CN109412741B - 基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法，上位机通过以太网与多块数据预处理板连。每块数据预处理板和与其通信的子系统之间通过光纤、波分复用器和解复用器连接，数据预处理板和子系统之间发送通路和接收通路占用不同光纤。如此在数据预处理板与各子系统之间构造出独立的通信通道。上位机通过以太网下发数据包到数据预处理板，数据预处理板解析数据包，提取各子系统的数据；各子系统的数据利用波分复用技术通过光纤远距离传输至对应子系统；多个子系统将需要发送的数据利用波分复用技术通过光纤远距离传输至远程控制端；数据预处理板将各子系统的数据整合，并通过以太网发送至上位机。

Description

基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的 方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤通信的大规模阵列式多电平换流器(MMC)柔性直流输电换流站及阀控系统状态监控与软件升级的方法。

背景技术

对于多电平换流器(MMC)柔性直流输电换流站及阀控系统这种大规模阵列式系统，其状态监控与软件升级是系统投入使用后的一个关键问题。单机系统比较容易实现可靠稳定的状态监控和快速的软件升级。这类大规模阵列式系统使用了大量的电子控制单元，同时监控并升级所有子系统难度较大。工业现场总线多节点组网存在最高节点数量限制和通信稳定性问题，而且大规模阵列式系统的应用环境更加恶劣，电磁兼容问题更复杂，为阵列式系统状态监控与软件升级带来了困难。

以云南鲁西±350KV/1044MW多电平换流器(MMC)柔性直流输电换流站及阀控系统工程为例。该系统包括2808个多电平换流模块，其中的180个为冗余模块，每个模块上都有电子控制单元。在±350KV/1044MW的功率等级下系统存在非常强的电场和磁场，现场总线通信极易受到干扰，但采用光纤通信即可避免通信网络中的电磁兼容问题。采用当前常用的总线组网与上位机通信实现状态监控与软件升级，各子系统对总线分时复用，通信效率极低。仅以软件升级为例，假设一个模块升级耗时1分钟，2808个模块升级完成至少耗时2808分钟(1.95天)，系统全部升级耗时过长。采用光纤通信，可实现同一时刻所有设备的状态监控与软件升级，大大提高了效率，也可以在不停止系统正常运转的情况下，利用冗余模块对系统部分模块逐次替换并进行软件更新，以降低因系统软件升级换流站停机对电力供应照成的影响。

CN103631618A“基于光纤数据传输实现的多板卡FPGA程序烧写方法”专利，给出了利用光纤为多块FPGA板卡同时升级相同的应用程序的方法。CN 106020864A“基于网络和光纤数据传输实现的多板卡FPGA程序烧写方法”专利，也给出了利用光纤为多块FPGA板卡同时升级相同的应用程序的方法。上述两个专利所述方法功能相同，只可用于FPGA板卡软件升级，且升级的所有板卡FPGA程序相同，无法选择特定板卡、或者部分板卡升级而剩余板卡不升级，或不同板卡升级不同的程序；且当系统不需要软件升级时，所述的光纤通信模块不工作，造成光纤通信模块成本投入大而使用率低的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的状态监控与软件升级方法中子系统监控与升级节点数量少、通信效率低、子系统之间相互耦合易受干扰等缺点，不适用于大规模阵列式多电平换流器(MMC)柔性直流输电换流站及阀控系统中，提出一种基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法。该方法可对部分或全部子系统进行状态监控或软件升级，或对部分子系统进行状态监控而其余子系统进行软件升级。

本发明技术方案如下：

应用本发明的大规模阵列式系统位于远程控制端，上位机通过以太网下发数据包到数据预处理板，数据预处理板解析数据包，提取各子系统的数据；各子系统的数据利用波分复用技术通过光纤远距离传输至对应子系统；多个子系统将需要发送的数据利用波分复用技术通过光纤远距离传输至远程控制端；数据预处理板将各子系统的数据整合，并通过以太网发送至上位机。

