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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個控制和感知節點，具有數量多、傳輸數據遠、傳輸數據量小的特點。研究了傳統且成熟的有線鏡場控制系統，同時提出了一種新型的無線鏡場控制系統，通過兩個控制系統的對比，得出結論如下：有線控制系統和無線控制系統在業務、功能、通訊、電源、可靠性、安全性上都能滿足相關標準和指標的要求，但無線系統在經濟性和效率上有著天然的優勢。

太(tai)陽(yang)能光(guang)熱發電(dian)站是對新能源利用(yong)的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)，也是國家未(wei)來發電(dian)方(fang)向(xiang)(xiang)重(zhong)要(yao)的(de)(de)最具有(you)(you)(you)潛(qian)力的(de)(de)技術之一(yi)(yi)。實現塔式(shi)太(tai)陽(yang)能光(guang)熱發電(dian)的(de)(de)基(ji)礎條件(jian)是定日鏡能有(you)(you)(you)效反射太(tai)陽(yang)光(guang)到吸熱塔上(shang)，所以定日鏡控制(zhi)(zhi)設計(ji)非常重(zhong)要(yao)，定日鏡控制(zhi)(zhi)是否科學有(you)(you)(you)效將直(zhi)接決定定日鏡場的(de)(de)工作有(you)(you)(you)效性，直(zhi)接影響太(tai)陽(yang)能光(guang)熱發電(dian)的(de)(de)實現[1-3]。本(ben)文以鏡場控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)為研究方(fang)向(xiang)(xiang)，分別(bie)設計(ji)了(le)一(yi)(yi)種(zhong)傳統(tong)且成(cheng)熟的(de)(de)有(you)(you)(you)線(xian)鏡場控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)以及(ji)未(wei)來發展趨勢的(de)(de)無線(xian)鏡場控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)，從設計(ji)原則(ze)、業務、功能、通訊(xun)、電(dian)源、可靠性、安全性等多方(fang)面進行對比。

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鏡場控制系統概述

定日鏡控制(zhi)系(xi)統(tong)由(you)鏡場(chang)上(shang)位機(ji)系(xi)統(tong)、鏡場(chang)通訊網(wang)絡以及定日鏡就(jiu)地(di)控制(zhi)器構成(cheng)。

其中上位機包(bao)括：鏡(jing)(jing)(jing)場(chang)操(cao)作員站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)、鏡(jing)(jing)(jing)場(chang)值(zhi)長站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)、網(wang)絡(luo)監(jian)控(kong)站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)、鏡(jing)(jing)(jing)場(chang)分析(xi)工作站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)、服務器柜(ju)等設備。鏡(jing)(jing)(jing)場(chang)通(tong)訊網(wang)絡(luo)包(bao)括：電(dian)控(kong)網(wang)絡(luo)柜(ju)、變(bian)壓站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)設備；定日鏡(jing)(jing)(jing)就地控(kong)制(zhi)站(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)包(bao)括就地控(kong)制(zhi)器等設備。

定日鏡(jing)控(kong)制系統主要負責鏡(jing)場(chang)的(de)日常運行管理，主要包括以下功能。

第一(yi)，在正常追日中，能穩定準確地提供太陽光給吸熱(re)器；

第二(er)，在開場階段(duan)，可以提供部分太(tai)陽(yang)光給吸(xi)熱器，使吸(xi)熱器溫度(du)緩慢上升到工作溫度(du)；

第三，在正常運行過程中(zhong)，少量定日鏡可以同時進行清洗和運維(wei)調試(shi)；

第四，能(neng)流密度(du)監控，用(yong)于實時(shi)測量(liang)吸(xi)熱器表面的(de)溫(wen)度(du)分布(bu)情況，通過調(diao)節定日鏡(jing)指向點，改變吸(xi)熱器的(de)局(ju)部高溫(wen)情況；

