0 引言
在大型电池储能电站中,由于信息采集点、采集频度大幅增加,集群系统通信网络的可靠性与快速性成为主导因素。文献[20]建立了含间歇式电源机组/组件、场站、场站群、集群4层的分层分区集群控制平台框架,以实现有功功率控制、无功电压控制、安全稳定控制等方面的功能。文献[21]构建了含空调集群与电动汽车集群的需求侧广义储能集群,根据各集群特性优化参与配电网调节的控制策略。但电池储能集群无论在数据采集与处理的数量上还是频度上均要求更高,多重复杂性明显,传统集控架构和处理方法已难以适用[22]。此外,新能源规模化接入下的电力系统,对储能参与调频、备用、调压运行的快速性、可靠性和容量可信度均提出更高要求 [23⇓-25],集控平台的基础支撑作用越发重要。
因此,本文针对大型电池储能电站参与电力系统快速调节的需求,提出了一种基于EtherCAT的集控架构及平台设计方法,以实现储能电站的高效数据处理和实时过程控制,满足储能电站参与系统调节的快速性、准确性和可靠性。在对储能电站参与电力系统调节技术需求分析的基础上,进行了集控系统架构设计,以满足各储能单元对电气部分、电池部分、动力环境部分的参数采集、数据处理及存储、调控需求等特点;并进行了通信量分析和协议优选;最后,搭建了实验平台对所提的集控技术及平台进行验证。
1 集控平台
1.1 集控平台架构
具体的,各储能单元作为相对独立的受控对象,包括电池系统、储能变流器(power conversion system, PCS)及动力环境设备等,组成受控设备层;各储能单元配置一个数据处理和分析能力较强的本地单元控制器,对受控设备的数据进行处理和分析,组成单元控制层;整个储能电站配置一个集控管理系统,形成集控管理层,对各储能单元的数据和信息进行汇集分析,并与上级监控系统或调度中心进行交互。
该架构能够有效适配电池储能系统的设备特点和集群集结方式,按照控制、管理及优化等不同时间尺度进行数据处理和控制管理的分级分类。其中,单元控制层与集控管理层之间交互的单元数量多、数据量大,对集控的性能和可靠性要求高,本文选择实时控制能力强的EtherCAT组网。系统整体架构如图1所示。
1.2 集控平台功能分层
1)集控管理层。
集控管理层部分主要实现对大规模的储能集群进行控制和优化管理,可以采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)、工业控制计算机等作为数据处理载体。集控管理层根据单元控制层传送的各储能单元设备状态和运行过程信息,通过优化算法给出合理调控指令分配给各单元控制器,完成各储能单元的状态控制和能量管理。此外,集控管理层定期向上级监控系统或调度中心上报必要的设备信息和运行数据,同时接受调峰、调频、调压等调度指令。此外,集控管理层还可以实现人机交互、数据存储、状态查询等功能。
2)单元控制层。
各电池储能系统单元配置一个单元控制器,对储能系统的电池、电气和动力环境部分进行数据采集、处理分析和控制管理指令下发。单元控制器在对必要的数据和信息进行处理后,与其他众多单元控制器组网通信,通过EtherCAT实时控制类协议与集控管理层实现信息交互。单元控制层的配置降低了集控系统通信网络的复杂度和设计要求,提高了运行效率。此外,对于储能系统内部电池、电气和动力环境各部分之间通信方式和数据格式的差异,也可以进行快速规约转换,有利于不同厂家产品的集成。
3)受控设备层。
受控设备层主要指各电池储能系统,作为功能上相对独立的单元,一般包括储能变流器、升压变压器、配电及计量表计等电气部分、电池及其管理系统(battery management system, BMS)组成的电池部分,以及动力环境和消防等辅助部分。由于储能单元内部涉及的设备多、数据采集量大,可以分成多路与单元控制器交互,以优化数据传输和处理效率。
2 系统设计
围绕集控系统架构及三个功能层的功能定位,进行层间数据交互分析设计,包括EtherCAT协议选用、单元控制器设计以及通信设计和通信能力测算。
2.1 EtherCAT协议
1)快速性:EtherCAT协议本身仅允许主站发送帧,子站只能转发帧,每一周期所有节点控制的数据发送和接收由一个EtherCAT数据帧便足以完成。数据帧从主站发出并传输遍历各个子站,在每个子站收集并下放相关数据,最后回到主站,一次EtherCAT数据包传输就可以完成多个从站的数据读写操作。这与单主站、多节点的大型电池储能电站在架构上契合度极高。同时,EtherCAT报文支持随时访问任意数据。例如,各电池储能单元中应及时响应的开关量可使用短循环周期刷新,而储能电池的状态等实时性需求不高的参量则可设置长周期访问传输刷新,减少传输负担。得益于这种运行模式,EtherCAT数据帧的传输延时几乎只受制于硬件传输延时,协议本身可以确保实时操作、避免不可预知的延迟,适用于对通信实时性要求很高的场合。
