一种风光制氢控制系统及其通信方法

1.本发明涉及电力领域，尤其是一种风光制氢控制系统及其通信方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，人们生活水平的提高，对电力的依赖性也越来越大，在这种背景下，打破电力行业的垄断也成为必然趋势。微电网作为一种小型的电力系统，具有投资成本低、对环境产生的污染小、发电方式多样等优点。在诸多发电方式中，水电受区域影响较大，且发电成本较高，不适合大力发展；核电的社会影响性较大，存在安全隐患和许多的不确定因素；潮汐等海洋能及生物能发电受技术、成本等方面的影响，发展速度缓慢。综合来看，风电和光伏发电具有成本低、资源丰富等优点，是当前新能源发电的主要来源。但是风电和光伏发电具有间歇性和不确定性，并网运行会对电网的运行产生严重的影响，孤岛运行时风光发电量大又会造成弃风弃光等资源浪费的现象，所以在微电网系统中增加储能装置是十分必要的。受成本和技术的限制，单纯的储能系统难以完全解决风光能源的浪费问题，而氢能作为一种新的清洁能源，具有密度小、能量密度大、容量大、易压缩、存储、运输等优点，可以与风能、光伏、储能进行多能互补综合利用。而且制氢电解槽可以直接利用风光系统输出的直流电工作，具有一定的鲁棒性来适应风光发电，所以在微电网系统中增加制氢设备来消纳孤岛状态下的风光发电量，减少弃风弃光量，提高能源利用率。
3.微电网系统物理架构如图1所示，微电网母线通过变流器与大电网相连，系统主要包括风机发电厂、光伏发电厂、储能设备、制氢设备等。为了满足电网的需求，微电网的控制系统需要对系统内的各个设备进行控制，同时各个设备需要向微电网的控制系统发送当前状态、发电量等数据。因此微电网的控制系统与设备之间的通信具有安全性、可靠性、实时性以及双向性的要求。目前，微电网的控制系统与设备之间的通信均采用modbus rtu、modbus tcp、tcp/ip等通信协议来进行通信，这些通信方式受传输速率的影响，使得设备对控制系统的响应具有较长的延时性，导致整个系统之间的响应不同步，难以满足实际需求


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出一种风光制氢控制系统及其通信控制方法，风光制氢控制系统采用三级网络架构，分层控制，结构简单，易于维护；采用ethercat通信方式，通讯速率快；环形网络连接，通信可靠性增强；并且，本发明还在通信数据中增加时间戳标志，为控制策略提供时间参考。
5.本发明的技术方案为：一种风光制氢控制系统，包括：数据采集系统、微电网控制系统、人机交互系统，数据采集系统分别连接到所述微电网控制系统、人机交互系统；
6.数据采集系统包括数据采集层控制器、直流柜、风机设备、光伏设备、制氢设备、储能设备，互相之间通过ethercat连接形成环形网络；数据采集系统的控制器通过ethercat通讯模块与直流柜侧设备进行数据的交互，采集层控制器为主站，直流柜其他设备为从站；所述采集层控制器通过ethercat协议与本地控制器进行通信，实现与风机设备、光伏设备、
制氢设备、储能设备进行通信。
7.所述微电网控制系统包括控制层控制器，以及对时服务器，所述控制层控制器作为控制层的主站；
8.所述人机交互系统包括数据库服务器和显示器，用于显示系统当前状态。
9.进一步的，数据采集系统的采集层控制器作为主站，具有网口，用来与控制层的主站之间进行ethercat通信；数据采集系统的各个从站设备之间具有ethercat接口，可以组成环形网络与数据采集层的主站通信。
10.进一步的，各个从站均包括通信模块、模数模块(模拟量模块、数字量模块)以及超采模块，通过ethercat与采集层的主站相连；其中通信模块中有modbus
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rtu接口、canopen接口、profibus接口、ethercat接口等，以满足不同从站设备之间通信协议不同；在与采集层的主站进行通信时采用ethercat接口，通过ethercat协议来进行通信，以满足通信速率的要求；模拟量模块用来采集配电柜内环境温度、环境湿度等数据。数字量模块用来与各个设备与电网之间的断路器通信，用来监控和控制断路器的分合闸状态。
