CN102122162A - 微网中央控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微网控制的微网中央控制器。该控制器集通信管理和可编程逻辑控制于一体，其功能主要包括：通过现场总线技术完成对微网内部所有分布式控制电源控制器和所有智能设备的通信接入，通过可编程逻辑控制技术，进行微网控制策略的实施；完成对微网中各个分布式电源和设备的控制功能；确保微网中所有分布式电源协调有序工作。控制器通过硬件和网络冗余等多种可靠性设计手段，提高微网控制***稳定可靠。同时控制器配有多种可视化的调试工具，提高微网控制***的可维护性和灵活易用性。

Description

微网中央控制器

技术领域

本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及为微网控制***提供一个硬件平台，在该平台上完成微网控制策略的设计和实施。

背景技术

在能源短缺问题日渐严重的今天，人们越来越重视能源的合理、有效利用。由分布式电源组成的微网***，充分利用了可再生能源，实现了能源的梯级利用，越来越被人们所重视。

随着微网的广泛应用，微网控制技术成为关注的重点。由于组成微网***的分布式电源工作原理和特性存在着很大的差别，控制方法和控制要求也不同，所以对微网控制技术提出了更高的要求。能够让多种分布式电源在微网中并存，并能够协调工作是微网控制技术研究的关键。同时组成微网***的分布式控制电源都配置有独立电力电子装置，和控制***交互数据都采用通讯的方式，微网自动化***需要具有强大的通讯支持功能。

目前微网自动化***一般采用的自动化模式为HMI主站软件通过通信方式直接接入分布式电源控制器，微网保护可以直接接入主站，也可以通过通信管理机进行集中后再接入主站。此种监控模式只能完成常规的监控功能，通常用于不可控分布式电源的监控，例如风机和光伏等，不能实施微网的协调控制策略。如果微网中有可控分布式电源存在的时候，例如储能元件和可控燃机等，这种方式不可行，需要增加控制器，如果采用传统PLC进行控制，由于控制器自身的限制，提供的通信接口相对较少，在控制层无法完成和微网内电源控制器的数据共享，影响控制策略的实施。

综合上述内容，我们提出一种集通信管理和逻辑控制于一体的微网控制技术。发明一个基于现场总线通信的可编程微网控制器，这种控制器能够根据微网***特点，对微网***实现分层控制，显著提高***的稳定性，并可实现分布式电源的即插即用功能。方便工程维护和扩展。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种适用于微网控制的专用控制器，该控制器集通信管理和可编程逻辑控制于一体。

本发明具体采用以下技术方案：

一种微网中央控制器，包括实时库管理模块、通信管理模块、控制逻辑管理模块、冗 余处理模块、容错处理模块以及其他功能处理模块；其特征在于：

所述控制器以实时库管理模块为核心，完成控制器实时数据管理，通过自动化接口，完成和通讯管理模块、控制逻辑管理模块、冗余处理模块等的数据交互；

所述通信管理模块包括上行通信管理部分和下行通信管理部分，通信管理模块通过上行通信管理部分与监控主站和逻辑编程工具相连，实现实时数据交换、逻辑上传、逻辑下装等功能，通信管理模块通过下行通信管理部分连接到局部总线，所述局部总线还与智能I/O模块相连，分布式电源控制器通过现场总线接口卡连接到局部总线；

控制逻辑管理模块用于完成控制逻辑运行，控制逻辑运行需要的实时数据(模拟量和开关量)来自于实时库，控制逻辑执行后的控制输出指令(控制逻辑是根据应用现场的需求编写的控制程序，不同现场要求不同，控制逻辑不同，控制输出也不同，控制数据也不同)送给实时库后，由通讯管理模块下发到控制设备，驱动执行机构完成控制功能；

冗余处理模块完成控制器的冗余判断、切换和冗余同步功能；

容错处理模块主要完成控制器的自检和错误处理；

其他功能块处理模块完成辅助的控制器管理功能，包括时间管理、看门狗管理、对时管理、配置文件管理；

控制器通过现场总线接口卡完成分布式电源控制器、保护装置和智能仪表等设备数据采集，汇总到控制器的实时数据通过控制逻辑管理模块参与控制器的控制逻辑运算，逻辑运行的输出结果，通过现场总线或者硬接线的方式驱动现场执行机构，完成控制功能。

