專利名稱：一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于KherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)?STATC0M控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，利用電力電子技術(shù)對電力系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，以提高電力系統(tǒng)的可控性、有效性、可靠性的“交流靈活輸電系統(tǒng)”，也就是柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems, FACTS)技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注、研究和應(yīng)用。基于電壓源逆變器的靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATC0M)作為一種全新的基于全控器件的FACTS技術(shù)，其與傳統(tǒng)的晶閘管控制的靜止無功補(bǔ)償裝置SVC相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)，STATC0M的調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍更寬，而這在采取多重化、多電平或脈寬調(diào)制技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更為重要的是，STATC0M的電抗器和電容器遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容器小，這將大大縮小裝置的體積和成本，因此，STATC0M顯示了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。鏈?zhǔn)絊TATC0M裝置相對于其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的STATC0M裝置而言，因具有開關(guān)頻率低、 需要最少數(shù)量的器件、易于實(shí)現(xiàn)模塊化和冗余運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。鏈?zhǔn)絊TATC0M的控制系統(tǒng)監(jiān)測、控制的數(shù)據(jù)很大，需要在每個(gè)采樣周期內(nèi)對所有功率單元的開關(guān)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并相互交換信息，單獨(dú)的DSP (數(shù)字信號處理)或處理器方式已經(jīng)無法滿足要求。例如專利號為CN1787322A、發(fā)明名稱為《基于DSP芯片的靜止同步補(bǔ)償器非線形控制》的發(fā)明專利；專利號為CN101459340、發(fā)明名稱為《基于級聯(lián)式逆變器的靜止同步補(bǔ)償混沌均衡控制系統(tǒng)》均采用DSP的控制結(jié)構(gòu)。目前普遍采用DSP+FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的控制結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)多路信號的輸入輸出，但是當(dāng)功率單元個(gè)數(shù)較多時(shí)，控制系統(tǒng)與變流器功率部分之間的連接電纜眾多，成本增加，可靠性降低。同時(shí)，現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)正朝著多重化、模塊化的方向發(fā)展，通過串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電壓和功率的擴(kuò)展，因此對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于KherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，這種基于EtherCAT以太網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)采用分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既具有高速、可靠、容量大的數(shù)據(jù)傳輸通道，又能夠方便進(jìn)行擴(kuò)展，特別適用于鏈?zhǔn)絊TATC0M裝置。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其改進(jìn)之處在于所述鏈?zhǔn)?STATC0M控制系統(tǒng)包括主控制層、相控制層和單元控制層，所述主控制層包括主控機(jī)箱，所述相控制層包括相耦合器機(jī)箱，所述單元控制層包括單元控制器。其中所述主控機(jī)箱包括第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元、錄波單元和電源單元；所述第一 KherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元分別配置EtherCAT從站控制器；所述第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元配置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或光纖與EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中所述相耦合器機(jī)箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、EtherCAT通訊擴(kuò)展單元和電源單元；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴(kuò)展單元配置EtherCAT 從站控制器；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴(kuò)展單元配置的EtherCAT 從站控制器通過LVDS方式或者光纖方式與EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中所述調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元用雙DSP+FPGA構(gòu)成，所述調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元包括兩個(gè)EtherCAT從站控制器。