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海上风电的风机和海上升压站等众多设备均在海中[14]，风机设备分布区域较广，且海中设备远离传统移动通信的信号覆盖范围[15-16]，利用陆上传统的移动通信系统十分困难[17]，因此，建立海上风电场移动通信系统十分必要[18-19]。
海上风电场移动通信系统主要解决以下需求：
1）实现风电设备附近海域的大范围信号覆盖，以满足海风项目基建、运维等通信需求。
2）实现工作、运营人员的通信，满足建设期人员的通信、办公、以及项目的人员管理、安全管理等，满足项目投产后，运营期人员的日常运维和巡检需求等。
3）实现对运维或工作船舶的调度管理，以实现对人员、船舶定位、轨迹跟踪的需求。
4）实现对设备的实时监控，以减少工作人员的检修强度，缓解海上设备检修条件恶劣，不好检修的难题。
5）基于无线通信系统，实现无线物联网和智能化运维。
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相对于基于4G的海上风电通信系统，5G技术的主要技术优势如下：
1）大宽带场景：相比于4G技术，5G首要解决的问题是提高网络速度[20]。
2）低时延场景：5G技术通过引入移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC），可以大大降低延时时间，提高信息的实时性。
3）大连接场景：是物联网计划的一个重要应用场景，4G技术支持1000个连接/小区[21-23]，而5G技术在大连接场景下，可以大大提高连接密度[24]。该业务场景对应着未来智能电网泛在电力物联网的概念，真正可以实现电力设备的全互联互通，实现更加信息化、智能化的管理[25-26]。
4）定制化的行业专网服务：由于发电厂属于基础民生项目，对人民的生活乃至国家的正常运作都极为重要，而海上风电属于电厂中的一支，保证其安全运行是重中之重，而5G技术可以利用定制化专用网络来进行无线通信，与其他公网业务隔离，形成逻辑专网，以完成对海上风电信息的安全快速传递[27-29]。
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根据海上风电项目及5G技术的特点，基于5G的海上风电通信系统规划的基本思路如下：
1）利用5G的大宽带特点，采用多频率规划的新模式[30]，以实现海上风电项目及附近区域全范围、全海域覆盖。
2）探索光纤路由保护、海域基站保护的新模式，以提高无线通信的安全性、可靠性。
3）在国家提出物联网概念下，本方案是海上风电项目互联网、物联网技术及验证其安全性的实践。
4）适用于海上风电项目专用频段的海风无线专用网模式的建立。
5）平台模式的建立以及各分系统、子系统划分模式的建立。
6）利用移动通信系统的海风运行维护新模式的探索和建立，以最大程度的利用机器、设备来代替人员的工作，以减轻海风运维的难度。
7）风机辅助业务通信方式和手段的新模式。
8）利用移动通信，实现对人员、船舶定位技术的研究和实践。
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从4G技术到5G技术，不仅是解决风机塔筒内部移动信号的覆盖及通信速度问题[31]，而是解决海风项目中许多难以攻克的难题：
1）海上风电项目系统繁多，很多子分系统需要通信传输，因此需建立一套专业的、基于光传输的、支持多业务的IP传输网络，为其它辅助系统提供传输通道。
2）实现海风设备通信全面覆盖，通信无死角。
3）根据海上风电项目的系统构成，全面梳理各个子系统，以便使5G通信系统涵盖海上风电的全系统，统一管理和规划；如为对讲指挥调度业务、远程运维等业务提供理想的网络平台，智能头盔，执法记录仪等在风机运维过程中发挥作用。
4）由于5G技术可以分配给海上风电项目专属网段，因此可以提高网络安全的级别，提高海上风电项目安全运行的可靠性。
5）5G技术和人工智能，为无线物联网、风机智能化运维奠定通信网络基础。
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5G技术推出后，如何利用在海上风电这个特定场景，利用什么方式进行风机移动信号的覆盖，是一个重要研究内容。目前海上风电项目可以应用5G无线通信的功能有限，因此几百兆的带宽已经可以满足当前需求。根据三大运营商对风机现场和运营商入网的实际测试，测试结果如表1所示。
表 1 几种风机移动新高覆盖方式比较表
Table 1. Comparison of several wind turbine moving new high coverage methods
比较项目 方式一 方式二 方式三 方式四 PON+一体化小基站 PTN+一体化小基站 数字光纤直放站 BOOK基站 传输方式 PON PTN RHUB 自带光模块 测试 广核如东、广核阳江已做
测试广核阳江测试中 国电投揭阳、三峡沙扒已做测试 待验证 4G 支持 支持 支持 支持 通道带宽/M 几十 1000以上 100～200 100～200 无线信号强度 较低 较高 较高 高 覆盖面积 和设备功率及天馈线分布
有关和设备功率及天馈线分布有关 和设备功率及天馈线分布有关 和设备功率及天馈线分布有关 5G 定制产品 定制产品 支持 支持 稳定性 低 较高 较高 高 环境适应性 低 较高 较高 高 多业务适用性 可实现多业务传输，但光纤结构不适合风机网络结构 可实现多业务传输，适合风机网络结构 接入宏基站、只能传输移动信号，不能实现多业务传输，适合风机网络结构 只能传输移动信号，不能实现多业务传输，适合风机网络结构 可接入的
运营商电信和联通 电信和联通 电信/联通/移动 只支持采用华为设备的
运营商网络优先级 不建议采用 1 2 3 通过表1我们不难发现，基于PON+一体化小基站的方式，由于稳定性及环境适应性较低，不符合海上风电对于移动通信可靠稳定的要求，因此此方式不建议使用；而基于数字光纤直放站和BOOK基站2种方式，都是以宏站为基础，但这2种方式传输信号有限，只能传输移动信号，而不能实现多业务的传输，不能满足海上风电项目的通信需求；而基于PTN+一体化小基站的方式，不仅具有较高的稳定性和较强的环境适应性，且可以实现多业务的传输，符合海上风电项目对通信系统的功能需求。
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基于PTN+一体化小基站方式的组网方式如图1所示。
图 1 一体化基站组网接入示意图
Figure 1. The schematic diagram of integrated base station network access
由图1可知，一体化基站组网接入系统包括：5G一体化小基站、信号传输通道、小基站网关、小基站网管、核心网及同步时钟系统。他们各自的作用如下：
5G一体化小基站：高集成度微型5G基站系统，可通过PON/IPRAN/STN（电信网络传输设备）进行5G数据回传到电信5G核心网。
小基站网关：负责对一体化小基站数据进行安全认证，并进行信令汇聚后接入5G核心网。
小基站网管：负责对一体化小基站和小基站网关进行管理维护。
