一種基於EtherCAT技術的鏈式STATCOM控制系統的製作方法
2023-05-15 18:53:06
專利名稱：一種基於EtherCAT技術的鏈式STATCOM控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統技術領域，具體涉及一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M 控制系統。
背景技術：
隨著電力工業的迅猛發展，利用電力電子技術對電力系統主要參數進行調節與控 制，以提高電力系統的可控性、有效性、可靠性的「交流靈活輸電系統」，也就是柔性交流輸 電系統(Flexible AC Transmission Systems, FACTS)技術，得到了廣泛的關注、研究和應用。基於電壓源逆變器的靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATC0M)作為一種全新的基於全控器件的FACTS技術，其與傳統的晶閘管控制的靜止無功 補償裝置SVC相比較具有以下優點，STATC0M的調節速度更快，運行範圍更寬，而這在採取 多重化、多電平或脈寬調製技術等措施後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顯示了動態無功補償裝置的發展方向。鏈式STATC0M裝置相對於其它拓撲結構的STATC0M裝置而言，因具有開關頻率低、 需要最少數量的器件、易於實現模塊化和冗餘運行可靠性高等優點而備受關注。鏈式STATC0M的控制系統監測、控制的數據很大，需要在每個採樣周期內對所有 功率單元的開關行為進行實時控制，並相互交換信息，單獨的DSP (數位訊號處理)或處理 器方式已經無法滿足要求。例如專利號為CN1787322A、發明名稱為《基於DSP晶片的靜止 同步補償器非線形控制》的發明專利；專利號為CN101459340、發明名稱為《基於級聯式逆 變器的靜止同步補償混沌均衡控制系統》均採用DSP的控制結構。目前普遍採用DSP+FPGA(現場可編程門陣列)的控制結構以實現多路信號的輸入 輸出，但是當功率單元個數較多時，控制系統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，現代大功率電力電子技術正朝著多重化、模塊化的方向發展，通過 串並聯實現電壓和功率的擴展，因此對控制系統提出了更高的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於KherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，這種基於 EtherCAT乙太網技術的控制系統採用分層分布式拓撲結構，既具有高速、可靠、容量大的數 據傳輸通道，又能夠方便進行擴展，特別適用於鏈式STATC0M裝置。為達到上述發明目的，本發明採用的技術方案如下一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其改進之處在於所述鏈式 STATC0M控制系統的數據傳輸通道基於實時的工業乙太網EtherCAT，所述鏈式STATC0M控 制系統為分層分布式拓撲結構，所述分層分布式拓撲結構包括主控制層、相控制層和單元 控制層。
其中所述主控制層經光纖與相控制層聯接，所述相控制層經光纖與單元控制層 聯接。其中所述主控制層包括主控機箱和模擬數據採集輸入機箱，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、數據採集單元、開關量輸入輸出單元、調節保護單元和錄波單元； 所述第一 KherCAT通訊管理單元、數據採集單元、開關量輸入輸出單元、調節保護單元和 錄波單元配置的EtherCAT從站控制器通過LVDS或光纖在EtherCAT控制網內進行數據交換。其中所述調節保護單元和錄波單元為DSP+FPGA，所述調節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控制網內進行數據交換。其中所述主控制層通過主控機箱的調節保護單元配置的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據採集輸入 機箱、開關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於完成鏈式STATC0M總體的控制、監測和保護，所述相控 制層用於完成鏈式STATC0M—整相的控制、監測和保護，所述單元控制層用於完成鏈式 STATC0M底層模塊單元的控制、監測和保護。本發明由於採用上述技術方案，以實時工業乙太網EtherCAT作為數據傳送的通 道，與現有技術相比，具有以下優點數據傳送速度高波特率可達到IOOMbps ；電纜數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報文經過每個EtherCAT從站控制器實時進行數據的交換， 整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲；便於擴展通過耦合器的方式可以實現無限級聯；精確同步性由於可以在KherCAT網絡範圍內使用誤差小於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，並明確定位其所在位置；配置靈活可以在配置界面上對KherCAT從站控制器的數量、種類，數據交換的 站點、個數、類型等信息進行配置。
圖1為控制系統基本結構2為EtherCAT主站單元結構3為調節保護單元結構4為數據採集單元結構5為開關量輸入輸單元的結構6為光信號的輸入輸出示意7為EtherCAT通訊擴展單元結構示意8為主控制層擴展分布式系統示意圖
