CN104333205A - 一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，所述装置包括EtherCAT主站模块A、EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块A、换流阀汇总主控模块B、换流阀接口模块、EtherCAT总线A、EtherCAT总线B和换流阀接口模块。本发明装置采用模块化的设计，不同的功能用不同的模块来实现，可以根据实际工程的需要选取适当数量的模块进行组合，有较强的灵活性。本发明装置可连接65535个从站，并且各从站间可以实现同步，可以实现多点对多点的全双工通信，实现机箱之间的级联及信号同步，EtherCAT的实时总线自带同步功能，每个从站无需额外增加同步信号，简化了系统设计，增加了系统可靠性。

Description

一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置

技术领域

本发明涉及一种换流阀级控制装置，具体讲涉及一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置。

背景技术

柔性交流输电装置的电压等级一般较高，受当前可关断器件耐压水平限制，柔性交流输电装置的换流阀需要由多个子模块串联，这对换流阀的控制保护提出了更高的要求，柔性交流输电装置的控制保护系统需要在每个控制周期内收集每个子模块的电压、电流等状态信息，并根据上一级发出的控制命令，对所有串联子模块的开关行为进行控制。由于模块数量大，如果所有模块均与主控制保护系统进行通信，数据量太大，对通讯带宽要求太高。现有换流阀级控制装置内部通信技术主要采用基于LVDS差分直连线进行直接信号传输，只能实现点对点的信号传输，由于换流阀数量大，这样就需要扩展大量的IO，并且IO之间要实现同步，需要大量的线路连接，增加了不可靠性，并且在多个机箱扩展时，很难实现同步及级联。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，做为主控制保护系统与换流阀之间的中间控制层，负责与大量换流阀子模块进行数据通信，实现了换流阀控制保护信息的分发及汇总，并且实现了换流阀级的控制保护算法及换流阀子模块控制脉冲的生成，减轻了主控制保护系统的通信及计算负担。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其改进之处在于，所述装置包括EtherCAT主站模块A、EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块A、换流阀汇总主控模块B、换流阀接口模块、EtherCAT总线A、EtherCAT总线B和换流阀接口模块；

所述换流阀级控制装置连接主控制保护系统与子模块驱动板；

所述EtherCAT总线A连接EtherCAT主站模块A、换流阀汇总主控模块A及换流阀接口模块；

所述EtherCAT总线B连接EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块B及换流阀接口模块。

优选的，所述换流阀接口模块与EtherCAT总线A和EtherCAT总线B连接，换流阀接口模块通过EtherCAT总线A接收换流阀汇总主控模块A的控制信息，通过EtherCAT总线B接收换流阀汇总主控模块B的控制信息，将子模块的状态信息通过EtherCAT总线A传送给换流阀汇总主控模块A，通过EtherCAT总线B传送给换流阀汇总主控模块B。

优选的，所述换流阀级控制装置通过控制光纤A、监控光纤A与主控制保护系统A相连接，控制光纤A采用HDLC协议，监控光纤A采用以太网协议。

优选的，所述换流阀级控制装置通过控制光纤B、监控光纤B与主控制保护系统B相连接，主控制保护系统A与主控制保护系统B互为冗余备份。

优选的，所述换流阀级控制装置通过光纤与每个换流阀子模块相连接，共两根光纤，一发一收，通讯协议采用串行同步全双工通讯，物理层采用曼彻斯特编码，一根光纤控制子模块投入、闭锁、旁路及提供同步信号；一根光纤回报电容电压、模块状态、断路器位置和晶闸管阀状态。

优选的，所述EtherCAT主站模块包括DSP控制模块、上位机接口模块、CPLD控制模块、MAC控制模块、IO模块、EtherCAT从站接口模块；

所述上位机接口模块连接上位机，CPLD控制模块与IO模块用于接收处理同步信号，所述DSP控制模块、MAC控制模块、EtherCAT从站接口模块和EtherCAT总线依次连接。

优选的，所述换流阀汇总主控模块包括DSP控制模块、FPGA控制模块、光纤以太网接口模块、IO模块、光入光出接口模块和EtherCAT从站接口模块；

所述DSP控制模块根据接收到的控制信息及状态信息运行环流控制算法、桥臂平衡算法、电容电压平衡算法，将分析计算结果下发给各个换流阀接口模块，并根据子模块回报的状态信息，进行故障判断，根据故障等级进行相应的处理，将故障信息上传主控制保护系统，主控制保护系统根据这些信息做出相应的判断和动作；

