风力发电场MESH无线自组网数据传输方案

风力发电场MESH无线自组网数据传输方案

一、项目需求

近些年清洁能源被列为国家重点发展的能源方式，其中风力发电场上马速度较快，在全国各地重要风资源地方开始部署，由于风场均处于郊外，为了防止破坏，为了更好监管风场设备，风场管理部门开始考虑上马风场风力发电设施监控系统以及网络布设。

 

二、项目难点及解决思路

  风场一般位于郊外偏远且空旷地区，风机可能布于各个山头，非常分散，各个风机距离主控室距离均较远。风场监控的主要难点在于网络无法覆盖到，风机和逆变室均有移动办公及移动检修的联网需求，风力发电场对无线的需求尤为突出。怎样建设一张网络来满足检修等信息传递是我们要考虑的问题。客户要求的目标是风电场站建成一套完善的无线Mesh网络，从而满足移动办公，移动检修需求；

由于现场用有线部署较为困难，因此一般采用的方法是在风机附近设立杆或装载于风机顶上，安装视频监控探头，电源可以就近从风机附近取电。通过远距离无线传输组网进行网络覆盖并最后汇聚到远程主控中心。

 

三、项目目标：

  风电以其建设周期短、输配电简单、能源利用效率高、环境相容性好及运行灵活等优点，近年来受到越来越多的开发和利用。目前风电企业的风电场日益增多，企业管理能力的提升对风电场的信息化和智能化提出了更高的要求。项目通过采用业界先进的Mesh组网技术，以突破风电场及风机塔内无网络覆盖的困境，将各环节中产生的文字、语音、视频等信息实时传输至管理控制中心，实现全程、全景、全维度可视。

 

新能源场站无线网络覆盖建设目标如下：

1、通过建设单个/多个无线通信节点，构建全场无线通信网络，保证无线信号在风电场升压站、风机机舱内、风机点位50米范围内、场内道路、线路巡检路线的覆盖。通信节点架设应避免破坏风机、杆塔等设备的原有结构；

2、提供风机机舱内的信号覆盖，保证无线网路覆盖范围内的通信高质量、低时延；

3、以构建的无线通信网络完成风场移动业务承载，通过配备手持终端或穿戴设备，实现工作现场实时画面或视频信息回传等功能；

4、带宽条件应满足现场多路视频图像回传，集群调度等业务需求；

5、网络通信系统整体应具备高度可靠性，单点故障不影响全站通信，且故障能够快速发现和排除；

6、移动应用无线网络应满足信息安全要求，并与升压站监控网络物理隔离；

7、满足恶劣环境下的工作要求：长期经受不利的气候条件的考验，如大雪、冰雹、大风和雷雨等恶劣环境下的户外要求；IP防护等级不低于IP54。

8、 满足在较强电磁干扰的情况下工作。

 

四、建设方案

4.1无线宽带Mesh网络平台概述
  企业级专用无线Mesh网络（PWMN：Private Wireless Mesh Network for Enterprise）是一种具有自组织功能的分布式宽带无线通信网络。网络部署在政府与公共安全、公用事业等行业或单位内部，为其构建可靠、有效、安全的传输通道，提供语音、视频和数据等综合业务，满足其组织管理、安全生产、调度指挥等需要。

PWMN基于高效的自组网传输协议、优化的二层路由协议和可靠的无线资源分配协议等关键技术设计实现，具有传输带宽高（两节点有效传输速率可达54Mbps）、传输距离远（两节点间单跳传输距离可达3-10km，多跳后距离成倍增加），网络自组织、自愈能力强等特点。网络采用全IP体制，可与现有互联网、集团专网、WIFI终端（手机、PAD等）实现无缝互联。此外，网络节点轻便小巧、可靠性高，便于架设，维护方便，特别适合于地理位置偏移、环境复杂和运营商网络覆盖薄弱等场合使用。

网络平台具有如下特点：

（1）网络部署灵活方便，抗毁性强

网络不需要任何基础设施，没有中心节点，使得系统的部署非常灵活方便；网络具有自组织、自愈、多跳特性，各节点可以自动组成网络，当某一节点损毁时，其他节点会迅速重新聚合成一张新的完整的网络，抗毁性强。

