可實現快速響應及同步數據采集的風電場監控網絡

  作者：劉懿 王寧強
， 
  德國倍福自動化有限公司 北京 100044

  摘要：
  風電場的集群控製是保障電網的安全運行、實現風場總功率的優化以及提高風電場整體電能質量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT實時風場監控網絡在風場網絡通信的高速響應方麵設立了新標準。基於EtherCAT的風場網絡可以測量風電場並網點電流和電壓的瞬時值，並且采樣速率可達到10KHz。如果風電場並網點出現電壓跌落，係統能夠在最短的時間內監測電壓跌落數據，並且在1ms之內調整網絡中的所有風力發電機組給定值。通過 EtherCAT分布式時鍾，所有測量值以及控製給定值的同步時間誤差＜1μs。另外，通過EtherCAT風場網絡可以得到整個風場中所有風機的同步測量數據，具有同步特性的風場大數據的采集為整個風電場的能量控製、監控與預警和風機功率提升等提供更有力的支撐。
  關鍵詞：風電場控製
；同步大數據采集
；EtherCAT；
  中圖分類號：TM614；TP392

；TP393.04
  引言
  隨sui著zhe近jin年nian來lai風feng力li發fa電dian裝zhuang機ji容rong量liang的de不bu斷duan提ti升sheng


，風feng力li發fa電dian占zhan所suo在zai電dian網wang的de比bi例li也ye隨sui之zhi持chi續xu增zeng加jia。眾zhong所suo周zhou知zhi，風feng能neng具ju有you高gao度du的de隨sui機ji波bo動dong性xing與yu間jian歇xie性xing

，所suo以yi大da規gui模mo的de風feng電dian接jie入ru會hui對dui電dian力li供gong需xu平ping衡heng、電力係統的安全以及電能質量帶來諸多嚴峻的挑戰。2011年初發生在甘肅酒泉等地的多起脫網事故也說明了製定風電並網規範的緊迫性。因此,國家電網提出了風電場接入電網的技術規定，由此產生了電網友好型風機和風電場的概念：①風機具有有功、無功調節和低電壓穿越能力，確保電網發生波動時風機不解列
；②集中優化配置有功功率和無功功率控製係統，實現風機的遠程調節控製。
  jiyuyishangyaoqiu，bushaozhengjizhizaoshangtichulezhinengfengdianchangdegainian，tongguofengdianchangwangluonenggouyuanchengjizhongjiankongfengjihefengdianchangdeyunxing，bingnengshishideduigonglvjinxingkongzhi，congerchongfenfahuifengjizishendeqianliweidianwangtigongyoulidezhichi。manzushangshuyaoqiujiuxuyaogaoxingnengdefengchangjikongzhiqi
、相應的電力測量設備和快速的現場總線。
  1風電場接入電力係統的現狀
  1.1    1.1 國家標準中關於風電場的要求
  《GB/T 19963-2011風電場接入電力係統技術》[1]中明確了風電場接入電力係統的測試內容：①風電場有功/無功控製能力測試。②風電場電能質量測試，包含閃變和諧波。③風電機組低電壓穿越能力測試；風電場低電壓穿越能力驗證。④風電機組電壓
、頻率適應性測試；風電場電壓
、頻率適應性測試驗證。
  《GB/T 19963-2011風電場接入電力係統技術》中zhong要yao求qiu最zui高gao的de是shi風feng機ji的de低di電dian壓ya穿chuan越yue能neng力li和he風feng電dian場chang的de低di壓ya電dian壓ya穿chuan越yue能neng力li和he動dong態tai無wu功gong支zhi撐cheng能neng力li。這zhe些xie的de要yao求qiu都dou需xu要yao風feng場chang級ji的de控kong製zhi係xi統tong的de響xiang應ying時shi間jian在zaims級別。這是對整個風場級別的控製，而不是單個風機的控製。a) 風機的低電壓穿越能力（LVRT）
  風電場並網點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行625ms。風電場並網點電壓在發生跌落後2s內能夠恢複到標稱電壓的90%時

，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行。電力係統發生不同類型故障時，若風電場並網點考核電壓全部在圖1中電壓輪廓線及以上的區域內
，分店機組必須保證不脫網運行；否則，允許風電機組切出。