第五，出現緊(jin)急(ji)狀況時，能夠采取緊(jin)急(ji)措(cuo)施來避免對系統造成的(de)危害。

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有線鏡場控制系統設計

2.1設計原則

一個(ge)光熱(re)系(xi)統存在(zai)上(shang)萬甚至(zhi)幾(ji)萬的(de)定(ding)日(ri)鏡(jing)，每(mei)一個(ge)定(ding)日(ri)鏡(jing)至(zhi)少(shao)包含6個(ge)控制(zhi)(zhi)和(he)感知節點，為了確保系(xi)統的(de)性能和(he)穩定(ding)性，需要一個(ge)高度(du)集成且復(fu)雜的(de)系(xi)統。在(zai)這個(ge)系(xi)統中(zhong)，性能強大的(de)上(shang)位(wei)機(ji)扮演(yan)著大腦(nao)的(de)角色，負責接收、處理(li)并發送各種控制(zhi)(zhi)指(zhi)令(ling)。通過(guo)高質量、低(di)成本的(de)電纜和(he)光纖高效傳輸給幾(ji)百米到幾(ji)公里外的(de)定(ding)日(ri)鏡(jing)，并實時執(zhi)行(xing)，形成了一個(ge)完整(zheng)的(de)控制(zhi)(zhi)閉環(huan)。

2.2設計方案概述

鏡場有線控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統通過(guo)若干(gan)群(qun)(qun)組服務器控(kong)制(zhi)(zhi)定日鏡。每個(ge)群(qun)(qun)組服務器負責其控(kong)制(zhi)(zhi)范圍內(nei)的定日鏡的通訊(xun)。鏡場通訊(xun)網絡主(zhu)要由核心接入(ru)層網絡、網關層（亦稱為群(qun)(qun)組服務器）和通訊(xun)鏈路(lu)構成。

核心接入(ru)層(ceng)，包括核心交(jiao)換(huan)機(ji)(ji)、接入(ru)交(jiao)換(huan)機(ji)(ji)及防火墻(qiang)。接入(ru)交(jiao)換(huan)機(ji)(ji)，下行(xing)由光(guang)纖連接網關層(ceng)，上行(xing)連接核心交(jiao)換(huan)機(ji)(ji)。

網(wang)(wang)關(guan)層，由幾(ji)十(shi)組網(wang)(wang)關(guan)組成，每(mei)臺網(wang)(wang)關(guan)備(bei)份接(jie)入層交換機中。供電(dian)系統上(shang)，鏡場內設置多臺變(bian)(bian)壓(ya)站、幾(ji)十(shi)個定(ding)日鏡電(dian)控(kong)柜，每(mei)個變(bian)(bian)壓(ya)站平均分管(guan)多個電(dian)控(kong)柜，每(mei)個變(bian)(bian)壓(ya)站內安裝UPS直流電(dian)源系統，有(you)線系統示意圖如圖1所示。

圖1有(you)線鏡場控制系統(tong)示意圖

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無線鏡場控制系統設計

3.1設計原則

對于理(li)想的(de)定日(ri)鏡，其(qi)應該(gai)可(ke)以處理(li)與定日(ri)鏡本體(ti)運動相(xiang)關的(de)所(suo)有事務(wu)，包括感知、計算、控制、管理(li)、分析，甚至(zhi)具備(bei)自我學習的(de)能力。上位(wei)(wei)機只需要(yao)進行宏(hong)觀管理(li)和宏(hong)觀要(yao)求。這樣一個(ge)上下(xia)位(wei)(wei)的(de)架構可(ke)以大大減(jian)少(shao)上下(xia)位(wei)(wei)機的(de)通(tong)訊(xun)量(liang)、通(tong)訊(xun)時間(jian)、通(tong)訊(xun)品質、通(tong)訊(xun)頻次[4-6]。