所述FPGA控制模块通过EtherCAT从站接口模块接收和发送EtherCAT数据；通过光入光出接口模块接收主控制保护系统的控制信息，发送换流阀子模块的状态信息；对HDLC协议进行解析处理，将处理完的数据放入缓存，等待DSP控制模块处理；

所述光纤以太网接口模块用于DSP控制模块与监控光纤之间的连接，通过监控光纤将子模块状态信息上传给监控系统；

所述IO模块为换流阀汇总主控模块A与换流阀汇总主控模块B之间数据交换和相互监视的通道。

优选的，所述换流阀接口模块包括FPGA控制模块、EtherCAT从站接口模块A、EtherCAT从站接口模块B和8个光纤接口模块；

所述光纤接口模块为换流阀子模块之间的通信接口，1个光纤接口模块对应一个换流阀子模块的检测通道和控制通道，每个换流阀接口模块上有8个光纤接口模块，可同时与8个换流阀子模块进行串行通信；

所述EtherCAT从站接口模块A与EtherCAT总线A的接口连接，EtherCAT从站接口模块B与EtherCAT总线B的接口连接。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明装置采用模块化的设计，不同的功能用不同的模块来实现，可以根据实际工程的需要选取适当数量的模块进行组合，有较强的灵活性。

本发明装置内部采用基于EtherCAT的实时总线通信技术，EtherCAT是一种实时工业以太网总线，此种总线通讯速率高，最高可达1000Mbps,满足了柔性交流输电的换流阀通信数据量大及实时性的要求。

本发明装置内部采用基于EtherCAT的实时总线通信技术，最多可以连接65535个从站，并且各从站间可以实现同步，可以实现多点对多点的全双工通信，很容易实现机箱之间的级联及信号同步，EtherCAT的实时总线自带同步功能，每个从站无需额外增加同步信号，简化了系统设计，增加了系统可靠性。

本发明装置采用冗余设计，采用了基于双EtherCAT和双HDLC相结合的冗余通信总线，装置内部采用双EtherCAT主站模块和双换流阀汇总主控模块，构成由A系统、B系统组成的冗余控制系统，在其中一个系统出现故障后，另一个系统正常工作仍可以维持系统正常运行，有效的提高了换流阀级控制系统的可靠性，保证了柔性交流输电换流阀的稳定运行，装置的冗余设计确保系统不会因为任一控制系统的单重故障而发生停运，也不会因为单重故障而失去对换流阀的监视。

本发明装置与主控制保护系统之间采用基于光纤通信，光纤不易受电磁干扰，可靠性高。其中控制光纤采用HDLC协议，满足了控制实时性的要求，监控光纤采用以太网协议，可以实现点对点的通信，通信速率高，满足了监控数据量大的要求。

本发明装置与换流阀子模块之间采用基于光纤的串行通信，共两根光纤，一发一收，一根光纤控制子模块投入、闭锁、旁路、及提供同步信号。一根光纤回报电容电压、模块状态、断路器位置、晶闸管阀状态。采用基于光纤通信，光纤不易受电磁干扰，可靠性高。

通讯协议采用串行同步全双工通讯，物理层采用曼彻斯特编码，可以实现点对点的通信，实时性好，误码率低，采用串行通信提高了通信信道的利用率，减少了装置与子模块之间的光纤数量。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置结构图。

图2为本发明提供的EtherCAT主站模块结构示意图。

图3为本发明提供的换流阀汇总主控模块结构示意图。

图4为本发明提供的换流阀接口模块结构示意图。

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。

本发明提供了一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，该装置是连接主控制保护系统与换流阀的中间环节，主要负责将主控制保护系统的控制保护信息处理后分发给各换流阀子模块，并且将各换流阀子模块的数据汇总处理后，回报给主控制保护系统，并且实现了换流阀级的控制保护算法及换流阀子模块控制脉冲的生成，减轻了主控制保护系统的通信及计算负担。

如图1所示，本发明一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，该装置由以下模块组成：1个EtherCAT主站模块A、1个EtherCAT主站模块B、1个换流阀汇总主控模块A、1个换流阀汇总主控模块B、n个换流阀接口模块(n≧1)、1个EtherCAT总线A、1个EtherCAT总线B。

EtherCAT总线A用于连接EtherCAT主站模块A、换流阀汇总主控模块A及n个换流阀接口模块。换流阀汇总主控模块A通过EtherCAT总线A与n个换流阀接口模块进行数据交换。EtherCAT主站模块A用于配置管理换流阀汇总主控模块A与n个换流阀接口模块之间的通讯数据报文。