其中所述主控制層、相控制層和單元控制層的聯(lián)接關(guān)系為所述主控制層通過主控機(jī)箱的調(diào)節(jié)保護(hù)單元的EtherCAT從站控制器或者錄波單元配置的EtherCAT從站控制器經(jīng)光纖與相控制層連接；所述相控制層通過相耦合器機(jī)箱的EtherCAT通信擴(kuò)展單元和單元控制層的EtherCAT從站經(jīng)光纖與單元控制層連接，所說單元控制層與鏈?zhǔn)絊TATC0M的底層模塊單元相連。本實(shí)用新型由于采用上述技術(shù)方案，以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通道，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送速度高波特率可達(dá)到IOOMbps ；電纜數(shù)少每個(gè)模塊單元只需要兩根連接電纜，在保證可靠性的前提下極大降低了成本；交換速度快=EtherCAT報(bào)文經(jīng)過每個(gè)EtherCAT從站控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換， 整個(gè)過程中，報(bào)文只有幾納秒的時(shí)間延遲；便于擴(kuò)展通過耦合器的方式可以實(shí)現(xiàn)無限級聯(lián)；精確同步性由于可以在KherCAT網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用誤差小于1微秒的精確排列分布時(shí)鐘，保證了同時(shí)動(dòng)作的分布式過程的精確同步；診斷能力強(qiáng)可以快速而準(zhǔn)確的檢測出故障，并明確定位其所在位置；配置靈活可以在配置界面上對KherCAT從站控制器的數(shù)量、種類，數(shù)據(jù)交換的站點(diǎn)、個(gè)數(shù)、類型等信息進(jìn)行配置。

圖1為控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖圖2為EtherCAT主站單元結(jié)構(gòu)圖圖3為調(diào)節(jié)保護(hù)單元結(jié)構(gòu)圖圖4為數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)圖圖5為開關(guān)量輸入輸單元的結(jié)構(gòu)圖圖6為光信號的輸入輸出示意圖圖7為EtherCAT通訊擴(kuò)展單元結(jié)構(gòu)示意圖圖8為主控制層擴(kuò)展分布式系統(tǒng)示意圖附圖說明[0031 ] PWM-脈寬調(diào)制，LVDS-差分信號傳輸接口，CPLD-復(fù)雜可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA-現(xiàn)場可編程門陣列，DIDO-數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出，AI-模擬數(shù)據(jù)采集輸入，VBE-閥基電子， IO-輸入輸出，SRAM-靜止隨機(jī)存儲器，TMS320C6713-數(shù)字信號處理器，TMS320F28335-數(shù)字信號處理器，AD-模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換，RS232-串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，DPRAM-雙口隨機(jī)存儲器， NOR FLASH-N0R閃存，NAND FLASH-NAND閃存，EEI3ROM-電可擦除只讀存儲器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說明。首先對本實(shí)用新型的相關(guān)內(nèi)容做進(jìn)一步說明本實(shí)用新型所述控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通道， 基本結(jié)構(gòu)如附圖1所示，所述控制系統(tǒng)包括主控機(jī)箱和相耦合器機(jī)箱(三相電路需要三個(gè)耦合器機(jī)箱，分別為A/B/C，三個(gè)機(jī)箱構(gòu)成完全相同，為簡便起見，只畫出了 A相的耦合器機(jī)箱)。主控機(jī)箱包括第一 KherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元、錄波單元和電源單元，除電源單元外，主控機(jī)箱內(nèi)其他每個(gè)單元都有一個(gè)KherCAT從站控制器與KherCAT網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主控機(jī)箱內(nèi)部的單元(電源單元除外)，通過LVDS的連接進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，主控機(jī)箱與相耦合器機(jī)箱之間通過光纖連接的KherCAT進(jìn)行通訊。(1)所述第一 EtherCAT通訊管理單元的功能是用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的控制發(fā)送、故障診斷定位、GPS校時(shí)等，并可以通過以太網(wǎng)模塊與筆記本相連，實(shí)現(xiàn)EtherCAT組網(wǎng)的配置文件下載；(2)所述數(shù)據(jù)采集單元的功能是對一次電壓、電流進(jìn)行二次變換、信號調(diào)理、AD采樣等，并將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送到EtherCAT從站控制器；(3)所述開關(guān)量輸入輸出單元的功能是對開關(guān)量信號的采集、消抖和開關(guān)量信號的輸出處理；(4)所述調(diào)節(jié)保護(hù)單元的功能是完成調(diào)節(jié)計(jì)算、故障的檢測和處理、裝置總體運(yùn)行方式的控制等，并通過另一個(gè)EtherCAT從站與相耦合器機(jī)箱相聯(lián)，相耦合器機(jī)箱將控制命令和計(jì)算結(jié)果最終傳遞給鏈?zhǔn)絊TATC0M的單元模塊，同時(shí)接收單元模塊上傳的各種狀態(tài)信息，調(diào)節(jié)保護(hù)單元采用了雙DSP+FPGA構(gòu)成；(5)所述錄波單元的功能是實(shí)現(xiàn)故障錄波功能，記錄故障發(fā)生前后的數(shù)據(jù)。