摘要：塔式太陽能光熱電站存在上萬甚至幾萬的定日鏡，每一個定日鏡至少包含6個控制和感知節(jié)點，具有數(shù)量多、傳輸數(shù)據(jù)遠、傳輸數(shù)據(jù)量小的特點。研究了傳統(tǒng)且成熟的有線鏡場控制系統(tǒng)，同時提出了一種新型的無線鏡場控制系統(tǒng)，通過兩個控制系統(tǒng)的對比，得出結(jié)論如下：有線控制系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)在業(yè)務(wù)、功能、通訊、電源、可靠性、安全性上都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)的要求，但無線系統(tǒng)在經(jīng)濟性和效率上有著天然的優(yōu)勢。

太陽能光熱發(fā)電站是對新能源利用的一種，也是國家未來發(fā)電方向重要的最具有潛力的技術(shù)之一。實現(xiàn)塔式太陽能光熱發(fā)電的基礎(chǔ)條件是定日鏡能有效反射太陽光到吸熱塔上，所以定日鏡控制設(shè)計非常重要，定日鏡控制是否科學(xué)有效將直接決定定日鏡場的工作有效性，直接影響太陽能光熱發(fā)電的實現(xiàn)[1-3]。本文以鏡場控制系統(tǒng)為研究方向，分別設(shè)計了一種傳統(tǒng)且成熟的有線鏡場控制系統(tǒng)以及未來發(fā)展趨勢的無線鏡場控制系統(tǒng)，從設(shè)計原則、業(yè)務(wù)、功能、通訊、電源、可靠性、安全性等多方面進行對比。

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鏡場控制系統(tǒng)概述

定日鏡控制系統(tǒng)由鏡場上位機系統(tǒng)、鏡場通訊網(wǎng)絡(luò)以及定日鏡就地控制器構(gòu)成。

其中上位機包括：鏡場操作員站、鏡場值長站、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站、鏡場分析工作站、服務(wù)器柜等設(shè)備。鏡場通訊網(wǎng)絡(luò)包括：電控網(wǎng)絡(luò)柜、變壓站設(shè)備；定日鏡就地控制站包括就地控制器等設(shè)備。

定日鏡控制系統(tǒng)主要負責(zé)鏡場的日常運行管理，主要包括以下功能。

第一，在正常追日中，能穩(wěn)定準(zhǔn)確地提供太陽光給吸熱器；

第二，在開場階段，可以提供部分太陽光給吸熱器，使吸熱器溫度緩慢上升到工作溫度；

第三，在正常運行過程中，少量定日鏡可以同時進行清洗和運維調(diào)試；

第四，能流密度監(jiān)控，用于實時測量吸熱器表面的溫度分布情況，通過調(diào)節(jié)定日鏡指向點，改變吸熱器的局部高溫情況；

第五，出現(xiàn)緊急狀況時，能夠采取緊急措施來避免對系統(tǒng)造成的危害。

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有線鏡場控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1設(shè)計原則

一個光熱系統(tǒng)存在上萬甚至幾萬的定日鏡，每一個定日鏡至少包含6個控制和感知節(jié)點，為了確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，需要一個高度集成且復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，性能強大的上位機扮演著大腦的角色，負責(zé)接收、處理并發(fā)送各種控制指令。通過高質(zhì)量、低成本的電纜和光纖高效傳輸給幾百米到幾公里外的定日鏡，并實時執(zhí)行，形成了一個完整的控制閉環(huán)。

2.2設(shè)計方案概述

鏡場有線控制系統(tǒng)通過若干群組服務(wù)器控制定日鏡。每個群組服務(wù)器負責(zé)其控制范圍內(nèi)的定日鏡的通訊。鏡場通訊網(wǎng)絡(luò)主要由核心接入層網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)層（亦稱為群組服務(wù)器）和通訊鏈路構(gòu)成。

