CN103067149A - 一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，实现电压源换流阀的主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器三级控制体系之间的实时同步，校正方法包括：步骤S1，将所述主控制器的时钟作为主时钟，所述阀基控制器的时钟作为从时钟，将所述阀基控制器的从时钟修正到与所述主控制器的主时钟一致的时间标准；步骤S2，将所述阀基控制器的时钟作为主时钟，所述功率子模块控制器的时钟作为从时钟，将所述功率子模块控制器的从时钟修正到与所述阀基控制器的主时钟一致的时间标准。本发明提供的一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，在正常控制命令通信过程中加入时钟同步测量通信机制，使系统的时钟同步能够达到亚微秒级的精度。

Description

一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法

技术领域

本发明涉及领域电压源换流阀控制系统领域，具体涉及一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法。

背景技术

近年来，随着智能电网建设正式展开、大规模新能源的接入不断增加、电能质量需求不断提升，基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高压大功率的电力电子电压源换流器需求不断增加，并已经广泛应用于工业变频器和电力系统的柔性直流输电及配电网灵活交流输电(FACTS和DFACTS)和定制电力技术(Custom Power)中。由于单个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）受耐压的限制，在高压大功率电能变换场合不能满足需求。目前，实现高压大功率电压源换流阀的有效办法主要是多电平技术。

采用多电平技术的高压大功率电压源换流阀的子模块比较多，因此采样的通道和控制的数据也更多，采样数据和控制数据的实时性直接影响电压源换流阀的控制性能，因此设计可靠高速的控制系统非常重要。目前最常用的控制系统方案是三级控制系统，包括主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器。主控制器完成所有主要通道的采集和控制算法的计算，产生控制命令信号通过信道传送给阀基控制器，阀基控制器完成信号的调制，PWM扩展及输出到每个功率子模块控制器。每个子模块控制器，可用一个功能较简单的单片机实现。该模块控制器的主要作用是将采样信息和状态发送给阀基控制器，同时生成控制脉冲控制IGBT器件。三级控制单元便于功率子模块的扩展，适用于高压大容量的电压源换流阀的控制系统，（参见申斐斐.模块化多电平变流器控制系统的研究[D]:[硕士学位论文].浙江：浙江大学.2012）。由于在三级控制系统中主控制器和每个子模块控制器都存在信号的采集，这就需要各级控制器之间采样同步，以保证数据采集的同步，为控制算法、事件顺序记录、故障录波，以及事后数据分析等方面提供精确的实时数据。

三级控制体系之间的通信方式目前有多种方式：（1）光纤以太网；（2）同步串口通信；（3）异步串口通信。由于控制体系之间是点对点通信，目前最常用的是点对点协议中普遍采用的高级数据连接控制（HDLC）协议。同步协议HDLC（High-level Data Link Control Procedures,高级数据链路控制规程）广泛应用于数据通信领域，是确保数据信息可靠互通的重要技术。其帧格式包括：起始字节、地址域、控制域、信息域、校验字节和结束字节，该协议不依赖于任何一种字符编码集；数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；全双工通信，有较高的数据链路传输效率；所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。

但无论采用哪种通信方式，三级控制体系各级之间的实时同步都是必须解决的一个技术难点。目前的HDLC通信，保证了传输的可靠性和快速性，但解决同步问题还是采用传统的在各控制器之间增加专用同步信号线的方式，通过同步信号触发外部中断同步各控制器的计数时钟，保证各控制器采样，脉冲触发的同步。但采用专用同步信号线，一方面增加了成本，另一方面降低了可靠性，一旦专用同步信号线出现同步异常，将造成整个控制系统的控制流程的瘫痪。

发明内容

本发明涉及一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，实现电压源换流阀的主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器三级控制体系之间的实时同步，所述校正方法包括：

步骤S1，将所述主控制器的时钟作为主时钟，所述阀基控制器的时钟作为从时钟，将所述阀基控制器的从时钟修正到与所述主控制器的主时钟一致的时间标准；

步骤S2，将所述阀基控制器的时钟作为主时钟，所述功率子模块控制器的时钟作为从时钟，将所述功率子模块控制器的从时钟修正到与所述阀基控制器的主时钟一致的时间标准；

所述主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器中时钟作为主时钟的为主时钟控制器，时钟作为从时钟的为从时钟控制器，将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准的方法包括：

