风电变流器数字化温湿度检测控制系统

摘要

本发明涉及风电变流器数字化温湿度检测控制系统，包括依次连接的模拟采集装置、信号控制板及变流器控制器，模拟采集装置与风电变流器连接，用于采集风电变流器的温湿度数据；信号控制板用于信号扩展，其上设置有相互信号连接的FPGA芯片及DSP芯片，FPGA芯片获取模拟采集装置上的温湿度数据并写入内部寄存器，DSP芯片用于周期性读取内部寄存器内的温湿度数据，供变流器控制器启动或停止加热、除湿操作。本发明可以有效降低变流器的器件成本，并减少器件之间电缆连接不可靠的问题。全数字化采样还可以提高温湿度检测精度，使变流器柜内温度、湿度控制更为精确，提高了变流器的加热效率和整机利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及风电变流器的数字控制技术领域，具体涉及一种风电变流器数字化温湿度检测控制系统。

背景技术

随着风能等清洁能源的大力发展，我国风力发电装机容量一直在增加，对电网的运行影响已不可忽视。风电变流器作为风力发电机组中的核心设备，承担风电机组机械能到电能的转换，其可靠性直接影响整机的利用率，甚至威胁到电网的安全稳定运行。由于风电变流器应用环境复杂多变，包括严寒、潮湿等恶劣环境，因此变流器在启机前均要进行加热、除湿等必要准备工作，一方面解决环境温度过低器件不能可靠工作的问题，另一方面避免湿度太大降低系统的绝缘，引起电气短路故障。通过增加温度、湿度检测装置，控制风电变流器的加热及除湿，可保障风电变流器设备的运行安全。

风电变流器中常用的温湿度检测方法为，采用机械式温度控制器以及湿度控制器（如图1所示），达到设定的温度值或者湿度值时给出一个干接点信号，主控制器通过判断该干接点的状态来控制系统的加热及除湿。该方法的主要缺点是不能实时获得柜内的温度和湿度具体数值，而且采样偏差较大，控制精度不高。

发明内容

为解决已有技术存在的不足，本发明提供了一种风电变流器数字化温湿度检测控制系统，包括依次连接的模拟采集装置、信号控制板及变流器控制器，其中，

模拟采集装置与风电变流器连接，用于采集风电变流器的温湿度数据；

信号控制板与模拟采集装置通过50针排线连接，用于信号扩展，其上设置有相互信号连接的FPGA芯片及DSP芯片，FPGA芯片通过IIC单数据总线获取模拟采集装置上的温湿度数据并写入内部寄存器，DSP芯片用于周期性读取内部寄存器内的温湿度数据，供变流器控制器启动或停止加热、除湿操作。

其中，所述模拟采集装置包括模拟采集板及温湿度传感芯片，温湿度传感芯片焊接在模拟采集板上，温湿度传感芯片选自AM2302温湿度传感芯片，DSP芯片与FPGA芯片通过16位数据总线通信。

其中，所述FPGA芯片内的寄存器包括资源分配器及多个内存单元，资源分配器通过读操作接口及写操作接口与FPGA芯片内的数据过渡接口模块连接，用于根据读写的数据类型实现多个内存单元的资源调度，其中，每个内存单元还包括多个子内存单元，在向相应的内存单元写入数据时，根据所写入数据大小，仅使能对应大小的若干个子内存单元。

其中，各内存单元包括使能时序判断模块，使能时序判断模块根据所写入的数据的地址位置，判断当前所需使能的内存单元中的子内存单元。

其中，FPGA芯片包括预处理模块，预处理模块用于将串行采样数据转换为低频数模采样数据；预处理模块包括分路模块、数字振荡电路、若干个混频电路模块及滤波电路，其中，各混频电路模块均与分路模块、数字振荡电路及滤波电路连接，分路模块用于将串行采样数据转化为若干路并行的数据，数字振荡电路用于产生若干路并行数据的本振信号，各混频电路模块分别将各并行电路的数据及本振信号进行混频处理，滤波电路用于对混频电路模块的混频数据进行滤波处理，最终输出低频数模采样数据。

本发明提供的风电变流器数字化温湿度检测控制系统，可以有效降低变流器的器件成本，并减少器件之间电缆连接不可靠的问题。全数字化采样还可以提高温湿度检测精度，使变流器柜内温度、湿度控制更为精确，提高了变流器的加热效率和整机利用率。精准的温湿度检测控制方法，保证了变流器在严酷环境下的长时间安全稳定运行。

