近些年来，海上风电项目快速发展^[1-3]，且逐步向远海发展。海上升压站、风机等地理位置特殊^[4-7]，为了实现海上工作人员之间的实时交流、方便运维人员了解海上风电各设备运行状况等，移动通信系统在海上风电项目成为标配^[8]。但基于4G的网络通信，重点关注如何实现最大范围覆盖，业务偏重于语音、上网和运维管理层面^[9-11]。5G技术的发展，不仅是带宽和流量的提升，更解决了海上风电行业过去难以攻克的难题^[12-13]。

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。

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]。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

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。

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。