WiMAX技術在EMS系統中的接入應用

周新剛 高陽 陳豐波 張國榮 陳建玲 劉愛明

1．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業公司，天津300452

WiMAX技術在EMS系統中的接入應用

周新剛1高陽1陳豐波1張國榮2陳建玲1劉愛明1

1．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452;

2．中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業公司，天津300452

中海石油下屬某公司渤中28/34電力組網項目中，由渤中34-1 CEP平臺通過海纜為渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺供電，原海纜光纖無備用纖芯用于EMS系統通信。為了將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺納入渤中28/34電網，更好地實現電網的安穩控制，綜合考慮成本、施工周期、安裝方式等因素，采用技術先進、可靠性突出的WiMAX無線微波通信技術。該項技術的應用極大降低了項目成本，也為后期類似工程提供了寶貴的經驗。

無線通信;WiMAX;EMS;電力組網;電網控制;微波

0 前言

WiMAX是全球互通微波接入的簡稱，是一項無線城域網(WMAN)接入技術，是用于解決“最后1 km”的最佳接入方式的無線寬帶接入技術［1］。

WiMAX也叫802·16無線城域網或802.16。2007年10月19日，WiMAX正式批準成為繼WCDMA、CDMA 2000和TD-CDMA之后的第4個全球3G標準。2012年1月18日，國際電信聯盟在2012年無線電通信全會全體會議上，正式審議通過將LTE-Advance和Wireless-MAN-Advanced(802.16)技術規范確立為IMT-Advanced (4G)國際標準［2－6］。嚴格意義上講WiMAX技術不是一個移動通信系統的標準，而是一個無線城域網的技術。

中海石油下屬某公司渤中28/34電力組網項目中，渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺EMS系統接入渤中34-1 CEP平臺EMS系統采用了WiMAX無線微波通信技術。

1 WiMAX關鍵技術

WiMAX關鍵技術包括:HARQ(混合自動重傳請求)，AMC(自適應編碼調制)，MIMO/AAS(多入多出/自適應天線系統)，OFDM/OFDMA(正交頻分復用)和 AGC(自動增益控制)［7－10］。

HARQ具有自動重傳請求，前向糾錯功能。接收端做檢測時，接收到誤碼就扔掉或要求對方重發;接收到的誤碼糾錯，能糾正的就無需重發，無法糾正的要求對方重發［11－12］，其傳輸有同步和異步。HARQ見圖1。

圖1 HARQ

AMC是根據信道質量情況，選擇最合適的調制解碼模式，通過編碼和調制方式的組合可以產生不同的傳輸方式和傳輸速率。處于信道較好的MS(基站較近的位置)可以采取高階調制方式(如64 QAM)獲得較高的傳輸效率［13－15］。遠離基站的位置信道變差，可以調整到低階調制方式(如QPSK)，以擴展覆蓋范圍以及避免通過發射功率的途徑來提高系統性能，降低干擾。AMC見圖2。

圖2 AMC

MIMO/AAS是一種多天線技術，通過在收發兩端增加天線個數及相應的信號處理功能建立的三維傳輸結構，將多徑作為有利因素加以利用，在不增加帶寬的前提下提高通信系統容量、頻譜利用率以及傳輸速率。分集模式(Matrix A)的作用和特點:增大覆蓋面積;可以在不同的天線上發射相同的數據;用于對傳輸質量要求較高的信令傳輸或邊緣用戶進行數據傳輸;接收天線的數目可以少于發射天線的數目［16－18］。復用模式(Matrix B)的作用和特點:在不同的天線上發射不同的數據;可以用于提高傳輸速率;接收天線的數目不能少于發射天線的數目;2 X 2的復用模式，下行峰值數據速率理論上可達到SISO的2倍。MIMO/AAS見圖3。

