專利名稱：一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微電網(wǎng)技術(shù)，由于各國(guó)的實(shí)際國(guó)情及發(fā)展不同，給出的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)不盡相同。其中最早提出微電網(wǎng)的概念，也是眾多微電網(wǎng)定義中比較權(quán)威的一個(gè)是美國(guó)電氣可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)提出的微電網(wǎng)的定義微電網(wǎng)是由基于電力電子技術(shù)的微型電源(小于等于500kW)和負(fù)荷共同組成的系統(tǒng)，它可同時(shí)提供電能和熱量，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供；微電 網(wǎng)內(nèi)部的電源主要有電力電子器件負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制；微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全可靠等要求。微電網(wǎng)靈活的運(yùn)行方式和高質(zhì)量的供電服務(wù)，離不開完善穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。在實(shí)際的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中，需要實(shí)時(shí)記錄分布式電源測(cè)控終端、并網(wǎng)保護(hù)測(cè)控終端等從站采集到的電流、電壓、功率等信息，并且需要將這些信息實(shí)時(shí)地傳送到主站，同時(shí)，主站也要及時(shí)對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理，并向從站傳遞控制參數(shù)。受微電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境約束，主站和從站之間的距離往往比較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)無法保證信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。所以現(xiàn)有微網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了 2種方法解決以上存在的問題，一種是最簡(jiǎn)單的方法，就是將電流、電壓等模擬量以及斷路器位置等開關(guān)量通過電纜直接接到主站，但這種方法需要鋪設(shè)大量的電纜，接線復(fù)雜；另一種方法是采用主站控制決策和從站控制決策分開的協(xié)調(diào)控制方法，但這種方法存在著系統(tǒng)性差，而且主站和從站之間存在的時(shí)間差，可能造成主從兩種決策相互沖突的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)有微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的不足，提出了基于EtherCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方案，以提高微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)字化和實(shí)時(shí)性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其包括能量管理系統(tǒng)、主控制器和終端單元；所述能量管理系統(tǒng)和所述主控制器之間采用TCP/IP進(jìn)行通信連接；其改進(jìn)之處在于，所述主控制器和終端單元采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接。本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，終端單元包括依次連接的并網(wǎng)點(diǎn)終端、主電源終端、負(fù)荷終端、分布電源終端和環(huán)境監(jiān)測(cè)終端；所述各個(gè)終端之間采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選技術(shù)方案中，所述各個(gè)終端分別包括通信控制單元、應(yīng)用處理單元、模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元和I/O接口 ；所述應(yīng)用處理單元分別與所述通信控制單元、所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元和所述I/O接口進(jìn)行通信連接。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選技術(shù)方案中，所述通信控制單元包括DPRAM和通信接口模塊；所述DPRAM與所述應(yīng)用處理單元進(jìn)行通信連接；所述通信接口模塊通過EtherCAT總線與所述主控制器或者相鄰的終端進(jìn)行通信連接；所述通信控制單元采用型號(hào)為ETllOO的芯片。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選技術(shù)方案中，所述應(yīng)用處理單元通過所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)電流、電壓模擬量的采集，通過所述I/o接口完成開關(guān)量的采集和控制信號(hào)的輸出；所述應(yīng)用處理單元采用型號(hào)為TMS320C28335的芯片；所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用型號(hào)為ADS8556的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選技術(shù)方案中，所述主控制器包括控制模塊、以及分別與其通信的接口模塊和人機(jī)界面模塊。