嵌入式風機群併網有功協調控制器的製造方法
2023-12-04 15:49:21 1
嵌入式風機群併網有功協調控制器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入式風機群併網有功協調控制器，包括電源模塊；主CPU模塊，用於實現存儲器、外設和外部接口之間的多重數據同時傳送；程序數據存儲器模塊，作為所述主CPU模塊的片外存儲模塊，用於存儲底層內核驅動及應用程式；串口通訊模塊，用於調試、下載程序，設置本機及其他相連服務端的IP位址、網關地址、子網掩碼地址和網絡埠；擴展網口模塊，包含多個網口，用於與其他設備相連接。採用本發明，能夠簡化傳統AGC的構成模式，使其由一個龐大冗餘的軟平臺變身為軟硬高度集成的專用控制器。
【專利說明】嵌入式風機群併網有功協調控制器
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電機併網控制技術，尤其涉及一種嵌入式風力發電機群併網功率協調分配控制器及其方法，適用於集群風力發電機組併網有功功率的協調及分配。
【背景技術】
[0002]作為新興能源的大規模併網風力發電正逐漸被電力系統主電網所接納。併網協調控制也存在多種手段，控制算法也再不斷研發和嘗試。從最開始的人工手動方式向風力發電機功率分配指令，到近期普遍使用的自動平均有功分配控制器(AGC)，它們都存在一個共同的特點:功能實現依託於一個大型軟體管理平臺。在這個平臺上，有伺服器、工控機、通訊控制器及管理後臺。由不同廠家、不同的接口及協議的應用軟體運行在這個平臺上。
[0003]現有的多數風力發電機廠家有自己開發的AGC，風電場有調度AGC，項目實施廠家也有AGC，最後由其中一個項目實施方把不同的AGC綜合，從調度AGC開始，以通訊的軟體手段，將調度指令轉換成風力發電機能識別的指令，以完成功率分配及控制。但是，這種功率分配和控制技術只是簡單的根據運行風力發電機臺數的一個平均化，並沒有考慮風力發電機差異化的動態過程。因此在相應時間及發電併網功率方面均存在不足之處。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種嵌入式風力發電機群併網功率協調分配控制器及其方法，以簡化傳統AGC的構成模式，使其由一個龐大冗餘的軟平臺變身為軟硬高度集成的專用控制器。
[0005]本發明的另一個目的在於，利用嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器將上述各項功能加以提煉、深化，不依賴大型軟體平臺，最後在一個特定的嵌入式系統中完成上述全部功能，同時規範接口、內部集成常用的104 (IEC60870-5-104:2000)、MODBUS協議，這樣，將整個裝置全部集成在一個IU標準機箱內，即可不必設置專門的伺服器、通訊管理機，工控機等，節約了成本、節省了空間，並具有高效可靠的優點。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—種嵌入式風力發電機群併網功率協調分配控制器，包括電源模塊，還包括主CPU模塊、程序數據存儲模塊、串行通訊模塊和擴展網口模塊；其中，
[0008]主CPU模塊，用於實現存儲器、外設和外部接口之間的多重數據同時傳送；提供高速緩存和片上內存，並具有增強的外接NAND快閃記憶體錯誤校正功能，以及乙太網FIFO ；
[0009]程序數據存儲器模塊，作為所述主CPU模塊的片外存儲模塊，用於存儲底層內核驅動及應用程式；
[0010]串口通訊模塊，用於調試下載程序，設置本機及其他相連服務端的IP位址、網關地址、子網掩碼地址和網絡埠；
[0011]擴展網口模塊，包含多個網口，用於與其他設備相連接。
[0012]其中:所述控制器進一步包括擴展輸入/輸出模塊，其輸入端採用無源接點輸入，用於控制策略、控制源地人工切換；輸出端採用5V繼電器輸出，用於狀態異常、故障的報警輸出。
[0013]所述電源模塊為開關電源，用於為所述控制器提供工作電源。
[0014]所述程序數據存儲器模塊採用K9F2G08U0M晶片，存儲有經過裁剪的Linux系統和底層設備驅動程序。
[0015]所述底層驅動程序具體包括4個乙太網驅動、2個UART驅動、I個USBH0ST驅動及RTC驅動、GP1驅動和看門狗驅動程序。
[0016]所述程序數據存儲器模塊，還包含有兩個SDRAM模塊，其分別用於存儲發送、接收網口數據；用於存儲運算結果及從NAND FLASH存儲器中調出的設置變量。
[0017]所述串行通訊模塊還用於通訊的信息點表配置及更改，以及實現控制器內部信息的轉儲。
