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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。

太陽能(neng)(neng)光(guang)熱發(fa)電站(zhan)是(shi)對新能(neng)(neng)源利(li)用的(de)(de)(de)一種，也是(shi)國(guo)家未(wei)(wei)來(lai)發(fa)電方(fang)向(xiang)重要(yao)的(de)(de)(de)最具(ju)有(you)潛力的(de)(de)(de)技術之一。實現(xian)塔(ta)式太陽能(neng)(neng)光(guang)熱發(fa)電的(de)(de)(de)基礎條件是(shi)定日鏡能(neng)(neng)有(you)效(xiao)反(fan)射太陽光(guang)到吸熱塔(ta)上，所以定日鏡控(kong)(kong)(kong)制設(she)計非常重要(yao)，定日鏡控(kong)(kong)(kong)制是(shi)否科學有(you)效(xiao)將直接決(jue)定定日鏡場(chang)(chang)的(de)(de)(de)工(gong)作有(you)效(xiao)性(xing)(xing)，直接影響太陽能(neng)(neng)光(guang)熱發(fa)電的(de)(de)(de)實現(xian)[1-3]。本(ben)文以鏡場(chang)(chang)控(kong)(kong)(kong)制系統為研(yan)究方(fang)向(xiang)，分(fen)別設(she)計了一種傳(chuan)統且(qie)成(cheng)熟的(de)(de)(de)有(you)線鏡場(chang)(chang)控(kong)(kong)(kong)制系統以及未(wei)(wei)來(lai)發(fa)展(zhan)趨勢的(de)(de)(de)無線鏡場(chang)(chang)控(kong)(kong)(kong)制系統，從設(she)計原則、業務、功能(neng)(neng)、通(tong)訊、電源、可靠性(xing)(xing)、安全性(xing)(xing)等多方(fang)面進行對比。

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鏡場控制系統概述

定日(ri)(ri)鏡(jing)控(kong)制系統由鏡(jing)場(chang)上位機(ji)系統、鏡(jing)場(chang)通訊網絡以及定日(ri)(ri)鏡(jing)就地控(kong)制器(qi)構成。

其中上(shang)位機(ji)包(bao)括：鏡(jing)場(chang)操作(zuo)員站(zhan)(zhan)(zhan)、鏡(jing)場(chang)值長站(zhan)(zhan)(zhan)、網絡(luo)監控站(zhan)(zhan)(zhan)、鏡(jing)場(chang)分析工作(zuo)站(zhan)(zhan)(zhan)、服務器柜等設(she)備(bei)。鏡(jing)場(chang)通(tong)訊網絡(luo)包(bao)括：電控網絡(luo)柜、變壓(ya)站(zhan)(zhan)(zhan)設(she)備(bei)；定日鏡(jing)就(jiu)地控制(zhi)站(zhan)(zhan)(zhan)包(bao)括就(jiu)地控制(zhi)器等設(she)備(bei)。

定日鏡控制系統主(zhu)要負責鏡場的日常運行管理，主(zhu)要包括以(yi)下(xia)功能(neng)。

第一，在正常追日(ri)中，能穩定準(zhun)確地(di)提供太陽光給吸熱器；

第二，在開場階段(duan)，可以提供部分太陽(yang)光(guang)給吸熱器(qi)，使吸熱器(qi)溫度緩慢上升到工作溫度；

第(di)三(san)，在(zai)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(di)四，能(neng)流(liu)密(mi)度(du)監控，用于實時測量吸熱器表面的溫(wen)度(du)分布情況(kuang)，通(tong)過調(diao)節定日鏡指向點(dian)，改(gai)變(bian)吸熱器的局部高溫(wen)情況(kuang)；

