風力發電場MESH無線自組網數據傳輸方案

一、項目需求

近些年清潔能源被列為國家重點發展的能源方式，其中風力發電場上馬速度較快，在全國各地重要風資源地方開始部署，由于風場均處于郊外，為了防止破壞，為了更好監管風場設備，風場管理部門開始考慮上馬風場風力發電設施監控系統以及網絡布設。

 

二、項目難點及解決思路

  風場一般位于郊外偏遠且空曠地區，風機可能布于各個山頭，非常分散，各個風機距離主控室距離均較遠。風場監控的主要難點在于網絡無法覆蓋到，風機和逆變室均有移動辦公及移動檢修的聯網需求，風力發電場對無線的需求尤為突出。怎樣建設一張網絡來滿足檢修等信息傳遞是我們要考慮的問題。客戶要求的目標是風電場站建成一套完善的無線Mesh網絡，從而滿足移動辦公，移動檢修需求；

由于現場用有線部署較為困難，因此一般采用的方法是在風機附近設立桿或裝載于風機頂上，安裝視頻監控探頭，電源可以就近從風機附近取電。通過遠距離無線傳輸組網進行網絡覆蓋并最后匯聚到遠程主控中心。

 

三、項目目標：

  風電以其建設周期短、輸配電簡單、能源利用效率高、環境相容性好及運行靈活等優點，近年來受到越來越多的開發和利用。目前風電企業的風電場日益增多，企業管理能力的提升對風電場的信息化和智能化提出了更高的要求。項目通過采用業界先進的Mesh組網技術，以突破風電場及風機塔內無網絡覆蓋的困境，將各環節中產生的文字、語音、視頻等信息實時傳輸至管理控制中心，實現全程、全景、全維度可視。

 

新能源場站無線網絡覆蓋建設目標如下：

1、通過建設單個/多個無線通信節點，構建全場無線通信網絡，保證無線信號在風電場升壓站、風機機艙內、風機點位50米范圍內、場內道路、線路巡檢路線的覆蓋。通信節點架設應避免破壞風機、桿塔等設備的原有結構；

2、提供風機機艙內的信號覆蓋，保證無線網路覆蓋范圍內的通信高質量、低時延；

3、以構建的無線通信網絡完成風場移動業務承載，通過配備手持終端或穿戴設備，實現工作現場實時畫面或視頻信息回傳等功能；

4、帶寬條件應滿足現場多路視頻圖像回傳，集群調度等業務需求；

5、網絡通信系統整體應具備高度可靠性，單點故障不影響全站通信，且故障能夠快速發現和排除；

6、移動應用無線網絡應滿足信息安全要求，并與升壓站監控網絡物理隔離；

7、滿足惡劣環境下的工作要求：長期經受不利的氣候條件的考驗，如大雪、冰雹、大風和雷雨等惡劣環境下的戶外要求；IP防護等級不低于IP54。

8、 滿足在較強電磁干擾的情況下工作。

 

四、建設方案

4.1無線寬帶Mesh網絡平臺概述
  企業級專用無線Mesh網絡（PWMN：Private Wireless Mesh Network for Enterprise）是一種具有自組織功能的分布式寬帶無線通信網絡。網絡部署在政府與公共安全、公用事業等行業或單位內部，為其構建可靠、有效、安全的傳輸通道，提供語音、視頻和數據等綜合業務，滿足其組織管理、安全生產、調度指揮等需要。

PWMN基于高效的自組網傳輸協議、優化的二層路由協議和可靠的無線資源分配協議等關鍵技術設計實現，具有傳輸帶寬高（兩節點有效傳輸速率可達54Mbps）、傳輸距離遠（兩節點間單跳傳輸距離可達3-10km，多跳后距離成倍增加），網絡自組織、自愈能力強等特點。網絡采用全IP體制，可與現有互聯網、集團專網、WIFI終端（手機、PAD等）實現無縫互聯。此外，網絡節點輕便小巧、可靠性高，便于架設，維護方便，特別適合于地理位置偏移、環境復雜和運營商網絡覆蓋薄弱等場合使用。

網絡平臺具有如下特點：

（1）網絡部署靈活方便，抗毀性強

網絡不需要任何基礎設施，沒有中心節點，使得系統的部署非常靈活方便；網絡具有自組織、自愈、多跳特性，各節點可以自動組成網絡，當某一節點損毀時，其他節點會迅速重新聚合成一張新的完整的網絡，抗毀性強。

