一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，它包括可編程邏輯器件陣列，可編程邏輯器件陣列輸入接口連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出端，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對柔性直流輸電系統(tǒng)電壓及電流進行采樣，將接收到的采樣數(shù)據(jù)運算處理生成各開關(guān)器件的控制信號；復(fù)雜可編程邏輯器件與可編程邏輯器件陣列連接，可編程邏輯器件陣列將開關(guān)器件的控制信號輸出至復(fù)雜可編程邏輯器件；中央處理器通與可編程邏輯器件陣列信息交互，中央處理器根據(jù)可編程邏輯器件陣列傳輸至的采樣數(shù)據(jù)和各功率模塊直流電壓量及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯運算，生成開出命令；中央處理器分別連接開入開出模塊和通訊模塊，通訊模塊還連接顯示屏。本發(fā)明可以廣泛在電力電子變流器領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利說明】一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力電子變流器領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種適用于主回路架構(gòu)基于模塊化多電平(MMC)方法的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其主要任務(wù)是為主回路中半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件產(chǎn)生開通、關(guān)斷信號，從而得到需要的輸出電壓或電流。此外控制保護系統(tǒng)還應(yīng)能監(jiān)控柔性直流輸電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示、記錄運行參數(shù)，遠(yuǎn)程通信以及故障處理等等。在過去的幾十年中，發(fā)展了各種控制技術(shù)，控制保護系統(tǒng)的硬件電路也有最初的帶分立元件的模擬電路控制，逐漸發(fā)展為基于專用和通用集成電路芯片微處理器(microprocessor)、微控制器(microcontroller)和數(shù)字信號處理器DSP (Digital Signal Processor)的全數(shù)字化控制保護系統(tǒng)。
[0003]隨著柔性直流輸電系統(tǒng)的容量需求不斷的加大，主回路架構(gòu)基于模塊化多電平(MMC)技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)恰好能滿足柔性直流輸電系統(tǒng)容量擴展的需求。但是隨著主回路架構(gòu)基于模塊化多電平技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，需要控制的半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件就越來越多，這就要求之前的集中式控制保護系統(tǒng)提高其運算能力及處理能力，能夠提供大量各式各樣的接口滿足柔性直流輸電系統(tǒng)中電力電子器件的PWM信號輸出、模擬量采集、開入狀態(tài)的監(jiān)測、開出控制、遠(yuǎn)程通信接口等等。這樣僅僅集中式的控制保護系統(tǒng)往往不能滿足要求且擴展性低、可靠性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮FPGA+CPLD的功能，含有豐富的外部接口和大規(guī)?？删幊踢壿媶卧欣谥骰芈芳軜?gòu)基于模塊化多電平(MMC)方法的柔性直流輸電系統(tǒng)的擴展，可擴展性和可靠性較高。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:它包括一可編程邏輯器件陣列、一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、若干個復(fù)雜可編程邏輯器件、一中央處理器、一開入開出模塊、一通訊模塊和一顯示屏；所述可編程邏輯器件陣列的輸入接口通過并行總線連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，所述可編程邏輯器件陣列控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對柔性直流輸電系統(tǒng)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流模擬量進行采樣，所述可編程邏輯器件陣列對接收到的ADC采樣數(shù)據(jù)運算處理，生成柔性直流輸電系統(tǒng)中各電力電子開關(guān)器件的開通信號、關(guān)斷信號、PWM控制信號；每個所述復(fù)雜可編程邏輯器件都通過一對光纖與所述可編程邏輯器件陣列連接，所述可編程邏輯器件陣列接收各所述復(fù)雜可編程邏輯器件采集的柔性直流輸電系統(tǒng)中各功率模塊的直流電壓量及運行狀態(tài)；所述可編程邏輯器件陣列將所述開通信號、關(guān)斷信號以及PWM控制信號輸出至各所述復(fù)雜可編程邏輯器件，通過所述復(fù)雜可編程邏輯器件對各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開通、關(guān)斷、PWM控制；所述中央處理器通過數(shù)據(jù)總線與所述可編程邏輯器件陣列進行信息交互，所述中央處理器向