时钟同步：采用北斗及GPS双对时主机，实现对一体化基站组网的对时。
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5G一体化小基站是一种高度集成的微型基站，内部集成BBU、RRU功能，即一个“盒子”内实现整个基站功能，具备接入5G的能力。将5G一体化小基站和PTN网关融为一体，通过宽带PTN接入，实现快速、便捷的5G信号覆盖，以弥补5G室内覆盖的不足。一体化小基站的架构示意图如图2所示。
图 2 一体化小基站系统架构示意图
Figure 2. The schematic diagram of integrated small base station system architecture
一体化小基站通过PTN传输网，将数据回传至通信机房内的小站网关，小站网关可以确保数据安全，再通过PTN传输网与5G核心网连接。组网方式如图3所示。
图 3 基于PTN传输网的一体化基站组网系统图
Figure 3. The schematic diagram of integrated base station networking system based on PTN transmission network
本方案通过PTN网络+一体化小站实现风机内的无线覆盖。升压站的A设备通过海底光缆回传陆地集控的A设备，与小站网管，再通过网管接到电信5G核心网。升压站与各风机，以及各风机之间，通过光缆进行连接，连接升压台A设备与风机塔筒内的A设备，各风机A设备串行连接。通过类似的组网方式，实现整个风电场所有电气设备的可靠连接。海上风电场项目的最终组网方式如图4所示。
图 4 海上风电场风机无线通信组网图
Figure 4. The schematic diagram of wireless communication network for offshore wind farm wind turbines
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风电场的时间同步对无线通信系统十分重要，是各设备保持时间同步，及事后事件追溯的重要保障，目前风电场的时间同步系统的组成如图5所示。
图 5 同步时钟系统的系统组成
Figure 5. The schematic diagram of synchronous clock system’s composition
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根据电力系统对智能电网的规划，5G技术可以在设备端的远程监控、信息传输的通道建设、监控后台的搭建及整个系统的安全隔离等方面有所建树。
1）设备端的远程监控
海上风电项目设备众多，基于5G的海上风电通信系统可以实现对全设备的数据采集及控制，如无人机、摄像头、智能仪表等，实现全设备的可靠监控。
2）信息传递的通道建设
信息传输通道的合理建设，是信息如实到达监控后台的前提条件，5G技术利用切片技术，可以实现对不同的电力业务，选择合适的通信通道，以满足数据安全、可靠、事实的传递。
3）监控平台的建设
该平台可以根据不同电力业务需求，灵活分配通信资源，实现高效利用。
4）安全体系建设
5G技术可以实现对电力行业的专网专用，且可以对数据进行加密处理，从而送到安全区，且可以进行必要的隔离，从而提高这套系统整体的安全性，符合海上风电乃至电力行业对安全的首要需求。
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文章根据海上风电通信系统信息传递快、覆盖面积大等需求，在基于传统4G通信系统的基础上，通过对几种风机通信覆盖方式的实验与比较，提出了一种基于PTN+一体化小基站组网方式的5G通信系统，该系统可以实现无线信号高速率、大面积的覆盖，并设置专用频段，保证通信系统的安全性，有望在海上风电项目中推广使用。根据目前海上风电项目的发展现状及发展趋势，提出了5G技术在设备端的远程监控、信息传输的通道建设、监控后台的搭建及整个系统的安全隔离等方面的展望，对探索未来适用于海上风电项目的通信系统提出自己的一些设想。
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广 告 《南方能源建设》封面图片：“风渔融合、多元发展”------------------------------------------------ 封一 全球首台风渔一体化智能装备“明渔一号”成功收鱼------------------------------------------------ 封二 “可控核聚变工程技术”专刊征稿启事------------------------------------------------------------------ P208 “南方能源建设”微信订阅号------------------------------------------------------------------------------ 封三 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司------------------------------------------------- 封四
Research on Offshore Wind Power Communication System Based on 5G Technology
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摘要:
目的 海上风电项目众多设备位于海洋之上，交通不便导致运维检修难度大。海上设备信息的快速、无延迟、安全送达陆上显得格外重要。针对通信系统的特殊需求，文章提出了基于5G技术的海上风电场通信系统方案。 方法 首先建立信号覆盖面大、可靠性强的PTN+一体化小基站，再将5G一体化小基站和PTN网关融为一体，通过宽带PTN接入，实现快速、便捷的5G信号覆盖，并采用特定带宽的5G网络，提高通信系统的安全性。 结果 基于PTN+一体化小基站方式的5G通信系统建成后，实现了基于光传输的、支持多业务且利用特定带宽的IP传输。此系统可以帮助规划梳理各风机子系统，实现风机内部全方位信号覆盖，并可以将风机、海上升压站等设备运行状态及数据快速、安全的传输到陆上运维中心，解决风机多子系统、多业务实时安全传输困难的问题。 结论 研究的5G通信系统改善了海上风电通信，并利用特定带宽和新兴技术，实现了海上风电场的通信及时性和可靠性，提高了海上风电场海上运维人员的沟通效率，符合海上风电项目海上设备的通信需求，有望在工程中应用推广。 