（2）網絡覆蓋范圍大，非視距傳輸

優化的傳輸協議保證在通視條件下，兩節點可實現3-10km的單跳傳輸距離；多跳后，系統覆蓋范圍可進一步成倍擴展；系統在5跳范圍內均可提供有效的QoS保障。不相鄰的節點可通過多跳接力的形式完成通信，很容易實現非視距傳輸（NLOS）

（3）網絡帶寬高、時延小，支持音視頻等多媒體業務

網絡具有高帶寬、低時延的特性，兩節點之間最高帶寬可以達到54Mbps，距離10km條件下，兩節點帶寬仍然可保持5Mbps以上。另外，由于采用多正交信道設計，Mesh節點可實現全雙工工作，多跳后帶寬下降較小，3跳后帶寬仍能保持在4Mbps以上。此外，系統采用了高效的最佳網絡二層路由協議，節點間數據傳輸時延更小，單跳傳輸時延小于3ms。

（4）分布式網絡管理、無單點故障

基于SNMP協議設計實現了分布式網絡管理軟件，在每個Mesh節點上均可實現對整個Mesh網絡的管理，不存在單點故障等問題。通過網管軟件，既可查看網絡的拓撲信息、節點間連接關系、傳輸速率等信息，也可對節點的使用頻率、IP地址、發射功率等進行配置。

（5）具備較好的動中通能力

系統具備較好的抗多普勒頻移能力，可實現運動中的不間斷通信，支持的相對運動速率不小于80km/h。

4.2平臺組成
  從使用角度劃分，平臺主要由固定節點、車載節點和用戶節點組成。所有節點均基于嵌入式平臺自主設計，采用統一的核心硬件架構，通過更改軟件參數實現節點功能的改變，可完成信息接入、骨干傳輸以及網關等功能。

信息接入功能，節點可與手機、PAD等終端通過局域網有線或WIFI無線等形式互聯，實現終端信息的網絡接入；

骨干傳輸功能，節點間可自主形成網狀網絡，并實現大容量數據在風機間、風機與移動車輛間的遠距離、寬帶傳輸；

網關功能，節點可通過有線接口實現與華能現有網絡的互聯。

基于上述節點，專用無線Mesh網絡平臺可實現數據、語音、視頻等多類型綜合業務數據的實時、寬帶、安全傳輸。

4.3通信方案
風電場移動通信平臺分為集中控制與處理、數據傳輸和數據采集等模塊。其中，集中控制與處理主要完成所有上傳數據信息的集中管控、調度、處理與顯示功能，由多臺工作站、服務器和大屏顯示設備組成；數據傳輸主要完成綜合業務數據的回傳和調度指令的下達等功能，包括風電場已有網絡和專用無線Mesh網絡兩部分，專用無線Mesh網絡與已有網絡物理隔離，當需要異構網絡信息交互時，通過防火墻和電子圍欄等設備實現對敏感信息的保護，專用無線Mesh網絡是完全分布式的自組織網絡，其節點主要部署在升壓站、風機和巡修車上；數據采集主要完成現場語音、視頻、圖片的采集和上報，利用移動終端和可穿戴式設備完成。

 

4.4具體部署方案
（1）升壓站無線路由接入

在升壓站部署一臺或多臺無線路由器，路由與風機固定節點光纖收發器連接。

該路由器既可與部署于風機和車載的網絡節點互聯。另外，可以為本區域提供熱點覆蓋功能，計算機、手機、PAD等業務終端可以通過WiFi或有線接入，實現話音、短信、圖片、實時視頻及其他數據的傳輸。

（2）風機固定節點

根據所選取的風機頂部部署一臺固定節點，采用支架的方式固定安裝在風機頂部，配備一臺偉福特VFD-5318W-Mesh無線數字自組網微波主機一臺、5.8G高靈敏18dbi定向90°天線一幅作主干道傳輸，2.4G高靈敏18dbi桿狀玻璃鋼全向天線一幅作WIFI覆蓋。考錄到風機頂部承重能力有限、空間較為狹小且風機會隨著風向變換方向，安裝難度較大。因此設計節點輕便小巧，結構件貼合風機頂部平面，安裝過程簡單快捷。設備基于POE供電，當出現供電異常時，可直接切換至UPS備用電源。

