CN103269235B - 一种偏远测风塔扩频微波传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏远测风塔扩频微波传输系统，包括设在偏远测风塔处的数据采集及发送设备，以及设在本地接收站的数据接收及监控设备；所述数据采集及发送设备，与所述数据接收及监测设备无线连接。本发明所述偏远测风塔扩频微波传输系统，可以克服现有技术中通信信号依靠度高、适用范围受限和可靠性依赖通信信号等缺陷，以实现地域选择宽、不受通信信号约束的优点。

Description

一种偏远测风塔扩频微波传输系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种偏远测风塔扩频微波传输系统。

背景技术

目前，在风资源条件较好的地区设立测风塔，并长时间对位于测风塔10m、30m、50m和70m等高度处测量的风速和风向数据的观测收集，得到一个地区风能情况的变化，然后据此确定该地区的风能资源，为风电场建设提供前期服务。

例如，在专利（申请）号为201220025872.X的中国专利（申请）中，提供了一种千万千瓦级风电基地实时风资源网络管理系统。参见图1，该千万千瓦级风电基地实时风资源网络管理系统，是包括与多个风电场匹配设置的多个实时测风塔系统，以及与多个实时测风塔系统通信连接、且用于统一管控多个风电基地的中心站。每个测风塔系统至少包括用于与中心站进行通信的遥测站，用于为各用电设备供电的电源模块，以及用于采集风电基地风况的测风塔。中心计算机通过移动通讯供应商提供的通道，如GPRS流量方式或GSM短信方式，与每个遥测站通信连接；测风塔及电源模块，分别与遥测站连接。每个测风塔系统，至少还包括本地通信串口，本地通信串口与遥测站连接。在图1中，包括测风计11、12、13，温度计2，气压计3，蓄电池5，太阳能电池板6，电源稳压器7，天线8，数据采集器9，GPRS模块10，本地通信串口11，模拟适配器41、42、43。

扩频微波技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波技术最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。微波在空间传播中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接受机接受的电平随着时间的变化而不断起伏变化，这种现象被称为衰落。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几类：吸收衰落、雨雾衰落、Ｋ型衰落、波导型衰落、闪烁衰落等等。在各种衰落因素中，吸收衰落、雨雾衰落及K型衰落对无线通信应用影响较大。

对于无人值守的平台，设备必须具有高可靠性、可自动维护、参数远程设置等功能。在无线接入系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点：抗干扰性强；频点问题容易处理；价格比较便宜。而且，扩频微波接入技术相比有线接入技术来说，以其低成本、建设灵活、快捷的优势在接入网中起着不可替代的作用。

从通信原理比较：通信产品工作的频段越高，空间损耗就越大，从工作频段上看，扩频产品工作在2.4GHZ和5.7GHZ两个频段，传统微波工作在8GHZ（或13GHZ、15GHZ、……）显然微波产品工作的频段远远高于扩频产品，因此空间损耗极大，必须用大功率或巨大的天线来弥补这个不足，由此带来越站干扰和施工上的困难，并且，若某地区多风多雨雪，对微波产品更是带来巨大影响，因为频段较高，微波产品的抗雨衰的能力越弱，一旦阴雨连绵，链路中将会出现大量的误码，对通信链路造成潜在的隐患。

从抗干扰能力比较：扩频产品比传统微波产品具备更强的抗干扰能力，扩频产品尤其是扩频Modem产品的抗干扰能力不仅仅是局限在抗多径干扰，抗自身干扰，以及抗外界的相邻频段干扰等， 而且更能抵抗各种恶劣天气（狂风暴雨，梅雨季节，大雪，浓雾等）对通信链路所造成的影响并能跨江传输，在海面长距离优质传输，这是传统微波所无法比拟的。

从天线角度比较：由于扩频产品的工作频段较低，它可以使用栅格天线，栅格天线的风阻极小，一旦出现大风天气，天线不受影响，链路仍会正常通信，而微波天线的风阻较大，遇到大风天气，天线会不断抖动，不但影响通信链路，时间一长，天线方向会发生变化，严重的，链路会中断，还须工程人员到现场重新调试安装。

