一种用于风电变流器的通信装置及通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工业自动化控制领域的通信装置和方法，尤其涉及一种风电领域对电网进行联网观测和控制的通信装置和方法。
【背景技术】
[0002]EtherCAT最早是由德国的Beckhoff公司所开发的一种“面向工业控制的工业以太网技术”协议，是一种开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，也是最快的工业以太网技术。目前以太网技术被逐步应用于工业控制领域，并且工业以太网技术在全球范围内得到迅速的发展。
[0003]EtherCAT总线提出的实时工业以太网技术，具有高效率、刷新周期短，可以达到小于100微秒的数据刷新周期，同步性好，它已经作为标准化的技术，是国际标准IEC/PAS62407以及IS01574-4的一部分。EtherCAT使用全双工100Mb/s以太网，系统由一个通信主站和若干从站通信节点组成。主站使用标准的以太网控制器，协议和驱动程序由软件实现，整个网络最多可以连接65535个设备。
[0004]CAN总线是一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络总线，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。由于其设计成本低，通信可靠，在风电领域中应用极其广泛。
[0005]工业以太网是在传统的商用以太网的基础上发展而来的，是一种应用于工业控制领域的以太网技术。目前变流器与风机主控通信的现场总线有多种机制，应用较多的高速总线主要有ETHERCAT，MODBUS/TCP，Profinet，CAN等。相比其他总线形式存在的传输速率比较慢，硬件实现复杂，实时性比较差，传输距离较短等缺点，ETHERCAT总线在实时性传输速度、开发难度、以及实现成本等方面具有明显优势。目前，对于风电变流器采集到的重要数据，如电网三相电压、故障字、发电机转速、直流母线电压、主控制字、变流器状态机，电网频率、母线电压、转矩指令等相关参数，需要通过总线上传至风机主控制器。变流器与风机主控制器进行通信时，存在多种总线共存，导致多种异构网络之间的通信困难，严重影响了风电系统的智能化水平，同时也导致风机主控制器难以对各变流器进行实时监测，一定程度上影响了系统的稳定性和可靠性。
[0006]针对上述问题，本发明主要通过将CAN数据转化成ETHERCAT数据进行传输，从而实现将变流器相关CAN总线数据通过以太网传输给风机主控制器，达到对电网进行联网观测和控制的目的。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题提供一种用于风电变流器的通信装置及通信方法既能够将数据快速、稳定、安全地上传给风机主控制器，及时将风机主控制器的控制命令下发到变流器，又能将变流器采集到的相关重要数据通过以太网协议上传网络，便于SCADA数据处理以及大数据分析。
[0008]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的:
[0009]—种用于风电变流器的通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侦帕SP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口，其中所述网络接口由以太网PHY芯片和以太网数据变压器及RJ45连接器依次连接组成;所述微控制器通过CAN总线与变流器机侧DSP控制器相连，通过数据线、链路线、地址线与EtherCAT从站控制器相连;所述微控制器将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析，打包成CAN数据与变流器机DSP侧控制器进行数据交换，并通过操作EtherCAT从站控制器来实现应用层协议；所述EtherCAT从站控制器实现EtherCAT数据链路层功能，并通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，完成数据的发送和接收以及错误处理。
[0010]—种利用上述的通信装置来实现变流器与风机主控制器之间的数据通信方法，包括以下步骤:
[0011 ] A、完成微控制器、EtherCAT从站控制器和通信变量的初始化；
[0012]B、通信状态机处理，完成通信初始化，查询风机主控制器的状态控制寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止通信装置相关通信服务；
[0013]C、实现周期性数据处理和过程数据通信
[0014]本发明的有益效果在于:
[0015]1、通过EtherCAT协议转换机制的通讯单元可以与风机主控制器进行实时数据交互，运行稳定，性能可靠，抗干扰能力强，且可实现风机变流器模块的组网运行。
[0016]2、风场所有变流器设备可以通过CAN总线将数据集中采集处理，从而可实现在控制室对变流器进行管理，或利用SCADA系统通过数据通信来对变流器进行远程管理。
【附图说明】
[0017]附图1是本发明EtherCAT通信装置的系统结构框图。
[0018]附图2是本发明EtherCAT通信装置与风机主控制器之间的通信原理图；
[0019]附图3是本发明EtherCAT通信装置的程序总体流程图。
[0020]附图4是使用多个数据端口构成多种物理拓扑结构的ESC内部数据流向图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，本发明涉及一种用于风电变流器的通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侧DSP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口，其中所述网络接口由以太网PHY芯片和以太网数据变压器及RJ45连接器组成;所述微控制器通过CAN总线与变流器机侧DSP控制器相连，通过数据线、链路线、地址线与EtherCAT从站控制器相连;所述微控制器将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析，打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换，并通过操作EtherCAT从站控制器来实现应用层协议;所述EtherCAT从站控制器实现EtherCAT数据链路层功能，并通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，完成数据的发送和接收以及错误处理。
[0022]在上述【具体实施方式】中所述微控制器采用的是意法半导体公司推出的STM32F207ARM处理器，该芯片可以将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换。所述EtherCAT从站控制器采用ETllOO芯片，该芯片是由德国Beckhoff开发的一款EtherCAT协议专用芯片，它主要负责的是数据链路层部分，通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，当EtherCAT数据报文经过变流器时，ETl 100芯片对应EtherCAT协议对EtherCAT数据报文进行读取或者插入，ETllOO芯片最多可以提供4个数据收发端口，可以使该通信装置能够灵活的实现多种拓扑结构。
[0023]其中图1右侧的RJ45接口可以连接到以太网交换机或者风机