（2）网络覆盖范围大，非视距传输

优化的传输协议保证在通视条件下，两节点可实现3-10km的单跳传输距离；多跳后，系统覆盖范围可进一步成倍扩展；系统在5跳范围内均可提供有效的QoS保障。不相邻的节点可通过多跳接力的形式完成通信，很容易实现非视距传输（NLOS）

（3）网络带宽高、时延小，支持音视频等多媒体业务

网络具有高带宽、低时延的特性，两节点之间最高带宽可以达到54Mbps，距离10km条件下，两节点带宽仍然可保持5Mbps以上。另外，由于采用多正交信道设计，Mesh节点可实现全双工工作，多跳后带宽下降较小，3跳后带宽仍能保持在4Mbps以上。此外，系统采用了高效的最佳网络二层路由协议，节点间数据传输时延更小，单跳传输时延小于3ms。

（4）分布式网络管理、无单点故障

基于SNMP协议设计实现了分布式网络管理软件，在每个Mesh节点上均可实现对整个Mesh网络的管理，不存在单点故障等问题。通过网管软件，既可查看网络的拓扑信息、节点间连接关系、传输速率等信息，也可对节点的使用频率、IP地址、发射功率等进行配置。

（5）具备较好的动中通能力

系统具备较好的抗多普勒频移能力，可实现运动中的不间断通信，支持的相对运动速率不小于80km/h。

4.2平台组成
  从使用角度划分，平台主要由固定节点、车载节点和用户节点组成。所有节点均基于嵌入式平台自主设计，采用统一的核心硬件架构，通过更改软件参数实现节点功能的改变，可完成信息接入、骨干传输以及网关等功能。

信息接入功能，节点可与手机、PAD等终端通过局域网有线或WIFI无线等形式互联，实现终端信息的网络接入；

骨干传输功能，节点间可自主形成网状网络，并实现大容量数据在风机间、风机与移动车辆间的远距离、宽带传输；

网关功能，节点可通过有线接口实现与华能现有网络的互联。

基于上述节点，专用无线Mesh网络平台可实现数据、语音、视频等多类型综合业务数据的实时、宽带、安全传输。

4.3通信方案
风电场移动通信平台分为集中控制与处理、数据传输和数据采集等模块。其中，集中控制与处理主要完成所有上传数据信息的集中管控、调度、处理与显示功能，由多台工作站、服务器和大屏显示设备组成；数据传输主要完成综合业务数据的回传和调度指令的下达等功能，包括风电场已有网络和专用无线Mesh网络两部分，专用无线Mesh网络与已有网络物理隔离，当需要异构网络信息交互时，通过防火墙和电子围栏等设备实现对敏感信息的保护，专用无线Mesh网络是完全分布式的自组织网络，其节点主要部署在升压站、风机和巡修车上；数据采集主要完成现场语音、视频、图片的采集和上报，利用移动终端和可穿戴式设备完成。

 

4.4具体部署方案
（1）升压站无线路由接入

在升压站部署一台或多台无线路由器，路由与风机固定节点光纤收发器连接。

该路由器既可与部署于风机和车载的网络节点互联。另外，可以为本区域提供热点覆盖功能，计算机、手机、PAD等业务终端可以通过WiFi或有线接入，实现话音、短信、图片、实时视频及其他数据的传输。

（2）风机固定节点

根据所选取的风机顶部部署一台固定节点，采用支架的方式固定安装在风机顶部，配备一台伟福特VFD-5318W-Mesh无线数字自组网微波主机一台、5.8G高灵敏18dbi定向90°天线一幅作主干道传输，2.4G高灵敏18dbi杆状玻璃钢全向天线一幅作WIFI覆盖。考录到风机顶部承重能力有限、空间较为狭小且风机会随着风向变换方向，安装难度较大。因此设计节点轻便小巧，结构件贴合风机顶部平面，安装过程简单快捷。设备基于POE供电，当出现供电异常时，可直接切换至UPS备用电源。

