一種基於通信實現的分布式同步採樣控制系統及其方法
2023-10-11 17:38:44
一種基於通信實現的分布式同步採樣控制系統及其方法
【專利摘要】本發明涉及的是一種基於通信的分布式同步採樣控制系統及其方法，系統包括多個分布式單元和一個主控單元；主控單元為主控制器，分布式單元包括分布式數據採集單元、分布式控制執行單元、數據採集及控制執行單元。主控單元和分布式單元均設置有用於完成主控單元及分布式單元之間的通信編解碼、同步信號解析、守時的FPGA，主控單元還設置有DSP。本發明利用FPAG的高度時間確定性，採用通信的方式實現各分布式單元和主控制器的高精度同步採樣和控制，並採用時間參數的自學習算法，實現分布式單元在通信受到幹擾後中斷或丟幀情況下的守時。其系統構成簡單，功能劃分明晰，無需單獨的同步信號布線，具有適應性強、同步精度高、抗幹擾能力強、穩定性高和成本低等優點。
【專利說明】一種基於通信實現的分布式同步採樣控制系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統和電力電子設備數據採集與控制，【技術領域】屬工業控制，具體涉及的是基於通信實現的分布式同步採樣控制系統。
【背景技術】
[0002]在電力系統控制保護及電力電子設備的應用和發展過程中，由於相關設備安裝的地理位置的不同或是單套裝置設計資源容量的受限，不能夠在單臺設備中實現全部的採樣及控制功能，需要將設備或系統設計成基於分布式的採樣及控制系統來實現全部整體的功能，比如常見的風電變流控制系統、分布式電力故障錄波採集器設備、分布式電子式互感器採集器等應用。這些系統或設備除了採用分布式安裝方式、通過通信的方式傳輸數據等基本特點外，還有一個重要特徵，即需要嚴格的採樣同步和控制同步。目前，國內基於分布式架構的同步採樣控制系統國產化率較低，一般直接引進或採購國外現成產品，成本高昂，不利於推廣。
【發明內容】
[0003]針對現有技術上存在的不足，本發明目的是在於提供一種適用於電力系統及電力電子應用的分布式同步採樣控制系統及其方法，提高系統的可靠性，在分布式系統短時丟幀的情況下，通過這個自學習的時間間隔觸發同步採樣、同步控制，提高採樣和控制的精確度，提升系統整體性能；。
[0004]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0005]一種基於通信實現的分布式同步採樣控制系統，其包括:
[0006]多個分布式單元，對接收到的同步報文到達時刻沿進行鎖定並解析同步報文信息，根據報文延時和同步時延得到同步信號，獲取的同步信號，對齊各自的採樣觸發信號和控制信號；
[0007]主控單元，用於完成計算、邏輯判斷，並生成控制量以及同步報文，將同步報文按設定的時刻下發給各分布式子單元；
[0008]所述主控單元和分布式單元之間通過通信互聯，所述主控單元和分布式單元均設置有用於完成主控單元及分布式單元之間的通信編解碼、同步信號解析、守時的FPGA(Field — Programmable Gate Array,可編程門陣列),所述主控單元還設置有用於採集數據運算處理以及計算控制量的DSP (digital signal processor,數位訊號處理器)。
[0009]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述主控單元和分布式單元通過通信電纜或者光纖相連接，不採用單獨設置的同步信號電纜或者光纖。
[0010]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述主控單元採用的是主控制器，所述分布式單元包括:數據採集單元，用於模擬量、數字量採集；
[0011]控制執行單元，接收主控制器給出的控制量，實現對控制對象的控制；
[0012]數據採集及控制執行單元，兼具數據採集單元和控制執行單元。[0013]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述DSP和FPGA之間採用多種數據傳輸方式分別對不同類型的數據進行交互。
[0014]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述分布式單元由高性能DSP和FPGA構成。
[0015]一種利用上述分布式同步採樣控制系統的控制方法，其特徵在於，其方法為:主控單元將同步報文按設定的時刻下發給各分布式子單元，各分布式單元通過對接收到的同步報文到達時刻沿進行鎖定並解析同步報文信息，根據報文延時和同步時延得到同步信號；分布式單元依照獲取的同步信號，對齊各自的採樣觸發信號和控制信號，通過這種精確的同步機制，使得各分布式單元嚴格按照一致的時刻和統一的節拍觸發採樣、輸出控制，實現同步採樣、同步控制。
[0016]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述分布式單元的採集到的數據通過通信上送至主控單元，主控單元計算得到的控制量通過通信下發至分布式單元。