上位机通过以太网分别与多块数据预处理板连接；每块数据预处理板和与其通信的子系统之间通过光纤、波分复用器和解复用器连接，数据预处理板和子系统之间发送通路和接收通路占用不同光纤，具体连接方式如下：在发送通路中，数据预处理板的输出端通过多根数据预处理板输出光纤与发送通路波分复用器的输入端连接，发送通路波分复用器的输出端通过一根发送光纤连接发送通路解复用器的输入端，发送通路解复用器的输出端与子系统的输入端通过多根子系统输入光纤连接。在接收通路中，数据预处理板的输入端通过多跟数据预处理板输入光纤与接收通路解复用器的输出端连接，接收通路解复用器的输入端和接收通路波分复用器的输出端通过一根接收光纤连接，接收通路波分复用器的输入端和子系统的输出端通过多跟子系统输出光纤连接。如此在数据预处理板与各子系统之间构造出独立的通信通道。

所述的数据预处理板包含一片FPGA和以太网接口芯片。在FPGA内，为数据预处理板相连的每一个子系统分配两个M4K存储器块，并将存储器块配置为移位寄存器工作模式，分别为数据输入移位寄存器和数据输出移位寄存器。数据输入移位寄存器的输入端口与数据预处理板输入光纤连接，数据输出移位寄存器的输出端口与数据预处理板输出光纤连接。

本发明方法步骤如下：

步骤一：对大规模阵列式系统的子系统编号，所有子系统具有唯一ID。设置子系统以定时上传方式发送运行状态数据，设置子系统以查询方式接收来自上位机的数据。

步骤二：当子系统的数量超过一根光纤可同时传输不同波长光信号的数量时，需对子系统分组，每组子系统数量不超过一根光纤可同时传输不同波长光信号的数量，每一组子系统对应一个数据预处理板，并对每一组子系统分配IP地址，该IP地址也是数据预处理板的IP地址。配置全部数据预处理板处于监听状态。

步骤三：生成待升级子系统的HEX格式升级文件，设置上位机在发送HEX文件数据时按行逐行发送。若无子系统进行软件升级，步骤三可省略。

步骤四：上位机根据人机交互界面的操作指令或收到的子系统上传的数据，将需要发送给子系统的数据按照子系统所在组进行打包，分别发至对应IP地址的数据预处理板。通过操作上位机，选中部分或全部子系统进行软件升级时，上位机向选中的子系统下发软件升级指令；若选中的子系统已经进入了软件升级模式，上位机接收到子系统发送的下一行数据请求指令时，上位机发送所有选中子系统HEX升级文件的下一行数据；若通过上位机对某些子系统的控制参数进行修改时，上位机向选中的子系统发送控制参数数据；既不进行软件升级又不需要进行参数修改的子系统，上位机不对其发送数据。上述数据按照子系统所在组进行打包，通过以太网发送至对应的数据预处理板。若所有子系统都不需要软件升级和参数修改，则跳转至步骤八。

步骤五：任一数据预处理板监听到对应IP的数据包后对数据进行读取，提取出对应IP下的各子系统数据，将分解后的子系统数据分别写入数据输出移位寄存器，并通过对应的数据预处理板输出光纤，送至发送通路的波分复用器。

步骤六：发送通路的波分复用器对来自数据预处理板的多路数据进行波分复用，并通过一根发送光纤将复用后的数据远距离传输至发送通路解复用器，发送通路解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过各子系统输入光纤发送至对应子系统。

步骤七：各子系统接收上位机发送的控制参数、软件升级命令、升级软件数据并对接收到的数据进行处理与响应。上位机选中待升级子系统接收到升级指令后进入软件升级模式，并向上位机发送下一行数据请求。若上述待升级子系统已进入升级模式且收到软件升级数据，则接收到的升级数据覆盖旧的应用程序，并向上位机发送下一行数据请求。若上述待升级子系统已将全部升级数据接收并烧写完毕，子系统复位执行更新后的软件，并进入状态监控模式。未处于升级模式的子系统接收到新的控制参数后，将新的控制参数赋值给对应变量，并在下一次主循环参与子系统的控制。