步骤S1′，所述主时钟控制器周期性的向从时钟控制器发送同步报文并记录下所述同步报文的发送时标，所述从时钟控制器接收所述同步报文并记录接收到所述同步报文的接收时标，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送包含所述同步报文的发送时标的跟踪报文；

步骤S2′，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送控制命令报文，所述从时钟控制器发送回复报文同时记录所述回复报文的发送时标，所述主时钟控制器收到所述回复报文并记录收到所述回复报文的接收时标，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送包含所述回复报文的接收时标的延时响应报文；

步骤S3′，根据所述同步报文的发送时标、接收时标和所述回复报文的发送时标、接收时标，得到时钟偏移和通信延时，根据所述时钟偏移将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准。

本发明提供的第一优选实施例中：所述步骤S3′中根据所述同步报文的发送时标、接收时标和所述回复报文的发送时标、接收时标，得到所述时钟偏移和通信延时的方法为：将所述主时钟记为Clock₁，所述从时钟记为Clock₂，所述主时钟和从时钟的所述时钟偏移记为T_{Offset_1}，所述通信延时记为T_{Delay_1}；

根据所述步骤S1′、所述同步报文的发送时标T₁和所述同步报文的接收时标T₂得到所述时钟偏移为T_{Offset_1}＝T₂-T₁-T_{Delay_1}；

根据所述步骤S2'、所述回复报文的发送时标T₇、所述回复报文的接收时标T₈得到通信延时为T_{Delay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}；

根据所述时钟偏移和通信延时的公式T_{Offset_1}＝T₂-T₁-T_{Delay_1}和T_{Delay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}得到所述时钟偏移T_{Offset_1}的值为

所述通信延时的值为 $T_{\mathrm{Delay}\_1}=\frac{(T_2-T_1)+(T_6-T_5)}{2}.$

本发明提供的第二优选实施例中：所述步骤S3′中根据所述时钟偏移将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准的方法为：将所述从时钟Clock₂修改为Clock′₂，Clock′₂＝Clock₂+T_{offset_1}。

本发明提供的第三优选实施例中：信号采集和控制周期记为T_S，将一秒按T_S等分成n个时间间隔，时间刻度分别为：Clock、Clock+T_S……Clock+(n-1)T_S；

所述主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器在时钟整秒Clock时，开始一个新的控制周期T_S。

本发明提供的一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法的有益效果包括：

本发明提供的一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，在传统的同步协议HDLC的基础上，在正常控制命令通信过程中加入时钟同步测量通信机制，将时标的测量和报文的传送分离，使得报文时标的确定更加精确，以简单的四则运算实现使系统的时钟同步能够达到亚微秒级的精度。

附图说明

如图1所示为本发明提供的一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法的方法流程图；

如图2所示为本发明提供的同步算法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，保证主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器三级控制体系之间的实时同步，其方法流程图如图1所示，由图1可知，该校正方法包括：

步骤S1，将主控制器的时钟作为主时钟，阀基控制器的时钟作为从时钟，将阀基控制器的从时钟修正到与主控制器的主时钟一致的时间标准。

步骤S2，将阀基控制器的时钟作为主时钟，功率子模块控制器的时钟作为从时钟，将功率子模块控制器的从时钟修正到与阀基控制器的主时钟一致的时间标准。

其中，主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器中时钟作为主时钟的为主时钟控制器，时钟作为从时钟的为从时钟控制器，将从时钟控制器的时钟修正到与主时钟控制器的时钟一致的时间标准的方法包括：

步骤S1′，主时钟控制器周期性的向从时钟控制器发送同步报文并记录下同步报文的发送时标，从时钟控制器接收同步报文并记录接收到该同步报文的接收时标，主时钟控制器向从时钟控制器发送包含同步报文的发送时标的跟踪报文。

步骤S2′，主时钟控制器向从时钟控制器发送控制命令报文，从时钟控制器发送回复报文同时记录该回复报文的发送时标，主时钟控制器收到回复报文并记录收到该回复报文的接收时标，主时钟控制器向从时钟控制器发送包含回复报文的接收时标的延时响应报文。

步骤S3′，根据同步报文的发送时标、接收时标和回复报文的发送时标、接收时标，得到时钟偏移和通信延时，根据该时钟偏移将从时钟控制器的时钟修正到与主时钟控制器的时钟一致的时间标准。

