摘要：塔式太陽(yáng)能光熱電站存在上萬(wàn)甚至幾萬(wàn)的定日鏡，每一個(gè)定日鏡至少包含6個(gè)控制和感知節(jié)點(diǎn)，具有數(shù)量多、傳輸數(shù)據(jù)遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)。研究了傳統(tǒng)且成熟的有線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)，同時(shí)提出了一種新型的無(wú)線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)，通過兩個(gè)控制系統(tǒng)的對(duì)比，得出結(jié)論如下：有線控制系統(tǒng)和無(wú)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(wú)線系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和效率上有著天然的優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電站是對(duì)新能源利用的一種，也是國(guó)家未來(lái)發(fā)電方向重要的最具有潛力的技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電的基礎(chǔ)條件是定日鏡能有效反射太陽(yáng)光到吸熱塔上，所以定日鏡控制設(shè)計(jì)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(chǎng)的工作有效性，直接影響太陽(yáng)能光熱發(fā)電的實(shí)現(xiàn)[1-3]。本文以鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)為研究方向，分別設(shè)計(jì)了一種傳統(tǒng)且成熟的有線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的無(wú)線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)原則、業(yè)務(wù)、功能、通訊、電源、可靠性、安全性等多方面進(jìn)行對(duì)比。

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鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)概述

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

其中上位機(jī)包括：鏡場(chǎng)操作員站、鏡場(chǎng)值長(zhǎng)站、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站、鏡場(chǎng)分析工作站、服務(wù)器柜等設(shè)備。鏡場(chǎng)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(fù)責(zé)鏡場(chǎng)的日常運(yùn)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(yáng)光給吸熱器；

第二，在開場(chǎng)階段，可以提供部分太陽(yáng)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(yùn)行過程中，少量定日鏡可以同時(shí)進(jìn)行清洗和運(yùn)維調(diào)試；

第四，能流密度監(jiān)控，用于實(shí)時(shí)測(cè)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(diǎn)，改變吸熱器的局部高溫情況；

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

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有線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原則

一個(gè)光熱系統(tǒng)存在上萬(wàn)甚至幾萬(wàn)的定日鏡，每一個(gè)定日鏡至少包含6個(gè)控制和感知節(jié)點(diǎn)，為了確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，需要一個(gè)高度集成且復(fù)雜的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，性能強(qiáng)大的上位機(jī)扮演著大腦的角色，負(fù)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(shí)時(shí)執(zhí)行，形成了一個(gè)完整的控制閉環(huán)。

2.2設(shè)計(jì)方案概述

鏡場(chǎng)有線控制系統(tǒng)通過若干群組服務(wù)器控制定日鏡。每個(gè)群組服務(wù)器負(fù)責(zé)其控制范圍內(nèi)的定日鏡的通訊。鏡場(chǎng)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(jī)、接入交換機(jī)及防火墻。接入交換機(jī)，下行由光纖連接網(wǎng)關(guān)層，上行連接核心交換機(jī)。

網(wǎng)關(guān)層，由幾十組網(wǎng)關(guān)組成，每臺(tái)網(wǎng)關(guān)備份接入層交換機(jī)中。供電系統(tǒng)上，鏡場(chǎng)內(nèi)設(shè)置多臺(tái)變壓站、幾十個(gè)定日鏡電控柜，每個(gè)變壓站平均分管多個(gè)電控柜，每個(gè)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(chǎng)控制系統(tǒng)示意圖

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無(wú)線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)原則

對(duì)于理想的定日鏡，其應(yīng)該可以處理與定日鏡本體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的所有事務(wù)，包括感知、計(jì)算、控制、管理、分析，甚至具備自我學(xué)習(xí)的能力。上位機(jī)只需要進(jìn)行宏觀管理和宏觀要求。這樣一個(gè)上下位的架構(gòu)可以大大減少上下位機(jī)的通訊量、通訊時(shí)間、通訊品質(zhì)、通訊頻次[4-6]。

根據(jù)這樣一個(gè)定日鏡的功能設(shè)計(jì)，上位機(jī)無(wú)需計(jì)算定日鏡的角度，無(wú)需實(shí)時(shí)獲取定日鏡數(shù)據(jù)，所有與定日鏡運(yùn)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(chǎng)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]?；诖?，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz的無(wú)線通訊方案，正常運(yùn)行模式下采用分時(shí)通訊的機(jī)制，當(dāng)發(fā)生緊急狀態(tài)時(shí)，通過廣播方式發(fā)送指令給每臺(tái)定日鏡。