EtherCAT总线B用于连接EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块B及n个换流阀接口模块。换流阀汇总主控模块B通过EtherCAT总线B与n个换流阀接口模块进行数据交换。EtherCAT主站模块B用于配置管理换流阀汇总主控模块B与n个换流阀接口模块之间的通讯数据报文。

每个换流阀接口模块与EtherCAT总线A、EtherCAT总线B均有连接，换流阀接口模块通过EtherCAT总线A接收换流阀汇总主控模块A的控制信息，通过EtherCAT总线B接收换流阀汇总主控模块B的控制信息，并且将子模块的状态信息同时通过EtherCAT总线A传送给换流阀汇总主控模块A，通过EtherCAT总线B传送给换流阀汇总主控模块B。换流阀接口模块根据主控制保护系统给的Active信号决定执行A系统的命令还是B系统的命令。

换流阀级控制装置通过控制光纤A、监控光纤A与主控制保护系统A相连接，其中控制光纤A采用HDLC协议，满足了控制实时性的要求，主要接收主控制保护系统A的控制信息，例如桥臂电压参考值；监控光纤A采用以太网协议，可以实现点对点的通信，通信速率高，满足了监控数据量大的要求。监控光纤A主要用于传送子模块状态信息，送到监控系统显示，方便系统监测及故障分析。

换流阀级控制装置通过控制光纤B、监控光纤B与主控制保护系统B相连接，通信协议及传送数据信息与A系统完全相同，A系统与B系统互为冗余备份。

换流阀级控制装置通过光纤与每个换流阀子模块相连接，共两根光纤，一发一收，通讯协议采用串行同步全双工通讯，物理层采用曼彻斯特编码，一根光纤控制子模块投入、闭锁、旁路、及提供同步信号。一根光纤回报电容电压、模块状态、断路器位置、晶闸管阀状态。

图2是EtherCAT主站模块结构示意图，EtherCAT主站模块由以下子模块组成：DSP控制模块、上位机接口模块、CPLD控制模块、MAC控制模块、IO模块、EtherCAT从站接口模块。

EtherCAT主站模块以DSP控制模块为核心，主要功能是对EtherCAT总线的通信进行配置管理，发起通信报文，并对返回的报文进行分析处理。上位机接口模块用于连接上位机，实现人机交互接口，可以对网络进行可视化配置。CPLD控制模块与IO模块用于接收处理同步信号，可以用来调整DSP发送报文的时序。MAC控制模块与EtherCAT从站接口模块用来实现DSP控制模块与EtherCAT总线的中间接口。

图3是换流阀汇总主控模块结构示意图，换流阀汇总主控模块由以下子模块组成：DSP控制模块、FPGA控制模块、光纤以太网接口模块、IO模块、光入光出接口模块、EtherCAT从站接口模块。

换流阀汇总主控模块以DSP控制模块和FPGA控制模块做为核心，DSP控制模块根据接收到的控制信息及状态信息运行环流控制算法、桥臂平衡算法、电容电压平衡算法，分析计算出需要投切的子模块，将分析计算结果下发给各个换流阀接口模块，该模块还根据子模块回报的状态信息，进行故障判断，并根据故障等级进行相应的处理，并将故障信息上传主控制保护系统，主控制保护系统根据这些信息做出相应的判断和动作。

FPGA控制模块主要用于配合DSP控制模块进行通信数据处理，通过EtherCAT从站接口模块接收和发送EtherCAT数据，做为通信数据缓存，节省DSP控制模块的读取处理数据的时间，通过光入光出接口模块接收主控制保护系统的控制信息，发送换流阀子模块的状态信息，对HDLC协议进行解析处理，将处理完的数据放入缓存，等待DSP控制模块处理。

光纤以太网接口模块用于实现DSP控制模块与监控光纤之间的接口，通过监控光纤将子模块状态信息上传给监控系统。IO模块用于实现换流阀汇总主控模块A与换流阀汇总主控模块B之间数据交换和相互监视的通道。

图4是换流阀接口模块结构示意图，换流阀接口模块由以下子模块组成：FPGA控制模块、EtherCAT从站接口模块A、EtherCAT从站接口模块B以及8个光纤接口模块。