風機固定節點主要用于實現風機與升壓站光纖連接和車載節點之間的無線組網，提供單跳或多跳的信息傳輸通道。還可以為本區域提供熱點覆蓋功能，計算機、手機、PAD等業務終端可以通過WiFi接入，實現話音、短信、圖片、實時視頻及其他數據的傳輸。

（3）車載移動節點

車載節點配備于巡修車，采用吸頂支架的方式固定在車頂，配備一臺偉福特VFD-5318W-Mesh無線數字自組網微波主機一臺、5.8G高靈敏18dbi定向90°天線一幅作主干道傳輸，2.4G高靈敏18dbi桿狀玻璃鋼全向天線一幅作WIFI信號覆蓋。設備基于車載電源或者專用電池供電。

傳輸拓普圖

 在行進中車載移動節點與各固定節點無線互聯，并為移動節點車上人員的手機、PAD等業務終端提供WiFi無線接入，提供各種業務通信；當到達需要檢查和維修風機下時，車載移動節點可為維修作業的人員提供無線連接，使維修作業人員可以與其他人有進行話音和視頻通信，控制中心專家也可以用話音和視頻為作業人員提供指導。車載節點安裝拆卸方便，當出現某一區域信號故障時，車載節點可隨車快速達到預定區域，填補覆蓋漏洞，實現全區域現場信息的實時可視和指令信息的實時可達。

（4）用戶節點

用戶節點采用小型天線和結構一體化設計，維修作業人員隨身攜帶使用，用戶節點既可以與車載節點通信，又可以為業務終端提供WiFi無線接入，從而實現維修作業人員在車外、風機點位和風機機艙內等所有作業區的實時信息交互。能夠客服風機塔筒的屏蔽作用，保證維修人員在風機塔筒移動過程中的信號不間斷。

網絡覆蓋示意圖

★總體要求

  風電場無線通信采用自組網動態鏈路技術，網絡能夠自動發現網內設備、自動尋找路由，當某通信節點失效時，網絡能夠自動恢復，頑存性強；系統適合于平原、山區和草原、森林、荒漠等風電場所處復雜環境和偏僻無通信基礎設施的場合使用。

風電場無線通信系統主要用于建立覆蓋風電場所有風機點位及升壓站站內的無線通信網絡，通過在場區內部署固定通信節點，以及為運檢人員配備相應的便攜式移動終端，從而在風電場主控室與運檢人員之間建立寬帶無線傳輸鏈路，滿足風電場實時開具工作票、操作票、巡檢管理、語音及視頻通訊等移動運維業務需要。同時，運檢車輛和人員也可利用該系統實時向主控室上報指令操作信息、回傳工作中的標清或高清視頻圖像。

主要功能要求：

終端接入功能：可與移動終端（如PC、手機、PAD等）通過局域網有線或無線等形式互聯，實現終端信息的網絡接入；

無線傳輸性能：主要無線通信設備在通視條件下的通信距離應大于6km，且在此條件下仍可保持較高的通訊速率，實現音頻、視頻和數據信息的遠距離傳輸（建議傳輸速率≥5Mbps），并通過無線傳輸與主服務器通信；

無線自組織網絡：各節點之間可通過自組織模式構建無中心、分布式無線寬帶接入網絡;

安全性：無線通信支持多種加密技術，實現數據的安全傳輸。例如256位AES加密、WPA2-PSK加密認證協議、SSID隱藏、白名單過濾、端口轉發控制、系統完整性保護與破壞告警；

供電方式：當風機維修過程中發生停電，通過備用電源等方式，實現機艙內及風機點位50米范圍內無線覆蓋續航時間不低于六小時；

環境適應性：IP防護等級滿足現場實際工作環境要求；

溫度適應性：在現場極端氣溫環境下能正常工作(-40℃～ +55℃)。

 

★無線基本性能要求：

使用WLAN專用測試儀表或在插有無線網卡的筆記本電腦上運行專用測試軟件，在設計目標覆蓋區域（風機塔頂、塔底周邊10米以內）內測試所有AP信道及SSID筆記本通過認證接入網絡；筆記本通過無線網卡分別ping AC或AC上連端口的IP地址，ping包大小為1500bytes，ping包次數為100次；時延不大于50ms；  Ping包的丟包率不大于3%。筆記本終端加載可記錄用戶傳輸速率的軟件，要求在下載過程中沒有明顯中斷。用戶接入時，在信號強度大于-70dBm的區域，802.11a和802.11g模式終端平均速率不低于6Mbps。