CN106230681A - 一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，所述系统由多个子系统构成，每个子系统包含一个子系统主控制单元和多个子控制单元；其中：各个子系统中的子系统主控制单元之间通过光纤连接从而组成系统级双向环形通信网络，并通过系统级双向环形通信网络传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；在每个子系统的内部，子系统主控制单元和多个子控制单元通过光纤连接从而组成子系统级双向环形通信网络，并通过子系统级双向环形通信网络实现子系统主控制单元与子控制单元之间的实时控制与时钟同步。本发明通过设置多种冗余单元来提高系统可靠性，简化了通信网络，提高了通信与同步网络的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，由全控型半导体功率器件构成的模块化功率单元在功能上更加智能化，由多个功率单元构成分布式复杂电力电子系统。该控制系统需要具有较高的实时性、高精度同步、大数据量通信功能，以满足各个单元的采样、数据传输、实时控制功能。另一方面，大功率电力电子控制系统如风力发电变流器系统、光伏发电系统的运行环境较为恶劣如电磁干扰、振动、腐蚀等，因此该系统需要具有较高的可靠性，使其在部分单元失效的情况下依然具有运行能力，减少系统停运次数和维护成本。
目前电力电子分布式控制系统多采用一主多从方式，即一个主控制器连接多个子控制器，呈星型拓扑。该类型系统的控制与通信方式较为简单，便于实施，其中的主控制器负责大部分通信与同步功能，其复杂程度与子控制器数量呈正比，当子控制单元数量大幅增加时难以应用。另一方面，一旦该系统的主控制器失效，整个系统立即瘫痪，可靠性难以提高。
经检索，申请(专利)号：201410030018.6，名称：一种基于通信实现的分布式同步采样控制系统，该专利涉及的是一种基于通信的分布式同步采样控制系统及其方法，系统包括多个分布式单元和一个主控单元：主控单元为主控制器，分布式单元包括分布式数据采集单元、分布式控制执行单元、数据采集及控制执行单元。主控单元和分布式单元均设置有用于完成主控单元及分布式单元之间的通信编解码、同步信号解析、守时的FPGA，主控单元还设置有DSP。该专利利用FPGA的高度时间确定性，采用通信的方式实现各分布式单元和主控制器的高精度同步采样和控制，并采用时间参数的自学习算法，实现分布式单元在通信受到干扰后中断或丢帧情况下的守时。其系统构成简单，功能划分明晰，无需单独的同步信号布线，具有适应性强、同步精度高、抗干扰能力强、稳定性高和成本低等优点。
但是，该专利有如下不足：
1.分布式结构：该专利中分布式系统采用的星型一主多从的星形结构，对于分布式单元数量较多的复杂系统，该结构中的主控单元会变得非常复杂，难以实现；
2.通信与同步可靠性：该专利中系统的通信与同步严重依赖于主控单元，一旦主控单元故障，系统即失控或瘫痪。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，通过设置多种冗余单元来提高系统可靠性，简化了通信网络，提高了通信与同步网络的可靠性。
为实现以上目的，本发明提供一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，所述系统由多个子系统构成，每个子系统完成系统级控制功能，包括对电力电子变换器的输出电压或电流、电动机转矩或转速的控制；
每个子系统包含一个子系统主控制单元和多个子控制单元；其中：各个子系统中的子系统主控制单元之间通过光纤连接从而组成系统级双向环形通信网络，并通过系统级双向环形通信网络传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；在每个子系统的内部，子系统主控制单元和多个子控制单元通过光纤连接从而组成子系统级双向环形通信网络，并通过子系统级双向环形通信网络实现子系统主控制单元与子控制单元之间的实时控制与时钟同步。
优选地，所述子系统主控制单元的功能包括：
1、通过系统级双向环形通信网络与其他子系统中的子系统主控制单元进行数据通信，传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；