根據(ju)這樣一個定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)的(de)功能(neng)設計(ji)，上(shang)位機無需(xu)計(ji)算定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)的(de)角度，無需(xu)實時(shi)獲取定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)數據(ju)，所有與定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)運行(xing)相關的(de)工作，全部交給定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)就地控(kong)制(zhi)器。在(zai)緊急狀態下(xia)，鏡(jing)(jing)(jing)場控(kong)制(zhi)系統也能(neng)快速發布緊急指令，定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)能(neng)夠立(li)刻執行(xing)[7-8]。基于此，提(ti)出了基于標(biao)準(zhun)2.4GHz的(de)無線通訊(xun)(xun)方(fang)案，正常(chang)運行(xing)模式下(xia)采用分時(shi)通訊(xun)(xun)的(de)機制(zhi)，當發生(sheng)緊急狀態時(shi)，通過廣播方(fang)式發送指令給每臺定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)。

3.2設計方案概述

無(wu)(wu)線(xian)控制(zhi)系統架構基(ji)于無(wu)(wu)線(xian)定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)控制(zhi)器(qi)模塊(kuai)。鏡(jing)(jing)場無(wu)(wu)線(xian)控制(zhi)系統將定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)分(fen)配給(gei)特定(ding)(ding)的(de)接(jie)入點(dian)（以(yi)下(xia)簡稱AP），與(yu)(yu)其指定(ding)(ding)的(de)通(tong)訊(xun)盒(he)進行無(wu)(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)。常規模式下(xia)定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)采用(yong)分(fen)時分(fen)組完成(cheng)與(yu)(yu)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)通(tong)訊(xun)。緊急狀態下(xia)，采用(yong)廣播信(xin)道進行全場廣播。無(wu)(wu)線(xian)定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)供(gong)電由(you)其自身的(de)光伏板供(gong)電，并為(wei)電池充電。在無(wu)(wu)線(xian)覆蓋上，確(que)保(bao)每個就地控制(zhi)器(qi)都能至少找到(dao)一個接(jie)入點(dian)。通(tong)過設置不同的(de)頻點(dian)，避免同頻干擾，保(bao)證無(wu)(wu)線(xian)通(tong)信(xin)的(de)穩(wen)定(ding)(ding)性。無(wu)(wu)線(xian)系統的(de)示(shi)意圖如(ru)圖2所示(shi)。

圖(tu)2無線鏡場控制(zhi)系(xi)統示意圖(tu)

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設計方案對比

4.1定日鏡本體對比

有(you)線(xian)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)，分(fen)線(xian)盒固定(ding)在(zai)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)立(li)柱上，電(dian)纜(lan)主(zhu)線(xian)和控(kong)制(zhi)電(dian)纜(lan)主(zhu)線(xian)從分(fen)線(xian)盒內引出(chu)電(dian)纜(lan)支線(xian)和控(kong)制(zhi)電(dian)纜(lan)支線(xian)，與就(jiu)地控(kong)制(zhi)器(qi)相連接，通過交流系統直接給(gei)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)供電(dian)，在(zai)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)就(jiu)地進(jin)行電(dian)源適配。

無線定日鏡，定日鏡自身帶(dai)有(you)光(guang)伏板和(he)電池(chi)，可以(yi)減少(shao)電站(zhan)的(de)(de)用電率，對(dui)于定日鏡的(de)(de)光(guang)伏板選(xuan)(xuan)型(xing)和(he)電池(chi)選(xuan)(xuan)型(xing)，需(xu)要(yao)滿足定日鏡本身的(de)(de)功(gong)(gong)耗(hao)需(xu)求、包括緊(jin)急散焦狀態下的(de)(de)極端功(gong)(gong)耗(hao)需(xu)求。

對(dui)于(yu)西(xi)部可能(neng)出現的(de)寒冷(leng)天氣，需要對(dui)電池(chi)進(jin)行額外的(de)低溫環境下的(de)測試，以(yi)滿足(zu)定(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)功耗要求。單臺定(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)結構本(ben)體(ti)基本(ben)相(xiang)同。功能(neng)上，所有(you)的(de)定(ding)日鏡(jing)(jing)本(ben)體(ti)業務管理(li)、運動控制(zhi)、誤(wu)差修正計算(suan)等由(you)就(jiu)地(di)控制(zhi)器自主(zhu)完成。

