CN102023627A

CN102023627A - 高压子模块试验监控系统

Info

Publication number: CN102023627A
Application number: CN2010105572136A
Authority: CN
Inventors: 谢敏华; 赵彩萍; 汤广福; 易荣; 俞国勤; 刘隽; 张宇
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Shanghai Municipal Electric Power Co
Current assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Shanghai Municipal Electric Power Co
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN102023627B

Abstract

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种应用于电力电子装置高压子模块试验的监控系统。包括一次设备、阀基控制器和人机界面管理模块；其中，一次设备包括直流电源、两个高压子模块和电感；所述阀基控制器负责和高压模块之间的通信，同时实现和监控系统的之间的通信；所述监控系统负责完成和阀基控制器之间的通信，并负责完成与高压子模块试验系统的监测和控制；所述监控系统由控制器和上位机组成。本发明的监控系统可有效满足MMC方式的柔性直流输电系统的高压子模块试验的试验控制操作和监视功能。

Description

高压子模块试验监控系统

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种应用于电力电子装置高压子模块试验的监控系统。

背景技术

为了对MMC方式的柔性直流输电装置的高压子模块进行试验，需要对高压模块进行充分的试验，试验装置通过一系列项目的试验对高压子模块进行考核，以验证高压模块设计是否合格和工程适用性。本发明的试验监控系统就是为高压子模块试验装置提供试验控制和监视功能。目前现有技术中还没有此类高压子模块试验的监控系统。

发明内容

为了实现对高压子模块试验装置的试验控制和监视功能，本发明提供了一种应用于电力电子装置高压子模块试验的监控系统，包括：一次设备、阀基控制器和人机界面管理模块；图3高压子模块试验平台总体结构示意图。

所述一次设备包括直流电源、两个高压子模块和电感；所述阀基控制器负责和高压模块之间的通信，同时实现和监控系统的之间的通信；所述监控系统负责完成和阀基控制器之间的通信，并负责完成与高压子模块试验系统的监测和控制；所述监控系统由控制器和上位机组成；

所述控制器的功能包括通信、控制和保护逻辑功能；

所述控制器的通信功能包括：负责实现和阀基控制器之间的通信，同时完成和上位机之间的通信；

所述监控系统还具有人机界面管理模块，包括通信、信息监视、操作控制功能和信息管理功能；

人机界面管理模块通过分层分级的设计，设计为底层通信驱动层、应用通信接口层和应用程序功能层；所述应用程序功能层包括通信规约模块、试验操作功能实现、数据信息管理和人机交互界面四大功能模块。

其中，所述控制器采用ALTERA公司的EP2C20实现光纤通信数据的处理，其中光纤连接采用型号为HFBR-2412/HFBR-1414的光线收发器实现光纤通道连接，通信协议采用的是HDLC(IEC60044-8)；采用两片TI公司的TMS320F28335芯片实现控制保护逻辑和PWM调制，其中DSP-BH负责控制保护逻辑的实现，同时实现和上位机的CAN通信功能，DSP-PWM负责实现PWM调制。

其中，所述上位机具有的应用通信接口层通过设计接口文件将CAN2.0驱动文件封装成通信接口文件，监控系统通过调用通信接口文件实现对CAN2.0通信资源的使用；通信接口文件实现了对驱动程序中CAN接口的打开函数、关闭函数、初始化函数、启动函数、清缓冲区函数、复位函数、传输函数和接收函数的封装。

其中，所述应用程序功能层通过应用通信接口层实现及底层通信驱动层实现和高压SM模块控制保护单元的通信，控制保护单元将高压SM、VBC监控信息通过按照通信规约的约定将信息上传，应用程序功能层复制解释、显示以及记录保存监控信息；监控信息的数据信息管理模块负责实现试验系统的模块监测信息、SOE事件、操作信息的保存、查询和存档；人机交互功能模块负责将显示高压子模块试验装置的监控信息，同时将用户的操作转换成相关的控制指令下发给控制保护单元，用于高压子模块试验的监控系统控制器和界面风格与操作。