2、选取一个作为时钟基准的子系统主控制单元，该子系统主控制单元需要根据自身时钟通过系统级双向环形通信网络向其他子系统中的子系统主控制单元发送时钟同步信息，其他子系统中的子系统主控制单元需要接收该时钟同步信息并调节自身时钟，以维持系统级时钟同步；
3、各个子系统主控制单元通过子系统级双向环形通信网络接收各个子控制单元采集的电压、电流、温度信息，执行相应的控制算法，并通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送电压、电流、保护控制指令，并基于自身时钟基准通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送时钟同步信息；
4、各个子系统主控制单元协调维护系统级双向环形通信网络，发生通信故障时，故障点两侧的子系统主控制单元对各自的通信回路进行重组，使原系统级双向环形通信网络重组为单向环形网络，以隔离通信故障点，使所述的系统维持运行；
5、故障重组后，若检测发现故障点是作为时钟基准的子系统主控制单元，则另选取一个正常工作的子系统主控制单元成为替代时钟基准，继续通过系统级双向环形通信网络发送时钟同步信息。
优选地，各个所述子控制单元的功能包括：
1、通过子系统级双向环形通信网络接收子系统主控制单元的控制指令，并对电力电子变换器进行控制；
2、对必要的物理量，包括电压、电流、温度进行采集，并通过子系统级双向环形通信网络发送至子系统主控制单元；
3、接收子系统主控制单元发送的时钟同步信息，对自身时钟修正，保持与子系统主控制单元的时钟同步；
4、与子系统主控制单元协调维护子系统级双向环形通信网络，对通信故障进行检测，当发生通信故障时，故障点两侧的子控制单元对各自的通信回路进行重组，使原子系统级双向环形通信网络重组为单向环形网络，以隔离通信故障点，使所述的系统维持运行。
本发明中，各子系统的功能互相冗余，当一个子系统故障时，其他子系统能够提供备援当子系统内部各子控制器的功能互相冗余，当一个子控制器故障时，其他子控制器能够提供备援。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明在系统级通信网络出现故障时，能够及时隔离故障点，不影响其他子系统，使整个系统能够持续运行。
2)本发明在子系统内部通信网络出现问题时，能够及时隔离故障点，不影响其他子控制单元，使子系统能够持续运行。
3)本发明采用两级光纤环网，即：系统级双向环形通信网络和子系统级双向环形通信网络，构建复杂电力电子分布式控制系统，扩展简便，使用较少的硬件资源便能够扩展到子控制器较多的复杂系统。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的系统结构图；
图2为本发明一实施例的系统级光纤网故障重组示意图，其中：(a)为系统级光纤网络信线路故障重组示意图，(b)为系统级光纤网络节点故障重组示意图；
图3为本发明一实施例的子系统级故障重组示意图，其中：(a)为子系统级光纤网络信线路故障重组示意图，(b)为子系统级光纤网络节点故障重组示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明提供的一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统的结构框图，所述系统由多个子系统构成，每个子系统完成系统级控制功能，包括对电力电子变换器的输出电压或电流、电动机转矩或转速的控制；
每个子系统包括一个子系统主控制单元和多个子控制单元，其中：各个子系统中的子系统主控制单元之间通过光纤连接从而组成系统级双向环形通信网络，并通过系统级双向环形通信网络传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；在每个子系统的内部，子系统主控制单元和多个子控制单元通过光纤连接从而组成子系统级双向环形通信网络，并通过子系统级双向环形通信网络实现子系统主控制单元与子控制单元之间的实时控制与时钟同步。
所述子系统主控制单元的功能包括：
1)通过系统级双向环形通信网络与其他子系统中的子系统主控制单元进行数据通信，传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；