第五，出現緊急(ji)狀況時，能夠采取緊急(ji)措(cuo)施來避免對(dui)系統造成的危害。

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有線鏡場控制系統設計

2.1設計原則

一個(ge)光(guang)(guang)熱(re)系(xi)統(tong)(tong)存在(zai)上萬甚至幾萬的定日(ri)鏡，每(mei)一個(ge)定日(ri)鏡至少包(bao)含6個(ge)控(kong)制(zhi)和感知節點，為(wei)了確保系(xi)統(tong)(tong)的性能(neng)和穩定性，需要一個(ge)高度集(ji)成(cheng)且復雜的系(xi)統(tong)(tong)。在(zai)這個(ge)系(xi)統(tong)(tong)中，性能(neng)強大(da)的上位(wei)機扮演著大(da)腦的角色，負責接收、處(chu)理(li)并發送(song)各種控(kong)制(zhi)指令。通過高質量、低成(cheng)本(ben)的電纜和光(guang)(guang)纖(xian)高效(xiao)傳輸給幾百米到幾公里外的定日(ri)鏡，并實時執(zhi)行，形成(cheng)了一個(ge)完(wan)整的控(kong)制(zhi)閉(bi)環。

2.2設計方案概述

鏡(jing)場有線(xian)控制系統通(tong)過若干群組(zu)服務(wu)器控制定日鏡(jing)。每個群組(zu)服務(wu)器負責其控制范圍內的(de)(de)定日鏡(jing)的(de)(de)通(tong)訊(xun)。鏡(jing)場通(tong)訊(xun)網(wang)絡(luo)主要由核心接入層網(wang)絡(luo)、網(wang)關層（亦(yi)稱為群組(zu)服務(wu)器）和(he)通(tong)訊(xun)鏈路構成。

核(he)心接(jie)(jie)入層(ceng)，包括(kuo)核(he)心交(jiao)換機(ji)(ji)、接(jie)(jie)入交(jiao)換機(ji)(ji)及防火墻。接(jie)(jie)入交(jiao)換機(ji)(ji)，下行(xing)由光纖(xian)連接(jie)(jie)網(wang)關(guan)層(ceng)，上行(xing)連接(jie)(jie)核(he)心交(jiao)換機(ji)(ji)。

網(wang)關層，由(you)幾十組(zu)網(wang)關組(zu)成，每(mei)臺網(wang)關備份(fen)接入層交換機中(zhong)。供(gong)電系統上，鏡場內(nei)設(she)置多臺變(bian)壓站、幾十個(ge)定日鏡電控(kong)柜，每(mei)個(ge)變(bian)壓站平均分管多個(ge)電控(kong)柜，每(mei)個(ge)變(bian)壓站內(nei)安裝UPS直流電源系統，有線系統示意圖(tu)如圖(tu)1所(suo)示。

圖(tu)1有線鏡場控制(zhi)系統(tong)示意圖(tu)

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無線鏡場控制系統設計

3.1設計原則

對于理想的(de)定日鏡(jing)，其應(ying)該(gai)可(ke)以處理與定日鏡(jing)本體運動相關的(de)所有事務(wu)，包括感知、計算、控(kong)制(zhi)、管理、分析，甚(shen)至具備自我學習的(de)能力(li)。上位機(ji)只需要(yao)(yao)進(jin)行(xing)宏(hong)觀(guan)管理和(he)宏(hong)觀(guan)要(yao)(yao)求(qiu)。這樣一個上下位的(de)架構可(ke)以大大減少上下位機(ji)的(de)通訊(xun)量、通訊(xun)時間(jian)、通訊(xun)品質、通訊(xun)頻次[4-6]。

根據這(zhe)樣一個定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)功能設計，上位機(ji)無(wu)需計算定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)角度，無(wu)需實時獲取定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)數據，所(suo)有與(yu)定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)運(yun)行相關的(de)(de)工作，全(quan)部交給(gei)定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)就地控制器。在緊急(ji)(ji)狀態下，鏡(jing)(jing)場控制系統也能快速發(fa)(fa)布緊急(ji)(ji)指令(ling)，定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)能夠立刻執行[7-8]。基于此，提出了(le)基于標準2.4GHz的(de)(de)無(wu)線通訊方案，正常運(yun)行模式(shi)下采用分(fen)時通訊的(de)(de)機(ji)制，當發(fa)(fa)生(sheng)緊急(ji)(ji)狀態時，通過廣播方式(shi)發(fa)(fa)送指令(ling)給(gei)每(mei)臺定(ding)(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)。