FPGA控制模块是换流阀接口模块的控制核心，光纤接口模块用于实现与换流阀子模块之间的通信接口，1个光纤接口模块对应一个换流阀子模块的检测通道和控制通道，每个换流阀接口模块上有8个光纤接口模块，可以同时与8个换流阀子模块进行串行通信。EtherCAT从站接口模块A用于实现与EtherCAT总线A的接口，EtherCAT从站接口模块B用于实现与EtherCAT总线B的接口。FPGA控制模块功能主要有：1对换流阀子模块之间的串行通信数据进行编码解码处理，通过串行通信下发控制命令给换流阀子模块，同时接收换流阀子模块的状态信息及故障信息；2通过EtherCAT总线A接收换流阀汇总主控模块A的控制命令，通过EtherCAT总线B接收换流阀汇总主控模块B的控制命令，并将接收到的换流阀子模块的状态信息及故障信息同时通过EtherCAT总线A、EtherCAT总线B上传给换流阀汇总主控模块A、换流阀汇总主控模块B；3根据接收的Active信号进行AB系统的切换。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述装置包括EtherCAT主站模块A、EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块A、换流阀汇总主控模块B、换流阀接口模块、EtherCAT总线A、EtherCAT总线B和换流阀接口模块；

所述换流阀级控制装置连接主控制保护系统与子模块驱动板；

所述EtherCAT总线A连接EtherCAT主站模块A、换流阀汇总主控模块A及换流阀接口模块；

所述EtherCAT总线B连接EtherCAT主站模块B、换流阀汇总主控模块B及换流阀接口模块。

2.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀接口模块与EtherCAT总线A和EtherCAT总线B连接，换流阀接口模块通过EtherCAT总线A接收换流阀汇总主控模块A的控制信息，通过EtherCAT总线B接收换流阀汇总主控模块B的控制信息，将子模块的状态信息通过EtherCAT总线A传送给换流阀汇总主控模块A，通过EtherCAT总线B传送给换流阀汇总主控模块B。

3.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀级控制装置通过控制光纤A、监控光纤A与主控制保护系统A相连接，控制光纤A采用HDLC协议，监控光纤A采用以太网协议。

4.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀级控制装置通过控制光纤B、监控光纤B与主控制保护系统B相连接，主控制保护系统A与主控制保护系统B互为冗余备份。

5.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀级控制装置通过光纤与每个换流阀子模块相连接，共两根光纤，一发一收，通讯协议采用串行同步全双工通讯，物理层采用曼彻斯特编码，一根光纤控制子模块投入、闭锁、旁路及提供同步信号；一根光纤回报电容电压、模块状态、断路器位置和晶闸管阀状态。

6.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述EtherCAT主站模块包括DSP控制模块、上位机接口模块、CPLD控制模块、MAC控制模块、IO模块、EtherCAT从站接口模块；

所述上位机接口模块连接上位机，CPLD控制模块与IO模块用于接收处理同步信号，所述DSP控制模块、MAC控制模块、EtherCAT从站接口模块和EtherCAT总线依次连接。

7.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀汇总主控模块包括DSP控制模块、FPGA控制模块、光纤以太网接口模块、IO模块、光入光出接口模块和EtherCAT从站接口模块；

所述DSP控制模块根据接收到的控制信息及状态信息运行环流控制算法、桥臂平衡算法、电容电压平衡算法，将分析计算结果下发给各个换流阀接口模块，并根据子模块回报的状态信息，进行故障判断，根据故障等级进行相应的处理，将故障信息上传主控制保护系统，主控制保护系统根据这些信息做出相应的判断和动作；

所述FPGA控制模块通过EtherCAT从站接口模块接收和发送EtherCAT数据；通过光入光出接口模块接收主控制保护系统的控制信息，发送换流阀子模块的状态信息；对HDLC协议进行解析处理，将处理完的数据放入缓存，等待DSP控制模块处理；

所述光纤以太网接口模块用于DSP控制模块与监控光纤之间的连接，通过监控光纤将子模块状态信息上传给监控系统；

所述IO模块为换流阀汇总主控模块A与换流阀汇总主控模块B之间数据交换和相互监视的通道。

8.如权利要求1所述的一种用于柔性交流输电的换流阀级控制装置，其特征在于，所述换流阀接口模块包括FPGA控制模块、EtherCAT从站接口模块A、EtherCAT从站接口模块B和8个光纤接口模块；

所述光纤接口模块为换流阀子模块之间的通信接口，1个光纤接口模块对应一个换流阀子模块的检测通道和控制通道，每个换流阀接口模块上有8个光纤接口模块，可同时与8个换流阀子模块进行串行通信；

所述EtherCAT从站接口模块A与EtherCAT总线A的接口连接，EtherCAT从站接口模块B与EtherCAT总线B的接口连接。