摘要：
風電場的集群控製是保障電網的安全運行、實現風場總功率的優化以及提高風電場整體電能質量的有效手段。Beckhoff 的 EtherCAT 實時風場監控網絡在風場網絡通信的高速響應方麵設立了新標準。基於 EtherCAT 的風場網絡可以測量風電場並網點電流和電壓的瞬時值，並且采樣速率可達到 10KHz。如果風電場並網點出現電壓跌落，係統能夠在最短的時間內監測電壓跌落數據，並且在 1ms 之內調整網絡中的所有風力發電機組給定值。通過 EtherCAT 分布式時鍾，所有測量值以及控製給定值的同步時間誤差＜1μs。另外，通過 EtherCAT 風場網絡可以得到整個風場中所有風機的同步測量數據，具有同步特性的風場大數據的采集為整個風電場的能量控製、監控與預警和風機功率提升等提供更有力的支撐。
關鍵詞：風電場控製；同步大數據采集；EtherCAT；
中圖分類號：TM614；TP392；TP393.04
0 引言
隨(sui)著(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)裝(zhuang)機(ji)容(rong)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)，風(feng)力(li)發(fa)電(dian)占(zhan)所(suo)在(zai)電(dian)網(wang)的(de)比(bi)例(li)也(ye)隨(sui)之(zhi)持(chi)續(xu)增(zeng)加(jia)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)，風(feng)能(neng)具(ju)有(you)高(gao)度(du)的(de)隨(sui)機(ji)波(bo)動(dong)性(xing)與(yu)間(jian)歇(xie)性(xing)，所(suo)以(yi)大(da)規(gui)模(mo)的(de)風(feng)電(dian)接(jie)入(ru)會(hui)對(dui)電(dian)力(li)供(gong)需(xu)平(ping)衡(heng)、電力係統的安全以及電能質量帶來諸多嚴峻的挑戰。2011 年初發生在甘肅酒泉等地的多起脫網事故也說明了製定風電並網規範的緊迫性。因此,國家電網提出了風電場接入電網的技術規定，由此產生了電網友好型風機和風電場的概念：①風機具有有功、無功調節和低電壓穿越能力，確保電網發生波動時風機不解列；②jizhongyouhuapeizhiyougonggonglvhewugonggonglvkongzhixitong，shixianfengjideyuanchengtiaojiekongzhi。jiyuyishangqiu，bushaozhengjizhizaoshangtichulezhinengfengdianchangdegainian，tongguofengdianchangwangluonenggouyuanchengjizhongjiankongfengjihefengdianchangdeyunxing，bingnengshishideduigonglvjinxingkongzhi，congerchongfenfahuifengjizishendeqianliweidianwangtigongyoulidezhichi。manzushangshuyaoqiujiuxuyaogaoxingnengdefengchangjikongzhiqi、相應的電力測量設備和快速的現場總線。
1 風電場接入電力係統的現狀
1.1 國家標準中關於風電場的要求
《GB/T 19963-2011 風電場接入電力係統技術》[1]中明確了風電場接入電力係統的測試內容：①風電場有功/無功控製能力測試。②風電場電能質量測試，包含閃變和諧波。③風電機組低電壓穿越能力測試；風電場低電壓穿越能力驗證。④風電機組電壓、頻率適應性測試；風電場電壓、頻率適應性測試驗證。
《GB/T 19963-2011 風電場接入電力係統技術》zhongyaoqiuzuigaodeshifengjidedidianyachuanyuenenglihefengdianchangdediyadianyachuanyuenenglihedongtaiwugongzhichengnengli。zhexiedeyaoqiudouxuyaofengchangjidekongzhixitongdexiangyingshijianzai ms 級別。這是對整個風場級別的控製，而不是單個風機的控製。
a) 風機的低電壓穿越能力（LVRT）
風電場並網點電壓跌至 20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行 625ms。風電場並網點電壓在發生跌落後 2s 內能夠恢複到標稱電壓的 90%時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行。電力係統發生不同類型故障時，若風電場並網點考核電壓全部在圖 1 中電壓輪廓線及以上的區域內，分店機組必須保證不脫網運行；否則，允許風電機組切出。
圖 1 風電機組低電壓穿越要求
b) 風場的動態無功支撐能力