从性能价格比比较：扩频产品的性能价格比高于传统微波产品，并且，扩频技术已完全成熟，短短两三年，扩频产品在国际国内许多重要环节上已有数万对的成功应用，基于此，有些传统的微波厂商计划推出个别价位接近扩频产品的低速率产品或直接收购扩频厂商，以期与扩频产品相抗衡，无线通信领域的这些显著变化已向人们证明：扩频产品是一种非常优异的产品，这种成熟的产品正在众多领域逐步取代传统微波产品。

从扩频产品的系统延时比较：扩频产品的系统延时很小（ioWave 4E1产品的延时只有100微妙）非常有利于传图像、语音和数据，同时，可以保障系统可以进行多次复用，级联和中继连接，可以覆盖更远的地区。（ioWave扩频的点对点有效距离可达70公里，微波最远在30-40公里，高频段的微波产品只能在几公里）。劣势：扩频产品目前暂时还无法提供比传统微波产品更高的传输速率，目前市场上成熟的扩频Modem产品，速率可以提供到4′E1（8M），虽然近期内，像ioWave这样的专业厂商会提供8′E1（16M）和12′E1（24M）的产品，但在速率上与传统大微波相比仍有一定的距离。

图1所示的千万千瓦级风电基地实时风资源网络管理系统，涉及风资源监测网络建设，属于电网系统技术领域，应用于风电预测的风能监测及风能资源获取。该千万千瓦级风电基地实时风资源网络管理系统针对千万千瓦级的大规模风电基地，尤其是适用于场址连成片的大型风电基地，在参考风电基地布局，结合测风塔距离风电场的建设标准，以及上下游效应效果等因素下，完成测风塔的合理布局，建成实时风资源管理系统，以达到风电基地测风需要。

现有的实时风资源监测网络中，测风塔的数据采集器每秒通过收集10米、30米、50米、70米、90米、100米高层的风速风向信息，得出每分钟的测风塔所在地不同高度层次的风速、风向情况，同时通过GPRS模块向中心站发送测风塔所测数据。GPRS模块除了能通过GPRS流量方式向中心站发送测风数据之外，还能通过GSM短信方式，向中心站发送数据。

中心站与实时风资源监测网络中的测风塔距离多为1000公里及以上，实时测风塔GPRS模块实际是向最近的移动运营商的信号塔发送测风数据，信号塔接收到测风数据后，再通过移动运营商的网络传输至中心站附近的信号塔，最终通过此信号塔发出测风数据，中心站得以接收测风数据。同时，实时测风塔还配备有蓄电池和太阳能电池板，用以为数据采集器及GPRS模块等供电，以保障仪器设备的正常运行。

现有的风电基地实时风资源网络管理系统中，实时测风塔与中心站的测风数据传输方法只有GPRS或GSM两种方式，且此两种方式都依赖于移动运营商。风电基地多位于偏远草原戈壁等地区，以酒泉风电基地为例，现有的部分风电场距离最近的瓜州县都有100多公里，后续建设的酒泉风电基地二期，绝大多数风电场距离瓜州县有200至300公里。风电场都处于无人的戈壁地区，移动运营商都未在此处建立移动基塔，部分地区处于手机无信号的状态。

现有的实时测风塔中，个别测风塔距离最近的移动基塔有10至15公里，在实时测风塔处，移动信号十分微弱，存在时有时无的情况发生。个别地处偏远的实时测风塔，与中心站的通信无法达到实时性的要求，存在延时2、3小时至24小时的情况。实时性的无法保障，使得个别偏远实时测风塔发挥不了应有的作用，无法为风电预测及风资源监测提供数据支撑。

在酒泉风电基地二期的地理范围内，由于距离临近的移动基站已超过20公里，GPRS和GSM方式已无法完成信号的传输工作。酒泉风电基地二期附近由于此条件所限，将很难找到合适的位置建设实时测风塔。

现有风电基地二期的地理范围内的测风塔都为常规测风塔，测风记录频率为10分钟一次，且取数方式为人工现场取数。人工取数的方式，显然无法满足风资源实时监测和风电超短期预测的需要。

由于移动运营商的基站覆盖限制，致使在偏远的戈壁、草原等人烟稀少地区，无GPRS和GSM信号服务，致使在上述地区无法建设实时测风塔，用以监测这些无人地区的实时风况。而我国风电基地多位于北方一线，部分地区即为少人的荒漠、戈壁、草原和林原，现有技术无法解决此种情况。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在通信信号依靠度高、适用范围受限和可靠性依赖通信信号等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种偏远测风塔扩频微波传输系统，以实现不依赖通信运营商、适用范围广和可靠性高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种偏远测风塔扩频微波传输系统，包括设在偏远测风塔处的数据采集及发送设备，以及设在本地接收站的数据接收及监控设备；所述数据采集及发送设备，与所述数据接收及监测设备无线连接。

