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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。

太陽能光熱發電站是對新能源利用的一種，也是國家未來發電方向重要的最具有潛力的技術之一。實現塔式太陽能光熱發電的基礎條件是定日鏡能有效反射太陽光到吸熱塔上，所以定日鏡控制設計非常重要，定日鏡控制是否科學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電的實現[1-3]。本文以鏡場控制系統為研究方向，分別設計了一種傳統且成熟的有線鏡場控制系統以及未來發展趨勢的無線鏡場控制系統，從設計原則、業務、功能、通訊、電源、可靠性、安全性等多方面進行對比。

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鏡場控制系統概述

定日鏡控制系統由鏡場上位機系統、鏡場通訊網絡以及定日鏡就地控制器構成。

其中上位機包括：鏡場操作員站、鏡場值長站、網絡監控站、鏡場分析工作站、服務器柜等設備。鏡場通訊網絡包括：電控網絡柜、變壓站設備；定日鏡就地控制站包括就地控制器等設備。

定日鏡控制系統主要負責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，能穩定準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試；

第四，能流密度監控，用于實時測量吸熱器表面的溫度分布情況，通過調節定日鏡指向點，改變吸熱器的局部高溫情況；

第五，出現緊急狀況時，能夠采取緊急措施來避免對系統造成的危害。

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有線鏡場控制系統設計

2.1設計原則

一個光熱系統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，為了確保系統的性能和穩定性，需要一個高度集成且復雜的系統。在這個系統中，性能強大的上位機扮演著大腦的角色，負責接收、處理并發送各種控制指令。通過高質量、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，并實時執行，形成了一個完整的控制閉環。

2.2設計方案概述

鏡場有線控制系統通過若干群組服務器控制定日鏡。每個群組服務器負責其控制范圍內的定日鏡的通訊。鏡場通訊網絡主要由核心接入層網絡、網關層（亦稱為群組服務器）和通訊鏈路構成。

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，下行由光纖連接網關層，上行連接核心交換機。

網關層，由幾十組網關組成，每臺網關備份接入層交換機中。供電系統上，鏡場內設置多臺變壓站、幾十個定日鏡電控柜，每個變壓站平均分管多個電控柜，每個變壓站內安裝UPS直流電源系統，有線系統示意圖如圖1所示。

圖1有線鏡場控制系統示意圖

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無線鏡場控制系統設計

3.1設計原則

對于理想的定日鏡，其應該可以處理與定日鏡本體運動相關的所有事務，包括感知、計算、控制、管理、分析，甚至具備自我學習的能力。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可以大大減少上下位機的通訊量、通訊時間、通訊品質、通訊頻次[4-6]。

根據這樣一個定日鏡的功能設計，上位機無需計算定日鏡的角度，無需實時獲取定日鏡數據，所有與定日鏡運行相關的工作，全部交給定日鏡就地控制器。在緊急狀態下，鏡場控制系統也能快速發布緊急指令，定日鏡能夠立刻執行[7-8]。基于此，提出了基于標準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，當發生緊急狀態時，通過廣播方式發送指令給每臺定日鏡。

3.2設計方案概述

無線控制系統架構基于無線定日鏡控制器模塊。鏡場無線控制系統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。常規模式下定日鏡采用分時分組完成與服務器的通訊。緊急狀態下，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。通過設置不同的頻點，避免同頻干擾，保證無線通信的穩定性。無線系統的示意圖如圖2所示。

圖2無線鏡場控制系統示意圖

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設計方案對比

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、包括緊急散焦狀態下的極端功耗需求。

對于西部可能出現的寒冷天氣，需要對電池進行額外的低溫環境下的測試，以滿足定日鏡的功耗要求。單臺定日鏡的結構本體基本相同。功能上，所有的定日鏡本體業務管理、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

有線鏡場通訊采用RS-485的通訊方式，上位機發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送，定日鏡接收到指令后，再依次返回當前定日鏡的狀態。通過設置冗余的網關來保證系統的可靠性，在每一個電控柜設置1用1備的網關，在一個網關故障的情況下，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，接收新的計劃性指令或者新的配置信息等。當發生緊急狀態時，鏡場控制系統通過廣播的方式發送指令給每臺定日鏡。

設置了多種的冗余功能來維持系統的工作：

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設備，其中4臺主要AP為定向AP，備用AP為全向AP，當某個主AP失效，會自動打開備用AP。

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

4.3安全性

在核心網絡上，有線系統和無線系統的安全配置是相同的：在接入層網絡和主控制網絡之間配置一套工業防火墻，用于監聽核心交換機上的端口，確保上行數據處于受控狀態，一旦出現網絡異常，則會在網絡監控站告警；通過在核心交換機劃分VLAN，確保各個子網段相對獨立，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控，發生緊急狀態時，鏡場控制系統發送緊急指令。

對于無線系統，AP和就地控制器的安全性表現為：AP對登錄采用白名單制，只有對應的定日鏡才能發現；無線網絡中只允許進行特定格式的消息，其他TCP和UDP協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。

當多次出現無法滿足安全協議的通訊后，LOC自動切換到對應的備用信道，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。對于有線控制系統和無線控制系統，安全層面都能滿足聚光集熱系統的安全性的需求。

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結束語

通過上述比較，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：無線系統避免了采用接地要求、防雷要求，沒有長達上千公里的線纜，大大節省了投資；無線系統自供電模式，無需采用廠用電，節省了用電系統的投資；調試，如果采用有線系統，需要每個定日鏡調通，并且保證線通、電通，這是一個非常大的工程量，對施工質量、施工時間、工作面都有要求。

而無線系統，是一個產品，在工廠內裝配完成后，無需施工，無需調試；緊急狀態處置，有線控制是單一控制，緊急指令是一臺一臺下發的。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，不像有線系統即需要排查網絡、供電，也需要排查定日鏡，從維護角度上來說，管幾萬個獨立的產品比管理一個龐大的系統簡單得多，隨著技術的進步預期無線鏡場控制系統將得到更廣泛的應用。

| 作者：陳昊

| 研究方向：塔式太陽能系統設計與控制系統

| 原標題：塔式光熱電站有線與無線鏡場控制系統對比

參考文獻：

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