一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线方法与流程

1.本发明涉及工业自动化控制技术领域，具体为一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线。


背景技术：

2.近几年国家大力支持新能源建设，随着各个新能源厂站的迅速崛起，高压电力电子补偿设备也得到了迅速的发展。由于电力电子半导体器件受限于电压等级的影响，许多高压电力电子设备仍需要采用链式级联的拓扑结构。传统的链式高压补偿设备主要由主控制器、功率阀组、一次侧互感器、散热器以及并行连接光纤构成。主控制器通过多对并联光纤与各个阀组模块进行连接。
3.控制器与模组之间的连接方式分为并行方式与串行方式两种：
4.并行总线方式，并行连接的主要优点在于并联方式具有优秀的触发一致性和保护及时性，长时间的验证及开发具备了可靠的稳定性。但并行总线的劣势在于结构复杂，同时带来接口资源的浪费，控制器设计复杂等一些列问题。
5.串行总线方式，其主要优势在于结构简单、成本低、通信速度快等优势。但传统串行连接方式很难做到模组的触发一致性数据到达各个模块的会有一定的时延，且随着串联模块的不断增加，这种差异将会成几何倍数的方式进行增加。各个模块之间触发不同步的问题，轻则带来谐波增加、主变异响，重则危害设备安全，造成事故危险。
6.当前根据电压等级与接线方式的不同，级联型电力电子设备每相具有8-72 个功率模块，a、b、c三相功率模块可达到216个，按照每个模块1对光纤收发器计算，控制器端同样需要216对光纤收发器。这样的数量不仅会增加成本，同时还会带增加控制器的设计难度、增加布线复杂度和维护难度。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线，可以弥补现有技术不足，并且具备结构简单、灵活性强、成本低等优点，且减少了并行接口数量，还能够解决串行总线同步触发及实时保护等问题。
8.本发明技术方案如下：
9.一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线方法，包括以下步骤：
10.步骤一：链路初始化，链路中至少包含1个主机模块与多个从机模块，所述主机模块向多个从机模块发送数据，并建立通信，所述数据包括握手信号和模块识别码，从机模块锁存各自收到的模块识别码建立从机模块站号，从机模块能够根据从机模块站号，响应主机模块发送的总线请求，进入下一步骤；
11.步骤二：链路初始化完成，从机模块获得从机模块站号，各从机模块通过总线应答回复主机模块初始化完成，各从机模块开始释放总线，所有从机模块挂在一条串行的总线上，主机模块收到完成信号，同步检测总线是否处于空闲状态，若总线未处于空闲状态，则
继续检测总线，直至检测倒总线处于空闲状态为止，如检测到总线处于空闲状态，则表示所有从机模块准备完成，进入下一步骤；
12.步骤三：主机模块检测到总线处于空闲状态，主机模块启动周期为t的计数器，并同步发送主机数据帧，主机数据帧包含从机模块的触发脉冲和从机模块站号，各从机模块同步解析主机发出的触发脉冲指令和从机模块站号信息，根据从机模块站号进入应答状态的从机模块，成为应答设备，所述应答设备根据触发脉冲指令同步触发，发起总线占用申请，进入下一步骤；
13.步骤四：多个所述从机模块检测自身故障信息，若多个所述从机模块检测自身无故障信息，则同时响应触发脉冲，并进行下一步骤，若多个所述从机模块检测有故障，则不再判断主机模块发送的主机数据帧，立即连续发送200us的低电平抢占总线，连续低电平立即传递回主控模块，并完成脉冲封锁，直至从机模块故障消除则返回步骤二；
14.步骤五：经步骤四检测自身无故障信息后，所述应答设备总线占用申请通过，并启动周期为t的时间计数器，进入传输状态，进行一对一的数据传输，实时上传当前模块的模拟量及状态信息，直至数据发送结束，进行下一步骤；
