CN102096407B - 一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统 - Google Patents
一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统，本链式STATCOM控制系统采用实时工业以太网EtherCAT作为数据传送的通道，采用分层分布式拓扑结构。本链式STATCOM控制系统分层分布式拓扑结构包括主控制层、相控制层和单元控制层。所述主控制层包括主控制机箱等功能机箱；所述相控制层由相耦合器机箱构成；所述单元控制层由单元控制器构成。所述主机箱和相耦合器机箱之间通过光纤连接的EtherCAT进行通讯。本发明所述控制系统数据传送速度高、电缆数少、交换速度快、便于扩展、精确同步性、诊断能力强和配置灵活。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统。
背景技术
随着电力工业的迅猛发展，利用电力电子技术对电力系统主要参数进行调节与控制，以提高电力系统的可控性、有效性、可靠性的“交流灵活输电系统”，也就是柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems，FACTS)技术，得到了广泛的关注、研究和应用。
基于电压源逆变器的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)作为一种全新的基于全控器件的FACTS技术，其与传统的晶闸管控制的静止无功补偿装置SVC相比较具有以下优点，STATCOM的调节速度更快，运行范围更宽，而这在采取多重化、多电平或脉宽调制技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更为重要的是，STATCOM的电抗器和电容器远比SVC中使用的电抗器和电容器小，这将大大缩小装置的体积和成本，因此，STATCOM显示了动态无功补偿装置的发展方向。
链式STATCOM装置相对于其它拓扑结构的STATCOM装置而言，因具有开关频率低、需要最少数量的器件、易于实现模块化和冗余运行可靠性高等优点而备受关注。
链式STATCOM的控制系统监测、控制的数据很大，需要在每个采样周期内对所有功率单元的开关行为进行实时控制，并相互交换信息，单独的DSP(数字信号处理)或处理器方式已经无法满足要求。例如专利号为CN1787322A、发明名称为《基于DSP芯片的静止同步补偿器非线形控制》的发明专利；专利号为CN101459340、发明名称为《基于级联式逆变器的静止同步补偿混沌均衡控制系统》均采用DSP的控制结构。
目前普遍采用DSP+FPGA(现场可编程门阵列)的控制结构以实现多路信号的输入输出，但是当功率单元个数较多时，控制系统与变流器功率部分之间的连接电缆众多，成本增加，可靠性降低。同时，现代大功率电力电子技术正朝着多重化、模块化的方向发展，通过串并联实现电压和功率的扩展，因此对控制系统提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统，这种基于EtherCAT以太网技术的控制系统采用分层分布式拓扑结构，既具有高速、可靠、容量大的数据传输通道，又能够方便进行扩展，特别适用于链式STATCOM装置。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统，其改进之处在于：所述链式STATCOM控制系统的数据传输通道基于实时的工业以太网EtherCAT，所述链式STATCOM控制系统为分层分布式拓扑结构，所述分层分布式拓扑结构包括主控制层、相控制层和单元控制层。
其中：所述主控制层经光纤与相控制层联接，所述相控制层经光纤与单元控制层联接。
其中：所述主控制层包括主控机箱和模拟数据采集输入机箱，所述相控制层包括相耦合器机箱，所述单元控制层包括单元控制器。
其中：所述主控机箱包括电源单元和，分别设置有EtherCAT从站控制器的第一EtherCAT通讯管理单元、数据采集单元、开关量输入输出单元、调节保护单元和录波单元；所述第一EtherCAT通讯管理单元、数据采集单元、开关量输入输出单元、调节保护单元和录波单元配置的EtherCAT从站控制器通过LVDS或光纤在EtherCAT控制网内进行数据交换。