其中，所述控制器通过光纤通信完成和阀基控制器之间的物理通道连接，其中光纤头为HFBR-1414，采用FPGA芯片进行数据处理，通信协议采用HDLC(IEC60044-8)，通信速率为14.28M；FPGA处理完成数据之后放入片内内存，由DSP-BH读取数据并作处理。DSP-PWM芯片负责产生PWM调制，定时写入双口RAM中，DSP-BH定时读取信息，然后写入FPGA芯片中，由FPGA将信息通过HFBR-2412发送给阀基控制器。

其中，上位机通过CAN2.0B通信协议和控制器完成通信，其中通信协议为自定义协议，通信内容包括巡检信息、SOE信息、控制操作和参数设置操作；信息监视将通过CAN2.0B接收的信息通过图形界面显示出来，同时为试验人员提供操作界面，将操作信息转换成控制命令通过CAN2.0B通信方式下发给控制器；操作控制功能包括遥控和参数设置功能；信息管理功能包括操作人员管理、操作信息管理和试验运行信息的记录查询功能。

本发明的有益效果是：本发明的高压子模块试验监控系统可满足MMC方式柔性直流输电系统的高压子模块试验的操作控制和监视功能，并正在实际的高压子模块试验中使用。控制器实现了高压子模块试验的控制保护逻辑和PWM调制波形的产生。人机界面管理模块通过通讯完成和控制器的通信，实现各种信息的上传和操作设置信息的下发。通过人机交互界面实现监视信息的现实、试验设备和信息的现实以及试验操作的下发。并实现了设置信息的存储及操作信息的存储。本发明的高压子模块试验监控系统可有效满足MMC方式的柔性直流输电系统的高压子模块试验的试验控制操作和监视功能。

附图说明

图1是监控系统的控制器硬件结构示意图；

图2是高压子模块试验的监控系统人机界面管理模块的结构示意图；

图3高压子模块试验平台总体结构示意图；

图4示出了人机界面管理软件的通信接口部分的层次结构示意图；

图5示出了系统的主接线示意图。

图6示出了系统的设备状态示意图。

下面结合附图对本发明进一步说明。

具体实施方式

(1)高压控制器结构说明

控制器由一块核心控制板和接口板实现，其中控制器的硬件资源主要由一片ALTERA公司的型号为EP2C20的FPGA芯片、两片TI公司的型号为TMS320F28335的DSPP芯片(分别为DSP-BH和DSP-PWM)、一片型号为IDT70V24S35PF的DP-RAM芯片组成，控制器和阀基控制单元之间的通信通过HFBR-2412/HFBR-1414光收发器实现，控制器和人机界面管理软件之间的通信通过核心板的DSP-BH芯片的ECAN资源实现。控制器的还包括一块接口板实现IO信号的接收IO信号，并提供和人机界面管理软件CAN之间的通信接口。监控系统的控制器硬件结构示意图如图1所示。

(2)人机界面管理模块结构说明

人机界面管理软件通过分层分级的设计思想，将软件设计为底层通信驱动层、应用通信接口层和应用程序功能层。其中底层通信驱动层采用的是周立功公司的PCI板卡中的CAN2.0驱动，该驱动由厂家提供，本软件通过应用通信接口层对CAN2.0驱动进行接口封装，成为本程序软件的通用通信接口，负责实现和试验控制平台其他设备单元的通信。应用程序功能层包括前置通信规约模块、试验操作功能实现、数据库信息管理和人机交互界面四大功能模块。高压子模块试验的监控系统人机界面管理模块的结构，如图2所示。下面对该监控系统的各个模块和功能进行详细的例举性描述。

1.高压子模块试验监控系统的控制器功能

高压子模块试验监控系统的控制器的功能分别由DSP-PWM、DSP-BH和FPGA芯片实现。整个控制器功能进行如下设计：

(1)DSP-PWM芯片负责产生PWM触发脉冲信息，DSP-PWM芯片利用使用定时器产生一个周期为100us的定时器中断，定时器中断服务函数定时每1ms设定DSP芯片上的EPWM定时器的比较寄存器，使DSP-PWM产生一对相位相反的正弦脉宽调制(SPWM)，中断函数每100us定时将这两个PWM调制波写入DP-RAM芯片，并启动另一端的中断信号。

