CN103916187A - 大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，包括一个主节点、多个从节点、开关机网络、故障保护网络、同步网络和高速数据通信网络；本发明通信速率高、结构简单、同步效果好、分布式模块化程度高且可靠性高。

Description

大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑

技术领域

本发明涉及大功率电能变换技术领域，具体为一种大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑。

背景技术

随着社会经济的不断发展和进步，基于多个标准模块单元组合或多相多电平拓扑的大容量电力电子变流装置的开发和应用越来越广泛。目前，对于电力电子变流装置的控制而言，一般都采用集中式控制结构和方式。对于常规的中小容量电力电子变流装置来说，由于拓扑结构和硬件结构的紧凑和高度集中，集中式控制方法是一种简单、可靠和实用的方法；但是，对于大容量电力电子变流装置而言，复杂的多相多电平或串并联拓扑结构以及大尺度的空间分布特性等都会对传统的集中式控制方法提出挑战。在传统的集中式控制结构中，系统点对点的通信方式将会明显地增加控制器的故障率和维护难度；过多的信号及控制连线也对控制器的抗电磁干扰性能提出了更高的要求；系统控制权限的集中将使整个系统的模块化和标准化程度减弱，模块的冗余性和系统的可靠性通常不能得到有效保证。因此，为了满足系统模块化、标准化和智能化的发展需求，提高系统的可靠性和灵活性，需要研究一种具有分布式控制结构电力电子变流器控制系统。

1995年美国海军部首先提出电力电子集成模块PEBB（PowerElectronicsBuildingBlock）的概念，之后电力电子变流系统的模块化思想就受到越来越多的关注。1998年美国政府批准国家科学基金委员会投资建立了美国电力电子系统中心CPES（CenterforPowerElectronicSystem），该中心主要研究和开发“集成电力电子模块”IPEM（IntegratedPowerElectronicsModules）。此后，国外的许多知名学者和公司对基于这种模块化的集成技术展开了一系列的相关研究。上世纪90年代初，ABB等半导体公司根据自己产品对PEBB的构建进行了基础的研究，且ABB、西门子等公司将PLC控制器和控制总线的技术成功的应用于开发大功率电力电子应用系统中。伴随PEBB研究的进展，针对中大容量电力电子变流系统，电力电子变流器分布式控制技术的研究得到了应有的重视，美国Virginia州立大学等学术机构对大容量电力电子系统的分布式、模块化控制结构及通讯协议开展了大量的研究工作，并提出了一种针对中大容量电力电子变流系统的基于高速光纤环网通信的分布式控制网络拓扑结构，该控制网络的通信速率为125Mbps。尽管基于这种网络拓扑结构的分布式变流系统具有系统简洁，通用性好，易重新配置等优点，但由于其网络本身存在较大的固有的网络延时，导致电力电子变流系统的多节点、高开关频率应用受到限制；此外，复杂的数据与命令接收、保存、传递和发送过程也使通信协议和软件编程都相对复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑。

本发明包括一个主节点、多个从节点、开关机网络、故障保护网络、同步网络和高速数据通信网络；所述主节点，用于发送系统开关机命令，接收各个从节点的故障状态以及环形网络中的断线故障，发送系统的同步命令信号并接收各从节点反馈的同步信息，发送系统各从节点所需要的控制数据与命令信息并接收各从节点反馈的数据；所述从节点，用于接收上一主节点或从节点发送过来的各种信息，然后对与本从节点有关的信息进行处理，并把其它从节点的信息与本从节点的故障状态及反馈信息发送到下一节点；所述开关机网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，单向开环流动；所述故障保护网络的信息流是由第一个从节点依次流向下一从节点，最终流到主节点，单向开环流动；所述同步网络的信息流都是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动；所述高速数据通信网络信息流都是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动。

本发明具有以下优点：

（1）通信速率高。该高速光纤环网通信网络控制拓扑采用了4B/5B的通信编码技术、低摆幅的PECL传输信号和155MHz的高速光纤收发模块，其最大通信速率可达155Mbps，根据实际工程应用需要设计为125Mbps。

（2）结构简单。考虑到系统网络通信协议的简化以及结构的简单化，该高速光纤环网通信网络控制拓扑采用了四个通信网络，包括开关机网络和故障保护网络两个开环控制网络，同步网络和高速数据通信网络两个闭环控制网络，每个控制网络只需一个单光纤线连接即可，通信网络系统结构简单，四个通信网络各司其职，保证了系统运行的可靠性和通信协议的简单化。