附图说明

图1：已有技术的机械式温湿度检测及加热控制方法示意图。

图2：本发明的风电变流器数字化温湿度检测控制系统的整体逻辑架构图。

图3：本发明所采用的IIC单总线通信协议。

图4：本发明的DSP芯片访问FPGA芯片的内存接口图。

图5：本发明第一实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图。

图6：本发明第二实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图。

图7：本发明第三实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图。

图8：本发明第三实施例所采用预处理模块的逻辑工作框架图。

图9：本发明的IIC单总线通信时序图。

图10：本发明的IIC单总线通信的起始信号图。

图11：本发明的IIC单总线通信的数据位时序图。

图12：本发明的FPGA的单总线通信流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。

为了实现变流器柜内温度、湿度的检测及控制，解决传统机械式温湿度控制器无法准确获取温湿度数值、控制精度差、控制效果不理想的问题，本发明提供了一种风电变流器数字化温湿度检测控制系统，通过整体的架构设计、芯片的逻辑功能模块设计以及工作时序的设计，实现了精准的温湿度检测控制，保证了变流器在严酷环境下的长时间安全稳定运行。

图2为本发明的风电变流器数字化温湿度检测控制系统的整体逻辑架构图，如图2所示，本发明的风电变流器数字化温湿度检测控制系统，完整的硬件电路板包括依次连接的模拟采集装置、信号控制板及变流器控制器，模拟采集装置即焊接有AM2302温湿度传感芯片的模拟采集板，用于负责前端模拟量数据采集，信号控制板与模拟采集板连接，用于负责IO信号扩展，信号控制板的控制核心板上焊接有相互信号连接的FPGA芯片及DSP芯片，用于负责系统的集中控制，控制核心板可通过插件扣在信号控制板上；模拟采集板与信号控制板之间采用50针排线连接。具体工作时：由AM2302温湿度传感器开始实时采样风电变流器的温湿度模拟数据，然后将测量的温湿度数据通过IIC总线通信送到FPGA芯片，FPGA芯片解析接收的数据并通过IIC单数据总线将其存储在内部寄存器内；最后由DSP芯片通过EMIF总线通信方式，较佳的通过16位数据总线通信，周期性读取FPGA内部寄存器中的值，从而得到柜内的实时温湿度，进而判断整个变流器系统是否需要执行加热、除湿操作。图3及图4分别为本发明所采用的IIC单总线通信协议以及，DSP芯片访问FPGA芯片的内存接口图。

本发明中，由电源供电单元（图未视）输出稳定的直流电压（15VDC以及24VDC各一路）给整个硬件电路板供电；如输出24VDC电源一路，接入信号控制板X1端子，输出15VDC电源一路，接入信号控制板X4端子。

图5为本发明第一实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图，为了确保风电数据在读写过程中精准的同步性及实时性，本发明针对性地设计了FPGA芯片的电路工作原理，使其能够保证高精准同步的读写作业。

如图5所示，本发明第一实施例所设计FPGA芯片包括中心控制协调模块、时序同步模块、数据过渡接口模块以及寄存器，中心控制协调模块与模拟采集装置及DSP芯片连接，同时通过时序同步模块及数据过渡接口模块与寄存器信息连接，实现数据的写入和读出。

需要注意的是，本发明中的数据过渡接口模块及时序同步模块可设置为两个或两个以上，但是，数据过渡接口模块及时序同步模块的数量相同，即，每个时序同步模块对应控制一个数据过渡接口模块，通过多组数据过渡接口模块及时序同步模块的设置，形成多个读写操作的作业通道，在作业时，可于其中一个通道进行写数据的操作，另一个通道进行读数据的操作，亦或者，其中一个通道进行上一个周期的写数据（或读数据）的操作，另一个通道进行下一个周期的写数据（或读数据）操作；从而确保读写的无间隔进行，确保了风电变流器温湿度数据的同步获取及分析，以最快保证风电变流器处于最佳工作状态，并及时发现风电变流器的故障。

