衛星通信在風力發電行業中的應用

包少彬，王 琦

（中電防務科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

風電機組一般安裝在草原、戈壁、沿海等無基礎通信網絡覆蓋或覆蓋較差的區域[1]，風電運營公司難以依靠基礎網絡實現在線運維管理，而建設專用網絡會增加投入成本。因此，為風電公司在線式故障檢測和預防系統（以下簡稱“預檢系統”）構建一套安全穩定、低成本的信息傳輸平臺，保障“信息孤島”上的機組可靠運行，是一個值得研究的課題。衛星通信具有通信距離遠、地理環境受限少、安裝部署快、無須復雜基礎建設等優點，是解決偏遠無基礎通信區域信息傳輸的最佳手段[2]。

1 概述

衛星通信在風力發電行業的應用即解決“信息孤島”的與外通信需要，選擇合適的通信體制、制定合適的終端設備。

（1）可行性。風電機組可提供較好的安裝空間、承重能力、電力供應和通信視角。

（2）通信體制。主要為返向通信，且信息量較小，可選用TDMA通信體制。

（3）終端設備。上行功率需求較小，可選用小型終端。

2 設計與實現

2.1 設計目標

以風電公司信息管理中心（以下簡稱“管理中心”）為核心，構建一套基于TDMA體制的中低速衛星通信網絡。

2.2 網絡拓撲結構

在管理中心建設衛通固定站作為機組衛通終端管理和業務落地節點，經地面有線鏈路連接管理中心預檢系統，預檢系統通過地面鏈路及衛通固定站和衛通終端間的衛星鏈路與機組實現數據交互，如圖1所示。

圖1 衛星通信系統網絡拓撲圖

2.3 硬件部署

2.3.1 風電機組端

在機體無遮擋區域安裝衛通終端，并與機組內各功能模塊交互數據，數據經衛星鏈路發送至管理中心固定站，同時接收經衛通鏈路發來的預檢系統的各類指令信息。

2.3.2 管理中心端

建設衛通固定站，與外圍風電機組通過通信衛星建立鏈路，與預檢系統間通過地面有線鏈路實現數據交互。

2.4 功能實現及工程實施

2.4.1 功能實現

在風電機組端無遮陽區安裝衛星通信終端，在管理中心建設衛通固定站，衛通終端與衛通固定站通過衛星鏈路交互數據，固定站與預檢系統間采用地面有/無線鏈路交互數據，如圖2所示。

圖2 系統功能實現示意圖

系統通過雙方向的信息傳輸，實現管理中心對風電機組監控。

（1）上行鏈路：風電機組向管理中心上報的信息。風電機組在運行過程中內部功能模塊將運行狀態和參數定時或在發生異常時的相關信息突發上報給給衛通終端，衛通終端將數據調制后經衛星鏈路發送給衛通固定站；衛通固定站收到后對信號進行解調，將數據經地面有/無線鏈路發送給預檢系統處理。

（2）下行鏈路：管理中心端給風電機組端發送的指令。管理中心預檢系統可主動查詢風電機組運行狀態和當前參數情況，也可向風電機組功能模塊下達參數修改命令。在工作時，預檢系統下達查詢或參數修改命令信息，經地面有/無線鏈路發送給衛通固定站，衛通固定站對其進行調制后經衛星鏈路發送給風電機組衛通終端，衛通終端解調后將信息發給對應的機組功能模塊，由各功能模塊執行狀態上報或參數修改指令。

2.4.2 工程實施

雖然衛星通信覆蓋范圍大，但對于機組部署地較遠（如部署在邊疆、海外等）的運營商來說，存在管理中心與機組不在同一衛星轉發器覆蓋范圍內的情況。因此，工程實施時需考慮以下兩種應用環境。

2.4.2.1 同一轉發器

管理中心衛通固定站與風電機組處于同一衛星轉發器范圍內的工程實施較為簡單。一是在風電機組安裝衛通終端，用于與管理中心衛星固定站間的信息傳輸；二是在管理中心配套建設衛星固定站，用于與風電機組衛通終端間的信息傳輸；三是建立衛星固定站與預檢中心的有/無線連接；四是租用相應衛星轉發器資源。

2.4.2.2 不同轉發器

管理中心衛通固定站與風電機組處于不同衛星轉發器范圍內的工程實施較為復雜，一般可通過以下方式實施。

（1）衛星鏈路轉發。該方式適用于無衛星轉發器可同時覆蓋管理中心與風電機組，但機組和管理中心由不同轉發器覆蓋，且兩個轉發器在某一地區有重合的覆蓋區域。此時可借助重合區域進行衛星信號轉發實現管理中心與風電機組間的信息傳輸。一是給風電機組安裝衛通終端；二是在管理中心配套建設衛星固定站；三是在轉發器覆蓋重合區域建設一套雙天線衛星固定站，租用兩個衛星通信轉發器資源。其中，一幅天線與風電機組同轉發器，用于與風電機組衛通終端間的數據交互；另一幅天線與管理中心衛星固定站同轉發器，用于與管理中心固定站間的數據交互。

（2）地面通信網轉發。該方式適用于無法通過上述衛星鏈路轉發方式實現機組衛通終端與管理中心衛通固定站實現數據交互，或上述衛星鏈路轉發方式受政治、經濟、技術等因素影響無法操作的情況。此時可根據實際情況利用地面通信網解決。一是給風電機組安裝衛通終端；二是在管理中心配套建設衛星固定站；三是在與風電機組衛通終端可利用衛星轉發器通信，且與管理中心衛通固定站有地面通信網的區域建設一個衛星固定站，用于與風電機組衛通終端間數據交互；四是通過地面通信網建立上述衛星固定站與管理中心預檢測系統間的地面通信鏈路（如國際互聯網等），用于管理中心與衛星固定站間數據交互。

3 系統增強性設計

3.1 自適應傳輸設計

自適應傳輸可根據衛通終端實時傳輸需求、系統內其他衛通終端工作狀態和系統當前運行情況，動態分配通信時隙，可實時調整衛通終端的通信時隙直至清零或占滿整個載波時隙，以滿足異常情況下某一機組較大數據上報的需求。

3.2 異常斷電設計

考慮到機組故障導致衛通終端斷電無法上報信息的情況，可內置蓄電池組，在異常斷電時提供供電保障，使機組狀態可正常上報。

3.3 經濟性設計

考慮到機組規模較大帶來的衛通終端硬件資金投入問題，可在風電機組群中選取一個機組安裝衛通終端，作為機組群樞紐節點，負責與管理中心的數據交互；區域內其他機組通過成本更低的有/無線方式與樞紐機組節點交互數據，最終實現整個機組群與管理中心的數據交互。

3.4 備份設計

結合本文3.3所述，考慮到衛通終端故障帶來的機組群離線問題，可考慮在機組群選擇兩個機組安裝衛通終端，兩個衛通終端通過區域有無線方式互為備份，在一個出現故障時不影響機組群與管理中心的數據交互，增強系統的可靠性和穩定性。

3.5 加密設計

風電機組運營商如對相關管控信息有加密需求，可采用嵌入式軟/硬件加密模塊增強鏈路傳輸的安全性。

4 結束語

依托通信衛星的覆蓋能力和鏈路可靠性，以及風電機組安裝使用衛通終端的先天優勢，構建一個穩定可靠的空中信息傳輸平臺，是解決風電機組運營商對偏遠無基礎網絡覆蓋地區機組的全面管控，提高機組運行可靠性以及維護能力的重要途徑。■