一種基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種基于通信的分布式同步采樣控制系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集單元、分布式控制執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集及控制執(zhí)行單元。主控單元和分布式單元均設(shè)置有用于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(shè)置有DSP。本發(fā)明利用FPAG的高度時間確定性，采用通信的方式實(shí)現(xiàn)各分布式單元和主控制器的高精度同步采樣和控制，并采用時間參數(shù)的自學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)分布式單元在通信受到干擾后中斷或丟幀情況下的守時。其系統(tǒng)構(gòu)成簡單，功能劃分明晰，無需單獨(dú)的同步信號布線，具有適應(yīng)性強(qiáng)、同步精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)和電力電子設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制，【技術(shù)領(lǐng)域】屬工業(yè)控制，具體涉及的是基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力系統(tǒng)控制保護(hù)及電力電子設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展過程中，由于相關(guān)設(shè)備安裝的地理位置的不同或是單套裝置設(shè)計(jì)資源容量的受限，不能夠在單臺設(shè)備中實(shí)現(xiàn)全部的采樣及控制功能，需要將設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)成基于分布式的采樣及控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全部整體的功能，比如常見的風(fēng)電變流控制系統(tǒng)、分布式電力故障錄波采集器設(shè)備、分布式電子式互感器采集器等應(yīng)用。這些系統(tǒng)或設(shè)備除了采用分布式安裝方式、通過通信的方式傳輸數(shù)據(jù)等基本特點(diǎn)外，還有一個重要特征，即需要嚴(yán)格的采樣同步和控制同步。目前，國內(nèi)基于分布式架構(gòu)的同步采樣控制系統(tǒng)國產(chǎn)化率較低，一般直接引進(jìn)或采購國外現(xiàn)成產(chǎn)品，成本高昂，不利于推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本發(fā)明目的是在于提供一種適用于電力系統(tǒng)及電力電子應(yīng)用的分布式同步采樣控制系統(tǒng)及其方法，提高系統(tǒng)的可靠性，在分布式系統(tǒng)短時丟幀的情況下，通過這個自學(xué)習(xí)的時間間隔觸發(fā)同步采樣、同步控制，提高采樣和控制的精確度，提升系統(tǒng)整體性能；。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其包括:
[0006]多個分布式單元，對接收到的同步報文到達(dá)時刻沿進(jìn)行鎖定并解析同步報文信息，根據(jù)報文延時和同步時延得到同步信號，獲取的同步信號，對齊各自的采樣觸發(fā)信號和控制信號；
[0007]主控單元，用于完成計(jì)算、邏輯判斷，并生成控制量以及同步報文，將同步報文按設(shè)定的時刻下發(fā)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(lián)，所述主控單元和分布式單元均設(shè)置有用于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(shè)置有用于采集數(shù)據(jù)運(yùn)算處理以及計(jì)算控制量的DSP (digital signal processor,數(shù)字信號處理器)。
[0009]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，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，不采用單獨(dú)設(shè)置的同步信號電纜或者光纖。
[0010]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其中，所述主控單元采用的是主控制器，所述分布式單元包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于模擬量、數(shù)字量采集；
[0011]控制執(zhí)行單元，接收主控制器給出的控制量，實(shí)現(xiàn)對控制對象的控制；
[0012]數(shù)據(jù)采集及控制執(zhí)行單元，兼具數(shù)據(jù)采集單元和控制執(zhí)行單元。[0013]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其中，所述DSP和FPGA之間采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式分別對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。
[0014]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其中，所述分布式單元由高性能DSP和FPGA構(gòu)成。
[0015]一種利用上述分布式同步采樣控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，其方法為:主控單元將同步報文按設(shè)定的時刻下發(fā)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(dá)時刻沿進(jìn)行鎖定并解析同步報文信息，根據(jù)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，對齊各自的采樣觸發(fā)信號和控制信號，通過這種精確的同步機(jī)制，使得各分布式單元嚴(yán)格按照一致的時刻和統(tǒng)一的節(jié)拍觸發(fā)采樣、輸出控制，實(shí)現(xiàn)同步采樣、同步控制。
[0016]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其中，所述分布式單元的采集到的數(shù)據(jù)通過通信上送至主控單元，主控單元計(jì)算得到的控制量通過通信下發(fā)至分布式單元。
