CN113885453A - 一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，包括若干个能量流装置、单能量装置控制系统和核心控制机柜；每个能量流装置均对应配置有单能量装置控制系统；所述单能量装置控制系统与核心控制机柜相互通信；所述单能量装置控制系统用于接收来自核心控制机柜的指令，并根据接收到的指令执行针对对应的能量流装置的控制操作并收集对应的能量流装置的状态信息；所述单能量装置控制系统将收集到的能量流装置的状态信息反馈至核心控制机柜；核心控制机柜接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息，并根据能量流装置的状态信息生成指令下发至单能量装置控制系统。本发明增强大功率电力电子装置自动化生产水平和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统。
背景技术
由于集中式计算具有巨大的功耗及成本，分布式计算得到了长足的发展。随着通信和网络技术突破性发展，在很多行业都可以看到分布式去中心化的影子，分布式去中心化思想符合当今科技发展的大趋势。分布式控制在大功率复杂电力电子装置中也具有应用前景。随着电力电子装置不断地向智能化和数据驱动发展，引入了越来越多的数据接口，集中式控制下的大容量电力电子装置控制器接口数量和接口类型繁多，增加了高可靠运行和自动化生产的难度与成本。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，以解决集中式控制存在的问题，减少电力电子装置线缆量，提高可靠性，增强大功率电力电子装置自动化生产水平和灵活性。
本发明采用的技术方案是：一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，包括若干个能量流装置、单能量装置控制系统和核心控制机柜；每个能量流装置均对应配置有单能量装置控制系统；所述单能量装置控制系统与核心控制机柜相互通信；所述单能量装置控制系统用于接收来自核心控制机柜的指令，并根据接收到的指令执行针对对应的能量流装置的控制操作并收集对应的能量流装置的状态信息；所述单能量装置控制系统将收集到的能量流装置的状态信息反馈至核心控制机柜；核心控制机柜接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息，并根据能量流装置的状态信息生成指令下发至单能量装置控制系统。
上述技术方案中，所述核心控制机柜包括基础层和应用层，所述基础层接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息并将接收到的能量流装置的状态信息进行处理后发送至应用层；所述应用层基于接收到的经过处理的能量流装置的状态信息执行电力电子装置核心控制算法的计算以及与上级系统的数据交互以生成控制指令并发送至基础层；所述基础层接收来自应用层的控制指令并进行处理分析从而生成针对指定能量流控制装置的指令，并将所述指令发送至对应的单能量装置控制系统。
上述技术方案中，所述核心控制机柜还包括维护层，所述维护层由冗余的控制维护计算机组成，用于接收外部输入的控制指令并基于控制指令部署应用层的计算任务和计算资源，还用于通过接收来自应用层和基础层的运行数据对应用层和基础层进行健康状态检测和故障切除。
上述技术方案中，所述单能量装置控制系统包括若干个核心关键从控制器、若干个普通从控制器和SRIO交换机；每个核心关键从控制器和普通从控制器分别用于实现对能量流装置中某个指定的功能模块的控制和状态信息收集；所述核心关键从控制器根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；所述核心关键模块是指实时性要求高，事关装置安全运行和关键参数实现的功能模块；所述普通从控制器用于根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；任意一个核心关键从控制器通过SRIO交换机与核心控制机柜以及其所在的单能量装置控制系统中其他核心关键从控制器进行数据交互；任意一个普通从控制器通过CAN总线与其所在的单能量装置控制系统中其他普通从控制器进行数据交互；所述CAN总线通过网关接入SRIO交换机；任意一个普通从控制器通过CAN总线、网关和SRIO交换机与核心控制机柜进行数据交互。