其中，时钟偏移为主时钟和从时钟的时钟偏移，通信延时为信号从发送到接收之间存在的网络延迟。

具体的，同步算法示意图如图2所示，主控制器的时钟作为主时钟，阀基控制器的时钟作为从时钟，将阀基控制器的从时钟修正到与主控制器的主时钟一致的时间标准的方法中：将主控制器的主时钟记为Clock₁，阀基控制器的从时钟记为Clock₂，主时钟和从时钟的时钟偏移记为T_{Offset_1}，通信延时记为T_{Delay_1}。

步骤S101，主控制器周期性的阀基控制器发送同步报文并记录下同步报文的发送时标T₁，阀基控制器接收同步报文并记录接收到该同步报文的接收时标T₂，主控制器向阀基控制器发送包含同步报文发送时标T₁的跟踪报文。

主控制器向阀基控制器发送同步报文的周期一般为两秒，根据步骤S101可以在阀基控制器中计算出时钟偏移为T_{Offset_1}＝T₂-T₁-T_{Delay_1}。

步骤S102，主控制器向阀基控制器发送控制命令报文，阀基控制器发送回复报文同时记录该回复报文的发送时标T₅，主控制器收到回复报文并记录收到该回复报文的接收时标T₆，主控制器向阀基控制器发送包含接收时标T₆的延时响应报文。

通信延时为信号从发送到接收之间存在的网络延迟，光纤网络结构固定的情况下，网络延迟基本上变化不大，延迟的测量不需要频繁的进行，根据步骤S102中可以在阀基控制器中计算出通信延时为T_{Delay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}。

步骤S103，根据同步报文的发送时标T₁、接收时标T₂和回复报文的发送时标T₅、接收时标T₆，得到时钟偏移T_{Offset_1}和通信延时T_{Delay_1}，根据该时钟偏移T_{Offset_1}将阀基控制器的时钟修正到与主控制器的时钟一致的时间标准。

根据步骤S101中得到的时钟偏移T_{Offset_1＝}T₂-T₁-T_{Delay_1}和步骤S102中得到的通信延时T_{Delay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}，可以计算出时钟偏移T_{Offset_1}的值为通信延时T_{Delay_1}的值为

根据时钟偏移T_{Offset_1}的值将阀基控制器的从时钟Clock₂修改为Clock′₂，其中Clock′₂＝Clock₂+T_{offset_1}。

阀基控制器的时钟作为主时钟，功率子模块控制器的时钟作为从时钟，将功率子模块控制器的从时钟修正到与阀基控制器的主时钟一致的时间标准的方法中：将阀基控制器的主时钟记为Clock′₂，功率子模块控制器的从时钟记为Clock₃，主时钟和从时钟的时钟偏移记为T_{Offset_2}，通信延时记为T_{Delay_2}。

步骤S201，阀基控制器周期性的功率子模块控制器发送同步报文并记录下同步报文的发送时标T₇，功率子模块控制器接收同步报文并记录接收到该同步报文的接收时标T₈，阀基控制器向功率子模块控制器发送包含同步报文发送时标T₇的跟踪报文。

阀基控制器向功率子模块控制器发送同步报文的周期一般为两秒，根据步骤S201可以在功率子模块控制器中计算出时钟偏移为T_{Offset_2}＝T₈-T₇-T_{Delay_2}。

步骤S202，阀基控制器向功率子模块控制器发送控制命令报文，功率子模块控制器发送回复报文同时记录该回复报文的发送时标T₁₁，阀基控制器收到回复报文并记录收到该回复报文的接收时标T₁₂，阀基控制器向功率子模块控制器发送包含接收时标T₁₂的延时响应报文。

通信延时为信号从发送到接收之间存在的网络延迟，光纤网络结构固定的情况下，网络延迟基本上变化不大，延迟的测量不需要频繁的进行，根据步骤S102中可以在功率子模块控制器中计算出通信延时为T_{Delay_2}＝T₁₂-T₁₁+T_{Offset_2}。

步骤S203，根据同步报文的发送时标T₇、接收时标T₈和回复报文的发送时标T₁₁、接收时标T₁₂，得到时钟偏移T_{Offset_2}和通信延时T_{Delay_2}，根据该时钟偏移T_{Offset_2}将功率子模块控制器的时钟修正到与阀基控制器的时钟一致的时间标准。