步骤八：处于状态监控的子系统上传运行状态参数、故障码等数据；处于软件升级的子系统上传下一行数据请求。同组内的多个子系统需要上传的数据通过子系统输出光纤送至接收通路波分复用器，复用后的数据通过一根接收光纤传输至接收通路解复用器，接收通路解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过数据预处理板输入光纤送至数据预处理板。

步骤九：数据预处理板通过数据输入移位寄存器接收到组内子系统发送的数据后，打包上传至上位机。

步骤十：上位机读取各数据预处理板上传的数据包，解析出各子系统上传数据。

步骤十一：重复步骤四到步骤十的操作过程，实现对选中子系统的软件升级，升级后的子系统进入状态监控模式进行状态监控；未选中的子系统进入状态监控模式，实现状态监控；可以对处于状态监控模式下的子系统进行控制参数修改。

上述步骤中，当子系处于系统状态监控模式时，上位机与子系统之间交互的数据是控制参数、子系统运行状态数据、故障码等。当子系统工作在软件升级模式时，上位机与子系统之间交互的数据是升级指令、升级数据、软件更新进度等。

本发明具有以下特点：

(1)该方法可同时实现所有子系统的状态监控与软件升级。

(2)选中子系统可进行软件升级，而未选中子系统可工作于状态监控模式。

(3)选中的多个子系统可升级不同软件。

(4)避免了子系统之间的组网，降低了系统的复杂度，同时提高了通信系统的抗干扰性。

(5)提高了通信线路的带宽，提高了数据传输效率，缩短了软件升级的时间。

附图说明

图1为基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的原理框图。

图2为第一组子系统与上位机之间实现数据交互的原理框图。

图3为数据预处理板的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

以图1所示的典型系统为例，该系统由3200个子系统构成。对ID号最低位为0的子系统软件升级；其余子系统开始运行后即进入参数监控，运行期间对处于状态监控下的ID号最低位为5的子系统进行一次控制参数修改。其中，步骤一和步骤二只需在系统组装时操作一次即可；系统正常使用过程中，均从步骤三开始执行。图2为该典型系统中第一组子系统的数据流向原理图。其余组子系统均与第一组的结构和原理相同。图3为第一组子系统数据预处理板的原理框图，为第一组内的160个子系统分别分配一个数据输入移位寄存器和一个数据输出移位寄存器。

步骤一：对子系统编号，所有子系统具有唯一ID，ID号为0000～3199。子系统采用定时上传方式上传与子系统运行状态相关的数据，采用查询方式接收来自上位机的数据。子系统上电后立即按照初始化控制参数运行并向上位机定时发送运行状态。

步骤二：每160个子系统分为一组，共分为20组，ID号0000～0319的子系统为第1组，ID号0320～0639的子系统为第2组，…，ID号3040～3199的子系统为第20组。为每一组子系统分配一个数据预处理板，并对每一组子系统分配IP地址，该IP地址也是数据预处理板的IP地址。配置数据预处理板处于监听状态。

由于各组子系统工作过程相同，从第三步到第十一步以第一组子系统软件升级与状态监控工作过程为例，其余各组的工作过程不再赘述，第一组子系统的工作过程如下：

步骤三：生成ID号为0000、0010、…、0150的共16个子系统的HEX格式升级文件，设置上位机在发送HEX文件数据时按行逐行发送。

步骤四：上位机根据人机交互界面的操作指令或收到的子系统上传的数据，将需要发送给ID号为0000～0159的子系统的数据进行打包，发至01号数据预处理板对应的IP地址。当在上位机选中ID号为0000、0010、…、0150的子系统并进行软件升级的操作时，上位机向上述子系统下发的是升级指令；若上述子系统已经进入了升级模式，上位机接收到子系统发送的下一行数据请求的指令时，上位机发送的是所有上述子系统HEX升级文件的下一行数据；当在上位机上选中ID号为0005、0015、…、0155的子系统并进行控制参数修改时，上位机向上述子系统发送的是控制参数数据；既不进行软件升级又不需要进行控制参数修改的子系统，上位机对其不发送数据。上述数据打包，通过以太网发送至01号数据预处理板对应的IP地址。