[0017]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，所述分布式單元按照一致的時刻，其中，時間基準(zhǔn)由主控制器提供，即按照主控制器的時間為基準(zhǔn)，并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(zhí)行的高度時間確定性來實(shí)現(xiàn)精確的時間控制。
[0018]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其中，在通信中斷或受干擾后，分布式單元在頻率發(fā)生器一個或數(shù)個控制周期內(nèi)的守時時長內(nèi)保持同步誤差在容許的范圍之內(nèi)。根據(jù)守時時長的不同要求，所述分布式單元采用普通晶振、溫補(bǔ)晶振或恒溫晶振作為頻率發(fā)生器。在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，一般要求在一個控制周期內(nèi)同步性誤差小于I微秒，并在同步信號丟失的情況下守時若干個控制周期；守時時長和采用的晶振有關(guān)，普通晶振可以實(shí)現(xiàn)毫秒級時長的守時，即數(shù)個控制周期內(nèi)保證同步性；如果采用恒溫晶振，可以實(shí)現(xiàn)I小時內(nèi)同步誤差小于I微秒。
[0019]根據(jù)上述的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，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(xiàn)場有電磁噪聲的情況下，分布式單元對通訊到達(dá)的每個比特多點(diǎn)采樣，實(shí)現(xiàn)濾波；在報文頭解析時，分布式單元通過FPGA百兆高速時鐘采樣來精確鎖定同步報文幀頭到達(dá)的時刻沿，并按給定和計(jì)算所得的延時去驅(qū)動和觸發(fā)采樣或控制邏輯。
[0021]為了提高系統(tǒng)的可靠性，分布式單元通過自學(xué)習(xí)，掌握同步采樣報文/同步控制報文的到達(dá)時間間隔。在分布式系統(tǒng)短時丟幀的情況下，通過這個自學(xué)習(xí)的時間間隔觸發(fā)同步采樣、同步控制。
[0022]本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成簡單，功能劃分明晰，無需單獨(dú)的同步信號布線，占用資源少，整體方案適應(yīng)性強(qiáng)、成本低；并且通信介質(zhì)、通信速率、編碼規(guī)則多樣，可以滿足不同數(shù)據(jù)量、不同應(yīng)用的需求；系統(tǒng)同步精度高(誤差在±lus以內(nèi))，有利于提高采樣和控制的精確度，提升系統(tǒng)整體性能；此外，能低成本的實(shí)現(xiàn)短時間守時功能，提高系統(tǒng)的魯棒性，抗干擾性能強(qiáng)，適應(yīng)于工業(yè)控制應(yīng)用場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來詳細(xì)說明本發(fā)明；[0024]圖1為本發(fā)明分布式同步采樣控制系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0026]參見圖1，本實(shí)施是按照功能和安裝方式的需要，將系統(tǒng)分為主控單元和分布式單元，主控單元采用的是控制器，分布式單元的采集到的數(shù)據(jù)通過通信上送至主控制器，主控制器計(jì)算得到的控制量也通過通信下發(fā)至分布式單元。分布式單元按照功能分為3種類型:數(shù)據(jù)采集單元、控制執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集及控制執(zhí)行單元。其中，主控制器是完成大部分的計(jì)算、邏輯判斷，并生成控制量；數(shù)據(jù)采集單元是用于完成單純的模擬量、數(shù)字量的采集，并通過通信將數(shù)據(jù)送至主控制器；控制執(zhí)行單元是用于接收主控制器給出的控制量，實(shí)現(xiàn)對控制對象的控制，控制方式可以是通過開關(guān)量、PWM脈沖等；數(shù)據(jù)采集及控制執(zhí)行單元是兼具數(shù)據(jù)采集單元和控制執(zhí)行單元，在某些應(yīng)用場合這樣做可以節(jié)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(lián)。通信介質(zhì)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(jù)不同的通信速率采用1B2B (5Mbps?50Mbps)、4B5B (100Mbps),8B10B (1000Mbps)等方式。通信的報文幀結(jié)構(gòu)按照其功能分為同步幀、數(shù)據(jù)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(shí)施例中，主控制器和分布式單元都由高性能DSP (數(shù)字信號處理器)和FPGA(可編程門陣列)構(gòu)成，協(xié)同完成通信、采樣、計(jì)算、控制等任務(wù)。某些應(yīng)用場合下，為了節(jié)省成本，分布式單元也可由FPGA獨(dú)立完成其功能。
[0029]本發(fā)明中，利用上述分布式同步采樣控制系統(tǒng)的控制方法，具體方法為:主控單元將同步報文按設(shè)定的時刻下發(fā)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(dá)時刻沿進(jìn)行鎖定并解析同步報文信息，根據(jù)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，對齊各自的采樣觸發(fā)信號和控制信號，通過這種精確的同步機(jī)制，使得各分布式單元嚴(yán)格按照一致的時刻和統(tǒng)一的節(jié)拍觸發(fā)采樣、輸出控制，實(shí)現(xiàn)同步采樣、同步控制。
[0030]上述分布式單元由于FPGA作用下具有一定時長的守時功能，可以在通信中斷或受干擾后一定時間內(nèi)保持同步誤差在容許的范圍之內(nèi)。