   
  圖1 風電機組低電壓穿越要求

  b) 風場的動態無功支撐能力
  總zong裝zhuang機ji容rong量liang在zai百bai萬wan千qian瓦wa級ji規gui模mo及ji以yi上shang的de風feng電dian群qun，當dang電dian力li係xi統tong發fa生sheng三san相xiang短duan路lu故gu障zhang引yin起qi電dian壓ya跌die落luo時shi，每mei個ge風feng電dian場chang在zai低di電dian壓ya穿chuan越yue過guo程cheng中zhong應ying具ju有you以yi下xia動dong態tai無wu功gong支zhi撐cheng能neng力li：當風電場並網點電壓處於標稱電壓的20%~90%區qu間jian內nei時shi，風feng電dian場chang應ying能neng夠gou通tong過guo注zhu入ru無wu功gong電dian流liu支zhi撐cheng電dian壓ya恢hui複fu，所suo需xu的de無wu功gong電dian流liu取qu決jue於yu電dian壓ya跌die落luo的de深shen度du且qie必bi須xu取qu決jue於yu風feng力li發fa電dian機ji組zu或huo電dian網wang並bing網wang點dian的de要yao求qiu
；子並網點電壓跌落出現的時刻起
，動態無功電流控製的響應時間不大於75ms，持續時間應不小於550ms。
  1.2 現有風電場網絡存在的問題 
  現有風電場網絡存在的不足主要有兩個：①控製周期慢；②無法協調整個風電場內的風機達到風場級別LVRT功能。
  現有的風電場網絡是基於以太網的解決方案，通訊采用以太網光纖，風機處使用普通以太網交換機，風場集控係統與各個風機之間采用TCP/IP等非實時的通訊協議。由於交換機的延時和以太網報文的不確定性
，使得整個風電場控製網絡是“秒級”或者更長的時間，通訊速度和通訊的實時性無法保證。
  現有風機的LVRT檢jian測ce和he實shi現xian都dou是shi在zai風feng機ji本ben身shen的de變bian流liu器qi部bu分fen實shi現xian
，根gen據ju要yao求qiu新xin增zeng的de風feng力li發fa電dian機ji組zu都dou必bi須xu具ju備bei低di電dian壓ya穿chuan越yue能neng力li。然ran而er，考kao慮lv到dao風feng場chang規gui模mo的de增zeng大da
，以yi及ji每mei台tai風feng機ji的de不bu同tong情qing況kuang
，根gen據ju單dan個ge風feng機ji監jian測ce的de電dian壓ya情qing況kuang作zuo出chu的de反fan應ying也ye許xu不bu能neng產chan生sheng電dian網wang營ying運yun商shang預yu期qi的de效xiao果guo。由you於yu風feng力li發fa電dian機ji組zu與yu電dian網wang並bing網wang點dian之zhi間jian存cun在zai的de阻zu抗kang，所suo以yi它ta們men之zhi間jian的de電dian壓ya會hui有you差cha異yi。也ye就jiu是shi說shuo各ge個ge風feng力li發fa電dian機ji組zu對dui公gong共gong並bing網wang點dian電dian壓ya的de變bian化hua會hui做zuo出chu不bu同tong的de反fan應ying。同tong樣yang，風feng力li發fa電dian機ji組zu級ji饋kui入ru的de無wu功gong電dian流liu與yu電dian網wang並bing網wang點dian的de最zui終zhong無wu功gong電dian流liu也ye是shi不bu一yi致zhi的de。即ji無wu法fa達da到dao國guo家jia標biao準zhun對dui整zheng個ge風feng電dian場chang整zheng體ti的de低di電dian壓ya穿chuan越yue的de要yao求qiu。
  1.3 EtherCAT風場控製網絡解決方案
  永磁直驅風力發電機和雙饋異步風力發電機是目前使用最多的風力發電機類型
，與傳統的恒速恒頻風力發電機相比，和功率因數可在+0.95到-0.95之zhi間jian調tiao整zheng