3.2設計方案概述

無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)控(kong)制系統架(jia)構基(ji)于無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)定日(ri)鏡控(kong)制器(qi)模塊。鏡場無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)控(kong)制系統將定日(ri)鏡分(fen)配給特定的(de)(de)(de)接入點（以下(xia)簡稱AP），與其指定的(de)(de)(de)通(tong)訊盒進行(xing)無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)通(tong)訊。常規(gui)模式(shi)下(xia)定日(ri)鏡采用分(fen)時(shi)分(fen)組完成(cheng)與服務器(qi)的(de)(de)(de)通(tong)訊。緊急狀態下(xia)，采用廣播信道進行(xing)全場廣播。無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)定日(ri)鏡供電(dian)由其自(zi)身的(de)(de)(de)光伏板供電(dian)，并為電(dian)池充(chong)電(dian)。在無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)覆蓋上，確保每(mei)個就地控(kong)制器(qi)都能至少找到一個接入點。通(tong)過設置(zhi)不同的(de)(de)(de)頻(pin)點，避免同頻(pin)干擾，保證無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)通(tong)信的(de)(de)(de)穩(wen)定性。無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)系統的(de)(de)(de)示意圖如圖2所示。

圖(tu)2無線鏡(jing)場控制系統示意圖(tu)

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設計方案對比

4.1定日鏡本體對比

有線(xian)定(ding)(ding)(ding)日(ri)鏡，分線(xian)盒固定(ding)(ding)(ding)在定(ding)(ding)(ding)日(ri)鏡立柱上，電纜主(zhu)線(xian)和控制(zhi)電纜主(zhu)線(xian)從分線(xian)盒內引出電纜支線(xian)和控制(zhi)電纜支線(xian)，與就(jiu)地控制(zhi)器相連接(jie)，通過交流系(xi)統直接(jie)給(gei)定(ding)(ding)(ding)日(ri)鏡供電，在定(ding)(ding)(ding)日(ri)鏡就(jiu)地進行電源(yuan)適配。

無線定(ding)(ding)日鏡，定(ding)(ding)日鏡自身帶有光伏(fu)板(ban)和電(dian)池(chi)，可以減少電(dian)站(zhan)的(de)(de)用電(dian)率，對于定(ding)(ding)日鏡的(de)(de)光伏(fu)板(ban)選(xuan)型和電(dian)池(chi)選(xuan)型，需(xu)要滿足定(ding)(ding)日鏡本身的(de)(de)功耗(hao)需(xu)求(qiu)、包(bao)括緊(jin)急散焦狀態下(xia)的(de)(de)極(ji)端(duan)功耗(hao)需(xu)求(qiu)。

對于西部(bu)可能出現的(de)(de)寒冷天氣，需要對電池進行額外的(de)(de)低溫(wen)環境下(xia)的(de)(de)測(ce)試，以(yi)滿足定(ding)日鏡(jing)的(de)(de)功(gong)耗(hao)要求。單臺定(ding)日鏡(jing)的(de)(de)結構本體(ti)基本相同。功(gong)能上(shang)，所有的(de)(de)定(ding)日鏡(jing)本體(ti)業務管理、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(xian)鏡(jing)場通(tong)訊(xun)采用RS-485的(de)(de)通(tong)訊(xun)方(fang)式，上位機發(fa)送指(zhi)令(ling)時從通(tong)訊(xun)鏈路上的(de)(de)第一(yi)臺定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)開始(shi)，依次(ci)往后(hou)面的(de)(de)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)發(fa)送，定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)接收(shou)到(dao)指(zhi)令(ling)后(hou)，再依次(ci)返回當前定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)的(de)(de)狀態。通(tong)過(guo)設置冗(rong)余的(de)(de)網(wang)關來保證系統(tong)的(de)(de)可靠性(xing)，在(zai)每(mei)一(yi)個電控柜設置1用1備的(de)(de)網(wang)關，在(zai)一(yi)個網(wang)關故(gu)障的(de)(de)情(qing)況下，依舊(jiu)可以維持工作。