进一步地，所述数据采集及发送设备，包括设在偏远测风塔处的电源模块、扩频微波设备、以太网模块和数据采集器；所述数据采集器、以太网模块和扩频微波设备依次连接，所述电源模块和扩频微波设备连接，所述设在偏远测风塔处的扩频微波设备，与所述数据接收及监测设备无线连接。

进一步地，所述数据接收及监测设备，包括设在本地接收站的扩频微波设备、电源模块和本地交换机，以及通过网络与本地交换机相连的中心站服务器；所述扩频微波设备、本地交换机和中心站服务器依次相连；所述电源模块与扩频微波设备连接；所述设在本地接收站的扩频微波设备，与所述数据采集及发送设备无线连接。

进一步地，所述扩频微波设备，具体为WSS-10扩频微波设备。

进一步地，所述数据采集器的型号为ACS300MM。

进一步地，所述电源模块，包括依次连接的蓄电池、逆变器和POE适配器；所述POE适配器与相应的用电设备连接。

本发明各实施例的偏远测风塔扩频微波传输系统，由于包括设在偏远测风塔处的数据采集及发送设备，以及设在本地接收站的数据接收及监控设备；数据采集及发送设备，与数据接收及监测设备无线连接；可以改变实时测风塔单一依赖移动运营商的现状，有效拓展实时测风塔建设的地理范围，更便于相关研究的开展和深入，也更便于实时风资源网络的铺设；从而可以克服通信信号依靠度高、适用范围受限和可靠性依赖通信信号等缺陷，以实现地域选择宽、不受通信信号约束的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为千万千瓦级风电基地实时风资源网络管理系统的工作原理示意图；

图2为本发明偏远测风塔扩频微波传输系统的工作原理示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

11、12、13-测风计；2-温度计；3-气压计；5-蓄电池；6-太阳能电池板；7-电源稳压器；8-天线；9-数据采集器；10-GPRS模块；11-本地通信串口；41、42、43-模拟适配器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的实时风资源监测系统，实时测风塔与中心站之间的数据传输，是基于移动运营商所提供的网络，而地处偏远的戈壁、草原等地区，由于人烟稀少，移动运营商的基站并未覆盖或少覆盖，致使现有个别偏远的测风塔与中心站之间的通信存在延时及中断的现象发生。而随着风电基地的持续建设，新的风电场将更加远离市区及县城，地理位置将更加偏僻，如果不建设新的移动基站，将无法解决新风电场周围的实时风资源监测的需要。

为了解决偏远地区（无移动信号地区或移动信号较弱）的实时风资源监测问题，根据本发明实施例，如图2所示，提供了一种偏远测风塔扩频微波传输系统，采用扩频微波技术，以解决距离风电基地升压站或风电场中控室70公里以内的偏远测风塔的数据传输问题。

本实施例的偏远测风塔扩频微波传输系统，包括设在偏远测风塔处的数据采集及发送设备，以及设在本地接收站的数据接收及监控设备；数据采集及发送设备，与数据接收及监测设备无线连接。

参见图2，上述数据采集及发送设备，包括设在偏远测风塔处的电源模块、扩频微波设备、以太网模块和数据采集器；数据采集器、以太网模块和扩频微波设备依次连接，电源模块和扩频微波设备连接，设在偏远测风塔处的扩频微波设备，与数据接收及监测设备无线连接。

上述数据接收及监测设备，包括设在本地接收站的扩频微波设备、电源模块、本地交换机，以及通过网络与本地交换机相连的中心站服务器；扩频微波设备、本地交换机和中心站服务器依次连接，电源模块与扩频微波设备连接；设在本地的扩频微波设备，与数据采集及发送设备无线连接。

在上述实施例中，扩频微波设备，具体为WSS-10扩频微波设备；数据采集器的型号为ACS300MM；电源模块，包括依次连接的蓄电池、逆变器和POE适配器；POE适配器与相应的用电设备连接。扩频微波设备不仅局限于本发明所列WSS-10扩频微波设备。

