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可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及同步數(shù)據(jù)采集的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
作者：劉懿 王寧強(qiáng)，
德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司 北京 100044
摘要：
風(fēng)電場(chǎng)的集群控制是保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)總功率的優(yōu)化以及提高風(fēng)電場(chǎng)整體電能質(zhì)量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的高速響應(yīng)方面設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)�；贓therCAT的風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可以測(cè)量風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電流和電壓的瞬時(shí)值，并且采樣速率可達(dá)到10KHz。如果風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)電壓跌落，系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)電壓跌落數(shù)據(jù)，并且在1ms之內(nèi)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組給定值。通過(guò) EtherCAT分布式時(shí)鐘，所有測(cè)量值以及控制給定值的同步時(shí)間誤差＜1μs。另外，通過(guò)EtherCAT風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可以得到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)中所有風(fēng)機(jī)的同步測(cè)量數(shù)據(jù)，具有同步特性的風(fēng)場(chǎng)大數(shù)據(jù)的采集為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的能量控制、監(jiān)控與預(yù)警和風(fēng)機(jī)功率提升等提供更有力的支撐。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)控制；同步大數(shù)據(jù)采集；EtherCAT；
中圖分類號(hào)：TM614；TP392；TP393.04
引言
隨著近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷提升，風(fēng)力發(fā)電占所在電網(wǎng)的比例也隨之持續(xù)增加。眾所周知，風(fēng)能具有高度的隨機(jī)波動(dòng)性與間歇性，所以大規(guī)模的風(fēng)電接入會(huì)對(duì)電力供需平衡、電力系統(tǒng)的安全以及電能質(zhì)量帶來(lái)諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2011年初發(fā)生在甘肅酒泉等地的多起脫網(wǎng)事故也說(shuō)明了制定風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范的緊迫性。因此,國(guó)家電網(wǎng)提出了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)定，由此產(chǎn)生了電網(wǎng)友好型風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的概念：①風(fēng)機(jī)具有有功、無(wú)功調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)不解列；②集中優(yōu)化配置有功功率和無(wú)功功率控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制。
基于以上要求，不少整機(jī)制造商提出了智能風(fēng)電場(chǎng)的概念，通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠遠(yuǎn)程集中監(jiān)控風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行，并能實(shí)時(shí)的對(duì)功率進(jìn)行控制，從而充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)自身的潛力為電網(wǎng)提供有力的支持。滿足上述要求就需要高性能的風(fēng)場(chǎng)級(jí)控制器、相應(yīng)的電力測(cè)量設(shè)備和快速的現(xiàn)場(chǎng)總線。
1風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀
1.1 1.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)的要求
《GB/T 19963-2011風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)》[1]中明確了風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容：①風(fēng)電場(chǎng)有功/無(wú)功控制能力測(cè)試。②風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試，包含閃變和諧波。③風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試；風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力驗(yàn)證。④風(fēng)電機(jī)組電壓、頻率適應(yīng)性測(cè)試；風(fēng)電場(chǎng)電壓、頻率適應(yīng)性測(cè)試驗(yàn)證。
《GB/T 19963-2011風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)》中要求最高的是風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力和風(fēng)電場(chǎng)的低壓電壓穿越能力和動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力。這些的要求都需要風(fēng)場(chǎng)級(jí)的控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在ms級(jí)別。這是對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)級(jí)別的控制，而不是單個(gè)風(fēng)機(jī)的控制。a) 風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力（LVRT）
風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時(shí)，若風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)考核電壓全部在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)，分店機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)運(yùn)行；否則，允許風(fēng)電機(jī)組切出。
圖1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越要求
b) 風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力
總裝機(jī)容量在百萬(wàn)千瓦級(jí)規(guī)模及以上的風(fēng)電群，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時(shí)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在低電壓穿越過(guò)程中應(yīng)具有以下動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力：當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于標(biāo)稱電壓的20%~90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能夠通過(guò)注入無(wú)功電流支撐電壓恢復(fù)，所需的無(wú)功電流取決于電壓跌落的深度且必須取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的要求；子并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無(wú)功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75ms，持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于550ms。