圖3 MIMO/AAS

OFDM/OFDMA(正交頻分復用)頻率利用率高，各正交子載波的頻率交錯重疊，可以最大程度地利用頻譜資源;頻域鏈路自適應，為不同用戶選擇條件較好的子載波來傳輸數據，可實現頻率上的多用戶分集增益，并容易和MIMO技術結合。

AGC(自動增益控制)是利用子信道的CPE(OFDM)發射器必須具有50 dB的動態功率控制進行工作。對于BS發射器，輸出功率電頻控制不低于10 dB。CPE實際發射功率取決于終端距離、傳輸特性、信道帶寬和調制方式(QPSK、16 QAM、64 QAM)［19－20］。BS接收功率的工作原理:系統設置1個平衡點，自動控制接入CPE的發射功率，使BS接收所有的CPE功率一致，等于平衡點功率。AGC作用:保證系統最佳工作狀態的同時，在BS接收CPE功率一致情況下，使CPE發射功率最小，進而確保系統穩定。

2 應用案例

渤中28/34油田群實現電力組網以來，EMS系統在實現電源和負荷的管理上起到了至關重要的作用，作為電網負荷的一部分，渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺，也被納入渤中28/34電網中，由EMS系統進行統一控制。

為實現EMS系統對電力負荷精細化管理及精確的分級卸載控制，需要分別在渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺設置1套EMS控制站，用于實現電網數據采集、監控以及優先脫扣等功能。由于渤中34-1 CEP平臺和渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺之間的光纖已全部被占用，無備用芯數，在綜合考慮施工周期和成本后，決定采用基于WiMAX技術的產品搭建通信鏈路。在渤中34-1 CEP平臺架設2套WiMAX基站，在渤中34-2 EP平臺和渤中34-4 EP平臺分別架設2套WiMAX終端，基站與通信終端的距離約為4～5 km左右。

通過WiMAX無線微波將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺EMS子站接入到渤中34-1 CEP平臺，并連接至EMS系統的光纖環網中。接入后電網EMS系統可以直接讀取渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺的電力數據，對電網調度員管理電網負荷節點提供數據支持，同時也為負荷平臺的電力應急故障處理提供可靠的信息支持通道。

3 通信測試

為保證該系統的可靠穩定性，進行了嚴格的通信測試。通信測試包括:無線鏈路時延、用戶端通信帶寬測試和數據業務測試。WiMAX基站和終端相關設置如下:

通信頻率:1 785～1 805 MHz;

信道帶寬:3.5 MHz/5 MHz/7 MHz/10 MHz，TDD雙工模式;

尋址方式:TDMA，OFDMA 1 024 FFT多載波調制;

編碼方式:QPSK 1/2、QPSK 3/4、16 QAM 1/2、16 QAM 3/4、64 QAM 2/3、64 QAM 3/4、64 QAM 5/6。

3.1 無線鏈路時延測試

無線鏈路時延測試目的為測試無線接入系統的無線鏈路時延，判斷其是否滿足精準控制的要求。測試設備及工具為BS、SS各1套，測試環境見表1。具體測試時，將SS放置在信號接收較好的位置，將測試PC分別連接BS和SS，使其處于正常工作狀態，通過PC 1向PC 2作Ping包測試。測試系統在32字節、512字節、1 024字節情況下的無線鏈路時延。無線鏈路時延測試結果顯示，渤中34-1 CEP平臺與渤中34-2 EP平臺之間的丟包率為0%，見表2;渤中34-1 CEP平臺與渤中34-4 EP平臺之間的丟包率為0%，滿足系統使用要求，見表3。

表1 無線鏈路時延測試環境

表2 無線鏈路時延測試結果(渤中34-1 CEP平臺與渤中34-2 EP平臺之間)

表3 無線鏈路時延測試結果(渤中34-1 CEP平臺與渤中34-4 EP平臺之間)