根据步骤S201中得到的时钟偏移T_{Offset_2}＝T₈-T₇-T_{Delay_2}和步骤S202中得到的通信延时T_{Delay_2}＝T₁₂-T₁₁+T_{Offset_2}，可以计算出时钟偏移T_{Offset_2}的值为 $T_{\mathrm{Offset}\_1}=\frac{(T_8-T_7)+(T_{12}-T_{11})}{2},$ 通信延时T_{Delay_2}的值为 $T_{\mathrm{Delay}\_1}=\frac{(T_8-T_7)+(T_{12}-T_{11})}{2}.$ 根据时钟偏移T_{Offset_2}的值将功率子模块控制器的从时钟Clock₃修改为Clock₃′，其中Clock₃′＝Clock₃+T_{offset_2}。

经过步骤S102-S103和步骤S201-S203的两轮校正，保证了主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器之间的时钟同步，即满足Clock₁=Clock′₂=Clock₃′。

信号采集和控制周期记为T_S，将一秒按T_S等分成n个时间间隔，时间刻度分别为：Clock、Clock+T_S……Clock+(n-1)T_S。主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器在时钟整秒Clock时，开始一个新的控制周期T_S。因为主控制器、阀基控制器和各功率子模块控制器之间的时钟同步，所以实现了各信号采集和控制周期的同步，并且使系统的时钟同步能够达到亚微秒级的精度。

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。

Claims (4)

1.一种使电压源换流阀控制命令时钟同步的校正方法，实现电压源换流阀的主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器三级控制体系之间的实时同步，其特征在于，所述校正方法包括：

步骤S1，将所述主控制器的时钟作为主时钟，所述阀基控制器的时钟作为从时钟，将所述阀基控制器的从时钟修正到与所述主控制器的主时钟一致的时间标准；

步骤S2，将所述阀基控制器的时钟作为主时钟，所述功率子模块控制器的时钟作为从时钟，将所述功率子模块控制器的从时钟修正到与所述阀基控制器的主时钟一致的时间标准；

所述主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器中时钟作为主时钟的为主时钟控制器，时钟作为从时钟的为从时钟控制器，将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准的方法包括：

步骤S1′，所述主时钟控制器周期性的向从时钟控制器发送同步报文并记录下所述同步报文的发送时标，所述从时钟控制器接收所述同步报文并记录接收到所述同步报文的接收时标，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送包含所述同步报文的发送时标的跟踪报文；

步骤S2′，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送控制命令报文，所述从时钟控制器发送回复报文同时记录所述回复报文的发送时标，所述主时钟控制器收到所述回复报文并记录收到所述回复报文的接收时标，所述主时钟控制器向所述从时钟控制器发送包含所述回复报文的接收时标的延时响应报文；

步骤S3′，根据所述同步报文的发送时标、接收时标和所述回复报文的发送时标、接收时标，得到时钟偏移和通信延时，根据所述时钟偏移将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准。

2.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步骤S3′中根据所述同步报文的发送时标、接收时标和所述回复报文的发送时标、接收时标，得到所述时钟偏移和通信延时的方法为：将所述主时钟记为Clock₁，所述从时钟记为Clock₂，所述主时钟和从时钟的所述时钟偏移记为T_{Offset_1}，所述通信延时记为T_{Delay_1}；

根据所述步骤S1′、所述同步报文的发送时标T₁和所述同步报文的接收时标T₂得到所述时钟偏移为T_{Offset_1}＝T₂-T₁-T_{Delay_1}；

根据所述步骤S2′、所述回复报文的发送时标T₇、所述回复报文的接收时标T₈得到通信延时为T_{Deleay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}；

根据所述时钟偏移和通信延时的公式T_{Offset_1}＝T₂-T₁-T_{Delay_1}和T_{Delay_1}＝T₆-T₅+T_{Offset_1}得到所述时钟偏移T_{Offset_1}的值为

所述通信延时的值为 $T_{\mathrm{Delay}\_1}=\frac{(T_2-T_1)+(T_6-T_5)}{2}.$

3.如权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述步骤S3'中根据所述时钟偏移将所述从时钟控制器的时钟修正到与所述主时钟控制器的时钟一致的时间标准的方法为：将所述从时钟Clock₂修改为Clock′₂，Clock₂＝Clock₂+T_{offset_1}。

4.如权利要求3所述的校正方法，其特征在于，信号采集和控制周期记为T_S，将一秒按T_S等分成n个时间间隔，时间刻度分别为：Clock、Clock+T_S……Clock+(n-1)T_S；

所述主控制器、阀基控制器和功率子模块控制器在时钟整秒Clock时，开始一个新的控制周期T_S。

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