摘  要： 結(jié)合風(fēng)力發(fā)電故障診斷系統(tǒng)的特點，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，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)電新增裝機容量約2 726萬kW，累計裝機容量達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)電機組和電力電子裝置等因素影響，風(fēng)力發(fā)電機設(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(yù)測風(fēng)電機組的故障趨勢，指導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機的維修和維護，為風(fēng)電機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(fù)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(fēng)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(luò)擴展困難。無線通信解決了布線問題和網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(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(fēng)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(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)遠傳，將機組的各類信息及時準(zhǔn)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(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。
    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，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(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，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(fù)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(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[13]。
    (4)服務(wù)質(zhì)量（完善的QoS機制）
    在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中，MAC層定義了較為完整的QoS機制，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)包長度固定的實時數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)；實時輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)，周期產(chǎn)生數(shù)據(jù)包長度不固定的實時數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)；非實時輪詢業(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)（時延、時延抖動、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(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(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)，也稱為點對多點結(jié)構(gòu)PMP(Point to Multi-
point)，網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，也可稱為Mesh結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點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模式是包括一個基站BS（Base Station）和多個用戶終端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)點作為中繼線路，并作為網(wǎng)絡(luò)的接收機和發(fā)射機組成一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。另外網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)互聯(lián)，這意味著可以靈活地擴展接入網(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，從而實現(xiàn)城域網(wǎng)的擴展[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
    本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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(luò)）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(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)電機通過一跳（即遠端基站）直接與中心基站通信，其中風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機之間采用3.5 GHz頻段，各個基站的服務(wù)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(fēng)力發(fā)電機端，通過傳感器周期采集風(fēng)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(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)機狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比對分析，預(yù)測風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機使其進行相應(yīng)的調(diào)整，避免故障的發(fā)生，與此同時將風(fēng)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(quán)用戶可以通過網(wǎng)上數(shù)據(jù)直接觀察風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(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(shè)成本低、易擴展等優(yōu)點，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。
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