15.步骤六：若主机模块接收到应答设备数据出现传输或校验错误，则进行故障等级判断，若为轻故障则将主机数据帧舍弃，用上一个主机数据帧继续运行，若为重故障，则将所有模块脉冲进行封锁，闭锁整机，直至故障消除后返回步骤二，若主机模块接收到应答设备数据信息无故障，则对数据进行实时处理，同时更新触发指令，重复步骤二。
16.经过上述步骤，就完成了串行分时复用总线的闭环控制，总结概括为，每一个连续的2t周期内，在第一个周期t内，可以完成一次对所有从机模块的实时控制及一个从机模块的数据更新。同时各个从机模块可以根据各自的实时故障状态进行总线中断的优先级抢占，故障模式为一级响应优先级，主机响应为二级优先级，从机响应为三级优先级。无故障状态下，模块根据主机下发的从机模块站号，在主机2t周期的第二个周期顺序响应总线请求，并完成数据串数及握手校验。如此往复在2nt的时间内完成对所有从机模块的n次实时控制及n个从机模块的状态采集。主机根据是否存在系统故障来判断是否响应模块数据或采取系统保护，最终数据参与系统调制，完成一次闭环控制。
17.具体的，步骤一中，所述数据至少包括4个字节，且4个字节的信息包括模块识别码，握手信号和校验信号。
18.具体的，步骤三中，主机模块发送的主机数据帧至少包括帧头、从机模块站号、节点个数、节点1触发指令、节点2触发指令...节点n触发指令、校验段和帧尾。其中节点的个数由直流工作电压来确定，需要使用者根据实际情况进行确认。
19.具体的，步骤五中，所述从机模块发送的数据包括从机数据帧，且所述从机数据帧至少包括帧头、从机模块站号、数据长度、握手信号、模拟量信息、状态信息、校验段和帧尾。因此从机数据帧至少需要8个字节。
20.具体的，所述步骤三与步骤五中，主机数据帧和从机数据帧的数据长度相同，能够保证数据传输步调的周期t相同，进而保证设备同步性。并且由于节点的个数不同，因此需要以主机数据帧为基准，设置相同数据长度的从机数据帧。
21.具体的，步骤六中，当连续200us内通信能够恢复时，为轻故障，当连续 200us内通信无法恢复时，则为重故障。超过200微秒的故障容易引起元器件的损坏，因此需要以200微
秒为临界点。
22.具体的，所述从机模块依次连接，且接于同一串行总线上，主机模块根据总线是否处于空闲状态对从机模块轮寻呼唤，保证每一个周期t内能够同时控制所有从机模块触发，并完成应答设备与主机模块的一对一连接，完成通信。
23.具体的，所述从机模块能够根据主机模块呼唤占用串行总线资源，也能够根据中断机制，主动占用总线资源。确保故障状态下，从机模块能够直接占用总线资源，完成闭锁整机功能。
24.所述主机模块设备有且仅有一台，从机模块设备至少包括一个动态分配模块，可根据用户需求进行动态配置。
25.主机模块根据总线空闲状态进行数据下发与从机模块呼唤，从机模块根据主机模块呼唤与总线空闲状态，实现主机模块与从机模块之间的数据传输。
26.具体的，申请占用总线的设备可以是主机模块，同时也可以是从机模块，当没有故障中断抢占总线时，所述主机模块作为请求设备，从机模块作为应答设备，当存在故障中断时，当前故障的所述从机模块直接占用总线。即常规状态下由主机模块申请占用总线，只有在故障状态下，才由从机模块抢占。
27.具体的，所述总线状态分为空闲状态、请求状态、应答状态及数据传输状态；
28.所述空闲状态下，所有模块串联在一起，不发送数据也不解析数据，总线资源处于闲置状态；
29.所述请求状态为，所述主机模块进入请求状态作为请求设备，能够请求从机模块并获得应答信号，此时当前获得应答信号的从机模块作为应答设备；
30.所述应答状态为应答设备准备发送数据，数据处于待发送状态，同时请求设备处于接收状态，准备解析应答数据；
31.所述数据传输状态为应答设备占用总线，并与请求设备进行一对一配对，将准备好的数据进行发送。
32.本发明的有益效果在于：
33.1.本发明通过串行总线方式代替传统并行连接方式，可以极大的缩减光纤连接器的数量，控制测光纤连接器的数量可以减少一倍，减小控制器的尺寸及设计难度，有效的减少设计成本；