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選技術(shù)方案中，所述控制模塊包括以太網(wǎng)端口和DVI接口 ；所述控制模塊通過以太網(wǎng)端口與所述能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通信；所述接口模塊包括并列設(shè)置的兩個(gè)RJ45接口，選擇兩個(gè)RJ45接口的中的一個(gè)通過EtherCAT總線與所述終端單元進(jìn) 行通信連接；所述控制模塊通過DVI接口與所述人機(jī)界面模塊進(jìn)行通信；所述控制模塊采用型號(hào)為CX1020的嵌入式控制器；所述人機(jī)界面模塊是17寸的觸摸屏。本發(fā)明提供的第七優(yōu)選技術(shù)方案中，所述控制模塊設(shè)置有TwinCAT組件。本發(fā)明提供的第八優(yōu)選技術(shù)方案中，所述TwinCAT組件包括并列設(shè)置的系統(tǒng)管理器和配置信息；所述系統(tǒng)管理器讀取各個(gè)終端的節(jié)點(diǎn)、DC時(shí)鐘同步、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置從站參數(shù)和實(shí)時(shí)查看從站IO量的功能；配置信息以XML文件的形式存在，內(nèi)置XML解釋器，包括主控制器配置文件和終端單元配置文件。本發(fā)明提供的第九優(yōu)選技術(shù)方案中，主控制器配置文件包括設(shè)定的網(wǎng)段參數(shù)、啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的命令、終端單元的基本配置和運(yùn)行環(huán)境的配置；終端單元配置文件包括設(shè)定的終端單元的初始化配置和終端單元信息，所述終端單元配置文件經(jīng)過解釋后傳輸?shù)剿鼋K端單元的各個(gè)終端。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，采用EtherCAT總線作為微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的通信架構(gòu)，滿足了微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，無需將微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各分散設(shè)備的電流、電壓等模擬量以及斷路器位置等開關(guān)量通過電纜連接到中央控制器，減少了電纜的鋪設(shè)，簡(jiǎn)化了接線方式，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化；而且，滿足了集中控制決策對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性要求，避免了由于主站和從站之間存在時(shí)間差而造成主站控制決策和從站控制決策之間的沖突。


圖I為基于EtherCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。圖2為作為EtherCAT從站的微網(wǎng)就地終端的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。圖3為EtherCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的通信示意圖。圖4為主控制器硬件架構(gòu)實(shí)施例示意圖。圖5為單個(gè)終端的硬件架構(gòu)實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案如下基于EtherCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由主控制器和各種終端組成，主控制器和就地終端采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接，主控制器和上層能量管理系統(tǒng)采用TCP/IP進(jìn)行通信連接。如附圖I所示。主控制器作為EtherCAT的主站，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)卡NIC (NetworkInterface Card)作為主站硬件接口，采用PC機(jī)或嵌入式控制器作為硬件基礎(chǔ)。其功能則通過軟件實(shí)現(xiàn)。軟件部分包括基礎(chǔ)程序和應(yīng)用程序兩部分?；A(chǔ)程序主要完成初始化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)等基本功能；應(yīng)用程序主要針對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況作出決策，并把決策后的調(diào)節(jié)控制命令通過EtherCAT總線發(fā)給各就地終端，主要包括微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行決策程序、孤島運(yùn)行決策程序、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島決策程序、孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)決策程序等。就地終端作為EtherCAT的從站，硬件主要由從站控制ESC芯片、應(yīng)用層CPU芯片等組成，如附圖2所示。ESC芯片主要實(shí)現(xiàn)與EtherCAT總線的數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用層CPU芯片主要實(shí)現(xiàn)AD采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算與處理、開入信號(hào)處理、控制出口等功能。根據(jù)所接微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的 對(duì)象的不同，可分為并網(wǎng)點(diǎn)終端、主電源終端、負(fù)荷終端、分布電源終端、環(huán)境監(jiān)測(cè)終端等。并網(wǎng)點(diǎn)終端是指與并網(wǎng)點(diǎn)斷路器相對(duì)應(yīng)的終端，能夠采集并網(wǎng)斷路器兩側(cè)(即主網(wǎng)側(cè)與微網(wǎng)側(cè))的電壓、電流、頻率等模擬量；采集斷路器位置等開入量；具備對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)斷路器分、合閘功能的控制出口 ；具備保護(hù)功能，能夠判斷出主網(wǎng)側(cè)或微網(wǎng)側(cè)的故障并切除；具備檢同期、檢無壓合閘功能。