關于一種風電廠廠區無線網絡覆蓋方案的研究

蔚雪爭

摘要：本文探討了風電廠廠區無線網絡覆蓋的研究背景，分析了廠區無線覆蓋所面臨的挑戰，并提出了廠區無線網絡覆蓋相關的物理層、接入層、核心層及網關的具體設計方案。

關鍵詞：風電廠;無線網絡;方案

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0025-01

1廠區網絡現狀及無線網絡覆蓋方案研究背景

風電作為一種間歇式分布能源，其大規模并網后對電網側實行集中監控、功率預測等智能調度功能提出了更高要求。為了滿足以上功能的需求，各風電場的單風機信息、變電站信息等都要實現快速可靠上傳。經對現有風能電站通信方式進行分析，發現現有風電廠的主要數據通信方式為環網通信，主要以環網交換機組網，以工業級的結構設計，環網保護的組網模式建設純IP的數據承載網來支撐現有風電廠的業務及數據信息流。但是隨著新增業務流的開展，業務精細化的深入，移動巡檢、遠程故障診斷等相關業務應運而生，傳統的通信網絡已經不能完全滿足此類業務的需求，故對于廠區進行無線網絡信號覆蓋的需求愈發強烈。

2廠區無線網絡信號覆蓋面臨的挑戰

2.1廠區自然環境復雜。風電場一般分布在山地、戈壁、草原、峽谷等運營商信號覆蓋較差或未覆蓋的區域，且整個廠區覆蓋區域較廣，廠區地形地貌復雜。

2.2廠區天氣環境惡劣。風電廠所處環境通常存在大風、沙塵、低溫、潮熱等惡劣天氣氣候，外界環境對網絡設備運行的不良影響是無法忽視的。

2.3廠區電氣環境嚴酷。設備運行面臨嚴酷的電氣環境。風力發電機組運行時產生強大的電磁干擾。以某風電場風機為例，機組下送的電纜線電壓達到1195V，最大電流達到1200A;由于網絡設備與風電機組共用走線架，因此電磁感應會造成高達100V以上的干擾。此外，風機塔筒為純金屬中空筒狀結構，內壁光滑，內部無線電信號會發生強烈反射，對無線信號的傳輸造成嚴重干擾。

3廠區無線網絡覆蓋實現方案

3.1方案設計目標。方案除需實現對廠區的覆蓋外還需實現對風電機組塔筒內的無線信號覆蓋;另外，應選取合適的信號覆蓋方式，節省建設成本，降低施工難度;需進行冗余鏈路設計，提高整個覆蓋方案的可靠性;整個方案應注重實用性、擴展性、先進性、可靠性，后期應便于管理，易于維護，支持對網絡故障的迅速分析定位。

3.2方案具體實現。本方案以國內北方有133臺風電機組的某草原風電廠為例進行闡述：

（1）網絡拓撲設計。此次網絡建設采用單核心單出口的設計方案。將電廠133臺風機分為12組，每組11臺風機（第12組12臺風機），每組風機采用雙鏈路聚合串聯的方式連接，然后每組風機內的一臺交換機通過雙鏈路聚合方式再鏈接到核心交換機;核心交換機除上聯出口網關，此外還需要鏈接無線控制器和網絡管理服務器。

（2）物理層設計。為了盡量節省現有環網資源，本方案利用工業交換機采用特殊光模塊、鏈路聚合等方式，在僅使用現有環網光纖中的兩芯的情況下，即能滿足通信要求，又能進一步提高鏈路的可靠性，在其中一芯發生故障時，確保另一芯仍能保證正常通信，從而支撐業務的連續性。

（3）接入層設計。由于接入層設備運行環境十分苛刻，故需選擇工業級接入層交換機，該交換機支持多平臺的模塊化操作系統，能夠提供智能、安全、高速、簡單管理的千兆桌面解決方案。廠區每臺風機均安裝一臺接入層交換機，交換機的上行和下行均通過鏈路聚合的方式連接其他交換機。

通過VLAN定義實現業務劃分，視頻、語音、網絡邏輯隔離;實現QoS，對數據包進行分類和標記;接入層設備全部采用雙千兆鏈路上聯核心設備，以保證接入網的帶寬要求;接入層作為用戶終端接入網絡的唯一接口，對用戶終端進行入網認證、訪問行為規范控制。

（4）核心層設計。核心層作為全網的中樞，是全網數據傳輸的中心，不僅要保證7*24小時的穩定運行，還要協調全網的數據流量和訪問策略。故核心層選用一臺高性能模塊化交換機，并支持靈活擴展。采用雙電源、雙引擎的配置，確保高性能、高可靠。核心交換機直接與每一組第一臺風機的接入交換機通過鏈路聚合連接，網絡管理服務器、無線控制器與核心交換機直連。

（5）網關設計。網關設計以“疏-堵-控”為核心理念：

疏，實現彈性帶寬管理，網絡資源內網化，通過部署網絡出口引擎，對多條運營商鏈路出口進行智能選擇分析，充分利用廠區鏈路資源，提高網絡訪問速度;堵，抵御網絡安全風險，利用流量控制功能，除實現基于應用層的流量檢測和控制外，還可以實現實名制聯動及彈性帶寬分配;控，建立流量日志管控平臺，對出口帶寬利用率進行監測，實現基于用戶身份的網絡行為實名審計，將防火墻作為整個網絡出口的防護設備，對網絡邊界進行防護，控制不同網段之間的信息通道，對進出相應網段的網絡訪問行為進行嚴格控制。

（6）無線網絡設計。由于風電機組高度通常在70至80米左右，且塔筒內部自頂端到底部設有若干個金屬制平臺，故塔筒內無線信號衰減較為嚴重，但饋線較短，故為了實現塔筒內及塔筒附近的無線信號覆蓋，至少應在每個塔筒上部署2至3臺AP，并通過供電模塊進行供電，每臺AP通過雙絞線連接到風機塔筒內的接入層交換機。考慮到風電機組所處環境，AP設備采用全密閉防水、防塵、阻燃外殼設計，適合在極端室外環境中使用，有效避免惡劣天氣及環境的影響，所有對外接口均需設計濾波和防護裝置，可實現20V至10000V范圍內電磁干擾的濾除，實現電源和信號的純凈，確保設備可靠運行。所有AP設備通過無線控制器統一集中進行可視化管理，靈活控制無線接入點的配置，優化射頻覆蓋效果和性能。

（7）管理運維設計。整個方案中涉及的各類網絡設備較多，管理運維過程中使用一套網絡管理軟件對所有設備進行統一管理，便于后期運維，該軟件能支撐網絡拓撲呈現，設備故障與性能監控以及設備的配置管理，軟件采用B/S結構，以便于網絡管理員日常使用。

參考文獻：

[1]高密度無線覆蓋技術及其實現[J]. 王燕清，李程，蘇爽.數字通信世界. 2017（01）