光纖通信在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用?

申 超，易靈芝，龍 辛，黃 波，龐 偉，詹 俊

（1．湘潭大學 信息工程學院 電氣工程系，湖南 湘潭 411105；2．湘電風能有限公司，湖南 湘潭411105；3．長沙優(yōu)利泰克信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

風力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，同時又是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟和最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一，在世界各地得到迅速發(fā)展［1，2］。

風力發(fā)電控制系統(tǒng)一般分為3部分：塔基控制系統(tǒng)、機艙控制系統(tǒng)和輪轂系統(tǒng)控制［3］。機艙和輪轂之間一般采用CANopen網(wǎng)絡(luò)通信，機艙和塔基之間傳輸距離遠，傳統(tǒng)的通信方式，如RS485、CAN等都受通信距離以及傳輸頻帶的限制，無法滿足要求，而光纖通信具有帶寬資源豐富、通信容量大、中繼距離長等特點，可以保證數(shù)據(jù)的遠距離實時傳輸，并且對于電磁的抗干擾能力很強，因此對于光纖在機艙和塔基間通信應(yīng)用的研究是很有必要的［4］。

本文以STM32作為控制平臺，以光纖為介質(zhì)，UDP通信協(xié)議格式作為塔基和機艙的數(shù)據(jù)傳輸方式開發(fā)了光纖通信模塊。為了保證風機控制模塊能訪問到傳輸過程中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)了Ethernet CAT 的主從站結(jié)構(gòu)［5］。

1 光纖模塊設(shè)計和實現(xiàn)

1．1 系統(tǒng)需求

在風機控制系統(tǒng)中，塔基和機艙之間需要長距離傳輸數(shù)據(jù)，同時又要求通信網(wǎng)絡(luò)具有較強的抗干擾能力。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，在1ms內(nèi)，塔基和機艙的數(shù)據(jù)至少能交互一次，所以必須在硬件和軟件兩方面做出改進。

1．2 硬件結(jié)構(gòu)

通過對系統(tǒng)需求的分析，設(shè)計了如圖1所示的硬件架構(gòu)。系統(tǒng)采用STM32F103ZC作為主控芯片，通過FSMC總線拓展了W5100網(wǎng)絡(luò)芯片，實現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的收發(fā)，其中光電轉(zhuǎn)換芯片采用集成的模塊［6］。同時為了保證其余模塊能很好地訪問到光纖模塊上的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用FPGA設(shè)計了Ethernet CAT底板總線，各模塊只需要插在底板上即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相訪問。STM32和FPGA之間同樣采用FSMC總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1．3 軟件結(jié)構(gòu)

1．3．1 共享內(nèi)存空間

在硬件上，系統(tǒng)設(shè)計了2kB的共享存儲空間。圖2所示為共享空間劃分，將這片空間分為4塊。由風機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，只需要交互S2和CAN1區(qū)域的數(shù)據(jù)即可。

系統(tǒng)硬件設(shè)計時，光纖模塊預留有4kB的共享空間，前面2kB作為只讀空間，后面2kB作為只寫空間。系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互時，光纖模塊從前面2kB空間讀取數(shù)據(jù)，打包發(fā)送出去，同時，把接收到的數(shù)據(jù)解析存入后面2K的空間。對于CPU來說，它讀取后面2 kB空間的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，同時把需要輸出的數(shù)據(jù)寫入到前面2kB空間。共享內(nèi)存空間讀寫訪問協(xié)議如圖3所示。

圖2 共享空間劃分示意圖

圖3 共享內(nèi)存空間讀寫訪問協(xié)議

為了保證其余模塊能很好地訪問共享空間的數(shù)據(jù)，將S1、S2、CAN1、CAN2的空間進行分配。其中站頭包括站的ID、狀態(tài)、中斷等，而卡頭包括各模塊的長度、類型、ID等。站頭結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct Head＿Of＿Station＿Str

｛

WORD Station＿Is＿Written；／＊寫入狀態(tài)標志＊／

WORD ID；

WORD State；／＊狀態(tài)＊／

WORD Num；／＊站的板卡數(shù)量＊／

WORD Err＿Type；／＊站的故障類型＊／

WORD Err＿Card；／＊故障的板卡號＊／

WORD Interrupt＿Chan；／＊中斷通道號＊／

｝Head＿Of＿Station；

卡頭結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct Head＿Of＿Card＿Str

｛

WORD Type；

WORD ID；

WORD State；

WORD Err；／＊板卡的故障類型＊／

｝Head＿Of＿Card；

1．3．2 UDP協(xié)議包定義

光纖通信采用了UDP通信方式，其數(shù)據(jù)包格式如表1所示。其中，前面4個字節(jié)作為通信校驗字，以防止外來數(shù)據(jù)的干擾，其余部分的定義如下：

大多數(shù)教師把教學的百分之九十的精力放在了教學設(shè)計上，聽課中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)教師游戲設(shè)計的精彩多樣，可是到了評價的階段卻是相當?shù)牧邌荩皇遣萋实匾粠Ф^。殊不知，教學評價才是游戲深化、幼兒發(fā)展最直接的因素。

