CN107678356A - 基于fpga芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法，所述装置包括阀基控制器、模拟单元板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；所述方法采用同一芯片的多个软件子程序的方法进行功率单元故障模拟及实现实际阀塔中单元控制板功能的方法，采用一块芯片同时进行仿真模拟和单元控制，用软件子程序的方法替代原有的单元控制芯片，省去了单独用于阀塔单元控制用的单元控制芯片，不受单元控制芯片数量限制，可灵活配置模拟单元的参数和拓扑结构，解决和弥补了传统仿真实验平台上对功率单元级故障响应及测试的不足。

Description

基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法。

背景技术

柔性直流输电系统仿真实验，使用和原型系统具有相同物理特性的软硬件模型配合数字仿真器进行仿真，通过模拟设备在真实环境下的表现，得出测试结论的方法。其主要方法主要是通过RTLab(实时数字仿真器)或其他类似电力电子仿真系统构成闭环测试系统进行仿真验证，搭建测试模型来模拟实际电力系统的各种运行工况及故障状态，测验阀基控制器在现场运行时对各种运行工况及发生的故障能否做出正确的反应。由于RTLab仿真器对于阀塔的单个功率单元仿真模型只设置了最基本的开关量信号和旁路功能，并没有针对各厂家自行研发的功率单元模块的不同型号传感器的实际特性进行优化，传统的仿真平台的阀基控制器一般忽略对单个功率单元某些特有故障响应的验证，另外，当需要模拟的系统规模很大的时候，模拟阀塔一般来说需要和要模拟的阀塔上和组成阀塔的相等数量的单元控制板和模拟单元板，由于板卡数量很多，仿真系统规模会变得很大。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法，该平台使用以FPGA芯片为核心的模拟单元板卡，采用一块芯片同时进行仿真模拟和单元控制，用软件子程序的方法替代原有的单元控制芯片，省去了单独用于阀塔单元控制用的单元控制芯片，不受单元控制芯片数量限制，可灵活配置模拟单元的参数和拓扑结构，解决和弥补了传统仿真实验平台上对功率单元级故障响应及测试的不足。另外重新设计了模拟单元的高速数据接口和光纤接口数量，提高了模拟单元板的数据输入输出接口以及数据处理带宽的上限，使得一块模拟单元板可以模拟多个单元控制板和模拟实际单元，大大压缩了仿真实验中搭建模拟系统的板卡数量，使可模拟系统规模和板卡数量之间达到了很好的平衡。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，包括阀基控制器、模拟单元板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；多个模拟单元板和控制及接口板以总线卡槽形式安装在一个模拟机箱内，通过模拟机箱内的背板总线互相连接。

所述的阀基控制器通过普通光纤连接模拟单元板，所述的控制及接口板通过高速光纤连接实时数字仿真器和录波装置，同时还通过以太网连接上位机。

所述的模拟单元板数量为多个，每个模拟单元板均包括一个FPGA主控芯片和多个光纤通讯接口电路，FPGA主控芯片通过IO管脚与多个光纤通讯接口电路相连，多个光纤通讯接口电路连接多个光纤接口，多个模拟单元板通过多个光纤与阀基控制器连接，多个模拟单元板与实时数字仿真器共同搭建成用于柔性直流输电系统仿真实验的阀塔。

所述的录波装置为一个带有背板及电源的录波机箱，录波机箱中包括多个录波板和一个接口板，多个录波板和一个接口板均插入背板的总线卡槽内，通过录波机箱内的背板总线互相连接，录波装置通过接口板上的光纤接口与模拟机箱中的控制及接口板相连接，录波装置还通过以太网方式连接录波终端上位机。

所述的录波板包括的CPU采用SOC片上系统，SOC由互相连接的FPGA芯片和ARM9处理器组成，FPGA芯片的IO管脚直接与录波机箱的背板总线相连接。

所述的控制及接口板包括FPGA主芯片、光收发模块、以太网接口模块，FPGA主芯片通过IO管脚直接与模拟机箱内的背板总线连接，控制及接口板通过背板总线与多个模拟单元板相连接，通过以太网接口模块与上位机相连接，FPGA主芯片还通过光收发模块分别连接实时数字仿真器和录波装置。