1.2 現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題
現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)存在的不足主要有兩個(gè)：①控制周期慢；②無(wú)法協(xié)調(diào)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)達(dá)到風(fēng)場(chǎng)級(jí)別LVRT功能。
現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是基于以太網(wǎng)的解決方案，通訊采用以太網(wǎng)光纖，風(fēng)機(jī)處使用普通以太網(wǎng)交換機(jī)，風(fēng)場(chǎng)集控系統(tǒng)與各個(gè)風(fēng)機(jī)之間采用TCP/IP等非實(shí)時(shí)的通訊協(xié)議。由于交換機(jī)的延時(shí)和以太網(wǎng)報(bào)文的不確定性，使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)是“秒級(jí)”或者更長(zhǎng)的時(shí)間，通訊速度和通訊的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。
現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的LVRT檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)都是在風(fēng)機(jī)本身的變流器部分實(shí)現(xiàn)，根據(jù)要求新增的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都必須具備低電壓穿越能力。然而，考慮到風(fēng)場(chǎng)規(guī)模的增大，以及每臺(tái)風(fēng)機(jī)的不同情況，根據(jù)單個(gè)風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)的電壓情況作出的反應(yīng)也許不能產(chǎn)生電網(wǎng)營(yíng)運(yùn)商預(yù)期的效果。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)之間存在的阻抗，所以它們之間的電壓會(huì)有差異。也就是說(shuō)各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化會(huì)做出不同的反應(yīng)。同樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組級(jí)饋入的無(wú)功電流與電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的最終無(wú)功電流也是不一致的。即無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)整體的低電壓穿越的要求。
1.3 EtherCAT風(fēng)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前使用最多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，和功率因數(shù)可在+0.95到-0.95之間調(diào)整，可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)整輸出的有功和無(wú)功功率，其無(wú)功調(diào)節(jié)能力也廣泛地應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)整。充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的無(wú)功支撐能力，并以遠(yuǎn)端并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓為控制目標(biāo)，對(duì)維持電網(wǎng)的無(wú)功功率平衡和電壓穩(wěn)定有著十分重要的意義。來(lái)自德國(guó)弗勞恩霍夫風(fēng)能及能源系統(tǒng)技術(shù)研究院的Melanie Hau 和Martin Shan [2]的研究表明，風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的速度以及風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的速度對(duì)風(fēng)場(chǎng)電壓或無(wú)功功率控制可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性產(chǎn)生了顯著影響。
而這恰恰就是 EtherCAT 風(fēng)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案的優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控都是使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。以太網(wǎng)光纜用于將單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連接到主計(jì)算機(jī)。因?yàn)?nbsp;EtherCAT 基于以太網(wǎng)，所以其與以太網(wǎng)的物理層完全兼容。當(dāng)使用EtherCAT時(shí)，也可應(yīng)用相同的物理層。此外，EtherCAT 還完全實(shí)現(xiàn)了線纜冗余。風(fēng)場(chǎng)中的光纜環(huán)網(wǎng)通過(guò)風(fēng)場(chǎng)主機(jī)的第二塊網(wǎng)卡形成閉環(huán)。亮點(diǎn)就在于，與目前使用的支持冗余的交換機(jī)相比，使用EtherCAT可以顯著提高傳輸速度并降低成本。
與目前的其它方案不同，EtherCAT 解決方案可以利用EtherCAT使整個(gè)風(fēng)場(chǎng)應(yīng)對(duì)低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)診斷出有電壓跌落，它可以在1 ms的時(shí)間內(nèi)將信號(hào)傳輸給整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。且其能夠讓整個(gè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)中的電壓跌落做出協(xié)同的反應(yīng)。這樣，解決方案即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)在電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的確定的行為。
另外，EtherCAT從站中的分布式時(shí)鐘能夠確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時(shí)間上保持同步。時(shí)基誤差小于1μs（微秒），甚至小于100 納秒。有了這些數(shù)據(jù)，電流、電壓和頻率可以得到相應(yīng)控制且電網(wǎng)可以得到最優(yōu)的支持。
2.倍福極速風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
倍福極速風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案如下圖2所示。
該方案是基于倍福的工業(yè)PC、電力測(cè)量端子模塊、帶光纖接口的EtherCAT耦合器和實(shí)時(shí)的EtherCAT通訊技術(shù)、超采樣技術(shù)、EtherCAT分布式時(shí)鐘技術(shù)。倍福工業(yè)PC上運(yùn)行專用的風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)，具有強(qiáng)大的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控功能。該平臺(tái)提供與電網(wǎng)調(diào)度接口，集中實(shí)時(shí)控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、功率等等。保證風(fēng)電場(chǎng)與接入地區(qū)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和管理。EtheCAT光電轉(zhuǎn)換耦合器模塊把風(fēng)電場(chǎng)管理平臺(tái)與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)連接到一起，組成風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可在風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)小于 1 ms 的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。專用的電力監(jiān)測(cè)端子模塊監(jiān)控風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)和單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況（電壓、頻率、有功、無(wú)功等等）。
