可實現(xiàn)快速響應(yīng)及同步數(shù)據(jù)采集的風電場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

  作者：劉懿 王寧強， 
  德國倍福自動化有限公司 北京 100044

  摘要：
  風電場的集群控制是保障電網(wǎng)的安全運行、實現(xiàn)風場總功率的優(yōu)化以及提高風電場整體電能質(zhì)量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT實時風場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在風場網(wǎng)絡(luò)通信的高速響應(yīng)方面設(shè)立了新標準�；�于EtherCAT的風場網(wǎng)絡(luò)可以測量風電場并網(wǎng)點電流和電壓的瞬時值，并且采樣速率可達到10KHz。如果風電場并網(wǎng)點出現(xiàn)電壓跌落，系統(tǒng)能夠在最短的時間內(nèi)監(jiān)測電壓跌落數(shù)據(jù)，并且在1ms之內(nèi)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的所有風力發(fā)電機組給定值。通過 EtherCAT分布式時鐘，所有測量值以及控制給定值的同步時間誤差＜1μs。另外，通過EtherCAT風場網(wǎng)絡(luò)可以得到整個風場中所有風機的同步測量數(shù)據(jù)，具有同步特性的風場大數(shù)據(jù)的采集為整個風電場的能量控制、監(jiān)控與預(yù)警和風機功率提升等提供更有力的支撐。
  關(guān)鍵詞：風電場控制；同步大數(shù)據(jù)采集；EtherCAT；
  中圖分類號：TM614；TP392；TP393.04
  引言
  隨著近年來風力發(fā)電裝機容量的不斷提升，風力發(fā)電占所在電網(wǎng)的比例也隨之持續(xù)增加。眾所周知，風能具有高度的隨機波動性與間歇性，所以大規(guī)模的風電接入會對電力供需平衡、電力系統(tǒng)的安全以及電能質(zhì)量帶來諸多嚴峻的挑戰(zhàn)。2011年初發(fā)生在甘肅酒泉等地的多起脫網(wǎng)事故也說明了制定風電并網(wǎng)規(guī)范的緊迫性。因此,國家電網(wǎng)提出了風電場接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)定，由此產(chǎn)生了電網(wǎng)友好型風機和風電場的概念：①風機具有有功、無功調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)發(fā)生波動時風機不解列；②集中優(yōu)化配置有功功率和無功功率控制系統(tǒng)，實現(xiàn)風機的遠程調(diào)節(jié)控制。
  基于以上要求，不少整機制造商提出了智能風電場的概念，通過風電場網(wǎng)絡(luò)能夠遠程集中監(jiān)控風機和風電場的運行，并能實時的對功率進行控制，從而充分發(fā)揮風機自身的潛力為電網(wǎng)提供有力的支持。滿足上述要求就需要高性能的風場級控制器、相應(yīng)的電力測量設(shè)備和快速的現(xiàn)場總線。
  1風電場接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀
  1.1    1.1 國家標準中關(guān)于風電場的要求
  《GB/T 19963-2011風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)》[1]中明確了風電場接入電力系統(tǒng)的測試內(nèi)容：①風電場有功/無功控制能力測試。②風電場電能質(zhì)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(yīng)性測試；風電場電壓、頻率適應(yīng)性測試驗證。
  《GB/T 19963-2011風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)》中要求最高的是風機的低電壓穿越能力和風電場的低壓電壓穿越能力和動態(tài)無功支撐能力。這些的要求都需要風場級的控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間在ms級別。這是對整個風場級別的控制，而不是單個風機的控制。a) 風機的低電壓穿越能力（LVRT）
  風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標稱電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時，若風電場并網(wǎng)點考核電壓全部在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)，分店機組必須保證不脫網(wǎng)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(tài)無功支撐能力
  總裝機容量在百萬千瓦級規(guī)模及以上的風電群，當電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，每個風電場在低電壓穿越過程中應(yīng)具有以下動態(tài)無功支撐能力：當風電場并網(wǎng)點電壓處于標稱電壓的20%~90%區(qū)間內(nèi)時，風電場應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)，所需的無功電流取決于電壓跌落的深度且必須取決于風力發(fā)電機組或電網(wǎng)并網(wǎng)點的要求；子并網(wǎng)點電壓跌落出現(xiàn)的時刻起，動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間不大于75ms，持續(xù)時間應(yīng)不小于550ms。
  1.2 現(xiàn)有風電場網(wǎng)絡(luò)存在的問題 
