可实现快速响应及同步数据采集的风电场监控网络(3)

［摘要］：风电场的集群控制是保障电网的安全运行、实现风场总功率的优化以及提高风电场整体电能质量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT实时风场监控网络在风场网络通信的高速响应方面设立了新标准。基于EtherCAT的风场网络可以测量风电场并网点电流和电压的瞬时值，并且采样速率可达到10KHz。如果风电场并网点出现电压跌落，系统能够在最短的时间内监测电压跌落数据，并且在1ms之内调整网络中的所有风力发电机组给定值。通过 EtherCAT分布式时钟，所有测量值以及控制给定值的同步时间误差＜1μs。另外，通过EtherCAT风场网络可以得到整个风场中所有风机的同步测量数据，具有同步特性的风场大数据的采集为整个风电场的能量控制、监控与预警和风机功率提升等提供更有力的支撑。

［关键词］：风电场控制 同步大数据采集 EtherCAT

风机控制器可以通过 EtherCAT网桥模块EL6695和扩展模块EK1110 接入风电场实时控制网络，与能量管理平台进行通讯，满足对整个风电场的实时控制的需要。EK1501作为单台风机与风电场EtherCAT实时网络的接入点。

EL3413 模块可直接监测单台风机并网侧的690 V AC电压、电流、频率、有功、无功、发电量，以及21次以内的谐波等等。风机主控系统通过采集的电力数据监测风机运行状况、相关的数据可通过风场网络传送到风电场中控室的能量管理平台和 SCADA系统。

b) 风电场控制器及公共并网点电力监测，如下图4所示

图4 风电场并网点电力监测

国标中所有要求的参考点只有一个：风电场公共并网点，所以对风电场并网点的电压值、电流值的监测极其重要。并网点电量值的快速采集，需要高精度、高采样率的测量设备，最好能高速的得到并网点电压和电流的瞬时值。

具有XFC超采样技术的电力测量模块EL3773对风电场并网点进行监控。倍福工业 PC上运行的能量管理平台通过EtherCAT光纤耦合器或光电转换模块接入到风电场实时网络，采集风电场并网点处和每台风机并网侧的电网状况，通过能量管理平台软件统一调控整个风电场的电压、频率、有功出力和无功等。

2.2 通讯架构：

①风场实时网络为环网方式，使用光纤(单模光纤最远20km，多模光纤最远2km)通过EtherCAT总线和相应的耦合器EK1501把风场的风机连接成通讯环网。风场中的每台风机的主控制器CX5020可通过EtherCAT 网桥模块EL6695实现与能量管理平台的实时通讯。

②EtherCAT采用开放的实时以太网通讯协议，是一种高速以太网现场总线，由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，分布于100个节点的1000个开关量刷新时间仅为30µs，同时，它还明显降低了现场总线成本。EtherCAT的特点还包括分布式时钟，可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。采用XFC(极速控制)技术后，利用时间戳可获得小于100 ns的时间分辨率。

2.3 开放性与兼容性

EtherCA系统具有很强的开放性，该解决方案也可与第三方供应商的控制器一起使用。倍福可提供与常见的场总线系统(例如 Profibus、PROFINET 和 CANopen等)桥接的EtherCAT模块，包括主站和从站与，EtherCAT网络可以使用这些总线与第三方控制器通讯。

3 技术亮点的详细介绍

3.1 EtherCAT网络

作为快速、实时的总线系统，EtherCAT 使得倍福的风电场实时电力监控网络解决方案变得更加完美。EtherCAT于2014年成为了中国的国家推荐标准《GB/T 31230-2014 工业以太网现场总线EtherCAT》[3]，它不仅成为了控制现场总线，还成为了测量现场总线。只有这种基于以太网且具有高度确定性的高速现场总线协议才能实现诸如状态监测集成的复杂应用。有了全双工快速以太网和几微秒的总线周期，EtherCAT 功能原则的有用数据传输率远远超过 90%。连同后面提到的超采样功能和 EtherCAT 从站中的直接数值缓冲，采样率可远远超过实际的总线周期。