核心接入層，包括核心交換機、接入交換機及防火墻。接入交換機，下行由光纖連接網(wǎng)關(guān)層，上行連接核心交換機。

網(wǎng)關(guān)層，由幾十組網(wǎng)關(guān)組成，每臺網(wǎng)關(guān)備份接入層交換機中。供電系統(tǒng)上，鏡場內(nèi)設(shè)置多臺變壓站、幾十個定日鏡電控柜，每個變壓站平均分管多個電控柜，每個變壓站內(nèi)安裝UPS直流電源系統(tǒng)，有線系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1有線鏡場控制系統(tǒng)示意圖

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無線鏡場控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1設(shè)計原則

對于理想的定日鏡，其應(yīng)該可以處理與定日鏡本體運動相關(guān)的所有事務(wù)，包括感知、計算、控制、管理、分析，甚至具備自我學(xué)習(xí)的能力。上位機只需要進行宏觀管理和宏觀要求。這樣一個上下位的架構(gòu)可以大大減少上下位機的通訊量、通訊時間、通訊品質(zhì)、通訊頻次[4-6]。

根據(jù)這樣一個定日鏡的功能設(shè)計，上位機無需計算定日鏡的角度，無需實時獲取定日鏡數(shù)據(jù)，所有與定日鏡運行相關(guān)的工作，全部交給定日鏡就地控制器。在緊急狀態(tài)下，鏡場控制系統(tǒng)也能快速發(fā)布緊急指令，定日鏡能夠立刻執(zhí)行[7-8]。基于此，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz的無線通訊方案，正常運行模式下采用分時通訊的機制，當(dāng)發(fā)生緊急狀態(tài)時，通過廣播方式發(fā)送指令給每臺定日鏡。

3.2設(shè)計方案概述

無線控制系統(tǒng)架構(gòu)基于無線定日鏡控制器模塊。鏡場無線控制系統(tǒng)將定日鏡分配給特定的接入點（以下簡稱AP），與其指定的通訊盒進行無線通訊。常規(guī)模式下定日鏡采用分時分組完成與服務(wù)器的通訊。緊急狀態(tài)下，采用廣播信道進行全場廣播。無線定日鏡供電由其自身的光伏板供電，并為電池充電。在無線覆蓋上，確保每個就地控制器都能至少找到一個接入點。通過設(shè)置不同的頻點，避免同頻干擾，保證無線通信的穩(wěn)定性。無線系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2無線鏡場控制系統(tǒng)示意圖

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設(shè)計方案對比

4.1定日鏡本體對比

有線定日鏡，分線盒固定在定日鏡立柱上，電纜主線和控制電纜主線從分線盒內(nèi)引出電纜支線和控制電纜支線，與就地控制器相連接，通過交流系統(tǒng)直接給定日鏡供電，在定日鏡就地進行電源適配。

無線定日鏡，定日鏡自身帶有光伏板和電池，可以減少電站的用電率，對于定日鏡的光伏板選型和電池選型，需要滿足定日鏡本身的功耗需求、包括緊急散焦?fàn)顟B(tài)下的極端功耗需求。

對于西部可能出現(xiàn)的寒冷天氣，需要對電池進行額外的低溫環(huán)境下的測試，以滿足定日鏡的功耗要求。單臺定日鏡的結(jié)構(gòu)本體基本相同。功能上，所有的定日鏡本體業(yè)務(wù)管理、運動控制、誤差修正計算等由就地控制器自主完成。

4.2通訊可靠性

有線鏡場通訊采用RS-485的通訊方式，上位機發(fā)送指令時從通訊鏈路上的第一臺定日鏡開始，依次往后面的定日鏡發(fā)送，定日鏡接收到指令后，再依次返回當(dāng)前定日鏡的狀態(tài)。通過設(shè)置冗余的網(wǎng)關(guān)來保證系統(tǒng)的可靠性，在每一個電控柜設(shè)置1用1備的網(wǎng)關(guān)，在一個網(wǎng)關(guān)故障的情況下，依舊可以維持工作。