所述可編程邏輯器件陣列傳輸控制信號；所述中央處理器根據(jù)所述可編程邏輯器件陣列傳輸至的ADC采樣數(shù)據(jù)和各所述復(fù)雜可編程邏輯器件采集的各功率模塊直流電壓量及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯運算，生成開出命令；所述中央處理器采用CAN總線分別連接所述開入開出模塊和通訊模塊，通過所述開入開出模塊采集柔性直流輸電系統(tǒng)中輸入輸出開關(guān)及各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開入狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的開出命令；通過所述通訊模塊實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)錄波，所述通訊模塊還連接所述顯示屏。
[0006]所述柔性直流輸電系統(tǒng)中的輸入輸出開關(guān)以及各功率模塊的電力電子開關(guān)器件為刀閘或可控斷路器。
[0007]所述可編程邏輯器件陣列根據(jù)所述柔性直流輸電系統(tǒng)中功率模塊數(shù)的擴展進行光纖接口的擴展，所述復(fù)雜可編程邏輯器件根據(jù)所述功率模塊數(shù)的需求進行擴展。
[0008]所述中央處理器包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件，作為所述柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)的保護處理單元，實現(xiàn)包括模擬量運算處理、保護邏輯處理功能。
[0009]所述通訊模塊提供RS485、以太網(wǎng)通訊口、GPS對時接口。
[0010]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明由于采用分布式控制保護系統(tǒng)，中央處理器+可編程邏輯器件陣列作為柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)的主控制部分，可擴展復(fù)雜可編程邏輯器件3作為柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)的執(zhí)行單元；把模擬量采集、數(shù)據(jù)運算處理、PWM信號輸出功能部分放在FPGA，保護功能放在CPU，分模塊采樣控制功能放在CPLD，接口部分包括開入開出信號的采集監(jiān)測管理、通信接口、人機界面分別由開入開出模塊和通訊模塊完成。充分發(fā)揮FPGA+CPLD的功能，具有豐富的外部接口和大規(guī)?？删幊踢壿媶卧?，有利于柔性直流輸電系統(tǒng)的擴展，可擴展性和可靠性較高。2、本發(fā)明由于采用FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。本發(fā)明將FPGA作為柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)核心器件，F(xiàn)PGA優(yōu)點是包含豐富的外部可編程接口，擴展能力強，內(nèi)部程序運行采用并行處理的方式，實時性高。實現(xiàn)模擬信號的采集運算處理、PWM信號調(diào)制輸出、光纖通道的擴展，F(xiàn)PGA管理各功率模塊的CPLD。CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設(shè)計制造成本低等特點，非常適合作為模塊的執(zhí)行單元的處理芯片，與FPGA采用光纖進行通訊連接，向下根據(jù)電力電子開關(guān)器件的要求進行死區(qū)補償、最小脈寬設(shè)計，控制其開關(guān)，向上采集電力電子開關(guān)器件的溫度、各模塊的模擬量信息經(jīng)過光纖串口發(fā)送給FPGA，并及時響應(yīng)開關(guān)器件的故障信號，大大保證了電力電子開關(guān)器件安全。3、本發(fā)明由于采用ADC作為模擬量采集的前端處理部分及數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，與FPGA以并行總線連接，大大提高了數(shù)據(jù)采樣的速率。綜上所述，本發(fā)明可以廣泛在電力電子變流器領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明實施例中主回路架構(gòu)基于模塊化多電平的柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明提供一種適用于主回路架構(gòu)基于模塊化多電平(MMC)方法的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，柔性直流輸電系統(tǒng)中每個橋臂由多個功率模塊級聯(lián)而成，功率模塊一般采用半H橋結(jié)構(gòu)。柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)包括一可編程邏輯器件陣列(FPGA) 1、一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC) 2、若干個復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)3、一中央處理器(CPU) 4、一開入開出模塊5、一通訊模塊6和一顯不屏7。