[0031]主控單元和分布式單元利用FPGA代碼執(zhí)行的高度時間確定性來實(shí)現(xiàn)精確的時間控制。時間基準(zhǔn)由主控制器提供，并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(jù)實(shí)際應(yīng)用對同步精度、守時時長的不同要求，分別采用普通晶振、溫補(bǔ)晶振、恒溫晶振作為頻率發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的通信、運(yùn)算和處理中心。為了實(shí)現(xiàn)多通道分布式單元通信接口和大數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理，主控制器采用高性能DSP和高性能FPGA組合的架構(gòu)，DSP和FPGA之間采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式分別對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，以達(dá)到提高數(shù)據(jù)帶寬和處理實(shí)時性的目的。例如，采用異步并行接口傳輸控制數(shù)據(jù)，采用高速同步串行接口傳輸采樣值。[0033]本實(shí)施例的分布式單元一般安裝在采樣和控制對象附近，處于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境之下。分布式單元在現(xiàn)場有噪聲的情況下，對通訊到達(dá)的每個比特多點(diǎn)采樣，實(shí)現(xiàn)濾波；在報文頭解析時，通過FPGA百兆高速時鐘采樣來精確鎖定同步報文幀頭到達(dá)的時刻沿，并按給定和計(jì)算所得的延時去驅(qū)動和觸發(fā)采樣或控制邏輯。
[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(shí)現(xiàn)無縫切換的通訊功能，在設(shè)定的次數(shù)范圍內(nèi)，保證分布式系統(tǒng)正常工作。相對于其他的丟幀處理方法，如雙網(wǎng)通訊，本方法實(shí)現(xiàn)簡單，可有效降低工程現(xiàn)場布線復(fù)雜度。
[0035]本發(fā)明利用上述系統(tǒng)及其控制方法，其構(gòu)成簡單，功能劃分明晰，無需單獨(dú)的同步信號布線，占用資源少，整體方案適應(yīng)性強(qiáng)、成本低；并且通信介質(zhì)、通信速率、編碼規(guī)則多樣，可以滿足不同數(shù)據(jù)量、不同應(yīng)用的需求；系統(tǒng)同步精度高(誤差在±lus以內(nèi))，有利于提高采樣和控制的精確度，提升系統(tǒng)整體性能；此外，能低成本的實(shí)現(xiàn)短時間守時功能，提高系統(tǒng)的魯棒性，抗干擾性能強(qiáng)，適應(yīng)于工業(yè)控制應(yīng)用場合。
[0036]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其包括: 多個分布式單元，對接收到的同步報文到達(dá)時刻沿進(jìn)行鎖定并解析同步報文信息，根據(jù)報文延時和同步時延得到同步信號，并利用同步信號對齊各自的采樣觸發(fā)信號和控制信號; 主控單元，用于完成計(jì)算、邏輯判斷，并生成控制量以及同步報文，將同步報文按設(shè)定的時刻下發(fā)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(lián)，所述主控單元和分布式單元均設(shè)置有用于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(shè)置有用于采集數(shù)據(jù)運(yùn)算處理以及計(jì)算控制量的DSP。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其特征在于，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，不采用單獨(dú)設(shè)置的同步信號電纜或者光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控單元采用的是主控制器，所述分布式單元包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于模擬量、數(shù)字量采集； 控制執(zhí)行單元，接收主控制器給出的控制量，實(shí)現(xiàn)對控制對象的控制； 數(shù)據(jù)采集及控制執(zhí)行單元，兼具數(shù)據(jù)采集單元和控制執(zhí)行單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于通信實(shí)現(xiàn)的分布式同步采樣控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分布式單元還包括有DSP，所述DSP和FPGA之間采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式分別對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。
5.一種利用權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述分布式同步采樣控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，其方法為:主控單元將同步報文按設(shè)定的時刻下發(fā)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(dá)時刻沿進(jìn)行鎖定并解析同步報文信息，根據(jù)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，對齊各自的采樣觸發(fā)信號和控制信號，通過這種精確的同步機(jī)制，使得各分布式單元嚴(yán)格按照一致的時刻和統(tǒng)一的節(jié)拍觸發(fā)采樣、輸出控制，實(shí)現(xiàn)同步采樣、同步控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述分布式單元的采集到的數(shù)據(jù)通過通信上送至主控單元，主控單元計(jì)算得到的控制量通過通信下發(fā)至分布式單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述分布式單元按照一致的時刻，其中，時間基準(zhǔn)由主控制器提供，即按照主控制器的時間為基準(zhǔn)，并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(zhí)行的高度時間確定性來實(shí)現(xiàn)時間控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在通信中斷或受干擾后，分布式單元在頻率發(fā)生器一個或數(shù)個控制周期的守時時長內(nèi)保持同步誤差在容許的范圍之內(nèi)；根據(jù)守時時長的不同要求，分布式單元采用普通晶振、溫補(bǔ)晶振或恒溫晶振作為頻率發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在現(xiàn)場有電磁噪聲的情況下，分布式單元對通訊到達(dá)的每個比特多點(diǎn)采樣，實(shí)現(xiàn)濾波；在報文頭解析時，分布式單元通過FPGA百兆高速時鐘采樣來鎖定同步報文幀頭到達(dá)的時刻沿，并按給定和計(jì)算所得的延時去驅(qū)動和觸 發(fā)采樣或控制邏輯。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)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(tǒng)有限公司