專利名稱：一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATCOM控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，利用電力電子技術(shù)對電力系統(tǒng)主要參數(shù)進行調(diào)節(jié)與控 制，以提高電力系統(tǒng)的可控性、有效性、可靠性的“交流靈活輸電系統(tǒng)”，也就是柔性交流輸 電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems, FACTS)技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注、研究和應用?；陔妷涸茨孀兤鞯撵o止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATC0M)作為一種全新的基于全控器件的FACTS技術(shù)，其與傳統(tǒng)的晶閘管控制的靜止無功 補償裝置SVC相比較具有以下優(yōu)點，STATC0M的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍更寬，而這在采取 多重化、多電平或脈寬調(diào)制技術(shù)等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。更為重要的 是，STATC0M的電抗器和電容器遠比SVC中使用的電抗器和電容器小，這將大大縮小裝置的 體積和成本，因此，STATC0M顯示了動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。鏈式STATC0M裝置相對于其它拓撲結(jié)構(gòu)的STATC0M裝置而言，因具有開關(guān)頻率低、 需要最少數(shù)量的器件、易于實現(xiàn)模塊化和冗余運行可靠性高等優(yōu)點而備受關(guān)注。鏈式STATC0M的控制系統(tǒng)監(jiān)測、控制的數(shù)據(jù)很大，需要在每個采樣周期內(nèi)對所有 功率單元的開關(guān)行為進行實時控制，并相互交換信息，單獨的DSP (數(shù)字信號處理)或處理 器方式已經(jīng)無法滿足要求。例如專利號為CN1787322A、發(fā)明名稱為《基于DSP芯片的靜止 同步補償器非線形控制》的發(fā)明專利；專利號為CN101459340、發(fā)明名稱為《基于級聯(lián)式逆 變器的靜止同步補償混沌均衡控制系統(tǒng)》均采用DSP的控制結(jié)構(gòu)。目前普遍采用DSP+FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的控制結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)多路信號的輸入 輸出，但是當功率單元個數(shù)較多時，控制系統(tǒng)與變流器功率部分之間的連接電纜眾多，成本 增加，可靠性降低。同時，現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)正朝著多重化、模塊化的方向發(fā)展，通過 串并聯(lián)實現(xiàn)電壓和功率的擴展，因此對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于KherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，這種基于 EtherCAT以太網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)采用分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)，既具有高速、可靠、容量大的數(shù) 據(jù)傳輸通道，又能夠方便進行擴展，特別適用于鏈式STATC0M裝置。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其改進之處在于所述鏈式 STATC0M控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道基于實時的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT，所述鏈式STATC0M控 制系統(tǒng)為分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)，所述分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)包括主控制層、相控制層和單元 控制層。
其中所述主控制層經(jīng)光纖與相控制層聯(lián)接，所述相控制層經(jīng)光纖與單元控制層 聯(lián)接。其中所述主控制層包括主控機箱和模擬數(shù)據(jù)采集輸入機箱，所述相控制層包括 相耦合器機箱，所述單元控制層包括單元控制器。其中所述主控機箱包括電源單元和，分別設置有肚herCAT從站控制器的第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元； 所述第一 KherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護單元和 錄波單元配置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或光纖在EtherCAT控制網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)交換。其中所述調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元為DSP+FPGA，所述調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元 設置兩個EtherCAT從站控制器。其中所述相耦合器機箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、EtherCAT通訊擴展 單元和電源單元；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴展單元分別配置 EtherCAT從站控制器；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴展單元配置的 EtherCAT從站控制器通過LVDS或光纖在KherCAT控制網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)交換。