CN208255675U - 具备集群式通信能力的upqc装置的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，包括A/D数据采集系统、温度检测模块、故障报警模块、触摸屏键盘模块、显示模块、双机通信模块、ARM嵌入式平台、第一DSP处理器、第二DSP处理器、远程通讯模块。本实用新型由UPQC装置的控制器中的远程通讯模块搭建系统通讯集群系统，便于将不同地区的UPQC装置数据和控制数据进行实施传输，共同建立集群式分布式电源或新能源发电厂。

Description

具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，更具体的说，涉及一种具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器。

背景技术

目前，由于不同安装地点的光照（风速）、光向（风向）等也具有明显的差异，即使在同一个区域的DG或同一个风电场内的风电机组，每个DG或机组出力的变动也是不同步的。这种随机的、随风速变动的功率注入电网，将对电网的电能质量（电压波动、谐波、电压偏差等）造成复杂影响。然而，目前的UPQC装置一般都不具备通信能力只是自我检测的并完成当地电能质量治理工作，即只具备点治理能力且不便于集成、维修和更新升级。

发明内容

本实用新型的技术目的是克服现有技术中UPQC装置不具备通信能力且不便于维修和更新升级的问题，来提供一种便于升级、维修且具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器。

为实现以上技术目的，本实用新型的技术方案是：一种具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，包括A/D数据采集系统、温度检测模块、故障报警模块、触摸屏键盘模块、显示模块、双机通信模块、ARM嵌入式平台、第一DSP处理器、第二DSP处理器、远程通讯模块；

所述A/D数据采集系统包括用于采集各种电压电流信号的信号采集接口、信号调理电路、程控放大电路、滤波电路、A/D转换器，所述信号采集接口的输出端接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端接程控放大电路的输入端，所述程控放大电路的输出端接滤波电路，所述滤波电路的输出端接A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端接第一DSP处理器；

所述第一DSP处理器通过双机通信模块与第二DSP处理器交互连接；所述ARM嵌入式平台通过异步串口SCI通信方式分别与所述第一DSP处理器、第二DSP处理器交互连接，所述第二DSP处理器分别与串/并联变流器的保护电路以及串/并联变流器开关管的驱动电路相连，且所述第一DSP处理器、第二DSP处理器、ARM嵌入式平台的电源端分别与直接取电于UPQC装置直流侧的电源系统连接；

所述ARM嵌入式平台的输入端分别与温度检测模块、触摸屏键盘模块连接，所述ARM嵌入式平台的输出端分别与故障报警模块、显示模块连接；

所述ARM嵌入式平台还与远程通讯模块连接。

进一步的，所述的信号采集接口所采集的信号至少包括并联变流器所需的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流、直流电压、直流电流中的一种或多种，以及串联变流器所需的电网电压、负载电压、补偿电压、直流电压、补偿逆变器输出电流中的一种或多种。

进一步的，还包括外部时钟模块，所述外部时钟模块分别与所述第一DSP处理器、第二DSP处理器、所述ARM嵌入式平台连接。

进一步的，所述远程通讯模块包括4G通信单元与以太网网络通信单元，所述4G通信单元包括USB接口、4G通信模块，所述ARM嵌入式平台、USB接口、4G通信模块依次连接；所述以太网网络通信单元包括网卡芯片、网卡隔离变压器、RJ45接口，所述ARM嵌入式平台、网卡芯片、网卡隔离变压器、RJ45接口依次连接。

进一步的，所述A/D转换器由4片MAX125AEAX芯片构成。

进一步的，所述A/D数据采集系统还包括外部晶振电路，所述外部晶振电路还与所述A/D转换器连接。

本实用新型的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，具有以下有益效果：

1、本实用新型采用模块化的结构设计，将A/D数据采集、温度检测、故障报警、显示、双机通信等的电路结构分别进行模块化集成，使得各个模块具有独立性，当其中一个模块故障时，仅需维修该故障模块即可，大大减小维修强度，这样的模块化的结构一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面还可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。

2、本实用新型添加A/D数据采集系统，利用A/D数据采集系统中的信号调理电路、程控放大电路、滤波电路、A/D转换器等电路对采集到的模拟数据进行调理、放大、滤波、A/D转换等信号处理，将采集到的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号，然后再进行传输，这样能够大大提高数据传输的抗干扰能力，解决随机的、随风速变动的功率注入电网，将对电网的电能质量（电压波动、谐波、电压偏差等）造成复杂影响的问题。

