摘要：塔式太阳能光热电站存在上万甚至几万的定日镜，每一个定日镜至少包含6个控制和感知节点，具有数量多、传输数据远、传输数据量小的特点。研究了传统且成熟的有线镜场控制系统，同时提出了一种新型的无线镜场控制系统，通过两个控制系统的对比，得出结论如下：有线控制系统和无线控制系统在业务、功能、通讯、电源、可靠性、安全性上都能满足相关标准和指标的要求，但无线系统在经济性和效率上有着天然的优势。

太阳能光热发电站是对新能源利用的一种，也是国家未来发电方向重要的最具有潜力的技术之一。实现塔式太阳能光热发电的基础条件是定日镜能有效反射太阳光到吸热塔上，所以定日镜控制设计非常重要，定日镜控制是否科学有效将直接决定定日镜场的工作有效性，直接影响太阳能光热发电的实现[1-3]。本文以镜场控制系统为研究方向，分别设计了一种传统且成熟的有线镜场控制系统以及未来发展趋势的无线镜场控制系统，从设计原则、业务、功能、通讯、电源、可靠性、安全性等多方面进行对比。

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镜场控制系统概述

定日镜控制系统由镜场上位机系统、镜场通讯网络以及定日镜就地控制器构成。

其中上位机包括：镜场操作员站、镜场值长站、网络监控站、镜场分析工作站、服务器柜等设备。镜场通讯网络包括：电控网络柜、变压站设备；定日镜就地控制站包括就地控制器等设备。

定日镜控制系统主要负责镜场的日常运行管理，主要包括以下功能。

第一，在正常追日中，能稳定准确地提供太阳光给吸热器；

第二，在开场阶段，可以提供部分太阳光给吸热器，使吸热器温度缓慢上升到工作温度；

第三，在正常运行过程中，少量定日镜可以同时进行清洗和运维调试；

第四，能流密度监控，用于实时测量吸热器表面的温度分布情况，通过调节定日镜指向点，改变吸热器的局部高温情况；

第五，出现紧急状况时，能够采取紧急措施来避免对系统造成的危害。

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有线镜场控制系统设计

2.1设计原则

一个光热系统存在上万甚至几万的定日镜，每一个定日镜至少包含6个控制和感知节点，为了确保系统的性能和稳定性，需要一个高度集成且复杂的系统。在这个系统中，性能强大的上位机扮演着大脑的角色，负责接收、处理并发送各种控制指令。通过高质量、低成本的电缆和光纤高效传输给几百米到几公里外的定日镜，并实时执行，形成了一个完整的控制闭环。

2.2设计方案概述

镜场有线控制系统通过若干群组服务器控制定日镜。每个群组服务器负责其控制范围内的定日镜的通讯。镜场通讯网络主要由核心接入层网络、网关层（亦称为群组服务器）和通讯链路构成。

核心接入层，包括核心交换机、接入交换机及防火墙。接入交换机，下行由光纤连接网关层，上行连接核心交换机。

网关层，由几十组网关组成，每台网关备份接入层交换机中。供电系统上，镜场内设置多台变压站、几十个定日镜电控柜，每个变压站平均分管多个电控柜，每个变压站内安装UPS直流电源系统，有线系统示意图如图1所示。

图1有线镜场控制系统示意图

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无线镜场控制系统设计

3.1设计原则

对于理想的定日镜，其应该可以处理与定日镜本体运动相关的所有事务，包括感知、计算、控制、管理、分析，甚至具备自我学习的能力。上位机只需要进行宏观管理和宏观要求。这样一个上下位的架构可以大大减少上下位机的通讯量、通讯时间、通讯品质、通讯频次[4-6]。

根据这样一个定日镜的功能设计，上位机无需计算定日镜的角度，无需实时获取定日镜数据，所有与定日镜运行相关的工作，全部交给定日镜就地控制器。在紧急状态下，镜场控制系统也能快速发布紧急指令，定日镜能够立刻执行[7-8]。基于此，提出了基于标准2.4GHz的无线通讯方案，正常运行模式下采用分时通讯的机制，当发生紧急状态时，通过广播方式发送指令给每台定日镜。

3.2设计方案概述

无线控制系统架构基于无线定日镜控制器模块。镜场无线控制系统将定日镜分配给特定的接入点（以下简称AP），与其指定的通讯盒进行无线通讯。常规模式下定日镜采用分时分组完成与服务器的通讯。紧急状态下，采用广播信道进行全场广播。无线定日镜供电由其自身的光伏板供电，并为电池充电。在无线覆盖上，确保每个就地控制器都能至少找到一个接入点。通过设置不同的频点，避免同频干扰，保证无线通信的稳定性。无线系统的示意图如图2所示。

