基于EtherCAT總線的微電網能量優化管理系統

沈潤 吳斌 王廣佳

摘 要：介紹了EtherCAT總線的技術特點與性能優點，同時介紹了倍福的EtherCAT模塊的分類與功能，并通過該端子模塊實現微電網的二次系統建構建，采集微電網能量管理中所需的電網信息，并通過微電網能量管理系統（MEMS）實現能量的管理和調度，并且可以通過web界面遠程訪問微電網的運行狀況，達到了較好的運行效果。

關鍵詞：EtherCAT；CX8090；EtherCAT端子模塊；微電網；能量管理

微電網的運行與控制比常規配電網更加依賴于實時信息的處理，其對傳輸數據的實時性、可靠性、穩定性要求更高，因此通信系統對于微電網來說至關重要[1]。

目前微電網實驗工程普遍采用歐盟提出的微電網構架模型，系統中負荷控制器、微源控制器、微電網集中控制器以及配電網調度EMS之間搭建通信鏈路，實現各種數據的采集和控制命令的下發。

EtherCAT是開放的實時以太網通訊協議，最初由德國倍福提出，EtherCAT在數據鏈路層加入了軟件核，顯著的提高了數據的穩定性和實時性。

本系統將倍福公司的EtherCAT總線產品用于微電網通信之中，實現微電網多種信息流的高效融合，滿足微電網的運行要求，達到了理想的運行效果。

1 EtherCAT總線技術

1.1 EtherCAT性能

EtherCAT總線支持多種自動化網絡拓撲，可以使用總線型、星型或者環形網絡拓撲結構，非常適合中小型自動化控制領域。其獨有的分布式I/O方式，更是打破了傳統現場總線的瓶頸。

除此之外，EtherCAT的支持多種傳輸電纜、精確時鐘同步技術、基于純硬件的數據交換技術、通信診斷技術和通訊控制一體化技術等等技術優勢，都是傳統通信總線不可比擬的[2]。

將EtherCAT總線技術應用于實時性要求較高的微電網中，可以提高微電網系統的實時性、穩定性和健壯性。

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，避免了多層協議處理報文而產生時延。EtherCAT的應用層對TCP/IP完全透明，所有的以太網技術都可以通過EtherCAT實現而不影響其實時性[3]。它基于主從數據交換原理，需要主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT 非常適合微電網內各個設備之間的通訊。

2 倍福的軟PLC技術與控制模塊

2.1 微電網數據采集系統架構

本微電網工程包括15KW光伏、3臺2KW的風力發電機、15KW的混合儲能系統以及各種分級負荷。實時以太網傳輸的數據包括：各微電源的電壓、電流、有功、無功功率等實時信息，SCADA系統與逆變器之間的控制系統與反饋系統，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，包括設備層、就地控制層、協調控制層（站控層）和遠程訪問層。

1）設備層包括風機、光伏、儲能、逆變器和接觸器等設備；

2）就地控制層采用倍福CX8090控制器和EtherCAT端子模塊構成；

3）協調控制層采用裝有實時核TwinCAT的工控機，用于風光儲之間的協調配合；

4）遠程訪問層通過web界面可以實時監測微電網運行狀況。

2.2 CX8090主控制器

CX8090 嵌入式 PC基于ARM核，可以實現總線型“菊花鏈式”拓撲結構。其軟件系統基于Windows CE6.0操作系統，通過TwinCAT軟件可以方便的實現編程，同時TwinCAT提供了豐富的函數庫，較大的提高了系統的開發效率。特別適合用于處理各種任務，可用作為伺服控制系統、分布式協調控制以及智能家居控制的分布式智能設備。

2.3 EtherCAT端子模塊

EtherCAT端子模塊可直接連接多個不同信號。無需信號轉換器或額外的分析設備。直接連接方式不僅能夠降低成本，還能夠簡化控制結構。每個EtherCAT端子模塊將內部電子元器件從連接層分離，使得不同電壓組的創建變得更加簡單。此外，信號連接器上的干擾電壓也不再有不良影響。本項目采用了數字量輸入模塊EL1004、數字量輸出模塊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軟件的工控機軟PLC技術

TwinCAT系統是本文所述的微電網工程的核心部分。預裝TwinCAT軟件的PC可以直接連接PLC、NC、CNC和機器人等設備。TwinCAT系統特點包括：不改變 Windows、無需PC外的其他硬件、將標準Windows變成實時操作系統、循環時間可短至50微秒、強制優先排序和完全支持浮點單元等。在預裝Windows操作系統的工控機上安裝TwinCAT實時內核，來運行實時的網絡通信。

本工程中預裝TwinCAT系統的PC機可以經簡單開發即可實現SCADA的功能。

2.5 工控機與CX8090之間的ADS通信

在倍福TwinCAT 系統中，各個軟件模塊的工作模式類似于硬件設備，它們能夠獨立工作，例如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應用程序等。各個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ADS 設備之間都能夠交換數據和信息。

3 微電網能量優化調度算法

微電網協調控制層實現的能量管理算法采用變時間尺度能量管理優化策略，以日前預測為前提，根據不同能量管理優化模式調用相應算法發布發電計劃；基于當日運行數據反饋對預測和發電計劃滾動修正；此外基于實時運行數據調用以10min為時間尺度的超短期預測，并依據預測數值，比對滾動預測偏差分配給各可控單元，實現微電網功率平衡[4]。

4 微電網數據實時刷新與能量優化管理

基于web開發的能量管理監控系統，實現微電網能量管理優化結果的各項數據展示，包括微電網一次接線圖、發用電預測、調度計劃等，此外提供數據維護功能，包括電價、儲能、聯絡線配置信息等。微電網主接線界面和發電預測界面如圖2所示，主接線圖實時顯示通過EtherCAT總線獲取的各路出線的數據，微電網預測與調度界面顯示經過能量管理算法后的預測數據柱狀圖和曲線以及調度計劃。

5 結論

本文通過采用EtherCAT總線作為微電網能量管理、優化調度的的通信構架，通過倍福公司的控制器模塊、EtherCAT端子模塊和TwinCAT軟件實現微電網信息的采集和調度控制命令的下發，實現微電網風光儲的能量管理和協調優化，并且用戶可通過web界面遠程訪問微電網的運行狀況。

由于本期項目重點在于風光的預測以及微電網能量優化調度，而不在于并離網切換等動態控制，尚不能較好的體現出EtherCAT實時以太網的優點，第二期微電網項目將重點研究微電網的動態、穩態和暫態的三態控制，屆時可體現出EtherCAT總線用于微電網協調緊急控制的優勢。

參考文獻：

[1]張朋，李瑞生，王曉雷.微電網通信系統研究與設計[J].計算機測量與控制，2013-08-25.

[2]向乾亮，辛志遠，林繼如，等.實時以太網EtherCAT技術在電力系統中的應用[J].繼電器，2008-06-01.

[3]王維建.工業以太網EtherCAT技術的原理及其實現[J].微計算機信息，2010，26（5-1）：51-52.

[4]費陽，沈潤，戴桂木.微電網能量管理系統站控層設計[J].電氣技術，2015-01-15.

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