卫星通信在风力发电行业中的应用

包少彬，王 琦

（中电防务科技有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

风电机组一般安装在草原、戈壁、沿海等无基础通信网络覆盖或覆盖较差的区域[1]，风电运营公司难以依靠基础网络实现在线运维管理，而建设专用网络会增加投入成本。因此，为风电公司在线式故障检测和预防系统（以下简称“预检系统”）构建一套安全稳定、低成本的信息传输平台，保障“信息孤岛”上的机组可靠运行，是一个值得研究的课题。卫星通信具有通信距离远、地理环境受限少、安装部署快、无须复杂基础建设等优点，是解决偏远无基础通信区域信息传输的最佳手段[2]。

1 概述

卫星通信在风力发电行业的应用即解决“信息孤岛”的与外通信需要，选择合适的通信体制、制定合适的终端设备。

（1）可行性。风电机组可提供较好的安装空间、承重能力、电力供应和通信视角。

（2）通信体制。主要为返向通信，且信息量较小，可选用TDMA通信体制。

（3）终端设备。上行功率需求较小，可选用小型终端。

2 设计与实现

2.1 设计目标

以风电公司信息管理中心（以下简称“管理中心”）为核心，构建一套基于TDMA体制的中低速卫星通信网络。

2.2 网络拓扑结构

在管理中心建设卫通固定站作为机组卫通终端管理和业务落地节点，经地面有线链路连接管理中心预检系统，预检系统通过地面链路及卫通固定站和卫通终端间的卫星链路与机组实现数据交互，如图1所示。

图1 卫星通信系统网络拓扑图

2.3 硬件部署

2.3.1 风电机组端

在机体无遮挡区域安装卫通终端，并与机组内各功能模块交互数据，数据经卫星链路发送至管理中心固定站，同时接收经卫通链路发来的预检系统的各类指令信息。

2.3.2 管理中心端

建设卫通固定站，与外围风电机组通过通信卫星建立链路，与预检系统间通过地面有线链路实现数据交互。

2.4 功能实现及工程实施

2.4.1 功能实现

在风电机组端无遮阳区安装卫星通信终端，在管理中心建设卫通固定站，卫通终端与卫通固定站通过卫星链路交互数据，固定站与预检系统间采用地面有/无线链路交互数据，如图2所示。

图2 系统功能实现示意图

系统通过双方向的信息传输，实现管理中心对风电机组监控。

（1）上行链路：风电机组向管理中心上报的信息。风电机组在运行过程中内部功能模块将运行状态和参数定时或在发生异常时的相关信息突发上报给给卫通终端，卫通终端将数据调制后经卫星链路发送给卫通固定站；卫通固定站收到后对信号进行解调，将数据经地面有/无线链路发送给预检系统处理。

（2）下行链路：管理中心端给风电机组端发送的指令。管理中心预检系统可主动查询风电机组运行状态和当前参数情况，也可向风电机组功能模块下达参数修改命令。在工作时，预检系统下达查询或参数修改命令信息，经地面有/无线链路发送给卫通固定站，卫通固定站对其进行调制后经卫星链路发送给风电机组卫通终端，卫通终端解调后将信息发给对应的机组功能模块，由各功能模块执行状态上报或参数修改指令。

2.4.2 工程实施

虽然卫星通信覆盖范围大，但对于机组部署地较远（如部署在边疆、海外等）的运营商来说，存在管理中心与机组不在同一卫星转发器覆盖范围内的情况。因此，工程实施时需考虑以下两种应用环境。

2.4.2.1 同一转发器

管理中心卫通固定站与风电机组处于同一卫星转发器范围内的工程实施较为简单。一是在风电机组安装卫通终端，用于与管理中心卫星固定站间的信息传输；二是在管理中心配套建设卫星固定站，用于与风电机组卫通终端间的信息传输；三是建立卫星固定站与预检中心的有/无线连接；四是租用相应卫星转发器资源。

2.4.2.2 不同转发器

管理中心卫通固定站与风电机组处于不同卫星转发器范围内的工程实施较为复杂，一般可通过以下方式实施。

（1）卫星链路转发。该方式适用于无卫星转发器可同时覆盖管理中心与风电机组，但机组和管理中心由不同转发器覆盖，且两个转发器在某一地区有重合的覆盖区域。此时可借助重合区域进行卫星信号转发实现管理中心与风电机组间的信息传输。一是给风电机组安装卫通终端；二是在管理中心配套建设卫星固定站；三是在转发器覆盖重合区域建设一套双天线卫星固定站，租用两个卫星通信转发器资源。其中，一幅天线与风电机组同转发器，用于与风电机组卫通终端间的数据交互；另一幅天线与管理中心卫星固定站同转发器，用于与管理中心固定站间的数据交互。

（2）地面通信网转发。该方式适用于无法通过上述卫星链路转发方式实现机组卫通终端与管理中心卫通固定站实现数据交互，或上述卫星链路转发方式受政治、经济、技术等因素影响无法操作的情况。此时可根据实际情况利用地面通信网解决。一是给风电机组安装卫通终端；二是在管理中心配套建设卫星固定站；三是在与风电机组卫通终端可利用卫星转发器通信，且与管理中心卫通固定站有地面通信网的区域建设一个卫星固定站，用于与风电机组卫通终端间数据交互；四是通过地面通信网建立上述卫星固定站与管理中心预检测系统间的地面通信链路（如国际互联网等），用于管理中心与卫星固定站间数据交互。

3 系统增强性设计

3.1 自适应传输设计

自适应传输可根据卫通终端实时传输需求、系统内其他卫通终端工作状态和系统当前运行情况，动态分配通信时隙，可实时调整卫通终端的通信时隙直至清零或占满整个载波时隙，以满足异常情况下某一机组较大数据上报的需求。

3.2 异常断电设计

考虑到机组故障导致卫通终端断电无法上报信息的情况，可内置蓄电池组，在异常断电时提供供电保障，使机组状态可正常上报。

3.3 经济性设计

考虑到机组规模较大带来的卫通终端硬件资金投入问题，可在风电机组群中选取一个机组安装卫通终端，作为机组群枢纽节点，负责与管理中心的数据交互；区域内其他机组通过成本更低的有/无线方式与枢纽机组节点交互数据，最终实现整个机组群与管理中心的数据交互。

3.4 备份设计

结合本文3.3所述，考虑到卫通终端故障带来的机组群离线问题，可考虑在机组群选择两个机组安装卫通终端，两个卫通终端通过区域有无线方式互为备份，在一个出现故障时不影响机组群与管理中心的数据交互，增强系统的可靠性和稳定性。

3.5 加密设计

风电机组运营商如对相关管控信息有加密需求，可采用嵌入式软/硬件加密模块增强链路传输的安全性。

4 结束语

依托通信卫星的覆盖能力和链路可靠性，以及风电机组安装使用卫通终端的先天优势，构建一个稳定可靠的空中信息传输平台，是解决风电机组运营商对偏远无基础网络覆盖地区机组的全面管控，提高机组运行可靠性以及维护能力的重要途径。■