图2无线镜场控制系统示意图

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设计方案对比

4.1定日镜本体对比

有线定日镜，分线盒固定在定日镜立柱上，电缆主线和控制电缆主线从分线盒内引出电缆支线和控制电缆支线，与就地控制器相连接，通过交流系统直接给定日镜供电，在定日镜就地进行电源适配。

无线定日镜，定日镜自身带有光伏板和电池，可以减少电站的用电率，对于定日镜的光伏板选型和电池选型，需要满足定日镜本身的功耗需求、包括紧急散焦状态下的极端功耗需求。

对于西部可能出现的寒冷天气，需要对电池进行额外的低温环境下的测试，以满足定日镜的功耗要求。单台定日镜的结构本体基本相同。功能上，所有的定日镜本体业务管理、运动控制、误差修正计算等由就地控制器自主完成。

4.2通讯可靠性

有线镜场通讯采用RS-485的通讯方式，上位机发送指令时从通讯链路上的第一台定日镜开始，依次往后面的定日镜发送，定日镜接收到指令后，再依次返回当前定日镜的状态。通过设置冗余的网关来保证系统的可靠性，在每一个电控柜设置1用1备的网关，在一个网关故障的情况下，依旧可以维持工作。

无线控制的定日镜在正常运行时，采用分时通讯的机制，定日镜定时传回定日镜自身的状态，接收新的计划性指令或者新的配置信息等。当发生紧急状态时，镜场控制系统通过广播的方式发送指令给每台定日镜。

设置了多种的冗余功能来维持系统的工作：

通讯链路的冗余：每个LOC被多个AP所覆盖，形成1主多备的机制，如果LOC连接主AP失败，则会连接备份AP；

AP的冗余：每座基站塔采用4主1备的AP设备，其中4台主要AP为定向AP，备用AP为全向AP，当某个主AP失效，会自动打开备用AP。

对于有线控制系统和无线控制系统，通讯层面都能满足聚光集热系统的安全、高效运行的需求，只是实现的方式不一致。

4.3安全性

在核心网络上，有线系统和无线系统的安全配置是相同的：在接入层网络和主控制网络之间配置一套工业防火墙，用于监听核心交换机上的端口，确保上行数据处于受控状态，一旦出现网络异常，则会在网络监控站告警；通过在核心交换机划分VLAN，确保各个子网段相对独立，互不干扰；上位机在运行时对吸热器表面能流密度分布进行监控，发生紧急状态时，镜场控制系统发送紧急指令。

对于无线系统，AP和就地控制器的安全性表现为：AP对登录采用白名单制，只有对应的定日镜才能发现；无线网络中只允许进行特定格式的消息，其他TCP和UDP协议层信息全部被屏蔽；就地控制器只接受特定的信息格式，每个信息包含了校验码和密钥。

当多次出现无法满足安全协议的通讯后，LOC自动切换到对应的备用信道，并上传非法AP信息。以上措施足以保证AP不被非法侵入，LOC不被黑基站非法侵入。对于有线控制系统和无线控制系统，安全层面都能满足聚光集热系统的安全性的需求。

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结束语

通过上述比较，有线控制系统和无线控制系统在业务、功能、通讯、电源、可靠性、安全性上都能满足相关标准和指标的要求。但无线系统在经济性和效率上有着天然的优势：无线系统避免了采用接地要求、防雷要求，没有长达上千公里的线缆，大大节省了投资；无线系统自供电模式，无需采用厂用电，节省了用电系统的投资；调试，如果采用有线系统，需要每个定日镜调通，并且保证线通、电通，这是一个非常大的工程量，对施工质量、施工时间、工作面都有要求。

而无线系统，是一个产品，在工厂内装配完成后，无需施工，无需调试；紧急状态处置，有线控制是单一控制，紧急指令是一台一台下发的。无线方式采用广播方式，所有的定日镜同一时间收到；无线定日镜是一个产品，而不是工程，每个都是独立的个体，故障了就修，不像有线系统即需要排查网络、供电，也需要排查定日镜，从维护角度上来说，管几万个独立的产品比管理一个庞大的系统简单得多，随着技术的进步预期无线镜场控制系统将得到更广泛的应用。

| 作者：陈昊

| 研究方向：塔式太阳能系统设计与控制系统

| 原标题：塔式光热电站有线与无线镜场控制系统对比

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