一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括基于工业高速实时以太网的智能微电网主站、智能微电网从站和电力电子设备；所述智能微电网主站通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过工业高速实时以太网与各个智能微电网从站连接，组成智能微电网控制环网；所述智能微电网从站包括电源模块、以太网模块、FPGA模块和RS485模块；采用上述技术方案，基于FPGA的高速运算，能够将负载设备、风电、光伏设备等基本都使用的485或Canopen通信协议转换成一种我公司自主研发的基于高速实时以太网协议的智能微电网传输协议，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改、升级更加简单。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统
本专利技术涉及一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，特别是涉及到智能微电网控制回路，传感器信号量采集回路以及高速工业实时以太网通信转换的一种新方法。
技术介绍
随着社会的发展，新能源行业逐渐的得到了重视，由于新能源的不稳定性，不可确定性，以及天气带来的影响，导致发电量波动明显，影响整个电网的使用平衡，因此大规模兴建新能源发电厂受到限制，在这种情况下，分布式发电，智能微电网弥补了以上缺点。所谓智能微电网，即由发电系统，储能系统，负载构成的小电网、微电网，它具有高速调节供需平衡，并网、离网快速切换等特点。其中发电系统：风力发电机组，光伏发电为主。储能系统：电池，超级电容为主。负载：生活用电气设备，工业生产设备等。由于微电网的规模较小，较分布，可以达到微网内发电，微网内电能消耗，剩余电量并到电网带来经济收入等优点，逐渐被认可。由于微电网经常在并网和孤岛运行模式间互相切换，整个微网的控制策略和响应速度凸显的尤为重要。尤其是在并网转孤岛过程中，储能设备的第一时间介入，关乎到整个微网的成败。目前行业内主流储能设备，负载设备，风电，光伏设备，基本都预留有标准RS485/Canopen通信口，使用485/Canopen通信建立智能微网的控制环网无法达到其所需指标，所以转换成一种基于高速实时以太网协议的智能微电网数据传输协议是有必要的，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改、升级更加简单。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一款通过将485信号/Canopen信号转换成高速实时以太网信号的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括智能微电网主站、智能微电网从站和电力电子设备；所述智能微电网主站通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过以太网与各个智能微电网从站连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站的工作状态；所述智能微电网从站包括电源模块、以太网模块、FPGA模块以及RS485和/或Canopen模块；所述电源模块分别与所述FPGA模块、以太网模块以及RS485和/或Canopen模块的电源输入端电连接，为其提供电源；所述以太网模块上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块上的数据总线以及控制总线分别与所述FPGA模块信号连接，用以实现在FPGA模块控制下接收智能微电网主站发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站发送反馈数据帧；所述FPGA模块为智能微电网从站的核心，一端与所述以太网模块信号连接，另一端与所述RS485和/或Canopen模块信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作；所述RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，所述Canopen模块为Canopen芯片，其上设有Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，且所述标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与所述电力电子设备信号连接。进一步，所述智能微电网主站为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性。进一步，所述智能微电网主站与多个所述智能微电网从站通过自主研发的Rbus总线连接，该Rbus总线为基于C类方式开发的一种更加贴合智能微电网中数据传输的高速实时以太网总线，满足智能微电网主站和智能微电网从站之间的各种拓扑结构，组网灵活。进一步，所述FPGA模块在高速实时以太网技术基础之上设计为智能微电网从站的核心，包括应用层器件、从站控制微处理器、从站控制器和物理层器件，主要实现控制应用和通信两部分的功能，且所述应用层器件包括通信状态机。进一步，所述智能微电网主站通过控制其内部的状态寄存器的参数的状态实现对智能微电网从站工作状态的控制。进一步，所述电力电子设备包括分布式电源、储能装置、能量转换装置和相关负荷，且该电力电子设备的控制端均与所述FPGA模块信号连接，以便于所述FPGA模块在主站的控制下控制所述电力电子设备的工作状态。进一步，FPGA模块为双网口FPGA芯片，用以对主站接受/发出数据帧进行捕捉和打包，并进行数据交换，提高了处理速度。进一步，所述智能微电网从站中的应用层器件完成以太网信号与485信号或Canopen信号之间的转换。进一步，该系统还包括一种基于FPGA实现智能微电网控制系统高速通信的方法，其步骤为：(1)从站控制微处理器硬件初始化、通信变量和寄存器初始化；(2)通信状态机处理，完成通信初始化：查询智能微电网主站的状态寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止智能微电网从站相关通信服务；(3)周期性数据处理，实现过程数据通信：智能微电网从站以查询模式(自由运行模式)或同步模式(中断模式)处理周期性数据和应用层任务。进一步，所述步骤(2)包括以下步骤：(a)智能微电网主站发送网络数据帧发送状态控制寄存器的值；(b)智能微电网从站读取参数值来响应智能微电网主站对智能微电网从站的状态的操作；(c)智能微电网从站在读出状态寄存器中的状态值之后，做出响应的动作完成控制任务或智能微电网从站状态的改变，最终完成这个系统数据的交换工作。