步骤五：数据预处理板监听到数据后对数据进行读取，解析出对应子系统数据，160个子系统数据分别写入对应的数据输出移位寄存器内，并通过对应的数据预处理板输出光纤送至发送通路的波分复用器。

步骤六：发送通路的波分复用器对来自数据预处理板的160路数据进行波分复用，并通过一根发送光纤将复用后的数据远距离传输至发送通路的解复用器，发送通路的解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过160根子系统输入光纤发送至对应子系统。

步骤七：子系统接收数据并处理。ID号为0000、0010、…、0150的共16个子系统接收到升级指令后进入软件升级模式，并向上位机发送下一行数据请求。若上述16个子系统已进入升级模式且收到的数据为软件升级数据，则接收到的升级数据覆盖旧的应用程序，并向上位机发送下一行数据请求。若上述16个子系统已将全部升级数据接收并烧写完毕，子系统复位执行更新后的软件，并进入状态监控模式。ID号为0005、0015、…、0155的共16个子系统接收到新的控制参数后，将新的控制参数赋值给对应变量，并在下一次主循环参与子系统的控制。

步骤八：如果ID号为0000、0010、…、0150的共16个子系统处于软件升级状态，上述子系统向上位机发送下一行数据请求。其余子系统向上位机发送状态参数、故障码。如果ID号为0000、0010、…、0150的共16个子系统已经完成软件升级，则全部160个子系统向上位机发送状态参数、故障码。将需上传数据通过子系统输出光纤送至接收通路的波分复用器，复用后的数据通过一根接收光纤远距离传输至接收通路的解复用器，接收通路的解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过160根数据预处理板输入光纤送至数据预处理板。

步骤九：数据预处理板通过数据输入移位寄存器接收到组内子系统发送的数据后，打包上传至上位机。

步骤十：上位机读取数据预处理板上传的数据包，解析各子系统上传数据。上位机接到处于软件升级的子系统发送的下一包数据请求时，则对该ID的子系统下发下一包升级数据。上位机接收到处于状态监控子系统发送的运行状态、故障码、生命信号后，对数据进行判断，并显示到操作界面上。

步骤十一：重复步骤四到步骤十的操作过程，实现对ID号最低位为0的子系统软件升级，升级完成后ID号最低位为0的子系统进行状态监控；对ID号最低位为5的子系统进行一次控制参数修改，控制参数修改不影响上位机对ID号最低位为5的子系统的状态监控；对其余子系统一直进行状态监控。

Claims (2)

1.一种基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法，应用于大规模阵列式的多电平换流器(MMC)柔性直流输电换流站及阀控系统，其特征在于：上位机通过以太网分别与多块数据预处理板连接；每块数据预处理板和与其通信的子系统之间通过光纤、波分复用器和解复用器连接，数据预处理板和子系统之间发送通路和接收通路占用不同光纤；在发送通路中，数据预处理板的输出端通过多根数据预处理板输出光纤与发送通路波分复用器的输入端连接，发送通路波分复用器的输出端通过一根发送光纤连接发送通路解复用器的输入端，发送通路解复用器的输出端与子系统的输入端通过多根子系统输入光纤连接；在接收通路中，数据预处理板的输入端通过多跟数据预处理板输入光纤与接收通路解复用器的输出端连接，接收通路解复用器的输入端和接收通路波分复用器的输出端通过一根接收光纤连接，接收通路波分复用器的输入端和子系统的输出端通过多跟子系统输出光纤连接；如此在数据预处理板与各子系统之间构造出独立的通信通道；