無線控制(zhi)(zhi)的(de)(de)定日(ri)(ri)鏡(jing)在正常運行時(shi)，采用分時(shi)通訊的(de)(de)機制(zhi)(zhi)，定日(ri)(ri)鏡(jing)定時(shi)傳回定日(ri)(ri)鏡(jing)自身(shen)的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，接收新的(de)(de)計劃性指令或(huo)者新的(de)(de)配置信息等。當發生緊急狀(zhuang)態(tai)時(shi)，鏡(jing)場控制(zhi)(zhi)系統(tong)通過廣播的(de)(de)方式(shi)發送指令給每臺定日(ri)(ri)鏡(jing)。

設置了多種的(de)冗余功(gong)能(neng)來(lai)維持系統的(de)工作：

通訊鏈路的冗余：每個LOC被多個AP所覆蓋(gai)，形(xing)成1主多備(bei)的機制，如(ru)果LOC連(lian)接主AP失敗，則(ze)會連(lian)接備(bei)份AP；

AP的冗余：每座基站塔采(cai)用4主1備的AP設備，其(qi)中4臺主要AP為定向AP，備用AP為全向AP，當某個主AP失效，會(hui)自動打開備用AP。

對于有線(xian)(xian)控(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統和無線(xian)(xian)控(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統，通訊層面都能(neng)滿足聚(ju)光集熱系(xi)(xi)統的(de)安(an)全、高效運行的(de)需求，只是實現(xian)的(de)方式不一致。

4.3安全性

在(zai)(zai)核心網絡(luo)(luo)上(shang)，有線系(xi)統(tong)(tong)和(he)無線系(xi)統(tong)(tong)的安(an)全配置是相(xiang)同的：在(zai)(zai)接入層網絡(luo)(luo)和(he)主(zhu)控(kong)制(zhi)網絡(luo)(luo)之(zhi)間配置一(yi)套工業防火(huo)墻(qiang)，用(yong)于監(jian)(jian)聽核心交換(huan)機上(shang)的端口，確保上(shang)行(xing)(xing)數據處于受控(kong)狀態(tai)，一(yi)旦出現網絡(luo)(luo)異常，則會在(zai)(zai)網絡(luo)(luo)監(jian)(jian)控(kong)站告警；通過在(zai)(zai)核心交換(huan)機劃分VLAN，確保各個子網段相(xiang)對獨(du)立，互不干擾；上(shang)位機在(zai)(zai)運行(xing)(xing)時對吸熱器表面(mian)能流密度(du)分布進行(xing)(xing)監(jian)(jian)控(kong)，發(fa)生緊(jin)急狀態(tai)時，鏡場控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)(tong)發(fa)送(song)緊(jin)急指令。

對(dui)(dui)于無(wu)線系統，AP和(he)就地(di)控制(zhi)器的(de)(de)安全性(xing)表現(xian)為：AP對(dui)(dui)登錄(lu)采用白名單制(zhi)，只有對(dui)(dui)應的(de)(de)定日(ri)鏡才(cai)能發(fa)現(xian)；無(wu)線網絡中(zhong)只允許(xu)進(jin)行(xing)特定格式的(de)(de)消息(xi)，其他TCP和(he)UDP協議層信息(xi)全部被屏蔽；就地(di)控制(zhi)器只接受特定的(de)(de)信息(xi)格式，每個(ge)信息(xi)包含了校(xiao)驗(yan)碼和(he)密(mi)鑰。

