深圳碩日新能源科技有限公司 陳 勇

太陽能作為一種可再生能源已被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，一個完整的太陽能系統(tǒng)通常將多個太陽能控制器并機使用，以增強應用效率，也就是太陽能并機系統(tǒng)。目前在太陽能并機系統(tǒng)中最常用的并機方式是基于RS485、RS232等有線的通訊連接方式，而這種連接方式一旦系統(tǒng)中的主機單元出現(xiàn)故障很難快速有效的進行維護。針對這種情況我們設計了一種基于MESH網(wǎng)絡的太陽能并機系統(tǒng)，將所有太陽能控制單元作為節(jié)點互相連接，這就解決了傳統(tǒng)并機系統(tǒng)中主機唯一的問題。我們在實際太陽能系統(tǒng)的設計中也應用來了本方法，大大減少了系統(tǒng)維護的時間和成本。

太陽能是目前常用的一種清潔能源，我們通常在日照充足的地方通過搭建太陽能并機系統(tǒng)對太陽能進行利用。每個太陽能并機系統(tǒng)均由多個太陽能控制單元并機組成，其中有一個太陽能控制單元負責對整體系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制，即為主機；其余太陽能控制單元接受主機下發(fā)的各項指令并實時反饋，即為從機。目前在太陽能并機系統(tǒng)中最常用的并機方式是基于RS485、RS232等有線的通訊連接方式，各個太陽能控制單元之間通過通訊電纜兩兩連接，布線復雜且不便于維護，容易出錯。此外這種太陽能系統(tǒng)并機方式中作為主機的太陽能控制單元唯一且不能自動變更，控制不靈活。由于系統(tǒng)環(huán)境、控制器硬件等各種因素的影響，我們很難保證太陽能系統(tǒng)的主機詩長期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下的，而一旦系統(tǒng)主機出現(xiàn)異常且機組中沒有新的主機對系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制，就會直接影響整個太陽能系統(tǒng)的工作情況，影響太陽能系統(tǒng)的各項工作性指標，進而導致整個太陽能系統(tǒng)癱瘓。而如前文所說，這種情況下的維修又比較困難。針對這些問題，我們提出了一種基于MESH網(wǎng)絡的太陽能并機控制系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有太陽能并機系統(tǒng)由于有線網(wǎng)絡鏈接導致的布線復雜且維護不便，容易由于主機工作異常導致系統(tǒng)性能降低的問題。

1 設計原理

MESH網(wǎng)絡即“多跳(multihop)”網(wǎng)絡，是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線局域網(wǎng)類型。MESH網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)的從屬路由器系統(tǒng)，其節(jié)點與無線中繼器不同，MESH網(wǎng)絡的所有節(jié)點都有多條連接通道互相連接，并最終可以形成一個整體的網(wǎng)絡。當網(wǎng)絡中的某條線路出現(xiàn)故障無響應時，MESH網(wǎng)絡可以根據(jù)系統(tǒng)的實際情況選擇其他線路進行數(shù)據(jù)傳輸，因此任何節(jié)點出現(xiàn)故障都不會影響整體網(wǎng)絡的運行，這就導致MESH網(wǎng)絡的可靠性非常高。因此在具體應用中，太陽能控制單元就被視為MESH網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，太陽能單元兩兩間均可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而在網(wǎng)絡的某個節(jié)點出現(xiàn)問題的時候，每個太陽能控制單元的數(shù)據(jù)仍可通過系統(tǒng)的其他節(jié)點構(gòu)成的通道進行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證整個太陽能系統(tǒng)的正常工作。同時這種連接方式不需要通過復雜的有線線纜進行布線，也方便進行維護。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)上述MESH網(wǎng)絡的原理，我們設計了基于MESH網(wǎng)絡的太陽能并機系統(tǒng)，包括太陽能控制單元和具有MESH功能的無線通信模塊。其中無線通信模塊用于實現(xiàn)各控制單元間的指令傳輸，即使得控制單元可以從MESH網(wǎng)絡中接收到更換主機的命令。在實際應用中，整個太陽能并機系統(tǒng)由一個主機和若干個從機組成，主機與從機、從機與從機之間相互通信連接形成MESH網(wǎng)絡。當作為主機的太陽能控制單元出現(xiàn)異常時，從機能通過通信網(wǎng)絡接收更換主機的指令，自動更換為新的主機，同時原異常的主機在發(fā)出指令后自動更換為從機，最后整個太陽能系統(tǒng)以新的主機控制整個系統(tǒng)的工作，從而保證太陽能系統(tǒng)的正常工作。

在太陽能并機系統(tǒng)運行時，其流程框圖如圖1所示。當太陽能并機系統(tǒng)的主機單元無法正常工作時，該主機單元會把包含更換主機命令的數(shù)據(jù)包發(fā)送至MESH網(wǎng)絡，并在發(fā)送命令后更換為從機表示。隨后并機系統(tǒng)中的太陽能控制單元從MESH網(wǎng)絡中獲取前主機發(fā)送的數(shù)據(jù)包中的更換主機指令。在系統(tǒng)中其他控制單元接收到主機更換指令后，各控制單元首先要進行自檢，判斷自身電壓值、溫度保護、電流采樣、過流保護均正常，隨后才可進入到主機更換操作。由于不同太陽能控制器在MASH網(wǎng)絡中對應的地址值不同，本系統(tǒng)中設定的主機更換操作為令除原主機外所有自檢合格的單元控制器地址遞減，直至某控制器在MASH網(wǎng)絡中的地址與損壞的原主機地址相同則停止遞減，同時該控制器變?yōu)橄到y(tǒng)中的新主機。

圖1 太陽能并機系統(tǒng)流程圖

在我們設計的太陽能并機系統(tǒng)中信息發(fā)送過程如圖2所示。圖中并機信息包括各并機的數(shù)據(jù)包和更換主機命令的數(shù)據(jù)包。假設系統(tǒng)主機每兩次發(fā)送相關(guān)信息的時間為T，當并機信息中的數(shù)據(jù)包包含更換主機指令時，則在時間為T/2時將自檢合格同時地址數(shù)值相符的從機更換為新的主機。同時原主機完成發(fā)送自身數(shù)據(jù)到MESH網(wǎng)絡的操作后更換為從機。

圖2 太陽能并機系統(tǒng)信息發(fā)送示意圖

本文主要實現(xiàn)了一種可隨時更換主機的太陽能并機系統(tǒng)，具有很高的應用價值，也為太陽能系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)應用提供了可靠的途徑。目前本并機系統(tǒng)已應用于深圳碩日新能源科技有限公司的各太陽能系統(tǒng)中，均表現(xiàn)良好，大大減少了維修維護所需的時間和成本。此外，由于MESH網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)每次轉(zhuǎn)發(fā)都有一定的延遲，在多次轉(zhuǎn)發(fā)后系統(tǒng)的延遲會很高，因此我們在未來研究中會進一步討論用winet等cofdm調(diào)制的MESH網(wǎng)絡與太陽能系統(tǒng)的結(jié)合，以減少由于網(wǎng)絡節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)導致的延遲和網(wǎng)絡容量等問題。