(6)調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，可統(tǒng)稱為CPU控制單元，調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元所不同的只是軟件程序。(7)所述電源單元的功能是為主機(jī)箱的其它單元提供工作所需的電源。相耦合器機(jī)箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)目可配置的EtherCAT通訊擴(kuò)展單元(單元數(shù)量根據(jù)鏈節(jié)模塊的多少確定，每塊可以連接4個(gè)從站)和電源單元。第二 EtherCAT通訊管理單元和KherCAT通訊擴(kuò)展單元通過LVDS進(jìn)行通訊，耦合器機(jī)箱與主控機(jī)箱之間通過光纖連接的EtherCAT網(wǎng)進(jìn)行通訊，耦合器機(jī)器與單元控制器單元之間通過光纖連接的EtherCAT網(wǎng)進(jìn)行通訊。(1)所述第二 EtherCAT通訊管理單元的功能是用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的控制發(fā)送、故障診斷定位、GPS校時(shí)等，并可以通過以太網(wǎng)模塊與筆記本相連，實(shí)現(xiàn)EtherCAT組網(wǎng)的UML配置文件下載，相耦合器機(jī)箱的第二 EtherCAT通訊管理單元與主控機(jī)箱的第一 EtherCAT通訊管理單元硬件結(jié)構(gòu)完全相同，所不同的只是軟件程序；(2)所述KherCAT通訊擴(kuò)展單元用來實(shí)現(xiàn)KherCAT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，使它從串型結(jié)構(gòu)變成星型結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)裝置的可擴(kuò)展性和可靠性；(3)所述電源單元的功能是為模塊耦合器機(jī)箱的其它單元提供工作所需的電源， 相耦合器機(jī)箱的電源單元與主控機(jī)箱的電源單元硬件結(jié)構(gòu)完全相同。實(shí)施例1 EtherCAT通信管理單元，包括第一 EtherCAT通信管理單元和EtherCAT通信管理單元，其結(jié)構(gòu)圖如附圖2所示，通過將DSP外擴(kuò)兩片W3150A+，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)百兆的以太網(wǎng)。 其中一個(gè)作為EtherCAT的主站，另一個(gè)作為最后一個(gè)從站的輸出直接接入的網(wǎng)口，構(gòu)成 EtherCAT的環(huán)網(wǎng)冗余；其中的一個(gè)ET1100將以太網(wǎng)的物理接口轉(zhuǎn)為LVDS，直接接入機(jī)箱背板上的LVDS信號線；通過CPLD擴(kuò)展部分IO 口，可用于實(shí)現(xiàn)多主站時(shí)的同步通訊、秒脈沖信號的接入、或者來自AD從站的用于啟動(dòng)主站發(fā)送數(shù)據(jù)的信號等；接受B碼校時(shí)信號； RS232/CAN 接口備用。實(shí)施例2 CPU控制單元可以用于項(xiàng)目的控制和保護(hù)，或者錄波，針對不同的項(xiàng)目，可以采用一個(gè)或者幾個(gè)單元。CPU控制單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖3所示。其中，DSP TMS320C6713通過 EtherCAT(LVDS接口從站模塊與其它的從站交換數(shù)據(jù)，如接收采集的數(shù)據(jù)、接收處理單元的回報(bào)信息、發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令等，然后將接收到的數(shù)據(jù)作處理，完成大量的計(jì)算功能；TMS320F28335的主要功能是通過DPRAM接收TMS320C6713處理后的數(shù)據(jù)和控制保護(hù)信息，對接受到的信息做簡單的處理，發(fā)出PWM脈沖，發(fā)出控制保護(hù)命令；匪7010B+ 以太網(wǎng)模塊用于與上位機(jī)通訊，上傳SOE信息，接收定值信息等；TMS320F28335通過另一個(gè) EtherCAT從站模塊(光頭接口)與另一個(gè)KherCAT網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)；CAN和RS232備用；FPGA 用于地址譯碼和開關(guān)量輸入輸出的擴(kuò)展；NANFLASH用于錄波時(shí)使用。實(shí)施例3:數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖4所示。一共有12路14位的AD采樣，分別可作為電壓采樣通路或者電流采樣通路。PT和CT的作用是分別將電壓和電流信號進(jìn)行二次變送， 之后信號調(diào)理電路將上述的電壓和電流信號進(jìn)行二次的調(diào)理，傳送給AD采樣芯片，供CPLD 處理，處理結(jié)果可以通過背板IO 口或者是LVDS總線進(jìn)行傳輸。實(shí)施例4 開關(guān)量輸入輸出單元包括電信號的開關(guān)量輸入輸出單元和光信號的輸入輸出單元。電信號的開關(guān)量輸入輸出單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示。開關(guān)量輸入的過程為從開關(guān)量輸入端子輸入，經(jīng)過信號隔離之后，傳送給CPLD進(jìn)行處理。開關(guān)量輸出的過程為從CPLD輸出，經(jīng)過信號隔離之后，傳送給開關(guān)量輸出端子。電開關(guān)量輸入輸出單元通過背板IO 口和 LVDS總線與其它的單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。