主電源終端主要是針對(duì)在微網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)以FV方式運(yùn)行承擔(dān)主電源功能的儲(chǔ)能裝置或燃料電池，具備采集主電源的電壓、電流、功率等模擬量的功能；能夠采集到主電源的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方式等開入量；具備控制主電源啟動(dòng)、停止、由PQ方式切換到FV方式、由FV方式切換到PQ方式的控制出口。負(fù)荷終端一個(gè)微網(wǎng)內(nèi)有多個(gè)，對(duì)應(yīng)于微網(wǎng)內(nèi)的各路負(fù)荷開關(guān)，采集負(fù)荷的電流、電壓、功率等模擬量；采集負(fù)荷開關(guān)的位置等開關(guān)量；具備控制負(fù)荷開關(guān)分、合的控制出口。分布式電源終端一個(gè)微網(wǎng)內(nèi)也有多個(gè)，對(duì)應(yīng)于除主電源以外的其它各分部是電源，根據(jù)對(duì)應(yīng)分布式電源的種類可分為光伏發(fā)電終端、風(fēng)力發(fā)電終端、燃料電池終端等。分布式電源終端采集分布式電源的電壓、電流、功率等模擬量的功能；能夠采集到分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)等開入量；具備控制分布式電源啟動(dòng)、停止的控制出口。環(huán)境監(jiān)測(cè)終端對(duì)應(yīng)于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于接收環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量到的溫度、濕度、太陽輻射度、風(fēng)力等環(huán)境參數(shù)?；贓therCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的通信原理如附圖3所示，主控制器作為EtherCAT主站，負(fù)責(zé)報(bào)文的發(fā)起和控制，報(bào)文的最大有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1498個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)遍歷所有就地終端設(shè)備。就地終端設(shè)備作為EtherCAT從站，并不是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包之后再進(jìn)行處理，而是在下行報(bào)文經(jīng)過時(shí)，根據(jù)報(bào)文頭中的指定的位置從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀，同時(shí)將報(bào)文傳輸給下一個(gè)就地終端。當(dāng)報(bào)文到達(dá)系統(tǒng)邏輯位置的最后一個(gè)終端后，該終端將處理后的報(bào)文作為上行報(bào)文返回給主控制器。此通信過程全由ESC芯片完成，處理延時(shí)只有IOns左右，與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，實(shí)時(shí)性得到了很大的提高。下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述，本實(shí)施例是在本發(fā)明技術(shù)方案前提下實(shí)施的，給出了詳細(xì)的實(shí)施方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下述實(shí)施例。本實(shí)施例選用BECKH0FF公司的嵌入式控制器CX1020作為主控制器的硬件平臺(tái)，該控制器采用Intel Celeron處理器，配置256MB內(nèi)存、2GB CF卡、WinCE操作系統(tǒng)。CX1020自帶一個(gè)DVI接口，通過這個(gè)DVI接口接一個(gè)17時(shí)的觸摸屏作為人機(jī)界面。CX1020自帶兩個(gè)以太網(wǎng)口，選用其中一個(gè)以太網(wǎng)口通過TCP/IP與上層能量管理系統(tǒng)連接。另選配一個(gè)BECKHOFF公司的EK1122模塊，該模塊是EtherCAT拓?fù)浣涌诙俗幽K，具有兩個(gè)RJ45接口，選用其中I個(gè)接口通過網(wǎng)線與第I個(gè)EtherCAT子站的IN網(wǎng)口相連接。主站的硬件平臺(tái)如附圖4所示。主控制器軟件選用BECKHOFF公司的TwinCAT軟件作為EtherCAT的主站軟件，TwinCAT內(nèi)部集成了 EtherCAT協(xié)議棧和實(shí)時(shí)內(nèi)核。TwlnCAT的主平臺(tái)是系統(tǒng)管理器，通過系統(tǒng)管理器可以讀取EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)、DC時(shí)鐘同步、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置從站參數(shù)、實(shí)時(shí)查看從站IO量等功能。TwinCAT的配置信息以XML文件的形式存在，內(nèi)置XML解釋器，分為主站配置文件和從站配置文件。主站配置文件中可以設(shè)定網(wǎng)段參數(shù)、啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的命令、從站的基本配置、運(yùn)行環(huán)境的配置等；從站配置文件可以設(shè)定從站的初始化配置和從站信息，經(jīng)過解釋后下載到從站。 就地終端作為EtherCAT從站，選用BECKHOFF公司的ETl 100芯片作為EtherCAT從站控制ECS芯片，實(shí)現(xiàn)了 EtherCAT從站協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。該芯片有4個(gè)物理通信端口，支持100Mbit/S的全雙工通信，內(nèi)部有8KB的DPRAM用于和應(yīng)用層CPU交換數(shù)據(jù)。從站的應(yīng)用層CPU芯片選用TI公司的DSP芯片TMS320C28335，該芯片是一款32位浮點(diǎn)型CPU,具有68KB的RAM和512KB的Flash, 12位AD,處理能力很強(qiáng)。一方面，TMS320C28335通過總線方式與ETllOO的DPRAM連接，雙方通過DPRAM交換和共享數(shù)據(jù)。另一方面，TMS320C28335通過AD采樣回路實(shí)現(xiàn)就地終端的電流、電壓等模擬量的采集，通過IO接口回路完成開關(guān)量的采集和控制信號(hào)的出口。就地終端的硬件架構(gòu)如附圖5所示。需要聲明的是，本發(fā)明內(nèi)容及具體實(shí)施方式