3、本实用新型在第一DSP处理器与第二DSP处理器之间设计双机通信模块，利用双机通信模块可以使得第一DSP处理器与第二DSP处理器之间进行单独的数据交互传输，实现并行数据传输模式，减少了控制计算的延时，可以提高工作效率。

4、本实用新型采用远程通讯模块的设计，利用4G通信和以太网网络通信的来搭建UPQC装置区域向系统通讯集群，即在不同的地点安装UPQC装置，由UPQC装置的控制器中的远程通讯模块搭建系统通讯集群系统，便于将不同地区的UPQC装置数据和控制数据进行实施传输，共同建立集群式分布式电源或新能源发电厂。

5、本实用新型添加温度检测模块，利用温度检测模块来检测整个电路的温度，实现温度过高保护。

6、本实用新型将第一DSP处理器、第二DSP处理器、ARM嵌入式平台的时钟模块全部集成到外部时钟模块中，即采用外部集成的设计结构，一方面能够简化第一DSP处理器、第二DSP处理器、ARM嵌入式平台的电路结构，另一方面能够统一进行时钟设置管理，方便操作，便于维修和调试。

7、本实用新型通过信号采集接口来采集的信号UPQC装置中串、并联变流器所需的各种电压电流信号，在将这些电压电流信号经A/D数据采集系统进行调理、放大、滤波等处理后传输给第一DSP处理器，由第一DSP处理器发出串、并联变流器的谐波补偿指令电流，经双机通信模块传输给第二DSP处理器，由第二DSP处理器给UPQC装置发出控制指令，第一DSP处理器和第二DSP处理器还可以通过ARM嵌入式平台和远程通讯模块，以太网通信技术建立集群，通过网线将监测到的UPQC装置的数据实现区域性集群通信，应对集群式DG或新能源发电厂的电能质量新情况。

8、本实用新型采用模块化的结构设计，便于后期对各个模块进行升级更新，大大提高整个UPQC装置的控制器的延展性。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是实用新型的模块化结构框图；

图2是实用新型中A/D数据采集系统的组成示意图；

图3是本实用新型的远程通信模块的组成示意图;

图4是本实用新型的信号调理电路的电路原理图；

图5是本实用新型的A/D转换器的电路原理图；

图6是本实用新型的第二DSP处理器与外部时钟模块连接的电路图；

图7是本实用新型的第一DSP处理器的电路原理图；

图中，1、A/D数据采集系统；2、温度检测模块；3、故障报警模块；41、外部时钟模块；42、电源系统；5、触摸屏键盘模块；6、显示模块；71、双机通信模块；72、远程通讯模块；8、ARM嵌入式平台；9、第一DSP处理器；10、第二DSP处理器；11、信号采集接口；12、信号调理电路；13、程控放大电路；14、滤波电路；15、A/D转换器；16、外部晶振电路；

721、4G通信单元；722、以太网网络通信单元；7211、USB接口；7212、4G通信模块；7221、网卡芯片；7222、网卡隔离变压器；7223、 RJ45接口。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的一个实施例中，如图1-7，一种具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，包括A/D数据采集系统1、温度检测模块2、故障报警模块3、触摸屏键盘模块5、显示模块6、双机通信模块71、ARM嵌入式平台8、第一DSP处理器9、第二DSP处理器10、远程通讯模块72。

A/D数据采集系统1包括用于采集各种电压电流信号的信号采集接口11、信号调理电路12、程控放大电路13、滤波电路14、A/D转换器15，信号采集接口11的输出端接信号调理电路12的输入端，信号调理电路12的输出端接程控放大电路13的输入端，程控放大电路13的输出端接滤波电路14，滤波电路14的输出端接A/D转换器15的输入端，A/D转换器15的输出端接第一DSP处理器9。A/D转换器15由4片MAX125AEAX芯片构成，如图5所示。采用4片MAX125AEAX芯片能够实现多通道、高速、同时采样的功能，即可以同时采集线路的电压、开关经历的负荷电流和有功功率、无功功率等模拟量,并及时将上述信息发给第一DSP处理器,以确保电力系统的稳定运行。

其中，信号采集接口11所采集的信号至少包括并联变流器所需的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流、直流电压、直流电流中的一种或多种，以及串联变流器所需的电网电压、负载电压、补偿电压、直流电压、补偿逆变器输出电流中的一种或多种。

