CN104092572B - 一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，该系统利用链式变流器的分布式结构，以及其方便的光纤通信接口，实现就地控制执行单元与链式变流器控制器的点对点链路通信。就地控制执行单元与链式变流器的通讯接口采用其光纤串口，可以灵活的与链式变流器进行链路控制报文、定值报文、升级报文的传输，并在任何一个节点发生故障时，快速的闭锁所有就地控制执行单元。每一对光纤串口通信方法采用8B/10B编解码，并辅以CRC校验保证通信的正常，本发明充分满足了目前链式变流器节点间通信、节点间同步控制及故障快速响应的要求，并且具有很好通用性，大大提高了链式变流器节点间通信的稳定性及可靠性。

Description

一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法

技术领域

本发明属于电力电子变流器技术领域，适用于链式变流器故障时需要快速闭锁工况的节点间点对点通信应用。

背景技术

在过去的几十年中，发展了各种电力电子变流器控制技术，随着电力电子变流器的容量需求不断的加大，功率单元模块化已经成为发展趋势，链式结构的变流器也随影而生。链式结构能满足变流器容量扩展的需求，就地控制执行单元数量变得越来越多，控制系统越来越越复杂，控制节点也变得越来越多。在大规模的链式变流器控制系统应用中，例如链式SVG、柔性直流MMC链式控制系统中，由于就地执行单元数量较多，分层控制成为了发展趋势。在多个就地控制执行单元与控制系统的各层间(本发明中视为各个节点)，需要依靠可靠的通信来建立连接。

此外由于电力电子变流器固有的特点，比如需要控制延时小、链路延时确定、就地执行单元间同步操作、故障快速闭锁、需要远程升级等特点，需要节点间的协议支持以上功能才能使控制效果尽可能达到理想效果，并且在出现故障时能够及时闭锁，以防止电力电子器件损坏。

由于现有的链路通信方法标准中具有很好的报文传输特性，但并没有很好的支持同步、故障快速闭锁等特点，在大规模链节电力电子控制系统中，新建立一套可靠的并且支持电力电子变流器控制系统特点的节点间的通信方法成为需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有链路通信方法所存在的不具备故障快速闭锁信号传输、报文同步控制性差的问题而提出的一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法。现有的通信方法不具备快速报文的实时插入和解析，在快速报文的传输方面的时延有改善的余量。且在报文发送时刻，不等待当前报文的发送完毕即需要开启此次发送，用以达到单元运行的同步性。本发明解决的技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，其特征在于：所述链路通信方法利用链式变流器的分布式结构，以及其方便的光纤通信接口，实现就地控制执行单元与链式变流器控制器的点对点链路通信。