上述技术方案中，所述基础层包括FPGA计算池和网络池；所述网络池由SRIO交换机和以太网交换机组成；所述网络池接收单能量装置控制系统反馈的能量流装置的状态信息或者应用层生成控制指令并将其发送至FPGA计算池；FPGA计算池由若干个FPGA板卡组成；每块FPGA板卡基于接收到的能量流装置的状态信息或者控制指令完成执行该FPGA板卡的设定功能对应的数据处理操作；FPGA板卡设定的功能包括：IO控制数据生成、IO信号采集数据打包及预处理、模拟量信号预处理；FPGA板卡将处理后生成的能量流装置的状态数据通过网络池发送至应用层；FPGA板卡将处理后生成的指令发送通过网络池至对应的单能量装置控制系统。
上述技术方案中，所述应用层包括DSP计算池和CPU计算池；DSP计算池和CPU计算池之间通过网络池进行运算结果的数据交互；DSP计算池由若干DSP板卡组成，用于实现电力电子装置核心控制算法计算；CPU计算池由若干CPU计算板卡组成，用于实现与上级系统数据交互及部分计算功能；对实时性要求低计算负载较大的算法用CPU计算池完成，对实时性要求较强的算法用DSP池完成。
上述技术方案中，根据不同电力电子装置中各个功能模块的不同需求固化各个功能模块对应的核心关键从控制器或者普通从控制器的程序。
上述技术方案中，所述能量流装置、单能量装置控制系统、FPGA计算池和网络池属于同步域；维护层、CPU计算池与DSP计算池均属非同步域。
上述技术方案中，所述维护层通过以太网接入网络池，实现与基础层和应用层的数据交互；操作人员基于实际需求通过维护层生成控制指令确定某个算法部署于DSP池或者CPU池；DSP池和CPU池基于控制指令执行对应的算法。
本发明的有益效果是：提升了大功率复杂电力电子装置信息系统的去中心化水平，使得装置的可靠性不再依赖于某一个计算板卡，为每个电力电子装置提供了更为灵活、更为丰富的计算资源。核心控制机柜包含丰富的计算资源和多台能量流装置的数据，为数据驱动的电力电子装置和更大范围内电力电子装置的智能化提供数据支撑和计算能力支撑。核心控制机柜本质上为异构计算架构，通过有效的协同工作和任务划分满足功能、性能要求，对每块单独板卡的性能要求、设计能力要求以及可靠性要求均不高，有效降低整体的硬件成本，同时提高可靠性。本发明通过对不同电力电子装置需求的统计分析，实现单能量装置控制系统中核心关键从控制器和普通从控制器的固化，通过对控制算法及处理数据的分析提取计算特征，实现大部分FPGA计算池驱动的固化，用户针对自身应用仅需要开发特定FPGA驱动，并基于DSP或CPU开发核心控制算法即可，可缩短开发周期，提升验证效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：包括若干个能量流装置、单能量装置控制系统和核心控制机柜；每个能量流装置均对应配置有单能量装置控制系统；所述单能量装置控制系统与核心控制机柜相互通信；所述单能量装置控制系统用于接收来自核心控制机柜的指令，并根据接收到的指令执行针对对应的能量流装置的控制操作并收集对应的能量流装置的状态信息；所述单能量装置控制系统将收集到的能量流装置的状态信息反馈至核心控制机柜；核心控制机柜接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息，并根据能量流装置的状态信息生成指令下发至单能量装置控制系统。
上述技术方案中，所述核心控制机柜包括基础层和应用层，所述基础层接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息并将接收到的能量流装置的状态信息进行处理后发送至应用层；所述应用层基于接收到的经过处理的能量流装置的状态信息执行电力电子装置核心控制算法的计算以及与上级系统的数据交互以生成控制指令并发送至基础层；所述基础层接收来自应用层的控制指令并进行处理分析从而生成针对指定能量流控制装置的指令，并将所述指令发送至对应的单能量装置控制系统。
上述技术方案中，所述核心控制机柜还包括维护层，所述维护层由冗余的控制维护计算机组成，用于接收外部输入的控制指令并基于控制指令部署应用层的计算任务和计算资源，还用于通过接收来自应用层和基础层的运行数据对应用层和基础层进行健康状态检测和故障切除。
