基于EtherCAT總線的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理系統(tǒng)

沈潤 吳斌 王廣佳

摘 要：介紹了EtherCAT總線的技術(shù)特點(diǎn)與性能優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)介紹了倍福的EtherCAT模塊的分類與功能，并通過該端子模塊實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的二次系統(tǒng)建構(gòu)建，采集微電網(wǎng)能量管理中所需的電網(wǎng)信息，并通過微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（MEMS）實(shí)現(xiàn)能量的管理和調(diào)度，并且可以通過web界面遠(yuǎn)程訪問微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，達(dá)到了較好的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：EtherCAT；CX8090；EtherCAT端子模塊；微電網(wǎng)；能量管理

微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制比常規(guī)配電網(wǎng)更加依賴于實(shí)時(shí)信息的處理，其對傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性要求更高，因此通信系統(tǒng)對于微電網(wǎng)來說至關(guān)重要[1]。

目前微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)工程普遍采用歐盟提出的微電網(wǎng)構(gòu)架模型，系統(tǒng)中負(fù)荷控制器、微源控制器、微電網(wǎng)集中控制器以及配電網(wǎng)調(diào)度EMS之間搭建通信鏈路，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集和控制命令的下發(fā)。

EtherCAT是開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，最初由德國倍福提出，EtherCAT在數(shù)據(jù)鏈路層加入了軟件核，顯著的提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)將倍福公司的EtherCAT總線產(chǎn)品用于微電網(wǎng)通信之中，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)多種信息流的高效融合，滿足微電網(wǎng)的運(yùn)行要求，達(dá)到了理想的運(yùn)行效果。

1 EtherCAT總線技術(shù)

1.1 EtherCAT性能

EtherCAT總線支持多種自動化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以使用總線型、星型或者環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適合中小型自動化控制領(lǐng)域。其獨(dú)有的分布式I/O方式，更是打破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的瓶頸。

除此之外，EtherCAT的支持多種傳輸電纜、精確時(shí)鐘同步技術(shù)、基于純硬件的數(shù)據(jù)交換技術(shù)、通信診斷技術(shù)和通訊控制一體化技術(shù)等等技術(shù)優(yōu)勢，都是傳統(tǒng)通信總線不可比擬的[2]。

將EtherCAT總線技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的微電網(wǎng)中，可以提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和健壯性。

1.2 EtherCAT通信模型

EtherCAT的通信模型壓縮了ISO/OSI的7層參考模型，避免了多層協(xié)議處理報(bào)文而產(chǎn)生時(shí)延。EtherCAT的應(yīng)用層對TCP/IP完全透明，所有的以太網(wǎng)技術(shù)都可以通過EtherCAT實(shí)現(xiàn)而不影響其實(shí)時(shí)性[3]。它基于主從數(shù)據(jù)交換原理，需要主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT 非常適合微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間的通訊。

2 倍福的軟PLC技術(shù)與控制模塊

2.1 微電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

本微電網(wǎng)工程包括15KW光伏、3臺2KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、15KW的混合儲能系統(tǒng)以及各種分級負(fù)荷。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：各微電源的電壓、電流、有功、無功功率等實(shí)時(shí)信息，SCADA系統(tǒng)與逆變器之間的控制系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)，以及所有接觸器的控制信息。

基于以上需要采用如圖1所示的通信架構(gòu)，包括設(shè)備層、就地控制層、協(xié)調(diào)控制層（站控層）和遠(yuǎn)程訪問層。

1）設(shè)備層包括風(fēng)機(jī)、光伏、儲能、逆變器和接觸器等設(shè)備；

2）就地控制層采用倍福CX8090控制器和EtherCAT端子模塊構(gòu)成；

3）協(xié)調(diào)控制層采用裝有實(shí)時(shí)核TwinCAT的工控機(jī)，用于風(fēng)光儲之間的協(xié)調(diào)配合；

4）遠(yuǎn)程訪問層通過web界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測微電網(wǎng)運(yùn)行狀況。

2.2 CX8090主控制器

CX8090 嵌入式 PC基于ARM核，可以實(shí)現(xiàn)總線型“菊花鏈?zhǔn)健蓖負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。其軟件系統(tǒng)基于Windows CE6.0操作系統(tǒng)，通過TwinCAT軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)編程，同時(shí)TwinCAT提供了豐富的函數(shù)庫，較大的提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。特別適合用于處理各種任務(wù)，可用作為伺服控制系統(tǒng)、分布式協(xié)調(diào)控制以及智能家居控制的分布式智能設(shè)備。