对应的，寄存器中包括资源分配器及多个内存单元，多个内存单元分别对应不同的操作周期或同一操作周期中的不同数据类型，通过资源分配器将不同操作周期中的数据以及相同操作周期中不同类型的数据对应写入不同的内存单元中。并且，本发明的各内存单元分别包括多个子内存单元，通过多个子内存单元的设置，增加各内存单元的颗粒度，确保寄存器的功耗优化，具体的，内存单元中设置有与个子内存单元及资源分配器连接的使能时序判断模块，使能时序判断模块根据所写入的数据的位置依次使能相应的子内存单元，以进一步确保在相应的操作周期内，以最小的内存功耗保证写数据操作的顺利进行：例如，当每个子内存单元所能够存储的数据大小为1kb时，在写入第1kb的数据时，使能时序判断模块使能第一个子内存单元，写入之后使第一个子内存单元复位；在写入第2kb的数据时，使能时序判断模块使能第二个子内存单元，写入之后使第二个子内存单元复位，依次类推，直至将当前操作周期内的待写入数据全部写入对应的子内存单元内；相应的，在读数据的操作周期中，使能时序判断模块也通过相应的方法将子内存单元中的有效数据一一读出。由此，本发明通过寄存器及多个内存单元的设置，可保证FPGA芯片存储不同操作周期中的数据，且可存储不同类型的数据；通过多个子内存单元的设置，保证了寄存器在写入数据阶段最小的功耗，降低了对FPGA芯片的损耗，延长了设备的使用寿命；同时，通过使能时序判断模块的设置，一方面保证了读写数据操作的顺利进行，降低读写操作的故障发生率，另一方面进一步降低了寄存器的工作功耗。

图6为本发明第二实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图，其显示一组数据过渡接口模块及时序同步模块，第二实施例中，本发明通过详细扩展中心控制协调模块、数据过渡接口模块及时序同步模块的工作逻辑，确保风电数据在读写过程中精准的同步性及实时性。

如图6所示，中心控制协调模块作为与模拟采集装置及DSP芯片连接的终端工作模块，用于接收相应的读写命令及命令地址信息，并根据与存储器之间的协议，将读写命令及命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与内部存储器格式相匹配的命令数据，同时，中心控制协调模块通过时序同步模块及数据过渡接口模块与寄存器信息连接，作为读写数据发送及接收的终端，实现数据的写入和读出；具体的，中心控制协调模块包括连接接口、命令反馈模块、读操作模块以及写操作模块：连接接口直接与模拟采集装置及DSP芯片连接，在写操作作业周期中，连接接口从模拟采集装置中获取欲写入的原始数据信息，这些信息包括写命令、写命令地址信息、写数据信息及写使能信息，连接接口将上述信息发送至命令反馈模块及写操作模块，在读操作作业周期中，连接接口将从DSP芯片中获取的读数据命令及读命令地址信息发送至命令反馈模块，同时，将从读操作模块中获取的有效数据传输给DSP芯片；命令反馈模块根据与存储器之间的协议，将读写命令及命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与寄存器格式相匹配的命令数据，并传递给数据过渡接口模块，同时，命令反馈模块对读命令及读命令地址信息，或者写命令、写命令地址信息及写数据信息和写使能信息进行重组和缓存，以得到用于后续同步工作的原始时序信号；写操作模块及读操作模块均与连接接口连接，写操作模块用于在模拟采集装置中有数据写入时，从写入的数据中获得写使能信息及写数据信息，并将其传输给数据过渡接口模块；读操作模块用于在向DSP芯片输出读出数据时，接收数据过渡接口反馈的有效数据，并经连接接口将有效数据输出给DSP芯片。

数据过渡接口模块与时序同步模块信息连接，用于在时序同步模块的作用下，完成读写数据在中心控制协调模块及寄存器之间的过渡，以向寄存器或者DSP芯片提供同时满足时序及顺序要求的数据；所述数据过渡接口模块包括第一信息通路、第二信息通路及信息输送通路：第一信息通路与读操作模块、写操作模块及信息输送通路连接，在写操作作业周期中，第一信息通路从写操作模块中获取写使能信息及写数据信息，并将其通过信息输送通路传送至寄存器中，在读操作作业周期中，第一信息通路从信息输送通路中获取寄存器中的有效数据，并传送至读操作模块；第二信息通路与命令反馈模块及信息输送通路连接，第二信息通路从命令反馈模块中获取读写命令及命令地址信息，并传送给信息输送通路；信息输送通路与寄存器连接，在写操作作业周期中，信息输送通路将写命令、写命令地址信息、写使能信息及写数据信息传送至寄存器，在读操作作业周期中，信息输送通路将读命令、读命令地址信息传送至寄存器，之后，接收寄存器反馈的有效数据并传送至读操作模块。