[0018]所述擴展網口模塊的物理接口類型均為RJ45，其中一個網口的協議由ARM晶片AT91SAM9G20完成，並通過DM9161AEP晶片直接驅動；另外擴展的三個網口則由網絡晶片W5100實現。
[0019]一種嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器的控制方法，包括:
[0020]A、將功率協調分配控制器分別與併網風電機組光纖環網伺服器、本地電網調度終端以及本地電網控制子站相連；
[0021]B、利用功率協調分配控制器從本地電網調度獲取當前的風力發電機群組允許上網總功率，並通過功率協調分配控制器與一個或多個風力發電機群組相互通訊，以獲得風力發電機的實時狀態，狀態包括運行、檢修、故障、標準樣板風力發電機；同時獲取風力發電機的典型關鍵數據，包括風力發電機當時瞬時運行功率、瞬時風速、併網電流、併網電壓、功率因數；
[0022]C、根據當前調度的控制要求，自動選擇控制模型，將當前調度總功率分配給除故障、檢修的運行風力發電機；對於標準樣板風力發電機則不參與調控，但核減功率值。
[0023]其中，步驟C進一步包括:
[0024]Cl、所述控制器根據每颱風力發電機的瞬時風速，推斷當前的理論可發電功率、查詢此風速下的歷史計錄，再根據當前的實時功率決定可給其分配的最大功率；
[0025]C2、將這樣一組待發送新功率值經再次優化分配給各風力發電機；
[0026]C3、根據風力發電機的真實發出功率更新歷史記錄。
[0027]本發明所提供的嵌入式風力發電機群併網功率協調分配控制器及其方法，具有以下優點:
[0028]I)相對應工程應用，本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器是一個標準化的嵌入式產品。內部含有標準的協議及接口，不必由工程項目實施方根據各自的設備開發現場應用程式，而是選擇內部通訊協議和配置通訊點表即可。
[0029]2)由於本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器的出現，風電場風力發電機協調併網不再依託於一個軟體平臺；也不需為此功能設立伺服器、工控機及通訊交換機。由於其功能獨立，安裝調試則更為方便。
[0030]3)本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器的內部，集成有公司多年來研發積累的優化PID功率分配控制算法和自適應模糊功率分配控制算法。其算法的最大優點是最大程度提高電網調度對風電併網不穩定的允許度。一個直觀的解釋就是，在風源不穩定的情況下，電網調度利用本嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器及的內部軟體，可以下達比傳統模式更多的風電併網電量指標。直接效益是減少「棄風」，多利用風能發電。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器硬體模塊連接示意圖。
[0032]圖2為本發明實施例的嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器與風電場現場設備連接示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖及本發明的實施例對本發明的嵌入式風力發電機群併網功率協調分配控制器及其方法作進一步詳細的說明。
[0034]圖1為本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器硬體模塊連接示意圖。如圖1所示，本發明的嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器，主要包括主CPU模塊101、程序數據存儲模塊102、串行通訊模塊103、擴展網口模塊104、工作電源模塊195以及擴展16DI輸入/8D0輸出模塊106，共6個功能模塊。其中:
[0035]所述主CPU模塊101，是構成本發明硬體部分的核心部件，它包括一可移植作業系統的ARM晶片(如AT91SAM9G20)。其基於ARM926EJ-S內核，是主頻可達400MHz的微處理器。具有Atmel先進的外設DMA和分布式存儲器架構，連同6層總線矩陣，可實現存儲器、外設和外部接口之間的多重數據同時傳送，而無需耗費CPU的時鐘周期。它可提供多達四倍的高速緩存和片上SRAM內存，並具有增強的外接NAND快閃記憶體錯誤校正功能，以及更大的乙太網FIFO。