[0017]根據上述的分布式同步採樣控制系統，所述分布式單元按照一致的時刻，其中，時間基準由主控制器提供，即按照主控制器的時間為基準，並通過通信報文的方式同步各分布式單元。主控制器和分布式單元利用FPGA代碼執行的高度時間確定性來實現精確的時間控制。
[0018]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，在通信中斷或受幹擾後，分布式單元在頻率發生器一個或數個控制周期內的守時時長內保持同步誤差在容許的範圍之內。根據守時時長的不同要求，所述分布式單元採用普通晶振、溫補晶振或恆溫晶振作為頻率發生器。在電力電子應用領域，一般要求在一個控制周期內同步性誤差小於I微秒，並在同步信號丟失的情況下守時若干個控制周期；守時時長和採用的晶振有關，普通晶振可以實現毫秒級時長的守時，即數個控制周期內保證同步性；如果採用恆溫晶振，可以實現I小時內同步誤差小於I微秒。
[0019]根據上述的分布式同步採樣控制系統，其中，所述主控單元和分布式單元之間的通信通信速率為5Mbps?1000Mbps。
[0020]在現場有電磁噪聲的情況下，分布式單元對通訊到達的每個比特多點採樣，實現濾波；在報文頭解析時，分布式單元通過FPGA百兆高速時鐘採樣來精確鎖定同步報文幀頭到達的時刻沿，並按給定和計算所得的延時去驅動和觸發採樣或控制邏輯。
[0021]為了提高系統的可靠性，分布式單元通過自學習，掌握同步採樣報文/同步控制報文的到達時間間隔。在分布式系統短時丟幀的情況下，通過這個自學習的時間間隔觸發同步採樣、同步控制。
[0022]本發明的系統構成簡單，功能劃分明晰，無需單獨的同步信號布線，佔用資源少，整體方案適應性強、成本低；並且通信介質、通信速率、編碼規則多樣，可以滿足不同數據量、不同應用的需求；系統同步精度高(誤差在±lus以內)，有利於提高採樣和控制的精確度，提升系統整體性能；此外，能低成本的實現短時間守時功能，提高系統的魯棒性，抗幹擾性能強，適應於工業控制應用場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本發明；[0024]圖1為本發明分布式同步採樣控制系統框圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[0026]參見圖1，本實施是按照功能和安裝方式的需要，將系統分為主控單元和分布式單元，主控單元採用的是控制器，分布式單元的採集到的數據通過通信上送至主控制器，主控制器計算得到的控制量也通過通信下發至分布式單元。分布式單元按照功能分為3種類型:數據採集單元、控制執行單元、數據採集及控制執行單元。其中，主控制器是完成大部分的計算、邏輯判斷，並生成控制量；數據採集單元是用於完成單純的模擬量、數字量的採集，並通過通信將數據送至主控制器；控制執行單元是用於接收主控制器給出的控制量，實現對控制對象的控制，控制方式可以是通過開關量、PWM脈衝等；數據採集及控制執行單元是兼具數據採集單元和控制執行單元，在某些應用場合這樣做可以節省成本和安裝空間。
[0027]主控制器和分布式單元之間通過通信互聯。通信介質可以是電纜、也可以是光纖；通信速率從5Mbps到IOOOMbps可選；編碼方式根據不同的通信速率採用1B2B (5Mbps?50Mbps)、4B5B (100Mbps),8B10B (1000Mbps)等方式。通信的報文幀結構按照其功能分為同步幀、數據幀、控制幀等不同類型，不同功能的分布式單元可選用各自所需的幀類型，以提高通信效率。
[0028]本實施例中，主控制器和分布式單元都由高性能DSP (數位訊號處理器)和FPGA(可編程門陣列)構成，協同完成通信、採樣、計算、控制等任務。某些應用場合下，為了節省成本，分布式單元也可由FPGA獨立完成其功能。
[0029]本發明中，利用上述分布式同步採樣控制系統的控制方法，具體方法為:主控單元將同步報文按設定的時刻下發給各分布式子單元，各分布式單元通過對接收到的同步報文到達時刻沿進行鎖定並解析同步報文信息，根據報文延時和同步時延得到同步信號；分布式單元依照獲取的同步信號，對齊各自的採樣觸發信號和控制信號，通過這種精確的同步機制，使得各分布式單元嚴格按照一致的時刻和統一的節拍觸發採樣、輸出控制，實現同步採樣、同步控制。
[0030]上述分布式單元由於FPGA作用下具有一定時長的守時功能，可以在通信中斷或受幹擾後一定時間內保持同步誤差在容許的範圍之內。
[0031]主控單元和分布式單元利用FPGA代碼執行的高度時間確定性來實現精確的時間控制。時間基準由主控制器提供，並通過通信報文的方式同步各分布式單元。主控制器和分布式單元的通信編解碼、同步信號解析、守時等功能都由FPGA完成。同時，根據實際應用對同步精度、守時時長的不同要求，分別採用普通晶振、溫補晶振、恆溫晶振作為頻率發生器，以實現不同精度等級和不同守時長短的同步性。