本发明所实现的功能主要包括：通过现场总线技术完成对微网内部所有分布式控制电源控制器和所有智能设备的通信接入，通过可编程逻辑控制技术，进行微网控制策略的实施；完成对微网中各个分布式电源和设备的控制功能；确保微网中所有分布式电源协调有序工作。控制器通过硬件和网络冗余等多种可靠性设计手段，提高微网控制***稳定可靠。同时控制器配有多种可视化的调试工具，提高微网控制***的可维护性和灵活易用性。

附图说明

图1为本发明微网中央控制器结构示意图；

图2为本发明微网中央控制器总线接入网络示意图；

图3为本发明微网中央控制器微网协调控制逻辑组态图；

图4为本发明微网中央控制器编程软件功能图；

图5为本发明微网中央控制器IEC 61131-3算法库(即能量管理控制算法库)；

图6为本发明微网中央控制器专用算法库(即经济最优控制算法块，IEC61131-3FBD)；

图7为本发明微网中央控制器周期逻辑任务调用流程图；

图8为本发明微网中央控制器与HMI和第三方***通信结构图；

图9为本发明微网中央控制器冗余工作方式原理。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为本发明微网中央控制器结构示意图。控制器由实时库管理模块、通信管理模块、控制逻辑管理模块、冗余处理模块、容错处理模块以及其他功能处理模块等组成。实时库管理模块是控制器的核心，负责控制器的实时数据管理，提供实时数据访问接口。通讯管理模块、控制逻辑管理模块、冗余处理模块可以通过调用访问接口完成和实时库的数据交互。通信管理模块完成控制器的通信功能，包括上行通信管理部分和下行通信管理部分。上行通信管理部分主要完成控制器与监控主站软件和逻辑编程软件的通信。控制器采用高速以太网和HMI主站连接，通过控制器自定义规约完成HMI主站和控制器实时库管理模块的数据交换。逻辑编程软件和控制器的通信采用以太网或者串口连接，通过专用通信规约完成控制器和逻辑编程工具的通信，此功能主要用于控制逻辑上传、下装、和过程数据传输等。下行通信部分主要完成和智能I/O模块、总线接口卡的数据交换，控制器通过内部总线与智能I/O模块和现场总线接口卡相连接，通过DP规约完成现场IO数据的采集，采集到的实时数据，包括智能IO卡件采集到的现场实际信号、现场总线接口卡采集到的通信数据，通过通信管理模块传输给实时数据管理模块保存。实时数据管理模块把接收到的数据保存到相应的数据区域，提供标准的读写接口函数供其他模块调用，为其他模块运行提供数据源支撑。通信管理模块完成实时数据传输的，上行通信是从实时库读取数据送到监控主站，下行通信是通过局部总线进行数据采集，送到实时库。逻辑执行后需要输出的控制命令，通过下行通信送到现场执行机构，完成控制功能。实时库管理模块对实时库存储区域的数据进行管理，提供访问接口，其他模块可以通过调用访问接口，读取实时数据，实时库管理模块通过接口访问，为其他模块运行提供数据源。逻辑编程工具将编译好的的控制逻辑文件，通过通信的方式下装到控制器中，通过控制逻辑管理模块进行调用执行。控制逻辑执行前，通过逻辑管理模块中的输入I/O驱动从实时库中读取数据，控制逻辑执行后的输出结果通过输出I/O驱动送到实时库。控制器支持双CPU冗余，冗余处理模块完成控制器的冗余判断、切换和冗余同步功能。冗余判断是根据控制器当前运行的情况进行冗余切换条件的判断，当控制器产生硬件错误、逻辑运行错误、通信网络错误后，主控制器产生切换请求。冗余切换由控制器硬件完成，控制器背板上布置有专属的冗余总线，主控制器通过冗余总线以毫秒为单位周期的向备用控制器发送心跳信号。当主控制器产生切换请求后，切换为备用状态，并停止发送心跳信号，备用控制器检测不到主控 制器发送的心跳后，就切换为主控制器，同时发送心跳信号，至此主备控制器完成冗余切换。冗余同步是为了保证主备微网控制器数据和控制逻辑的一致性而进行的实时数据和控制逻辑的同步。主控制器通过冗余总线周期性的向备用控制器传输实时数据和控制逻辑文件。