(2)DSP-BH芯片采用外部中断1实现读取DP-RAM中的PWM信息，判断当前试验系统的状态，形成控制保护逻辑，并写入FPGA芯片，其执行与DSP-PWM芯片发出的中断信号同步，周期为100us；实现和人机界面管理软件的通信，接收人机界面管理软件的控制操作，同时将试验状态信息上传给人机界面管理软件，通信方式采用DSP-BH芯片集成的ECAN控制器实现，用户协议采用自定义规约；采用外部中断2实现读取FPGA接收的信息。

(3)FPGA芯片负责接收DSP-BH写入的控制保护信息和PWM信息，并通过光纤通信将信息发送给阀基控制器，光纤发送器为HFBR-1414；负责接收阀基控制器上送的试验信息，存入片内RAM，并向DSP-BH发出中断信号。光纤通信采用HDLC(IEC60044-8)通信协议。

2.高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件功能

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件给用户提供直观、及时的试验信息，并给用户提供安全可靠的用户操作界面。人机界面管理软件模块在用户和整个系统的互联中起着重要的交互作用。

人机界面管理软件模块是一整套关于高压子模块试验监控系统的人机交互的软件集合，此套软件根据系统的需要应提供：

(1)实时提供刀闸与断路器开、合状态。

(2)准确及时地接收、处理、显示高压子模块试验监控系统的工作状态和基本电量数值。

(3)对各类参数进行整定、查询。

(4)对系统的各类事件、报警及时记录并提供方便查询。

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件采用了标准的操作系统组件和通讯协议，在人机界面管理软件和底层的保护、控制、采集以及远方调度系统之间建立稳定、可靠、安全、高效的信息交换通路。通过当地人机界面管理软件用户可以实现与高压子模块试验装置的保护、控制、采集等其他系统的图形互联。

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件主要由几个部分组成：

(1)通信接口部分；

(2)前置通信部分；

(3)SCADA数据处理部分；

(4)权限管理部分；

(5)数据库管理部分；

(6)用户界面部分。

人机界面管理软件的各部分之间数据相互交换，以完成整个监视和控制功能，下面将分别介绍几个功能部分的设计和实现。

2.1.通信接口部分

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件通信接口部分为软件提供CAN通信通道，通信接口部分采用CAN2.0通信网络，所采用的硬件是广州致远电子有限公司提供的型号PCI-9820的CAN双路接口卡。

广州致远电子有限公司的PCI-9820通信接口卡为PCI接口卡，按照该公司提供的驱动程序按照好硬件设备，在此基础上人机界面管理软件通过调用该产品提供的接口通信函数动态链接库ContralCAN.dll完成CAN卡的使用和管理。

图4示出了人机界面管理软件的通信接口部分的层次结构示意图，人机界面管理软件采用VisualStadio.NET C#语言对ContralCAN.dll接口函数集进行了封装，使得用户可以在C#中调用ContralCAN.dll的函数，以完成对CAN卡的使用。C#对ContralCAN.dll封装的接口函数列表如下：

2.2.前置通信部分

人机界面管理软件的前置通信部分主要负责实现软件的通信协议，本软件所使用的用户通信协议为公司内部使用的通信规约。人机界面管理软件和试验控制器组成的监控系统通过CAN网络形成通信网络，实现试验信息的交换。

在CAN网络中，包括人机界面管理软件和控制器两个节点。两个CAN节点信息分别为：

人机界面管理软件和控制器两个节点之间的通信组织形式和内容主要为：

(1)人机界面管理软件为主节点，控制器为从节点，采用问答式通信方式，人机界面管理软件发出询问报文，控制器根据询问报文的内容应答。

(2)CAN网络采用的通信波特率为250kbps。

(3)从人机界面管理软件下发的信息主要包括：巡检报文、SOE查询、参数设置和操作控制等命令；控制器应答的信息主要包括：巡检应答、SOE事件应答、参数设置回报和操作控制回报等信息。

