一種微電網協調控制系統的製作方法

2023-07-22 00:30:16

專利名稱：一種微電網協調控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力系統領域，具體涉及ー種微電網協調控制系統。
背景技術：
微電網技術，由於各國的實際國情及發展不同，給出的微電網概念和發展目標不盡相同。其中最早提出微電網的概念，也是眾多微電網定義中比較權威的一個是美國電氣可靠性技術解決方案協會提出的微電網的定義微 電網是由基於電カ電子技術的微型電源(小於等於500kW)和負荷共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量，實現熱電聯供；微電網內部的電源主要有電カ電子器件負責能量轉換，並提供必要的控制；微電網相對於外部大電網表現為單一的受控單元，並可同時滿足用戶對電能質量和供電安全可靠等要求。微電網靈活的運行方式和高質量的供電服務，離不開完善穩定的控制系統。在實際的微電網協調控制中，需要實時記錄分布式電源測控終端、併網保護測控終端等從站採集到的電流、電壓、功率等信息，並且需要將這些信息實時地傳送到主站，同時，主站也要及時對採集的信息進行分析處理，井向從站傳遞控制參數。受微電網現場環境約束，主站和從站之間的距離往往比較遠，傳統的現場總線技術無法保證信號傳輸的實時性。所以現有微網控制系統採用了 2種方法解決以上存在的問題，一種是最簡單的方法，就是將電流、電壓等模擬量以及斷路器位置等開關量通過電纜直接接到主站，但這種方法需要鋪設大量的電纜，接線複雜；另ー種方法是採用主站控制決策和從站控制決策分開的協調控制方法，但這種方法存在著系統性差，而且主站和從站之間存在的時間差，可能造成主從兩種決策相互衝突的缺點。

實用新型內容為克服上述缺陷，本實用新型提供了ー種微電網協調控制系統，根據現有微電網控制系統的不足，提出了基於EtherCAT總線的微電網協調控制系統的方案，以提高微電網控制系統的數位化和實時性。為實現上述目的，本實用新型提供ー種微電網協調控制系統，其包括其包括能量管理系統、主控制器和終端單元；所述能量管理系統和所述主控制器之間採用TCP/IP進行通信連接；其改進之處在於，所述主控制器和終端單元採用EtherCAT總線進行通信連接。本發明提供的優選技術方案中，終端單元包括依次連接的併網點終端、主電源終端、負荷終端、分布電源終端和環境監測終端；所述各個終端之間採用EtherCAT總線進行通信連接。本發明提供的第二優選技術方案中，所述各個終端分別包括通信控制單元、應用處理單元、模塊數轉換單元和I/O接ロ ；所述應用處理單元分別與所述通信控制單元、所述模塊數轉換單元和所述I/O接ロ進行通信連接。本發明提供的第三優選技術方案中，所述通信控制單元包括DPRAM和通信接ロ模塊；所述DPRAM與所述應用處理單元進行通信連接；所述通信接ロ模塊通過EtherCAT總線與所述主控制器或者相鄰的終端進行通信連接；所述通信控制單元採用型號為ETllOO的晶片。本發明提供的第四優選技術方案中，所述應用處理單元通過所述模塊數轉換單元實現電流、電壓模擬量的採集，通過所述I/o接ロ完成開關量的採集和控制信號的輸出；所述應用處理單元採用型號為TMS320C28335的晶片；所述模塊數轉換單元採用型號為ADS8556的模數轉換器。本發明提供的第五優選技術方案中，所述主控制器包括控制模塊、以及分別與其通信的接ロ模塊和人機界面模塊。本發明提供的第六優選技術方案中，所述控制模塊包括乙太網埠和DVI接ロ ；所述控制模塊通過乙太網端ロ與所述能量管理系統進行通信；所述接ロ模塊包括並列設置的兩個RJ45接ロ，選擇兩個RJ45接ロ的中的一個通過EtherCAT總線與所述終端單元進行通信連接；所述控制模塊通過DVI接ロ與所述人機界面模塊進行通信；所述控制模塊採 用型號為CX1020的嵌入式控制器；所述人機界面模塊是17寸的觸控螢幕。本發明提供的第七優選技術方案中，能量管理系統是伺服器。與現有技術比，本實用新型提供的ー種微電網協調控制系統，採用EtherCAT總線作為微網協調控制系統的通信架構，滿足了微網協調控制系統的實時性，無需將微網系統內各分散設備的電流、電壓等模擬量以及斷路器位置等開關量通過電纜連接到中央控制器，減少了電纜的鋪設，簡化了接線方式，實現了整個微網系統的數位化；而且，滿足了集中控制決策對整個微電網系統控制的實時性要求，避免了由於主站和從站之間存在時間差而造成王站控制決策和從站控制決策之間的衝突。

圖I為基於EtherCAT總線的微電網協調控制系統的實施例結構圖。圖2為作為EtherCAT從站的微網就地終端的實施例結構圖。圖3為EtherCAT總線的微電網協調控制系統的通信示意圖。圖4為主控制器硬體架構實施例示意圖。圖5為單個終端的硬體架構實施例示意圖。
