一种双向储能装置的控制单元的制作方法

本发明属于铁路电力系统储能电站变流器技术领域，具体涉及一种双向储能装置的控制单元。

背景技术：

目前，大功率储能变流器在铁路牵引供变电系统应用中，现有的储能变流器与双向变换器都是独立的控制，即背靠背双向ac/dc变流器采用一组控制，高低压双向dc/dc变换器采用另一组控制，两组或多组控制之间需要网络连接。

对于大功率的储能装置来说，这种方式有着信号连接线多、并机复杂、抗干扰性差、数据传输慢、功率模块扩展不方便等缺点，影响系统的整体布局和性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双向储能装置的控制单元，优化了大功率储能装置的整体布局从而提高了其性能。

本发明所采用的技术方案是：一种双向储能装置的控制单元，包括并行总线背板，总线背板上设置有通过第一并行总线连接的主控板、模拟量采集板、光纤信号传输板、数字量输入输出板和网络通信板，主控板、模拟量采集板、光纤信号传输板、数字量输入输出板和网络通信板还共同连接有电源总线，电源总线上连接有电源板。

本发明的特点还在于，

主控板包括第一dsp，第一dsp通过第二并行总线连接有第一fpga，第一fpga通过第三并行总线连接有第二dsp，第一dsp还通过第四并行总线连接有双口ram，双口ram通过第五并行总线与第二dsp连接，第一fpga通过第六并行总线连接至第一并行总线。

第一dsp上还连接有eeprom、第一ram和flash；第二dsp上还连接有第二ram。

模拟量采集板包括第二fpga，第二fpga上依次连接有模拟量输入调理电路和模拟量输入信号接口，模拟量输入调理电路与第二fpga之间还连接有电压电流保护电路，第二fpga通过第七并行总线连接至第一并行总线。

光纤信号传输板包括第三fpga，第三fpga上依次连接有信号调理电路和串行epp总线接口，第三fpga通过第八并行总线连接至第一并行总线。

数字量输入输出板包括第四fpga，第四fpga上连接有数字量输入调理电路和数字量输出调理电路，数字量输入调理电路上连接有数字量输入接口，数字量输出调理电路上连接有数字量输出接口，第四fpga通过第九并行总线连接至第一并行总线。

网络通信板包括第五fpga，第五fpga上连接有rs485信号调理电路、can总线信号调理电路和以太网信号调理电路，rs485信号调理电路上连接有rs485总线接口，cnn总线信号调理电路上连接有can总线接口，以太网信号调理电路上连接有以太网接口，第五fpga通过第十并行总线连接至第一并行总线。

本发明的有益效果是：本发明一种双向储能装置的控制单元将现有变流器和变换器分散的各电路板通过总线的方式集成在一个控制箱体中，控制背靠背的双向储能和双向变换器，解决了信号连接线多、网络通讯复杂、抗干扰性差、数据传输慢、并机复杂、功率模块扩展不方便等问题，优化了大功率储能装置的整体布局从而提高了其性能。

附图说明

图1是本发明一种双向储能装置的控制单元的结构示意图；

图2是本发明一种双向储能装置的控制单元中主控板的结构示意图；

图3是本发明一种双向储能装置的控制单元中模拟量采集板的结构示意图；

图4是本发明一种双向储能装置的控制单元中光纤信号传输板的结构示意图；

图5是本发明一种双向储能装置的控制单元中数字量输入输出板的结构示意图；

图6是本发明一种双向储能装置的控制单元中网络通信板的结构示意图；

图7是本发明一种双向储能装置的控制单元的控制状态图。

图中，1.并行总线背板，2.电源总线，3.第一并行总线，4.主控板，5.模拟量采集板，6.光纤信号传输板，7.数字量输入输出板，8.网络通信板，9.电源板，10.第一fpga，11.eeprom，12.第二并行总线，13.第一ram，14.flash，15.第一dsp，16.第四并行总线，17.双口ram，18.第五并行总线，19.第二ram，20.第二dsp，21.第三并行总线，22.第六并行总线，23.第八并行总线，24.第三fpga，25.信号调理电路，26.串行epp总线接口，27.第十并行总线，28.第五fpga，29.以太网信号调理电路，30.以太网接口，31.can总线接口，32.can总线信号调理电路，33.rs485总线接口，34.rs485信号调理电路，35.第七并行总线，36.第二fpga，37.电压电流保护电路，38.模拟量输入调理电路，39.模拟量输入信号接口，40.第九并行总线，41.第四fpga，42.数字量输出调理电路，43.数字量输出接口，44.数字量输入调理电路，45.数字量输入接口，46.本发明控制单元，47.第一ac/dc变流器，48.dc/dc变换器，49.第二ac/dc变流器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种双向储能装置的控制单元，如图1所示，包括并行总线背板1，总线背板1上设置有通过第一并行总线3连接的主控板4、模拟量采集板5、光纤信号传输板6、数字量输入输出板7和网络通信板8，主控板4、模拟量采集板5、光纤信号传输板6、数字量输入输出板7和网络通信板8还共同连接有电源总线2，电源总线2上连接有电源板9。