(4)CAN通信的数据帧结构以CAN2.0A为标准制定，ID为11位。CAN使用以帧为单位的传送。帧结构定义为：

(1)ID10～0：目的站点地址号。

(2)RTR：0-----数据帧，1-----远程帧，目前仅用数据帧。

(3)DLC-每帧字节数(1-8)，目前规定DLC的值为固定字节数8。

(4)Data byte1～8字节内容

人机界面管理软件处理通信的前置通信部分的设计流程如下：

(1)通过调用CANLib的VCI_OpenDevice打开PCI9820的第1路CAN资源并调用VCI_InitCan初始化CAN，调用VCI_StartCAN。

(2)在线程中发出巡检控制器的命令，等待并接收控制器回报的信息。根据回报信息检查控制器是否有SOE事件，如果有SOE事件，发出查询SOE事件的命令。

(3)在巡检过程中如果有设置参数或控制操作，则暂停巡检线程的执行，发出设置参数或控制操作命令，并等待操作的返校信息。

(4)在通信过程中如果发现CAN通信有故障存在，则进行调用CANLib函数库中的VCI_ ResetCAN函数重置CAN设备，然后重新打开CAN设备。

2.3.SCADA数据处理部分

人机界面管理软件的SCADA数据处理部分负责将从前置通信部分处理后的信息。前置通信部分在将控制器上送过来的信息处理后变成遥信、遥测、SOE事件、参数设置回报以及操作控制回报信息后进入信息保存的缓冲区。

SCADA数据处理部分负责对信息进行处理，将遥信、遥测、SOE事件、参数设置回报以及操作控制回报信息显示至人机界面，是用户获取到当前试验的信息。SCADA数据处理部分根据用户要求将信息进行处理，如进行事件统计比较、遥测统计比较数据处理。SCADA数据处理部分实时将试验信息保存到数据库。

SCADA数据处理部分由一个周期为500ms的定时器和一个线程组成。定时器负责将定时将信息显示到界面；线程负责将信息定时存入数据内。

2.4.权限管理部分

软件的有些操作(如浏览画面、查看参数等)不需要登录系统。不过许多重要功能的实现，都需要作为操作员或工程师登录后才能进行操作。登录步骤如下：

人机界面软件首次启动后，软件将为无用户界面显示，用户可以通过操作软件界面右上角的登录按钮启动登录功能。如下图：

选择相应的“登录级别”、“登录人员”，输入相对应的“登录密码”，并按“登录”键进行确认。登录密码和登录级别、登录人员是一一对应的，输入密码正确，用户可以进入软件系统，并拥有相应登录级别的操作权限。输入密码错误，或当用户按“注销”键时，将视为“无用户”登录。

为保证系统安全，将使用系统的用户从下至上分成几个等级，分别是：

(1)无用户

浏览软件画面；

查阅各类参数。

(2)运行操作员

无用户权限；

可以认知警报。

(3)保护工程师

操作员权限；

可以设置保护参数。

(4)试验工程师

操作员权限；试验操作权限。

可以设置调节命令和参数。

可退出应用程序。

(5)系统工程师

具有登录管理权，可以增加、删除、修改用户的登录级别、登录人员、登录密码等登录属性；

具有保护工程师和试验工程师的权限；

可退出应用程序。

(6)监护人员

具有操作员权限的用户必须与监护人员同时登陆，才允许进行操作。

用户登录成功后，可以进行相应登录级别的操作，操作完成后，用户应当立即注销，以防非授权操作；如果用户登录忘记注销退出，系统在用户登录5分钟内无任何操作后自动启动注销登录(强迫退出)。但是操作员应当尽量进行主动注销操作，避免使用系统强迫退出。

注销完成后，如没有另外的用户登录，则软件系统处于无用户登录状态，只能浏览软件界面。

人机界面管理软件的权限管理部分包括用户管理和权限管理两个部分，主要是结合数据库来实现的。

权限管理部分主要由用户管理表和用户类型表组成。

用户管理表：

用户类型表

权限管理部分对登录试验人机界面管理软件的操作员进行记录，并根据操作员登录的类型进行管理，不同的操作具有不同的操作权限。

操作员登录人机界面管理软件之后，权限管理部分对用户操作进行记录，如果在一定时间内用户没有操作，将自动计时，如果操作5分钟没有任何操作，当前登录状态自动清除，人机界面管理软件将处于无权限操作状态，从而将无法进行人机界面管理软件的操作功能。