圖2 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
2.1 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案分為兩部分：
a) 單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入EtherCAT風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，如下圖3所示
圖3單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入EtherCAT風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)
該方案采用了倍福嵌入式工業(yè) PC CX5020控制器作為風(fēng)機(jī)的主控制器，主控制程序基于TwinCAT軟件，運(yùn)用倍福自主開發(fā)完善、高效、成熟的風(fēng)電專用功能庫(kù)，集成先進(jìn)的控制算法，很好的協(xié)調(diào)控制風(fēng)機(jī)各部件和子系統(tǒng)的運(yùn)行。根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)況和風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)的控制指令，控制風(fēng)機(jī)的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
風(fēng)機(jī)控制器可以通過(guò) EtherCAT網(wǎng)橋模塊EL6695和擴(kuò)展模塊EK1110 接入風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，與能量管理平臺(tái)進(jìn)行通訊，滿足對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制的需要。EK1501作為單臺(tái)風(fēng)機(jī)與風(fēng)電場(chǎng)EtherCAT實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。
EL3413 模塊可直接監(jiān)測(cè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無(wú)功、發(fā)電量，以及21次以內(nèi)的諧波等等。風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)通過(guò)采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、相關(guān)的數(shù)據(jù)可通過(guò)風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳送到風(fēng)電場(chǎng)中控室的能量管理平臺(tái)和 SCADA系統(tǒng)。
b) 風(fēng)電場(chǎng)控制器及公共并網(wǎng)點(diǎn)電力監(jiān)測(cè)，如下圖4所示
圖4 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電力監(jiān)測(cè)
國(guó)標(biāo)中所有要求的參考點(diǎn)只有一個(gè)：風(fēng)電場(chǎng)公共并網(wǎng)點(diǎn)，所以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓值、電流值的監(jiān)測(cè)極其重要。并網(wǎng)點(diǎn)電量值的快速采集，需要高精度、高采樣率的測(cè)量設(shè)備，最好能高速的得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電流的瞬時(shí)值。
具有XFC超采樣技術(shù)的電力測(cè)量模塊EL3773對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。倍福工業(yè) PC上運(yùn)行的能量管理平臺(tái)通過(guò)EtherCAT光纖耦合器或光電轉(zhuǎn)換模塊接入到風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，采集風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處和每臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況，通過(guò)能量管理平臺(tái)軟件統(tǒng)一調(diào)控整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓、頻率、有功出力和無(wú)功等。
2.2 通訊架構(gòu)：
①風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)為環(huán)網(wǎng)方式，使用光纖（單模光纖最遠(yuǎn)20km，多模光纖最遠(yuǎn)2km）通過(guò)EtherCAT總線和相應(yīng)的耦合器EK1501把風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)連接成通訊環(huán)網(wǎng)。風(fēng)場(chǎng)中的每臺(tái)風(fēng)機(jī)的主控制器CX5020可通過(guò)EtherCAT 網(wǎng)橋模塊EL6695實(shí)現(xiàn)與能量管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)通訊。
②EtherCAT采用開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，是一種高速以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，分布于100個(gè)節(jié)點(diǎn)的1000個(gè)開關(guān)量刷新時(shí)間僅為30µs，同時(shí)，它還明顯降低了現(xiàn)場(chǎng)總線成本。EtherCAT的特點(diǎn)還包括分布式時(shí)鐘，可選線纜冗余和功能性安全協(xié)議(SIL3)。采用XFC（極速控制）技術(shù)后，利用時(shí)間戳可獲得小于100 ns的時(shí)間分辨率。
2.3 開放性與兼容性
EtherCA系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性，該解決方案也可與第三方供應(yīng)商的控制器一起使用。倍福可提供與常見(jiàn)的場(chǎng)總線系統(tǒng)（例如 PROFIBUS、PROFINET 和 CANopen等）橋接的EtherCAT模塊，包括主站和從站與，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可以使用這些總線與第三方控制器通訊。
3.技術(shù)亮點(diǎn)的詳細(xì)介紹
3.1 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)
作為快速、實(shí)時(shí)的總線系統(tǒng)，EtherCAT 使得倍福的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)解決方案變得更加完美。EtherCAT于2014年成為了中國(guó)的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 31230-2014 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT》[3]，它不僅成為了控制現(xiàn)場(chǎng)總線，還成為了測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)總線。只有這種基于以太網(wǎng)且具有高度確定性的高速現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)諸如狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成的復(fù)雜應(yīng)用。有了全雙工快速以太網(wǎng)和幾微秒的總線周期，EtherCAT 功能原則的有用數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 90%。連同后面提到的超采樣功能和 EtherCAT 從站中的直接數(shù)值緩沖，采樣率可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際的總線周期。
