专利名称：一种微电网协调控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种微电网协调控制系统。
背景技术：
微电网技术，由于各国的实际国情及发展不同，给出的微电网概念和发展目标不尽相同。其中最早提出微电网的概念，也是众多微电网定义中比较权威的一个是美国电气可靠性技术解决方案协会提出的微电网的定义微电网是由基于电力电子技术的微型电源(小于等于500kW)和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热量，实现热电联供；微电 网内部的电源主要有电力电子器件负责能量转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全可靠等要求。微电网灵活的运行方式和高质量的供电服务，离不开完善稳定的控制系统。在实际的微电网协调控制中，需要实时记录分布式电源测控终端、并网保护测控终端等从站采集到的电流、电压、功率等信息，并且需要将这些信息实时地传送到主站，同时，主站也要及时对采集的信息进行分析处理，并向从站传递控制参数。受微电网现场环境约束，主站和从站之间的距离往往比较远，传统的现场总线技术无法保证信号传输的实时性。所以现有微网控制系统采用了 2种方法解决以上存在的问题，一种是最简单的方法，就是将电流、电压等模拟量以及断路器位置等开关量通过电缆直接接到主站，但这种方法需要铺设大量的电缆，接线复杂；另一种方法是采用主站控制决策和从站控制决策分开的协调控制方法，但这种方法存在着系统性差，而且主站和从站之间存在的时间差，可能造成主从两种决策相互冲突的缺点。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种微电网协调控制系统，根据现有微电网控制系统的不足，提出了基于EtherCAT总线的微电网协调控制系统的方案，以提高微电网控制系统的数字化和实时性。为实现上述目的，本发明提供一种微电网协调控制系统，其包括能量管理系统、主控制器和终端单元；所述能量管理系统和所述主控制器之间采用TCP/IP进行通信连接；其改进之处在于，所述主控制器和终端单元采用EtherCAT总线进行通信连接。本发明提供的优选技术方案中，终端单元包括依次连接的并网点终端、主电源终端、负荷终端、分布电源终端和环境监测终端；所述各个终端之间采用EtherCAT总线进行通信连接。本发明提供的第二优选技术方案中，所述各个终端分别包括通信控制单元、应用处理单元、模块数转换单元和I/O接口 ；所述应用处理单元分别与所述通信控制单元、所述模块数转换单元和所述I/O接口进行通信连接。本发明提供的第三优选技术方案中，所述通信控制单元包括DPRAM和通信接口模块；所述DPRAM与所述应用处理单元进行通信连接；所述通信接口模块通过EtherCAT总线与所述主控制器或者相邻的终端进行通信连接；所述通信控制单元采用型号为ETllOO的芯片。本发明提供的第四优选技术方案中，所述应用处理单元通过所述模块数转换单元实现电流、电压模拟量的采集，通过所述I/o接口完成开关量的采集和控制信号的输出；所述应用处理单元采用型号为TMS320C28335的芯片；所述模块数转换单元采用型号为ADS8556的模数转换器。本发明提供的第五优选技术方案中，所述主控制器包括控制模块、以及分别与其通信的接口模块和人机界面模块。本发明提供的第六优选技术方案中，所述控制模块包括以太网端口和DVI接口 ；所述控制模块通过以太网端口与所述能量管理系统进行通信；所述接口模块包括并列设置的两个RJ45接口，选择两个RJ45接口的中的一个通过EtherCAT总线与所述终端单元进 行通信连接；所述控制模块通过DVI接口与所述人机界面模块进行通信；所述控制模块采用型号为CX1020的嵌入式控制器；所述人机界面模块是17寸的触摸屏。本发明提供的第七优选技术方案中，所述控制模块设置有TwinCAT组件。本发明提供的第八优选技术方案中，所述TwinCAT组件包括并列设置的系统管理器和配置信息；所述系统管理器读取各个终端的节点、DC时钟同步、拓扑结构、配置从站参数和实时查看从站IO量的功能；配置信息以XML文件的形式存在，内置XML解释器，包括主控制器配置文件和终端单元配置文件。本发明提供的第九优选技术方案中，主控制器配置文件包括设定的网段参数、启动时执行的命令、终端单元的基本配置和运行环境的配置；终端单元配置文件包括设定的终端单元的初始化配置和终端单元信息，所述终端单元配置文件经过解释后传输到所述终端单元的各个终端。与现有技术比，本发明提供的一种微电网协调控制系统，采用EtherCAT总线作为微网协调控制系统的通信架构，满足了微网协调控制系统的实时性，无需将微网系统内各分散设备的电流、电压等模拟量以及断路器位置等开关量通过电缆连接到中央控制器，减少了电缆的铺设，简化了接线方式，实现了整个微网系统的数字化；而且，满足了集中控制决策对整个微电网系统控制的实时性要求，避免了由于主站和从站之间存在时间差而造成主站控制决策和从站控制决策之间的冲突。