（3）同步效果好。由于设计了一个专门用于同步控制的网络，各从节点直接接收来自主节点的同步信号，而不需要主节点发送系统的同步命令，也不需要经过高速数据通信的编解码操作和转发，其同步延时较小，方便系统进行相应的延时补偿处理，其同步精度在100ns以内，同步效果好，且可靠性高。

（4）分布式、模块化程度高，且易重新配置。每个通信网络系统采用一个主节点和多个从节点通过单光纤线串联形成一个开环或闭环的控制环网，每个从节点可以集成在大容量电力电子系统的每个功率单元模块上，形成一个功能较为完善的功率单元模块从节点，因此整个电力电子系统将具有很显的分布式和模块化的特征。若需要增加系统中的节点数据，只需要将节点加入环形网络中，将节点地址增加几位即可，因此系统易于重新配置，且可扩展性好。

（5）可靠性高。相对于传统的集中式控制方式来说，高速光纤环网通信网络控制拓扑连线简单，不存在大量点对点的电气连接线，且所有信号均是通过光纤传输，抗干扰能力强，因此整个系统的可靠性显著提高。

附图说明

图1是本发明的通信网络控制拓扑结构图；

图2是本发明的开关机网络工作原理图；

图3是本发明的故障保护网络工作原理图；

图4是本发明的同步网络工作原理图；

图5是本发明的高速数据通信网络工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

实施例：本发明高速光纤环网通信网络控制拓扑结构如图1所示，由1个主节点和n个从节点组成。主节点的功能是负责发送系统开关机命令，接收各个从节点的故障状态以及环形网络中的断线故障，发送系统的同步命令信号并接收各节点反馈的同步信息，发送系统各节点所需要的控制数据与命令信息并接收各节点反馈的数据；从节点的功能是接收上一节点（主节点或从节点）发送过来的各种信息，然后对与本从节点有关的信息，比如开关机命令、同步命令及控制数据与命令信息等进行处理，并把其它从节点的信息与本从节点的故障状态及反馈信息等发送到下一节点。

高速光纤环网通信网络包括两个开环和两个闭环共四个环形网络。两个开环的环形网络分别为开关机网络和故障保护网络。开关机网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，单向开环流动；故障保护网络的信息流是由第一个从节点依次流向下一从节点，最终流到主节点，单向开环流动。两个闭环的环形网络分别为同步网络和高速数据通信网络。同步网络和高速数据通信网络的信息流都是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动。

开关机网络工作原理图如图2所示，由1个主节点和n个从节点组成。主节点负责发送系统开关机命令，各从节点光纤接收模块接收来自上一节点，可以为主节点或从节点，发送过来的开关机命令，由于所使用的光纤接收头为接收反逻辑功能，故每个从节点在接收到开关机命令信号后，都使用反相器进行“反相”逻辑操作，保证本节点接收到的开关机信号就是主节点发送过来的开关机信号，各从节点检测自己的开关机信号并执行本节点的开、关机操作，将其他节点的开关机命令信号通过光纤发送模块发送至下一节点，直至第n个从节点。开关机网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，单向开环流动。

故障保护网络工作原理图如图3所示，由1个主节点和n个从节点组成。主节点负责接收各个从节点的故障状态以及环形网络中的断线故障，从节点把自己的故障状态上传到主节点，由于主节点可以检测自己的故障，故无需再将故障状态信息上传，因此故障保护网络也设计为开环的网络。每个从节点通过光纤接收模块接收来自上一节点发送过来的故障，由于所使用的光纤接收头为接收反逻辑功能，为了确保断线故障的上传，即无光传输为系统故障，故将每个从节点的本地故障与光纤接收模块传递过来的故障进行或非操作，再由光纤发送模块发送至下一节点，直至将所有从节点的故障信息都上传至主节点。故障保护网络的信息流是由第一个从节点依次流向下一从节点，最终流到主节点，单向开环流动。

同步网络工作原理图如图4所示，由1个主节点和n个从节点组成。主节点负责发送系统的同步命令信号并接收各节点反馈的同步信息，各从节点通过光纤接收模块接收来自主节点的同步命令信号，由于所使用的光纤接收头为接收反逻辑功能，故每个从节点在接收到同步命令信号后，都使用反相器进行“反相”逻辑操作，保证本节点接收到的同步信号就是主节点发送过来的同步信号，各从节点检测自己的同步信号然后经过各自相应的延时补偿处理产生本节点的同步控制信号，执行本节点的操作，并将其他节点的同步信号通过光纤发送模块发送至下一节点，从而保证系统中各节点之间控制的同步性。同步网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动。