zongzhuangjirongliangzaibaiwanqianwajiguimojiyishangdefengdianqun，dangdianlixitongfashengsanxiangduanluguzhangyinqidianyadieluoshi，meigefengdianchangzaididianyachuanyueguochengzhongyingjuyouyixiadongtaiwugongzhichengnengli：當風電場並網點電壓處於標稱電壓的 20%~90%區qu間jian內nei時shi，風feng電dian場chang應ying能neng夠gou通tong過guo注zhu入ru無wu功gong電dian流liu支zhi撐cheng電dian壓ya恢hui複fu，所suo需xu的de無wu功gong電dian流liu取qu決jue於yu電dian壓ya跌die落luo的de深shen度du且qie必bi須xu取qu決jue於yu風feng力li發fa電dian機ji組zu或huo電dian網wang並bing網wang點dian的de要yao求qiu；子並網點電壓跌落出現的時刻起，動態無功電流控製的響應時間不大於75ms，持續時間應不小於 550ms。
1.2 現有風電場網絡存在的問題
現有風電場網絡存在的不足主要有兩個：①控製周期慢；②無法協調整個風電場內的風機達到風場級別 LVRT 功能。
現有的風電場網絡是基於以太網的解決方案，通訊采用以太網光纖，風機處使用普通以太網交換機，風場集控係統與各個風機之間采用 TCP/IP 等非實時的通訊協議。由於交換機的延時和以太網報文的不確定性，使得整個風電場控製網絡是“秒級”或者更長的時間，通訊速度和通訊的實時性無法保證。
現有風機的 LVRT 檢(jian)測(ce)和(he)實(shi)現(xian)都(dou)是(shi)在(zai)風(feng)機(ji)本(ben)身(shen)的(de)變(bian)流(liu)器(qi)部(bu)分(fen)實(shi)現(xian)，根(gen)據(ju)要(yao)求(qiu)新(xin)增(zeng)的(de)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)都(dou)必(bi)須(xu)具(ju)備(bei)低(di)電(dian)壓(ya)穿(chuan)越(yue)能(neng)力(li)。然(ran)而(er)，考(kao)慮(lv)到(dao)風(feng)場(chang)規(gui)模(mo)的(de)增(zeng)大(da)，以(yi)及(ji)每(mei)台(tai)風(feng)機(ji)的(de)不(bu)同(tong)情(qing)況(kuang)，根(gen)據(ju)單(dan)個(ge)風(feng)機(ji)監(jian)測(ce)的(de)電(dian)壓(ya)情(qing)況(kuang)作(zuo)出(chu)的(de)反(fan)應(ying)也(ye)許(xu)不(bu)能(neng)產(chan)生(sheng)電(dian)網(wang)營(ying)運(yun)商(shang)預(yu)期(qi)的(de)效(xiao)果(guo)。由(you)於(yu)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)與(yu)電(dian)網(wang)並(bing)網(wang)點(dian)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)的(de)阻(zu)抗(kang)，所(suo)以(yi)它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)有(you)差(cha)異(yi)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)各(ge)個(ge)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)對(dui)公(gong)共(gong)並(bing)網(wang)點(dian)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)會(hui)做(zuo)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)反(fan)應(ying)。同(tong)樣(yang)，風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)級(ji)饋(kui)入(ru)的(de)無(wu)功(gong)電(dian)流(liu)與(yu)電(dian)網(wang)並(bing)網(wang)點(dian)的(de)最(zui)終(zhong)無(wu)功(gong)電(dian)流(liu)也(ye)是(shi)不(bu)一(yi)致(zhi)的(de)。即(ji)無(wu)法(fa)達(da)到(dao)國(guo)家(jia)標(biao)準(zhun)對(dui)整(zheng)個(ge)風(feng)電(dian)場(chang)整(zheng)體(ti)的(de)低(di)電(dian)壓(ya)穿(chuan)越(yue)的(de)要(yao)求(qiu)。
1.3 EtherCAT 風場控製網絡解決方案