，可ke以yi在zai一yi定ding的de範fan圍wei內nei調tiao整zheng輸shu出chu的de有you功gong和he無wu功gong功gong率lv，其qi無wu功gong調tiao節jie能neng力li也ye廣guang泛fan地di應ying用yong於yu風feng電dian場chang的de無wu功gong調tiao整zheng。充chong分fen發fa揮hui風feng力li發fa電dian機ji自zi身shen的de無wu功gong支zhi撐cheng能neng力li
，並bing以yi遠yuan端duan並bing網wang點dian母mu線xian電dian壓ya為wei控kong製zhi目mu標biao
，對dui維wei持chi電dian網wang的de無wu功gong功gong率lv平ping衡heng和he電dian壓ya穩wen定ding有you著zhe十shi分fen重zhong要yao的de意yi義yi。來lai自zi德de國guo弗fu勞lao恩en霍huo夫fu風feng能neng及ji能neng源yuan係xi統tong技ji術shu研yan究jiu院yuan的deMelanie Hau 和Martin Shan [2]的de研yan究jiu表biao明ming，風feng場chang監jian控kong網wang絡luo的de速su度du以yi及ji風feng電dian機ji組zu自zi動dong控kong製zhi係xi統tong現xian場chang總zong線xian的de速su度du對dui風feng場chang電dian壓ya或huo無wu功gong功gong率lv控kong製zhi可ke實shi現xian的de動dong態tai性xing產chan生sheng了le顯xian著zhu影ying響xiang。
而這恰恰就是 EtherCAT 風feng場chang控kong製zhi網wang絡luo解jie決jue方fang案an的de優you點dian。迄qi今jin為wei止zhi
，風feng場chang網wang絡luo監jian控kong都dou是shi使shi用yong以yi太tai網wang實shi現xian的de。以yi太tai網wang光guang纜lan用yong於yu將jiang單dan獨du的de風feng力li發fa電dian機ji組zu連lian接jie到dao主zhu計ji算suan機ji。因yin為wei EtherCAT 基於以太網，所以其與以太網的物理層完全兼容。當使用EtherCAT時
，也可應用相同的物理層。此外
，EtherCAT haiwanquanshixianlexianlanrongyu。fengchangzhongdeguanglanhuanwangtongguofengchangzhujidedierkuaiwangkaxingchengbihuan。liangdianjiuzaiyu，yumuqianshiyongdezhichirongyudejiaohuanjixiangbi，shiyongEtherCAT可以顯著提高傳輸速度並降低成本。
  與目前的其它方案不同
，EtherCAT 解決方案可以利用EtherCAT使整個風場應對低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在風電場並網點診斷出有電壓跌落，它可以在1 ms的(de)時(shi)間(jian)內(nei)將(jiang)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)給(gei)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)的(de)所(suo)有(you)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)。且(qie)其(qi)能(neng)夠(gou)讓(rang)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)對(dui)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)跌(die)落(luo)做(zuo)出(chu)協(xie)同(tong)的(de)反(fan)應(ying)。這(zhe)樣(yang)，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)在(zai)電(dian)網(wang)並(bing)網(wang)點(dian)的(de)確(que)定(ding)的(de)行(xing)為(wei)。
  另外
，EtherCAT從站中的分布式時鍾能夠確保整個網絡中的數據采樣在時間上保持同步。時基誤差小於1μs（微秒），甚至小於100 納秒。有了這些數據
，電流、電壓和頻率可以得到相應控製且電網可以得到最優的支持。
  2.倍福極速風電場監控網絡
  倍福極速風電場監控網絡方案如下圖2所示。
  該方案是基於倍福的工業PC、電力測量端子模塊
、帶光纖接口的EtherCAT耦合器和實時的EtherCAT通訊技術、超采樣技術
、EtherCAT分布式時鍾技術。倍福工業PC上shang運yun行xing專zhuan用yong的de風feng電dian場chang能neng量liang管guan理li平ping台tai，具ju有you強qiang大da的de風feng電dian場chang實shi時shi電dian力li監jian控kong功gong能neng。該gai平ping台tai提ti供gong與yu電dian網wang調tiao度du接jie口kou，集ji中zhong實shi時shi控kong製zhi風feng電dian場chang並bing網wang點dian的de電dian壓ya、功率等等。保證風電場與接入地區電網相互協調運行
，實現高效的風電場運行和管理。EtheCAT光電轉換耦合器模塊把風電場管理平台與風電場內的風機連接到一起
，組成風電場實時電力監控網絡，可在風電場網絡中實現小於 1 ms 的實時控製任務。專用的電力監測端子模塊監控風場電網並網點和單台風機並網側的電網狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。

   
  圖2 風電場實時電力監控網絡

  2.1 風電場實時電力監控網絡方案分為兩部分：
  a) 單台風力發電機組接入EtherCAT風場網絡

，如下圖3所示 

 
  圖3單台風力發電機組接入EtherCAT風場網絡

  該方案采用了倍福嵌入式工業 PC CX5020控製器作為風機的主控製器，主控製程序基於TwinCAT軟件，運用倍福自主開發完善、高效
、成cheng熟shu的de風feng電dian專zhuan用yong功gong能neng庫ku，集ji成cheng先xian進jin的de控kong製zhi算suan法fa，很hen好hao的de協xie調tiao控kong製zhi風feng機ji各ge部bu件jian和he子zi係xi統tong的de運yun行xing。根gen據ju當dang前qian的de風feng況kuang和he風feng電dian場chang能neng量liang管guan理li平ping台tai的de控kong製zhi指zhi令ling，控kong製zhi風feng機ji的de輸shu出chu電dian壓ya
、頻率和功率等等