2)选取一个作为时钟基准的子系统主控制单元，该子系统主控制单元需要根据自身时钟通过系统级双向环形通信网络向其他子系统中的子系统主控制单元发送时钟同步信息，其他子系统中的子系统主控制单元需要接收该时钟同步信息并调节自身时钟，以维持系统级时钟同步；
3)各个子系统主控制单元通过子系统级双向环形通信网络接收各个子控制单元采集的电压、电流、温度信息，执行相应的控制算法，并通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送电压、电流、保护控制指令，并基于自身时钟基准通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送时钟同步信息；
4)各个子系统主控制单元协调维护系统级双向环形通信网络，发生通信故障时，故障点两侧的子系统主控制单元对各自的通信回路进行重组，使原系统级双向环形通信网络重组为单向环形网络，以隔离通信故障点，使所述的系统维持运行；
5)故障重组后，若检测发现故障点是作为时钟基准的子系统主控制单元，则另选取一个正常工作的子系统主控制单元成为替代时钟基准，继续通过系统级双向环形通信网络发送时钟同步信息。
以下对本发明一具体应用实施例进行说明：
本实施例提供一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，采用该系统实现并联型风机变流器的控制系统，变流器由采用三台背靠背式2电平变换器并联构成。
本实施例所述的用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统包含为三个子系统，如图1所示分别为子系统1、子系统2和子系统3，每个子系统分别控制一台变流器，控制功能为实现电网侧电流控制和电机转矩控制。
每个子系统中分别包含一个子系统主控制单元和若干个子控制单元，其中：
所述子系统主控制单元基于DSP与FPGA构建，由DSP执行主电网电流控制算法与电机转矩控制算法，由FPGA对网络通信进行控制，采用波特率为10Mbps的双向光纤环网连接；三个子系统主控单元将各自变流器的电流、电压、故障等控制信息通过系统级双向环形光纤网进行通信；设置其中一个子系统主控单元作为该系统的时钟基准，由该子系统主控单元向另一个子系统主控单元发送同步信息进行时钟同步。
每个子系统中设有四个均基于FPGA构建的子控制单元，并分别进行电网侧变换器控制、电机侧变换器控制、采样电压、电流、温度数据与IO控制，由FPGA对网络通信进行控制，采用设定波特率(比如波特率为10Mbps)的系统级双向环形光纤网与子系统主控单元连接，从而构成子系统级双向环形光纤网。
子系统主控制单元通过子系统级双向环形光纤网接受子控制单元所采集的电压、电流、温度数据，经算法处理后向子控制单元发送电网侧调制波数据、电机侧变换器调制波数据、IO控制数据、同步数据，子控制单元接受控制数据与同步数据，对变换器中的电力电子开关进行脉冲控制，进行辅助IO控制，并维持与子系统主控制单元的时钟同步。
本实施例中，系统级双向环形光纤网中，各子系统主控制单元的FPGA对系统级双向环形光纤网的通信故障进行检测，一旦子系统主控制单元检测到接收端或发送端的数据出现连续丢失，即系统级双向环形光纤网中出现通信线路故障或节点故障，则对该子系统主控制单元的另一侧正常工作的接收端与发送端进行重构连接，使系统级双向环形光纤网重构为单向环网，以隔离故障点，如图2中(a)和(b)所示。
本实施例中，子系统级双向环形光纤网中，各子控制单元、子系统主控制单元的FPGA对子系统级双向环形光纤网的通信故障进行检测，一旦子控制单元或子系统主控制单元检测到接收端或发送端的数据出现连续丢失，即子系统级双向环形光纤网中出现通信线路故障或节点故障，则对该子控制单元或子系统主控制单元的另一侧正常工作的接收端与发送端进行重构连接，使子系统级双向环形光纤网重构为单向环网，以隔离故障点，如图3中(a)、(b)所示。
本实施例中，系统级双向环形光纤网中，各子系统主控制单元的FPGA对重构后的网络数据进行检测，若出现同步数据丢失，则由系统级双向环形光纤网中的另一个子系统主控单元成为时钟基准并继续发送同步数据。