意在證明本發(fā)明所提供技術(shù)方案的實(shí)際應(yīng)用，不應(yīng)解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的精神和原理啟發(fā)下，可作各種修改、等同替換、或改進(jìn)。但這些變更或修改均在申請(qǐng)待批的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其包括能量管理系統(tǒng)、主控制器和終端單元；所述能量管理系統(tǒng)和所述主控制器之間采用TCP/IP進(jìn)行通信連接；其特征在于，所述主控制器和終端單元采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，終端單元包括依次連接的并網(wǎng)點(diǎn)終端、主電源終端、負(fù)荷終端、分布電源終端和環(huán)境監(jiān)測(cè)終端；所述各個(gè)終端之間采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各個(gè)終端分別包括通信控制單元、應(yīng)用處理單元、模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元和I/O接口 ；所述應(yīng)用處理單元分別與所述通信控制單元、所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元和所述I/o接口進(jìn)行通信連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述通信控制單元包括=DPRAM和通信接口模塊；所述DPRAM與所述應(yīng)用處理單元進(jìn)行通信連接；所述通信接口模塊通過EtherCAT總線與所述主控制器或者相鄰的終端進(jìn)行通信連接；所述通信控制單元采用型號(hào)為ETllOO的芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)用處理單元通過所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)電流、電壓模擬量的采集，通過所述I/o接口完成開關(guān)量的采集和控制信號(hào)的輸出；所述應(yīng)用處理單元采用型號(hào)為TMS320C28335的芯片；所述模塊數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用型號(hào)為ADS8556的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主控制器包括控制模塊、以及分別與其通信的接口模塊和人機(jī)界面模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊包括以太網(wǎng)端口和DVI接口 ；所述控制模塊通過以太網(wǎng)端口與所述能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通信；所述接口模塊包括并列設(shè)置的兩個(gè)RJ45接口，選擇兩個(gè)RJ45接口的中的一個(gè)通過EtherCAT總線與所述終端單元進(jìn)行通信連接；所述控制模塊通過DVI接口與所述人機(jī)界面模塊進(jìn)行通信；所述控制模塊采用型號(hào)為CX1020的嵌入式控制器；所述人機(jī)界面模塊是17寸的觸摸屏。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或者7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊設(shè)置有TwinCAT組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述TwinCAT組件包括并列設(shè)置的系統(tǒng)管理器和配置信息；所述系統(tǒng)管理器讀取各個(gè)終端的節(jié)點(diǎn)、DC時(shí)鐘同步、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置從站參數(shù)和實(shí)時(shí)查看從站IO量的功能；配置信息以XML文件的形式存在，內(nèi)置XML解釋器，包括主控制器配置文件和終端單元配置文件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，主控制器配置文件包括設(shè)定的網(wǎng)段參數(shù)、啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的命令、終端單元的基本配置和運(yùn)行環(huán)境的配置；終端單元配置文件包括設(shè)定的終端單元的初始化配置和終端單元信息，所述終端單元配置文件經(jīng)過解釋后傳輸?shù)剿鼋K端單元的各個(gè)終端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其包括能量管理系統(tǒng)、主控制器和終端單元；所述能量管理系統(tǒng)和所述主控制器之間采用TCP/IP進(jìn)行通信連接；所述主控制器和終端單元采用EtherCAT總線進(jìn)行通信連接。本發(fā)明提供的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)有微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的不足，提出了基于EtherCAT總線的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方案，以提高微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)字化和實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)H02J13/00GK102709949SQ20121020371
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者丁孝華, 侯佳佳, 劉澄, 徐石明, 李哲, 李文威, 蔡月明 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院