CN104319819A - 嵌入式风机群并网有功协调控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式风机群并网有功协调控制器，包括电源模块；主CPU模块，用于实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送；程序数据存储器模块，作为所述主CPU模块的片外存储模块，用于存储底层内核驱动及应用程序；串口通讯模块，用于调试、下载程序，设置本机及其他相连服务端的IP地址、网关地址、子网掩码地址和网络端口；扩展网口模块，包含多个网口，用于与其他设备相连接。采用本发明，能够简化传统AGC的构成模式，使其由一个庞大冗余的软平台变身为软硬高度集成的专用控制器。

Description

嵌入式风机群并网有功协调控制器

技术领域

本发明涉及风力发电机并网控制技术，尤其涉及一种嵌入式风力发电机群并网功率协调分配控制器及其方法，适用于集群风力发电机组并网有功功率的协调及分配。

背景技术

作为新兴能源的大规模并网风力发电正逐渐被电力系统主电网所接纳。并网协调控制也存在多种手段，控制算法也再不断研发和尝试。从最开始的人工手动方式向风力发电机功率分配指令，到近期普遍使用的自动平均有功分配控制器(AGC)，它们都存在一个共同的特点：功能实现依托于一个大型软件管理平台。在这个平台上，有服务器、工控机、通讯控制器及管理后台。由不同厂家、不同的接口及协议的应用软件运行在这个平台上。

现有的多数风力发电机厂家有自己开发的AGC，风电场有调度AGC，项目实施厂家也有AGC，最后由其中一个项目实施方把不同的AGC综合，从调度AGC开始，以通讯的软件手段，将调度指令转换成风力发电机能识别的指令，以完成功率分配及控制。但是，这种功率分配和控制技术只是简单的根据运行风力发电机台数的一个平均化，并没有考虑风力发电机差异化的动态过程。因此在相应时间及发电并网功率方面均存在不足之处。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种嵌入式风力发电机群并网功率协调分配控制器及其方法，以简化传统AGC的构成模式，使其由一个庞大冗余的软平台变身为软硬高度集成的专用控制器。

本发明的另一个目的在于，利用嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器将上述各项功能加以提炼、深化，不依赖大型软件平台，最后在一个特定的嵌入式系统中完成上述全部功能，同时规范接口、内部集成常用的104(IEC60870-5-104:2000)、MODBUS协议，这样，将整个装置全部集成在一个1U标准机箱内，即可不必设置专门的服务器、通讯管理机，工控机等，节约了成本、节省了空间，并具有高效可靠的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种嵌入式风力发电机群并网功率协调分配控制器，包括电源模块，还包括主CPU模块、程序数据存储模块、串行通讯模块和扩展网口模块；其中，

主CPU模块，用于实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送；提供高速缓存和片上内存，并具有增强的外接NAND闪存错误校正功能，以及以太网FIFO；

程序数据存储器模块，作为所述主CPU模块的片外存储模块，用于存储底层内核驱动及应用程序；

串口通讯模块，用于调试下载程序，设置本机及其他相连服务端的IP地址、网关地址、子网掩码地址和网络端口；

扩展网口模块，包含多个网口，用于与其他设备相连接。

其中：所述控制器进一步包括扩展输入/输出模块，其输入端采用无源接点输入，用于控制策略、控制源地人工切换；输出端采用5V继电器输出，用于状态异常、故障的报警输出。

所述电源模块为开关电源，用于为所述控制器提供工作电源。

所述程序数据存储器模块采用K9F2G08U0M芯片，存储有经过裁剪的Linux系统和底层设备驱动程序。

所述底层驱动程序具体包括4个以太网驱动、2个UART驱动、1个USBHOST驱动及RTC驱动、GPIO驱动和看门狗驱动程序。

所述程序数据存储器模块，还包含有两个SDRAM模块，其分别用于存储发送、接收网口数据；用于存储运算结果及从NAND FLASH存储器中调出的设置变量。

所述串行通讯模块还用于通讯的信息点表配置及更改，以及实现控制器内部信息的转储。

所述扩展网口模块的物理接口类型均为RJ45，其中一个网口的协议由ARM芯片AT91SAM9G20完成，并通过DM9161AEP芯片直接驱动；另外扩展的三个网口则由网络芯片W5100实现。

一种嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器的控制方法，包括：

A、将功率协调分配控制器分别与并网风电机组光纤环网服务器、本地电网调度终端以及本地电网控制子站相连；

B、利用功率协调分配控制器从本地电网调度获取当前的风力发电机群组允许上网总功率，并通过功率协调分配控制器与一个或多个风力发电机群组相互通讯，以获得风力发电机的实时状态，状态包括运行、检修、故障、标准样板风力发电机；同时获取风力发电机的典型关键数据，包括风力发电机当时瞬时运行功率、瞬时风速、并网电流、并网电压、功率因数；