Abstract:Introduction Numerous equipment of offshore wind power projects is located on the ocean, and the inconvenient transportation makes operation and maintenance difficult. It is extremely important for offshore equipment information to be delivered to land quickly, without delay, and safely. In view of the special needs of the communication system, a communication system scheme for offshore wind farms based on 5G technology is proposed. Method First, a PTN+ integrated small base station with large signal coverage and strong reliability was built, and then the 5G integrated small base station with the PTN gateway were integrated to achieve fast and convenient 5G signal coverage through broadband PTN access. The 5G network with specific bandwidth improved the security of the communication system. Result After the completion of the 5G communication system based on PTN+ integrated small base station, IP transmission based on optical transmission, supporting multiple services and using specific bandwidth can be realized. This system can help plan and sort out the wind turbine subsystems, realize all-round signal coverage inside the wind turbine, and can quickly and safely transmit the operation status and data of wind turbines, offshore booster stations and other equipment to the onshore operation and maintenance center. This system can solve the problem of difficult real-time secure transmission of wind turbine multi-subsystems and multi-services. Conclusion The 5G communication system research improves offshore wind power communication, and uses specific bandwidth and emerging technologies to realize the timeliness and reliability of communication in offshore wind farms and improve the communication efficiency of offshore operation and maintenance personnel in offshore wind farms. It meets the communication requirements of offshore equipment in offshore wind power projects and is expected to be applied in engineering. -
Key words:
- 5G technology /
- offshore wind power /
- communication system /
- signal /
- integrated small base station
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图 1 一体化基站组网接入示意图
Fig. 1 The schematic diagram of integrated base station network access
图 2 一体化小基站系统架构示意图
Fig. 2 The schematic diagram of integrated small base station system architecture
图 3 基于PTN传输网的一体化基站组网系统图
Fig. 3 The schematic diagram of integrated base station networking system based on PTN transmission network
图 4 海上风电场风机无线通信组网图
Fig. 4 The schematic diagram of wireless communication network for offshore wind farm wind turbines
图 5 同步时钟系统的系统组成
Fig. 5 The schematic diagram of synchronous clock system’s composition
表 1 几种风机移动新高覆盖方式比较表
Tab. 1. Comparison of several wind turbine moving new high coverage methods
比较项目 方式一 方式二 方式三 方式四 PON+一体化小基站 PTN+一体化小基站 数字光纤直放站 BOOK基站 传输方式 PON PTN RHUB 自带光模块 测试 广核如东、广核阳江已做
测试广核阳江测试中 国电投揭阳、三峡沙扒已做测试 待验证 4G 支持 支持 支持 支持 通道带宽/M 几十 1000以上 100～200 100～200 无线信号强度 较低 较高 较高 高 覆盖面积 和设备功率及天馈线分布
有关和设备功率及天馈线分布有关 和设备功率及天馈线分布有关 和设备功率及天馈线分布有关 5G 定制产品 定制产品 支持 支持 稳定性 低 较高 较高 高 环境适应性 低 较高 较高 高 多业务适用性 可实现多业务传输，但光纤结构不适合风机网络结构 可实现多业务传输，适合风机网络结构 接入宏基站、只能传输移动信号，不能实现多业务传输，适合风机网络结构 只能传输移动信号，不能实现多业务传输，适合风机网络结构 可接入的
运营商电信和联通 电信和联通 电信/联通/移动 只支持采用华为设备的
运营商网络优先级 不建议采用 1 2 3 
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