图I为基于EtherCAT总线的微电网协调控制系统的实施例结构图。图2为作为EtherCAT从站的微网就地终端的实施例结构图。图3为EtherCAT总线的微电网协调控制系统的通信示意图。图4为主控制器硬件架构实施例示意图。图5为单个终端的硬件架构实施例示意图。
具体实施例方式本发明的技术方案如下基于EtherCAT总线的微电网协调控制系统由主控制器和各种终端组成，主控制器和就地终端采用EtherCAT总线进行通信连接，主控制器和上层能量管理系统采用TCP/IP进行通信连接。如附图I所示。主控制器作为EtherCAT的主站，通常采用标准的以太网网卡NIC (NetworkInterface Card)作为主站硬件接口，采用PC机或嵌入式控制器作为硬件基础。其功能则通过软件实现。软件部分包括基础程序和应用程序两部分。基础程序主要完成初始化、拓扑结构辨识、参数设置、数据显示与存储等基本功能；应用程序主要针对微电网的运行状况作出决策，并把决策后的调节控制命令通过EtherCAT总线发给各就地终端，主要包括微网并网运行决策程序、孤岛运行决策程序、并网转孤岛决策程序、孤岛转并网决策程序等。就地终端作为EtherCAT的从站，硬件主要由从站控制ESC芯片、应用层CPU芯片等组成，如附图2所示。ESC芯片主要实现与EtherCAT总线的数据交换，应用层CPU芯片主要实现AD采样、数据计算与处理、开入信号处理、控制出口等功能。根据所接微网系统内的 对象的不同，可分为并网点终端、主电源终端、负荷终端、分布电源终端、环境监测终端等。并网点终端是指与并网点断路器相对应的终端，能够采集并网断路器两侧(即主网侧与微网侧)的电压、电流、频率等模拟量；采集断路器位置等开入量；具备对并网点断路器分、合闸功能的控制出口 ；具备保护功能，能够判断出主网侧或微网侧的故障并切除；具备检同期、检无压合闸功能。主电源终端主要是针对在微网在孤岛运行时以FV方式运行承担主电源功能的储能装置或燃料电池，具备采集主电源的电压、电流、功率等模拟量的功能；能够采集到主电源的运行状态和运行方式等开入量；具备控制主电源启动、停止、由PQ方式切换到FV方式、由FV方式切换到PQ方式的控制出口。负荷终端一个微网内有多个，对应于微网内的各路负荷开关，采集负荷的电流、电压、功率等模拟量；采集负荷开关的位置等开关量；具备控制负荷开关分、合的控制出口。分布式电源终端一个微网内也有多个，对应于除主电源以外的其它各分部是电源，根据对应分布式电源的种类可分为光伏发电终端、风力发电终端、燃料电池终端等。分布式电源终端采集分布式电源的电压、电流、功率等模拟量的功能；能够采集到分布式电源的运行状态等开入量；具备控制分布式电源启动、停止的控制出口。环境监测终端对应于环境监测系统，主要用于接收环境监测系统测量到的温度、湿度、太阳辐射度、风力等环境参数。基于EtherCAT总线的微电网协调控制系统的通信原理如附图3所示，主控制器作为EtherCAT主站，负责报文的发起和控制，报文的最大有效数据长度为1498个字节，数据遍历所有就地终端设备。就地终端设备作为EtherCAT从站，并不是存储数据包之后再进行处理，而是在下行报文经过时，根据报文头中的指定的位置从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧，同时将报文传输给下一个就地终端。当报文到达系统逻辑位置的最后一个终端后，该终端将处理后的报文作为上行报文返回给主控制器。此通信过程全由ESC芯片完成，处理延时只有IOns左右，与传统的以太网相比，实时性得到了很大的提高。下面对本发明的具体实施方式
进行进一步详细描述，本实施例是在本发明技术方案前提下实施的，给出了详细的实施方案，但本发明的保护范围并不限于下述实施例。本实施例选用BECKH0FF公司的嵌入式控制器CX1020作为主控制器的硬件平台，该控制器采用Intel Celeron处理器，配置256MB内存、2GB CF卡、WinCE操作系统。CX1020自带一个DVI接口，通过这个DVI接口接一个17时的触摸屏作为人机界面。CX1020自带两个以太网口，选用其中一个以太网口通过TCP/IP与上层能量管理系统连接。另选配一个BECKHOFF公司的EK1122模块，该模块是EtherCAT拓扑接口端子模块，具有两个RJ45接口，选用其中I个接口通过网线与第I个EtherCAT子站的IN网口相连接。主站的硬件平台如附图4所示。主控制器软件选用BECKHOFF公司的TwinCAT软件作为EtherCAT的主站软件，TwinCAT内部集成了 EtherCAT协议栈和实时内核。TwlnCAT的主平台是系统管理器，通过系统管理器可以读取EtherCAT从站节点、DC时钟同步、拓扑结构、配置从站参数、实时查看从站IO量等功能。TwinCAT的配置信息以XML文件的形式存在，内置XML解释器，分为主站配置文件和从站配置文件。主站配置文件中可以设定网段参数、启动时执行的命令、从站的基本配置、运行环境的配置等；从站配置文件可以设定从站的初始化配置和从站信息，经过解释后下载到从站。 