PWM-脈寬調製，LVDS-差分信號傳輸接口，CPLD-複雜可編程邏輯器件，FPGA-現 場可編程門陣列，DIDO-數字量輸入數字量輸出，AI-模擬數據採集輸入，VBE-閥基電子， 10-輸入輸出，SRAM-靜止隨機存儲器，TMS320C6713-數位訊號處理器，TMS320F28335-數字 信號處理器，AD-模擬量數字量轉換，RS232-串行物理接口標準，DPRAM-雙口隨機存儲器， NOR FLASH-N0R快閃記憶體，NAND FLASH-NAND快閃記憶體，EEI3ROM-電可擦除只讀存儲器。
具體實施例方式下面結合實例對本發明進行詳細的說明。首先對本發明的相關內容做進一步說明本發明所述控制系統採用實時工業乙太網EtherCAT作為數據傳送的通道，基本 結構如附圖1所示，所述控制系統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、數據採集單元、開關量輸入輸出單 元、調節保護單元、錄波單元和電源單元，除電源單元外，主控機箱內其他每個單元都有一 個KherCAT從站控制器與KherCAT網進行數據交換。主控機箱內部的單元(電源單元除 外)，通過LVDS的連接進行通訊和數據交換，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於實現EtherCAT數據幀的控制 發送、故障診斷定位、GPS校時等，並可以通過乙太網模塊與筆記本相連，實現EtherCAT組 網的配置文件下載；(2)所述數據採集單元的功能是對一次電壓、電流進行二次變換、信號調理、AD採 樣等，並將AD轉換數據送到EtherCAT從站控制器；(3)所述開關量輸入輸出單元的功能是對開關量信號的採集、消抖和開關量信號 的輸出處理；(4)所述調節保護單元的功能是完成調節計算、故障的檢測和處理、裝置總體運行 方式的控制等，並通過另一個EtherCAT從站與相耦合器機箱相聯，相耦合器機箱將控制命 令和計算結果最終傳遞給鏈式STATC0M的單元模塊，同時接收單元模塊上傳的各種狀態信 息，調節保護單元採用了雙DSP+FPGA構成；(5)所述錄波單元的功能是實現故障錄波功能，記錄故障發生前後的數據。
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(6)調節保護單元和錄波單元的硬體結構完全相同，可統稱為CPU控制單元，調節 保護單元和錄波單元所不同的只是軟體程序。(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、數目可配置的EtherCAT通訊擴 展單元(單元數量根據鏈節模塊的多少確定，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網進行通訊。(1)所述第二 EtherCAT通訊管理單元的功能是用於實現EtherCAT數據幀的控制 發送、故障診斷定位、GPS校時等，並可以通過乙太網模塊與筆記本相連，實現EtherCAT組 網的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通訊管理單元硬體結構完全相同，所不同的只是軟體程序；(2)所述KherCAT通訊擴展單元用來實現KherCAT網絡拓撲結構的改變，使它從 串型結構變成星型結構，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體結構完全相同。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，其結構圖如附圖2所示，通過將DSP外擴兩片W3150A+，實現兩個百兆的乙太網。 其中一個作為EtherCAT的主站，另一個作為最後一個從站的輸出直接接入的網口，構成 EtherCAT的環網冗餘；其中的一個ET1100將乙太網的物理接口轉為LVDS，直接接入機箱 背板上的LVDS信號線；通過CPLD擴展部分IO 口，可用於實現多主站時的同步通訊、秒脈 衝信號的接入、或者來自AD從站的用於啟動主站發送數據的信號等；接受B碼校時信號； RS232/CAN 接口 備用。實施例2 CPU控制單元可以用於項目的控制和保護，或者錄波，針對不同的項目，可以採用 一個或者幾個單元。CPU控制單元的結構圖如附圖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據，如接收採集的數據、接收處理單元的 回報信息、發送處理後的數據以及發送控制命令等，然後將接收到的數據作處理，完成大量 的計算功能；TMS320F28335的主要功能是通過DPRAM接收TMS320C6713處理後的數據和控 制保護信息，對接受到的信息做簡單的處理，發出PWM脈衝，發出控制保護命令；匪7010B+ 乙太網模塊用於與上位機通訊，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網絡交換數據；CAN和RS232備用；FPGA 用於地址解碼和開關量輸入輸出的擴展；NANFLASH用於錄波時使用。實施例3 數據採集單元的結構圖如附圖4所示。一共有12路14位的AD採樣，分別可作為 電壓採樣通路或者電流採樣通路。PT和CT的作用是分別將電壓和電流信號進行二次變送， 之後信號調理電路將上述的電壓和電流信號進行二次的調理，傳送給AD採樣晶片，供CPLD 處理，處理結果可以通過背板IO 口或者是LVDS總線進行傳輸。