[0032]主控制器同時是整個系統的通信、運算和處理中心。為了實現多通道分布式單元通信接口和大數據流運算處理，主控制器採用高性能DSP和高性能FPGA組合的架構，DSP和FPGA之間採用多種數據傳輸方式分別對不同類型的數據進行交互，以達到提高數據帶寬和處理實時性的目的。例如，採用異步並行接口傳輸控制數據，採用高速同步串行接口傳輸採樣值。[0033]本實施例的分布式單元一般安裝在採樣和控制對象附近，處於強電磁幹擾環境之下。分布式單元在現場有噪聲的情況下，對通訊到達的每個比特多點採樣，實現濾波；在報文頭解析時，通過FPGA百兆高速時鐘採樣來精確鎖定同步報文幀頭到達的時刻沿，並按給定和計算所得的延時去驅動和觸發採樣或控制邏輯。
[0034]同時，分布式單元在短時丟幀的情況下，可以通過守時和容錯處理，實現無縫切換的通訊功能，在設定的次數範圍內，保證分布式系統正常工作。相對於其他的丟幀處理方法，如雙網通訊，本方法實現簡單，可有效降低工程現場布線複雜度。
[0035]本發明利用上述系統及其控制方法，其構成簡單，功能劃分明晰，無需單獨的同步信號布線，佔用資源少，整體方案適應性強、成本低；並且通信介質、通信速率、編碼規則多樣，可以滿足不同數據量、不同應用的需求；系統同步精度高(誤差在±lus以內)，有利於提高採樣和控制的精確度，提升系統整體性能；此外，能低成本的實現短時間守時功能，提高系統的魯棒性，抗幹擾性能強，適應於工業控制應用場合。
[0036]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種基於通信實現的分布式同步採樣控制系統，其包括: 多個分布式單元，對接收到的同步報文到達時刻沿進行鎖定並解析同步報文信息，根據報文延時和同步時延得到同步信號，並利用同步信號對齊各自的採樣觸發信號和控制信號; 主控單元，用於完成計算、邏輯判斷，並生成控制量以及同步報文，將同步報文按設定的時刻下發給各分布式子單兀； 所述主控單元和分布式單元之間通過通信互聯，所述主控單元和分布式單元均設置有用於完成主控單元及分布式單元之間的通信編解碼、同步信號解析、守時的FPGA，所述主控單元還設置有用於採集數據運算處理以及計算控制量的DSP。
2.根據權利要求1所述的基於通信實現的分布式同步採樣控制系統，其特徵在於，所述主控單元和分布式單元通過通信電纜或者光纖相連接，不採用單獨設置的同步信號電纜或者光纖。
3.根據權利要求1所述的基於通信實現的分布式同步採樣控制系統，其特徵在於，所述主控單元採用的是主控制器，所述分布式單元包括:數據採集單元，用於模擬量、數字量採集； 控制執行單元，接收主控制器給出的控制量，實現對控制對象的控制； 數據採集及控制執行單元，兼具數據採集單元和控制執行單元。
4.根據權利要求1所述的基於通信實現的分布式同步採樣控制系統，其特徵在於，所述分布式單元還包括有DSP，所述DSP和FPGA之間採用多種數據傳輸方式分別對不同類型的數據進行交互。
5.一種利用權利要求1-4任意一項所述分布式同步採樣控制系統的控制方法，其特徵在於，其方法為:主控單元將同步報文按設定的時刻下發給各分布式子單元，各分布式單元通過對接收到的同步報文到達時刻沿進行鎖定並解析同步報文信息，根據報文延時和同步時延得到同步信號；分布式單元依照獲取的同步信號，對齊各自的採樣觸發信號和控制信號，通過這種精確的同步機制，使得各分布式單元嚴格按照一致的時刻和統一的節拍觸發採樣、輸出控制，實現同步採樣、同步控制。
6.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於，所述分布式單元的採集到的數據通過通信上送至主控單元，主控單元計算得到的控制量通過通信下發至分布式單元。
7.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於，所述分布式單元按照一致的時刻，其中，時間基準由主控制器提供，即按照主控制器的時間為基準，並通過通信報文的方式同步各分布式單元；主控制器和分布式單元利用FPGA代碼執行的高度時間確定性來實現時間控制。
8.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於，在通信中斷或受幹擾後，分布式單元在頻率發生器一個或數個控制周期的守時時長內保持同步誤差在容許的範圍之內；根據守時時長的不同要求，分布式單元採用普通晶振、溫補晶振或恆溫晶振作為頻率發生器。
9.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於，所述主控單元和分布式單元之間的通信通信速率為5Mbps~1000Mbps。
10.根據權利要求5所述的控制方法，其特徵在於，在現場有電磁噪聲的情況下，分布式單元對通訊到達的每個比特多點採樣，實現濾波；在報文頭解析時，分布式單元通過FPGA百兆高速時鐘採樣來鎖定同步報文幀頭到達的時刻沿，並按給定和計算所得的延時去驅動和觸 發採樣或控制邏輯。
【文檔編號】H04L29/08GK103795790SQ201410030018
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】胡鈺林, 周華良, 謝黎, 姜雷, 趙馬泉 申請人:國電南瑞科技股份有限公司, 國電南瑞南京控制系統有限公司