一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：

(1)建立链式变流器的通信链路；

(2)设置通信报文以及链路传输优先级；

(3)设置控制报文、定值报文、升级报文的帧头、帧尾标志，设置紧急报文以及初始化报文；

(4)设置控制报文、定值报文、升级报文的CRC校验方式；

(5)设置各种报文的编解码方式：发送为8B10B编码，接收为8B10B解码；

(6)设置帧同步字；

(7)设置数据时钟恢复的方式；

(8)实时监视通信出现的异常；

(9)利用报文进行系统内的同步。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(1)中，建立链式变流器的通信链路。链式变流器控制器分为三层节点，系统控制器为第一层通信节点，各相控制器为第二层通信节点，就地执行单元为第三次通信节点。第一层通信节点以及每一个第二层通信节点之间两两进行点对点通信，第二层通信节点与第三层节点之间同样为点对点通信。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(2)中，设置通信报文以及链路传输优先级。所述通信报文包括控制报文、定值报文、升级报文、紧急报文、初始化报文五种，所述五种报文的链路传输优先级由高至低为：紧急报文、初始化报文、控制报文、定值报文、升级报文；其中紧急报文优先级最高，可以在任何时间插入，并在链路节点间进行广播，用于系统故障时的紧急闭锁，初始化报文应用在链路初始化期间，是链路建立前的握手，控制报文是控制期间的链式变流器控制器的控制信息，定值报文传输的是控制器内初始化时需要的定值变量值，升级报文则是在进行远程程序升级时传输升级程序。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(3)中，设置控制报文、定值报文、升级报文的帧头、帧尾标志，设置紧急报文以及初始化报文。控制报文、定值报文、升级报文3种报文依靠不同的帧头进行区分，紧急报文、初始化报文则依靠本身的命令字进行区分。控制报文、定值报文、升级报文，每种报文的帧头利用8B10B编码中的K码进行区分，分别为SCP1、SCP2、SCP3，帧尾分别对应为ECP1、ECP2、ECP3；紧急报文同样为K码，定义为EMG；初始化报文为SP、SPA和IDLE组成，SP为请求信号，SPA为应答信号，IDLE在SP及SPA间穿插。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(4)中，设置控制报文、定值报文、升级报文的CRC校验方式。控制报文、定值报文、升级报文在进行8B/10B编码及添加帧头帧尾前，需要计算CRC码，CRC采用CRC16-CCITT方式，并将16bit的CRC码加在报文内容之后，发送出去。在接收端，需要对报文内容进行CRC校验，校验通过认为报文内容有效。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(5)中，设置各种报文的编解码方式：发送为8B10B编码，接收为8B10B解码。发送报文进行串行化前，需要对内容进行8B/10B编码，传输的报文编码前最小单元为8bit，编码后报文最小单元为10bit。在接收端，接收到报文后，需要进行8B10B解码，将报文内容解析出来。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(6)中，设置帧同步字。帧同步字为IDLE码字，用于帧同步与字对齐。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(7)中，当通信速率与FPGA时钟相等时采用数据恢复的方式，利用多相位时钟恢复数据；当通信速率相对FPGA时钟为N倍分频时，其中N大于等于4，利用过采样恢复时钟；两种方式都是选择最优窗口数据作为报文数据进行解串，并利用IDLE字进行帧同步与字对齐，在8B10B解码的同时，通过速率适应FIFO去除IDLE字，得到帧报文并进行CRC校验。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(8)中，实时监视通信出现的异常。通信建立后，实时监测上报报文帧同步失锁故障，8B/10B解码异常故障，CRC校验异常故障，和帧间隔时间错误故障。

本发明链路通信方法的优选方案在于，所述步骤(9)中，利用报文进行系统内的同步。通信方法可以使链式变流器控制器到就地控制执行单元间的延时最小且固定，并通过通信报文保证所有就地控制执行单元的载波一致、采样时刻一致、控制步调一致。

本发明将链式变流器控制系统实时同步控制的特点作为通信方法的重点考虑对象，并可以实现链路握手初始化，三种正常报文的传输以及紧急报文的传输广播，实现控制系统节点间初始化、定值传输、远程升级、控制信息传输以及故障同步急停的特点。

本发明的有益效果是：充分考虑链式变流器控制系统的特点，并利用链式变流器控制器的分布式结构，制定了一套链路通信方法，可以方便的进行控制报文、定值报文、升级报文、紧急报文、初始化报文的传输，有力的解决了现有链路通信方法缺乏紧急急停、链路对时同步性能差的问题，非常有利于提高大规模多链节链式结构变流器控制器节点间控制的实时性、同步性及故障紧急闭锁的快速性。

附图说明 图1是本发明的链式变流器节点间点对点互联示意图；

图2是控制报文结构示意图；

图3是紧急报文传输广播特性示意图；

图4是紧急报文发送接收示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图、附表对本发明的技术方案作进一步详细说明。本申请公开的一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，包括以下实现步骤：

(1)建立链式变流器的通信链路。

本发明是一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，链式变流器节点链节示意图如图1所示，其中系统控制器(节点S)、A相控制器(节点A)、B相控制器(节点B)、C相控制器(节点C)为链式变流器控制器，分为三层，节点S为第一层，节点A、节点B、节点C为第二层，两两进行点对点互联。节点1～节点N为A相就地控制执行单元，为第三层，相同，B、C相也有对应的就地控制执行单元节点。在实际控制系统中，节点定义并不一定为图1所示情况，但是一般都具有相似的两处：

1、每相的就地控制执行单元节点数据较大；

2、链式变流器控制器为单控制器或者分层结构的多控制器结构，节点间通过点对点互联。

针对此链式结构，需要控制器实现就地控制执行单元节点间具有很强的同步性，包括载波同步、采样同步、控制同步特性。其中同步特性的实现依靠报文接收时刻进行同步，并在通信出现故障后，仍能保持较好的同步性。

(2)设置通信报文以及链路传输优先级。

本发明的链路通信方法报文有控制报文、定值报文、升级报文、紧急报文、初始化报文五种，五种报文的链路传输优先级见下表

报文类型	优先级
		紧急报文	高
初始化报文
		控制报文
定值报文
		升级报文
IDLE(空闲)	低

表1

(3)设置控制报文、定值报文、升级报文的帧头、帧尾标志，设置紧急报文以及初始化报文。

通信报文所用到的功能码字见下表。

功能	表示形式	编码
			IDLE(空闲)	/I/	K28.5
请求	/SP/	K28.3
			应答	/SPA/	K28.0
控制报文头	/SCP1/	K28.1
			控制报文尾	/ECP1/	K28.2
定值报文头	/SCP2/	K28.4
			定值报文尾	/ECP2/	K28.6
升级报文头	/SCP3/	K23.7
			升级报文尾	/ECP3/	K27.7
紧急报文	/EMG/	K30.7