一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置的控制方法，为在模拟单元板中采用同一芯片的多个软件子程序的方法进行功率单元的电子及机械特性功能及故障的模拟及同时实现实际阀塔中单元控制板功能模拟的方法，包括以下步骤：

步骤一、分别建立一个用于功率单元仿真模拟用的模拟单元子程序和多个用于功率单元控制功能的单元控制子程序，每个单元控制子程序对应阀塔中的一个单元控制板功能；

步骤二、一个模拟单元子程序和多个单元控制子程序通过互相调用的方法交互各功率单元的变量数据；单元控制板逻辑和模拟功率单元的逻辑都由FPGA芯片的程序编写成网表并例化的形式完成；

步骤三、由模拟单元子程序根据上位机的参数配置和命令信号进行各种功率单元的动作响应和故障模拟，模拟单元子程序逻辑把接收到的配置数据作为要模拟的功率单元的拓扑结构和各类传感器和外围器件的硬件型号的选择依据，以及功率单元上各类传感器器件的电气和机械响应特性的参数，模拟各传感器接口时序，控制数据可以实时设置各类故障的发生；

步骤四、模拟单元子程序实时与实时数字仿真器进行数据交互，将其需要的数据打包进行发送，同时接收实时数字仿真器发来的用于交互的数据，并将数据传输给单元控制子程序；

步骤五、模拟单元子程序将各种故障模拟后的状态信息以变量数据的方式发送至各单元控制子程序的状态反馈信息数据接口；

步骤六、单元控制子程序根据接收到的状态反馈信息数据，按照实际功率单元控制板中的程序算法进行计算，按照控制周期命令运行控制波形发生与单元保护算法；

步骤七、单元控制子程序将运算数据发送至阀塔中的阀基控制器中进行实际的模拟控制。

所述的步骤三中的各种功率单元故障模拟包括：1)功率器件驱动异常2)旁路接触器驱动异常3)单元漏水告警反馈时间及故障设置；4)电容传感器压力超限告警；5)取能电源故障；6)取能电源得电与失电的时序；7)反馈电容电压可设置标准差偏离度可调的随机的错误波动；8)旁路晶闸管故障设置。

所述的模拟单元子程序还根据元器件的不同配置采用模拟实际元器件接口时序的方法实现硬件配置的软件可选功能，具体包括：1)功率器件驱动型号可选，运行参数可配；2)AD芯片型号可选，参数可配；3)取能电源型号可选，运行参数可配；4)取能电源上电时间参数可配；5)模拟旁路接触器型号可选，参数可配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法，使用以FPGA芯片为核心的模拟单元板卡，采用一块芯片同时进行仿真模拟和单元控制，用软件子程序的方法替代原有的单元控制芯片，省去了单独用于阀塔单元控制用的单元控制芯片，不受单元控制芯片数量限制，可灵活配置模拟单元的参数和拓扑结构，解决和弥补了传统仿真实验平台上对功率单元级故障响应及测试的不足。

2、本发明的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置及方法，采用模拟实际元器件接口时序的方法实现硬件配置的软件可选功能。

3、本发明的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置是一种电力电子仿真系统，在本设计中，模拟单元和单元控制板的故障状态和控制状态可以直接通过控制仿真接口板卡传输到录波板卡中，用于记录模拟单元板在运行过程中的一切活动状态并将数据存储到录波板上位机上。理论上可以记录系统运行过程中单元控制板和模拟单元板所有故障和运行状态。

