CN104319897A - 一种基于fpga实现高速通信的智能微电网控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括基于工业高速实时以太网的智能微电网主站、智能微电网从站和电力电子设备；所述智能微电网主站通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过工业高速实时以太网与各个智能微电网从站连接，组成智能微电网控制环网；所述智能微电网从站包括电源模块、以太网模块、FPGA模块和RS485模块；采用上述技术方案，基于FPGA的高速运算，能够将负载设备、风电、光伏设备等基本都使用的485或Canopen通信协议转换成一种我公司自主研发的基于高速实时以太网协议的智能微电网传输协议，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改、升级更加简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，特别是涉及到智能微电网控制回路，传感器信号量采集回路以及高速工业实时以太网通信转换的一种新方法。
背景技术
随着社会的发展，新能源行业逐渐的得到了重视，由于新能源的不稳定性，不可确定性，以及天气带来的影响，导致发电量波动明显，影响整个电网的使用平衡，因此大规模兴建新能源发电厂受到限制，在这种情况下，分布式发电，智能微电网弥补了以上缺点。所谓智能微电网，即由发电系统，储能系统，负载构成的小电网、微电网，它具有高速调节供需平衡，并网、离网快速切换等特点。其中发电系统：风力发电机组，光伏发电为主。储能系统：电池，超级电容为主。负载：生活用电气设备，工业生产设备等。
由于微电网的规模较小，较分布，可以达到微网内发电，微网内电能消耗，剩余电量并到电网带来经济收入等优点，逐渐被认可。由于微电网经常在并网和孤岛运行模式间互相切换，整个微网的控制策略和响应速度凸显的尤为重要。尤其是在并网转孤岛过程中，储能设备的第一时间介入，关乎到整个微网的成败。
目前行业内主流储能设备，负载设备，风电，光伏设备，基本都预留有标准RS485/Canopen通信口，使用485/Canopen通信建立智能微网的控制环网无法达到其所需指标，所以转换成一种基于高速实时以太网协议的智能微电网数据传输协议是有必要的，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改、升级更加简单。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一款通过将485信号/Canopen信号转换成高速实时以太网信号的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括智能微电网主站、智能微电网从站和电力电子设备；
所述智能微电网主站通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过以太网与各个智能微电网从站连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站的工作状态；
所述智能微电网从站包括电源模块、以太网模块、FPGA模块以及RS485和/或Canopen模块；
所述电源模块分别与所述FPGA模块、以太网模块以及RS485和/或Canopen模块的电源输入端电连接，为其提供电源；
所述以太网模块上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块上的数据总线以及控制总线分别与所述FPGA模块信号连接，用以实现在FPGA模块控制下接收智能微电网主站发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站发送反馈数据帧；
所述FPGA模块为智能微电网从站的核心，一端与所述以太网模块信号连接，另一端与所述RS485和/或Canopen模块信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作；
所述RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，所述Canopen模块为Canopen芯片，其上设有Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，且所述标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与所述电力电子设备信号连接。
进一步，所述智能微电网主站为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性。
进一步，所述智能微电网主站与多个所述智能微电网从站通过自主研发的Rbus总线连接，该Rbus总线为基于C类方式开发的一种更加贴合智能微电网中数据传输的高速实时以太网总线，满足智能微电网主站和智能微电网从站之间的各种拓扑结构，组网灵活。
进一步，所述FPGA模块在高速实时以太网技术基础之上设计为智能微电网从站的核心，包括应用层器件、从站控制微处理器、从站控制器和物理层器件，主要实现控制应用和通信两部分的功能，且所述应用层器件包括通信状态机。
进一步，所述智能微电网主站通过控制其内部的状态寄存器的参数的状态实现对智能微电网从站工作状态的控制。
进一步，所述电力电子设备包括分布式电源、储能装置、能量转换装置和相关负荷，且该电力电子设备的控制端均与所述FPGA模块信号连接，以便于所述FPGA模块在主站的控制下控制所述电力电子设备的工作状态。
进一步，FPGA模块为双网口FPGA芯片，用以对主站接受/发出数据帧进行捕捉和打包，并进行数据交换，提高了处理速度。
进一步，所述智能微电网从站中的应用层器件完成以太网信号与485信号或Canopen信号之间的转换。
进一步，该系统还包括一种基于FPGA实现智能微电网控制系统高速通信的方法，其步骤为：
(1)从站控制微处理器硬件初始化、通信变量和寄存器初始化；
(2)通信状态机处理，完成通信初始化：查询智能微电网主站的状态寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止智能微电网从站相关通信服务；
(3)周期性数据处理，实现过程数据通信：智能微电网从站以查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)处理周期性数据和应用层任务。
进一步，所述步骤(2)包括以下步骤：
(a)智能微电网主站发送网络数据帧发送状态控制寄存器的值；
(b)智能微电网从站读取参数值来响应智能微电网主站对智能微电网从站的状态的操作；
