MESH網(wǎng)絡(luò)的太陽能并機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)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(gè)完整的太陽能系統(tǒng)通常將多個(gè)太陽能控制器并機(jī)使用，以增強(qiáng)應(yīng)用效率，也就是太陽能并機(jī)系統(tǒng)。目前在太陽能并機(jī)系統(tǒng)中最常用的并機(jī)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(jī)單元出現(xiàn)故障很難快速有效的進(jìn)行維護(hù)。針對(duì)這種情況我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于MESH網(wǎng)絡(luò)的太陽能并機(jī)系統(tǒng)，將所有太陽能控制單元作為節(jié)點(diǎn)互相連接，這就解決了傳統(tǒng)并機(jī)系統(tǒng)中主機(jī)唯一的問題。我們?cè)趯?shí)際太陽能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)用來了本方法，大大減少了系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)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(jī)系統(tǒng)對(duì)太陽能進(jìn)行利用。每個(gè)太陽能并機(jī)系統(tǒng)均由多個(gè)太陽能控制單元并機(jī)組成，其中有一個(gè)太陽能控制單元負(fù)責(zé)對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，即為主機(jī)；其余太陽能控制單元接受主機(jī)下發(fā)的各項(xiàng)指令并實(shí)時(shí)反饋，即為從機(jī)。目前在太陽能并機(jī)系統(tǒng)中最常用的并機(jī)方式是基于RS485、RS232等有線的通訊連接方式，各個(gè)太陽能控制單元之間通過通訊電纜兩兩連接，布線復(fù)雜且不便于維護(hù)，容易出錯(cuò)。此外這種太陽能系統(tǒng)并機(jī)方式中作為主機(jī)的太陽能控制單元唯一且不能自動(dòng)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(jī)詩長期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下的，而一旦系統(tǒng)主機(jī)出現(xiàn)異常且機(jī)組中沒有新的主機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，就會(huì)直接影響整個(gè)太陽能系統(tǒng)的工作情況，影響太陽能系統(tǒng)的各項(xiàng)工作性指標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)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(duì)這些問題，我們提出了一種基于MESH網(wǎng)絡(luò)的太陽能并機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有太陽能并機(jī)系統(tǒng)由于有線網(wǎng)絡(luò)鏈接導(dǎo)致的布線復(fù)雜且維護(hù)不便，容易由于主機(jī)工作異常導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低的問題。

1 設(shè)計(jì)原理

MESH網(wǎng)絡(luò)即“多跳(multihop)”網(wǎng)絡(luò)，是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線局域網(wǎng)類型。MESH網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的從屬路由器系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)與無線中繼器不同，MESH網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都有多條連接通道互相連接，并最終可以形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某條線路出現(xiàn)故障無響應(yīng)時(shí)，MESH網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇其他線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障都不會(huì)影響整體網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，這就導(dǎo)致MESH網(wǎng)絡(luò)的可靠性非常高。因此在具體應(yīng)用中，太陽能控制單元就被視為MESH網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，太陽能單元兩兩間均可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而在網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題的時(shí)候，每個(gè)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(diǎn)構(gòu)成的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證整個(gè)太陽能系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)這種連接方式不需要通過復(fù)雜的有線線纜進(jìn)行布線，也方便進(jìn)行維護(hù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述MESH網(wǎng)絡(luò)的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于MESH網(wǎng)絡(luò)的太陽能并機(jī)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(shí)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(luò)中接收到更換主機(jī)的命令。在實(shí)際應(yīng)用中，整個(gè)太陽能并機(jī)系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)和若干個(gè)從機(jī)組成，主機(jī)與從機(jī)、從機(jī)與從機(jī)之間相互通信連接形成MESH網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)作為主機(jī)的太陽能控制單元出現(xiàn)異常時(shí)，從機(jī)能通過通信網(wǎng)絡(luò)接收更換主機(jī)的指令，自動(dòng)更換為新的主機(jī)，同時(shí)原異常的主機(jī)在發(fā)出指令后自動(dòng)更換為從機(jī)，最后整個(gè)太陽能系統(tǒng)以新的主機(jī)控制整個(gè)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(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其流程框圖如圖1所示。當(dāng)太陽能并機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)單元無法正常工作時(shí)，該主機(jī)單元會(huì)把包含更換主機(jī)命令的數(shù)據(jù)包發(fā)送至MESH網(wǎng)絡(luò)，并在發(fā)送命令后更換為從機(jī)表示。隨后并機(jī)系統(tǒng)中的太陽能控制單元從MESH網(wǎng)絡(luò)中獲取前主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包中的更換主機(jī)指令。在系統(tǒng)中其他控制單元接收到主機(jī)更換指令后，各控制單元首先要進(jìn)行自檢，判斷自身電壓值、溫度保護(hù)、電流采樣、過流保護(hù)均正常，隨后才可進(jìn)入到主機(jī)更換操作。由于不同太陽能控制器在MASH網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的地址值不同，本系統(tǒng)中設(shè)定的主機(jī)更換操作為令除原主機(jī)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(luò)中的地址與損壞的原主機(jī)地址相同則停止遞減，同時(shí)該控制器變?yōu)橄到y(tǒng)中的新主機(jī)。

圖1 太陽能并機(jī)系統(tǒng)流程圖

在我們?cè)O(shè)計(jì)的太陽能并機(jī)系統(tǒng)中信息發(fā)送過程如圖2所示。圖中并機(jī)信息包括各并機(jī)的數(shù)據(jù)包和更換主機(jī)命令的數(shù)據(jù)包。假設(shè)系統(tǒng)主機(jī)每兩次發(fā)送相關(guān)信息的時(shí)間為T，當(dāng)并機(jī)信息中的數(shù)據(jù)包包含更換主機(jī)指令時(shí)，則在時(shí)間為T/2時(shí)將自檢合格同時(shí)地址數(shù)值相符的從機(jī)更換為新的主機(jī)。同時(shí)原主機(jī)完成發(fā)送自身數(shù)據(jù)到MESH網(wǎng)絡(luò)的操作后更換為從機(jī)。

圖2 太陽能并機(jī)系統(tǒng)信息發(fā)送示意圖

本文主要實(shí)現(xiàn)了一種可隨時(shí)更換主機(jī)的太陽能并機(jī)系統(tǒng)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，也為太陽能系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了可靠的途徑。目前本并機(jī)系統(tǒng)已應(yīng)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(hù)所需的時(shí)間和成本。此外，由于MESH網(wǎng)絡(luò)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(huì)很高，因此我們?cè)谖磥硌芯恐袝?huì)進(jìn)一步討論用winet等cofdm調(diào)制的MESH網(wǎng)絡(luò)與太陽能系統(tǒng)的結(jié)合，以減少由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致的延遲和網(wǎng)絡(luò)容量等問題。