风机固定节点主要用于实现风机与升压站光纤连接和车载节点之间的无线组网，提供单跳或多跳的信息传输通道。还可以为本区域提供热点覆盖功能，计算机、手机、PAD等业务终端可以通过WiFi接入，实现话音、短信、图片、实时视频及其他数据的传输。

（3）车载移动节点

车载节点配备于巡修车，采用吸顶支架的方式固定在车顶，配备一台伟福特VFD-5318W-Mesh无线数字自组网微波主机一台、5.8G高灵敏18dbi定向90°天线一幅作主干道传输，2.4G高灵敏18dbi杆状玻璃钢全向天线一幅作WIFI信号覆盖。设备基于车载电源或者专用电池供电。

传输拓普图

 在行进中车载移动节点与各固定节点无线互联，并为移动节点车上人员的手机、PAD等业务终端提供WiFi无线接入，提供各种业务通信；当到达需要检查和维修风机下时，车载移动节点可为维修作业的人员提供无线连接，使维修作业人员可以与其他人有进行话音和视频通信，控制中心专家也可以用话音和视频为作业人员提供指导。车载节点安装拆卸方便，当出现某一区域信号故障时，车载节点可随车快速达到预定区域，填补覆盖漏洞，实现全区域现场信息的实时可视和指令信息的实时可达。

（4）用户节点

用户节点采用小型天线和结构一体化设计，维修作业人员随身携带使用，用户节点既可以与车载节点通信，又可以为业务终端提供WiFi无线接入，从而实现维修作业人员在车外、风机点位和风机机舱内等所有作业区的实时信息交互。能够客服风机塔筒的屏蔽作用，保证维修人员在风机塔筒移动过程中的信号不间断。

网络覆盖示意图

★总体要求

  风电场无线通信采用自组网动态链路技术，网络能够自动发现网内设备、自动寻找路由，当某通信节点失效时，网络能够自动恢复，顽存性强；系统适合于平原、山区和草原、森林、荒漠等风电场所处复杂环境和偏僻无通信基础设施的场合使用。

风电场无线通信系统主要用于建立覆盖风电场所有风机点位及升压站站内的无线通信网络，通过在场区内部署固定通信节点，以及为运检人员配备相应的便携式移动终端，从而在风电场主控室与运检人员之间建立宽带无线传输链路，满足风电场实时开具工作票、操作票、巡检管理、语音及视频通讯等移动运维业务需要。同时，运检车辆和人员也可利用该系统实时向主控室上报指令操作信息、回传工作中的标清或高清视频图像。

主要功能要求：

终端接入功能：可与移动终端（如PC、手机、PAD等）通过局域网有线或无线等形式互联，实现终端信息的网络接入；

无线传输性能：主要无线通信设备在通视条件下的通信距离应大于6km，且在此条件下仍可保持较高的通讯速率，实现音频、视频和数据信息的远距离传输（建议传输速率≥5Mbps），并通过无线传输与主服务器通信；

无线自组织网络：各节点之间可通过自组织模式构建无中心、分布式无线宽带接入网络;

安全性：无线通信支持多种加密技术，实现数据的安全传输。例如256位AES加密、WPA2-PSK加密认证协议、SSID隐藏、白名单过滤、端口转发控制、系统完整性保护与破坏告警；

供电方式：当风机维修过程中发生停电，通过备用电源等方式，实现机舱内及风机点位50米范围内无线覆盖续航时间不低于六小时；

环境适应性：IP防护等级满足现场实际工作环境要求；

温度适应性：在现场极端气温环境下能正常工作(-40℃～ +55℃)。

 

★无线基本性能要求：

使用WLAN专用测试仪表或在插有无线网卡的笔记本电脑上运行专用测试软件，在设计目标覆盖区域（风机塔顶、塔底周边10米以内）内测试所有AP信道及SSID笔记本通过认证接入网络；笔记本通过无线网卡分别ping AC或AC上连端口的IP地址，ping包大小为1500bytes，ping包次数为100次；时延不大于50ms；  Ping包的丢包率不大于3%。笔记本终端加载可记录用户传输速率的软件，要求在下载过程中没有明显中断。用户接入时，在信号强度大于-70dBm的区域，802.11a和802.11g模式终端平均速率不低于6Mbps。