Length（2字節(jié)）：數(shù)據(jù)包字節(jié)長度，不包括數(shù)據(jù)包頭和本身字節(jié)。

Command（1字節(jié)）：命令字。

ox01 配置信息；

ox02 配置完成；

ox03 正常運行時傳送的數(shù)據(jù)；

ox04 中斷信息；

oxFF 錯誤信息。

Reserved（1字節(jié)）：保留。

DataType（1字節(jié)）：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，即數(shù)據(jù)來自或者發(fā)往哪一級底板。

ox01 IS＿S1＿DATA 底板1上的數(shù)據(jù)；

ox02 IS＿S2＿DATA 底板2上的數(shù)據(jù)；

ox03 IS＿CAN1＿DATA CAN的數(shù)據(jù)；

ox04 IS＿CAN2＿DATA CAN的數(shù)據(jù)。

Data：實際的底板數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)包格式定義

1．3．3 系統(tǒng)配置過程

如圖4所示為配置信息數(shù)據(jù)流圖。具體步驟如下：

（1）上電初始化，State＝0；CPU1將State置為1。

（2）FM讀取到State＝1時，將S2的配置數(shù)據(jù)區(qū)域414個字節(jié)通過光纖發(fā)送給FS。

（3）FS接到數(shù)據(jù)包以后，將其寫入S2的共享空間區(qū)域。

（4）CPU2讀到State＝1時，解析配置信息并配置各個模塊；配置完成后，置State＝2。

（5）FS讀到State＝2后，將該狀態(tài)發(fā)給FM。

（6）FS將State＝3，F(xiàn)S進入正常工作模式。

（7）FM接收到FS發(fā)回的cmd＝2后，將State＝2寫入S2共享空間區(qū)。

（8）CPU1查詢到State＝2后，將State＝3，F(xiàn)M也進入正常工作模式。

圖4 配置信息的數(shù)據(jù)流圖

1．3．4 系統(tǒng)的運行流程

圖5為系統(tǒng)運行流程圖。由圖5可知，系統(tǒng)初始化完成以后，進行配置信息的發(fā)送和接收；之后分別讀取S2和CAN的數(shù)據(jù)，通過光纖發(fā)送出去；同時通過UDP接收服務(wù)函數(shù)讀取，并調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。

主循環(huán)程序分為4個主要狀態(tài)，自檢狀態(tài)下系統(tǒng)完成所有硬件初始化過程和設(shè)備自檢過程，如系統(tǒng)正常狀態(tài)時將依次完成系統(tǒng)配置和軟件初始化過程，最后切換到正常的工作狀態(tài)。程序如下所示：

while（1）

｛

switch（station＿state）

｛

case STATION＿Self＿Inspect；

．．．

break；

case STATION＿Configuration：

break；

case STATION＿Inialize；

break；

case STATION＿Running：

break；

｝

圖5 系統(tǒng)運行流程圖

2 實驗驗證與性能分析

系統(tǒng)設(shè)計了兩個光纖模塊，一個作為主模塊，一個作為從模塊，位于不同的底板上面，中間通過多模光纖連接，其參數(shù)設(shè)置如表2所示。通過J－LINK將程序Download進入芯片，系統(tǒng)重啟即可進行測試。

表2 FM／FS模塊網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

圖6為搭建的實驗平臺實物圖，從上至下依次對應(yīng)圖1中的S1塔基、S2機艙和S3輪轂。

S1與S2之間采用的即為本文所述光纖通信，為了驗證系統(tǒng)作如下兩步實驗。

圖6 硬件系統(tǒng)圖

2．1 鏈路測試

通過網(wǎng)絡(luò)PING命令，訪問FM／FS模塊，系統(tǒng)模塊返回時間的平均值遠小于1ms，數(shù)據(jù)丟包率為0%，這表明光纖通訊鏈路正常，且具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。同時通過分析抓獲的數(shù)據(jù)包以及調(diào)試信息可知，系統(tǒng)能正常啟動，F(xiàn)S掉電重啟或FM掉電重啟時，系統(tǒng)都能進入正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2．2 鏈路通信速度測試

系統(tǒng)正常運行時，F(xiàn)M／FS每發(fā)送／接收10 000個包后，往PC上發(fā)一條調(diào)試信息，通過抓包工具Ethereal得到如表3所示數(shù)據(jù)。由表3可知，F(xiàn)M與FS收發(fā)每個包平均所耗時間均在系統(tǒng)設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

表3 抓包所得網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通訊模塊利用光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)了機艙和塔底控制器間的通訊，目前已經(jīng)應(yīng)用到風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，性能可靠穩(wěn)定。光纖以太網(wǎng)可以滿足風力發(fā)電控制系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的需要，由于本通訊模塊低成本和靈活性的特點，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 田振宇．淺談風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011（9）：101－102．

［2］ 劉琦．中國新能源發(fā)展研究［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（1）：1－2．

［3］ 雷亞洲，Gordon Lightbody．國外風力發(fā)電導則及動態(tài)模型簡介［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（12）：27－32．

［4］ 劉志亮，鄒見效，徐紅兵．光纖以太網(wǎng)在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［G］／／2008年中國電機工程學會年會論文集．西安：中國電機工程學會，2008：345－348．

［5］ 李木國，王磊，王靜，等．基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］．計算機工程，2010（3）：237－239．

［6］ Douglas E Comer．用 TCP／IP進行網(wǎng)際互連（第1卷）：原理、協(xié)議與結(jié)構(gòu)［M］．第4版．林瑤，張娟，王海，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2002．