表2

每种报文都是通过功能码字进行区分，实现不同的功能，下面就每种报文做详细说明。

控制报文传输链式变流器控制器节点间的控制信息，是报文传输的主题内容。报文头为SCP1，报文尾为ECP1，中间为报文内容以及2个单元的CRC码。发送端在发送报文前需要通过CRC16-CCITT协议计算CRC码，并将CRC码加在报文尾端，然后添加帧头和帧尾，通过8B/10B编码后，串行输出。控制报文可以在具有紧急故障时，或者广播紧急报文时被紧急报文打断，也可以在链路失效后被初始化报文打断来重新建立链路连接。控制报文的帧结构见图2所示。

定值报文传输控制定值信息，一般在控制器通道建立后进行参数的初始化操作，与控制报文不同的是其报文头为SCP2，报文尾为ECP2。

为了便于大量就地控制执行单元的程序版本维护与升级，本发明专门为升级程序定义了升级报文，报文头为SCP3，报文尾为ECP3。

初始化报文在发送端为SP、IDLE序列，每一个SP跟随4至8个IDLE序列，接收端收到SP后，发出SPA应答。同样SPA后跟随4至8个IDLE序列。发送端持续收到1000个SPA后，认为链路建立。发送IDLE的个数，与收到对方响应时刻相关，例如发送SP后，又发送了2个IDLE码，收到对方的SPA，则等待到发送满4个IDLE后，继续发送SP，如果发送SP后，又发送了6个IDLE码，则立即发送SP，如果发送SP后一直没有SPA到来，则在发送8个IDLE后，继续发送SP。

紧急报文是在某个节点发生重大故障，需要系统紧急闭锁时，由故障源的节点发起。接收到紧急报文的节点进行广播。在进行广播时，为了防止紧急报文在节点间振铃式循环传输，需要遵循以下5个原则：

1、广播时不广播到发送到本节点的通路；

2、在进行相控制器节点间广播时，故障源的相控制器节点向其他相控制器节点广播，非故障源的相控制器节点不向其他相控制器节点广播；

3、节点收到紧急报文后，立即进行广播；

4、就地控制执行单元收到紧急报文后，立即进行紧急闭锁；

5、相控制器、系统控制器等链式变流器控制器收到紧急报文后，立即下闭锁指令。

紧急报文广播特性的示意图如图3所示。

为了保证紧急报文传输延时最小，达到紧急闭锁的目的，在发送紧急报文时，采用在串行化接口直接插入紧急报文形式，使报文发送时延达到最小，在接收紧急报文时，在软件数据时钟恢复后，立即检测有没有紧急报文，使紧急报文接收时延达到最小。紧急报文发送接收示意图如图4所示。需要注意的是：如果当前正在传送控制报文时，插入了紧急报文，破坏了报文内容，则当前的控制报文无效。

(4)设置控制报文、定值报文、升级报文的CRC校验方式。

控制报文、定值报文、升级报文在进行8B10B编码及添加帧头帧尾前，需要计算CRC码，CRC采用CRC16-CCITT方式，并将16bit的CRC码加在报文内容之后，发送出去。在接收端，需要对报文内容进行CRC校验，校验通过认为报文内容有效。

本发明实施例中，CRC校验为CRC16-CCITT，CRC多项式为x^12+x^5+x^0；初始值为0xFFFF；

(5)设置各种报文的编解码方式：发送为8B10B编码，接收为8B10B解码。

发送报文进行串行化前，需要对内容进行8B10B编码，传输的报文编码前最小单元为8bit，编码后报文最小单元为10bit。在接收端，接收到报文后，需要进行8B/10B解码，将报文内容解析出来。