永磁直驅風力發電機和雙饋異步風力發電機是目前使用最多的風力發電機類型，與傳統的恒速恒頻風力發電機相比，和功率因數可在+0.95 到-0.95 之(zhi)間(jian)調(tiao)整(zheng)，可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)的(de)有(you)功(gong)和(he)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)，其(qi)無(wu)功(gong)調(tiao)節(jie)能(neng)力(li)也(ye)廣(guang)泛(fan)地(di)應(ying)用(yong)於(yu)風(feng)電(dian)場(chang)的(de)無(wu)功(gong)調(tiao)整(zheng)。充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)自(zi)身(shen)的(de)無(wu)功(gong)支(zhi)撐(cheng)能(neng)力(li)，並(bing)以(yi)遠(yuan)端(duan)並(bing)網(wang)點(dian)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)為(wei)控(kong)製(zhi)目(mu)標(biao)，
對維持電網的無功功率平衡和電壓穩定有著十分重要的意義。來自德國弗勞恩霍夫風能及能源係統技術研究院的 Melanie Hau 和 Martin Shan [2]的(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，風(feng)場(chang)監(jian)控(kong)網(wang)絡(luo)的(de)速(su)度(du)以(yi)及(ji)風(feng)電(dian)機(ji)組(zu)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)速(su)度(du)對(dui)風(feng)場(chang)電(dian)壓(ya)或(huo)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)控(kong)製(zhi)可(ke)實(shi)現(xian)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)產(chan)生(sheng)了(le)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)。
而這恰恰就是 EtherCAT 風feng場chang控kong製zhi網wang絡luo解jie決jue方fang案an的de優you點dian。迄qi今jin為wei止zhi，風feng場chang網wang絡luo監jian控kong都dou是shi使shi用yong以yi太tai網wang實shi的de。以yi太tai網wang光guang纜lan用yong於yu將jiang單dan獨du的de風feng力li發fa電dian機ji組zu連lian接jie到dao主zhu計ji算suan機ji。因yin為weiEtherCAT 基於以太網，所以其與以太網的物理層完全兼容。當使用 EtherCAT 時，也可應用相同的物理層。此外，EtherCAT 還(hai)完(wan)全(quan)現(xian)了(le)線(xian)纜(lan)冗(rong)餘(yu)。風(feng)場(chang)中(zhong)的(de)光(guang)纜(lan)環(huan)網(wang)通(tong)過(guo)風(feng)場(chang)主(zhu)機(ji)的(de)第(di)二(er)塊(kuai)網(wang)卡(ka)形(xing)成(cheng)閉(bi)環(huan)。亮(liang)點(dian)就(jiu)在(zai)於(yu)，與(yu)目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)的(de)支(zhi)持(chi)冗(rong)餘(yu)的(de)交(jiao)換(huan)機(ji)相(xiang)比(bi)，使(shi)用(yong) EtherCAT 可以顯著提高傳輸速度並降低成本。
與目前的其它方案不同，EtherCAT 解決方案可以利用 EtherCAT 使整個風場應對低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在風電場並網點診斷出有電壓跌落，它可以在 1 ms的(de)時(shi)間(jian)內(nei)將(jiang)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)給(gei)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)的(de)所(suo)有(you)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)。且(qie)其(qi)能(neng)夠(gou)讓(rang)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)對(dui)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)跌(die)落(luo)做(zuo)出(chu)協(xie)同(tong)的(de)反(fan)應(ying)。這(zhe)樣(yang)，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)整(zheng)個(ge)風(feng)場(chang)在(zai)電(dian)網(wang)並(bing)網(wang)點(dian)的(de)確(que)定(ding)的(de)行(xing)為(wei)。
另外，EtherCAT 從站中的分布式時鍾能夠確保整個網絡中的數據采樣在時間上保持同步。時基誤差小於 1μs（微秒），甚至小於 100 納秒。有了這些數據，電流、電壓和頻率可以得到相應控製且電網可以得到最優的支持。