無線控制的定日鏡在正常運行時，采用分時通訊的機制，定日鏡定時傳回定日鏡自身的狀態(tài)，接收新的計劃性指令或者新的配置信息等。當(dāng)發(fā)生緊急狀態(tài)時，鏡場控制系統(tǒng)通過廣播的方式發(fā)送指令給每臺定日鏡。

設(shè)置了多種的冗余功能來維持系統(tǒng)的工作：

通訊鏈路的冗余：每個LOC被多個AP所覆蓋，形成1主多備的機制，如果LOC連接主AP失敗，則會連接備份AP；

AP的冗余：每座基站塔采用4主1備的AP設(shè)備，其中4臺主要AP為定向AP，備用AP為全向AP，當(dāng)某個主AP失效，會自動打開備用AP。

對于有線控制系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)，通訊層面都能滿足聚光集熱系統(tǒng)的安全、高效運行的需求，只是實現(xiàn)的方式不一致。

4.3安全性

在核心網(wǎng)絡(luò)上，有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)的安全配置是相同的：在接入層網(wǎng)絡(luò)和主控制網(wǎng)絡(luò)之間配置一套工業(yè)防火墻，用于監(jiān)聽核心交換機上的端口，確保上行數(shù)據(jù)處于受控狀態(tài)，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常，則會在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站告警；通過在核心交換機劃分VLAN，確保各個子網(wǎng)段相對獨立，互不干擾；上位機在運行時對吸熱器表面能流密度分布進行監(jiān)控，發(fā)生緊急狀態(tài)時，鏡場控制系統(tǒng)發(fā)送緊急指令。

對于無線系統(tǒng)，AP和就地控制器的安全性表現(xiàn)為：AP對登錄采用白名單制，只有對應(yīng)的定日鏡才能發(fā)現(xiàn)；無線網(wǎng)絡(luò)中只允許進行特定格式的消息，其他TCP和UDP協(xié)議層信息全部被屏蔽；就地控制器只接受特定的信息格式，每個信息包含了校驗碼和密鑰。

當(dāng)多次出現(xiàn)無法滿足安全協(xié)議的通訊后，LOC自動切換到對應(yīng)的備用信道，并上傳非法AP信息。以上措施足以保證AP不被非法侵入，LOC不被黑基站非法侵入。對于有線控制系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)，安全層面都能滿足聚光集熱系統(tǒng)的安全性的需求。

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結(jié)束語

通過上述比較，有線控制系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)在業(yè)務(wù)、功能、通訊、電源、可靠性、安全性上都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)的要求。但無線系統(tǒng)在經(jīng)濟性和效率上有著天然的優(yōu)勢：無線系統(tǒng)避免了采用接地要求、防雷要求，沒有長達上千公里的線纜，大大節(jié)省了投資；無線系統(tǒng)自供電模式，無需采用廠用電，節(jié)省了用電系統(tǒng)的投資；調(diào)試，如果采用有線系統(tǒng)，需要每個定日鏡調(diào)通，并且保證線通、電通，這是一個非常大的工程量，對施工質(zhì)量、施工時間、工作面都有要求。

而無線系統(tǒng)，是一個產(chǎn)品，在工廠內(nèi)裝配完成后，無需施工，無需調(diào)試；緊急狀態(tài)處置，有線控制是單一控制，緊急指令是一臺一臺下發(fā)的。無線方式采用廣播方式，所有的定日鏡同一時間收到；無線定日鏡是一個產(chǎn)品，而不是工程，每個都是獨立的個體，故障了就修，不像有線系統(tǒng)即需要排查網(wǎng)絡(luò)、供電，也需要排查定日鏡，從維護角度上來說，管幾萬個獨立的產(chǎn)品比管理一個龐大的系統(tǒng)簡單得多，隨著技術(shù)的進步預(yù)期無線鏡場控制系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。

| 作者：陳昊

| 研究方向：塔式太陽能系統(tǒng)設(shè)計與控制系統(tǒng)

| 原標(biāo)題：塔式光熱電站有線與無線鏡場控制系統(tǒng)對比

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