2.3 EtherCAT端子模塊

EtherCAT端子模塊可直接連接多個(gè)不同信號。無需信號轉(zhuǎn)換器或額外的分析設(shè)備。直接連接方式不僅能夠降低成本，還能夠簡化控制結(jié)構(gòu)。每個(gè)EtherCAT端子模塊將內(nèi)部電子元器件從連接層分離，使得不同電壓組的創(chuàng)建變得更加簡單。此外，信號連接器上的干擾電壓也不再有不良影響。本項(xiàng)目采用了數(shù)字量輸入模塊EL1004、數(shù)字量輸出模塊EL2004、三相交流測量模塊EL3403和EL3773以及RS422/485串口通信模塊EL6021。

2.4 基于TwinCAT軟件的工控機(jī)軟PLC技術(shù)

TwinCAT系統(tǒng)是本文所述的微電網(wǎng)工程的核心部分。預(yù)裝TwinCAT軟件的PC可以直接連接PLC、NC、CNC和機(jī)器人等設(shè)備。TwinCAT系統(tǒng)特點(diǎn)包括：不改變 Windows、無需PC外的其他硬件、將標(biāo)準(zhǔn)Windows變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、循環(huán)時(shí)間可短至50微秒、強(qiáng)制優(yōu)先排序和完全支持浮點(diǎn)單元等。在預(yù)裝Windows操作系統(tǒng)的工控機(jī)上安裝TwinCAT實(shí)時(shí)內(nèi)核，來運(yùn)行實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信。

本工程中預(yù)裝TwinCAT系統(tǒng)的PC機(jī)可以經(jīng)簡單開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)SCADA的功能。

2.5 工控機(jī)與CX8090之間的ADS通信

在倍福TwinCAT 系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨(dú)立工作，例如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應(yīng)用程序等。各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過ADS而完成。在基于TwinCAT的工控機(jī)PC和倍福的CX8090系列控制器中都包含TwinCAT 信息路由表。因此各個(gè)ADS 設(shè)備之間都能夠交換數(shù)據(jù)和信息。

3 微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度算法

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制層實(shí)現(xiàn)的能量管理算法采用變時(shí)間尺度能量管理優(yōu)化策略，以日前預(yù)測為前提，根據(jù)不同能量管理優(yōu)化模式調(diào)用相應(yīng)算法發(fā)布發(fā)電計(jì)劃；基于當(dāng)日運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋對預(yù)測和發(fā)電計(jì)劃滾動修正；此外基于實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)用以10min為時(shí)間尺度的超短期預(yù)測，并依據(jù)預(yù)測數(shù)值，比對滾動預(yù)測偏差分配給各可控單元，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功率平衡[4]。

4 微電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新與能量優(yōu)化管理

基于web開發(fā)的能量管理監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化結(jié)果的各項(xiàng)數(shù)據(jù)展示，包括微電網(wǎng)一次接線圖、發(fā)用電預(yù)測、調(diào)度計(jì)劃等，此外提供數(shù)據(jù)維護(hù)功能，包括電價(jià)、儲能、聯(lián)絡(luò)線配置信息等。微電網(wǎng)主接線界面和發(fā)電預(yù)測界面如圖2所示，主接線圖實(shí)時(shí)顯示通過EtherCAT總線獲取的各路出線的數(shù)據(jù)，微電網(wǎng)預(yù)測與調(diào)度界面顯示經(jīng)過能量管理算法后的預(yù)測數(shù)據(jù)柱狀圖和曲線以及調(diào)度計(jì)劃。

5 結(jié)論

本文通過采用EtherCAT總線作為微電網(wǎng)能量管理、優(yōu)化調(diào)度的的通信構(gòu)架，通過倍福公司的控制器模塊、EtherCAT端子模塊和TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)信息的采集和調(diào)度控制命令的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)風(fēng)光儲的能量管理和協(xié)調(diào)優(yōu)化，并且用戶可通過web界面遠(yuǎn)程訪問微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。

由于本期項(xiàng)目重點(diǎn)在于風(fēng)光的預(yù)測以及微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度，而不在于并離網(wǎng)切換等動態(tài)控制，尚不能較好的體現(xiàn)出EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，第二期微電網(wǎng)項(xiàng)目將重點(diǎn)研究微電網(wǎng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的三態(tài)控制，屆時(shí)可體現(xiàn)出EtherCAT總線用于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)緊急控制的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王維建.工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的原理及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（5-1）：51-52.

[4]費(fèi)陽，沈潤，戴桂木.微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)站控層設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2015-01-15.

作者簡介：沈潤（1989-），男，碩士研究生，助理工程師，現(xiàn)從事變電站運(yùn)維管理工作。