2)可靠性:数据帧本身包含工作计数器(working counter, WKC)等信息,可用于校验数据帧是否被正确操作。同时,在面对高实时性要求的数据通信时,可以采用缓存模式且使用两个同步管理器(synchronization manager, SM)。在这种模式下,EtherCAT将开放三个缓冲区,主站发送报文及从站设备读写报文时,均仅会对其相对应的缓存区操作,各个缓存区完全写满时才会进行数据交换,以此保证高速数据传输下的可靠性。该协议在拓扑上还支持冗余连接且具有全双工通讯的特性,一旦整个连接拓扑出现故障,如单节点断开等情况,数据依然能够返回主站,极大提高了整个通信系统的运行可靠性。
3)兼容性:EtherCAT协议有较强兼容性,在网络拓扑设计方面基本没有限制,支持包括但不限于线型、星型、树型等多种拓扑结构,实现数据直达从站且无需中继拓展。EtherCAT协议本身构造简单、成本较低,在实际应用中更加灵活。
表1 多种通信协议特性对比Table 1 Comparison of Various Communication Protocols |
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由此可见,EtherCAT协议在响应速度、带宽、抗干扰能力等方面的性能均较为突出。因此,在面向大型电池储能电站的集控管理需求场景时,本文优选EtherCAT协议进行组网。
2.2 单元控制器
单元控制器作为储能受控设备层和集控管理层之间数据交互的载体,向上接入集控网络,向下与各个储能单元连接,主要包含数据采集、数据处理和规约转换等功能。本文的单元控制器配置RS485通信模块、CAN通信模块、I/O输入输出模块、AD采样模块和EtherCAT通信板等主要功能模块,实现储能单元中电气、电池和动力环境等参数采集、处理和传输。同时,鉴于单元控制器与上、下层的通信方式不同,在设计上采用对下层以RS485通信和CAN通信为主,对上层通过EtherCAT通信板完成协议转换。
2.3 通信设计
集控管理层上位机需要对EtherCAT从站设备的描述文件(EtherCAT slave information, ESI)进行配置,即集控管理层识别单元控制器的设置以实现通信对接。
1)配置索引。
配置文件中主要需对数据结构定义、对象字典定义、过程数据对象(process data object, PDO)映射几个部分进行配置。PDO分配对象字典条目的两条索引分别映射接受过程数据对象(receive process data object, RxPDO)和发送过程数据对象(transmit process data object, TxPDO),即针对单元控制器的接受和发送量。每个索引分别分配两个PDO条目索引映射,用于区分数字量与模拟量。完成对象字典定义和PDO映射的配置文件编写后,还需要对索引撰写定义各自对应数据结构,确定数据类型、大小等参数。并在TxPDO设置参数Toggle记录状态切换,每当有数据更新,则更改Toggle值。这使得储能系统中各类型数据区分明显,也便于分别设计监控周期。
2)通信程序。
完成ESI后,控制单元需做相应数据结构、对象字典内容的编写调整。添加相应参数数量条目,控制板程序新增结构体、PDO映射也需与上位机配置程序中一致。程序内需增加对应结构体,索引数量与添加参数数量一致,并为每一位数分配地址,指向配置文件。然后,在数据映射时把变量映射到配置文件字典,即可将采集来的数字量值赋值给结构体。图2为简要配置索引流程。
2.4 通信量计算
进一步,本文针对该通信架构及方式对大型电池储能电站集控管理的适应性进行测算。
首先,分析各电池储能单元与单元控制器间的通信量。本文采用两个RS485接口分别与电气部分和电池部分进行通信。
对于电气部分,需要监测的电气量包括PCS输出三相电压和电流、散热片温度、设备运行状态,并网点的三相电压和电流,以及各开关状态等参数。预计此线路电气量数据个数为100个(RS485接口1)。采用同步通信,每字节占用8 bit,每个数据使用2字节传输。
对于电池部分,需要监测的参量包括电池组电芯的单体电压、温度、簇电流、荷电状态、健康状态等。考虑到各电池簇由多达上百个单体电芯串联,预计该通信线路数据个数达3 600个(RS485接口2)。
通常来说,数据量DZ和传输时间T计算应该满足式(1)、(2)。
式中:k为参数量;B为每个参数占用字节数;lbit表示每字节的位数;Rb表示线路比特率。本文采用同步通信,每字节占用8 bit,每个参数使用2字节传输。
通过统计参数个数并设置合适的传输速率,得到各部分数据传输通信量和传输时间,如表2所示。
表2 通信数据量计算Table 2 Calculation of communication data volume |