时序同步模块用于向数据过渡接口模块中的各逻辑工作模块提供同步的时序，确保信息及数据的正常输送；所述时序同步模块包括依次连接的锁相环、分频电路、时序开关逻辑模块及时序同步模块：锁相环与中心控制协调模块中的命令反馈模块连接，在一个读写操作作业周期中，锁相环获取命令反馈模块的原始时序信号，并根据该原始时序信号产生第一命令时序信号，分频电路根据第一命令时序信号产生第二命令时序信号，时序开关逻辑模块产生控制第二命令时序信号输出时间的时序控制信号，时序同步模块同时从时序开关逻辑模块中获取第二命令时序信号及时序控制信号，并同时传送给数据过渡接口模块中的第一信息通路、第二信息通路及信息输送通路，确保数据过渡接口中各个模块同步工作。本发明中，第一命令时序信号为高速时序信号，第二命令时序信号为低速时序信号。

综上，在本发明的第二实施例中，一个完整的写数据作业周期如下：

（1）连接接口从模拟采集装置中获取写命令、写命令地址信息、写数据信息及写使能信息并将上述信息发送至命令反馈模块及写操作模块；

（2）命令反馈模块根据与存储器之间的协议，将写命令及写命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与寄存器格式相匹配的命令数据，并将其传送至第二信息通路；同时，命令反馈模块对写命令、写命令地址信息及写数据信息和写使能信息进行重组和缓存，得到用于后续同步工作的原始时序信号，并将其传送至锁相环；

（3）锁相环根据原始时序信号产生第一命令时序信号，分频电路根据第一命令时序信号产生第二命令时序信号，时序开关逻辑模块产生控制第二命令时序信号输出时间的时序控制信号，时序同步模块同时从时序开关逻辑模块中获取第二命令时序信号及时序控制信号，并同时传送给数据过渡接口模块中的第一信息通路、第二信息通路及信息输送通路，确保数据过渡接口模块中各个模块同步工作；

（4）写操作模块将写数据信息和写使能信息传送至第一信息通路；第一信息通路将写数据信息和写使能信息传送至信息输送通路；第二信息通路将写命令及写命令地址信息传送至信息输送通路；

（5）信息输送通路将写命令、写命令地址信息、写数据信息和写使能信息写入寄存器。

在本发明的第二实施例中，一个完整的读数据作业周期如下：

（1）连接接口从DSP芯片中获取读数据命令及读命令地址信息；

（2）命令反馈模块根据与存储器之间的协议，将读命令及读命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与寄存器格式相匹配的命令数据，并将其传送至第二信息通路；同时，命令反馈模块对读命令及读命令地址信息进行重组和缓存，得到用于后续同步工作的原始时序信号，并将其传送至锁相环；

（3）锁相环根据原始时序信号产生第一命令时序信号，分频电路根据第一命令时序信号产生第二命令时序信号，时序开关逻辑模块产生控制第二命令时序信号输出时间的时序控制信号，时序同步模块同时从时序开关逻辑模块中获取第二命令时序信号及时序控制信号，并同时传送给数据过渡接口模块中的第一信息通路、第二信息通路及信息输送通路，确保数据过渡接口模块中各个模块同步工作；

（4）第二信息通路将读命令及读命令地址信息传送至信息输送通路；信息输送通路获取寄存器中的有效数据，并将有效数据传送至第一信息通路；第一信息通路将有效数据传送至读操作模块，由读操作模块经连接接口传送至DSP芯片。

在本发明的第二实施例中，读写数据作业周期交替进行的工作逻辑如下：

（1）连接接口从模拟采集装置中获取写命令、写命令地址信息、写数据信息及写使能信息并将上述信息发送至命令反馈模块及写操作模块；

（2）命令反馈模块根据与存储器之间的协议，将写命令及写命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与寄存器格式相匹配的命令数据，并将其传送至第二信息通路；同时，命令反馈模块对写命令、写命令地址信息及写数据信息和写使能信息进行重组和缓存，得到用于后续同步工作的原始时序信号，并将其传送至其中之一时序同步模块（以下称第一时序同步模块，与之对应的为第一数据过渡接口模块）的锁相环；