2 倍福極速風電場監控網絡
倍福極速風電場監控網絡方案如下圖 2 所示。
該方案是基於倍福的工業 PC、電力測量端子模塊、帶光纖接口的 EtherCAT 耦合器和實時的 EtherCAT 通訊技術、超采樣技術、EtherCAT 分布式時鍾技術。倍福工業 PC上shang運yun行xing專zhuan用yong的de風feng電dian場chang能neng量liang管guan理li平ping台tai，具ju有you強qiang大da的de風feng電dian場chang實shi時shi電dian力li監jian控kong功gong能neng。該gai平ping台tai提ti供gong與yu電dian網wang調tiao度du接jie口kou，集ji中zhong實shi時shi控kong製zhi風feng電dian場chang並bing網wang點dian的de電dian壓ya、功率等等。保證風電場與接入地區電網相互協調運行，實現高效的風電場運行和管理。EtheCAT 光電轉換耦合器模塊把風電場管理平台與風電場內的風機連接到一起，組成風電場實時電力監控網絡，可在風電場網絡中實現小於 1 ms 的實時控製任務。專用的電力監測端子模塊監控風場電網並網點和單台風機並網側的電網狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。
圖 2 風電場實時電力監控網絡
2.1 風電場實時電力監控網絡方案分為兩部分：
a) 單台風力發電機組接入 EtherCAT 風場網絡，如下圖 3 所示
圖 3 單台風力發電機組接入 EtherCAT 風場網絡
該方案采用了倍福嵌入式工業 PC CX5020 控製器作為風機的主控製器，主控製程序基於 TwinCAT 軟件，運用倍福自主開發完善、高效、成熟的風電專用功能庫，集成先進的控製算法，很好的協調控製風機各部件和子係統的運行。
根據當前的風況和風電場能量管理平台的控製指令，控製風機的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風機的穩定運行。風機控製器可以通過 EtherCAT 網橋模塊 EL6695 和擴展模塊 EK1110 接入風電場實時控製網絡，與能量管理平台進行通訊，滿足對整個風電場的實時控製的需要。EK1501 作為單台風機與風電場 EtherCAT 實時網絡的接入點。
EL3413 模塊可直接監測單台風機並網側的 690 V AC 電壓、電流、頻率、有功、無功、發電量，以及 21 次以內的諧波等等。風機主控係統通過采集的電力數據監測風機運行狀況、相關的數據可通過風場網絡傳送到風電場中控室的能量管理平台和SCADA 係統。
b) 風電場控製器及公共並網點電力監測，如下圖 4 所示
圖 4 風電場並網點電力監測
國標中所有要求的參考點隻有一個：風電場公共並網點，所以對風電場並網點的電壓值、電流值的監測極其重要。並網點電量值的快速采集，需要高精度、高采樣率的測量設備，最好能高速的得到並網點電壓和電流的瞬時值。
具有 XFC 超采樣技術的電力測量模塊 EL3773 對風電場並網點進行監控。倍福工業PC上運行的能量管理平台通過EtherCATguangxianouheqihuoguangdianzhuanhuanmokuaijierudaofengdianchangshishiwangluo，caijifengdianchangbingwangdianchuhemeitaifengjibingwangcededianwangzhuangkuang，tongguonengliangguanlipingtairuanjiantongyitiaokongzhenggefengdianchangdedianya、頻率、有功出力和無功等。
2.2 通訊架構：
①風場實時網絡為環網方式，使用光纖（單模光纖最遠 20km，多模光纖最遠 2km）通過 EtherCAT 總線和相應的耦合器 EK1501 把風場的風機連接成通訊環網。風場中的每台風機的主控製器 CX5020 可通過 EtherCAT 網橋模塊 EL6695 實現與能量管理平台的實時通訊。
②EtherCAT 采用開放的實時以太網通訊協議，是一種高速以太網現場總線，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT 為係統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，分布於 100 個節點的 1000 個開關量刷新時間僅為 30µs，同時，它還明顯降低了現場總線成本。EtherCAT 的特點還包括分布式時鍾，可選線纜冗餘和功能性安全協議(SIL3)。采用 XFC（極速控製）技術後，利用時間戳可獲得小於 100 ns 的時間分辨率。
2.3 開放性與兼容性
EtherCA 係統具有很強的開放性，該解決方案也可與第三方供應商的控製器一起使用。倍福可提供與常見的場總線係統（例如 PROFIBUS、PROFINET 和 CANopen 等）橋接的 EtherCAT 模塊，包括主站和從站與，EtherCAT 網絡可以使用這些總線與第三方控製器通訊。
3 技術亮點的詳細介紹
3.1 EtherCAT 網絡