光信號的開關(guān)量輸入輸出的結(jié)構(gòu)圖如附圖6 所示。開關(guān)量輸入的過程為從光纖接口輸入，傳送給CPLD進(jìn)行處理。開關(guān)量輸出的過程為從CPLD輸出，傳送給光纖接口。光開關(guān)量輸入輸出單元通過背板IO 口和LVDS總線與其它的單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。[0055]實(shí)施例5 EtherCAT通訊擴(kuò)展單元的用途是改變EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使它從串型結(jié)構(gòu)變成星型結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)裝置的可靠性。通訊擴(kuò)展單元的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖7所示。正常運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)流向?yàn)?_> 2-> 3->4-> 5->6，主站過來的報(bào)文數(shù)據(jù)從1 口進(jìn)，從2 口出，送到由EtherCAT通訊擴(kuò)展單元引出的從站，再從3 口回到EtherCAT通訊擴(kuò)展單元，再從4 口出，送到其它的從站，報(bào)文數(shù)據(jù)歷經(jīng)其它的從站之后從5 口進(jìn)，回到KherCAT通訊擴(kuò)展單元，再從6 口送出，回到主站。當(dāng)由EtherCAT通訊擴(kuò)展單元引出的從站發(fā)生故障或者斷線時(shí)，數(shù)據(jù)流向?yàn)?- > 4- > 5- > 6，主站過來的報(bào)文數(shù)據(jù)從1 口進(jìn)，當(dāng)數(shù)據(jù)試圖從2 口送出時(shí)，發(fā)現(xiàn)此路不通，然后它會自動(dòng)將2 口和3 口自動(dòng)閉合，不經(jīng)過該從站而自動(dòng)將報(bào)文數(shù)據(jù)送到端口 4，歷經(jīng)其它的從站之后回到EtherCAT通訊擴(kuò)展單元。
權(quán)利要求1.一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述鏈?zhǔn)絊TATC0M 控制系統(tǒng)包括主控制層、相控制層和單元控制層，所述主控制層包括主控機(jī)箱，所述相控制層包括相耦合器機(jī)箱，所述單元控制層包括單元控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控機(jī)箱包括第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、 調(diào)節(jié)保護(hù)單元、錄波單元和電源單元；所述第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元分別配置EtherCAT從站控制器；所述第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元配置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或者光纖與EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述相耦合器機(jī)箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、EtherCAT通訊擴(kuò)展單元和電源單元；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴(kuò)展單元配置EtherCAT從站控制器；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴(kuò)展單元配置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或者光纖與EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元用雙DSP+FPGA構(gòu)成，所述調(diào)節(jié)保護(hù)單元和錄波單元包括兩個(gè)KherCAT從站控制器。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控制層、相控制層和單元控制層的聯(lián)接關(guān)系為所述主控制層通過主控機(jī)箱的調(diào)節(jié)保護(hù)單元的EtherCAT從站控制器或者錄波單元配置的EtherCAT從站控制器經(jīng)光纖與相控制層連接；所述相控制層通過相耦合器機(jī)箱的EtherCAT通信擴(kuò)展單元和單元控制層的 EtherCAT從站經(jīng)光纖與單元控制層連接，所說單元控制層與鏈?zhǔn)絊TATC0M的底層模塊單元相連。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)，本鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通道，采用分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括主控制層、相控制層和單元控制層。所述主控制層包括主控制機(jī)箱等功能機(jī)箱；所述相控制層由相耦合器機(jī)箱構(gòu)成；所述單元控制層由單元控制器構(gòu)成。所述主機(jī)箱和相耦合器機(jī)箱之間通過光纖連接的EtherCAT進(jìn)行通訊。本實(shí)用新型所述控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送速度高、電纜數(shù)少、交換速度快、便于擴(kuò)展、精確同步性、診斷能力強(qiáng)和配置靈活。
文檔編號H04L12/28GK201975793SQ20112003128
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者俞旭峰, 冶鐵, 孫麗敬, 昃萌, 王清濤, 王軒, 蔣曉春, 蔡林海, 趙小英, 趙瑞斌, 鄒儉, 鄭青青 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學(xué)研究院, 中電普瑞科技有限公司