[0036]所述程序數據存儲器模塊102，作為主CPU模塊101的片外存儲模塊。主要作用是存儲底層內核驅動及應用程式。在這個存儲模塊內，如採用K9F2G08U0M晶片(其為一 128M的NAND FLASH存儲器)，主要存儲經過裁剪的Linux系統；同時存儲底層設備驅動程序。
[0037]進一步地，這些底層驅動程序還包括:4個乙太網驅動，2個UART驅動，I個USBHOST驅動及RTC驅動、GP1驅動及看門狗驅動程序。
[0038]進一步地，在這個存儲模塊內，還包含兩個32M的SDRAM模塊，其型號為K4S561632E。用於存儲發送、接收的網口數據；存儲運算的結果及從NAND FLASH存儲器中調出的設置變量等。
[0039]所述串行通訊模塊103。該串行通訊模塊103由RS232、RS485及USB三種接口組成。RS485在此系統中暫沒有啟用；RS232用於調試下載程序，設置本機及其他相連服務端的IP位址、網關地址、子網掩碼地址和網絡埠。
[0040]進一步地，該RS232接口還用於通訊的信息點表配置及更改。
[0041]USB接口可以配置成與RS232相似的功能，另外可實現控制器內部信息的轉儲。
[0042]所述擴展網口模塊104。該擴展網口模塊104共含有4個網口，用於與其他設備相連接，其物理接口類型均為RJ45。其中網口 I的網絡協議是由ARM晶片AT91SAM9G20直接完成，通過DM916IAEP晶片，可以直接驅動。另外擴展的3個網口由網絡晶片W5100實現。
[0043]進一步地，網絡晶片W5100是一個80腳的LQFP封裝晶片。它可以通過SPI接口、直接並口、間接並口與主ARM晶片相連。本發明為保證通訊的快速、實時，採用直接並口與ARM相連。網絡晶片W5100各自的片選CS則由ARM的不同I/O引腳提供。
[0044]所述工作電源模塊105。此模塊提供本發明模塊的全部工作電源。主要由AC220V輸入，由開關電源產生12V1A和5V2A的一組電源。晶片工作的3.3V主電源由12V電源經開關電源模塊LM2575-3.3來實現。RS485隔離5V電源由5V電源經DC/DC逆變模塊實現。
[0045]所述擴展16DI輸入/8D0輸出模塊106 (簡稱擴展輸入/輸出模塊106)。該模塊擴展有通用的16路DI和8路DO模塊。所有DI端採用無源接點輸入，所有DO端則採用5V繼電器輸出。
[0046]進一步地，DI端可以用於控制策略、控制源的人工切換；D0端可用於狀態異常、故障的報警輸出。
[0047]圖2為本發明實施例的嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器與風電場現場設備連接示意圖。如圖2所示，為典型的連接模式。當然，也可通過通訊交換機與其他設備相連接。在圖2中，本發明的嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器的三個網口(LAN2?LAN4)中，LAN3連接本地電網調度終端、LAN2連接光纖環網風電群的前置伺服器、LAN4連接可能存在的控制子站，而另外一個網口(LANl)則通過配置可作為遠程維護使用，也可連接另一的光纖環網的伺服器。
[0048]本發明的嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器，其工作過程描述如下:
[0049]本發明嵌入式風力發電機併網功率協調分配控制器在現場安裝前，已經移植了精簡的作業系統；下載了底層埠驅動軟體及風力發電機併網功率分配的優化PID算法和自適應模糊算法。
[0050]進一步地，選擇控制策略的各種條件選項。例如，本地調度優先的最大樣板風力發電機跟蹤；限制併網總功率的優化分配；控制子站的監控介入程度等。
[0051]一個常規的基本工作過程是這樣的:本發明的控制器從本地電網調度獲取當前的風力發電機群組允許上網總功率，這個功率值一般是以秒至分鐘為周期實時更新的。本發明控制器與一個或多個風力發電機群組相互通訊，獲得風力發電機的實時狀態。這些狀態包括運行、檢修、故障、標準樣板風力發電機等。
[0052]同時獲取風力發電機的典型關鍵數據。這些數據包括風力發電機當時瞬時運行功率、瞬時風速、併網電流、併網電壓、功率因數等。
[0053]進一步地，本發明控制器根據當前調度的控制要求，自動選擇控制模型，把當前調度總功率分配給除故障、檢修的運行風力發電機；同時，對於標準樣板風力發電機則不參與調控，但核減功率值。這一過程體現了智能可靠、實時高效的過程。
[0054]進一步地，調度自動下發的風力發電機群組功率高於現有風力發電機群組當前的整體能力。
