摘  要： 結合風力發電故障診斷系統的特點，提出了WiMAX技術在該系統中應用的方案，并介紹了其技術優勢。同時給出了風力發電故障診斷系統中的WiMAX組網設計，證明了其應用的可行性。
關鍵詞： 風力發電；故障診斷；WiMAX

    隨著社會的發展，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，已經被越來越多的人所重視。風電的發展對于保障能源安全、調整能源結構、減輕環境污染、實現可持續發展等都具有非常重要的意義[1]。2008年全世界風力發電新增裝機容量約2 726萬kW，累計裝機容量達1.21億kW，全球風力發電量為2 600億kWh[2]。風力發電機組是風電場的關鍵設備，但由于受惡劣自然環境以及復雜的發電機組和電力電子裝置等因素影響，風力發電機設備很容易出現損壞和故障，影響生產[3]。因此，多采用故障診斷系統對風力發電機的運行狀態進行實時監測跟蹤，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的電力通信方式，具有投資小、易維護的優點[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、安全的數據通信[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，并且建網成本高、網絡擴展困難。無線通信解決了布線問題和網絡擴展問題，但現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在風力發電故障診斷系統中的應用優勢
    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需要靈活改變突發類型，從而選取合適的發射參數(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，根據業務QoS要求和業務參數來請求帶寬連接或帶寬調整，以保證數據傳輸低時延的要求。MAC層具有安全子層，支持MAC層安全機制，實現認證、加密等安全管理。
    風力發電故障診斷系統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和數據，判斷整個風力發電系統的狀況是否良好，并通過顯示和數據遠傳，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場，診斷故障原因[9]。風力發電故障診斷系統應該控制盡可能多的風電機組，并具有良好的顯示速度，通信質量穩定，工作可靠，抗干擾能力強。
    WiMAX在風力發電故障診斷系統應用上有明顯的技術優勢：
    (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傳輸的能力，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，數據傳輸能力大，可彌補3G在數據傳輸速率和WLAN覆蓋范圍的不足[10]。WiMAX利用自適應功率控制，可以根據信道狀況動態調整發射功率，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據轉調至低速并行數據，并通過正交子載波聯合編碼調制，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，通過使用數字證書的認證方式，確保了無線網絡內傳輸的信息得到完善的安全保護[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種不同的業務類型：主動授予業務（UGS），周期產生數據包長度固定的實時數據流業務；實時輪詢業務(rtPS)，周期產生數據包長度不固定的實時數據流業務；非實時輪詢業務（nrtPS），不定期地提供數據包長度不固定的允許有較長時延的數據流業務；盡力而為業務（BE）。MAC層通過設置不同的QoS參數（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，從而有效地進行業務流管理。
    (5)建設成本低
    由于采用無線傳輸，不需要進行現場布線，從而節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，當網絡擴展時，可以作為增加小區容量的一種手段。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規劃、部署以及頻譜的有效利用[14]。
2 WiMAX在風力發電故障診斷系統中的組網
2.1 WiMAX組網模式
    WiMAX的組網方式可粗略地分為兩種，一種是小區蜂窩架構，也稱為點對多點結構PMP(Point to Multi-
point)，網絡中所有的節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結構，也可稱為Mesh結構，所有節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，部分或者全部節點作為中繼線路，并作為網絡的接收機和發射機組成一個Ad Hoc網絡。另外網絡中有些節點仍然作為BS提供回程連接[17]。Mesh模式使得多個節點使用WiMAX無線Mesh結構互聯，這意味著可以靈活地擴展接入網絡結構，可適用于主干網覆蓋局域網覆蓋不到的地方，從而實現城域網的擴展[18]。
2.2 WiMAX在風力發電故障診斷系統中的組網設計
    本系統采用星型網絡拓撲結構，使用PMP和Mesh模式相結合的組網方式，如圖2所示。PMP網絡采用Mesh組網方式擴大覆蓋區域，把中心基站作為接入點與核心網（監控室和Internet網絡）相連，其余PMP網遠端基站通過無線鏈路與該中心基站相連。兩種網絡嵌套增加了網絡的覆蓋范圍，并且靈活多樣，即使一點出現故障也不影響其他網絡，增加了數據傳輸可靠性。

    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，遠端基站和風力發電機之間采用3.5 GHz頻段，各個基站的服務區范圍是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。
    在風力發電機端，通過傳感器周期采集風力發電機狀態數據，經過WiMAX物理層和MAC層處理后將數據發送給遠端基站，數據包經遠端基站傳送到中心基站，基站在此過程中動態地分配帶寬，根據網絡覆蓋情況，動態地選擇天線和扇區覆蓋技術。中心基站通過光纜接入到監控室的主機上(使用光纜可以避免傳輸過程中的電磁干擾問題)，監控端使用數據庫對風機狀態數據進行比對分析，預測風力發電機故障信息，并把故障信息和故障位置信息傳送回風力發電機使其進行相應的調整，避免故障的發生，與此同時將風力發電機狀態數據信息上傳至Internet，實現數據共享，授權用戶可以通過網上數據直接觀察風力發電機的運行狀態，實現遠程監控。
    綜上所述， WiMAX技術構建的網絡適合在風力發電故障診斷系統中應用，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據速率，同時具有完善的QoS機制、抗干擾、建設成本低、易擴展等優點，是構建風力發電故障診斷系統無線網絡的可行選擇。隨著WiMAX技術的不斷發展，WiMAX將更好地服務于風力發電故障診斷系統，為我國風電企業的安全生產做出重要的貢獻。
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