基于EtherCAT总线的微电网能量优化管理系统

沈润 吴斌 王广佳

摘 要：介绍了EtherCAT总线的技术特点与性能优点，同时介绍了倍福的EtherCAT模块的分类与功能，并通过该端子模块实现微电网的二次系统建构建，采集微电网能量管理中所需的电网信息，并通过微电网能量管理系统（MEMS）实现能量的管理和调度，并且可以通过web界面远程访问微电网的运行状况，达到了较好的运行效果。

关键词：EtherCAT；CX8090；EtherCAT端子模块；微电网；能量管理

微电网的运行与控制比常规配电网更加依赖于实时信息的处理，其对传输数据的实时性、可靠性、稳定性要求更高，因此通信系统对于微电网来说至关重要[1]。

目前微电网实验工程普遍采用欧盟提出的微电网构架模型，系统中负荷控制器、微源控制器、微电网集中控制器以及配电网调度EMS之间搭建通信链路，实现各种数据的采集和控制命令的下发。

EtherCAT是开放的实时以太网通讯协议，最初由德国倍福提出，EtherCAT在数据链路层加入了软件核，显著的提高了数据的稳定性和实时性。

本系统将倍福公司的EtherCAT总线产品用于微电网通信之中，实现微电网多种信息流的高效融合，满足微电网的运行要求，达到了理想的运行效果。

1 EtherCAT总线技术

1.1 EtherCAT性能

EtherCAT总线支持多种自动化网络拓扑，可以使用总线型、星型或者环形网络拓扑结构，非常适合中小型自动化控制领域。其独有的分布式I/O方式，更是打破了传统现场总线的瓶颈。

除此之外，EtherCAT的支持多种传输电缆、精确时钟同步技术、基于纯硬件的数据交换技术、通信诊断技术和通讯控制一体化技术等等技术优势，都是传统通信总线不可比拟的[2]。

将EtherCAT总线技术应用于实时性要求较高的微电网中，可以提高微电网系统的实时性、稳定性和健壮性。

1.2 EtherCAT通信模型

EtherCAT的通信模型压缩了ISO/OSI的7层参考模型，避免了多层协议处理报文而产生时延。EtherCAT的应用层对TCP/IP完全透明，所有的以太网技术都可以通过EtherCAT实现而不影响其实时性[3]。它基于主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT 非常适合微电网内各个设备之间的通讯。

2 倍福的软PLC技术与控制模块

2.1 微电网数据采集系统架构

本微电网工程包括15KW光伏、3台2KW的风力发电机、15KW的混合储能系统以及各种分级负荷。实时以太网传输的数据包括：各微电源的电压、电流、有功、无功功率等实时信息，SCADA系统与逆变器之间的控制系统与反馈系统，以及所有接触器的控制信息。

基于以上需要采用如图1所示的通信架构，包括设备层、就地控制层、协调控制层（站控层）和远程访问层。

1）设备层包括风机、光伏、储能、逆变器和接触器等设备；

2）就地控制层采用倍福CX8090控制器和EtherCAT端子模块构成；

3）协调控制层采用装有實时核TwinCAT的工控机，用于风光储之间的协调配合；

4）远程访问层通过web界面可以实时监测微电网运行状况。

2.2 CX8090主控制器

CX8090 嵌入式 PC基于ARM核，可以实现总线型“菊花链式”拓扑结构。其软件系统基于Windows CE6.0操作系统，通过TwinCAT软件可以方便的实现编程，同时TwinCAT提供了丰富的函数库，较大的提高了系统的开发效率。特别适合用于处理各种任务，可用作为伺服控制系统、分布式协调控制以及智能家居控制的分布式智能设备。

2.3 EtherCAT端子模块

EtherCAT端子模块可直接连接多个不同信号。无需信号转换器或额外的分析设备。直接连接方式不仅能够降低成本，还能够简化控制结构。每个EtherCAT端子模块将内部电子元器件从连接层分离，使得不同电压组的创建变得更加简单。此外，信号连接器上的干扰电压也不再有不良影响。本项目采用了数字量输入模块EL1004、数字量输出模块EL2004、三相交流测量模块EL3403和EL3773以及RS422/485串口通信模块EL6021。

2.4 基于TwinCAT软件的工控机软PLC技术

TwinCAT系统是本文所述的微电网工程的核心部分。预装TwinCAT软件的PC可以直接连接PLC、NC、CNC和机器人等设备。TwinCAT系统特点包括：不改变 Windows、无需PC外的其他硬件、将标准Windows变成实时操作系统、循环时间可短至50微秒、强制优先排序和完全支持浮点单元等。在预装Windows操作系统的工控机上安装TwinCAT实时内核，来运行实时的网络通信。

本工程中预装TwinCAT系统的PC机可以经简单开发即可实现SCADA的功能。

2.5 工控机与CX8090之间的ADS通信

在倍福TwinCAT 系统中，各个软件模块的工作模式类似于硬件设备，它们能够独立工作，例如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 应用程序等。各个软件模块之间的信息交换通过ADS而完成。在基于TwinCAT的工控机PC和倍福的CX8090系列控制器中都包含TwinCAT 信息路由表。因此各个ADS 设备之间都能够交换数据和信息。

3 微电网能量优化调度算法

微电网协调控制层实现的能量管理算法采用变时间尺度能量管理优化策略，以日前预测为前提，根据不同能量管理优化模式调用相应算法发布发电计划；基于当日运行数据反馈对预测和发电计划滚动修正；此外基于实时运行数据调用以10min为时间尺度的超短期预测，并依据预测数值，比对滚动预测偏差分配给各可控单元，实现微电网功率平衡[4]。

4 微电网数据实时刷新与能量优化管理

基于web开发的能量管理监控系统，实现微电网能量管理优化结果的各项数据展示，包括微电网一次接线图、发用电预测、调度计划等，此外提供数据维护功能，包括电价、储能、联络线配置信息等。微电网主接线界面和发电预测界面如图2所示，主接线图实时显示通过EtherCAT总线获取的各路出线的数据，微电网预测与调度界面显示经过能量管理算法后的预测数据柱状图和曲线以及调度计划。

5 结论

本文通过采用EtherCAT总线作为微电网能量管理、优化调度的的通信构架，通过倍福公司的控制器模块、EtherCAT端子模块和TwinCAT软件实现微电网信息的采集和调度控制命令的下发，实现微电网风光储的能量管理和协调优化，并且用户可通过web界面远程访问微电网的运行状况。

由于本期项目重点在于风光的预测以及微电网能量优化调度，而不在于并离网切换等动态控制，尚不能较好的体现出EtherCAT实时以太网的优点，第二期微电网项目将重点研究微电网的动态、稳态和暂态的三态控制，届时可体现出EtherCAT总线用于微电网协调紧急控制的优势。

参考文献：

[1]张朋，李瑞生，王晓雷.微电网通信系统研究与设计[J].计算机测量与控制，2013-08-25.

[2]向乾亮，辛志远，林继如，等.实时以太网EtherCAT技术在电力系统中的应用[J].继电器，2008-06-01.

[3]王维建.工业以太网EtherCAT技术的原理及其实现[J].微计算机信息，2010，26（5-1）：51-52.

[4]费阳，沈润，戴桂木.微电网能量管理系统站控层设计[J].电气技术，2015-01-15.

作者简介：沈润（1989-），男，硕士研究生，助理工程师，现从事变电站运维管理工作。