附图说明

图1为本发明的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置整体架构图；

图2为本发明的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置具体结构示意图；

图3为本发明的模拟机箱结构图；

图4为本发明的模拟单元板电路结构图；

图5为本发明的录波机箱结构图；

图6为本发明的控制及接口板电路结构示意图；

图7为本发明的实际搭建的一个仿真系统的系统拓扑结构实施例图；

图8为本发明实施例中的模拟的柔性直流输电系统模块化多电平拓扑结构结构示意图；

图9为本发明的模拟单元板FPGA芯片内部软件中一个模拟单元子程序和多个单元控制子程序程序连接结构示意图；

图10为本发明的模拟单元板的模拟单元子程序流程图；

图11为本发明的模拟单元板的单元控制子程序流程图；

图12为本发明的模拟单元板FPGA芯片内部软件逻辑结构示意图；

图13为本发明的模拟单元板模拟单元子程序模拟驱动板状态时与控制单元子程序接口时序图；

图14为本发明的模拟单元板模拟单元子程序模拟旁路接触器反馈状态时与控制单元子程序接口时序图；

图15为本发明的模拟单元板模拟单元子程序模拟取能电源状态时与控制单元子程序接口时序图；

图16为本发明的模拟单元板模拟AD转换芯片接口时序图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1-2所示，一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，包括阀基控制器、模拟单元板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；

如图3所示，多个模拟单元板和控制及接口板以总线卡槽形式安装在一个模拟机箱内，通过模拟机箱内的背板总线互相连接；

所述的阀基控制器通过普通光纤连接模拟单元板，所述的控制及接口板通过高速光纤连接实时数字仿真器和录波装置，同时还通过以太网连接上位机。

所述的模拟单元板数量为多个，如图4所示，每个模拟单元板均包括一个FPGA主控芯片和多个光纤通讯接口电路，FPGA主控芯片通过IO管脚与多个光纤通讯接口电路相连，多个光纤通讯接口电路连接多个光纤接口，多个模拟单元板通过多个光纤与阀基控制器连接，多个模拟单元板与实时数字仿真器共同搭建成用于柔性直流输电系统仿真实验的阀塔。使用一块FPGA芯片采用软件编程的形式可以模拟n个的实际功率单元子模块的功能。模拟单元板可以模拟真实功率单元中单元控制模块和单元特性模块两部分的电子和机械特性，从而最大限度拟合实际系统中功率单元模块的实际表现，以及验证阀基控制器对实际系统中功率单元级故障的保护和故障响应。

如图5所示，所述的录波装置为一个带有背板及电源的录波机箱，录波机箱中包括多个录波板和一个接口板，多个录波板和一个接口板均插入背板的总线卡槽内，通过录波机箱内的背板总线互相连接，录波装置通过接口板上的光纤接口与模拟机箱中的控制及接口板相连接，录波装置还通过以太网方式连接录波终端上位机。录波系统及界面可以对系统中所有的单元和单元控制板逻辑进行记录，并存储于上位机中。

所述的录波板包括的CPU采用SOC片上系统，SOC由互相连接的FPGA芯片和ARM9处理器组成，FPGA芯片的IO管脚直接与录波机箱的背板总线相连接。

如图6所示，所述的控制及接口板包括FPGA主芯片、光收发模块、以太网接口模块，FPGA主芯片通过IO管脚直接与模拟机箱内的背板总线连接，控制及接口板通过背板总线与多个模拟单元板相连接，通过以太网接口模块与上位机相连接，FPGA主芯片还通过光收发模块分别连接实时数字仿真器和录波装置。图3的实施例中，控制及接口板分成两个，包括控制及接口板1和控制及接口板2，其中控制及接口板1与多个模拟单元板通讯交互，同时还连接实时数字仿真器和上位机，控制及接口板2与录波装置进行通讯。一方面，控制与接口板卡可以和实时数字仿真器进行通信，汇总和传输多个单元仿真模块的上下行数据，另一方面可以通过以太网与上位机进行通信，模拟单元参数的设置，对模拟单元状态进行监视与实时触发。

所述的阀基控制器结构与电力系统实际工程中的阀基控制器等比例一致，用于模拟实际的阀基控制器。

如图7所示，为实际搭建一个仿真系统的系统拓扑结构实施例，按照该方案可以搭建出如图8所示拓扑结构的用于仿真实验的阀塔，其中，可以通过调节模拟单元板卡数量的方式，自由配置模拟的功率子模块SM的数量和拓扑结构，能够满足任意架构，任意数量数量子模块的实验方案。