在上述各实施例中，结合现有的风电基地发展规划，依据风电基地规划建设图纸，结合风电基地所在区域的主风向情况，以及上下游效应分析结果等因素，在风电基地主风向上游来风方向建设100米高实时测风塔，依照当地上下游效应情况，可间隔10至30公里建设数根实时测风塔。

在建设的实时测风塔时，应适当考虑实时测风塔距离最近风电场中控室或升压站的距离，以及中间是否有高山及高大建筑物遮挡。实时测风塔距离中控室的距离最好在80公里以内，同时中间如有高山或高大建筑物，可在高山或高大建筑物上再建立一个扩频微波中继站，用以信号的中转。

参见图1和图2，本实施例的偏远测风塔扩频微波传输，包括常规测风塔上的风速仪、风向仪、温度计、气压计、模拟适配器，以及实时测风塔上的数据采集器（ACS300MM）、蓄电池、太阳能电池板、电源稳压器、本地通信串口、扩频微波设备。

通过风速仪、风向仪测得风况，再通过数据采集器计算出每分钟或5分钟的平均风况，通过本地通信串口与以太网模块相连，以太网模块将数据采集器ACS300MM的RS485信号转换为以太网信号，然后通过以太网线连接到WSS-10扩频微波设备上，WSS-10扩频微波设备通过扩频微波技术将这些信号传输到20~80公里以外的接收站，接收站的WSS-10扩频微波设备可直接连接到上位机（如服务器），或连接到交换机，接收站的WSS-10扩频微波设备接收到信号后，传输至接收站的交换机或服务器，最后通过接收站的网络传输至1000公里以外的中心站服务器上。

接收站可选取最近的风电场的中控室或升压站进行安装，中控室和升压站都有铺设好的光纤通信线路，能够保证数据的网络传输。

以太网模块的供电可以直接采用蓄电池提供的12V DC，蓄电池可跟实时测风塔上的太阳能电池板相连，由太阳能电池板为蓄电池充电。实时测风塔端安装的WSS-10扩频微波设备由于采用48V DC POE供电方式，所以前端需要一个逆变器将蓄电池提供的12V DC转换为220V AC，并使用Korenix提供的POE适配器将220V AC转换为POE供电的48V DC，从而解决扩频微波设备方面的供电问题。接收站的WSS-10扩频微波设备只需要通过Korenix提供的POE适配器将220V AC转换为POE供电的48V DC即可。

在上述实施例中，把原有实时测风塔由GPRS或GSM传输方式，改为扩频微波传输方式，依靠现有扩频微波技术能实现20至80公里以内较好信号传输的技术优势，从而解决偏远地区移动信号没有或很差条件下的实时风资源监测。

在上述实施例中，保留实时测风塔的GPRS模块，以待日后移动信号覆盖后，可便捷进行传输模式的转换和选择。扩频微波技术，关键是在于两个WSS-10扩频微波传输设备的对准上，其决定了无线传输的质量和流量。

上述实施例的偏远测风塔扩频微波传输系统，为点对点的传输，单个实时测风塔每分钟传输的数据量并不大，并不需要对传输的流量有更严格的要求，但要保证两个WSS-10扩频微波传输设备安装时需要严格对准，可通过实时测风塔与接收站的经纬度关系及罗盘等的应用，来校准方向。

在上述实施例的偏远测风塔扩频微波传输系统中，扩频微波设备可以使用WSS-10扩频微波传输设备；当然，扩频微波设备市面上种类繁多，使用其它品牌的扩频微波设备，并不影响该偏远测风塔扩频微波传输系统的实现。实时测风塔的信号传输除了GPRS和扩频微波传输之外，还可以通过wifi无线传输，以及卫星信号传输的方式。但是，在使用其它扩频微波设备时，需注意以下几点：

⑴安装扩频微波设备的测风塔应具备防雷措施，两个扩频微波设备之间应无阻挡，并注意周围的电磁环境（由于地处戈壁草原，此问题应不突出），并注意微波设备的风阻。

⑵微波设备的放置高度的计算：由于地球表面呈椭圆状，因此对两个微波设备的放置高度依据以下公式：

；

其中，s表示微波设备之间的距离（Km），h₁为扩频微波设备1的高度（m），h₂为扩频微波设备2的高度（m）。

⑶无线通信系统易受到气候条件、电磁环境等的影响，因此系统应留有一定的设计余量。一般，系统的增益应留有20~30dB的裕度。

⑷抗噪声、抗干扰能力（Noise Level ）对无线传输影响甚大。但在戈壁、草原地区信号干扰并不十分巨大，所以可以此点供参考。

⑸接收讯号灵敏度（Signal Level ）对无线传输影响明显。

⑹在连接速率（Link Rate）无法维持在54Mbps的情况下，下调连接速率（Link Rate）到36Mbps，让抗噪声、抗干扰能力（Noise Level）、接收讯号灵敏度（Signal Level）…等数值提高，有助于传输质量与流量的提升。