如图2所示，主控板4包括第一dsp15，第一dsp15通过第二并行总线12连接有第一fpga10，第一fpga10通过第三并行总线21连接有第二dsp20，第一dsp15还通过第四并行总线16连接有双口ram17，双口ram17通过第五并行总线18与第二dsp20连接，第一fpga10通过第六并行总线22连接至第一并行总线3。第一dsp15上还连接有eeprom11、第一ram13和flash14；第二dsp20上还连接有第二ram19。

如图3所示，模拟量采集板5包括第二fpga36，第二fpga36上依次连接有模拟量输入调理电路38和模拟量输入信号接口39，模拟量输入调理电路38与第二fpga36之间还连接有电压电流保护电路37，第二fpga36通过第七并行总线35连接至第一并行总线3。

如图4所示，光纤信号传输板6包括第三fpga24，第三fpga24上依次连接有信号调理电路25和串行epp总线接口26，第三fpga24通过第八并行总线23连接至第一并行总线3。

如图5所示，数字量输入输出板7包括第四fpga41，第四fpga41上连接有数字量输入调理电路44和数字量输出调理电路42，数字量输入调理电路44上连接有数字量输入接口45，数字量输出调理电路42上连接有数字量输出接口43，第四fpga41通过第九并行总线40连接至第一并行总线3。

如图6所示，网络通信板8包括第五fpga28，第五fpga28上连接有rs485信号调理电路34、can总线信号调理电路32和以太网信号调理电路29，rs485信号调理电路34上连接有rs485总线接口33，cnn总线信号调理电路32上连接有can总线接口31，以太网信号调理电路29上连接有以太网接口30，第五fpga28通过第十并行总线27连接至第一并行总线3。

工作时，第一dsp15用于接收站控制网络的信号以及双向储能装置的逻辑控制，第二dsp20用于控制双侧储能变流器即第一ac/dc变流器47和第二ac/dc变流器49，第一dsp15和第二dsp20通过第四并行总线16、双口ram17和第五并行总线18进行数据交互，采用此方法可以减少原来双侧变流器之间和变流器与变换器之间的数据交互，第一fpga10核主要是利用它的易扩展性，扩展不同的扩展板。具体为：双向储能装置的电网电压信号、电流信号、直流母线信号、变流器的温度信号、变换器的温度信号等依次通过模拟量输入信号接口39和模拟量输入调理电路38传输到第二fpga36，模拟量输入调理电路38输出的信号同时也传输到电压电流保护电路37调理后传输到第二fpga36，第二fpga36将信号通过物理连接的第七并行总线35、第一并行总线3和第六并行总线22传输到第一fpga10，进而通过第二并行总线12把刚得到的信号传输到第一dsp15；光纤信号传输板6通过物理上连接的第六并行总线22、第一并行总线3和第八并行总线23得到第一fpga10的电流指令信号或调制波信号，该电流指令信号或调制波信号是由主控板4上第二dsp20计算后通过第三并行总线21传输的，光纤信号传输板6的第三fpga24将上述信号经信号调理电路25由串行epp总线接口26传输到各变流器和变换器的功率单元模块，该过程利用了第三fpga24的易扩展性，可以扩展出多路串行epp总线接口26，利用此方式通信速率可达10mhz，而且信号传输延时小，抗干扰性好；外部的数字量信号通过数字量输入接口45经过数字量输入调理电路44传输到第四fpga41，然后数字量信号依次通过物理连接的第九并行总线40、第一并行总线3、第六并行总线22传输到第一fpga10，该信号通过第二并行总线12传输到主控板4的第一dsp15。在输出逻辑控制信号时，第二dsp20将计算处理得到的数字量输出信号依次通过第五并行总线18、双口ram17、第四并行总线16传输到第一dsp15，然后第一dsp15把逻辑运算处理的数字量输出信号和得到第二dsp20的数字量输出信号经过第二并行总线12传输到第一fpga10，该信号依次通过物理连接的第六并行总线22、第一并行总线3和第九并行总线40传输到数字量输入输出板7的第四fpga41，之后该信号经数字量输出调理电路42到数字量输出接口43，从而控制外部的开关量信号；网络通信板8用于接收不同设备的网络信号，通过以太网接口30接收站控制器的调度信号、通过rs485总线接口33接收人机交互界面的信号、通过can总线接口31接收电池储能舱的信号，各接口信号通过各对应的通信调理电路即以太网信号调理电路29、rs485信号调理电路34、can总线信号调理电路32传到第五fpga28，之后依次通过物理连接的第十并行总线27、第一并行总线3、第六并行总线22传输到第一fpga10，该信号通过第二并行总线12传输到主控板4的第一dsp15，利用网络通信板8的第五fpga28易扩展性可以扩展出多路的通信接口，包括多路rs485总线、多路can总线、多路以太网总线等。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的双向储能装置的控制单元将原来分散的ac/dc变流器，dc/dc变换器独立的信号检测与控制的电路板集成在一个单元中，并且采用三个cpu各取所长，三个cpu分别处理不同的功能，使得分散的系统变为一个大系统。fpga发挥它的易扩展性，可以扩展出多路的总线模块与多路的功率单元驱动pwm脉冲信号，三核之间在后台利用总线数据传输，避免了原来分散的控制利用通信线传输实时的数据占有过多的中断时间，大大的提高了算法的执行效率，提高了系统的实时性。