當多次出現無法滿(man)足(zu)安(an)全(quan)協議的(de)(de)通訊后，LOC自(zi)動切換到對(dui)應的(de)(de)備用信道(dao)，并上(shang)傳(chuan)非(fei)法AP信息。以(yi)上(shang)措(cuo)施(shi)足(zu)以(yi)保證(zheng)AP不(bu)被(bei)非(fei)法侵(qin)入(ru)(ru)，LOC不(bu)被(bei)黑(hei)基(ji)站非(fei)法侵(qin)入(ru)(ru)。對(dui)于有線控制系(xi)統和無線控制系(xi)統，安(an)全(quan)層面都(dou)能滿(man)足(zu)聚(ju)光集熱(re)系(xi)統的(de)(de)安(an)全(quan)性的(de)(de)需(xu)求(qiu)。

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結束語

通過上(shang)(shang)述(shu)比較，有(you)線(xian)(xian)(xian)(xian)控制(zhi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)和無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)(xian)控制(zhi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)在業務(wu)、功能、通訊、電源、可靠性(xing)(xing)、安全(quan)性(xing)(xing)上(shang)(shang)都能滿足(zu)相(xiang)關標準和指標的要(yao)(yao)求。但(dan)無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)(xian)系(xi)(xi)統(tong)(tong)在經濟性(xing)(xing)和效率上(shang)(shang)有(you)著(zhu)天(tian)然的優勢(shi)：無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)(xian)系(xi)(xi)統(tong)(tong)避免了采用(yong)接地要(yao)(yao)求、防(fang)雷要(yao)(yao)求，沒有(you)長達(da)上(shang)(shang)千公(gong)里(li)的線(xian)(xian)(xian)(xian)纜(lan)，大大節(jie)省(sheng)了投資；無(wu)(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)(xian)系(xi)(xi)統(tong)(tong)自供(gong)電模(mo)式，無(wu)(wu)(wu)需采用(yong)廠用(yong)電，節(jie)省(sheng)了用(yong)電系(xi)(xi)統(tong)(tong)的投資；調(diao)試，如果(guo)采用(yong)有(you)線(xian)(xian)(xian)(xian)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，需要(yao)(yao)每個定日鏡調(diao)通，并且保證(zheng)線(xian)(xian)(xian)(xian)通、電通，這是一(yi)個非常大的工程量，對施(shi)工質(zhi)量、施(shi)工時間、工作面都有(you)要(yao)(yao)求。

而無(wu)線(xian)(xian)系統，是一(yi)(yi)個(ge)產(chan)品，在工廠內裝配完(wan)成后，無(wu)需(xu)(xu)(xu)施工，無(wu)需(xu)(xu)(xu)調試；緊急狀態處置(zhi)，有(you)線(xian)(xian)控(kong)制是單一(yi)(yi)控(kong)制，緊急指令是一(yi)(yi)臺(tai)一(yi)(yi)臺(tai)下發的(de)。無(wu)線(xian)(xian)方式(shi)采用廣(guang)播方式(shi)，所(suo)有(you)的(de)定日(ri)鏡(jing)同一(yi)(yi)時間收到(dao)；無(wu)線(xian)(xian)定日(ri)鏡(jing)是一(yi)(yi)個(ge)產(chan)品，而不是工程，每個(ge)都是獨立的(de)個(ge)體(ti)，故障了就修，不像有(you)線(xian)(xian)系統即(ji)需(xu)(xu)(xu)要排(pai)查網絡、供(gong)電，也需(xu)(xu)(xu)要排(pai)查定日(ri)鏡(jing)，從(cong)維(wei)護角(jiao)度上來說，管(guan)幾萬個(ge)獨立的(de)產(chan)品比(bi)管(guan)理一(yi)(yi)個(ge)龐大的(de)系統簡單得(de)(de)多，隨著(zhu)技術(shu)的(de)進步預(yu)期無(wu)線(xian)(xian)鏡(jing)場控(kong)制系統將得(de)(de)到(dao)更廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用。

| 作者：陳昊

| 研究方向：塔式太陽能系(xi)統設計與(yu)控制(zhi)系(xi)統

| 原標題：塔(ta)式光熱電站有線與無線鏡場(chang)控制系統對比

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