(shù)據(jù)包長度不固定的允許有較長時(shí)延的數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)；盡力而為業(yè)務(wù)（BE）,。MAC層通過設(shè)置不同的QoS參數(shù)（時(shí)延,、時(shí)延抖動、最小保證速率等）提供相應(yīng)的QoS服務(wù)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(yù)留等,，從而有效地進(jìn)行業(yè)務(wù)流管理,。
    (5)建設(shè)成本低
    由于采用無線傳輸，不需要進(jìn)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(shè)成本和維修費(fèi)用,。
    (6)可擴(kuò)展性,，易維護(hù)
    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(jié)構(gòu)。在物理層,，WiMAX支持靈活的射頻信道寬帶和頻率復(fù)用,，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)，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(zhì)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(fēng)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(gòu)，也稱為點(diǎn)對多點(diǎn)結(jié)構(gòu)PMP(Point to Multi-
point),，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu),，也可稱為Mesh結(jié)構(gòu),，所有節(jié)點(diǎn)間通過一跳或多跳鏈路相互通信[15]。802.16d 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)基站BS（Base Station）和多個(gè)用戶終端SS（Subscriber Station）的蜂窩結(jié)構(gòu)，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(nèi)并且是視距傳輸[16]。
    (2)Mesh模式中,，部分或者全部節(jié)點(diǎn)作為中繼線路,，并作為網(wǎng)絡(luò)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)組成一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。另外網(wǎng)絡(luò)中有些節(jié)點(diǎn)仍然作為BS提供回程連接[17],。Mesh模式使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用WiMAX無線Mesh結(jié)構(gòu)互聯(lián),，這意味著可以靈活地?cái)U(kuò)展接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可適用于主干網(wǎng)覆蓋局域網(wǎng)覆蓋不到的地方,，從而實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的擴(kuò)展[18],。
2.2 WiMAX在風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中的組網(wǎng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用PMP和Mesh模式相結(jié)合的組網(wǎng)方式,，如圖2所示,。PMP網(wǎng)絡(luò)采用Mesh組網(wǎng)方式擴(kuò)大覆蓋區(qū)域，把中心基站作為接入點(diǎn)與核心網(wǎng)（監(jiān)控室和Internet網(wǎng)絡(luò)）相連,，其余PMP網(wǎng)遠(yuǎn)端基站通過無線鏈路與該中心基站相連,。兩種網(wǎng)絡(luò)嵌套增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且靈活多樣,，即使一點(diǎn)出現(xiàn)故障也不影響其他網(wǎng)絡(luò),，增加了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

    遠(yuǎn)端基站和中心基站之間采用無線連接,，中間無中繼基站,，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過一跳（即遠(yuǎn)端基站）直接與中心基站通信，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用固定天線,，遠(yuǎn)端基站及中心基站采用全向天線或者定向/扇形天線,，遠(yuǎn)端基站和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間采用3.5 GHz頻段,，各個(gè)基站的服務(wù)區(qū)范圍是5 km～7 km。遠(yuǎn)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(yuǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)端，通過傳感器周期采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yuǎn)端基站，數(shù)據(jù)包經(jīng)遠(yuǎn)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(luò)覆蓋情況，動態(tài)地選擇天線和扇區(qū)覆蓋技術(shù),。中心基站通過光纜接入到監(jiān)控室的主機(jī)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(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障信息,，并把故障信息和故障位置信息傳送回風(fēng)力發(fā)電機(jī)使其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,，避免故障的發(fā)生，與此同時(shí)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息上傳至Internet,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,，授權(quán)用戶可以通過網(wǎng)上數(shù)據(jù)直接觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,。
    綜上所述,， WiMAX技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)適合在風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用，WiMAX不僅能支持遠(yuǎn)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(shí)具有完善的QoS機(jī)制、抗干擾,、建設(shè)成本低,、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的可行選擇,。隨著WiMAX技術(shù)的不斷發(fā)展,，WiMAX將更好地服務(wù)于風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)，為我國風(fēng)電企業(yè)的安全生產(chǎn)做出重要的貢獻(xiàn),。
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