基于EtherCAT通信的能量管理控制系统

基于EtherCAT通信的能量管理控制系统

杨金鑫1  于茜2  李雪2

1上海电气电站设备有限公司，上海市，201100

2上海电气分布式能源科技有限公司，上海市，201100

0引言

工业自动化系统的发展方向随着通信技术、高速运算技术等尖端技术的发展与大范围应用正朝着实时性、开放性、高可靠性、广分布性等方面发展，同时在面对工厂提出的全厂自动化、信息化管理的要求下，处于其核心地位的控制器的的通信和数据处理能力为主要应该解决的矛盾之一。

基于上述问题和技术背景，研制一种基于EtherCAT通信的能量管理控制系统。主要为控制层+网络层硬件设备，分为通用中央控制器、通用控制器及相关扩展I/O。通用中央控制器可配备RTOS实时系统及本地数据库，并支持HMI人机交互功能；通用控制器为本地控制器，具备数据采集与上传、本地控制等功能；扩展I/O作为通用控制器的补充，可以为通用控制器提供更高的接入能力。RTOS侧重控制实时性强、同步性强、多任务调度；EtherCAT侧重通信速度快、可扩展性强、兼容性强；二者结合才能搭建起一个高性能的控制平台。控制器中配置有削峰填谷、需量控制控制策略。

1、能量管理控制器

高速的工业以太网EtherCAT总线不仅可以提高系统的实时性，同时大大增强了系统的兼容与扩展性能。该装置可以完成电、热等信号采集、设备数据通讯等功能，同时嵌入式RTOS操作系统保证了数据传输与控制策略执行的时效性。

图1 基于RTOS和EtherCAT的控制器

硬件主要为控制层+网络层硬件设备，分为通用工业控制器、IO扩展模块、通讯扩展模块以及其他针对不同应用场景的专用扩展模块。

通用工业控制器配备SECRTOS实时系统及本地数据库，支持HMI人机交互功能，具备数据采集与上传、本地控制等功能；扩展模块作为控制器的补充，可以为控制器提供更高的接入能力。图2为基于EtherCAT通信的通用工业控制系统架构图。

图2 基于EtherCAT通信的通用工业控制系统

通用工业控制器硬件平台核心模块为TI公司的Cortex-A8系列，可运行RTOS实时操作系统，并实现EtherCAT功能，作为EtherCAT网络中的从站，实现与监控主站以及系统中其他通用工业控制器之间的通讯，运行控制策略算法软件，实现本地的调度控制。图3为通用工业控制器硬件设计方案架构图。

图3 通用工业控制器硬件设计方案架构图

IO扩展模块根据功能的不同可细分为模拟电压和模拟电流的输入或输出扩展以及数字输入输出扩展，内部采用STM32F系列芯片，实现本地IO数据的高速采集、计算等功能，并通过CAN接口，作为CAN网络中的从站，上传数据至就近的通用工业控制器。

通讯扩展模块根据功能可分为通用异步串口通讯(UART)扩展模块以及其他工业现场总线扩展模块（如ProfiNET等）。其中通用异步串口通讯(UART) 内部采用STM32F系列芯片开发，实现通讯扩展。其他工业现场总线扩展模块采用通用的CAN转接板实现。

专用扩展模块在微网控制领域主要包括功率计量模块，分为单相和三相功率计量模块等，采用STM32F+ADE78XX芯片实现实时的有功/无功/视在功率的监测，并提供多达56次谐波分析以及电量计量功能。

2、能量管理控制策略

为合理协调分布式电源出力，充分利用可再生能源，获取更高收益，保证电能质量，能量管理控制器中涵盖削峰填谷、需量控制策略。

削峰填谷控制策略是利用电力储能技术解决电网峰谷负荷差。将电网的峰值负荷进行平滑调整。传统的电力系统在高峰期间，需要满足大量用户的需求，此时需求超过了电网的供应能力。而在低谷期间，供电能力则远远超过了需求。通过利用智能控制，可以将低谷时段的多余电能存储起来，然后在高峰时段释放出来，以满足高峰期间的需求，从而实现电网负荷的平衡调节。这不仅可以减轻电网的负担，还能有效降低能源浪费和环境污染。

需量控制策略，监测变压器实时功率，当变压器低压侧功率超出需量时，储能系统开始放电/增大放电功率，减少变压器出力，保障变压器功率不会超出限制。储能系统放电时需要考虑电池和PCS状况。

3、实施案例

实际的光伏并网系统中，通常选择多个光伏组成光伏阵列经过汇流箱连接到逆变器，限于逆变器的体积与容量大小，整个光伏系统将被分解成多个光伏阵列子系统组成。由于物理空间的限制，单个通讯采集设备难以满足所有光伏阵列子系统的要求，图4为在一个典型光伏并网系统中基于EtherCAT的通用工业控制系统的实施实例。

图4 典型光伏并网控制系统

将每个光伏阵列子系统分配一个微网能量管理控制器，汇流箱通过电流传感器连接到IO扩展模块，逆变器通过RS485通讯接口连接到通讯扩展模块，IO扩展模块通过测量汇流箱电流监测光伏阵列子系统工作状况，通讯扩展模块与逆变器进行数据交互获得输入与输出功率等状态信息。

IO扩展模块和通讯扩展模块将汇流箱以及逆变器的各状态量通过CAN总线上传至微网能量管理控制器。微网能量管理控制器分析IO扩展模块及通讯扩展模块上传的数据，根据保护控制算法，通过CAN总线下发保护指令至IO扩展模块；IO扩展模块根据收到的保护指令发出IO控制信号控制汇流箱的通断。

通讯扩展模块将收到的指令通过RS485通讯下发至逆变器，逆变器根据指令决定光伏阵列子系统工作或离线。

低压配电器通过电压、电流传感器与功率计量模块连接，功率计量模块通过ADE78XX计量IC获取光伏并网系统的实时有功、无功、视在等功率信息；

功率计量模块通过CAN总线上传至微网能量管理控制器。

监控主站通过EtherCAT总线主动访问各微网能量管理控制器，获得所有的汇流箱、逆变器以及低压配电器等设备工作状态信息，并对每个光伏阵列子系统对应的微网能量管理控制器在网络中进行编号，同时根据能量管理策略，计算出每个光伏阵列子系统的功率设定值，通过EtherCAT总线下发至每个通用工业控制器。

通用工业控制器将光伏阵列子系统的功率设定值通过CAN总线发送至通讯扩展模块，通讯扩展模块通过串口RS485发送给逆变器，逆变器根据指令进行相应操作；若某一个光伏阵列子系统出现故障，监控主站根据其网络编号对故障阵列子系统进行定位。

4、结论

本文设计了基于高速工业以太网的微网控制器，控制器采用EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，连接中央控制器与下层控制器，具有实时性高、通信速率快、接入点数多、拓扑灵活等特点，充分考虑到模块化设计，大大增强了系统的兼容与扩展性能。能量管理控制器在工商业削峰填谷和实现绿色电力转型方面发挥了重要的作用，为我国“双碳”目标的实现提供有力技术支撑。