(c)智能微电网从站在读出状态寄存器中的状态值之后，做出响应的动作完成控制任务或智能微电网从站状态的改变，最终完成这个系统数据的交换工作。
本发明具有的优点和积极效果是：采用上述技术方案，基于FPGA的高速运算，能够将负载设备、风电、光伏设备等基本都使用的485或Canopen通信协议转换成一种基于高速实时以太网协议的智能微电网数据传输协议，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改，升级更加简单，且通过FPGA模块完成协议转换，将以太网帧迅速切割、取出相应的数据位进行数据的交换，交换完毕后，迅速打包发送至下一个站点，接收和发送数据在一次处理过程中完成，效率翻倍。
附图说明
图1是基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统拓扑图；
图2是智能微电网从站结构图；
图3是智能微电网从站工作流程图；
图4是智能微电网从站状态控制数据流程图；
图5是基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统数据流程图。
其中：1、智能微电网主站 2、智能微电网从站 21、电源模块 22、以太网模块 23、FPGA模块 24、RS485和/或Canopen模块 3、电力电子设备
具体实施方式
以下根据附图及具体实施例对本发明作出详细说明。
如图1和2所示，一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括智能微电网主站1、智能微电网从站2和电力电子设备3。
智能微电网主站1为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性，智能微电网主站1与多个智能微电网从站2通过自主研发的Rbus总线连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站2的工作，该Rbus总线为基于C类方式开发的一种更加贴合智能微电网中数据传输的高速实时以太网总线，满足智能微电网主站和智能微电网从站之间的各种拓扑结构，组网灵活，且智能微电网主站1通过标准以太网接口卡接入工业高速实时以太网。
智能微电网从站2包括电源模块21、以太网模块22、FPGA模块23以及RS485和/或Canopen模块24。
电源模块21分别与FPGA模块23、以太网模块22以及RS485和/或Canopen模块24的电源输入端电连接，为其提供电源。
以太网模块22上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块22上的数据总线以及控制总线分别与FPGA模块23信号连接，用以实现在FPGA模块23控制下接收智能微电网主站1发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站1发送反馈数据帧。
FPGA模块23为双网口FPGA芯片，在高速实时以太网技术的基础之上设计为智能微电网从站2的核心，包括应用层器件、从站控制微处理器、从站控制器和物理层器件，主要实现控制应用和通信两部分的功能，且应用层器件包括通信状态机，该FPGA模块一端与以太网模块22信号连接，另一端与RS485和/或Canopen模块24信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作，由于智能微电网从站2部分代码基于FPGA芯片，所以处理速度高于其他单片机等处理器。
RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，Canopen模块为Canopen芯片，其上设有标准Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与电力电子设备3信号连接。
智能微电网主站1通过控制其内部的状态寄存器的参数的状态实现对智能微电网从站2工作状态的控制。
电力电子设备3包括分布式电源、储能装置、能量转换装置和相关负荷，且该电力电子设备3的控制端均与FPGA模块23信号连接，以便于FPGA模块23在智能微电网主站1的控制下控制电力电子设备3的工作状态。
智能微电网从站2中的应用层器件完成以太网信号与485信号或Canopen信号之间的转换。
如图3和4所示，一种基于FPGA实现智能微电网控制系统高速通信的方法，其步骤为：
(1)从站控制微处理器硬件初始化、通信变量和寄存器初始化；
(2)通信状态机处理，完成通信初始化：查询智能微电网主站1的状态寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止智能微电网从站2相关通信服务；
(3)周期性数据处理，实现过程数据通信：智能微电网从站以查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)处理周期性数据和应用层任务。
所述步骤(2)包括以下步骤：
(a)智能微电网主站1发送网络数据帧发送状态控制寄存器的值；
(b)智能微电网从站2读取参数值来响应智能微电网主站1对智能微电网从站2的状态的操作；
(c)智能微电网从站2在读出状态寄存器中的状态值之后，做出响应的动作完成控制任务或智能微电网从站2状态的改变，最终完成这个系统数据的交换工作。
本发明的工作过程为：如图5所示，在整个微电网控制环路中，智能微电网主站1通过计算和反馈的信息进行计算，算出下一时刻整个智能微电网各个单元所需的参数、数据，将参数和数据以以太网帧的形式输出到高速实时以太网上。
智能微电网从站2首先完成从站控制微处理器硬件初始化、通信变量和ESC寄存器初始化，然后通过以太网模块22读取智能微电网主站1中的状态寄存器中的值，并根据此值确定智能微电网从站2的工作状态，最后进行周期性数据处理，实现过程数据通信。
以太网模块22能够接受和发送100Mbit/s以太网数据，根据以太网的固有特性，整个环网同一时间只允许有一条以太网帧的特性，当以太网帧到达智能微电网从站2后，以太网帧从RJ45口输入到以太网模块22中，经过以太网模块22的一系列电平转换，输入到FPGA模块23。
FPGA模块23对数据帧进行复制，并拆包、解析其中一条数据帧，对比校验位，判断此针是否为自己所需，如果不是将此数据帧删除，将另外一条复制的数据帧发送回环网，由下游的另外一个装置重复以上步骤，依次完成整个环网的控制。
如果对数据帧解析后发现此数据帧有此装置需要的数据，将数据存入FPGA模块23的相应寄存器，进行相应的运算处理，处理过后发送数据到RS485模块或Canopen模块。