[0015]可編程邏輯器件陣列I的輸入接口通過并行總線連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2的輸出端，由FPGAl控制ADC2對柔性直流輸電系統(tǒng)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流模擬量進行采樣，F(xiàn)PGAl對接收到的ADC采樣數(shù)據(jù)運算處理，生成柔性直流輸電系統(tǒng)中各電力電子開關(guān)器件的開通信號、關(guān)斷信號、PWM控制信號。
[0016]每個復(fù)雜可編程邏輯器件3都通過一對光纖與可編程邏輯器件陣列I連接，實現(xiàn)信息交互?？删幊踢壿嬈骷嚵蠭接收各復(fù)雜可編程邏輯器件3采集的柔性直流輸電系統(tǒng)中各功率模塊的直流電壓量及運行狀態(tài)，其中運行狀態(tài)包括各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的運行狀態(tài)及溫度信息。可編程邏輯器件陣列I將開通信號、關(guān)斷信號以及PWM控制信號輸出至各復(fù)雜可編程邏輯器件3，通過復(fù)雜可編程邏輯器件3實現(xiàn)對各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開通、關(guān)斷、PWM控制。
[0017]中央處理器4通過數(shù)據(jù)總線與可編程邏輯器件陣列I進行信息交互，中央處理器4向可編程邏輯器件陣列I傳輸控制信號，控制可編程邏輯器件陣列I工作；中央處理器4根據(jù)FPGAl傳輸至的ADC采樣數(shù)據(jù)和各CPLD3采集的柔性直流輸電系統(tǒng)中各功率模塊的直流電壓量及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯運算實現(xiàn)保護功能，生成開出命令；中央處理器4采用CAN總線分別連接開入開出模塊5和通訊模塊6，CPU4通過開入開出模塊5采集柔性直流輸電系統(tǒng)中輸入輸出開關(guān)及各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開入狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的開出命令；CPU4通過通訊模塊6實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)錄波，并由通訊模塊6提供RS485、以太網(wǎng)通訊口、GPS對時接口，通訊模塊6還連接顯示屏7，實現(xiàn)對柔性直流輸電系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時顯示。
[0018]上述實施例中，輸入輸出開關(guān)以及各功率模塊的電力電子開關(guān)器件為刀閘或可控斷路器。
[0019]上述各實施例中，可編程邏輯器件陣列I根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)中功率模塊數(shù)的擴展進行光纖接口的擴展，相應(yīng)的復(fù)雜可編程邏輯器件3根據(jù)功率模塊數(shù)的需求進行擴展。
[0020]上述各實施例中，中央處理器4包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件，作為柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)的保護處理單元，實現(xiàn)包括模擬量運算處理、保護邏輯處理功能。
[0021]綜上所述，本發(fā)明在使用時，由于采用ADC2作為模擬量采集的前端處理部分及數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，與FPGAl以并行總線連接，提高了數(shù)據(jù)采樣的速率。通過開入開出模塊5實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)器件的狀態(tài)采集和開出命令的執(zhí)行功能，與CPU4之間采用CAN總線連接，實現(xiàn)了開入開出模塊5的無限擴展。通訊模塊6與CPU4之間采用CAN總線連接，實現(xiàn)故障錄波數(shù)據(jù)、通訊接口的擴展功能并驅(qū)動顯示屏7，提供人機界面，人機界面可顯示柔性直流輸電系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。FPGAl進行模擬量采集，并采集CPLD3上送的功率模塊信息，包括各功率模塊的運行直流電壓值，各功率模塊電力電子器件的溫度、故障與否信息，進行并行ADC模擬采樣數(shù)據(jù)計算處理，生成各功率模塊的電力電子開關(guān)器件的開通、關(guān)斷信號的數(shù)據(jù)；FPGA1定時模擬量采集后并做前期數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)交給CPU4進行保護邏輯計算，CPU4進行相關(guān)的邏輯運算實現(xiàn)保護功能，保證整個柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠運行。
[0022]實施例:如圖2所示，本實施例提供的是主回路架構(gòu)基于模塊化多電平方法的柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明是該柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)部分。圖2中包含了柔性直流輸電系統(tǒng)中單側(cè)的三相回路，每相回路包括上下兩個橋臂，每個橋臂包括四個功率模塊，功率模塊數(shù)可根據(jù)實際需求進行調(diào)整I?N，CPLD可根據(jù)功率模塊數(shù)做相應(yīng)配置，其中每個功率模塊需配置其CPLD3。其中每個功率模塊為IGBT開關(guān)器件，控制保護系統(tǒng)中FPGAl采集柔性直流輸電系統(tǒng)中的總電壓、電流信號，經(jīng)過運算分析生成PWM信號經(jīng)過光纖送至各功率模塊的CPLD3，功率模塊的CPLD3執(zhí)行FPGAl下發(fā)的指令和PWM信號，控制各功率模塊的開關(guān)器件開通或關(guān)斷，監(jiān)測自身功率模塊開關(guān)器件的運行狀態(tài)，采集功率模塊的電壓信號，采用光纖上送至FPGAl。