对大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法具体如下：

步骤一：对大规模阵列式系统的子系统编号，所有子系统具有唯一ID；设置子系统以定时上传方式发送运行状态数据，以查询方式接收来自上位机的数据；

步骤二：当子系统数量超过一根光纤能够同时传输不同波长光信号的数量时，需对子系统分组，每组子系统数量不超过一根光纤能够同时传输不同波长光信号的数量，为每一组子系统分配一个数据预处理板，并对每一组子系统分配IP地址，该IP地址也是数据预处理板的IP地址；配置全部数据预处理板处于监听状态；

步骤三：生成待升级子系统的HEX格式升级文件，设置上位机在发送HEX文件数据时按行逐行发送；若无子系统进行软件升级，省略步骤三；

步骤四：上位机根据人机交互界面的操作指令或收到的子系统上传的数据，将需要发送给子系统的数据按照子系统所在组打包，分别发至对应IP地址的数据预处理板；当通过操作上位机选中部分或全部子系统进行软件升级时，上位机向选中子系统下发的是升级指令；若选中的子系统已经进入了升级模式，上位机接收到子系统发送的下一行数据请求指令时，上位机发送的是所有选中子系统HEX升级文件的下一行数据；若通过上位机对某些子系统的控制参数进行修改时，上位机向选中的子系统发送的是控制参数数据；既不进行软件升级又不需要进行参数修改的子系统，上位机不对其发送数据；上述数据按照子系统所在组打包，通过以太网发送至对应的数据预处理板；若所有子系统都不需要软件升级和参数修改，则跳转至步骤八；

步骤五：任一数据预处理板监听到对应IP的数据包后对数据进行读取，提取出对应IP下的各子系统数据，将分解后的子系统数据分别写入数据输出移位寄存器，并通过对应的数据预处理板输出光纤，送至发送通路的波分复用器；

步骤六：发送通路的波分复用器对来自数据预处理板的多路数据进行波分复用，并通过一根发送光纤将复用后的数据远距离传输至发送通路的解复用器，发送通路的解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过各子系统输入光纤发送至对应子系统；

步骤七：各子系统接收上位机发送的控制参数、软件升级命令、升级软件数据并对接收到的数据进行处理与响应；上位机选中的待升级子系统接收到升级指令后进入软件升级模式，并向上位机发送下一行数据请求；若上述待升级子系统已进入升级模式且收到软件升级数据，则将接收到的升级数据覆盖旧的应用程序，并向上位机发送下一行数据请求；若上述待升级子系统已将全部升级数据接收并烧写完毕，子系统复位执行更新后的软件，并进入状态监控模式；未处于升级模式的子系统接收到新的控制参数后，将新的控制参数赋值给对应变量，并在下一次主循环参与子系统的控制；

步骤八：处于状态监控的子系统上传运行状态参数、故障码数据；处于软件升级的子系统上传下一行数据请求；同组内多个子系统需要上传的数据通过子系统输出光纤送至接收通路的波分复用器，复用后的数据通过一根接收光纤远距离传输至接收通路的解复用器，接收通路的解复用器对复用后的数据分解，将分解后的数据通过数据预处理板输入光纤送至数据预处理板；

步骤九：数据预处理板通过数据输入移位寄存器接收到组内子系统发送的数据后，打包上传至上位机；

步骤十：上位机读取各数据预处理板上传的数据包，解析出各子系统上传数据；

步骤十一：重复步骤四到步骤十，实现选中子系统的软件升级，升级后的子系统进入状态监控模式进行状态监控；未选中的子系统实现状态监控；实现对处于状态监控模式下的子系统进行控制参数修改。

2.根据权利要求1所述的基于光纤通信的大规模阵列式系统状态监控与软件升级的方法，其特征在于：所述的数据预处理板包含一片FPGA和以太网接口芯片；FPGA内为数据预处理板相连的每一个子系统分配两个M4K存储器块，存储器块配置为移位寄存器工作模式，分别为数据输入移位寄存器和数据输出移位寄存器；数据输入移位寄存器的输入端口与数据预处理板输入光纤连接，数据输出移位寄存器的输出端口与数据预处理板输出光纤连接。

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