其中所述主控制層通過主控機箱的調(diào)節(jié)保護單元配置的EtherCAT從站控制器 或者錄波單元配置的EtherCAT從站控制器，經(jīng)光纖與相控制層的EtherCAT通信擴展單元 進行通信，所述相控制層通過相耦合器機箱的EtherCAT通信擴展單元，經(jīng)光纖與單元控制 層的各單元控制器進行通信，所說單元控制層與鏈式STATC0M的底層模塊單元相連。其中所述主控機箱通過EtherCAT通信擴展單元可以擴展出模擬數(shù)據(jù)采集輸入 機箱、開關(guān)量輸入輸出機箱或錄波機箱，所述相控制層的相耦合器機箱可以通過EtherCAT 通信擴展單元擴展出相耦合器機箱。其中所述主控制層用于完成鏈式STATC0M總體的控制、監(jiān)測和保護，所述相控 制層用于完成鏈式STATC0M—整相的控制、監(jiān)測和保護，所述單元控制層用于完成鏈式 STATC0M底層模塊單元的控制、監(jiān)測和保護。本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，以實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通 道，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點數(shù)據(jù)傳送速度高波特率可達到IOOMbps ；電纜數(shù)少每個模塊單元只需要兩根連接電纜，在保證可靠性的前提下極大降低 了成本；交換速度快=EtherCAT報文經(jīng)過每個EtherCAT從站控制器實時進行數(shù)據(jù)的交換， 整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲；便于擴展通過耦合器的方式可以實現(xiàn)無限級聯(lián)；精確同步性由于可以在KherCAT網(wǎng)絡范圍內(nèi)使用誤差小于1微秒的精確排列分 布時鐘，保證了同時動作的分布式過程的精確同步；診斷能力強可以快速而準確的檢測出故障，并明確定位其所在位置；配置靈活可以在配置界面上對KherCAT從站控制器的數(shù)量、種類，數(shù)據(jù)交換的 站點、個數(shù)、類型等信息進行配置。


圖1為控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2為EtherCAT主站單元結(jié)構(gòu)3為調(diào)節(jié)保護單元結(jié)構(gòu)4為數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)5為開關(guān)量輸入輸單元的結(jié)構(gòu)6為光信號的輸入輸出示意7為EtherCAT通訊擴展單元結(jié)構(gòu)示意8為主控制層擴展分布式系統(tǒng)示意圖

PWM-脈寬調(diào)制，LVDS-差分信號傳輸接口，CPLD-復雜可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA-現(xiàn) 場可編程門陣列，DIDO-數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出，AI-模擬數(shù)據(jù)采集輸入，VBE-閥基電子， 10-輸入輸出，SRAM-靜止隨機存儲器，TMS320C6713-數(shù)字信號處理器，TMS320F28335-數(shù)字 信號處理器，AD-模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換，RS232-串行物理接口標準，DPRAM-雙口隨機存儲器， NOR FLASH-N0R閃存，NAND FLASH-NAND閃存，EEI3ROM-電可擦除只讀存儲器。
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明進行詳細的說明。首先對本發(fā)明的相關(guān)內(nèi)容做進一步說明本發(fā)明所述控制系統(tǒng)采用實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通道，基本 結(jié)構(gòu)如附圖1所示，所述控制系統(tǒng)包括主控機箱和相耦合器機箱(三相電路需要三個耦合 器機箱，分別為A/B/C，三個機箱構(gòu)成完全相同，為簡便起見，只畫出了 A相的耦合器機箱)。主控機箱包括第一 KherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單 元、調(diào)節(jié)保護單元、錄波單元和電源單元，除電源單元外，主控機箱內(nèi)其他每個單元都有一 個KherCAT從站控制器與KherCAT網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。主控機箱內(nèi)部的單元(電源單元除 外)，通過LVDS的連接進行通訊和數(shù)據(jù)交換，主控機箱與相耦合器機箱之間通過光纖連接 的KherCAT進行通訊。(1)所述第一 EtherCAT通訊管理單元的功能是用于實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的控制 發(fā)送、故障診斷定位、GPS校時等，并可以通過以太網(wǎng)模塊與筆記本相連，實現(xiàn)EtherCAT組 網(wǎng)的配置文件下載；(2)所述數(shù)據(jù)采集單元的功能是對一次電壓、電流進行二次變換、信號調(diào)理、AD采 樣等，并將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送到EtherCAT從站控制器；(3)所述開關(guān)量輸入輸出單元的功能是對開關(guān)量信號的采集、消抖和開關(guān)量信號 的輸出處理；(4)所述調(diào)節(jié)保護單元的功能是完成調(diào)節(jié)計算、故障的檢測和處理、裝置總體運行 方式的控制等，并通過另一個EtherCAT從站與相耦合器機箱相聯(lián)，相耦合器機箱將控制命 令和計算結(jié)果最終傳遞給鏈式STATC0M的單元模塊，同時接收單元模塊上傳的各種狀態(tài)信 息，調(diào)節(jié)保護單元采用了雙DSP+FPGA構(gòu)成；(5)所述錄波單元的功能是實現(xiàn)故障錄波功能，記錄故障發(fā)生前后的數(shù)據(jù)。
5