[0055]本發明的控制器根據每颱風力發電機的瞬時風速，推斷當前的理論可發功率、查詢此風速下的歷史計錄，再根據當前的實時功率決定可給其分配的最大功率。把這樣一組待發送新功率值經再次優化分配給各風力發電機。然後根據風力發電機的真實發出功率更新歷史記錄。這比起簡單平均分配的算法會更多增加上網電量。
[0056]以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種嵌入式風機群併網有功協調控制器，包括電源模塊，其特徵在於，還包括主CPU模塊、程序數據存儲模塊、串行通訊模塊和擴展網口模塊；其中， 主CPU模塊，用於實現存儲器、外設和外部接口之間的多重數據同時傳送；提供高速緩存和片上內存，並具有增強的外接NAND快閃記憶體錯誤校正功能，以及乙太網FIFO ； 程序數據存儲器模塊，作為所述主CPU模塊的片外存儲模塊，用於存儲底層內核驅動及應用程式； 串口通訊模塊，用於調試下載程序，設置本機及其他相連服務端的IP位址、網關地址、子網掩碼地址和網絡埠； 擴展網口模塊，包含多個網口，用於與其他設備相連接。
2.根據權利要求1所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述控制器進一步包括擴展輸入/輸出模塊，其輸入端採用無源接點輸入，用於控制策略、控制源地人工切換；輸出端採用5V繼電器輸出，用於狀態異常、故障的報警輸出。
3.根據權利要求1所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述電源模塊為開關電源，用於為所述控制器提供工作電源。
4.根據權利要求1所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述程序數據存儲器模塊採用K9F2G08U0M晶片，存儲有經過裁剪的Linux系統和底層設備驅動程序。
5.根據權利要求4所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述底層驅動程序具體包括4個乙太網驅動、2個UART驅動、I個USB HOST驅動及RTC驅動、GP1驅動和看門狗驅動程序。
6.根據權利要求4所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述程序數據存儲器模塊，還包含有兩個SDRAM模塊，其分別用於存儲發送、接收網口數據；用於存儲運算結果及從NAND FLASH存儲器中調出的設置變量。
7.根據權利要求1所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述串行通訊模塊還用於通訊的信息點表配置及更改，以及實現控制器內部信息的轉儲。
8.根據權利要求1所述嵌入式風機群併網有功協調控制器，其特徵在於，所述擴展網口模塊的物理接口類型均為RJ45，其中一個網口的協議由ARM晶片AT91SAM9G20完成，並通過DM9161AEP晶片直接驅動；另外擴展的三個網口則由網絡晶片W5100實現。
9.一種嵌入式風機群併網有功協調控制器的控制方法，其特徵在於，包括: A、將功率協調分配控制器分別與併網風電機組光纖環網伺服器、本地電網調度終端以及本地電網控制子站相連； B、利用功率協調分配控制器從本地電網調度獲取當前的風力發電機群組允許上網總功率，並通過功率協調分配控制器與一個或多個風力發電機群組相互通訊，以獲得風力發電機的實時狀態，狀態包括運行、檢修、故障、標準樣板風力發電機；同時獲取風力發電機的典型關鍵數據，包括風力發電機當時瞬時運行功率、瞬時風速、併網電流、併網電壓、功率因數； C、根據當前調度的控制要求，自動選擇控制模型，將當前調度總功率分配給除故障、檢修的運行風力發電機；對於標準樣板風力發電機則不參與調控，但核減功率值。
10.根據權利要求9所述嵌入式風機群併網有功協調控制器的控制方法，其特徵在於，步驟C進一步包括: Cl、所述控制器根據每颱風力發電機的瞬時風速，推斷當前的理論可發電功率、查詢此風速下的歷史計錄，再根據當前的實時功率決定可給其分配的最大功率； C2、將這樣一組待發送新功率值經再次優化分配給各風力發電機； C3、根據風力發電機的真實發出功率更新歷史記錄。
【文檔編號】H02J3/46GK104319819SQ201410487984
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】任景龍, 由楚, 徐明忻, 薛汝才, 呂志來, 李海, 張學深 申請人:國家電網公司, 北京許繼電氣有限公司, 國網內蒙古東部電力有限公司