3.2 用戶端通信帶寬測試

用戶端通信帶寬測試目的為驗證單扇區存在多個用戶端情況下系統的業務容量。測試設備包括1套BS，1個SS，2臺運行J-Perf Measurement Tool軟件的測試PC。測試信道調制方式和編碼為鏈路自適應(要求達到64 QAM 5/6)。首先配置點對點無線測試環境，然后運行測試軟件進行測試。用戶端通信帶寬測試環境見表4，測試結果見表5。從表5測試結果可知，單向情況下，上傳49 Mbps，下載為98 Mbps;雙向情況下，上傳29 Mbps，下載為67 Mbps，業務容量滿足系統要求。

表4 用戶端通信帶寬測試環境

表5 用戶端通信帶寬測試結果

3.3 數據業務測試

數據業務測試方式:通過在EMS服務器配置Rslinx的通信接口，然后與PLC進行數據交互測試，目的是測試渤中28-2S EMS HMI服務器通過光纖環網、WiMAX無線微波系統接入渤中34-2 EP平臺以及渤中34-4 EP平臺EMS數據的性能。測試設備包括1套BS，1套SS及1套PLC，測試環境見表6。首先將基站BS以及終端SS按照測試環境進行設置，在通信正常后將測試服務器連接到SS，并配置正確IP地址，使其可以通過OPC Server訪問遠端的PLC設備，最后測試服務器訪問PLC數據的通信質量。上位機PC共有標簽348個，報警47個，畫面4個，下位機PLC為1756-L 71，數據和邏輯程序空間1.07 M字節，I/O空間89 K字節。各參數設置完成后，進行為期1 d的測試。經測試，該系統數據性能良好，未發現數據中斷或數據阻塞現象。

表6 數據業務測試環境

4 結論

中海石油下屬某公司渤中28/34電網投運以來，WiMAX參數運行穩定，通過WiMAX技術將渤中34-2 EP平臺、渤中34-4 EP平臺的電力負荷接入到渤中28/34油田群電力組網中，相對于單獨架設光纖網絡，不僅降低設備采購、施工、調試以及后期的維護成本，也實現了中海石油降本增效，并為后期類似工程提供了寶貴的經驗。

［1］戚穎杰．WiMAX網絡的資源分配優化［D］．北京:清華大學，2009．Qi Yingjie．Optimization of Resource Allocation in WiMAX Network［D］．Beijing:Tsinghua University，2009．

［2］郎為民，靳焰，祁向宇．IEEE 802.16g－2007標準研究［J］．電信工程技術與標準化，2008，21(9):39－43．Lang Weimin，Jin Yan，Qi Xiangyu．Research on the Standard of IEEE 802.16 g－2007［J］．Telecom Engineering Technics and Standardization，2008，21(9):39－43．

［3］張彥，陳曉華．構建寬帶無線城域網的移動WiMAX技術［M］．北京:電子工業出版社，2009．Zhang Yan，Chen Xiaohua．Construction of Mobile WiMAX Technology in WMAN［M］．Beijing:Publishing House of E-lectronics Industry，2009．

［4］謝剛，趙哲峰，雷少帥，等．WiMAX技術原理及應用［M］．北京:北京郵電大學出版社，2012．Xie Gang，Zhao Zhefeng，Lei Shaoshuai，et al．The Principle and Application of WiMAX Technology［M］．Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press，2012．

［5］董曉魯，沈嘉．WiMAX技術、標準與應用［M］．北京:人民郵電出版社，2007．Dong Xiaolu，Shen Jia．WiMAX Technology，Standards and Applications［M］．Beijing:Posts and Telecommunications Press，2007．

［6］彭木根，張濤，王文博．WiMAX組網方案研究［J］．電信科學，2015，21(10):22－27．Peng Mugen，Zhang Tao，Wang Wenbo．Investigation of NetworkingSolutionsinWiMAXSystem［J］．Telecommunications Science，2015，21(10):22－27．