A/D数据采集系统1将信号采集接口11采集到的数据进行调理、放大、滤波、A/D转换等信号处理，将采集到的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号，经过多重信号处理能够解决随机的、随风速变动的功率注入电网，将对电网的电能质量（电压波动、谐波、电压偏差等）造成复杂影响的问题，如图4为信号调理电路的电路原理图。

然后再传输给第一DSP处理器9进行处理。第一DSP处理器9通过双机通信模块71与第二DSP处理器10交互连接；ARM嵌入式平台8通过异步串口SCI通信方式分别与第一DSP处理器9、第二DSP处理器10交互连接，第二DSP处理器10分别与串/并联变流器的保护电路以及串/并联变流器开关管的驱动电路相连，且第一DSP处理器9、第二DSP处理器10、ARM嵌入式平台8的电源端分别与直接取电于UPQC装置直流侧的电源系统42连接；ARM嵌入式平台8还与远程通讯模块72连接。

其中，第一DSP处理器9采用的是TMS320F28335，是32位浮点处理器，有18路的PWM输出及12位16通道ADC，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速，由它负责数据的分析与处理，符合本装置的功能性与经济性要求。

第二DSP处理器10采用的是TMS320F240，其工作频率为20MHz，由它负责UPQC装置的保护信号采集及执行机构的控制和驱动。

两个DSP处理器之间通过高速的双机通信模块71进行数据交互，实现了双DSP的并行，大大提高了CPU工作效率，且双机通信模块71采用的是RAM70261S；两个SP处理器之间的交互利用IDT公司的双口RAM70261S来完成，这种通信方式数据传输的速率很高而且抗干扰性能较好，还可以使得第一DSP处理器与第二DSP处理器之间进行单独的数据交互传输，实现并行数据传输模式，减少了控制计算的延时，可以提高工作效率。

ARM嵌入式平台8采用PHILIPS公司生产的基于ARM7TDMI-S核的LPC2378，其为32位微控制器，十分适合于需要串行通信的场合。系统可在高达72 MHz频率下运行，有高达512KB的片上Flash程序存储器，具有外部存储器控制器，4个UART控制器(其中，UART1比UART0、UART2、UART3增加了一个Modem接口)，2路CAN控制器,一个功能齐全的10/100 Mbps以太网MAC，1个SPI接口，3个I2C接口。

与ARM嵌入式平台8相连的远程通讯模块72提供了两种通信方式（4G通信和以太网网络通信），如需要可利用其中一种通信方式向主站上传实时监测数据。4G通信技术是能够快速、高质量地传输数据的远距离无线通信方式，非常适用于配电网网络调控中的远程通信，有利于UPQC装置的快速调控及大范围推广应用，同时节省人力物力；而以太网通信技术通过网线传输监测到的数据以及UPQC调控信息，其安全、稳定、快速、多点数据通信等特点同样适用与UPQC的远程通信。可以实现对中低压配电网的UPQC资源进行协调控制，使UPQC装置实现区域性集群通信，应对集群式DG或新能源发电厂的电能质量新情况。

远程通讯模块72包括4G通信单元721与以太网网络通信单元722，4G通信单元721包括USB接口7211、4G通信模块7212，ARM嵌入式平台8、USB接口7211、4G通信模块7212依次连接；以太网网络通信单元722包括网卡芯片7221、网卡隔离变压器7222、RJ45接口7223，ARM嵌入式平台8、网卡芯片7221、网卡隔离变压器7222、RJ45接口7223依次连接。

ARM嵌入式平台8的输入端分别与温度检测模块2、触摸屏键盘模块5连接，ARM嵌入式平台8的输出端分别与故障报警模块3、显示模块6连接。

其中，温度检测模块2用于温度过高保护控制，故障报警模块3用于提示装置运行时产生的故障类型。

工作原理：通过信号采集接口11采集并联变流器所需的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流、直流电压、直流电流以及串联变流器所需的电网电压、负载电压、补偿电压、直流电压、补偿逆变器输出电流后，将这些采集到的信号依次传输给信号调理电路12、程控放大电路13、滤波电路14、A/D转换器15后进行信号调理、放大、滤波、A/D等数据处理，然后传输给第一DSP处理器9，由第一DSP处理器9对数据进行分析和计算，根据控制策略生成串、并联变流器的谐波补偿指令电流，并通过双机通信模块传输给第二DSP处理器10，第二DSP处理器10对传输过来的数据进行处理，并向外部系统中执行机构（UPQC装置）的发出控制和驱动指令，产生串联变流器和并联变流器的PWM调制信号，UPQC装置接收到PWM调制信号后进行相应的动作；同时，ARM嵌入式平台8通过异步串口SCI通信方式与第一DSP处理器9、第二DSP处理器10进行交互通信，并将采集到的数据以后第一DSP处理器9、第二DSP处理器10发出控制指令通过显示模块显示，并通过远程通讯模块传输给远端服务器。