(6)調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，可統(tǒng)稱為CPU控制單元，調(diào)節(jié) 保護單元和錄波單元所不同的只是軟件程序。(7)所述電源單元的功能是為主機箱的其它單元提供工作所需的電源。相耦合器機箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)目可配置的EtherCAT通訊擴 展單元(單元數(shù)量根據(jù)鏈節(jié)模塊的多少確定，每塊可以連接4個從站)和電源單元。第二 EtherCAT通訊管理單元和KherCAT通訊擴展單元通過LVDS進行通訊，耦合器機箱與主控 機箱之間通過光纖連接的EtherCAT網(wǎng)進行通訊，耦合器機器與單元控制器單元之間通過 光纖連接的EtherCAT網(wǎng)進行通訊。(1)所述第二 EtherCAT通訊管理單元的功能是用于實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的控制 發(fā)送、故障診斷定位、GPS校時等，并可以通過以太網(wǎng)模塊與筆記本相連，實現(xiàn)EtherCAT組 網(wǎng)的UML配置文件下載，相耦合器機箱的第二 EtherCAT通訊管理單元與主控機箱的第一 EtherCAT通訊管理單元硬件結(jié)構(gòu)完全相同，所不同的只是軟件程序；(2)所述KherCAT通訊擴展單元用來實現(xiàn)KherCAT網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的改變，使它從 串型結(jié)構(gòu)變成星型結(jié)構(gòu)，以增強裝置的可擴展性和可靠性；(3)所述電源單元的功能是為模塊耦合器機箱的其它單元提供工作所需的電源， 相耦合器機箱的電源單元與主控機箱的電源單元硬件結(jié)構(gòu)完全相同。實施例1 EtherCAT通信管理單元，包括第一 EtherCAT通信管理單元和EtherCAT通信管 理單元，其結(jié)構(gòu)圖如附圖2所示，通過將DSP外擴兩片W3150A+，實現(xiàn)兩個百兆的以太網(wǎng)。 其中一個作為EtherCAT的主站，另一個作為最后一個從站的輸出直接接入的網(wǎng)口，構(gòu)成 EtherCAT的環(huán)網(wǎng)冗余；其中的一個ET1100將以太網(wǎng)的物理接口轉(zhuǎn)為LVDS，直接接入機箱 背板上的LVDS信號線；通過CPLD擴展部分IO 口，可用于實現(xiàn)多主站時的同步通訊、秒脈 沖信號的接入、或者來自AD從站的用于啟動主站發(fā)送數(shù)據(jù)的信號等；接受B碼校時信號； RS232/CAN 接口 備用。實施例2 CPU控制單元可以用于項目的控制和保護，或者錄波，針對不同的項目，可以采用 一個或者幾個單元。CPU控制單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖3所示。其中，DSP TMS320C6713通過 EtherCAT(LVDS接口從站模塊與其它的從站交換數(shù)據(jù)，如接收采集的數(shù)據(jù)、接收處理單元的 回報信息、發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令等，然后將接收到的數(shù)據(jù)作處理，完成大量 的計算功能；TMS320F28335的主要功能是通過DPRAM接收TMS320C6713處理后的數(shù)據(jù)和控 制保護信息，對接受到的信息做簡單的處理，發(fā)出PWM脈沖，發(fā)出控制保護命令；匪7010B+ 以太網(wǎng)模塊用于與上位機通訊，上傳SOE信息，接收定值信息等；TMS320F28335通過另一個 EtherCAT從站模塊(光頭接口)與另一個KherCAT網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)；CAN和RS232備用；FPGA 用于地址譯碼和開關(guān)量輸入輸出的擴展；NANFLASH用于錄波時使用。實施例3 數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖4所示。一共有12路14位的AD采樣，分別可作為 電壓采樣通路或者電流采樣通路。PT和CT的作用是分別將電壓和電流信號進行二次變送， 之后信號調(diào)理電路將上述的電壓和電流信號進行二次的調(diào)理，傳送給AD采樣芯片，供CPLD 處理，處理結(jié)果可以通過背板IO 口或者是LVDS總線進行傳輸。
實施例4 開關(guān)量輸入輸出單元包括電信號的開關(guān)量輸入輸出單元和光信號的輸入輸出單 元。電信號的開關(guān)量輸入輸出單元的結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示。開關(guān)量輸入的過程為從開關(guān)量 輸入端子輸入，經(jīng)過信號隔離之后，傳送給CPLD進行處理。開關(guān)量輸出的過程為從CPLD輸 出，經(jīng)過信號隔離之后，傳送給開關(guān)量輸出端子。電開關(guān)量輸入輸出單元通過背板IO 口和 LVDS總線與其它的單元進行數(shù)據(jù)傳輸和交換。光信號的開關(guān)量輸入輸出的結(jié)構(gòu)圖如附圖6 所示。開關(guān)量輸入的過程為從光纖接口輸入，傳送給CPLD進行處理。開關(guān)量輸出的過程為 從CPLD輸出，傳送給光纖接口。光開關(guān)量輸入輸出單元通過背板IO 口和LVDS總線與其它 的單元進行數(shù)據(jù)傳輸和交換。實施例5 EtherCAT通訊擴展單元的用途是改變EtherCAT網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，使它從串型結(jié) 構(gòu)變成星型結(jié)構(gòu)，以增強裝置的可靠性。通訊擴展單元的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖7所示。正常 運行時，數(shù)據(jù)流向為1- > 2- > 3- > 4- > 5- > 6，主站過來的報文數(shù)據(jù)從1 口進，從2 口 出，送到由EtherCAT通訊擴展單元弓|出的從站，再從3 口回到EtherCAT通訊擴展單元，再 從4 口出，送到其它的從站，報文數(shù)據(jù)歷經(jīng)其它的從站之后從5 口進，回到KherCAT通訊擴 展單元，再從6 口送出，回到主站。