11.进一步的，各个从站之间采用ethercat进行通信，组成环形网络，即主站与从站1相连，从站1与从站2相连，相邻两个从站相连，从站5再返回主站。环形网络具有较好的可靠性，在某一支路发生故障时，不影响整个系统。而且ethercat通信速率快，可满足控制系统对设备的响应要求。
12.进一步的，在各个就地控制器之间ethercat通信采用光纤来进行通信，以满足远距离通信的快速性和稳定性。在每一个就地控制器之后增加一个光电转换模块，通过光纤远距离传输，在进入控制层控制器之前，再通过一个转换模块，转换为网线通过路由器与控制层控制器相连。
13.进一步的，所述控制层控制器设置有usb接口、dvi接口、vga接口、rj
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45接口等用来与控制层的外部设备进行通信连接。
14.进一步的，所述对时服务器用于产生当前准确时间，并与系统中其他控制器进行校正对时，统一各个设备的时间；在进行数据通信时，将当前时间作为时间戳添加在通信数据后面。；
15.根据本发明的另一方面，还提出一种基于ethercat的风光制氢系统的通信控制方法，包括如下步骤：
16.步骤1.控制层控制器通过ethercat协议向就地控制器发送控制命令，所述控制命令包括启停命令、工作模式、功率设定值命令；
17.步骤2、就地控制器向风光储氢设备发送接收到的控制命令，从而控制设备；就地控制器通过ethercat协议向控制层控制器发送采集的数据；
18.步骤3、控制层控制器通过ethercat协议向采集层控制器发送控制命令，所述控制命令包括断路器的控制命令；
19.步骤4、风光制氢系统内所有控制器与控制层的时间服务器来进行时间的矫正对时；
20.步骤5、采集层控制器向直流柜从站发送控制命令，通过数字量模块实现命令控制；模拟量模块采集的直流柜的温湿度、超采模块采集的直流柜侧的直流电压、直流电流数据通过ethercat协议发送给采集层控制器，再传至控制层控制器，其中，上述各数据采集完
成时在采集数据后面添加采集时间戳标志。
21.进一步的，系统中所有控制器会自动与控制层的时间服务器对时，保证了整个风光制氢系统的时间一致性；具体包括如下步骤：
22.步骤4.1、控制器自动对时启动；
23.步骤4.2、在与风光制氢设备通信时，检查控制器的标志位bbusy是否为1，如果是，则进行步骤4.3；否则返回到步骤4.2继续判断标志位是否为1；
24.步骤4.3、时间采集开始标志置为1；
25.步骤4.4获取当前的控制器时间；
26.步骤4.5、将时间加入采集的数据的数组中，作为时间戳放在数据末尾，时间戳标志添加成功；
27.步骤4.6、时间采集开始标志置为0；
28.进一步的，所述风光制氢设备包括风机设备、光伏设备、制氢设备、储能设备。
29.有益效果：
30.本发明的一种风光制氢控制系统及其通信控制方法，相对于现有的微电网控制系统，通过采用ethercat通信方式，提高了通信速率；采用环形通信网络，提高系统的鲁棒性以及可靠性；同时在采集数据后增加时间戳标志，可供控制策略参考，使得控制指令的下发更加快速、准确、有效。
附图说明
31.图1为现有技术中的微电网系统物理架构；
32.图2为本发明的的一种风光制氢控制系统的结构框图；
33.图3为本发明的的一种风光制氢控制系统的结构详细框图；
34.图4为本发明的控制器自动对时流程图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
36.根据本发明的一个实施例，提出风光制氢控制系统的结构如图2所示，包括数据采集层、控制层以及显示层。
37.所述数据采集层设置有数据采集系统，数据采集系统的控制器通过ethercat通讯模块与直流柜侧设备进行数据的交互，控制器为主站，其他设备为从站；通过ethercat协议与本地控制器进行通信，与风机设备、光伏设备、制氢设备、储能设备进行通信。
38.所述控制层设置有微电网控制系统；所述微电网控制系统包括控制层控制器，以及对时服务器，所述控制层控制器作为控制层的主站；
39.所述显示层设置有人机交互系统，所述人机交互系统包括数据库服务器和显示器，用于显示系统当前状态。