，保證風機的穩定運行。
  風機控製器可以通過 EtherCAT網橋模塊EL6695和擴展模塊EK1110 接入風電場實時控製網絡，與能量管理平台進行通訊
，滿足對整個風電場的實時控製的需要。EK1501作為單台風機與風電場EtherCAT實時網絡的接入點。
  EL3413 模塊可直接監測單台風機並網側的690 V AC電壓
、電流、頻率、有功、無功、發電量，以及21次以內的諧波等等。風機主控係統通過采集的電力數據監測風機運行狀況、相關的數據可通過風場網絡傳送到風電場中控室的能量管理平台和 SCADA係統。
  b) 風電場控製器及公共並網點電力監測
，如下圖4所示

  圖4 風電場並網點電力監測

  國標中所有要求的參考點隻有一個：風電場公共並網點
，所以對風電場並網點的電壓值、電流值的監測極其重要。並網點電量值的快速采集，需要高精度、高采樣率的測量設備，最好能高速的得到並網點電壓和電流的瞬時值。
  具有XFC超采樣技術的電力測量模塊EL3773對風電場並網點進行監控。倍福工業 PC上運行的能量管理平台通過EtherCAT光(guang)纖(xian)耦(ou)合(he)器(qi)或(huo)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)模(mo)塊(kuai)接(jie)入(ru)到(dao)風(feng)電(dian)場(chang)實(shi)時(shi)網(wang)絡(luo)
，采(cai)集(ji)風(feng)電(dian)場(chang)並(bing)網(wang)點(dian)處(chu)和(he)每(mei)台(tai)風(feng)機(ji)並(bing)網(wang)側(ce)的(de)電(dian)網(wang)狀(zhuang)況(kuang)

，通(tong)過(guo)能(neng)量(liang)管(guan)理(li)平(ping)台(tai)軟(ruan)件(jian)統(tong)一(yi)調(tiao)控(kong)整(zheng)個(ge)風(feng)電(dian)場(chang)的(de)電(dian)壓(ya)、頻率
、有功出力和無功等。
  2.2 通訊架構：
  ①風場實時網絡為環網方式，使用光纖（單模光纖最遠20km，多模光纖最遠2km）通過EtherCAT總線和相應的耦合器EK1501把風場的風機連接成通訊環網。風場中的每台風機的主控製器CX5020可通過EtherCAT 網橋模塊EL6695實現與能量管理平台的實時通訊。
  ②EtherCAT采用開放的實時以太網通訊協議
，是一種高速以太網現場總線
，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT為係統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準

