MESH网络的太阳能并机系统设计

2022-03-21版权声明我要投稿

  太阳能作为一种可再生能源已被广泛应用于工农业生产及日常生活中。在工农业生产中,一个完整的太阳能系统通常将多个太阳能控制器并机使用,以增强应用效率,也就是太阳能并机系统。目前在太阳能并机系统中最常用的并机方式是基于RS485、RS232等有线的通讯连接方式,而这种连接方式一旦系统中的主机单元出现故障很难快速有效的进行维护。针对这种情况我们设计了一种基于MESH网络的太阳能并机系统,将所有太阳能控制单元作为节点互相连接,这就解决了传统并机系统中主机唯一的问题。我们在实际太阳能系统的设计中也应用来了本方法,大大减少了系统维护的时间和成本。

  太阳能是目前常用的一种清洁能源,我们通常在日照充足的地方通过搭建太阳能并机系统对太阳能进行利用。每个太阳能并机系统均由多个太阳能控制单元并机组成,其中有一个太阳能控制单元负责对整体系统进行统一控制,即为主机;其余太阳能控制单元接受主机下发的各项指令并实时反馈,即为从机。目前在太阳能并机系统中最常用的并机方式是基于RS485、RS232等有线的通讯连接方式,各个太阳能控制单元之间通过通讯电缆两两连接,布线复杂且不便于维护,容易出错。此外这种太阳能系统并机方式中作为主机的太阳能控制单元唯一且不能自动变更,控制不灵活。由于系统环境、控制器硬件等各种因素的影响,我们很难保证太阳能系统的主机诗长期处于稳定工作状态下的,而一旦系统主机出现异常且机组中没有新的主机对系统进行统一控制,就会直接影响整个太阳能系统的工作情况,影响太阳能系统的各项工作性指标,进而导致整个太阳能系统瘫痪。而如前文所说,这种情况下的维修又比较困难。针对这些问题,我们提出了一种基于MESH网络的太阳能并机控制系统及其控制方法,以解决现有太阳能并机系统由于有线网络链接导致的布线复杂且维护不便,容易由于主机工作异常导致系统性能降低的问题。

1设计原理

  MESH网络即“多跳(multihop)”网络,是一种网状结构的无线局域网类型。MESH网络不同于传统的从属路由器系统,其节点与无线中继器不同,MESH网络的所有节点都有多条连接通道互相连接,并最终可以形成一个整体的网络。当网络中的某条线路出现故障无响应时,MESH网络可以根据系统的实际情况选择其他线路进行数据传输,因此任何节点出现故障都不会影响整体网络的运行,这就导致MESH网络的可靠性非常高。因此在具体应用中,太阳能控制单元就被视为MESH网络中的一个节点,太阳能单元两两间均可通过网络实现数据传输,而在网络的某个节点出现问题的时候,每个太阳能控制单元的数据仍可通过系统的其他节点构成的通道进行数据传输,从而保证整个太阳能系统的正常工作。同时这种连接方式不需要通过复杂的有线线缆进行布线,也方便进行维护。

2系统设计

  根据上述MESH网络的原理,我们设计了基于MESH网络的太阳能并机系统,包括太阳能控制单元和具有MESH功能的无线通信模块。其中无线通信模块用于实现各控制单元间的指令传输,即使得控制单元可以从MESH网络中接收到更换主机的命令。在实际应用中,整个太阳能并机系统由一个主机和若干个从机组成,主机与从机、从机与从机之间相互通信连接形成MESH网络。当作为主机的太阳能控制单元出现异常时,从机能通过通信网络接收更换主机的指令,自动更换为新的主机,同时原异常的主机在发出指令后自动更换为从机,最后整个太阳能系统以新的主机控制整个系统的工作,从而保证太阳能系统的正常工作。

  在太阳能并机系统运行时,其流程框图如图1所示。当太阳能并机系统的主机单元无法正常工作时,该主机单元会把包含更换主机命令的数据包发送至MESH网络,并在发送命令后更换为从机表示。随后并机系统中的太阳能控制单元从MESH网络中获取前主机发送的数据包中的更换主机指令。在系统中其他控制单元接收到主机更换指令后,各控制单元首先要进行自检,判断自身电压值、温度保护、电流采样、过流保护均正常,随后才可进入到主机更换操作。由于不同太阳能控制器在MASH网络中对应的地址值不同,本系统中设定的主机更换操作为令除原主机外所有自检合格的单元控制器地址递减,直至某控制器在MASH网络中的地址与损坏的原主机地址相同则停止递减,同时该控制器变为系统中的新主机。

  在我们设计的太阳能并机系统中信息发送过程如图2所示。图中并机信息包括各并机的数据包和更换主机命令的数据包。假设系统主机每两次发送相关信息的时间为T,当并机信息中的数据包包含更换主机指令时,则在时间为T/2时将自检合格同时地址数值相符的从机更换为新的主机。同时原主机完成发送自身数据到MESH网络的操作后更换为从机。

  本文主要实现了一种可随时更换主机的太阳能并机系统,具有很高的应用价值,也为太阳能系统在工农业应用提供了可靠的途径。目前本并机系统已应用于深圳硕日新能源科技有限公司的各太阳能系统中,均表现良好,大大减少了维修维护所需的时间和成本。此外,由于MESH网络中数据每次转发都有一定的延迟,在多次转发后系统的延迟会很高,因此我们在未来研究中会进一步讨论用winet等cofdm调制的MESH网络与太阳能系统的结合,以减少由于网络节点转发导致的延迟和网络容量等问题。

作者:陈勇 单位:深圳硕日新能源科技有限公司

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