40.其中，数据采集层的主站具有网口，用来与控制层的主站之间进行ethercat通信。
各个从站设备之间具有ethercat接口，可以组成环形网络与数据采集层的主站通信。
41.如图3所示，各个从站均包括通信模块、模数模块(模拟量模块、数字量模块)以及超采模块，通过ethercat与采集层的主站相连。其中通信模块中有modbus
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rtu接口、canopen接口、profibus接口、ethercat接口等，以满足不同从站设备之间通信协议不同；在与采集层的主站进行通信时采用ethercat接口，通过ethercat协议来进行通信，以满足通信速率的要求。模拟量模块用来采集配电柜内环境温度、环境湿度等数据。数字量模块用来与各个设备与电网之间的断路器通信，用来监控和控制断路器的分合闸状态。
42.在本发明中，各个从站之间采用ethercat进行通信，组成环形网络，即主站与从站1相连，从站1与从站2相连，相邻两个从站相连，从站5再返回主站。环形网络具有较好的可靠性，在某一支路发生故障时，不影响整个系统。而且ethercat通信速率快，可满足控制系统对设备的响应要求。在各个就地控制器之间ethercat通信采用光纤来进行通信，以满足远距离通信的快速性和稳定性。在每一个就地控制器之后增加一个光电转换模块，通过光纤远距离传输，在进入控制层控制器之前，再通过一个转换模块，转换为网线通过路由器与控制层控制器相连。
43.进一步的，所述控制层控制器设置有usb接口、dvi接口、vga接口、rj
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45接口等用来与控制层的外部设备进行通信连接。
44.所述对时服务器用于产生当前准确时间，并与采集层的从站设备进行对时，统一各个设备的时间；在进行数据通信时，将当前时间作为时间戳添加在通信数据后面；
45.根据本发明的另一个实施例，还提出一种基于ethercat的风光制氢系统的通信控制方法，包括如下步骤：
46.步骤1.控制层控制器通过ethercat协议向就地控制器发送控制命令，所述控制命令包括启停命令、工作模式、功率设定值命令；
47.步骤2、就地控制器向风光储氢设备发送接收到的控制命令，从而控制设备；就地控制器通过ethercat协议向控制层控制器发送采集的数据；
48.步骤3、控制层控制器通过ethercat协议向采集层控制器发送控制命令，所述控制命令包括断路器的控制命令；
49.步骤4、风光制氢系统内所有控制器与控制层的时间服务器来进行时间的矫正对时；
50.步骤5、采集层控制器向直流柜从站发送控制命令，通过数字量模块实现命令控制；模拟量模块采集的直流柜的温湿度、超采模块采集的直流柜侧的直流电压、直流电流数据通过ethercat协议发送给采集层控制器，再传至控制层控制器，其中，上述各数据采集完成时在采集数据后面添加采集时间戳标志。
51.本发明增加了时间戳标志，为控制指令的准确性提供依据。风光制氢系统内所有控制器与控制层的时间服务器来进行时间的矫正对时，但是数据采集完成，传输至控制层会存在网络延时，所以有必要在采集数据后面添加采集时间戳标志。
52.如图4所示，控制器会自动与控制层的时间服务器对时，保证了整个风光制氢系统的时间一致性；然后在与风光制氢设备通信时，控制器的标志位bbusy会置1，通信完成bbusy标志位会自动清零；在bbusy为1时获取当前控制器的时间，放于本次采集数据的末尾，时间戳标志添加成功。具体的对时过程如下：
53.步骤4.1、控制器自动对时启动；
54.步骤4.2、在与风光制氢设备通信时，检查控制器的标志位bbusy是否为1，如果是，则进行步骤4.3；否则返回到步骤4.2继续判断标志位是否为1；
55.步骤4.3、时间采集开始标志置为1；
56.步骤4.4获取当前的控制器时间；
57.步骤4.5、将时间加入采集的数据的数组中，作为时间戳放在数据末尾，时间戳标志添加成功；
58.步骤4.6、时间采集开始标志置为0。
59.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。