其中：所述调节保护单元和录波单元为DSP+FPGA，所述调节保护单元和录波单元设置两个EtherCAT从站控制器。
其中：所述相耦合器机箱包括第二EtherCAT通讯管理单元、EtherCAT通讯扩展单元和电源单元；所述第二EtherCAT通讯管理单元和EtherCAT通讯扩展单元分别配置EtherCAT从站控制器；所述第二EtherCAT通讯管理单元和EtherCAT通讯扩展单元配置的EtherCAT从站控制器通过LVDS或光纤在EtherCAT控制网内进行数据交换。
其中：所述主控制层通过主控机箱的调节保护单元配置的EtherCAT从站控制器或者录波单元配置的EtherCAT从站控制器，经光纤与相控制层的EtherCAT通信扩展单元进行通信，所述相控制层通过相耦合器机箱的EtherCAT通信扩展单元，经光纤与单元控制层的各单元控制器进行通信，所说单元控制层与链式STATCOM的底层模块单元相连。
其中：所述主控机箱通过EtherCAT通信扩展单元可以扩展出模拟数据采集输入机箱、开关量输入输出机箱或录波机箱，所述相控制层的相耦合器机箱可以通过EtherCAT通信扩展单元扩展出相耦合器机箱。
其中：所述主控制层用于完成链式STATCOM总体的控制、监测和保护，所述相控制层用于完成链式STATCOM一整相的控制、监测和保护，所述单元控制层用于完成链式STATCOM底层模块单元的控制、监测和保护。
本发明由于采用上述技术方案，以实时工业以太网EtherCAT作为数据传送的通道，与现有技术相比，具有以下优点：
数据传送速度高：波特率可达到100Mbps；
电缆数少：每个模块单元只需要两根连接电缆，在保证可靠性的前提下极大降低了成本；
交换速度快：EtherCAT报文经过每个EtherCAT从站控制器实时进行数据的交换，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟；
便于扩展：通过耦合器的方式可以实现无限级联；
精确同步性：由于可以在EtherCAT网络范围内使用误差小于1微秒的精确排列分布时钟，保证了同时动作的分布式过程的精确同步；
诊断能力强：可以快速而准确的检测出故障，并明确定位其所在位置；
配置灵活：可以在配置界面上对EtherCAT从站控制器的数量、种类，数据交换的站点、个数、类型等信息进行配置。
附图说明
图1为控制系统基本结构图
图2为EtherCAT主站单元结构图
图3为调节保护单元结构图
图4为数据采集单元结构图
图5为开关量输入输单元的结构图
图6为光信号的输入输出示意图
图7为EtherCAT通讯扩展单元结构示意图
图8为主控制层扩展分布式系统示意图
附图说明：
PWM-脉宽调制，LVDS-差分信号传输接口，CPLD-复杂可编程逻辑器件，FPGA-现场可编程门阵列，DIDO-数字量输入数字量输出，AI-模拟数据采集输入，VBE-阀基电子，1O-输入输出，SRAM-静止随机存储器，TMS320C6713-数字信号处理器，TMS320F28335-数字信号处理器，AD-模拟量数字量转换，RS232-串行物理接口标准，DPRAM-双口随机存储器，NOR FLASH-NOR闪存，NAND FLASH-NAND闪存，EEPROM——电可擦除只读存储器。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
首先对本发明的相关内容做进一步说明：
本发明所述控制系统采用实时工业以太网EtherCAT作为数据传送的通道，基本结构如附图1所示，所述控制系统包括主控机箱和相耦合器机箱(三相电路需要三个耦合器机箱，分别为A/B/C，三个机箱构成完全相同，为简便起见，只画出了A相的耦合器机箱)。
主控机箱包括第一EtherCAT通讯管理单元、数据采集单元、开关量输入输出单元、调节保护单元、录波单元和电源单元，除电源单元外，主控机箱内其他每个单元都有一个EtherCAT从站控制器与EtherCAT网进行数据交换。主控机箱内部的单元(电源单元除外)，通过LVDS的连接进行通讯和数据交换，主控机箱与相耦合器机箱之间通过光纤连接的EtherCAT进行通讯。