⑺扩频微波设备的功率大小会对传输的距离起到影响作用，但更关键的，无线信号的优化设置将更能决定信号传输的质量和传输速度。

⑻安装前，最好先在室内进行系统自连。首先进行本端环回测试，将中频单元设置成本端环回测试状态，通过误码仪所显示的误码指标，判断中频单元本端环路正常与否。进行远端环回测试，将中频单元设置成远端环回测试状态，通过误码仪所显示的误码指标，判断远端环路正常与否。当然，具体的配置方案，还需要根据实际地理情况进行优化调试。

综上所述，本发明上述各实施例的偏远测风塔扩频微波传输系统，实时测风塔使用扩频微波传输方式进行信号的传输，可以达到的有益效果如下：

⑴通过把风资源监测网络中的实时测风塔信号传输方式，由GPRS方式改为扩频微波传输方式，使得实时测风塔所测得实时数据传输，不再仅仅依赖移动运营商所建设的信号基站。

现有实时测风塔需位于移动信号基站的10至15公里的半径范围内，且现有部分测风塔已由于距移动信号基站较远，出现数据传输延时和中断现象。通过该偏远测风塔扩频微波传输系统，改变实时测风塔的信号传输方式，将可改变现有部分信号延时测风塔的现状，使得其数据传输恢复正常。

⑵同时也可改变距离移动基站20至80公里范围内，无法建立实时测风塔的现状，有效满足风电基地的发展所带来的风资源实时监测的需要。同时可在风电基地主风向上游20至80公里处，选取20、50、80公里等处，建立实时测风塔，通过实时测风塔的实时风况数据，结合风能资源上下游效应的分析结果，以应用于风电超短期预测之中，现有的风能资源上下游效应的分析研究，由于实时测风塔信号传输导致的距离位置的限制，将很大程度的限制上下游效应研究结果的应用。

通过该偏远测风塔扩频微波传输系统，将改变实时测风塔单一依赖移动运营商的现状，有效拓展实时测风塔建设的地理范围，更便于相关研究的开展和深入，也更便于实时风资源网络的铺设。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种偏远测风塔扩频微波传输系统，其特征在于，包括设在偏远测风塔处的数据采集及发送设备，以及设在本地接收站的数据接收及监控设备；所述数据采集及发送设备，与所述数据接收及监测设备无线连接；

在风电基地主风向上游来风方向建设100米高实时测风塔，间隔10至30公里建设实时测风塔；

实时测风塔距离中控室的距离在80公里以内，同时中间如有高山或高大建筑物，在高山或高大建筑物上再建立一个扩频微波中继站，用以信号的中转；

所述数据采集及发送设备，包括设在偏远测风塔处的电源模块、扩频微波设备、以太网模块和数据采集器；所述数据采集器、以太网模块和扩频微波设备依次连接，所述电源模块和扩频微波设备连接，所述设在偏远测风塔处的扩频微波设备，与所述数据接收及监测设备无线连接；

所述数据接收及监测设备，包括设在本地接收站的扩频微波设备、电源模块、本地交换机，以及通过网络与本地交换机相连的中心站服务器；所述扩频微波设备、本地交换机和中心站服务器依次连接，所述电源模块与扩频微波设备连接；所述设在本地接收站的扩频微波设备，与所述数据采集及发送设备无线连接。

2.根据权利要求1所述的偏远测风塔扩频微波传输系统，其特征在于，所述扩频微波设备，具体为WSS-10扩频微波设备。

3.根据权利要求1所述的偏远测风塔扩频微波传输系统，其特征在于，所述数据采集器的型号为ACS300MM。

4.根据权利要求1所述的偏远测风塔扩频微波传输系统，其特征在于，所述电源模块，包括依次连接的蓄电池、逆变器和POE适配器；所述POE适配器与相应的用电设备连接。