上述技术方案中，所述单能量装置控制系统包括若干个核心关键从控制器、若干个普通从控制器和SRIO交换机；每个核心关键从控制器和普通从控制器分别用于实现对能量流装置中某个指定的功能模块的控制和状态信息收集；所述核心关键从控制器根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；所述核心关键模块是指实时性要求高，事关装置安全运行和关键参数实现的功能模块；所述普通从控制器用于根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；任意一个核心关键从控制器通过SRIO交换机与核心控制机柜以及其所在的单能量装置控制系统中其他核心关键从控制器进行数据交互；任意一个普通从控制器通过CAN总线与其所在的单能量装置控制系统中其他普通从控制器进行数据交互；所述CAN总线通过网关接入SRIO交换机；任意一个普通从控制器通过CAN总线、网关和SRIO交换机与核心控制机柜进行数据交互。
具体地，所述核心关键从控制器的核心处理器为FPGA，所述普通从控制器的核心处理器为FPGA或MCU。所述SRIO交换机实现本单能量装置控制系统内各SRIO设备以及核心控制机柜相互之间的数据交互；CAN总线通过CAN到SRIO网关接入SRIO交换机，核心关键从控制器直接接入SRIO交换机，各个单能量机柜控制系统通过SRIO交换机接入核心控制机柜。
所述CAN与SRIO转换网关的作用为：普通从控制器相互之间通过CAN总线实现数据交互，CAN总线可通过该网关接入SRIO交换机。
本发明根据不同电力电子装置中各个功能模块的不同需求固化各个功能模块对应的核心关键从控制器或者普通从控制器的程序，使得装置的可靠性不再依赖于某一个计算板卡，为每个电力电子装置提供了更为灵活、更为丰富的计算资源。
上述技术方案中，所述基础层包括FPGA计算池和网络池；所述网络池由多个SRIO交换机和以太网交换机组成；所述网络池接收单能量装置控制系统反馈的能量流装置的状态信息或者应用层生成控制指令并将其发送至FPGA计算池，实现各信息模块相互之间的数据交互。FPGA计算池由若干个FPGA板卡组成，用于实现同步域内各信息设备百纳秒级以下同步；每块FPGA板卡基于接收到的能量流装置的状态信息或者控制指令完成执行该FPGA板卡的设定功能对应的数据处理操作；每块FPGA板卡基于实际需求对其功能进行设定，设定的功能包括：IO控制数据生成、IO信号采集数据打包及预处理、模拟量信号预处理等。FPGA板卡将处理后生成的能量流装置的状态数据通过网络池发送至应用层；FPGA板卡将处理后生成的指令发送通过网络池至对应的单能量装置控制系统。FPGA池本质上是连接能量流装置内各个从控制器与下述应用层计算池的驱动层。
所述能量流装置、单能量装置控制系统、FPGA计算池和网络池属于同步域，由于分布式控制需要实时得到相关信息，因此需要在同步域内进行；维护层、CPU计算池与DSP计算池均属非同步域。上述设置保证了计算资源的有效利用和计算结果的实时性。
上述技术方案中，所述应用层包括DSP计算池和CPU计算池；用于DSP计算池和CPU计算池在执行各自的算法时需要调用彼此的运算结果，所以DSP计算池和CPU计算池之间通过网络池进行运算结果的数据交互。DSP计算池由若干DSP板卡组成，用于实现电力电子装置核心控制算法计算；CPU计算池由若干CPU计算板卡组成，用于实现与上级系统数据交互及部分计算功能；对实时性要求低计算负载较大的算法用CPU计算池完成，对实时性要求较强的算法用DSP池完成。所述维护层通过以太网接入网络池，实现与基础层和应用层的数据交互；操作人员基于实际需求通过维护层生成控制指令确定某个算法部署于DSP池或者CPU池；DSP池和CPU池中的板卡基于控制指令执行对应的算法。本发明可基于实际需求对DSP池和CPU池执行的算法进行有效部署，可有效适用于不同的计算需求。同时本发明对计算资源和计算任务进行合理规划，有效提高了整体的计算效率。
具体地，所述核心控制机柜通过网络池(SRIO+以太网)完成FPGA计算池、DSP计算池、CPU计算池以及控制维护计算机等计算维护资源，以及底层能量流机柜信息设备之间的数据交互。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：包括若干个能量流装置、单能量装置控制系统和核心控制机柜；每个能量流装置均对应配置有单能量装置控制系统；所述单能量装置控制系统与核心控制机柜相互通信；所述单能量装置控制系统用于接收来自核心控制机柜的指令，并根据接收到的指令执行针对对应的能量流装置的控制操作并收集对应的能量流装置的状态信息；所述单能量装置控制系统将收集到的能量流装置的状态信息反馈至核心控制机柜；核心控制机柜接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息，并根据能量流装置的状态信息生成指令下发至单能量装置控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述核心控制机柜包括基础层和应用层，所述基础层接收来自单能量装置控制系统的能量流装置的状态信息并将接收到的能量流装置的状态信息进行处理后发送至应用层；所述应用层基于接收到的经过处理的能量流装置的状态信息执行电力电子装置核心控制算法的计算以及与上级系统的数据交互以生成控制指令并发送至基础层；所述基础层接收来自应用层的控制指令并进行处理分析从而生成针对指定能量流控制装置的指令，并将所述指令发送至对应的单能量装置控制系统。