(1)所述第一EtherCAT通讯管理单元的功能是用于实现EtherCAT数据帧的控制发送、故障诊断定位、GPS校时等，并可以通过以太网模块与笔记本相连，实现EtherCAT组网的配置文件下载；
(2)所述数据采集单元的功能是对一次电压、电流进行二次变换、信号调理、AD采样等，并将AD转换数据送到EtherCAT从站控制器；
(3)所述开关量输入输出单元的功能是对开关量信号的采集、消抖和开关量信号的输出处理；
(4)所述调节保护单元的功能是完成调节计算、故障的检测和处理、装置总体运行方式的控制等，并通过另一个EtherCAT从站与相耦合器机箱相联，相耦合器机箱将控制命令和计算结果最终传递给链式STATCOM的单元模块，同时接收单元模块上传的各种状态信息，调节保护单元采用了双DSP+FPGA构成；
(5)所述录波单元的功能是实现故障录波功能，记录故障发生前后的数据。
(6)调节保护单元和录波单元的硬件结构完全相同，可统称为CPU控制单元，调节保护单元和录波单元所不同的只是软件程序。
(7)所述电源单元的功能是为主机箱的其它单元提供工作所需的电源。
相耦合器机箱包括第二EtherCAT通讯管理单元、数目可配置的EtherCAT通讯扩展单元(单元数量根据链节模块的多少确定，每块可以连接4个从站)和电源单元。第二EtherCAT通讯管理单元和EtherCAT通讯扩展单元通过LVDS进行通讯，耦合器机箱与主控机箱之间通过光纤连接的EtherCAT网进行通讯，耦合器机器与单元控制器单元之间通过光纤连接的EtherCAT网进行通讯。
(1)所述第二EtherCAT通讯管理单元的功能是用于实现EtherCAT数据帧的控制发送、故障诊断定位、GPS校时等，并可以通过以太网模块与笔记本相连，实现EtherCAT组网的UML配置文件下载，相耦合器机箱的第二EtherCAT通讯管理单元与主控机箱的第一EtherCAT通讯管理单元硬件结构完全相同，所不同的只是软件程序；
(2)所述EtherCAT通讯扩展单元用来实现EtherCAT网络拓扑结构的改变，使它从串型结构变成星型结构，以增强装置的可扩展性和可靠性；
(3)所述电源单元的功能是为模块耦合器机箱的其它单元提供工作所需的电源，相耦合器机箱的电源单元与主控机箱的电源单元硬件结构完全相同。
实施例1：
EtherCAT通信管理单元，包括第一EtherCAT通信管理单元和EtherCAT通信管理单元，其结构图如附图2所示，通过将DSP外扩两片W3150A+，实现两个百兆的以太网。其中一个作为EtherCAT的主站，另一个作为最后一个从站的输出直接接入的网口，构成EtherCAT的环网冗余；其中的一个ET1100将以太网的物理接口转为LVDS，直接接入机箱背板上的LVDS信号线；通过CPLD扩展部分IO口，可用于实现多主站时的同步通讯、秒脉冲信号的接入、或者来自AD从站的用于启动主站发送数据的信号等；接受B码校时信号；RS232/CAN接口备用。
实施例2：
CPU控制单元可以用于项目的控制和保护，或者录波，针对不同的项目，可以采用一个或者几个单元。CPU控制单元的结构图如附图3所示。其中，DSP TMS320C6713通过EtherCAT(LVDS接口从站模块与其它的从站交换数据，如接收采集的数据、接收处理单元的回报信息、发送处理后的数据以及发送控制命令等，然后将接收到的数据作处理，完成大量的计算功能；TMS320F28335的主要功能是通过DPRAM接收TMS320C6713处理后的数据和控制保护信息，对接受到的信息做简单的处理，发出PWM脉冲，发出控制保护命令；NM7010B+以太网模块用于与上位机通讯，上传SOE信息，接收定值信息等；TMS320F28335通过另一个EtherCAT从站模块(光头接口)与另一个EtherCAT网络交换数据；CAN和RS232备用；FPGA用于地址译码和开关量输入输出的扩展；NANFLASH用于录波时使用。
实施例3：
数据采集单元的结构图如附图4所示。一共有12路14位的AD采样，分别可作为电压采样通路或者电流采样通路。PT和CT的作用是分别将电压和电流信号进行二次变送，之后信号调理电路将上述的电压和电流信号进行二次的调理，传送给AD采样芯片，供CPLD处理，处理结果可以通过背板IO口或者是LVDS总线进行传输。
实施例4：
