一种模块化多电平柔性直流子模块控制保护方法

摘要

本发明提供一种模块化多电平柔性直流子模块控制保护方法，采用集成在一个芯片内的FPGA和MCU作为主控芯片，可在恶劣的电磁环境中实现FPGA和MCU之间的高速数据交换。通过FPGA和MCU的结合既可以通过FPGA对子模块进行高实时的控制与保护，同时可以通过MCU弥补FPGA的不足，通过MCU对子模块故障进行记录和管理；对子模块电压进行数字滤波处理。从而提高模块化多电平式柔性直流输电系统的各个子模块的控制能力、故障保护和故障记录能力，增加整个直流输电系统的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平柔性直流子模块控 制保护方法。

背景技术

模块化多电平柔性直流输电系统是由多个子模块组成的，每个子模块除了要接收上 层的控制命令外，还需要有独立的控制保护单元，可以对子模块的本身进行一些故障保 护，将有故障的子模块旁路以确保整个直流输电系统的正常运行，如果不能正常旁路有 故障的子模块会造成整个系统的跳闸。因此每个子模块自身控制保护的实时性和可靠性 对整个直流输电系统至关重要。

现有的模块化多电平柔性直流输电系统的子模块的控制单元一般只采用一块FPGA 或者MCU。只采用FPGA子模块系统的控制保护的实时性可以得到保证，但是对子模 块的故障管理及对子模块的电压采集的运算处理比较困难，采用MCU可以弥补FPGA 在运算和故障管理的不足，但是有故障保护实时性差在和上级控制系统的通讯编、解码 只能靠软件编解码等缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平柔性直流子模块控制保护方 法，可实现FPGA和MCU之间的高速数据通讯，而且有很强的抗干扰能力。

本发明提供的一种模块化多电平柔性直流子模块控制保护方法，其改进之处在于， 采用FPGA和MCU进行数据交换后协同控制保护子模块。

其中，所述FPGA对子模块的控制包括：

（1）FPGA实时检测子模块的运行信息，与上层控制单元采用反曼彻斯特编码串 行通信，将所述子模块的状态上报给所述上层控制单元，同时实时接收上层控制单元的 命令；本发明的FPGA实时检测子模块的运行信息包括子模块的IGBT、晶闸管、开关 和电容的运行状态；

（2）所述FPGA接收所述上层控制单元的命令后，根据子模块的运行信息产生相 应的驱动波形，控制子模块主电路功率器件的导通或关断；

（3）FPGA实时判断子模块的运行状态，当所述子模块出现故障时，进行相应动 作。

其中，步骤（1）所述FPGA与上层控制单元通过光纤通信。

其中，步骤（3）子模块的故障包括系统级故障和子模块级故障。

其中，步骤（3）所述当所述子模块出现故障时，进行相应动作包括：

当子模块出现系统级故障时，所述FPGA将故障信息上传给上层控制单元，同时传 给MCU；

当子模块出现子模块级故障时，所述FPGA将故障信息上传给上层控制单元，同时 传给MCU，并且所述FPGA将故障子模块旁路。

其中，所述MCU对子模块的控制包括：

1）所述MCU接收经过采集电路和AD转换后的子模块的电压值；

2）所述MCU将子模块的电压信息传给FPGA；

3）当子模块出现故障时，所述MCU接收从所述FPGA传输的故障信息，并存储 在存储器中；

4）所述MCU对所述故障信息进行管理，并记录故障发生的个数。

其中，步骤2）所述MCU将子模块的运行信息传给FPGA时，所述MCU将采集 的子模块电压放到一个环形缓冲池，每次MCU对一段时间窗内的电压进行中值平均滤 波处理，MCU再对滤波后的电压行非线性补偿处理，以弥补采集电路带来的误差；最 后将补偿后的子模块电压值传给FPGA。

其中，步骤3）子模块将故障信息存储在存储器中时，所述MCU通过SPI接口将发 生的故障类型及时间按照特定的格式写入外部一片非易失性存储器里面。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明通过FPGA对子模块进行实时保护，当子模块出现故障时可以零延迟的下发 旁路命令，将子模块旁路，以确保整个直流输电系统的正常运行。