實施例4 開關量輸入輸出單元包括電信號的開關量輸入輸出單元和光信號的輸入輸出單 元。電信號的開關量輸入輸出單元的結構圖如附圖5所示。開關量輸入的過程為從開關量 輸入端子輸入，經過信號隔離之後，傳送給CPLD進行處理。開關量輸出的過程為從CPLD輸 出，經過信號隔離之後，傳送給開關量輸出端子。電開關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據傳輸和交換。光信號的開關量輸入輸出的結構圖如附圖6 所示。開關量輸入的過程為從光纖接口輸入，傳送給CPLD進行處理。開關量輸出的過程為 從CPLD輸出，傳送給光纖接口。光開關量輸入輸出單元通過背板IO 口和LVDS總線與其它 的單元進行數據傳輸和交換。實施例5 EtherCAT通訊擴展單元的用途是改變EtherCAT網絡的拓撲結構，使它從串型結 構變成星型結構，以增強裝置的可靠性。通訊擴展單元的結構示意圖如附圖7所示。正常 運行時，數據流向為1- > 2- > 3- > 4- > 5- > 6，主站過來的報文數據從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，報文數據歷經其它的從站之後從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生故障或者 斷線時，數據流向為1-> 4-> 5->6，主站過來的報文數據從1 口進，當數據試圖從2 口 送出時，發現此路不通，然後它會自動將2 口和3 口自動閉合，不經過該從站而自動將報文 數據送到埠 4，歷經其它的從站之後回到肚herCAT通訊擴展單元。實施例6:當主控機箱的數據處理量增大至其無法由主控機箱完成數據處理時，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，此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來 說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1.一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在於所述鏈式STATC0M 控制系統的數據傳輸通道基於實時的工業乙太網EtherCAT，所述鏈式STATC0M控制系統為 分層分布式拓撲結構，所述分層分布式拓撲結構包括主控制層、相控制層和單元控制層。
2.如權利要求1所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於所述主控制層經光纖與相控制層聯接，所述相控制層經光纖與單元控制層聯接。
3.如權利要求1所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於所述主控制層包括主控機箱和模擬數據採集輸入機箱，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.如權利要求3所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於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、數據採集單元、開關量輸入輸出單元、調節保護單元和錄波單元；所述第一 EtherCAT通訊管理單元、數據採集單元、開關量輸入輸出單元、調節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控制網內進行數據交換。
5.如權利要求4所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於所述調節保護單元和錄波單元為DSP+FPGA，所述調節保護單元和錄波單元設置兩個 EtherCAT從站控制器。
6.如權利要求3所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於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控制網內進行數據交換。
7.如權利要求1所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在於 所述主控制層通過主控機箱的調節保護單元配置的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.如權利要求3所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於所述主控機箱通過EtherCAT通信擴展單元可以擴展出模擬數據採集輸入機箱、開關量 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.如權利要求1所述的一種基於EtherCAT技術的鏈式STATC0M控制系統，其特徵在 於所述主控制層用於完成鏈式STATC0M總體的控制、監測和保護，所述相控制層用於完成 鏈式STATC0M —整相的控制、監測和保護，所述單元控制層用於完成鏈式STATC0M底層模塊 單元的控制、監測和保護。
全文摘要
本發明提供一種基於EtherCAT技術的鏈式STATCOM控制系統，本鏈式STATCOM控制系統採用實時工業乙太網EtherCAT作為數據傳送的通道，採用分層分布式拓撲結構。本鏈式STATCOM控制系統分層分布式拓撲結構包括主控制層、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成；所述單元控制層由單元控制器構成。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。本發明所述控制系統數據傳送速度高、電纜數少、交換速度快、便於擴展、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 優先權日2011年1月28日
發明者俞旭峰, 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