（3）连接接口从DSP芯片中获取读数据命令及读命令地址信息；

（4）命令反馈模块根据与存储器之间的协议，将读命令及读命令地址信息进行排序、拆分及重组，得到与寄存器格式相匹配的命令数据，并将其传送至另一第二数据过渡接口模块（以下称第二数据过渡接口模块，与之对应的为第二时序同步模块）的第二信息通路；同时，命令反馈模块对读命令及读命令地址信息进行重组和缓存，得到用于后续同步工作的原始时序信号，并将其传送至第二时序同步模块的锁相环；

（5）第一时序同步模块及第一数据过渡接口模块执行上述写数据作业周期的步骤（3）至步骤（5），完成数据的写入。

（6）第二时序同步模块及第二数据过渡接口模块执行上述读数据作业周期的步骤（3）至步骤（4），完成数据的读出。

由此，本发明的FPGA芯片在读写操作交替进行过程中，由于多组数据过渡接口模块及时序同步模块的设置，只需等待上一操作周期中的连接接口及命令反馈模块完成相应工作即可立即进行下一周期的操作，无需等待整个中心控制协调模块、数据过渡接口模块及时序同步模块均完成相应的工作，极大提高了数据读写的效率，降低了数据读写周期的间隔时间，保证了风电变流器参数获取及控制的实时性。

图7为本发明第三实施例所采用的FPGA芯片的逻辑工作框架图，第三实施例与第二实施例的逻辑结构相似，区别在于，第三实施例的中心控制协调模块还包括预处理模块，请配合参阅图8所示，为本发明的预处理模块的逻辑工作框架图：预处理模块与连接接口及写操作模块连接，用于将串行采样数据转换为低频数模采样数据；预处理模块包括分路模块、数字振荡电路、若干个混频电路模块及滤波电路，其中，各混频电路模块均与分路模块、数字振荡电路及滤波电路连接，分路模块用于将串行采样数据转化为若干路并行的数据，数字振荡电路用于产生若干路并行数据的本振信号，各混频电路模块分别将各并行电路的数据及本振信号进行混频处理，滤波电路用于对混频电路模块的混频数据进行滤波处理，最终通过整合输出接口向写操作模块输出低频数模采样数据。预处理模块的设置在于将一路数据分解为平行的多路数据，从而在相同数据量的情况下降低FPGA芯片的采样时钟大小，以增加FPGA的数据处理带宽，以增加FPGA芯片的数据采集速率，在读写操作交替进行时，最大限度减小二者之间的间隙，更进一步确保数据的同步性和实时性。

图9-图11分别为本发明的IIC单总线通信时序图、起始信号图及数据位时序图，图12为本发明的FPGA的单总线通信流程图，请结合图2所示，开关电源通电后硬件电路板供电正常，AM2302温湿度传感器开始工作，周期性采集柜内的温湿度值。等待2s后，FPGA将IIC数据通信总线SDA拉低至少1ms，然后拉高后释放总线，等待温湿度传感器把数据总线SDA拉低80us再拉高80us，接着温湿度传感器将数据及校验信息共计40bit按照通信协议及时序一次性从数据总线上串出，FPGA接收完所有的40bit数据后先检验，校验不通过此包数据丢弃等待下次通信周期，校验通过后将温度数值可以存储在寄存器中的地址0x4105，湿度数值可以存储在寄存器中的地址0x4104，同时置位控制字中数据准备好信号，寄存器地址为0x4103第2位。DSP通过EMIF总线周期性读取FPGA控制字地址的内容，检测到温湿度数据准备好信号后，读取温湿度寄存器地址的值，同时FPGA端自动复位控制字。DSP获得温湿度值后，首先判断温度是否小于0℃，湿度是否大于85%，满足任一条件则闭合加热控制继电器2k283.1，控制柜内加热器进行加热、除湿。之后变流器控制器一直判断温度是否大于5℃，同时湿度小于80%，此时控制器退出加热流程，关闭加热器，进入待机流程，同时通知风机主控变流器准备好运行。

本发明提供的方法可以有效降低变流器的器件成本，并减少器件之间电缆连接不可靠的问题。全数字化采样还可以提高温湿度检测精度，使变流器柜内温度、湿度控制更为精确，解决了传统机械式温湿度控制器无法准确获取温湿度数值、控制精度差、控制效果不理想的问题，提高了变流器的加热效率和整机利用率。精准的温湿度检测控制方法，保证了变流器在严酷环境下的长时间安全稳定运行，同时可以有效降低器件成本，节省安装空间。

虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。