容错处理模块主要检查控制器硬件、软件和控制逻辑产生的错误，通过错误触发接口调用错误处理程序，完成必要的错误处理功能。其他功能块模块可完成一些辅助的控制器管理功能，例如时间管理、看门狗管理、对时管理、配置文件管理等。

如图2所示为本发明微网中央控制器总线接入网络示意图，微网中央控制器采用先进的现场总线控制技术，分布式电源控制器和其他智能设备通过现场总线接口卡的形式和控制器相连接，目前控制器已经开发了多种总线接口卡，支持多种标准现场总线规约，例如：PROFIBUS、LonWorks、CAN等。同时还支持485总线接口卡和以太网接口卡，可以接入modbus、104等多种标准规约，还可以通过规约开发接口，开发智能设备的自定义规约。

如图3所示为本发明微网中央控制器编程软件功能图。控制器通过专用编程工具软件Cyberlogic完成控制器的逻辑编程。逻辑编程软件采用图形化逻辑组态方式，主要功能包括工程管理、算法库管理、自定义算法库封装、调试管理、编程语言、图形处理、程序代码管理、资源配置管理、编译管理、逻辑分析、自动化接口、下装管理和通信管理等。Cyberlogic软件提供了完全符合IEC61131标准的五种编程语言，具有数据管理、逻辑编程、代码编译、逻辑下装/上传和逻辑调试等各项功能。CyberLogic软件需要与微网中央控制器配套使用，集成了对控制器及IO插件的管理，配置与下装功能。CyberLogic的编译管理模块为您提供方便的逻辑编辑功能：编辑向导、自动布线、语法加亮、智能感知等；强大的语法错误检测功能：准确地定位出错位置，并阐述出错原因；丰富的调试功能：控制器仿真、能量流、逻辑分析器、监视/配方、交叉参考、不停机修改代码、断点、运行/单步/跟踪、强制/覆盖等；工程管理提供密码保护功能，可以保护***避免未授权的人的有意或无意的损害。

如图4所示为本发明微网中央控制器微网一键启机顺控逻辑组态图。顺控功能由启动步序算法块STEP完成，逻辑在***没有故障信号的前提下接受控制主站发来的启动指令，顺控执行第一步开启燃料总阀。STEP算法块接受到燃料总阀反馈信号后，执行启动步序第二步，启动燃机燃料控制阀。STEP算法块接收到燃机燃料控制阀反馈信号后，执行第三步启动燃机运行，启动燃机运行……，依次类推，知道启动步序全部完成。步序在执行的过程中可以接收暂停信号和复位信号，暂停步序或者停止步序执行。步序在执行的过程中如果发出故障，步序会停止执行，并产生故障输出。

如图5所示为本发明微网中央控制器IEC 61131-3算法库，该算法库主要由常用算法 块和微网专用算法块组成，常用算法块包括数学算法(加、减、乘、除、三角函数等)、逻辑算法(与、或、非、异或等)、时间和计数算法(延时器、计数器等)。微网专用算法库包括微网启动步序块、分布式电源控制算法库、能量管理控制算法库。控制算法库支持二次封装技术，可以在现有平台上使用现有的逻辑编程语言封装满足需求的用户算法库，也可以通过算法库生成工具，通过高级语言封装满足需求的固件算法库。

如图6所示为本发明微网中央控制器能量管理控制算法块中的经济最优算法块，该算法块采用的主要算法为遗传算法，通过各个输入数据，包括电负荷需求、冷负荷需求、一次能源消耗量、上网电价、下位电价和天然气价格等，通过计算输出运行成本最低时的燃机出力指令，送给燃机控制器控制燃机输出。

如图7所示为本发明微网中央控制器周期逻辑任务调用流程图，编译好的控制逻辑下装到控制器中运行。控制器采用支持多任务运行模式，逻辑任务模式有四种：周期运行、响应外部事件、响应***事件、缺省运行，图7是周期性任务的流程图，逻辑开始运行先通过控制逻辑管理模块的输入I/O驱动从实时库读取数据，按照逻辑执行顺序进行算法扫描，算法块扫描结束后，通过控制逻辑管理模块的输出I/O驱动，把逻辑输出结果送到控制器实时库中，由通讯管理模块传输到现场控制设备。周期任务执行过程中有任务监视器，监视任务执行时间，如果出现任务超时消息通知错误处理模块，执行用户指定的故障处理输出。

