數字微波通信技術在風電并網發電通信中的應用

康燕文

（國家電投集團山西可再生能源有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

隨著物聯網技術、互聯網技術、信息技術等現代化技術的不斷發展，風電并網發電信息化的普及已是一個大的趨勢，發電監控、故障監測等作為風電并網發電系統信息化的體現，是風電并網發電管理中必不可少的措施。隨著無線通信技術的不斷革新與發展，運行監控、故障監測等在風電并網發電系統管理中所起的作用也越來越明顯，風電并網發電實時數據采集（電氣設備運行數據、負荷數據等）等工作以往是由技術人員到現場進行操作，現在利用無線通信技術對發電數據進行自動化、智能化采集。數字微波通信技術作為一種新型通信技術，采用視距通信方式，具有數據傳輸速率快、成本低、通信安全等優點，目前已經被廣泛應用到多個領域，此次試圖將數字通信技術應用到風電并網發電通信中，為風電并網發電通信提供參考依據。

1 基于數字微波通信技術的風電并網發電通信方法

1.1 風電并網發電通信配置

為了實現基于數字微波通信技術的風電并網發電通信，需要合理規劃風電并網發電通信物理配置，構建通信物理架構[1]。根據風電并網發電通信需求，確定風電并網發電通信天線數量，其計算公式為

式中：g為風電并網發電通信天線數量；e為電波輸入端口數量；r為通信網絡中通信節點數量[2]。根據自由空間傳輸損耗理論，確定信號發射端與信號接收端之間的距離，即天線長度，其計算公式為

式中：L為無線電波的自由空間傳輸損耗；hg為風電并網發電通信物理架構中信號發射端與信號接收端的距離，即第g根天線的長度；f為無線電波發射頻率；c為光的傳播速度[3]。上文分析到數字微波通信采用視距傳輸方式，視距長度的確定需要根據視距傳輸2端最小天線高度，其計算公式為

式中：d為風電并網發電通信的視距；bc,L、bs,L分別為視距傳輸兩端的最小天線高度[4]。

1.2 基于數字微波通信技術的信道編碼及擴展

為了降低噪聲與干擾對風電并網發電通信質量的影響，減少通信錯誤，利用數字微波通信技術對信道編碼和頻帶擴展處理。信道編碼是指在數字微波信號發射端增加校驗碼，將校驗碼與信息碼組合成數字微波通信信道傳輸的碼字，校驗碼與數字碼具有一定的約束關系，如果在傳輸過程中發生傳輸錯誤，信息碼與校驗碼的約束關系破壞，則信號接收端會發現傳輸錯誤并對其進行立即糾正[5]。數字微波通信信道編碼采用低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）編碼，用二元組表示為

式中：Fd為傳輸視距為d的信道LDPC 編碼；n為向量空間維度；k為向量子空間維度，即數字微波通信信道待傳輸的風電并網發電信息碼數量[6]。信息碼由多個信息向量序列組成，再利用校驗矩陣生成校驗碼，用公式表示為

式中：Y為校驗矩陣；z為校驗方程；m為校驗矩陣中校驗方程的個數[7]。利用式（5）生成校驗碼，并將生成的校驗碼與信息碼組合生成風電并網發電信道傳輸碼，用公式表示為

式中：K為數字微波通信的信道傳輸碼。在上述基礎上將傳輸碼與擴頻碼進行時域相乘運算，即對傳輸碼進行擴頻調制[8]。利用PN 碼發生器生成信號源對應的擴頻碼，用公式表示為

式中：aj為風電并網發電通信信號擴頻碼；c0為位移寄存器的狀態位；a0為狀態位對應的反饋系數。如果生成的擴頻碼為nbit，則說明信號源的頻譜擴展為n倍[9]。利用極性轉換器將生成的擴頻碼與傳輸碼時域相乘運算，其計算公式為

式中：L為擴頻處理后的風電并網發電信號；?為時域相乘運算符號。利用式（8）能夠實現對風電并網發電通信信號的擴頻調制，得到通信帶寬信號。

1.3 實現風電并網發電通信

根據風電并網發電傳輸需求，此次采用二進制相移鍵控方法對帶寬信號進行載波調制[10]。假設載波信號為

式中：R為載波信號；?為噪波信號頻率；ρ為載波信號初相位。利用載波信號對帶寬信號進行二進制相移鍵控調制，得到調制后的信號為

式中：P為經過載波調制后的風電并網發電通信信號。對信號P進行解調處理和信道譯碼處理，以此信號接收端可以讀取到原有的風電并網發電通信數據，實現了基于數字微波通信技術的風電并網發電通信。

2 實驗論證

2.1 實驗準備與設計

以某風電并網發電站為實驗環境，選擇2 種傳統方法作為比較對象，分別為基于通用分組無線電服務（General Packet Radio Service，GPRS）的通信方法和基于移動網絡的通信方法，以下分別用傳統方法1和傳統方法2 表示。根據該發電廠的實際情況，在發電區域中心搭建了一個基站，周圍布置10個通信節點，通信節點之間的距離范圍為100 ～1 000 m，共安裝了11 根天線，數字微波通信傳輸視距為565 m。

2.2 實驗結果與討論

為了突顯出3 種方法通信傳輸時間的差異性，實驗以通信距離為變量，通信距離范圍為100 ～1 000 m，具體數據如表1 所示。

表1 3 種方法的數據傳輸時間對比

從表1 中的數據可以看出3 種方法在不同通信距離下的數據傳輸時間對比，本文設計方法所需的數據傳輸時間在1 s 以內，相較于傳統方法1 和傳統方法2 更短，具有更快的數據傳輸速度。此外，隨著通信距離的增加，3 種方法的數據傳輸時間均呈現出逐漸增加的趨勢。

為了進一步驗證設計方法的適用性，對3 種方法的數據丟失量進行對比，具體數據如表2 所示。

表2 3 種方法的數據丟失量對比

從表2 中數據可以看出，在本次實驗中，3 種方法在不同數據包大小下進行數據丟失量對比，本文設計方法相較于傳統方法1 和傳統方法2 具有更少的數據丟失數量。此外，隨著數據包大小的增加，3 種方法的數據丟失數量均呈現出逐漸增加的趨勢。

3 結 論

此次將數字微波通信技術應用到風電并網發電通信中，提出了一個新的通信思路，有效提高了風電并網發電通信的速率，降低了通信丟包率，實現了對現有風電并網發電通信理論的補充與完善。本文設計方法目前尚處于初步探索階段，未在實際中得到大量應用與實踐，今后會在該方面展開深層次研究，為風電并網發電通信提供有力的理論支撐。