當由EtherCAT通訊擴展單元引出的從站發(fā)生故障或者 斷線時，數(shù)據(jù)流向為1-> 4-> 5->6，主站過來的報文數(shù)據(jù)從1 口進，當數(shù)據(jù)試圖從2 口 送出時，發(fā)現(xiàn)此路不通，然后它會自動將2 口和3 口自動閉合，不經(jīng)過該從站而自動將報文 數(shù)據(jù)送到端口 4，歷經(jīng)其它的從站之后回到肚herCAT通訊擴展單元。實施例6:當主控機箱的數(shù)據(jù)處理量增大至其無法由主控機箱完成數(shù)據(jù)處理時，所述主控機 箱可以通過EtherCAT通訊擴展單元擴展出AI機箱、DIDO機箱或者VBE機箱，此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于所述鏈式STATC0M 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道基于實時的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT，所述鏈式STATC0M控制系統(tǒng)為 分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)，所述分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)包括主控制層、相控制層和單元控制層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述主控制層經(jīng)光纖與相控制層聯(lián)接，所述相控制層經(jīng)光纖與單元控制層聯(lián)接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述主控制層包括主控機箱和模擬數(shù)據(jù)采集輸入機箱，所述相控制層包括相耦合器機 箱，所述單元控制層包括單元控制器。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述主控機箱包括電源單元和，分別設置有EtherCAT從站控制器的第一 EtherCAT通 訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元；所述第一 EtherCAT通訊管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元配 置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或光纖在EtherCAT控制網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)交換。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元為DSP+FPGA，所述調(diào)節(jié)保護單元和錄波單元設置兩個 EtherCAT從站控制器。
6.如權(quán)利要求3所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述相耦合器機箱包括第二 EtherCAT通訊管理單元、EtherCAT通訊擴展單元和電源單 元；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴展單元分別配置EtherCAT從站控 制器；所述第二 EtherCAT通訊管理單元和EtherCAT通訊擴展單元配置的EtherCAT從站控 制器通過LVDS或光纖在EtherCAT控制網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)交換。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于 所述主控制層通過主控機箱的調(diào)節(jié)保護單元配置的EtherCAT從站控制器或者錄波單元配 置的EtherCAT從站控制器，經(jīng)光纖與相控制層的EtherCAT通信擴展單元進行通信，所述相 控制層通過相耦合器機箱的KherCAT通信擴展單元，經(jīng)光纖與單元控制層的各單元控制 器進行通信，所說單元控制層與鏈式STATC0M的底層模塊單元相連。
8.如權(quán)利要求3所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述主控機箱通過EtherCAT通信擴展單元可以擴展出模擬數(shù)據(jù)采集輸入機箱、開關(guān)量 輸入輸出機箱或錄波機箱，所述相控制層的相耦合器機箱可以通過^herCAT通信擴展單 元擴展出相耦合器機箱。
9.如權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在 于所述主控制層用于完成鏈式STATC0M總體的控制、監(jiān)測和保護，所述相控制層用于完成 鏈式STATC0M —整相的控制、監(jiān)測和保護，所述單元控制層用于完成鏈式STATC0M底層模塊 單元的控制、監(jiān)測和保護。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于EtherCAT技術(shù)的鏈式STATCOM控制系統(tǒng)，本鏈式STATCOM控制系統(tǒng)采用實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT作為數(shù)據(jù)傳送的通道，采用分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)。本鏈式STATCOM控制系統(tǒng)分層分布式拓撲結(jié)構(gòu)包括主控制層、相控制層和單元控制層。所述主控制層包括主控制機箱等功能機箱；所述相控制層由相耦合器機箱構(gòu)成；所述單元控制層由單元控制器構(gòu)成。所述主機箱和相耦合器機箱之間通過光纖連接的EtherCAT進行通訊。本發(fā)明所述控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送速度高、電纜數(shù)少、交換速度快、便于擴展、精確同步性、診斷能力強和配置靈活。
文檔編號G05B19/418GK102096407SQ20111003121
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者俞旭峰, 冶鐵, 孫麗敬, 昃萌, 王清濤, 王軒, 蔣曉春, 蔡林海, 趙小英, 趙瑞斌, 鄒儉, 鄭青青 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學研究院, 中電普瑞科技有限公司