3.根据权利要求2所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述核心控制机柜还包括维护层，所述维护层由冗余的控制维护计算机组成，用于接收外部输入的控制指令并基于控制指令部署应用层的计算任务和计算资源，还用于通过接收来自应用层和基础层的运行数据对应用层和基础层进行健康状态检测和故障切除。
4.根据权利要求2所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述单能量装置控制系统包括若干个核心关键从控制器、若干个普通从控制器和SRIO交换机；每个核心关键从控制器和普通从控制器分别用于实现对能量流装置中某个指定的功能模块的控制和状态信息收集；所述核心关键从控制器根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；所述核心关键模块是指实时性要求高，事关装置安全运行和关键参数实现的功能模块；所述普通从控制器用于根据核心控制机柜下发的指令执行对应的能量流装置中核心关键模块的控制和状态信息收集；任意一个核心关键从控制器通过SRIO交换机与核心控制机柜以及其所在的单能量装置控制系统中其他核心关键从控制器进行数据交互；任意一个普通从控制器通过CAN总线与其所在的单能量装置控制系统中其他普通从控制器进行数据交互；所述CAN总线通过网关接入SRIO交换机；任意一个普通从控制器通过CAN总线、网关和SRIO交换机与核心控制机柜进行数据交互。
5.根据权利要求2所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述基础层包括FPGA计算池和网络池；所述网络池由SRIO交换机和以太网交换机组成；所述网络池接收单能量装置控制系统反馈的能量流装置的状态信息或者应用层生成控制指令并将其发送至FPGA计算池；FPGA计算池由若干个FPGA板卡组成；每块FPGA板卡基于接收到的能量流装置的状态信息或者控制指令完成执行该FPGA板卡的设定功能对应的数据处理操作；FPGA板卡设定的功能包括：IO控制数据生成、IO信号采集数据打包及预处理、模拟量信号预处理；FPGA板卡将处理后生成的能量流装置的状态数据通过网络池发送至应用层；FPGA板卡将处理后生成的指令发送通过网络池至对应的单能量装置控制系统。
6.根据权利要求2所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述应用层包括DSP计算池和CPU计算池；DSP计算池和CPU计算池之间通过网络池进行运算结果的数据交互；DSP计算池由若干DSP板卡组成，用于实现电力电子装置核心控制算法计算；CPU计算池由若干CPU计算板卡组成，用于实现与上级系统数据交互及部分计算功能；对实时性要求低计算负载较大的算法用CPU计算池完成，对实时性要求较强的算法用DSP池完成。
7.根据权利要求4所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：根据不同电力电子装置中各个功能模块的不同需求固化各个功能模块对应的核心关键从控制器或者普通从控制器的程序。
8.根据权利要求4所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述能量流装置、单能量装置控制系统、FPGA计算池和网络池属于同步域；维护层、CPU计算池与DSP计算池均属非同步域。
9.根据权利要求6所述的一种大容量电力电子装置交换分布式控制系统，其特征在于：所述维护层通过以太网接入网络池，实现与基础层和应用层的数据交互；操作人员基于实际需求通过维护层生成控制指令确定某个算法部署于DSP池或者CPU池；DSP池和CPU池基于控制指令执行对应的算法。
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