［7］王惠中，范少偉，劉勝文．WiMAX在風力發電故障診斷系統中的應用［J］．中國電力，2011，44(9):72－75．Wang Huizhong，Fan Shaowei，Liu Shengwen．Research on WiMAX Network in the Fault Diagnosis System of Wind Power Generation［J］．Electric Power，2011，44(9):72－75．

［8］葉劍雄，李實秋，袁馬軍．WiMAX技術及其網絡規劃［J］．電信工程技術與標準化，2009，22(2):30－33．Ye Jianxiong，Li Shiqiu，Yuan Majun．Technique and Network Planning of WiMAX［J］．Telecom Engineering Technics and Standardization，2009，22(2):30－33．

［9］李炳林．WiMAX技術在電力應急通信中的應用［J］．電力系統通信，2009，30(10):53－55．Li Binglin．Application of WiMAX in Electric Power Emergency Communication［J］．Telecommunications for Electric Power System，2009，30(10):53－55．

［10］張昕穎．WiMAX網絡技術及其應用［J］．福建電腦，2009，25(6):60－61．Zhang Xinying．WiMAX Network Technology and Its Application［J］．Fujian Computer，2009，25(6):60－61．

［11］LU K J，QIAN Y，CHEN H H，et al．WiMAX Networks: From Access to Service Platform［J］．Network IEEE，2008，22(3):38－45．

［12］王惠中，范少偉．WiMAX在風力發電故障診斷系統中組網的研究［J］．微型機與應用，2010，29(22):52－54．Wang Huizhong，Fan Shaowei．Research on WiMAX Network in the Fault Diagnosis System of Wind Power Generation［J］．Microcomputer＆Its Applications，2010，29(22):52－54．

［13］齊淑清，王一蓉，張輝．WiMAX技術在建設智能化電網中應用探討［J］．中國電力，2009，42(12):27－31．Qi Shuqing，Wang Yirong，Zhang Hui．Application of WiMAX in the Smart Grid Construction［J］．Electric Power，2009，42(12):27－31．

［14］Feisstc，Schlesingerd，Fryew．Smart Grid［EB/OL］．2008－10－10［2009－05－03］．https://www．cisco．com/web/ about/ac79/docs/wp/Utility_Smart_Grid_WP_REVl031_ FINAL．pdf．

［15］IEEE Std．802.16－2004 IEEE．Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 16:Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems［S/OL］．［2009－05－05］．http://standards．ieee．org/getieee802/download/802.16.2－2004．pdf．

［16］陳蕾．WiMAX技術及其在電力系統通信的應用［J］．電力系統通信，2007，28(7):46－48．Chen Lei．WiMAX and Its Applications in Power Communication System［J］．Telecommunications for Electric Power System，2007，28(7):46－48．

［17］唐宏，魯玉芳，黃秋宴．基于認知無線電的WiMAX系統共存方案研究［J］．電視技術，2011，35(3):81－84．Tang Hong，Lu Yufang，Huang Qiuyan．Research on Coexistence of WIMAX System by Cognitive Radio［J］．Video Engineering，2011，35(3):81－84．

［18］張明，王鎖萍，何濤．移動WiMAX的切換機制［J］．計算機工程，2009，35(22):103－105．Zhang Ming，Wang Suoping，He Tao．Handover Mechanism in Mobile WiMAX［J］．Computer Engineering，2009，35 (22):103－105．

［19］Jiao Wenhua，Jiang Pin，Ma Yuanyuan．Fast Handover Scheme for Real-time Applications in Mobile WiMAX［C］．//Proc．of IEEE International Conference on Communications．［S．l．］:IEEE Press，2007:6038－6042．

［20］Lee D H，Kyamakya K，Umondi J P．Fast Handover Algorithm for IEEE 802.16e Broadband Wireless Access System［C］．// Proc．of the 1stInternational Symposium on Wireless Pervasive Computing．［S．l］:IEEE Press，2006:6－11．

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.021

2016－05－05

周新剛(1975－)，男，遼寧撫順人，高級工程師，學士，主要從事海上油氣田電力設計研究。