[0023]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的連接和結(jié)構(gòu)都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:它包括一可編程邏輯器件陣列、一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、若干個復(fù)雜可編程邏輯器件、一中央處理器、一開入開出模塊、一通訊模塊和一顯示屏； 所述可編程邏輯器件陣列的輸入接口通過并行總線連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，所述可編程邏輯器件陣列控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對柔性直流輸電系統(tǒng)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流模擬量進行采樣，所述可編程邏輯器件陣列對接收到的ADC采樣數(shù)據(jù)運算處理，生成柔性直流輸電系統(tǒng)中各電力電子開關(guān)器件的開通信號、關(guān)斷信號、PWM控制信號； 每個所述復(fù)雜可編程邏輯器件都通過一對光纖與所述可編程邏輯器件陣列連接，所述可編程邏輯器件陣列接收各所述復(fù)雜可編程邏輯器件采集的柔性直流輸電系統(tǒng)中各功率模塊的直流電壓量及運行狀態(tài)；所述可編程邏輯器件陣列將所述開通信號、關(guān)斷信號以及PWM控制信號輸出至各所述復(fù)雜可編程邏輯器件，通過所述復(fù)雜可編程邏輯器件對各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開通、關(guān)斷、PWM控制； 所述中央處理器通過數(shù)據(jù)總線與所述可編程邏輯器件陣列進行信息交互，所述中央處理器向所述可編程邏輯器件陣列傳輸控制信號；所述中央處理器根據(jù)所述可編程邏輯器件陣列傳輸至的ADC采樣數(shù)據(jù)和各所述復(fù)雜可編程邏輯器件采集的各功率模塊直流電壓量及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯運算，生成開出命令；所述中央處理器采用CAN總線分別連接所述開入開出模塊和通訊模塊，通過所述開入開出模塊采集柔性直流輸電系統(tǒng)中輸入輸出開關(guān)及各功率模塊中電力電子開關(guān)器件的開入狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的開出命令；通過所述通訊模塊實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)錄波，所述通訊模塊還連接所述顯示屏。
2.如權(quán)利要求1所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性直流輸電系統(tǒng)中的輸入輸出開關(guān)以及各功率模塊的電力電子開關(guān)器件為刀閘或可控斷路器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述可編程邏輯器件陣列根據(jù)所述柔性直流輸電系統(tǒng)中功率模塊數(shù)的擴展進行光纖接口的擴展，所述復(fù)雜可編程邏輯器件根據(jù)所述功率模塊數(shù)的需求進行擴展。
4.如權(quán)利要求2所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述可編程邏輯器件陣列根據(jù)所述柔性直流輸電系統(tǒng)中功率模塊數(shù)的擴展進行光纖接口的擴展，所述復(fù)雜可編程邏輯器件根據(jù)所述功率模塊數(shù)的需求進行擴展。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述中央處理器包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件，作為所述柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)的保護處理單元，實現(xiàn)包括模擬量運算處理、保護邏輯處理功能。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述通訊模塊提供RS485、以太網(wǎng)通訊口、GPS對時接口。
7.如權(quán)利要求5所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護系統(tǒng)，其特征在于:所述通訊模塊提供RS485、以太網(wǎng)通訊口、GPS對時接口。
【文檔編號】H02J13/00GK104037941SQ201410247626
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】王建豐, 魏澈, 司喆, 李玉田, 陳秋榮, 劉國鋒, 李強, 操豐梅, 石山, 萬光芬, 劉樹, 李雪 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 北京四方繼保自動化股份有限公司