2.本发明的双向储能装置的控制单元将ac/dc变流器和dc/dc变换器的逻辑功能部分用第一dsp15完成，控制算法用第二dsp20来完成，pwm脉冲信号是第一fpga10完成，硬件上完全独立，三类控制并行执行，在运行过程中缩短了系统的运算周期，提高了效率。

3.现有的技术都采用网络通信的方式将ac/dc与dc/dc的信号传输到一个总控单元，总控单元根据云平台的命令和ac/dc与dc/dc反馈的信号执行调度算法，调度算法执行结束后把对应的调度信号通过网络分别传输到ac/dc变流器和dc/dc变换器中，而本发明的控制单元接收云平台命令后，内部总线传输到第二dsp20，根据实时计算的ac/dc变流器和dc/dc变换器的控制信号去执行调度算法，调度执行结束后直接分配脉冲pwm信号的工作状态，这样减少了网络传输带来的延时与网络故障的可能，不但提高了系统的安全性，而且可使系统可靠的工作。

4.现有的技术是如果系统运行过程出现短路、功率模组损坏等严重故障，首先是出故障对应的变流器或变换器封锁本机的故障，然后把本机的状态发送到总控，由总控封锁其他运行的机器，这样故障传输的延时性可能导致故障的扩大化，而本发明将ac/dc变流器和dc/dc变换器的故障处理集中在第二dsp20中，如果出现严重故障，则第二dsp20第一时间封锁所有的ac/dc变流器和dc/dc变换器pwm脉冲信号，这样降低了故障扩大化的可能，提供了整机系统的可靠性。

通过上述方式，本发明一种双向储能装置的控制单元将现有变流器和变换器分散的各电路板通过总线的方式集成在一个控制箱体中，控制背靠背的双向储能和双向变换器，解决了信号连接线多、网络通讯复杂、抗干扰性差、数据传输慢、并机复杂、功率模块扩展不方便等问题；利用双核dsp+fpga的架构方式，将控制算法部分与逻辑运算部分从物理层分开，不但能高效的解决单一处理器占用时钟资源的问题，保证处理器高效的完成控制任务，而且还克服了变流器之间和变流器与变换器之间的数据传输延时、抗干扰差等缺点；利用并行总线的方式通过背板将各分单板连接，不但减少了原来板间的连线距离，并提高了抗干扰性，而且还方便后续单板的功能扩展；通过光纤信号传输电流指令或调制波信号，传输方式通过epp协议的串行总线方式，速度可达10mhz，不但减少了原来发波信号线多，抗干扰差，而且通过epp总线的方式增加了数据的吞吐量，更利用fpga的易扩展性，方便并机和功率模块的扩展。