本专利技术具有的优点和积极效果是：采用上述技术方案，基于FPGA的高速运算，能够将负载设备、风电、光伏设备等基本都使用的485或Canopen通信协议转换成一种基于高速实时以太网协议的智能微电网数据传输协议，即方便接入工业实时控制网路，又使后期智能微电网的拓扑结构整改，升级更加简单，且通过FPGA模块完成协议转换，将以太网帧迅速切割、取出相应的数据位进行数据的交换，交换完毕后，迅速打包发送至下一个站点，接收和发送数据在一次处理过程中完成，效率翻倍。附图说明图1是基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统拓扑图；图2是智能微电网从站结构图；图3是智能微电网从站工作流程图；图4是智能微电网从站状态控制数据流程图；图5是基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统数据流程图。其中：1、智能微电网主站2、智能微电网从站21、电源模块22、以太网模块23、FPGA模块24、RS485和/或Canopen模块3、电力电子设备具体实施方式以下根据附图及具体实施例对本专利技术作出详细说明。如图1和2所示，一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，包括智能微电网主站1、智能微电网从站2和电力电子设备3。智能微电网主站1为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性，智能微电网主站1与多个智能微电网从站2通过自主研发的Rbus总线连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站2的工作，该Rbus总线为基于C类方式开发的一种更加贴合智能微电网中数据传输的高速实时以太网总线，满足智能微电网主站和智能微电网从站之间的各种拓扑结构，组网灵活，且智能微电网主站1通过标准以太网接口卡接入工业高速实时以太网。智能微电网从站2包括电源模块21、以太网模块22、FPGA模块23以及RS485和/或Canopen本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：包括基于高速实时以太网的智能微电网主站(1)、智能微电网从站(2)和电力电子设备(3)；所述智能微电网主站(1)通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过工业高速实时以太网与各个智能微电网从站(2)连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站(2)的工作状态；所述智能微电网从站(2)包括电源模块(21)、以太网模块(22)、FPGA模块(23)以及RS485和/或Canopen模块(24)；所述电源模块(21)分别与所述FPGA模块(23)、以太网模块(22)以及RS485和/或Canopen模块(24)的电源输入端电连接，为其提供电源；所述以太网模块(22)上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块(22)上的数据总线以及控制总线分别与所述FPGA模块(23)信号连接，用以实现在FPGA模块(23)控制下接收智能微电网主站(1)发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站(1)发送反馈数据帧；所述FPGA模块(23)为智能微电网从站(2)的核心，一端与所述以太网模块(22)信号连接，另一端与所述RS485和/或Canopen模块(24)信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作；所述RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，Canopen模块为Canopen芯片，其上设有标准Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，且所述标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与所述电力电子设备(3)信号连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：包括基于高速实时以太网的智能微电网主站(1)、智能微电网从站(2)和电力电子设备(3)；所述智能微电网主站(1)通过标准以太网接口卡接入以太网，并通过工业高速实时以太网与各个智能微电网从站(2)连接，组成智能微电网控制环网，用于调控各个智能微电网从站(2)的工作状态；所述智能微电网从站(2)包括电源模块(21)、以太网模块(22)、FPGA模块(23)以及RS485和/或Canopen模块(24)；所述电源模块(21)分别与所述FPGA模块(23)、以太网模块(22)以及RS485和/或Canopen模块(24)的电源输入端电连接，为其提供电源；所述以太网模块(22)上设有与以太网网路接口信号连接的标准RJ45接口，实现输入输出信号的电平转换，且该以太网模块(22)上的数据总线以及控制总线分别与所述FPGA模块(23)信号连接，用以实现在FPGA模块(23)控制下接收智能微电网主站(1)发布到环网上的以太网帧，并向智能微电网主站(1)发送反馈数据帧；所述FPGA模块(23)为智能微电网从站(2)的核心，一端与所述以太网模块(22)信号连接，另一端与所述RS485和/或Canopen模块(24)信号连接，用以实现传输信号的解析、打包以太网帧、数据滤波、分配以及转换工作；所述FPGA模块(23)在高速实时以太网技术基础之上设计为智能微电网从站(2)的核心，包括应用层器件、从站控制微处理器、从站控制器和物理层器件，主要实现控制应用和通信两部分的功能，且所述应用层器件包括通信状态机；所述RS485模块为高速485芯片，其上设有标准485通信接口，Canopen模块为Canopen芯片，其上设有标准Canopen通信接口，用以实现输入输出信号的电平转换，且所述标准485通信接口和标准Canopen通信接口均与所述电力电子设备(3)信号连接。2.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网主站(1)为带有网口的CPU芯片，其内系统平台采用Linux操作系统，并通过打Preempt-RT补丁增加其实时性。3.根据权利要求1所述的基于FPGA实现高速通信的智能微电网控制系统，其特征在于：所述智能微电网主站(1)与多个所述智...

【专利技术属性】
技术研发人员：房凯龙，张新强，周玲玲，侯立军，赵双喜，
申请(专利权)人：天津瑞能电气有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12