作為快速、實時的總線係統，EtherCAT 使得倍福的風電場實時電力監控網絡解決方案變得更加完美。EtherCAT 於 2014 年成為了中國的國家推薦標準《GB/T 31230-2014 工業以太網現場總線EtherCAT》[3]，tabujinchengweilekongzhixianchangzongxian，haichengweileceliangxianchangzongxian。zhiyouzhezhongjiyuyitaiwangqiejuyougaoduquedingxingdegaosuxianchangzongxianxieyicainengshixianzhuruzhuangtaijiancejichengdefuzayingyong。youlequanshuanggongkuaisuyitaiwanghejiweimiaodezongxianzhouqi，EtherCAT 功能原則的有用數據傳輸率遠遠超過 90%。連同後麵提到的超采樣功能和 EtherCAT 從站中的直接數值緩衝，采樣率可遠遠超過實際的總線周期。
3.2 超高速的功率測量模塊，可達 10,000 采樣點/秒
通過 EtherCAT 還實現了其它新技術：例如，數字量輸入模塊 EL1262 能夠以高達1 百萬采樣點/秒的速度掃描信號。例如，超采樣功能使得頻率高達 100 kHz 的信號測量或輸出成為可能。例如，借助於 EtherCAT 功率測量端子模塊 EL3773，超采樣技術可用於測量電網並網點的電流和電壓。采樣頻率可達 10 KHz。
電網監控端子模塊 EL3773 設計用於監控三相交流電壓係統的狀態。在 EtherCAT超采樣原理的基礎上，能夠以時間分辨率最高達 100 μs 的速度同時測量三相電壓和電流共計六個通道，然後把采集到的電壓、電流的真實傳輸至控製器。EL3773 支持分布式時鍾係統，因此，能夠與其它 EtherCAT 設備一起同步進行測量。
3.3 EtherCAT 分布式時鍾，確保采集信號的同步性
EtherCAT 設備的分布式時鍾功能的分辨率為 1 ns 且精確度為 10 ns，使得測量值和控製值的同步時間窗口能小於 1 μs，甚至小於 100 納秒。EtherCAT tuopuzhongdesuoyoufenbushishizhongzaijinxingshizhongtongbushiyijisuanlechuanshuyanchideyingxiang。jiyuzhexianggongneng，keyiquebaozhenggefengdianchangwangluozhongdeshujucaiyangzaishijianshangbaochitongbu。shiyongzhexiangjishushenzhihaikeyishixianfengchangneidegefengjibianliuqide IGBT 同步。鑒於此，風力發電機組製造商和變流器供應商都已經參與進來了。
3.4 同步大數據的采集
隨著風電領域研究的深入，風電場網絡還被賦予了大數據采集的期待。風場級大數據，可用於分析風機尾流影響；優化風電場扇區控製，優化風電場分布式能量管理控製；優化風機參數，提高風機功率；達到風電場全生命周期管理的目的。所有的數據，都是“各個風機的同步數據”，否則得到的數據對於數據分析的意義將會大大的降低。在使用GPS 對時功能之後，現有的風電場網絡中的各個風機的時鍾同步也是在“幾百毫秒”級別的，其他的測量值，例如風速、風向等數據的同步性，更加無法保證。EtherCAT 設備的分布式時鍾功能可以確保整個風電場網絡中的數據采樣在時間上保持同步。
EtherCAT 明顯增加了係統速度：一個包含 1,500 字節的 EtherCAT 報文可由主機在77μs 的時間內完成發送和再次接收。假設每台風力發電機組的過程映象區為 50 輸入字節和 50 輸出字節，那麼具有 150 台風力發電機組的風場的過程映象區可以在小於 1ms的時間內刷新。如果速度要求更快或風力發電機組數量明顯增加，那麼可在一台主機上實現多個 EtherCAT 環網。
4 結束語
fengchangwangluokongzhidezhongyaoxingyuelaiyuetuchu，haishangfengdianchangyouqizhongshizhegehuanjie。deguoduihaishangfengdianchangdeyaoqiuyange，zaihaishangfengdianchangshejichuqi，jiubixujianlifengdianchangdefangzhenmoxing，duifengdianchangdekongzhiwangluoyouyangedeguiding。quantaoxitongcaiyongbeifukongzhijishude 5MW 風機已經於 2009 年在德國的第一個海上風場“Alpha Ventus”進行了測試和試驗。
倍福 PC 控製技術理念為集成大量的高於標準控製之外的高級功能預留了足夠的空間。高性能 CPU、高速 I/O 端子模塊、EtherCAT 通信和 TwinCAT 自動化軟件為實現風電場極速控製提供了堅實的技術基礎。倍福基於 EtherCAT 的風電場實時電力監控網絡解決方案實現了小於 1ms 的反應時間，增加了電網兼容性。EtherCAT 拓撲中的所有分布式時鍾可通過傳輸延遲的測量進行同步，使用這項技術甚至還可以實現風場內的各風機變流器的 IGBT 同步。風電場中風電機組大量的同步數據的采集並存入數據庫，為整個風電場的能量控製、監控與預警和風機功率提升等的研究提供了大數據的準備。
[1] 《GB/T 19963-2011 風電場接入電力係統技術規定》
[2] Hau, Melanie and Shan, Martin. Windparkregelung zur Netzintegration. 16th
Kassel Symposium Energy Systems Technology, 2011.
[3] 《GB/T 31230-2014 工業以太網現場總線 EtherCAT》
[4] 《NB/T 31003-2011 大型風電場並網設計技術規範》