具體實施方式
本實用新型的技術方案如下基於EtherCAT總線的微電網協調控制系統由主控制器和各種終端組成，主控制器和就地終端採用EtherCAT總線進行通信連接，主控制器和上層能量管理系統採用TCP/IP進行通信連接。如附圖I所示。主控制器作為EtherCAT的主站，通常採用標準的乙太網網卡NIC (NetworkInterface Card)作為主站硬體接ロ，採用PC機或嵌入式控制器作為硬體基礎。其功能則通過軟體實現。軟體部分包括基礎程序和應用程式兩部分。基礎程序主要完成初始化、拓撲結構辨識、參數設置、數據顯示與存儲等基本功能；應用程式主要針對微電網的運行狀況作出決策，並把決策後的調節控制命令通過EtherCAT總線發給各就地終端，主要包括微網併網運行決策程序、孤島運行決策程序、併網轉孤島決策程序、孤島轉併網決策程序等。[0021]就地終端作為EtherCAT的從站，硬體主要由從站控制ESC晶片、應用層CPU晶片等組成，如附圖2所示。ESC晶片主要實現與EtherCAT總線的數據交換，應用層CPU晶片主要實現AD採樣、數據計算與處理、開入信號處理、控制出口等功能。根據所接微網系統內的對象的不同，可分為併網點終端、主電源終端、負荷終端、分布電源終端、環境監測終端等。併網點終端是指與併網點斷路器相對應的終端，能夠採集併網斷路器兩側(即主網側與微網側)的電壓、電流、頻率等模擬量；採集斷路器位置等開入量；具備對併網點斷路器分、合閘功能的控制出口 ；具備保護功能，能夠判斷出主網側或微網側的故障並切除；具備檢同期、檢無壓合閘功能。主電源終端主要是針對在微網在孤島運行時以FV方式運行承擔主電源功能的儲能裝置或燃料電池，具備採集主電源的電壓、電流、功率等模擬量的功能；能夠採集到主電源的運行狀態和運行方式等開入量；具備控制主電源啟動、停止、由PQ方式切換到FV方式、 由FV方式切換到PQ方式的控制出ロ。負荷終端一個微網內有多個，對應於微網內的各路負荷開關，採集負荷的電流、電壓、功率等模擬量；採集負荷開關的位置等開關量；具備控制負荷開關分、合的控制出口。分布式電源終端一個微網內也有多個，對應於除主電源以外的其它各分部是電源，根據對應分布式電源的種類可分為光伏發電終端、風カ發電終端、燃料電池終端等。分布式電源終端採集分布式電源的電壓、電流、功率等模擬量的功能；能夠採集到分布式電源的運行狀態等開入量；具備控制分布式電源啟動、停止的控制出ロ。環境監測終端對應於環境監測系統，主要用於接收環境監測系統測量到的溫度、溼度、太陽輻射度、風カ等環境參數。基於EtherCAT總線的微電網協調控制系統的通信原理如附圖3所示，主控制器作為EtherCAT主站，負責報文的發起和控制，報文的最大有效數據長度為1498個字節，數據遍歷所有就地終端設備。就地終端設備作為EtherCAT從站，並不是存儲數據包之後再進行處理，而是在下行報文經過時，根據報文頭中的指定的位置從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀，同時將報文傳輸給下一個就地終端。當報文到達系統邏輯位置的最後ー個終端後，該終端將處理後的報文作為上行報文返回給主控制器。此通信過程全由ESC晶片完成，處理延時只有IOns左右，與傳統的乙太網相比，實時性得到了很大的提高。下面對本實用新型的具體實施方式
進行進ー步詳細描述，本實施例是在本實用新型技術方案前提下實施的，給出了詳細的實施方案，但本實用新型的保護範圍並不限於下述實施例。本實施例選用BECKH0FF公司的嵌入式控制器CX1020作為主控制器的硬體平臺，該控制器採用Intel Celeron處理器，配置256MB內存、2GB CF卡、WinCE作業系統。CX1020自帶ー個DVI接ロ，通過這個DVI接ロ接ー個17時的觸控螢幕作為人機界面。CX1020自帶兩個乙太網ロ，選用其中ー個乙太網ロ通過TCP/IP與上層能量管理系統連接。另選配ー個BECKH0FF公司的EKl 122模塊，該模塊是EtherCAT拓撲接ロ端子模塊，具有兩個RJ45接ロ，選用其中I個接ロ通過網線與第I個EtherCAT子站的IN網ロ相連接。主站的硬體平臺如附圖4所示。主控制器軟體選用BECKH0FF公司的TwinCAT軟體作為EtherCAT的主站軟體，TwinCAT內部集成了 EtherCAT協議棧和實時內核。TwInCAT的主平臺是系統管理器，通過系統管理器可以讀取EtherCAT從站節點、DC時鐘同步、拓撲結構、配置從站參數、實時查看從站IO量等功能。TwinCAT的配置信息以XML文件的形式存在，內置XML解釋器，分為主站配置文件和從站配置文件。