  現(xiàn)有風電場網(wǎng)絡(luò)存在的不足主要有兩個：①控制周期慢；②無法協(xié)調(diào)整個風電場內(nèi)的風機達到風場級別LVRT功能。
  現(xiàn)有的風電場網(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，風機處使用普通以太網(wǎng)交換機，風場集控系統(tǒng)與各個風機之間采用TCP/IP等非實時的通訊協(xié)議。由于交換機的延時和以太網(wǎng)報文的不確定性，使得整個風電場控制網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)有風機的LVRT檢測和實現(xiàn)都是在風機本身的變流器部分實現(xiàn)，根據(jù)要求新增的風力發(fā)電機組都必須具備低電壓穿越能力。然而，考慮到風場規(guī)模的增大，以及每臺風機的不同情況，根據(jù)單個風機監(jiān)測的電壓情況作出的反應(yīng)也許不能產(chǎn)生電網(wǎng)營運商預(yù)期的效果。由于風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)點之間存在的阻抗，所以它們之間的電壓會有差異。也就是說各個風力發(fā)電機組對公共并網(wǎng)點電壓的變化會做出不同的反應(yīng)。同樣，風力發(fā)電機組級饋入的無功電流與電網(wǎng)并網(wǎng)點的最終無功電流也是不一致的。即無法達到國家標準對整個風電場整體的低電壓穿越的要求。
  1.3 EtherCAT風場控制網(wǎng)絡(luò)解決方案
  永磁直驅(qū)風力發(fā)電機和雙饋異步風力發(fā)電機是目前使用最多的風力發(fā)電機類型，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風力發(fā)電機相比，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)整輸出的有功和無功功率，其無功調(diào)節(jié)能力也廣泛地應(yīng)用于風電場的無功調(diào)整。充分發(fā)揮風力發(fā)電機自身的無功支撐能力，并以遠端并網(wǎng)點母線電壓為控制目標，對維持電網(wǎng)的無功功率平衡和電壓穩(wěn)定有著十分重要的意義。來自德國弗勞恩霍夫風能及能源系統(tǒng)技術(shù)研究院的Melanie Hau 和Martin Shan [2]的研究表明，風場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的速度以及風電機組自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線的速度對風場電壓或無功功率控制可實現(xiàn)的動態(tài)性產(chǎn)生了顯著影響。
而這恰恰就是 EtherCAT 風場控制網(wǎng)絡(luò)解決方案的優(yōu)點。迄今為止，風場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控都是使用以太網(wǎng)實現(xiàn)的。以太網(wǎng)光纜用于將單獨的風力發(fā)電機組連接到主計算機。因為 EtherCAT 基于以太網(wǎng)，所以其與以太網(wǎng)的物理層完全兼容。當使用EtherCAT時，也可應(yīng)用相同的物理層。此外，EtherCAT 還完全實現(xiàn)了線纜冗余。風場中的光纜環(huán)網(wǎng)通過風場主機的第二塊網(wǎng)卡形成閉環(huán)。亮點就在于，與目前使用的支持冗余的交換機相比，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使整個風場應(yīng)對低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在風電場并網(wǎng)點診斷出有電壓跌落，它可以在1 ms的時間內(nèi)將信號傳輸給整個風場的所有風力發(fā)電機組。且其能夠讓整個風場對電網(wǎng)中的電壓跌落做出協(xié)同的反應(yīng)。這樣，解決方案即可實現(xiàn)整個風場在電網(wǎng)并網(wǎng)點的確定的行為。
  另外，EtherCAT從站中的分布式時鐘能夠確保整個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時間上保持同步。時基誤差小于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.倍福極速風電場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
  倍福極速風電場監(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、電力測量端子模塊、帶光纖接口的EtherCAT耦合器和實時的EtherCAT通訊技術(shù)、超采樣技術(shù)、EtherCAT分布式時鐘技術(shù)。倍福工業(yè)PC上運行專用的風電場能量管理平臺，具有強大的風電場實時電力監(jiān)控功能。該平臺提供與電網(wǎng)調(diào)度接口，集中實時控制風電場并網(wǎng)點的電壓、功率等等。保證風電場與接入地區(qū)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)高效的風電場運行和管理。EtheCAT光電轉(zhuǎn)換耦合器模塊把風電場管理平臺與風電場內(nèi)的風機連接到一起，組成風電場實時電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可在風電場網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)小于 1 ms 的實時控制任務(wù)。專用的電力監(jiān)測端子模塊監(jiān)控風場電網(wǎng)并網(wǎng)點和單臺風機并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。