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可见,电气部分的数据传输可控制在100 ms以内,电池部分由于数据量过大传输时间约500 ms。而事实上,BMS监测的电池组状态参量基本不参与快速调节,对于时间快速性要求不如其他电气量,无需使用波特率特别高的线路进行传输。本文将电池部分需要长期存储的数据,采用9 600 bit/s的线路分批上传并完成更新存储。
对于单元控制器的存储空间,按每分钟存储一组数据,各储能单元一年的数据量约为3.62 Gbit。
对于基于EtherCAT协议的集控通信网络,本文假设EtherCAT协议充分利用100 Mbit/s数据传输性能。经计算,1 000个开关量I/O的传输时间为10 μs,200个模拟量(16 bit)的传输时间为32 μs。根据EtherCAT手册的传输特性指标[31],分布于100个储能单元的1 000个开关量I/O实现传输更新时间仅需30 μs;每200个模拟量I/O(16 bit)实现传输的更新时间为50 μs。理论测算与实际性能指标相差不大,考虑硬件方面延迟因素,故采用实际指标估算通信时长。
假设储能电站由100个单元组成集群,每个储能单元约有10个数字量I/O通信数据,总开关量I/O数据量不足1 000个,可在30 μs以内完成传输。除此外,其他数据均为模拟量(仍按3 600个计算),一组BMS中3 600个模拟量I/O的传输时间仅为900 μs。由此推算,100个储能单元接入条件下,EtherCAT线路的传输时间为90 ms。
针对每一组储能设备,从单元控制器通过EtherCAT协议传输至上位机的处理时间均可控制在毫秒级以内,单元数量达到100个时,传输时间也可控制在100 ms以内。经理论分析可知,考虑从储能设备到单元控制器再到集控系统上位机的整体通信网络,该集控平台设计对于大型电池储能集群参与电网快速调节运行的响应能力可以满足要求。
3 实验验证
本文在分析与设计的基础上,搭建平台并设计了实验方案进行验证。实验通过检测受控设备层出现参数变动、传输到集控管理层进行分析处理、下发指令至受控设备层做出响应动作的时间差,来验证集控系统的数据传输能力和可靠性。
3.1 实验平台
实验平台重点体现集控管理层与单元控制层之间的数据通信能力。集控管理层采用倍福TwinCAT软件模拟PLC上位机,基于PC机转换为PLC实时控制系统,与单元控制器进行通信。单元控制层配置DSP28377处理器和EtherCAT通信板。
将单元控制器上的一个可调电源和I/O控制的继电器相连模拟受控设备。单元控制器检测到电源输出状态变化后,经过信号调理后上传至上位机,上位机进行分析处理并下发指令至单元控制器,控制继电器的开断状态翻转。通过示波器记录上述过程,同时与继电器相连接的LED也会相应提示。
实验平台如图3所示。
3.2 实验方案及结果
首先进行一个单元控制器与上位机的多次通信测试,图4给出其中的一个过程。图中,绿色曲线代表受控设备状态的变化过程,黄色曲线代表集控管理层分析处理后的状态翻转过程。检测对比两条曲线阶跃的时间差,即为从受控设备参数变化、数据传输、上位机处理并下发指令至受控设备执行动作的响应时间。
进行多控制器与上位机的多次通信测试。实验中将三台单元控制器与上位机线型互联,验证了TwinCAT协议的全双工特性和多通信拓扑适应能力。图5给出其中的一个测试过程,为线型拓扑中距离上位机最远的一台单元控制器的通信响应过程。
表3给出了上述两种实验的多次响应时间及均值。
表3 响应时延实验数据Table 3 Communication time delay |
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通过实验测试分析可知,从受控设备出现状态变动反馈至上位机处理、下发并做出动作响应的时间延迟约为25 ms,多次实验测试的时间延迟标准差不大。对于多控制器通信,通信响应的延迟没有出现明显的变化。其原因是由于EtherCAT协议每次传输仅发送一个包含所有单元信息的报文,随着单元控制器数量的增多,报文数量并不会增加,可以在一次循环周期内实现所有数据的传输。
进一步,模拟某个单元控制器故障退出,验证集控系统通信的可靠性,图6所示为多次实验的一次典型过程。由此可见,单个储能单元的故障退出不会对整个集控系统产生影响。
4 结论
面向大型电池储能电站中多储能系统单元的集群运行与管理需求,本文提出并设计了基于EtherCAT的集控架构及系统,通过通信能力评估和实验验证,证明了该架构能够适应电池储能系统集群的数据量大、控制实时性要求高的应用场景。随着新型电力系统的不断演变发展,大型储能电站参与电力系统快速调频调压、应急支撑、自动发电控制/自动电压控制,辅助新能源场站和常规火电机组性能提升等应用日益迫切,其运行的快速、准确和可靠将越来越重要,本文的研究为其提供了技术参考。