上述基于FPGA设计的系统，只是本发明的一个实施例，且上述各子系统的数目是可以根据实际需要进行调整，在其他实施例中，也可以根据应用场合的需要调整各子系统的数目。
综上可见，本发明设置多种冗余单元来提高系统可靠性：采用多个子系统构成整个系统，每个子系统包含一个主控制器和多个子控制器，各子系统的功能互相冗余，当一个子系统故障时，其他子系统能够提供备援当子系统内部各子控制器的功能互相冗余，当一个子控制器故障时，其他子控制器能够提供备援。
本发明通信网络的简化：在子系统、子系统内部均采用光纤组成两级双向通信环网，当子控制器数量增加时，环网结构较星形结构大大简化，节省了大量硬件资源，有利于构建复杂系统；
本发明通信与同步网络的可靠性提高：采用双向环形拓扑组网，当单一节点通信或线路故障时，可以立即切换为单向环形通信回路，使故障点隔离，维持数据通信与时钟同步功能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，其特征在于，所述系统由多个子系统构成，每个子系统完成系统级控制功能，包括对电力电子变换器的输出电压或电流、电动机转矩或转速的控制；
每个子系统包括一个子系统主控制单元和多个子控制单元，其中：各个子系统中的子系统主控制单元之间通过光纤连接从而组成系统级双向环形通信网络，并通过系统级双向环形通信网络传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；在每个子系统的内部，子系统主控制单元和多个子控制单元通过光纤连接从而组成子系统级双向环形通信网络，并通过子系统级双向环形通信网络实现子系统主控制单元与子控制单元之间的实时控制与时钟同步。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，其特征在于，所述子系统主控制单元，实现以下功能：
1)通过系统级双向环形通信网络与其他子系统中的子系统主控制单元进行数据通信，传递各个子系统之间的控制信息、保护信息与时钟同步信息；
2)选取一个作为时钟基准的子系统主控制单元，该子系统主控制单元需要根据自身时钟通过系统级双向环形通信网络向其他子系统中的子系统主控制单元发送时钟同步信息，其他子系统中的子系统主控制单元需要接收该时钟同步信息并调节自身时钟，以维持系统级时钟同步；
3)各个子系统主控制单元通过子系统级双向环形通信网络接收各个子控制单元采集的电压、电流、温度信息，执行相应的控制算法，并通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送电压、电流、保护控制指令，并基于自身时钟基准通过子系统级双向环形通信网络向各个子控制单元发送时钟同步信息；
4)各个子系统主控制单元协调维护系统级双向环形通信网络，发生通信故障时，故障点两侧的子系统主控制单元对各自的通信回路进行重组，使原系统级双向环形通信网络重组为单向环形网络，以隔离通信故障点，使所述的系统维持运行；
5)故障重组后，若检测发现故障点是作为时钟基准的子系统主控制单元，则另选取一个正常工作的子系统主控制单元成为替代时钟基准，继续通过系统级双向环形通信网络发送时钟同步信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，其特征在于，各个所述子控制单元，实现以下功能：
1)通过子系统级双向环形通信网络接收子系统主控制单元的控制指令，并对电力电子变换器进行控制；
2)对必要的物理量，包括电压、电流、温度进行采集，并通过子系统级双向环形通信网络发送至子系统主控制单元；
3)接收子系统主控制单元发送的时钟同步信息，对自身时钟修正，保持与子系统主控制单元的时钟同步；
4)与子系统主控制单元协调维护子系统级双向环形通信网络，对通信故障进行检测，当发生通信故障时，故障点两侧的子控制单元对各自的通信回路进行重组，使原子系统级双向环形通信网络重组为单向环形网络，以隔离通信故障点，使所述的系统维持运行。
4.根据权利要求1所述的一种用于复杂电力电子分布式控制的通信与同步系统，其特征在于，各子系统的功能互相冗余，当一个子系统故障时，其他子系统能够提供备援当子系统内部各子控制器的功能互相冗余，当一个子控制器故障时，其他子控制器能够提供备援。
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