34.2.本发明通过串行总线将模块与模块之间通过依次连接的方式连接，可有效的减少光纤连接长度，光纤使用总长度可降为原来的十分之一，如此低的材料成本率将会进一步的降低设备成本；
35.3.本发明由于减少了光纤及光纤连接器的数量，同时也减少了故障点，尤其是在中高压条件下，如果光纤数量多且固定在一处容易造成爬电现象，从而烧毁光纤。串行总线方式下，模块与模块之间压差固定，减少了因高压爬电造成光纤损坏的可能；
36.4.本发明所编写的同步串行分时复用总线方法，具有可靠的纠错及保护机制，不仅可以进行数据的高速传输，同时还具备极其稳定的安全性，符合电力系统稳定性的要求；
37.5.本发明所编写的同步串行分时复用总线方法，弥补了传统串行总线所带来的触发不同步问题，触发指令到达各个模块的时间具有一致性，且不因串数的增多而带来控制时间的延长，做到了真正意义上的触发同步及实时控制。
附图说明
38.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本技术的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
39.在附图中：
40.图1为本发明串行拓扑结构示意图；
41.图2为本发明主机数据帧格式示意图；
42.图3为本发明从机数据帧格式示意图；
43.图4为本发明流程示意图；
44.图5为本发明总线分时复用演示图；
具体实施方式
45.下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
46.实施例
47.图1为本发明的串行拓扑结构示意图，且本发明为一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线方法，其中串行控制结构是相对于并行传输结构而来的，通过串行总线方式代替传统并行连接方式，可以极大的缩减光纤连接器的数量，控制测光纤连接器的数量可以减少一倍，减小控制器的尺寸及设计难度，有效的减少设计成本。
48.串行结构各个模块之间为手拉手的连接方式，高压成套补偿装置一般分为三相abc，每相进行单独控制，控制装置的at发送头接到模块a1的ra1接收头，模块1的ta1发送头接到模块2的ra2接收头，模块2的ta2发送头接到模块3 的ra3接收头，以此类推模块n的接收头连接到模块n-1的tan-1发送头，模块 n的发送头连接回控制器的ar接收头，如此完成a相的链路拓扑，同样bc两相也是通过同样的链路拓扑完成。
49.由此拓扑图可以清晰的看出，相比起一对一的拓扑结构，串行结构可以极大的缩减光纤收发器的使用个数，同时有效减少光纤的使用数量。
50.如图2所示，主机数据帧由高字节到低字节依次为帧头、从机模块站号、节点个数、节点1触发指令、节点2触发指令...节点n触发指令、校验段、帧尾。当无故障时，各个子模块依次响应各自触发指令，当有故障时，立即占用总线并发出200us低电平进行及时保护。且节点个数由直流工作电压来确定，举例来说，常规9000伏直流工作电压中，需要12个相电压，单个相电压需要左桥、右桥和使能并且分别占用1位，而一个字节只有8位，因此单个字节只能控制两个从机模块，因此9000伏直流工作电压中，需要6个字节触发指令，因此，9000伏直流工作电压中需要11个字节。以此类推，根据具体直流工作电压的数值，即可得到主机数据帧的字节个数，并且确定字节数量。
51.如图3所示，从机数据帧由高字节到低字节依次为帧头、从机模块站号、数据长度、握手信号、模拟量信息、状态信息、校验段、帧尾。当无故障时，各个子模块依次占用总线并发送数据帧，当有故障时，立即占用总线并发出200us 低电平进行及时保护。且从机数据帧的字节数量，与主机数据帧的字节数量相同，因此，以上述9000伏直流工作电压的数据参
考，同样的，从机数据帧需要11 个字节，其中只需要8个字节即可完成工作，多余的字节为空闲位。