此外，本实用新型采用远程通讯模块的设计，利用4G通信和以太网网络通信的来搭建UPQC装置区域向系统通讯集群，即在不同的地点安装UPQC装置，由UPQC装置的控制器中的远程通讯模块来搭建系统通讯集群系统，便于将不同地区的UPQC装置数据和控制数据进行实施传输，共同建立集群式分布式电源或新能源发电厂，解决目前UPQC装置只具备点治理能力的问题。

本实用新型的另一个实施例中，本实用新型还包括外部时钟模块41，外部时钟模块41分别与第一DSP处理器9、第二DSP处理器10、ARM嵌入式平台8连接。将第一DSP处理器9、第二DSP处理器10、ARM嵌入式平台8的时钟模块全部集成起来，且采用外部集成的设计，一方面能够简化第一DSP处理器9、第二DSP处理器10、ARM嵌入式平台8的电路结构，另一方面能够统一进行时钟设置管理，方便操作，便于调试。

本实用新型的另一个实施例中，A/D数据采集系统1还包括外部晶振电路16，外部晶振电路16还与A/D转换器15连接。

本实用新型采用模块化的结构设计，将A/D数据采集、温度检测、故障报警、显示、双机通信等的电路结构分别进行模块化集成，使得各个模块具有独立性，当其中一个模块故障时，仅需维修该故障模块即可，大大减小维修强度，这样的模块化的结构一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面还可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。

本实用新型采用模块化的结构设计，还便于后期对各个模块进行升级更新，大大提高整个UPQC装置的控制器的延展性，当需要进行更新时，仅需将该模块更新后替换原有的模块，就可以实现产品的升级更新。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (7)

1.一种具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：包括A/D数据采集系统、温度检测模块、故障报警模块、触摸屏键盘模块、显示模块、双机通信模块、ARM嵌入式平台、第一DSP处理器、第二DSP处理器、远程通讯模块；

所述A/D数据采集系统包括用于采集各种电压电流信号的信号采集接口、信号调理电路、程控放大电路、滤波电路、A/D转换器，所述信号采集接口的输出端接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端接程控放大电路的输入端，所述程控放大电路的输出端接滤波电路，所述滤波电路的输出端接A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端接第一DSP处理器；

所述第一DSP处理器通过双机通信模块与第二DSP处理器交互连接；所述ARM嵌入式平台通过异步串口SCI通信方式分别与所述第一DSP处理器、第二DSP处理器交互连接，所述第二DSP处理器分别与串/并联变流器的保护电路以及串/并联变流器开关管的驱动电路相连，且所述第一DSP处理器、第二DSP处理器、ARM嵌入式平台的电源端分别与直接取电于UPQC装置直流侧的电源系统连接；

所述ARM嵌入式平台的输入端分别与温度检测模块、触摸屏键盘模块连接，所述ARM嵌入式平台的输出端分别与故障报警模块、显示模块连接；

所述ARM嵌入式平台还与远程通讯模块连接。

2.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：所述的信号采集接口所采集的信号至少包括并联变流器所需的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流、直流电压、直流电流中的一种或多种，以及串联变流器所需的电网电压、负载电压、补偿电压、直流电压、补偿逆变器输出电流中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：还包括外部时钟模块，所述外部时钟模块分别与所述第一DSP处理器、第二DSP处理器、所述ARM嵌入式平台连接。

4.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：所述远程通讯模块包括4G通信单元与以太网网络通信单元，所述4G通信单元包括USB接口、4G通信模块，所述ARM嵌入式平台、USB接口、4G通信模块依次连接；所述以太网网络通信单元包括网卡芯片、网卡隔离变压器、RJ45接口，所述ARM嵌入式平台、网卡芯片、网卡隔离变压器、RJ45接口依次连接。

5.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：所述A/D转换器由4片MAX125AEAX芯片构成。

6.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：所述A/D数据采集系统还包括外部晶振电路，所述外部晶振电路还与所述A/D转换器连接。

7.如权利要求1所述的具备集群式通信能力的UPQC装置的控制器，其特征在于：所述双机通信模块的主控芯片为RAM70261S。