，分布於100個節點的1000個開關量刷新時間僅為30µs
，同時，它還明顯降低了現場總線成本。EtherCAT的特點還包括分布式時鍾

，可選線纜冗餘和功能性安全協議(SIL3)。采用XFC（極速控製）技術後，利用時間戳可獲得小於100 ns的時間分辨率。
  2.3 開放性與兼容性
  EtherCA係統具有很強的開放性
，該解決方案也可與第三方供應商的控製器一起使用。倍福可提供與常見的場總線係統（例如 PROFIBUS、PROFINET 和 CANopen等）橋接的EtherCAT模塊，包括主站和從站與，EtherCAT網絡可以使用這些總線與第三方控製器通訊。
  3.技術亮點的詳細介紹
  3.1 EtherCAT網絡
作為快速
、實時的總線係統，EtherCAT 使得倍福的風電場實時電力監控網絡解決方案變得更加完美。EtherCAT於2014年成為了中國的國家推薦標準《GB/T 31230-2014 工業以太網現場總線EtherCAT》[3]，它ta不bu僅jin成cheng為wei了le控kong製zhi現xian場chang總zong線xian，還hai成cheng為wei了le測ce量liang現xian場chang總zong線xian。隻zhi有you這zhe種zhong基ji於yu以yi太tai網wang且qie具ju有you高gao度du確que定ding性xing的de高gao速su現xian場chang總zong線xian協xie議yi才cai能neng實shi現xian諸zhu如ru狀zhuang態tai監jian測ce集ji成cheng的de複fu雜za應ying用yong。有you了le全quan雙shuang工gong快kuai速su以yi太tai網wang和he幾ji微wei秒miao的de總zong線xian周zhou期qi，EtherCAT 功能原則的有用數據傳輸率遠遠超過 90%。連同後麵提到的超采樣功能和 EtherCAT 從站中的直接數值緩衝
，采樣率可遠遠超過實際的總線周期。
  3.2 超高速的功率測量模塊，可達10,000采樣點/秒
  通過 EtherCAT 還實現了其它新技術：例如，數字量輸入模塊EL1262能夠以高達1百萬采樣點/秒的速度掃描信號。例如，超采樣功能使得頻率高達100 kHz 的信號測量或輸出成為可能。例如，借助於EtherCAT功率測量端子模塊EL3773，超采樣技術可用於測量電網並網點的電流和電壓。采樣頻率可達10 KHz。
電網監控端子模塊EL3773設計用於監控三相交流電壓係統的狀態。在 EtherCAT超采樣原理的基礎上，能夠以時間分辨率最高達100 μs的速度同時測量三相電壓和電流共計六個通道，然後把采集到的電壓、電流的真實傳輸至控製器。EL3773 支持分布式時鍾係統
，因此，能夠與其它EtherCAT設備一起同步進行測量。
  3.3 EtherCAT分布式時鍾
，確保采集信號的同步性
EtherCAT設備的分布式時鍾功能的分辨率為1 ns且精確度為10 ns
，使得測量值和控製值的同步時間窗口能小於1 μs，甚至小於100 納秒。EtherCAT tuopuzhongdesuoyoufenbushishizhongzaijinxingshizhongtongbushiyijisuanlechuanshuyanchideyingxiang。jiyuzhexianggongneng
，keyiquebaozhenggefengdianchangwangluozhongdeshujucaiyangzaishijianshangbaochitongbu。shiyongzhexiangjishushenzhihaikeyishixianfengchangneidegefengjibianliuqide IGBT同步。鑒於此，風力發電機組製造商和變流器供應商都已經參與進來了。
  3.4 同步大數據的采集
  隨著風電領域研究的深入
，風電場網絡還被賦予了大數據采集的期待。風場級大數據

，可用於分析風機尾流影響
；優化風電場扇區控製，優化風電場分布式能量管理控製；優化風機參數，提高風機功率
；達到風電場全生命周期管理的目的。所有的數據，都是“各個風機的同步數據”
，否則得到的數據對於數據分析的意義將會大大的降低。在使用GPS對時功能之後，現有的風電場網絡中的各個風機的時鍾同步也是在“幾百毫秒”級別的，其他的測量值，例如風速、風向等數據的同步性，更加無法保證。EtherCAT設備的分布式時鍾功能可以確保整個風電場網絡中的數據采樣在時間上保持同步。
  EtherCAT明顯增加了係統速度：一個包含1,500字節的EtherCAT報文可由主機在 77μs的時間內完成發送和再次接收。假設每台風力發電機組的過程映象區為50輸入字節和50輸出字節，那麼具有150台風力發電機組的風場的過程映象區可以在小於1ms的時間內刷新。如果速度要求更快或風力發電機組數量明顯增加，那麼可在一台主機上實現多個EtherCAT環網。
  4 結束語
  fengchangwangluokongzhidezhongyaoxingyuelaiyuetuchu，haishangfengdianchangyouqizhongshizhegehuanjie。deguoduihaishangfengdianchangdeyaoqiuyange，zaihaishangfengdianchangshejichuqi，jiubixujianlifengdianchangdefangzhenmoxing，duifengdianchangdekongzhiwangluoyouyangedeguiding。quantaoxitongcaiyongbeifukongzhijishude5MW風機已經於2009年在德國的第一個海上風場“Alpha Ventus”進行了測試和試驗。 
  倍福 PC控製技術理念為集成大量的高於標準控製之外的高級功能預留了足夠的空間。高性能CPU、高速I/O端子模塊、EtherCAT通信和TwinCAT自動化軟件為實現風電場極速控製提供了堅實的技術基礎。倍福基於EtherCAT的風電場實時電力監控網絡解決方案實現了小於1ms 的反應時間
，增加了電網兼容性。EtherCAT拓撲中的所有分布式時鍾可通過傳輸延遲的測量進行同步
，使用這項技術甚至還可以實現風場內的各風機變流器的IGBT同步。風電場中風電機組大量的同步數據的采集並存入數據庫，為整個風電場的能量控製、監控與預警和風機功率提升等的研究提供了大數據的準備。 
[1] 《GB/T 19963-2011 風電場接入電力係統技術規定》 
[2]  Hau, Melanie and Shan, Martin. Windparkregelung zur Netzintegration. 
16th Kassel Symposium Energy Systems Technology, 2011.  [3] 《GB/T 31230-2014 工業以太網現場總線EtherCAT》 
[4] 《NB/T 31003-2011 大型風電場並網設計技術規範》