编解码为8B10B编码和8B10B解码，K码与D码编码时，R+与R-级性交互变化。

(6)设置帧同步字。

帧同步字为IDLE码，8B10B编码后，设置为K28.5+和K28.5-码；

(7)设置数据时钟恢复的方式。当通信速率相对FPGA时钟相等时采用数据恢复的方式，利用多相位时钟恢复数据；当通信速率相对FPGA时钟为N倍分频(N大于等于4)时，采用时钟恢复的方式，利用过采样恢复时钟；两种方式都是选择最优窗口数据作为报文数据进行解串，并利用IDLE字进行帧同步与字对齐，在8B/10B解码的同时，通过速率适应FIFO去除IDLE字，得到帧报文并进行CRC校验。(8)实时监视通信出现的异常。通信建立后，实时监测上报报文帧同步失锁故障，8B/10B解码异常故障，CRC校验异常故障，和帧间隔时间错误故障。(9)为了保障整个链式变流器通信系统控制的同步性，报文步调依靠系统控制器节点来进行控制，下级节点收到上级节点报文后，立即响应，并开始向下级节点的报文发送。为了保障报文同步性，本发明的同一优先级的报文可以被同一优先级报文打断，这样可以使更好的解决同步性的问题。就地控制执行单元收到报文后，立即回应报文。各个节点间在报文时刻上保持同步，同时同步本地步调控制器，在通信出现异常后，则依靠本地的步调控制器进行报文的发送工作，以保持整个系统步调不出现紊乱。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于链式变流器的可快速响应故障的链路通信方法，其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：

(1)建立链式变流器的通信链路；

(2)设置通信报文以及链路传输优先级；

(3)设置控制报文、定值报文、升级报文的帧头、帧尾标志，设置紧急报文以及初始化报文；

(4)设置控制报文、定值报文、升级报文的CRC校验方式；

(5)设置各种报文的编解码方式：发送为8B10B编码，接收为8B10B解码；

(6)设置帧同步字；

(7)设置数据时钟恢复的方式；

(8)实时监视通信出现的异常；

(9)利用报文进行链式变流器整个系统内的同步。

2.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

步骤(1)中，所述建立链式变流器的通信链路是指：将链式变流器控制器分为三层节点，系统控制器为第一层通信节点，各相控制器为第二层通信节点，就地执行单元为第三层通信节点；第一层通信节点以及每一个第二层通信节点之间两两进行点对点通信，第二层通信节点与第三层节点之间同样为点对点通信。

3.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，设置通信报文以及链路传输优先级是指：将所述通信报文分为控制报文、定值报文、升级报文、紧急报文、初始化报文五种，所述五种报文的链路传输优先级由高至低为：紧急报文、初始化报文、控制报文、定值报文、升级报文；其中紧急报文优先级最高，可以在任何时间插入，并在链路节点间进行广播，用于系统故障时的紧急闭锁，初始化报文应用在链路初始化期间，是链路建立前的握手，控制报文是控制期间的链式变流器控制器的控制信息，定值报文传输的是控制器内初始化时需要的定值变量值，升级报文则是在进行远程程序升级时传输升级程序。

4.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，控制报文、定值报文、升级报文3种报文依靠不同的帧头进行区分，紧急报文、初始化报文则依靠本身的命令字进行区分；

控制报文、定值报文、升级报文，每种报文的帧头利用8B10B编码中的K码进行区分，分别为SCP1、SCP2、SCP3，帧尾分别对应为ECP1、ECP2、ECP3；紧急报文同样为K码，定义为EMG；初始化报文为SP、SPA和IDLE组成，SP为请求信号，SPA为应答信号，IDLE在SP及SPA间穿插。

5.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，控制报文、定值报文、升级报文在进行8B10B编码及添加帧头帧尾前，需要计算CRC码，CRC采用CRC16-CCITT方式，并将16bit的CRC码加在报文内容之后，发送出去，在接收端，需要对报文内容进行CRC校验，校验通过认为报文内容有效。

6.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(5)中，发送报文进行串行化前，需要对内容进行8B10B编码，传输的报文编码前最小单元为8bit，编码后报文最小单元为10bit；在接收端，接收到报文后，需要进行8B/10B解码，将报文内容解析出来。

7.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(6)中，所述帧同步字为IDLE码字，用于帧同步与字对齐。

8.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(7)中，设置数据时钟恢复的方式：当通信速率与FPGA时钟相等时采用数据恢复的方式，利用多相位时钟恢复数据；当通信速率相对FPGA时钟为N倍分频时，其中N大于等于4，利用过采样恢复时钟；两种方式都是选择最优窗口数据作为报文数据进行解串，并利用IDLE字进行帧同步与字对齐，在8B10B解码的同时，通过速率适应FIFO去除IDLE字，得到帧报文并进行CRC校验。

9.如权利要求1所述的链路通信方法，其特征在于：

所述步骤(8)中，通信建立后，实时监测上报报文帧同步失锁故障，8B10B解码异常故障，CRC校验异常故障，和帧间隔时间错误故障；

所述步骤(9)中，利用报文进行链式变流器整个系统内的同步，所述通信方法可以使链式变流器控制器到就地控制执行单元间的延时最小且固定，并通过通信报文保证所有就地控制执行单元的载波一致、采样时刻一致、控制步调一致。