如图8所示为本发明微网中央控制器与HMI和第三方***通信结构图，控制器通过以太网和HMI主站、第三方***进行数据交换，和HMI主站软件采用专用通信规约。与第三方***进行数据交换通过转发方式，采用标准modbus、104或者用户自定义规约进行通信，通过自动化接口进行自定义规约开发。

如图9所示为本发明微网中央控制器冗余工作方式原理，为保证微网***的可靠性，控制器支持双CPU冗余，双网冗余设计。其功能由冗余处理模块完成，包括冗余判断、切换和冗余同步功能。冗余判断是根据控制器当前运行的情况进行冗余切换条件的判断，当控制器产生硬件错误、逻辑运行错误、通信网络错误后，主控制器产生切换请求。冗余切换由控制器硬件完成，控制器背板上布置有专属的冗余总线，主控制器通过冗余总线以毫秒为单位周期的向备用控制器发送心跳信号。当主控制器产生切换请求后，切换为备用状态，并停止发送心跳信号，备用控制器检测不到主控制器发送的心跳后，就切换为主控制器，同时发送心跳信号，至此主备控制器完成冗余切换。冗余同步是为了保证主备微网控制器数据和控制逻辑的一致性而进行的实时数据和控制逻辑的同步。主控制器通过冗余总线周期性的向备用控制器传输实时数据和控制逻辑文件，同步周期可以根据要求设定。

Claims (4)

1.一种微网中央控制器，包括实时库管理模块、通信管理模块、控制逻辑管理模块、冗余处理模块、容错处理模块以及其他功能处理模块；其特征在于：

所述控制器以实时库管理模块为核心，完成控制器实时数据管理，通过自动化接口，完成和通讯管理模块、控制逻辑管理模块、冗余处理模块的数据交互；

所述通信管理模块包括上行通信管理部分和下行通信管理部分，通信管理模块通过上行通信管理部分与监控主站和逻辑编程工具相连，实现实时数据交换、逻辑上传、逻辑下装等功能，通信管理模块通过下行通信管理部分连接到局部总线，所述局部总线还与智能I/O模块相连，分布式电源控制器通过现场总线接口卡连接到局部总线；

控制逻辑管理模块用于完成控制逻辑运行，控制逻辑运行需要的实时数据来自于实时库，控制逻辑执行后的控制输出指令送给实时库后，由通讯管理模块下发到控制设备，驱动执行机构完成控制功能；

冗余处理模块完成控制器的冗余判断、切换和冗余同步功能；

容错处理模块主要完成控制器的自检和错误处理；

其他功能块处理模块完成辅助的控制器管理功能，包括时间管理、看门狗管理、对时管理、配置文件管理；

控制器通过现场总线接口卡完成分布式电源控制器、保护装置和智能仪表等设备数据采集，汇总到控制器的实时数据通过控制逻辑管理模块参与控制器的控制逻辑运算，逻辑运行的输出结果，通过现场总线或者硬接线的方式驱动现场执行机构，完成控制功能。

2.根据权利要求1所述的微网中央控制器，其特征在于：控制器采用现场总线技术，支持多种标准的现场总线规约，包括PROFIBUS、LonWorks、CAN以及标准的modbus规约，通过现场总线接口卡连接接入微网***中的分布式电源控制器、保护装置、智能仪表等。

3.根据权利要求2所述的微网中央控制器，其特征在于：控制器采用可编程控制技术，采用图形化的逻辑组态方式和符合IEC61131-3标准的FBD语言规范，根据微网***控制逻辑和控制算法编程；控制器设计了多种适用于微网的算法块组成了控制器算法库，其中所述算法块包括分布式电源启动步序逻辑、能量管理控制算法、分布式电源控制算法块等。

4.根据权利要求3所述的微网中央控制器，其特征在于：控制器算法库支持二次封装技术，根据现场需要编程人员能够自行封装算法库；既可以在现有平台上使用现有的逻辑编程语言进行算法库封装，也可以通过专用算法库生成工具，使用高级语言封装进行算法库封装。

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