高速数据通信网络工作原理图如图5所示，由1个主节点和n个从节点组成。主节点由DSP产生各节点所需要的控制数据与命令信息，发送至FPGA进行信号处理后，经过并/串转换后由高速光纤收发模块发送至各节点，另外，主节点还负责接收各节点反馈的数据，由高速光纤收发模块接收各节点反馈的数据，经过串/并转换后发送给FPGA处理，然后把处理好的反馈数据发送给DSP。从节点通过高速光纤收发模块接收上一节点，可以为主节点或从节点，发送过来的控制数据与命令信息，经过串/并转换后发送给FPGA处理，执行本节点的操作，并把其它从节点的信息由FPGA经过并/串转换后通过高速光纤收发模块发送至下一节点，直至所有从节点，最终回到主节点。该网络采用155MHz的高速数据收发模块，但实际的通信速率为125Mbps，如图5所示。高速数据通信网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，其特征在于：包括一个主节点、多个从节点、开关机网络、故障保护网络、同步网络和高速数据通信网络；

所述主节点，用于发送系统开关机命令，接收各个从节点的故障状态以及环形网络中的断线故障，发送系统的同步命令信号并接收各从节点反馈的同步信息，发送系统各从节点所需要的控制数据与命令信息并接收各从节点反馈的数据；

所述从节点，用于接收上一主节点或从节点发送过来的各种信息，然后对与本从节点有关的信息进行处理，并把其它从节点的信息与本从节点的故障状态及反馈信息发送到下一节点；

所述开关机网络的信息流是由主节点依次流向各个从节点，单向开环流动；

所述故障保护网络的信息流是由第一个从节点依次流向下一从节点，最终流到主节点，单向开环流动；

所述同步网络的信息流都是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动；

所述高速数据通信网络信息流都是由主节点依次流向各个从节点，最终都又回到主节点，单向闭环流动。

2.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，其特征在于所述开关机网络包括一个主节点和多个从节点；

所述主节点，用于发送系统开关机命令；

所述从节点，用光纤接收模块接收来自上一主节点或从节点发送过来的开关机命令，每个从节点在接收到开关机命令信号后进行“反相”逻辑操作，各从节点检测自己的开关机信号并执行本节点的开、关机操作，将其他节点的开关机命令信号通过光纤发送模块发送至下一节点，直至第n个从节点。

3.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，其特征在于所述故障保护网络包括一个主节点和多个从节点；

所述主节点，用于接收各个从节点的故障状态以及环形网络中的断线故障，并检测本主节点的故障；

所述从节点，用光纤接收模块接收来自上一节点发送过来的故障，将每个从节点的本地故障与光纤接收模块传递过来的故障进行或非操作，再由光纤发送模块发送至下一节点，直至将所有从节点的故障信息都上传至主节点。

4.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，其特征在于所述同步网络包括一个主节点和多个从节点；

所述主节点，用于发送系统的同步命令信号并接收各节点反馈的同步信息；

所述从节点，用光纤接收模块接收来自主节点的同步命令信号，并进行“反相”逻辑操作，各从节点检测自己的同步信号然后经过各自相应的延时补偿处理产生本节点的同步控制信号，执行本节点的操作，并将其他节点的同步信号通过光纤发送模块发送至下一节点。

5.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统高速光纤环网通信网络控制拓扑，其特征在于所述高速数据通信网络包括一个主节点和多个从节点；

所述主节点，由DSP产生各节点所需要的控制数据与命令信息，发送至FPGA进行信号处理后，经过并/串转换后由高速光纤收发模块发送至各节点，同时，主节点还用于接收各节点反馈的数据，由高速光纤收发模块接收各节点反馈的数据，经过串/并转换后发送给FPGA处理，然后把处理好的反馈数据发送给DSP；

所述从节点，通过高速光纤收发模块接收上一主节点或从节点发送过来的控制数据与命令信息，经过串/并转换后发送给FPGA处理，执行本节点的操作，并把其它从节点的信息由FPGA经过并/串转换后通过高速光纤收发模块发送至下一节点，直至所有从节点，最终回到主节点。