所述的实时数字仿真器，可以采用RTDS或RTLab等，用于建立阀塔的数字模型。

模拟单元板内部的模拟单元模块中可模拟和设置的具体故障及参数由配置上位机实时发送，功率单元的运行状态以及在实时数字仿真器上建模的功率模块的电容的反馈电压也可传送到上位机界面上进行监视。

一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置的控制方法，为在模拟单元板中采用同一芯片的多个软件子程序的方法进行功率单元的电子及机械特性功能及故障的模拟及同时实现实际阀塔中单元控制板功能模拟的方法，如图9-11所示，包括以下步骤：

步骤一、分别建立一个用于功率单元仿真模拟用的模拟单元子程序和多个用于功率单元控制功能的单元控制子程序，每个单元控制子程序对应阀塔中的一个单元控制板功能；

步骤二、一个模拟单元子程序和多个单元控制子程序通过互相调用的方法交互各功率单元的变量数据；单元控制板逻辑和模拟功率单元的逻辑都由FPGA芯片的程序编写成网表并例化的形式完成；

步骤三、由模拟单元子程序根据上位机的参数配置和命令信号进行各种功率单元的动作响应和故障模拟，模拟单元子程序逻辑把接收到的配置数据作为要模拟的功率单元的拓扑结构和各类传感器和外围器件的硬件型号的选择依据，以及功率单元上各类传感器器件的电气和机械响应特性的参数，模拟各传感器接口时序，控制数据可以实时设置各类故障的发生；

步骤四、模拟单元子程序实时与实时数字仿真器进行数据交互，将其需要的数据打包进行发送，同时接收实时数字仿真器发来的用于交互的数据，并将数据传输给单元控制子程序；

步骤五、、模拟单元子程序将各种故障模拟后的状态信息以变量数据的方式发送至各单元控制子程序的状态反馈信息数据接口；

步骤六、单元控制子程序根据接收到的状态反馈信息数据，按照实际功率单元控制板中的程序算法进行计算，按照控制周期命令运行控制波形发生与单元保护算法；

步骤七、单元控制子程序将运算数据发送至阀塔中的阀基控制器中进行实际的模拟控制。

如图10所示，为模拟单元子程序流程图；如图11所示，为单元控制子程序流程图。

所述的步骤三中的各种功率单元故障模拟包括：1)功率器件驱动异常2)旁路接触器驱动异常3)单元漏水告警反馈时间及故障设置；4)电容传感器压力超限告警；5)取能电源故障；6)取能电源得电与失电的时序；7)反馈电容电压可设置标准差偏离度可调的随机的错误波动；8)旁路晶闸管故障设置。

所述的模拟单元子程序还根据元器件的不同配置采用模拟实际元器件接口时序的方法实现硬件配置的软件可选功能，具体包括：1)功率器件驱动型号可选，运行参数可配；2)AD芯片型号可选，参数可配；3)取能电源型号可选，运行参数可配；4)取能电源上电时间参数可配；5)模拟旁路接触器型号可选，参数可配。

如图12所示，为所述模拟单元子程序内部的子程序结构，模拟单元子程序根据上位机的参数配置及控制命令解析和数据流控制，把接收到的配置数据作为要模拟的功率单元的拓扑结构和各类传感器和外围器件的硬件型号的选择依据，以及功率单元上各类传感器器件的电气和机械响应特性的参数，模拟各传感器接口时序，将各种故障模拟后的状态信息以变量数据的方式发送至各单元控制子程序的状态反馈信息数据接口。

如图12所示，模拟单元子程序还通过接口控制板的高速自定义数据总线接口模块与实时数字仿真器进行数据交互，将其需要的数据打包进行发送，同时接收实时数字仿真器发来的用于交互的数据，并将数据传输给单元控制子程序。由模拟单元子程序接收到LU_1至LU_n等单元控制子程序发送的功率单元上的功率器件的开关信号和旁路信号按照和数字仿真器接口板总线的数据传输协议发送数据，然后由RTDS接口模块按照RTlab数字模拟器所规定的通信协议传输给RTlab系统，供模拟阀塔仿真系统使用。

