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：
  風電場的集群控制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面設立了新標準�；�于EtherCAT的風場網絡可以測量風電場并網點電流和電壓的瞬時值，并且采樣速率可達到10KHz。如果風電場并網點出現電壓跌落，系統能夠在最短的時間內監測電壓跌落數據，并且在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制、監控與預警和風機功率提升等提供更有力的支撐。
  關鍵詞：風電場控制；同步大數據采集；EtherCAT；
  中圖分類號：TM614；TP392；TP393.04
  引言
  隨著近年來風力發電裝機容量的不斷提升，風力發電占所在電網的比例也隨之持續增加。眾所周知，風能具有高度的隨機波動性與間歇性，所以大規模的風電接入會對電力供需平衡、電力系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制定風電并網規范的緊迫性。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制系統，實現風機的遠程調節控制。
  基于以上要求，不少整機制造商提出了智能風電場的概念，通過風電場網絡能夠遠程集中監控風機和風電場的運行，并能實時的對功率進行控制，從而充分發揮風機自身的潛力為電網提供有力的支持。滿足上述要求就需要高性能的風場級控制器、相應的電力測量設備和快速的現場總線。
  1風電場接入電力系統的現狀
  1.1    1.1 國家標準中關于風電場的要求
  《GB/T 19963-2011風電場接入電力系統技術》[1]中明確了風電場接入電力系統的測試內容：①風電場有功/無功控制能力測試。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風電場接入電力系統技術》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無功支撐能力。這些的要求都需要風場級的控制系統的響應時間在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。風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行。電力系統發生不同類型故障時，若風電場并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
  總裝機容量在百萬千瓦級規模及以上的風電群，當電力系統發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具有以下動態無功支撐能力：當風電場并網點電壓處于標稱電壓的20%~90%區間內時，風電場應能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復，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電機組或電網并網點的要求；子并網點電壓跌落出現的時刻起，動態無功電流控制的響應時間不大于75ms，持續時間應不小于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控制周期慢；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于以太網的解決方案，通訊采用以太網光纖，風機處使用普通以太網交換機，風場集控系統與各個風機之間采用TCP/IP等非實時的通訊協議。由于交換機的延時和以太網報文的不確定性，使得整個風電場控制網絡是“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檢測和實現都是在風機本身的變流器部分實現，根據要求新增的風力發電機組都必須具備低電壓穿越能力。然而，考慮到風場規模的增大，以及每臺風機的不同情況，根據單個風機監測的電壓情況作出的反應也許不能產生電網營運商預期的效果。由于風力發電機組與電網并網點之間存在的阻抗，所以它們之間的電壓會有差異。也就是說各個風力發電機組對公共并網點電壓的變化會做出不同的反應。同樣，風力發電機組級饋入的無功電流與電網并網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之間調整，可以在一定的范圍內調整輸出的有功和無功功率，其無功調節能力也廣泛地應用于風電場的無功調整。充分發揮風力發電機自身的無功支撐能力，并以遠端并網點母線電壓為控制目標，對維持電網的無功功率平衡和電壓穩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技術研究院的Melanie Hau 和Martin Shan [2]的研究表明，風場監控網絡的速度以及風電機組自動控制系統現場總線的速度對風場電壓或無功功率控制可實現的動態性產生了顯著影響。
而這恰恰就是 EtherCAT 風場控制網絡解決方案的優點。迄今為止，風場網絡監控都是使用以太網實現的。以太網光纜用于將單獨的風力發電機組連接到主計算機。因為 EtherCAT 基于以太網，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 還完全實現了線纜冗余。風場中的光纜環網通過風場主機的第二塊網卡形成閉環。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使整個風場應對低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在風電場并網點診斷出有電壓跌落，它可以在1 ms的時間內將信號傳輸給整個風場的所有風力發電機組。且其能夠讓整個風場對電網中的電壓跌落做出協同的反應。這樣，解決方案即可實現整個風場在電網并網點的確定的行為。
  另外，EtherCAT從站中的分布式時鐘能夠確保整個網絡中的數據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。有了這些數據，電流、電壓和頻率可以得到相應控制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。
  該方案是基于倍福的工業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分布式時鐘技術。倍福工業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控功能。該平臺提供與電網調度接口，集中實時控制風電場并網點的電壓、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臺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于 1 ms 的實時控制任務。專用的電力監測端子模塊監控風場電網并網點和單臺風機并網側的電網狀況（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) 單臺風力發電機組接入EtherCAT風場網絡，如下圖3所示 