就地终端作为EtherCAT从站，选用BECKHOFF公司的ETl 100芯片作为EtherCAT从站控制ECS芯片，实现了 EtherCAT从站协议的物理层和数据链路层。该芯片有4个物理通信端口，支持100Mbit/S的全双工通信，内部有8KB的DPRAM用于和应用层CPU交换数据。从站的应用层CPU芯片选用TI公司的DSP芯片TMS320C28335，该芯片是一款32位浮点型CPU,具有68KB的RAM和512KB的Flash, 12位AD,处理能力很强。一方面，TMS320C28335通过总线方式与ETllOO的DPRAM连接，双方通过DPRAM交换和共享数据。另一方面，TMS320C28335通过AD采样回路实现就地终端的电流、电压等模拟量的采集，通过IO接口回路完成开关量的采集和控制信号的出口。就地终端的硬件架构如附图5所示。需要声明的是，本发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
权利要求
1.一种微电网协调控制系统，其包括能量管理系统、主控制器和终端单元；所述能量管理系统和所述主控制器之间采用TCP/IP进行通信连接；其特征在于，所述主控制器和终端单元采用EtherCAT总线进行通信连接。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，终端单元包括依次连接的并网点终端、主电源终端、负荷终端、分布电源终端和环境监测终端；所述各个终端之间采用EtherCAT总线进行通信连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述各个终端分别包括通信控制单元、应用处理单元、模块数转换单元和I/O接口 ；所述应用处理单元分别与所述通信控制单元、所述模块数转换单元和所述I/o接口进行通信连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述通信控制单元包括=DPRAM和通信接口模块；所述DPRAM与所述应用处理单元进行通信连接；所述通信接口模块通过EtherCAT总线与所述主控制器或者相邻的终端进行通信连接；所述通信控制单元采用型号为ETllOO的芯片。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述应用处理单元通过所述模块数转换单元实现电流、电压模拟量的采集，通过所述I/o接口完成开关量的采集和控制信号的输出；所述应用处理单元采用型号为TMS320C28335的芯片；所述模块数转换单元采用型号为ADS8556的模数转换器。
6.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述主控制器包括控制模块、以及分别与其通信的接口模块和人机界面模块。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括以太网端口和DVI接口 ；所述控制模块通过以太网端口与所述能量管理系统进行通信；所述接口模块包括并列设置的两个RJ45接口，选择两个RJ45接口的中的一个通过EtherCAT总线与所述终端单元进行通信连接；所述控制模块通过DVI接口与所述人机界面模块进行通信；所述控制模块采用型号为CX1020的嵌入式控制器；所述人机界面模块是17寸的触摸屏。
8.根据权利要求6或者7所述的系统，其特征在于，所述控制模块设置有TwinCAT组件。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述TwinCAT组件包括并列设置的系统管理器和配置信息；所述系统管理器读取各个终端的节点、DC时钟同步、拓扑结构、配置从站参数和实时查看从站IO量的功能；配置信息以XML文件的形式存在，内置XML解释器，包括主控制器配置文件和终端单元配置文件。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，主控制器配置文件包括设定的网段参数、启动时执行的命令、终端单元的基本配置和运行环境的配置；终端单元配置文件包括设定的终端单元的初始化配置和终端单元信息，所述终端单元配置文件经过解释后传输到所述终端单元的各个终端。
全文摘要
本发明提供了一种微电网协调控制系统，其包括能量管理系统、主控制器和终端单元；所述能量管理系统和所述主控制器之间采用TCP/IP进行通信连接；所述主控制器和终端单元采用EtherCAT总线进行通信连接。本发明提供的微电网协调控制系统，根据现有微电网控制系统的不足，提出了基于EtherCAT总线的微电网协调控制系统的方案，以提高微电网控制系统的数字化和实时性。
文档编号H02J13/00GK102709949SQ20121020371
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者丁孝华, 侯佳佳, 刘澄, 徐石明, 李哲, 李文威, 蔡月明 申请人:中国电力科学研究院