3.2設(shè)計(jì)方案概述

無(wú)線控制系統(tǒng)架構(gòu)基于無(wú)線定日鏡控制器模塊。鏡場(chǎng)無(wú)線控制系統(tǒng)將定日鏡分配給特定的接入點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱AP），與其指定的通訊盒進(jìn)行無(wú)線通訊。常規(guī)模式下定日鏡采用分時(shí)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(jìn)行全場(chǎng)廣播。無(wú)線定日鏡供電由其自身的光伏板供電，并為電池充電。在無(wú)線覆蓋上，確保每個(gè)就地控制器都能至少找到一個(gè)接入點(diǎn)。通過設(shè)置不同的頻點(diǎn)，避免同頻干擾，保證無(wú)線通信的穩(wěn)定性。無(wú)線系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2無(wú)線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)示意圖

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設(shè)計(jì)方案對(duì)比

4.1定日鏡本體對(duì)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(jìn)行電源適配。

無(wú)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(duì)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(duì)于西部可能出現(xiàn)的寒冷天氣，需要對(duì)電池進(jìn)行額外的低溫環(huán)境下的測(cè)試，以滿足定日鏡的功耗要求。單臺(tái)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(yùn)動(dòng)控制、誤差修正計(jì)算等由就地控制器自主完成。

4.2通訊可靠性

有線鏡場(chǎng)通訊采用RS-485的通訊方式，上位機(jī)發(fā)送指令時(shí)從通訊鏈路上的第一臺(tái)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(lái)保證系統(tǒng)的可靠性，在每一個(gè)電控柜設(shè)置1用1備的網(wǎng)關(guān)，在一個(gè)網(wǎng)關(guān)故障的情況下，依舊可以維持工作。

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

設(shè)置了多種的冗余功能來(lái)維持系統(tǒng)的工作：

通訊鏈路的冗余：每個(gè)LOC被多個(gè)AP所覆蓋，形成1主多備的機(jī)制，如果LOC連接主AP失敗，則會(huì)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(tái)主要AP為定向AP，備用AP為全向AP，當(dāng)某個(gè)主AP失效，會(huì)自動(dòng)打開備用AP。

對(duì)于有線控制系統(tǒng)和無(wú)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(yùn)行的需求，只是實(shí)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(wú)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(jī)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(huì)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站告警；通過在核心交換機(jī)劃分VLAN，確保各個(gè)子網(wǎng)段相對(duì)獨(dú)立，互不干擾；上位機(jī)在運(yùn)行時(shí)對(duì)吸熱器表面能流密度分布進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)生緊急狀態(tài)時(shí)，鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)發(fā)送緊急指令。

對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)，AP和就地控制器的安全性表現(xiàn)為：AP對(duì)登錄采用白名單制，只有對(duì)應(yīng)的定日鏡才能發(fā)現(xiàn)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中只允許進(jìn)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(gè)信息包含了校驗(yàn)碼和密鑰。

當(dāng)多次出現(xiàn)無(wú)法滿足安全協(xié)議的通訊后，LOC自動(dòng)切換到對(duì)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(duì)于有線控制系統(tǒng)和無(wú)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(yǔ)

通過上述比較，有線控制系統(tǒng)和無(wú)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(wú)線系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和效率上有著天然的優(yōu)勢(shì)：無(wú)線系統(tǒng)避免了采用接地要求、防雷要求，沒有長(zhǎng)達(dá)上千公里的線纜，大大節(jié)省了投資；無(wú)線系統(tǒng)自供電模式，無(wú)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(gè)定日鏡調(diào)通，并且保證線通、電通，這是一個(gè)非常大的工程量，對(duì)施工質(zhì)量、施工時(shí)間、工作面都有要求。

而無(wú)線系統(tǒng)，是一個(gè)產(chǎn)品，在工廠內(nèi)裝配完成后，無(wú)需施工，無(wú)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(tái)一臺(tái)下發(fā)的。無(wú)線方式采用廣播方式，所有的定日鏡同一時(shí)間收到；無(wú)線定日鏡是一個(gè)產(chǎn)品，而不是工程，每個(gè)都是獨(dú)立的個(gè)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(hù)角度上來(lái)說，管幾萬(wàn)個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品比管理一個(gè)龐大的系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多，隨著技術(shù)的進(jìn)步預(yù)期無(wú)線鏡場(chǎng)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(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)

| 原標(biāo)題：塔式光熱電站有線與無(wú)線鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)比

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