可实现快速响应及同步数据采集的风电场监控网络(4)

［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

3.2 超高速的功率测量模块，可达10,000采样点/秒

通过 EtherCAT 还实现了其它新技术：例如，数字量输入模块EL1262能够以高达1百万采样点/秒的速度扫描信号。例如，超采样功能使得频率高达100 kHz 的信号测量或输出成为可能。例如，借助于EtherCAT功率测量端子模块EL3773，超采样技术可用于测量电网并网点的电流和电压。采样频率可达10 KHz。

电网监控端子模块EL3773设计用于监控三相交流电压系统的状态。在 EtherCAT超采样原理的基础上，能够以时间分辨率最高达100 μs的速度同时测量三相电压和电流共计六个通道，然后把采集到的电压、电流的真实传输至控制器。EL3773 支持分布式时钟系统，因此，能够与其它EtherCAT设备一起同步进行测量。

3.3 EtherCAT分布式时钟，确保采集信号的同步性

EtherCAT设备的分布式时钟功能的分辨率为1 ns且精确度为10 ns，使得测量值和控制值的同步时间窗口能小于1 μs，甚至小于100 纳秒。EtherCAT 拓扑中的所有分布式时钟在进行时钟同步时已计算了传输延迟的影响。基于这项功能，可以确保整个风电场网络中的数据采样在时间上保持同步。使用这项技术甚至还可以实现风场内的各风机变流器的 IGBT同步。鉴于此，风力发电机组制造商和变流器供应商都已经参与进来了。

3.4 同步大数据的采集

随着风电领域研究的深入，风电场网络还被赋予了大数据采集的期待。风场级大数据，可用于分析风机尾流影响;优化风电场扇区控制，优化风电场分布式能量管理控制;优化风机参数，提高风机功率;达到风电场全生命周期管理的目的。所有的数据，都是“各个风机的同步数据”，否则得到的数据对于数据分析的意义将会大大的降低。在使用GPS对时功能之后，现有的风电场网络中的各个风机的时钟同步也是在“几百毫秒”级别的，其他的测量值，例如风速、风向等数据的同步性，更加无法保证。EtherCAT设备的分布式时钟功能可以确保整个风电场网络中的数据采样在时间上保持同步。

EtherCAT明显增加了系统速度：一个包含1,500字节的EtherCAT报文可由主机在 77μs的时间内完成发送和再次接收。假设每台风力发电机组的过程映象区为50输入字节和50输出字节，那么具有150台风力发电机组的风场的过程映象区可以在小于1ms的时间内刷新。如果速度要求更快或风力发电机组数量明显增加，那么可在一台主机上实现多个EtherCAT环网。

4 结束语

风场网络控制的重要性越来越突出，海上风电场尤其重视这个环节。德国对海上风电场的要求严格，在海上风电场设计初期，就必须建立风电场的仿真模型，对风电场的控制网络有严格的规定。全套系统采用倍福控制技术的5MW风机已经于2009年在德国的第一个海上风场“Alpha Ventus”进行了测试和试验。

倍福 PC控制技术理念为集成大量的高于标准控制之外的高级功能预留了足够的空间。高性能CPU、高速I/O端子模块、EtherCAT通信和TwinCAT自动化软件为实现风电场极速控制提供了坚实的技术基础。倍福基于EtherCAT的风电场实时电力监控网络解决方案实现了小于1ms 的反应时间，增加了电网兼容性。EtherCAT拓扑中的所有分布式时钟可通过传输延迟的测量进行同步，使用这项技术甚至还可以实现风场内的各风机变流器的IGBT同步。风电场中风电机组大量的同步数据的采集并存入数据库，为整个风电场的能量控制、监控与预警和风机功率提升等的研究提供了大数据的准备。

[1] 《GB/T 19963-2011 风电场接入电力系统技术规定》

[2] Hau, Melanie and Shan, Martin. Windparkregelung zur Netzintegration. 16th Kassel Symposium Energy Systems Technology, 2011.

[3] 《GB/T 31230-2014 工业以太网现场总线EtherCAT》

[4] 《NB/T 31003-2011 大型风电场并网设计技术规范》