   
  圖2 風電場實時電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

  2.1 風電場實時電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案分為兩部分：
  a) 單臺風力發(fā)電機組接入EtherCAT風場網(wǎng)絡(luò)，如下圖3所示 

 
  圖3單臺風力發(fā)電機組接入EtherCAT風場網(wǎng)絡(luò)

  該方案采用了倍福嵌入式工業(yè) PC CX5020控制器作為風機的主控制器，主控制程序基于TwinCAT軟件，運用倍福自主開發(fā)完善、高效、成熟的風電專用功能庫，集成先進的控制算法，很好的協(xié)調(diào)控制風機各部件和子系統(tǒng)的運行。根據(jù)當前的風況和風電場能量管理平臺的控制指令，控制風機的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風機的穩(wěn)定運行。
  風機控制器可以通過 EtherCAT網(wǎng)橋模塊EL6695和擴展模塊EK1110 接入風電場實時控制網(wǎng)絡(luò)，與能量管理平臺進行通訊，滿足對整個風電場的實時控制的需要。EK1501作為單臺風機與風電場EtherCAT實時網(wǎng)絡(luò)的接入點。
  EL3413 模塊可直接監(jiān)測單臺風機并網(wǎng)側(cè)的690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無功、發(fā)電量，以及21次以內(nèi)的諧波等等。風機主控系統(tǒng)通過采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)測風機運行狀況、相關(guān)的數(shù)據(jù)可通過風場網(wǎng)絡(luò)傳送到風電場中控室的能量管理平臺和 SCADA系統(tǒng)。
  b) 風電場控制器及公共并網(wǎng)點電力監(jiān)測，如下圖4所示