52.如图5所示，主机模块在第一个时间t发送t1时刻所有从机模块触发指令，在第二个时间t由模块1占用总线并发送当前模块的模拟量及状态信息，三个时间t发送t2时刻所有从机模块触发指令，第四个时间t由模块2占用总线并发送当前模块的模拟量及状态信息，直至第2n-1个时间t发送tn时刻所有从机模块触发指令，第2n个时间t由模块n占用总线并发送当前从机模块的模拟量及状态信息，至此完成一个数据闭环。
53.如图4所示，一种应用于高压级联式设备的同步串行分时复用总线方法，包括以下步骤：
54.步骤一：
55.(1)链路初始化，且链路中至少包含1个主机模块与多个从机模块；其中从机模块即为常规高压级联式设备的功率模块，因为常规高压级联式设备中存在多个功率模块，相应的从机模块就需要设置对应的多个；
56.(2)所述主机模块向多个从机模块发送数据，并建立通信，所述数据至少包括4个字节，且4个字节的信息包括模块识别码，握手信号和校验信号，其中握手信号用于建立连接，模块识别码需要发送至不同的从机模块，并且对应的从机模块锁存各自收到的模块识别码建立从机模块站号，从机模块能够根据从机模块站号，响应主机模块发送的总线请求，并进入下一步骤；
57.步骤二：
58.(1)链路初始化完成(通信建立初始化完成)，从机模块获得从机模块站号，各从机模块通过总线应答回复主机模块初始化完成，各从机模块开始释放总线，所有从机模块挂在一条串行的总线上，主机模块收到完成信号，同步检测总线是否处于空闲状态，若总线未处于空闲状态，则继续检测总线，直至检测倒总线处于空闲状态为止，如检测到总线处于空闲状态，则表示所有从机模块准备完成，进入下一步骤，如果未完成链路初始化过程，需要重复上述步骤一过程，直至能够完成链路初始化；
59.步骤三：
60.(1)主机模块检测到总线处于空闲状态时，主机模块启动周期为t的计数器；
61.(2)同步发送主机数据帧，主机数据帧包含从机模块的触发脉冲和从机模块站号等关键指令，各从机模块同步解析主机发出的触发脉冲指令和从机模块站号信息，根据从机模块站号进入应答状态的从机模块，成为应答设备，所述应答设备根据触发脉冲指令同步触发，发起总线占用申请，进入下一步骤；
62.进一步的，所述主机模块发送的主机数据帧至少包括帧头、从机模块站号、节点个数、节点1触发指令、节点2触发指令...节点n触发指令、校验段和帧尾。其中节点的个数由直流工作电压来确定，需要使用者根据实际情况进行确认。
63.步骤四：多个所述从机模块检测自身故障信息
64.(1)若多个所述从机模块检测自身无故障信息，则同时响应触发脉冲，并进行下一步骤；
65.(2)若多个所述从机模块检测有故障，则不再判断主机模块发送的主机数据帧，立即连续发送200us的低电平抢占总线，连续低电平立即传递回主控模块，并完成脉冲封锁，
整机闭锁，直至从机模块故障消除并返回步骤二；
66.步骤五：
67.(1)经步骤四检测自身无故障信息后，所述应答设备总线申请通过，并启动周期为t的时间计数器；
68.(2)进入传输状态，发送从机数据帧，进行一对一的数据传输，实时上传当前模块的模拟量及状态信息，直至数据发送结束，进行下一步骤；
69.进一步的，从机数据帧由高字节到低字节依次为帧头、从机模块站号、数据长度、握手信号、模拟量信息、状态信息、校验段、帧尾，且从机数据帧的字节数量，与主机数据帧的字节数量相同，并且超过8个字节的多余的字节并不需要安排新的功能。相应的，从机数据帧至少需要8个字节，因此，主机数据帧的字节个数不能少于8个，否则将无法运行。
70.且主机数据帧与从机数据帧需要保证数据长度相同的原因在于，能够保证数据传输步调的周期t相同，否则，将无法运行。
71.步骤六：主机数据处理
72.(1)若主机模块接收到应答设备数据出现传输或校验错误，则进行故障等级判断，若为轻故障则将主机数据帧舍弃，用上一个主机数据帧继续运行，若为重故障，则将所有模块脉冲进行封锁，闭锁整机，直至故障消除后返回步骤二；