本发明通过MCU对子模块的故障管理及子模块电压运算，通过MCU可以对子模块的 故障情况进行记录和管理，同时可以利用MCU的运算能力对子模块电压进行复杂的滤波 运算和非线性补偿。

本发明的FPGA和MCU之间数据交互，是采用FPGA部分通过硬件描述语言模拟个APB 总线的从设备实现的，MCU对其读写就可以实现数据的交互，因为所选的FPGA和MCU 集成在一片芯片内，可实现FPGA和MCU之间的高速数据交互，读写时钟可以达到100M。 在一片芯片内在高速时钟读写下也具有很强的抗干扰能力，并实现了子模块控制保护的 高效性与实时性。

附图说明

图1为本发明提供的控制保护系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例采用FPGA与MCU协同处理的模块化多电平柔性直流子模块控制保护策略， 将FPGA和MCU集成在一块芯片中，通过FPGA和MCU协同合作对子模块进行控制保护。 本实施例提供的控制保护系统的结构图如图1所示。其中：

（一）FPGA对子模块的控制保护

结合FPGA的实时性及可定制的特点，FPGA主要负责实现子模块和上层控制单元（上 层控制单元为柔性直流输电系统的阀基控制器）通信协议的编解码；实现子模块的控制 保护逻辑及对整个子模块的各个组成单元进行控制和监测。首先，FPGA与上层控制单元 通过光纤采用反曼彻斯特编码串行通信，将本身的状态实时的上报给上层控制单元，同 时实时接收上层控制单元的命令。其次，子模块主电路主要由两个IGBT、一个晶闸管、 一个急速开关等功率器件组成，正常情况下，FPGA接收到上控制单元命令后，产生相应 的驱动波形，控制这些功率器件的正常开通和关断。此外，FPGA实时监测子模块的器件 的状态，以便子模块发生故障时对子模块进行保护；FPGA控制单元将子模块故障分成两 种，一种是系统级故障，发生系统级故障时，FPGA记录故障，并上传给控制单元，FPGA 不做其他故障处理，例如，子模块过流故障等；另一种是子模块级故障，发生子模块故 障时，FPGA记录故障，并上传给控制单元，同时FPGA将故障子模块旁路，以保护子模 块本身及整个系统，例如IGBT驱动故障等。

（二）MCU对子模块的控制保护

因为MCU有很强的计算和系统管理能力，所以MCU主要实现子模块的故障管理及 子模块电压运算处理。

当FPGA检测到子模块故障时，FPGA将故障类型传给MCU，MCU通过SPI接口将发 生的故障类型及时间按照特定的格式写入外部一片非易失性存储器里面。MCU除了故障 记录外还需对故障进行管理，MCU在非易失性存储器，特定空间内记录故障发生的个数。 当后期对子模块故障维分析时，需通过USB口和MCU相连，通过MCU将故障信息从非易 失存储芯片读取出来，以便分析子模块的故障原因。

子模块电压通过采集通路及AD转换后传给MCU，MCU将采集的子模块电压放到一 个环形缓冲池，每次MCU对一段时间窗内的电压进行中值平均滤波处理，然后MCU再对 滤波后的电压行非线性补偿处理，以弥补采集电路带来的误差；然后将补偿后的子模块 电压传给FPGA。

（三）FPGA和MCU高速数据交互

确保子模块的实时控制FPGA和MCU之间要进行高速的数据交换，在FPGA和MCU高 速数据通讯中，MCU通过读操作来将数据从FPGA传输到MCU，通过写操作将数据从MCU 传输到FPGA,因为本专利采用FPGA和MCU在同一个芯片中可以实现高速的数据并行交 换，同时避免电磁干扰。

本发明所选的FPGA和MCU集成在一片芯片内，可实现FPGA和MCU之间的高速数据 通讯，而且有很强的抗干扰能力。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管 参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任 何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。