RS485模块使用高速485协议芯片，Canopen模块使用Canopen芯片，均通过串口与FPGA相连接，将FPGA模块23输出的串行数据转变成标准485信号或标准Canopen信号，再将该标准485信号或标准Canopen信号通过标准485接口输入电力电子设备3。
如果电力电子设备3突发情况，需要立即反馈数据给整个控制环网的智能微电网主站1，通过RS485模块或Canopen模块把数据传输到FPGA模块23，FPGA模块23判断是否有数据帧正停留在本装置。如果没有，将数据存入一个队列，当有以太网数据帧到达时候将数据队列按顺序写入以太网帧，并从新打包成新的数据帧，输入以太网模块22进行电平转换后发送到环网上，最后由智能微电网主站1获取此次突发情况的信息。
在真实使用过程中，电力电子设备3的485端或Canopen端设定每隔固定时间发送心跳信号到与该电力电子设备连接的智能微电网从站2，以证明电力电子设备在网，如果在一定时间内没有收到此心跳信号，则认为此设备脱网，将此状态报告给主站，智能微电网主站1做出相应动作和相关故障报警。
通过以上步骤，可以实现任意带有RS485的电力电子设备3快速简单的并入智能微电网中，并高速、及时的对设备进行控制，保证整个智能微电网的流畅快速状态转换。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：包括基于高速实时以太网的智能微电网主站(1)、智能微电网从站(2)和电力电子设备(3)；
所述智能微电网主站(1)通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过工业高速实时以太网与各个智能微电网从站(2)连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站(2)的工作状态；
所述智能微电网从站(2)包括电源模块(21)、以太网模块(22)、FPGA模块(23)以及RS485和/或Canopen模块(24)；
所述电源模块(21)分别与所述FPGA模块(23)、以太网模块(22)以及RS485和/或Canopen模块(24)的电源输入端电连接，为其提供电源；
所述以太网模块(22)上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块(22)上的数据总线以及控制总线分别与所述FPGA模块(23)信号连接，用以实现在FPGA模块(23)控制下接收智能微电网主站(1)发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站(1)发送反馈数据帧；
所述FPGA模块(23)为智能微电网从站(2)的核心，一端与所述以太网模块(22)信号连接，另一端与所述RS485和/或Canopen模块(24)信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作；
所述RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，Canopen模块为Canopen芯片，其上设有标准Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，且所述标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与所述电力电子设备(3)信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网主站(1)为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网主站(1)与多个所述智能微电网从站(2)通过自主研发的Rbus总线连接，该Rbus总线为基于C类方式开发的一种更加贴合智能微电网中数据传输的高速实时以太网总线，满足智能微电网主站(1)和智能微电网从站(2)之间的各种拓扑结构，组网灵活。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述FPGA模块(23)在高速实时以太网技术基础之上设计为智能微电网从站(2)的核心，包括应用层器件、从站控制微处理器、从站控制器和物理层器件，主要实现控制应用和通信两部分的功能，且所述应用层器件包括通信状态机。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网主站(1)通过控制其内部的状态寄存器的参数的状态实现对智能微电网从站(2)工作状态的控制。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述电力电子设备(3)包括分布式电源、储能装置、能量转换装置和相关负荷，且该电力电子设备(3)的控制端均与所述FPGA模块(23)信号连接，以便于所述FPGA模块(23)在智能微电网主站(1)的控制下控制所述电力电子设备(3)的工作状态。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：FPGA模块(23)为双网口FPGA芯片，用以对主站接受/发出数据帧进行捕捉和打包，并进行数据交换。
8.根据权利要求4所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网从站(2)中的应用层器件完成以太网信号与485信号或Canopen信号之间的转换。
9.一种基于FPGA实现智能微电网控制系统高速通信的方法，其步骤为：
(1)从站控制微处理器硬件初始化、通信变量和寄存器初始化；
(2)通信状态机处理，完成通信初始化：查询智能微电网主站(1)的状态寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止智能微电网从站(2)相关通信服务；
(3)周期性数据处理，实现过程数据通信：智能微电网从站(2)以查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)处理周期性数据和应用层任务。
10.根据权利要求9所述的基于FPGA实现智能微电网控制系统高速通信的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：
(a)智能微电网主站(1)发送网络数据帧发送状态控制寄存器的值；
(b)智能微电网从站(2)读取参数值来响应智能微电网主站(1)对智能微电网从站(2)的状态的操作；
(c)智能微电网从站(2)在读出状态寄存器中的状态值之后，做出响应的动作完成控制任务或智能微电网从站(2)状态的改变，最终完成这个系统数据的交换工作。
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