73.(2)若主机模块接收到应答设备数据信息无故障，则对数据进行实时处理，同时更新触发指令，重复步骤二。
74.进一步的，判断轻故障与重故障的基准在于：当连续200us内通信能够恢复时，为轻故障，当连续200us内通信无法恢复时，则为重故障。超过200us(微秒)的故障容易引起元器件的损坏，因此需要以200us为临界点。也就是需要保证元器件的正常使用，避免出现损坏的问题。
75.经过上述步骤，就完成了串行分时复用总线的闭环控制，总结概括为，每一个连续的2t周期内，在第一个周期t内，可以完成一次对所有模块的实时控制及一个模块的数据更新。同时各个模块可以根据各自的实时故障状态进行总线中断的优先级抢占，故障模式为一级响应优先级，主机响应为二级优先级，从机响应为三级优先级。无故障状态下，模块根据主机下发的从机模块站号，在主机 2t周期的第二个周期顺序响应总线请求，并完成数据串数及握手校验。如此往复在2nt的时间内完成对所有模块的n次实时控制及n个模块的状态采集。主机根据是否存在系统故障来判断是否响应模块数据或采取系统保护，最终数据参与系统调制，完成一次闭环控制。
76.进一步的，所述从机模块依次连接，且接于同一串行总线上，主机模块根据总线是否处于空闲状态对从机模块轮寻呼唤，而从机模块完成数据解析，判断主机发送的从机模块站号是否与自己的从机模块站号相匹配，如匹配则表示当前节点模块可占用总线资源，如果与自己的从机模块站号不匹配，则不会占用总线资源，进而保证每一个周期t内能够同时控制所有从机模块触发，并完成应答设备与主机模块的一对一连接，完成通信。
77.进一步的，所述从机模块能够根据主机模块呼唤占用串行总线资源，也能够根据中断机制，主动占用总线资源。确保故障状态下，从机模块能够直接占用总线资源，完成闭锁整机功能。也就是上述的一级响应优先级，由于长时间的故障会导致元器件的损坏，因此需要在故障情况下，优先处理故障信息，因此，从机模块在此情况下，会抢占总线资源，并且
主动抢占，不需要匹配主机模块的主机数据帧，目的在于第一时间内进行停机，以保护设备以免出现损坏的问题。并且闭锁整机模式下，即便判断所有故障消失，也会设置延迟启动整机运行，且时间一般为20s左右，目的在于防止整机连续启停。
78.进一步的，所述主机模块设备有且仅有一台，从机模块设备至少包括一个动态分配模块，可根据用户需求进行动态配置。
79.主机模块根据总线空闲状态进行数据下发与从机模块呼唤，从机模块根据主机模块呼唤与总线空闲状态，实现主机模块与从机模块之间的数据传输。
80.如上所述，申请占用总线的设备可以是主机模块，同时也可以是从机模块，
81.正常状态下，当没有故障中断抢占总线时，所述主机模块作为请求设备，从机模块作为应答设备，能够进行一对一连接。
82.并且在上述过程中，从机模块作为应答设备与主机模块一对一连接的过程中，能够占用总线，并且为最低的优先级，在故障模式和主机相应的状态，可以直接占用。
83.当存在故障中断时，当前故障的所述从机模块直接占用总线，此时没有应答设备，从机模块也不需要设置请求状态，作为请求设备，以主机模块作为应答设备，而是直接传递至主机模块执行停机命令，以保护设备防止出现损坏。
84.综上可得，所述总线状态分为空闲状态、请求状态、应答状态及数据传输状态
85.所述空闲状态下，所有模块(主机模块和多个从机模块)串联在一起，不发送数据也不解析数据，总线资源处于闲置状态；
86.所述请求状态为，所述主机模块进入请求状态作为请求设备，能够请求从机模块并获得应答信号，此时当前解析从机模块站号配对并获得应答信号的从机模块作为应答设备；
87.所述应答状态为，在上述请求状态发生后，所述应答设备准备发送数据，数据处于待发送状态，同时请求设备处于接收状态，准备解析应答数据；
88.所述数据传输状态为应答设备占用总线，并与请求设备进行一对一配对，将准备好的数据进行发送。
89.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。