2.5.数据库管理部分

人机界面管理软件的数据库管理部分负责将所有需要归档信息进行存档管理和需要访问数据的一部分管理功能。

数据库管理部分数据表格主要包括：用户管理表、用户类型表、SOE事件表。

人机界面管理软件通过VisualStudio.Net的C#语言的OleDbDataAdapter类定义一个对象建立和数据的连接，数据库建立在Office2003的Access中。并通过标准的数据库操作语言SQL进行数据操作与访问。

2.6.人机界面管理软件用户界面部分

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件的用户界面包括以下几个部分，具体结构如下表所示：

(1)通用信息观察区；

(2)实时事件显示区；

(3)主窗口显示区；

(4)用户操作工具栏区；

(5)状态信息栏。

(1)通用信息观察区

高压子模块试验监控系统的人机界面管理软件通用信息观察区，位于屏幕的顶部。主要显示有关用户登录、系统时间等资源状况，当前主窗口显示的内容以及高压子模块试验装置的工作状态等一般信息。

通用信息列表

(2)实时事件显示区

高压子模块试验监控系统的事件记录包括事件清单、报警清单、故障清单。事件的来源控制保护单元、阀基控制单元以及高压子模块单元的故障、报警信息等。

事件清单、报警清单、故障清单包含类似的信息布置：

(1)分类：事件分为系统事件、装置事件、操作事件等；

(2)类型：事件分为通道事件、SOE事件等

(3)时间：事件产生的年月日，时、分、秒、毫秒

(4)数值：导致事件产生的基本量的具体数值

(5)描述：本事件内容的具体描述

(6)来源：产生事件的具体来源装置描述

高压子模块试验监控系统正常运行时，当地人机界面管理软件从控制保护单元循环接收数据。当有SOE事件产生时，SOE信息栏会自动显示最新事件，同时将相关的事件信息写入数据库，以备用户查询。

事件的来源：

(1)控制保护单元

(2)阀基控制单元

(3)高压子模块单元

(3)主窗口信息显示区

软件的主窗口信息显示区，位于屏幕的中部。主要显示当前所选择的功能的相关图形、数据等内容，是面向用户提供各种系统信息的主要形式。

主窗口信息显示区主要包括以下的图形界面：

1)主接线图界面人机界面管理软件提供了高压子模块试验装置的各类信息的显示画面。用户选择不同的显示画面，可以查看高压子模块试验装置的工作状态、设备运行状况、基本电量数值等图形和数据。

选择进入主接线图，软件画面会显示高压子模块试验装置的主回路概貌图和所有电量，通过查看主回路概貌图上的图形指示符，便可直观判断主回路刀闸与断路器当前的分合状态。

主接线图显示高压子模块试验装置的实时开关刀闸状态，实时遥测值；具有操作的用户可以点击开关进行开关的遥控操作。

其中接线图中的开关状态按绿颜色表示为分闸状态，红颜色表示合闸状态。

用户登录后，具有操作权限的用户点击需要操作的开关进行遥控操作，如果当前开关为合状态则进行分闸操作，开关为分状态则进行合闸操作。比如点击合位开关，将弹出以下对话框进行遥控操作。在遥控操作过程中，首先执行遥控预置操作，遥控预置成功之后才能进行遥控执行操作。图5示出了系统的主接线示意图。

2)设备状态界面

设备状态主信息窗口包括：巡检标志、合闸允许标志、阀基状态标志以及两个子模块的状态标志。图6示出了系统的设备状态示意图。

3)历史事件管理

历史事件管理界面提供事件查询等操作。事件查询可按照事件发生时间段、事件来源和事件类型进行分类查询。事件管理操作通过转化为数据库操作的SQL语言进行，由数据库管理部分完成数据库的操作。