4.2通訊可靠性

有線鏡(jing)(jing)場通(tong)訊采用RS-485的(de)通(tong)訊方式，上位機發(fa)送(song)指(zhi)令(ling)時從通(tong)訊鏈路上的(de)第一(yi)臺定日鏡(jing)(jing)開始(shi)，依(yi)次往(wang)后面的(de)定日鏡(jing)(jing)發(fa)送(song)，定日鏡(jing)(jing)接收到指(zhi)令(ling)后，再依(yi)次返回當前定日鏡(jing)(jing)的(de)狀態。通(tong)過(guo)設置冗余的(de)網(wang)關來保證系統的(de)可靠性，在每(mei)一(yi)個(ge)(ge)電控(kong)柜設置1用1備(bei)的(de)網(wang)關，在一(yi)個(ge)(ge)網(wang)關故障的(de)情(qing)況(kuang)下，依(yi)舊(jiu)可以維持(chi)工(gong)作(zuo)。

無(wu)線控制的定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)在正常運行(xing)時(shi)(shi)，采(cai)用(yong)分時(shi)(shi)通(tong)訊的機(ji)制，定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)定(ding)時(shi)(shi)傳回定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)自(zi)身的狀態，接收新的計劃性指(zhi)令(ling)或者新的配(pei)置信息等(deng)。當(dang)發生緊急(ji)狀態時(shi)(shi)，鏡(jing)場控制系統通(tong)過(guo)廣播的方(fang)式發送(song)指(zhi)令(ling)給(gei)每臺(tai)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)。

設置了多種的冗余功能來維持(chi)系統(tong)的工作：

通訊(xun)鏈(lian)路的冗(rong)余：每(mei)個(ge)LOC被多個(ge)AP所覆(fu)蓋(gai)，形成1主(zhu)多備的機制，如果LOC連接主(zhu)AP失(shi)敗，則會連接備份AP；

AP的(de)冗余：每座(zuo)基站塔采用(yong)4主1備(bei)的(de)AP設備(bei)，其(qi)中(zhong)4臺主要AP為定向(xiang)AP，備(bei)用(yong)AP為全(quan)向(xiang)AP，當某個主AP失效(xiao)，會自動打開備(bei)用(yong)AP。

對于有線控(kong)制(zhi)系(xi)統和無(wu)線控(kong)制(zhi)系(xi)統，通(tong)訊層面都能滿足聚(ju)光(guang)集熱系(xi)統的(de)安(an)全、高效運行的(de)需(xu)求，只是實(shi)現的(de)方式不一(yi)致(zhi)。

4.3安全性

在(zai)(zai)(zai)核心(xin)網絡上，有線系統和無線系統的安全(quan)配置是相同的：在(zai)(zai)(zai)接(jie)入(ru)層網絡和主控制網絡之(zhi)間配置一(yi)套工業防火墻，用(yong)于監聽核心(xin)交換機上的端口，確保(bao)上行(xing)數據(ju)處(chu)于受控狀態(tai)，一(yi)旦(dan)出(chu)現(xian)網絡異(yi)常，則會在(zai)(zai)(zai)網絡監控站告(gao)警；通(tong)過在(zai)(zai)(zai)核心(xin)交換機劃分(fen)VLAN，確保(bao)各個子網段相對獨(du)立，互(hu)不干擾；上位機在(zai)(zai)(zai)運行(xing)時對吸熱器(qi)表面能流密度分(fen)布(bu)進(jin)行(xing)監控，發生(sheng)緊(jin)急(ji)狀態(tai)時，鏡場控制系統發送(song)緊(jin)急(ji)指令。

對于無線系統，AP和(he)就(jiu)地控制(zhi)器的(de)安(an)全性表現(xian)為(wei)：AP對登(deng)錄采用白(bai)名單制(zhi)，只(zhi)有對應(ying)的(de)定日鏡才能發(fa)現(xian)；無線網絡中只(zhi)允許進(jin)行特(te)定格式(shi)的(de)消息(xi)，其他(ta)TCP和(he)UDP協議層信息(xi)全部被屏(ping)蔽；就(jiu)地控制(zhi)器只(zhi)接受特(te)定的(de)信息(xi)格式(shi)，每個(ge)信息(xi)包含了校驗碼和(he)密鑰。