主站配置文件中可以設定網段參數、啟動時執行的命令、從站的基本配置、運行環境的配置等；從站配置文件可以設定從站的初始化配置和從站信息，經過解釋後下載到從站。 就地終端作為EtherCAT從站，選用BECKH0FF公司的ETl 100晶片作為EtherCAT從站控制ECS晶片，實現了 EtherCAT從站協議的物理層和數據鏈路層。該晶片有4個物理通信端ロ，支持100Mbit/S的全雙エ通信，內部有8KB的DPRAM用於和應用層CPU交換數據。從站的應用層CPU晶片選用TI公司的DSP晶片TMS320C28335，該晶片是ー款32位浮點型CPU,具有68KB的RAM和512KB的Flash, 12位AD,處理能力很強。一方面，TMS320C28335通過總線方式與ETllOO的DPRAM連接，雙方通過DPRAM交換和共享數據。另ー方面，TMS320C28335通過AD採樣迴路實現就地終端的電流、電壓等模擬量的採集，通過IO接ロ回 路完成開關量的採集和控制信號的出ロ。就地終端的硬體架構如附圖5所示。需要聲明的是，本實用新型內容及具體實施方式
意在證明本實用新型所提供技術方案的實際應用，不應解釋為對本實用新型保護範圍的限定。本領域技術人員在本實用新型的精神和原理啟發下，可作各種修改、等同替換、或改進。但這些變更或修改均在申請待批的保護範圍內。
權利要求1.ー種微電網協調控制系統，其包括能量管理系統、主控制器和終端單元；所述能量管理系統和所述主控制器之間採用TCP/IP進行通信連接；其特徵在於，所述主控制器和終端單元採用EtherCAT總線進行通信連接。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，終端単元包括依次連接的併網點終端、主電源終端、負荷終端、分布電源終端和環境監測終端；所述各個終端之間採用EtherCAT總線進行通信連接。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述各個終端分別包括通信控制單元、應用處理單元、模塊數轉換單元和I/O接ロ ；所述應用處理單元分別與所述通信控制單元、所述模塊數轉換單元和所述I/o接ロ進行通信連接。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述通信控制單元包括=DPRAM和通信接ロ模塊；所述DPRAM與所述應用處理單元進行通信連接；所述通信接ロ模塊通過EtherCAT總線與所述主控制器或者相鄰的終端進行通信連接；所述通信控制單元採用型號為 ETllOO的晶片。
5.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述應用處理單元通過所述模塊數轉換単元實現電流、電壓模擬量的採集，通過所述I/o接ロ完成開關量的採集和控制信號的輸出；所述應用處理單元採用型號為TMS320C28335的晶片；所述模塊數轉換單元採用型號為ADS8556的模數轉換器。
6.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述主控制器包括控制模塊、以及分別與其通信的接ロ模塊和人機界面模塊。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在幹，所述控制模塊包括乙太網埠和DVI接ロ ；所述控制模塊通過乙太網端ロ與所述能量管理系統進行通信；所述接ロ模塊包括並列設置的兩個RJ45接ロ，選擇兩個RJ45接ロ的中的一個通過EtherCAT總線與所述終端單元進行通信連接；所述控制模塊通過DVI接ロ與所述人機界面模塊進行通信；所述控制模塊採用型號為CX1020的嵌入式控制器；所述人機界面模塊是17寸的觸控螢幕。
8.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，能量管理系統是伺服器。
專利摘要本實用新型提供了一種微電網協調控制系統，其包括能量管理系統、主控制器和終端單元；所述能量管理系統和所述主控制器之間採用TCP/IP進行通信連接；所述主控制器和終端單元採用EtherCAT總線進行通信連接。本實用新型提供的微電網協調控制系統，根據現有微電網控制系統的不足，提出了基於EtherCAT總線的微電網協調控制系統的方案，以提高微電網控制系統的數位化和實時性。
文檔編號H02J13/00GK202651896SQ20122028844
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者李哲, 徐石明, 蔡月明, 丁孝華, 侯佳佳, 李文威, 劉澄 申請人:中國電力科學研究院