3.2 超高速的功率測(cè)量模塊，可達(dá)10,000采樣點(diǎn)/秒
通過(guò) EtherCAT 還實(shí)現(xiàn)了其它新技術(shù)：例如，數(shù)字量輸入模塊EL1262能夠以高達(dá)1百萬(wàn)采樣點(diǎn)/秒的速度掃描信號(hào)。例如，超采樣功能使得頻率高達(dá)100 kHz 的信號(hào)測(cè)量或輸出成為可能。例如，借助于EtherCAT功率測(cè)量端子模塊EL3773，超采樣技術(shù)可用于測(cè)量電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電流和電壓。采樣頻率可達(dá)10 KHz。
電網(wǎng)監(jiān)控端子模塊EL3773設(shè)計(jì)用于監(jiān)控三相交流電壓系統(tǒng)的狀態(tài)。在 EtherCAT超采樣原理的基礎(chǔ)上，能夠以時(shí)間分辨率最高達(dá)100 μs的速度同時(shí)測(cè)量三相電壓和電流共計(jì)六個(gè)通道，然后把采集到的電壓、電流的真實(shí)傳輸至控制器。EL3773 支持分布式時(shí)鐘系統(tǒng)，因此，能夠與其它EtherCAT設(shè)備一起同步進(jìn)行測(cè)量。
3.3 EtherCAT分布式時(shí)鐘，確保采集信號(hào)的同步性
EtherCAT設(shè)備的分布式時(shí)鐘功能的分辨率為1 ns且精確度為10 ns，使得測(cè)量值和控制值的同步時(shí)間窗口能小于1 μs，甚至小于100 納秒。EtherCAT 拓?fù)渲械乃蟹植际綍r(shí)鐘在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)已計(jì)算了傳輸延遲的影響。基于這項(xiàng)功能，可以確保整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時(shí)間上保持同步。使用這項(xiàng)技術(shù)甚至還可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的各風(fēng)機(jī)變流器的 IGBT同步。鑒于此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商和變流器供應(yīng)商都已經(jīng)參與進(jìn)來(lái)了。
3.4 同步大數(shù)據(jù)的采集
隨著風(fēng)電領(lǐng)域研究的深入，風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)還被賦予了大數(shù)據(jù)采集的期待。風(fēng)場(chǎng)級(jí)大數(shù)據(jù)，可用于分析風(fēng)機(jī)尾流影響；優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)扇區(qū)控制，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)分布式能量管理控制；優(yōu)化風(fēng)機(jī)參數(shù)，提高風(fēng)機(jī)功率；達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)全生命周期管理的目的。所有的數(shù)據(jù)，都是“各個(gè)風(fēng)機(jī)的同步數(shù)據(jù)”，否則得到的數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)分析的意義將會(huì)大大的降低。在使用GPS對(duì)時(shí)功能之后，現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)風(fēng)機(jī)的時(shí)鐘同步也是在“幾百毫秒”級(jí)別的，其他的測(cè)量值，例如風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)的同步性，更加無(wú)法保證。EtherCAT設(shè)備的分布式時(shí)鐘功能可以確保整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時(shí)間上保持同步。
EtherCAT明顯增加了系統(tǒng)速度：一個(gè)包含1,500字節(jié)的EtherCAT報(bào)文可由主機(jī)在 77μs的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)送和再次接收。假設(shè)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的過(guò)程映象區(qū)為50輸入字節(jié)和50輸出字節(jié)，那么具有150臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)場(chǎng)的過(guò)程映象區(qū)可以在小于1ms的時(shí)間內(nèi)刷新。如果速度要求更快或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量明顯增加，那么可在一臺(tái)主機(jī)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)EtherCAT環(huán)網(wǎng)。
4 結(jié)束語(yǔ)
風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制的重要性越來(lái)越突出，海上風(fēng)電場(chǎng)尤其重視這個(gè)環(huán)節(jié)。德國(guó)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的要求嚴(yán)格，在海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)初期，就必須建立風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)格的規(guī)定。全套系統(tǒng)采用倍福控制技術(shù)的5MW風(fēng)機(jī)已經(jīng)于2009年在德國(guó)的第一個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)“Alpha Ventus”進(jìn)行了測(cè)試和試驗(yàn)。
倍福 PC控制技術(shù)理念為集成大量的高于標(biāo)準(zhǔn)控制之外的高級(jí)功能預(yù)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(dòng)化軟件為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)極速控制提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。倍福基于EtherCAT的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)解決方案實(shí)現(xiàn)了小于1ms 的反應(yīng)時(shí)間，增加了電網(wǎng)兼容性。EtherCAT拓?fù)渲械乃蟹植际綍r(shí)鐘可通過(guò)傳輸延遲的測(cè)量進(jìn)行同步，使用這項(xiàng)技術(shù)甚至還可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的各風(fēng)機(jī)變流器的IGBT同步。風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組大量的同步數(shù)據(jù)的采集并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的能量控制、監(jiān)控與預(yù)警和風(fēng)機(jī)功率提升等的研究提供了大數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。
[1] 《GB/T 19963-2011 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》
[2] Hau, Melanie and Shan, Martin. Windparkregelung zur Netzintegration.
16th Kassel Symposium Energy Systems Technology, 2011. [3] 《GB/T 31230-2014 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT》
[4] 《NB/T 31003-2011 大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》
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