當多次(ci)出(chu)現無(wu)法滿(man)足安全(quan)協議的通訊(xun)后，LOC自動切換到對(dui)應的備用信道，并上(shang)傳非法AP信息(xi)。以(yi)上(shang)措(cuo)施足以(yi)保(bao)證AP不被非法侵入，LOC不被黑基(ji)站非法侵入。對(dui)于有線控制系(xi)統(tong)和無(wu)線控制系(xi)統(tong)，安全(quan)層(ceng)面都能滿(man)足聚光集熱系(xi)統(tong)的安全(quan)性的需求。

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結束語

通過上(shang)述比較(jiao)，有線(xian)(xian)控制系統(tong)(tong)和(he)無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)控制系統(tong)(tong)在業(ye)務(wu)、功能、通訊、電(dian)源、可(ke)靠性、安全性上(shang)都能滿(man)足相關標(biao)準和(he)指標(biao)的(de)要求(qiu)。但無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)系統(tong)(tong)在經(jing)濟性和(he)效率上(shang)有著天然的(de)優勢：無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)系統(tong)(tong)避免了采(cai)用(yong)(yong)接地(di)要求(qiu)、防(fang)雷要求(qiu)，沒(mei)有長達上(shang)千(qian)公里的(de)線(xian)(xian)纜，大大節省了投資(zi)；無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)系統(tong)(tong)自供電(dian)模(mo)式，無(wu)(wu)(wu)需采(cai)用(yong)(yong)廠用(yong)(yong)電(dian)，節省了用(yong)(yong)電(dian)系統(tong)(tong)的(de)投資(zi)；調(diao)試，如果(guo)采(cai)用(yong)(yong)有線(xian)(xian)系統(tong)(tong)，需要每個定日鏡調(diao)通，并且保證線(xian)(xian)通、電(dian)通，這是一個非(fei)常大的(de)工(gong)程量，對(dui)施工(gong)質量、施工(gong)時間、工(gong)作面都有要求(qiu)。

而無(wu)(wu)線(xian)(xian)系統(tong)，是一(yi)(yi)個(ge)(ge)產品(pin)，在工(gong)廠內(nei)裝(zhuang)配完成后(hou)，無(wu)(wu)需(xu)施工(gong)，無(wu)(wu)需(xu)調試(shi)；緊急(ji)狀(zhuang)態處(chu)置，有(you)線(xian)(xian)控制是單(dan)一(yi)(yi)控制，緊急(ji)指令是一(yi)(yi)臺一(yi)(yi)臺下發的(de)(de)(de)。無(wu)(wu)線(xian)(xian)方式采用廣播方式，所有(you)的(de)(de)(de)定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)同一(yi)(yi)時(shi)間收(shou)到；無(wu)(wu)線(xian)(xian)定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)產品(pin)，而不是工(gong)程(cheng)，每個(ge)(ge)都是獨(du)立(li)的(de)(de)(de)個(ge)(ge)體，故(gu)障了(le)就(jiu)修，不像有(you)線(xian)(xian)系統(tong)即需(xu)要排查網絡、供電，也需(xu)要排查定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)，從維護角度上來說，管幾(ji)萬個(ge)(ge)獨(du)立(li)的(de)(de)(de)產品(pin)比管理(li)一(yi)(yi)個(ge)(ge)龐(pang)大(da)的(de)(de)(de)系統(tong)簡單(dan)得多，隨(sui)著技術的(de)(de)(de)進步預期(qi)無(wu)(wu)線(xian)(xian)鏡(jing)場控制系統(tong)將得到更廣泛的(de)(de)(de)應用。

| 作者：陳昊

| 研究方向：塔式太陽能系(xi)統(tong)設計與(yu)控制系(xi)統(tong)

| 原標題(ti)：塔式光熱電站(zhan)有線與無(wu)線鏡場(chang)控制系統(tong)對比

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