 
  圖3單臺風力發電機組接入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，很好的協調控制風機各部件和子系統的運行。根據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，保證風機的穩定運行。
  風機控制器可以通過 EtherCAT網橋模塊EL6695和擴展模塊EK1110 接入風電場實時控制網絡，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實時網絡的接入點。
  EL3413 模塊可直接監測單臺風機并網側的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。風機主控系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臺和 SCADA系統。
  b) 風電場控制器及公共并網點電力監測，如下圖4所示

  圖4 風電場并網點電力監測

  國標中所有要求的參考點只有一個：風電場公共并網點，所以對風電場并網點的電壓值、電流值的監測極其重要。并網點電量值的快速采集，需要高精度、高采樣率的測量設備，最好能高速的得到并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對風電場并網點進行監控。倍福工業 PC上運行的能量管理平臺通過EtherCAT光纖耦合器或光電轉換模塊接入到風電場實時網絡，采集風電場并網點處和每臺風機并網側的電網狀況，通過能量管理平臺軟件統一調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：
  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。風場中的每臺風機的主控制器CX5020可通過EtherCAT 網橋模塊EL6695實現與能量管理平臺的實時通訊。
  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為系統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鐘，可選線纜冗余和功能性安全協議(SIL3)。采用XFC（極速控制）技術后，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系統具有很強的開放性，該解決方案也可與第三方供應商的控制器一起使用。倍�？商峁┡c常見的場總線系統（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制器通訊。
  3.技術亮點的詳細介紹
  3.1 EtherCAT網絡
作為快速、實時的總線系統，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于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]，它不僅成為了控制現場總線，還成為了測量現場總線。只有這種基于以太網且具有高度確定性的高速現場總線協議才能實現諸如狀態監測集成的復雜應用。有了全雙工快速以太網和幾微秒的總線周期，EtherCAT 功能原則的有用數據傳輸率遠遠超過 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，借助于EtherCAT功率測量端子模塊EL3773，超采樣技術可用于測量電網并網點的電流和電壓。采樣頻率可達10 KHz。
電網監控端子模塊EL3773設計用于監控三相交流電壓系統的狀態。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，因此，能夠與其它EtherCAT設備一起同步進行測量。
  3.3 EtherCAT分布式時鐘，確保采集信號的同步性
EtherCAT設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絡中的數據采樣在時間上保持同步。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。鑒于此，風力發電機組制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，可用于分析風機尾流影響；優化風電場扇區控制，優化風電場分布式能量管理控制；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”，否則得到的數據對于數據分析的意義將會大大的降低。在使用GPS對時功能之后，現有的風電場網絡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、風向等數據的同步性，更加無法保證。EtherCAT設備的分布式時鐘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明顯增加了系統速度：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。假設每臺風力發電機組的過程映象區為50輸入字節和50輸出字節，那么具有150臺風力發電機組的風場的過程映象區可以在小于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，那么可在一臺主機上實現多個EtherCAT環網。
  4 結束語
  風場網絡控制的重要性越來越突出，海上風電場尤其重視這個環節。德國對海上風電場的要求嚴格，在海上風電場設計初期，就必須建立風電場的仿真模型，對風電場的控制網絡有嚴格的規定。全套系統采用倍�？刂萍夹g的5MW風機已經于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控制技術理念為集成大量的高于標準控制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制提供了堅實的技術基礎。倍�；�于EtherCAT的風電場實時電力監控網絡解決方案實現了小于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鐘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并存入數據庫，為整個風電場的能量控制、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 風電場接入電力系統技術規定》 
[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 大型風電場并網設計技術規范》