C、根据当前调度的控制要求，自动选择控制模型，将当前调度总功率分配给除故障、检修的运行风力发电机；对于标准样板风力发电机则不参与调控，但核减功率值。

其中，步骤C进一步包括：

C1、所述控制器根据每台风力发电机的瞬时风速，推断当前的理论可发电功率、查询此风速下的历史计录，再根据当前的实时功率决定可给其分配的最大功率；

C2、将这样一组待发送新功率值经再次优化分配给各风力发电机；

C3、根据风力发电机的真实发出功率更新历史记录。

本发明所提供的嵌入式风力发电机群并网功率协调分配控制器及其方法，具有以下优点：

1)相对应工程应用，本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器是一个标准化的嵌入式产品。内部含有标准的协议及接口，不必由工程项目实施方根据各自的设备开发现场应用程序，而是选择内部通讯协议和配置通讯点表即可。

2)由于本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器的出现，风电场风力发电机协调并网不再依托于一个软件平台；也不需为此功能设立服务器、工控机及通讯交换机。由于其功能独立，安装调试则更为方便。

3)本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器的内部，集成有公司多年来研发积累的优化PID功率分配控制算法和自适应模糊功率分配控制算法。其算法的最大优点是最大程度提高电网调度对风电并网不稳定的允许度。一个直观的解释就是，在风源不稳定的情况下，电网调度利用本嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器及的内部软件，可以下达比传统模式更多的风电并网电量指标。直接效益是减少“弃风”，多利用风能发电。

附图说明

图1为本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器硬件模块连接示意图。

图2为本发明实施例的嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器与风电场现场设备连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的嵌入式风力发电机群并网功率协调分配控制器及其方法作进一步详细的说明。

图1为本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器硬件模块连接示意图。如图1所示，本发明的嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器，主要包括主CPU模块101、程序数据存储模块102、串行通讯模块103、扩展网口模块104、工作电源模块195以及扩展16DI输入/8DO输出模块106，共6个功能模块。其中：

所述主CPU模块101，是构成本发明硬件部分的核心部件，它包括一可移植操作系统的ARM芯片(如AT91SAM9G20)。其基于ARM926EJ-S内核，是主频可达400MHz的微处理器。具有Atmel先进的外设DMA和分布式存储器架构，连同6层总线矩阵，可实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送，而无需耗费CPU的时钟周期。它可提供多达四倍的高速缓存和片上SRAM内存，并具有增强的外接NAND闪存错误校正功能，以及更大的以太网FIFO。

所述程序数据存储器模块102，作为主CPU模块101的片外存储模块。主要作用是存储底层内核驱动及应用程序。在这个存储模块内，如采用K9F2G08U0M芯片(其为一128M的NAND FLASH存储器)，主要存储经过裁剪的Linux系统；同时存储底层设备驱动程序。

进一步地，这些底层驱动程序还包括：4个以太网驱动，2个UART驱动，1个USB HOST驱动及RTC驱动、GPIO驱动及看门狗驱动程序。

进一步地，在这个存储模块内，还包含两个32M的SDRAM模块，其型号为K4S561632E。用于存储发送、接收的网口数据；存储运算的结果及从NANDFLASH存储器中调出的设置变量等。

所述串行通讯模块103。该串行通讯模块103由RS232、RS485及USB三种接口组成。RS485在此系统中暂没有启用；RS232用于调试下载程序，设置本机及其他相连服务端的IP地址、网关地址、子网掩码地址和网络端口。

进一步地，该RS232接口还用于通讯的信息点表配置及更改。

USB接口可以配置成与RS232相似的功能，另外可实现控制器内部信息的转储。

所述扩展网口模块104。该扩展网口模块104共含有4个网口，用于与其他设备相连接，其物理接口类型均为RJ45。其中网口1的网络协议是由ARM芯片AT91SAM9G20直接完成，通过DM9161AEP芯片，可以直接驱动。另外扩展的3个网口由网络芯片W5100实现。

进一步地，网络芯片W5100是一个80脚的LQFP封装芯片。它可以通过SPI接口、直接并口、间接并口与主ARM芯片相连。本发明为保证通讯的快速、实时，采用直接并口与ARM相连。网络芯片W5100各自的片选CS则由ARM的不同I/O引脚提供。

所述工作电源模块105。此模块提供本发明模块的全部工作电源。主要由AC220V输入，由开关电源产生12V1A和5V2A的一组电源。芯片工作的3.3V主电源由12V电源经开关电源模块LM2575-3.3来实现。RS485隔离5V电源由5V电源经DC/DC逆变模块实现。

所述扩展16DI输入/8DO输出模块106(简称扩展输入/输出模块106)。该模块扩展有通用的16路DI和8路DO模块。所有DI端采用无源接点输入，所有DO端则采用5V继电器输出。

进一步地，DI端可以用于控制策略、控制源的人工切换；DO端可用于状态异常、故障的报警输出。

图2为本发明实施例的嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器与风电场现场设备连接示意图。如图2所示，为典型的连接模式。当然，也可通过通讯交换机与其他设备相连接。在图2中，本发明的嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器的三个网口(LAN2～LAN4)中，LAN3连接本地电网调度终端、LAN2连接光纤环网风电群的前置服务器、LAN4连接可能存在的控制子站，而另外一个网口(LAN1)则通过配置可作为远程维护使用，也可连接另一的光纤环网的服务器。