  圖4 風電場并網(wǎng)點電力監(jiān)測

  國標中所有要求的參考點只有一個：風電場公共并網(wǎng)點，所以對風電場并網(wǎng)點的電壓值、電流值的監(jiān)測極其重要。并網(wǎng)點電量值的快速采集，需要高精度、高采樣率的測量設(shè)備，最好能高速的得到并網(wǎng)點電壓和電流的瞬時值。
  具有XFC超采樣技術(shù)的電力測量模塊EL3773對風電場并網(wǎng)點進行監(jiān)控。倍福工業(yè) PC上運行的能量管理平臺通過EtherCAT光纖耦合器或光電轉(zhuǎn)換模塊接入到風電場實時網(wǎng)絡(luò)，采集風電場并網(wǎng)點處和每臺風機并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況，通過能量管理平臺軟件統(tǒng)一調(diào)控整個風電場的電壓、頻率、有功出力和無功等。
  2.2 通訊架構(gòu)：
  ①風場實時網(wǎng)絡(luò)為環(huán)網(wǎng)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(yīng)的耦合器EK1501把風場的風機連接成通訊環(huán)網(wǎng)。風場中的每臺風機的主控制器CX5020可通過EtherCAT 網(wǎng)橋模塊EL6695實現(xiàn)與能量管理平臺的實時通訊。
  ②EtherCAT采用開放的實時以太網(wǎng)通訊協(xié)議，是一種高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，分布于100個節(jié)點的1000個開關(guān)量刷新時間僅為30µs，同時，它還明顯降低了現(xiàn)場總線成本。EtherCAT的特點還包括分布式時鐘，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，利用時間戳可獲得小于100 ns的時間分辨率。
  2.3 開放性與兼容性
  EtherCA系統(tǒng)具有很強的開放性，該解決方案也可與第三方供應(yīng)商的控制器一起使用。倍�？商峁┡c常見的場總線系統(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)亮點的詳細介紹
  3.1 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)
作為快速、實時的總線系統(tǒng)，EtherCAT 使得倍福的風電場實時電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)解決方案變得更加完美。EtherCAT于2014年成為了中國的國家推薦標準《GB/T 31230-2014 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT》[3]，它不僅成為了控制現(xiàn)場總線，還成為了測量現(xiàn)場總線。只有這種基于以太網(wǎng)且具有高度確定性的高速現(xiàn)場總線協(xié)議才能實現(xiàn)諸如狀態(tài)監(jiān)測集成的復(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)傳輸率遠遠超過 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(xiàn)了其它新技術(shù)：例如，數(shù)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，借助于EtherCAT功率測量端子模塊EL3773，超采樣技術(shù)可用于測量電網(wǎng)并網(wǎng)點的電流和電壓。采樣頻率可達10 KHz。
電網(wǎng)監(jiān)控端子模塊EL3773設(shè)計用于監(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，然后把采集到的電壓、電流的真實傳輸至控制器。EL3773 支持分布式時鐘系統(tǒng)，因此，能夠與其它EtherCAT設(shè)備一起同步進行測量。
  3.3 EtherCAT分布式時鐘，確保采集信號的同步性
EtherCAT設(shè)備的分布式時鐘功能的分辨率為1 ns且精確度為10 ns，使得測量值和控制值的同步時間窗口能小于1 μs，甚至小于100 納秒。EtherCAT 拓撲中的所有分布式時鐘在進行時鐘同步時已計算了傳輸延遲的影響。基于這項功能，可以確保整個風電場網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時間上保持同步。使用這項技術(shù)甚至還可以實現(xiàn)風場內(nèi)的各風機變流器的 IGBT同步。鑒于此，風力發(fā)電機組制造商和變流器供應(yīng)商都已經(jīng)參與進來了。
  3.4 同步大數(shù)據(jù)的采集
  隨著風電領(lǐng)域研究的深入，風電場網(wǎng)絡(luò)還被賦予了大數(shù)據(jù)采集的期待。風場級大數(shù)據(jù)，可用于分析風機尾流影響；優(yōu)化風電場扇區(qū)控制，優(yōu)化風電場分布式能量管理控制；優(yōu)化風機參數(shù)，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(shù)據(jù)，都是“各個風機的同步數(shù)據(jù)”，否則得到的數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)分析的意義將會大大的降低。在使用GPS對時功能之后，現(xiàn)有的風電場網(wǎng)絡(luò)中的各個風機的時鐘同步也是在“幾百毫秒”級別的，其他的測量值，例如風速、風向等數(shù)據(jù)的同步性，更加無法保證。EtherCAT設(shè)備的分布式時鐘功能可以確保整個風電場網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時間上保持同步。
  EtherCAT明顯增加了系統(tǒng)速度：一個包含1,500字節(jié)的EtherCAT報文可由主機在 77μs的時間內(nèi)完成發(fā)送和再次接收。假設(shè)每臺風力發(fā)電機組的過程映象區(qū)為50輸入字節(jié)和50輸出字節(jié)，那么具有150臺風力發(fā)電機組的風場的過程映象區(qū)可以在小于1ms的時間內(nèi)刷新。如果速度要求更快或風力發(fā)電機組數(shù)量明顯增加，那么可在一臺主機上實現(xiàn)多個EtherCAT環(huán)網(wǎng)。
  4 結(jié)束語
  風場網(wǎng)絡(luò)控制的重要性越來越突出，海上風電場尤其重視這個環(huán)節(jié)。德國對海上風電場的要求嚴格，在海上風電場設(shè)計初期，就必須建立風電場的仿真模型，對風電場的控制網(wǎng)絡(luò)有嚴格的規(guī)定。全套系統(tǒng)采用倍�？刂萍夹g(shù)的5MW風機已經(jīng)于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控制技術(shù)理念為集成大量的高于標準控制之外的高級功能預(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自動化軟件為實現(xiàn)風電場極速控制提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。倍福基于EtherCAT的風電場實時電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)解決方案實現(xiàn)了小于1ms 的反應(yīng)時間，增加了電網(wǎng)兼容性。EtherCAT拓撲中的所有分布式時鐘可通過傳輸延遲的測量進行同步，使用這項技術(shù)甚至還可以實現(xiàn)風場內(nèi)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(shù)據(jù)的采集并存入數(shù)據(jù)庫，為整個風電場的能量控制、監(jiān)控與預(yù)警和風機功率提升等的研究提供了大數(shù)據(jù)的準備。 
[1] 《GB/T 19963-2011 風電場接入電力系統(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)場總線EtherCAT》 
[4] 《NB/T 31003-2011 大型風電場并網(wǎng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》