开关量输入输出单元包括电信号的开关量输入输出单元和光信号的输入输出单元。电信号的开关量输入输出单元的结构图如附图5所示。开关量输入的过程为从开关量输入端子输入，经过信号隔离之后，传送给CPLD进行处理。开关量输出的过程为从CPLD输出，经过信号隔离之后，传送给开关量输出端子。电开关量输入输出单元通过背板IO口和LVDS总线与其它的单元进行数据传输和交换。光信号的开关量输入输出的结构图如附图6所示。开关量输入的过程为从光纤接口输入，传送给CPLD进行处理。开关量输出的过程为从CPLD输出，传送给光纤接口。光开关量输入输出单元通过背板IO口和LVDS总线与其它的单元进行数据传输和交换。
实施例5：
EtherCAT通讯扩展单元的用途是改变EtherCAT网络的拓扑结构，使它从串型结构变成星型结构，以增强装置的可靠性。通讯扩展单元的结构示意图如附图7所示。正常运行时，数据流向为1-＞2-＞3-＞4-＞5-＞6，主站过来的报文数据从1口进，从2口出，送到由EtherCAT通讯扩展单元引出的从站，再从3口回到EtherCAT通讯扩展单元，再从4口出，送到其它的从站，报文数据历经其它的从站之后从5口进，回到EtherCAT通讯扩展单元，再从6口送出，回到主站。当由EtherCAT通讯扩展单元引出的从站发生故障或者断线时，数据流向为1-＞4-＞5-＞6，主站过来的报文数据从1口进，当数据试图从2口送出时，发现此路不通，然后它会自动将2口和3口自动闭合，不经过该从站而自动将报文数据送到端口4，历经其它的从站之后回到EtherCAT通讯扩展单元。
实施例6：
当主控机箱的数据处理量增大至其无法由主控机箱完成数据处理时，所述主控机箱可以通过EtherCAT通讯扩展单元扩展出AI机箱、DIDO机箱或者VBE机箱，
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (1)
1.一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统，其特征在于：所述链式STATCOM控制系统的数据传输通道基于实时的工业以太网EtherCAT，所述链式STATCOM控制系统为分层分布式拓扑结构，所述分层分布式拓扑结构包括主控制层、相控制层和单元控制层；
所述主控制层经光纤与相控制层联接，所述相控制层经光纤与单元控制层联接；
所述主控制层包括主控机箱和模拟数据采集输入机箱，所述相控制层包括相耦合器机箱，所述单元控制层包括单元控制器；
所述主控机箱包括电源单元和，分别设置有EtherCAT从站控制器的第一EtherCAT通讯管理单元、数据采集单元、开关量输入输出单元、调节保护单元和录波单元；所述第一EtherCAT通讯管理单元、数据采集单元、开关量输入输出单元、调节保护单元和录波单元配置的EtherCAT从站控制器通过LVDS或光纤在EtherCAT控制网内进行数据交换；
所述调节保护单元和录波单元为DSP+FPGA，所述调节保护单元和录波单元设置两个EtherCAT从站控制器；
所述相耦合器机箱包括第二EtherCAT通讯管理单元、EtherCAT通讯扩展单元和电源单元；所述第二EtherCAT通讯管理单元和EtherCAT通讯扩展单元分别配置EtherCAT从站控制器；所述第二EtherCAT通讯管理单元和EtherCAT通讯扩展单元配置的EtherCAT从站控制器通过LVDS或光纤在EtherCAT控制网内进行数据交换；
所述主控制层通过主控机箱的调节保护单元配置的EtherCAT从站控制器或者录波单元配置的EtherCAT从站控制器，经光纤与相控制层的EtherCAT通讯扩展单元进行通信，所述相控制层通过相耦合器机箱的EtherCAT通讯扩展单元，经光纤与单元控制层的各单元控制器进行通信，所说单元控制层与链式STATCOM的底层模块单元相连；
所述主控机箱通过EtherCAT通讯扩展单元可以扩展出模拟数据采集输入机箱、开关量输入输出机箱或录波机箱，所述相控制层的相耦合器机箱可以通过EtherCAT通讯扩展单元扩展出相耦合器机箱；
所述主控制层用于完成链式STATCOM总体的控制、监测和保护，所述相控制层用于完成链式STATCOM一整相的控制、监测和保护，所述单元控制层用于完成链式STATCOM底层模块单元的控制、监测和保护。
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