本发明的嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器，其工作过程描述如下：

本发明嵌入式风力发电机并网功率协调分配控制器在现场安装前，已经移植了精简的操作系统；下载了底层端口驱动软件及风力发电机并网功率分配的优化PID算法和自适应模糊算法。

进一步地，选择控制策略的各种条件选项。例如，本地调度优先的最大样板风力发电机跟踪；限制并网总功率的优化分配；控制子站的监控介入程度等。

一个常规的基本工作过程是这样的：本发明的控制器从本地电网调度获取当前的风力发电机群组允许上网总功率，这个功率值一般是以秒至分钟为周期实时更新的。本发明控制器与一个或多个风力发电机群组相互通讯，获得风力发电机的实时状态。这些状态包括运行、检修、故障、标准样板风力发电机等。

同时获取风力发电机的典型关键数据。这些数据包括风力发电机当时瞬时运行功率、瞬时风速、并网电流、并网电压、功率因数等。

进一步地，本发明控制器根据当前调度的控制要求，自动选择控制模型，把当前调度总功率分配给除故障、检修的运行风力发电机；同时，对于标准样板风力发电机则不参与调控，但核减功率值。这一过程体现了智能可靠、实时高效的过程。

进一步地，调度自动下发的风力发电机群组功率高于现有风力发电机群组当前的整体能力。

本发明的控制器根据每台风力发电机的瞬时风速，推断当前的理论可发功率、查询此风速下的历史计录，再根据当前的实时功率决定可给其分配的最大功率。把这样一组待发送新功率值经再次优化分配给各风力发电机。然后根据风力发电机的真实发出功率更新历史记录。这比起简单平均分配的算法会更多增加上网电量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种嵌入式风机群并网有功协调控制器，包括电源模块，其特征在于，还包括主CPU模块、程序数据存储模块、串行通讯模块和扩展网口模块；其中，

主CPU模块，用于实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送；提供高速缓存和片上内存，并具有增强的外接NAND闪存错误校正功能，以及以太网FIFO；

程序数据存储器模块，作为所述主CPU模块的片外存储模块，用于存储底层内核驱动及应用程序；

串口通讯模块，用于调试下载程序，设置本机及其他相连服务端的IP地址、网关地址、子网掩码地址和网络端口；

扩展网口模块，包含多个网口，用于与其他设备相连接。

2.根据权利要求1所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述控制器进一步包括扩展输入/输出模块，其输入端采用无源接点输入，用于控制策略、控制源地人工切换；输出端采用5V继电器输出，用于状态异常、故障的报警输出。

3.根据权利要求1所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述电源模块为开关电源，用于为所述控制器提供工作电源。

4.根据权利要求1所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述程序数据存储器模块采用K9F2G08U0M芯片，存储有经过裁剪的Linux系统和底层设备驱动程序。

5.根据权利要求4所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述底层驱动程序具体包括4个以太网驱动、2个UART驱动、1个USB HOST驱动及RTC驱动、GPIO驱动和看门狗驱动程序。

6.根据权利要求4所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述程序数据存储器模块，还包含有两个SDRAM模块，其分别用于存储发送、接收网口数据；用于存储运算结果及从NAND FLASH存储器中调出的设置变量。

7.根据权利要求1所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述串行通讯模块还用于通讯的信息点表配置及更改，以及实现控制器内部信息的转储。

8.根据权利要求1所述嵌入式风机群并网有功协调控制器，其特征在于，所述扩展网口模块的物理接口类型均为RJ45，其中一个网口的协议由ARM芯片AT91SAM9G20完成，并通过DM9161AEP芯片直接驱动；另外扩展的三个网口则由网络芯片W5100实现。

9.一种嵌入式风机群并网有功协调控制器的控制方法，其特征在于，包括：

A、将功率协调分配控制器分别与并网风电机组光纤环网服务器、本地电网调度终端以及本地电网控制子站相连；

B、利用功率协调分配控制器从本地电网调度获取当前的风力发电机群组允许上网总功率，并通过功率协调分配控制器与一个或多个风力发电机群组相互通讯，以获得风力发电机的实时状态，状态包括运行、检修、故障、标准样板风力发电机；同时获取风力发电机的典型关键数据，包括风力发电机当时瞬时运行功率、瞬时风速、并网电流、并网电压、功率因数；

C、根据当前调度的控制要求，自动选择控制模型，将当前调度总功率分配给除故障、检修的运行风力发电机；对于标准样板风力发电机则不参与调控，但核减功率值。

10.根据权利要求9所述嵌入式风机群并网有功协调控制器的控制方法，其特征在于，步骤C进一步包括：

C1、所述控制器根据每台风力发电机的瞬时风速，推断当前的理论可发电功率、查询此风速下的历史计录，再根据当前的实时功率决定可给其分配的最大功率；

C2、将这样一组待发送新功率值经再次优化分配给各风力发电机；

C3、根据风力发电机的真实发出功率更新历史记录。