(4)用户操作栏说明

1)用户登录

人机界面管理软件的有些操作(如浏览画面、查看参数等)不需要登录系统。不过许多重要功能的实现，都需要作为操作员或工程师登录后才能进行操作。登录步骤如下：

人机界面管理软件启动后，软件将为无用户界面显示，用户可以通过操作软件界面右上角的登录按钮启动登录功能。

为保证系统安全，将使用系统的用户从下至上分成几个等级，对应权限管理中的权限等级。

2)用户管理

具有登录管理权限密码的用户(系统工程师)，可以增加、删除、修改用户的登录级别、登录人员、登录密码等登录属性。

3)注销功能

用户登录成功后，可以进行相应登录级别的操作，操作完成后，用户应当立即注销，以防非授权操作；如果用户登录忘记注销退出，系统在用户登录10分钟内无任何操作后自动启动注销登录(强迫退出)。但是操作员应当尽量进行主动注销操作，避免使用系统强迫退出。

(5)程序状态信息栏

显示当前程序的状态，包括当前CAN通信状态和权限状态。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims

1.一种应用于电力电子装置高压子模块试验的监控系统，其特征在于包括：一次设备、阀基控制器和人机界面管理模块；

所述控制器的功能包括通信、控制和保护逻辑功能；

2.依据权利要求1所述的监控系统，其特征在于：

所述控制器采用ALTERA公司的EP2C20实现光纤通信数据的处理，其中光纤连接采用型号为HFBR-2412/HFBR-1414的光线收发器实现光纤通道连接，通信协议采用的是HDLC(IEC60044-8)；采用两片TI公司的TMS320F28335芯片实现控制保护逻辑和PWM调制，其中DSP-BH负责控制保护逻辑的实现，同时实现和上位机的CAN通信功能，DSP-PWM负责实现PWM调制。

3.依据权利要求1所述的监控系统，其特征在于：

所述上位机具有的应用通信接口层通过设计接口文件将CAN2.0驱动文件封装成通信接口文件，监控系统通过调用通信接口文件实现对CAN2.0通信资源的使用；通信接口文件实现了对驱动程序中CAN接口的打开函数、关闭函数、初始化函数、启动函数、清缓冲区函数、复位函数、传输函数和接收函数的封装。

4.依据权利要求2或3所述的监控系统，其特征在于：

所述应用程序功能层通过应用通信接口层实现及底层通信驱动层实现和高压SM模块控制保护单元的通信，控制保护单元将高压SM、VBC监控信息通过按照通信规约的约定将信息上传，应用程序功能层复制解释、显示以及记录保存监控信息；监控信息的数据信息管理模块负责实现试验系统的模块监测信息、SOE事件、操作信息的保存、查询和存档；人机交互功能模块负责将显示高压子模块试验装置的监控信息，同时将用户的操作转换成相关的控制指令下发给控制保护单元，用于高压子模块试验的监控系统控制器和界面风格与操作。

5.依据权利要求2或3所述的监控系统，其特征在于：

所述控制器通过光纤通信完成和阀基控制器之间的物理通道连接，其中光纤头为HFBR-1414，采用FPGA芯片进行数据处理，通信协议采用HDLC，IEC60044-8，通信速率为14.28M；FPGA处理完成数据之后放入片内内存，由DSP-BH读取数据并作处理，DSP-PWM芯片负责产生PWM调制，定时写入双口RAM中，DSP-BH定时读取信息，然后写入FPGA芯片中，由FPGA将信息通过HFBR-2412发送给阀基控制器。

6.依据权利要求2或3所述的监控系统，其特征在于：

上位机通过CAN2.0B通信协议和控制器完成通信，其中通信协议为自定义协议，通信内容包括巡检信息、SOE信息、控制操作和参数设置操作；信息监视将通过CAN2.0B接收的信息通过图形界面显示出来，同时为试验人员提供操作界面，将操作信息转换成控制命令通过CAN2.0B通信方式下发给控制器；操作控制功能包括遥控和参数设置功能；信息管理功能包括操作人员管理、操作信息管理和试验运行信息的记录查询功能。