以下为各种功率单元器件功能正常时序和故障时序模拟控制过程：

1)根据上位机的设置，按照功率器件驱动板的反馈信号时序特性产生驱动反馈信号发送给LU_1至LU_24等24个单元控制子程序的所有功率器件驱动反馈信号接口，1)可通过上位机配置数据对功率器件的开通、关断延时时间进行设定；2)可通过上位机配置数据对功率器件失效后的状态进行设置。以模拟功率单元模块中功率器件的驱动或者单个功率器件发生故障的情况。

2)由上位机设置接触器参数，如主触点合闸时间，弹跳时间，辅助触点反馈响应时间，弹跳，辅助触点常开常闭特性，或因其他原因造成的误动或者拒动等进行设置，模拟单元可以按照实际中的旁路接触器的机械特性产生旁路接触器状态反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制子程序旁路接触器状态反馈信号接口，以模拟不同型号旁路接触器的动作过程，以及模拟功率单元模块旁路接触器驱动异常时的情况。

3)根据上位机的设置，按照漏水告警检测驱动传感器的电子特性产生漏水传感器反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制子程序漏水告警传感器状态反馈信号接口，以模拟功率单元模块漏水传感器异常时的情况。

4)根据上位机的设置，按照电容压力超限监测传感器的电子特性产生容压力超限反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制子程序的电容压力超限告警状态反馈信号输入接口，以模拟功率单元模块容压力超限异常时的情况。

5)由上位机设置取能电源的参数，如取能电源的启动电压，输出功率，故障停机后的持续供电时间，按照设置产生取能电源异常故障等特性，发送给单元控制模块取能电源异常反馈信号接口，以模拟功率单元模块取能电源异常时的情况。

6)根据上位机的设置，按照功率单元的取能电源得电与失电时序，来控制LU_1至LU_24等单元控制模块的得失电，以模拟功率单元板卡的取能电源得电，失电时的情况。

7)可对阀控系统输出由配置界面设置的距离反馈电容电压的标准差偏离度为0％～1200％的随机性错误电容电压，用于模拟实际工程中功率单元出现的直流侧过欠压情况后单元控制板是否能够准确检测出来并上报阀控系统等以及采样误差对控制带来的影响。

8)根据上位机的设置，按照旁路晶闸管的特性特征模拟实际系统中旁路晶闸管的表现，其中可通过上位机对晶闸管的开通延时时间进行设定，也可设置晶闸管的故障失效状态。

如图13所示，为正常的功率器件驱动时序图，当驱动信号发出时，DRV1为上升沿，DRV2为下降沿，在功率器件驱动信号上升沿或者下降沿发出一定时间t3内，需要收到反馈信号FBK1，而且反馈信号脉冲需持续一定时间t4，为正常状态，如果收到的反馈信号与预期不符时，则判断为驱动故障。

如图14所示，为正常的旁路接触器动作状态时序图，当旁路接触器触合闸命令信号发出时，即t1时间之内，必须收到旁路接触器状态反馈信号，即旁路接触器状态反馈信号拉高，如果出现旁路接触器合闸命令信号发出，t1时间之内未收到旁路接触器状态反馈信号，单元控制板则判断为旁路接触器发生故障。

如图15所示，为取能电源工作时序图，当单元充电时单元电压DC_Udc上升至取能电源上电阈值Udc-set时，取能电源PS_work信号拉高，代表取能电源开始工作，经t2延时，FPGA芯片得电开始工作，FPGA得电指示信号FPGA_work拉高，当取能电源得电时，取能电源故障指示PS_fault拉高，经过t1时间后，PS_fault自动拉低，完全模拟了取能电源模块在系统中的实际的电气特性。

还可以按元器件型号模拟不同元器件的不同接口时序，实现元器件型号配置的软件可选功能，同时对元器件功能的正常时序和故障时序进行模拟：

如图16所示，以AD芯片型号ADS7886为例说明单元模拟子程序中AD转换模型的具体实现方式，如左图，使用module_select信号配置芯片的具体型号，使用fluctuation_set信号配置单元电压信号的波动率，Udc_in为实时数字仿真器反馈的单元电压信号，AD芯片模块根据配置生成AD转换芯片的接口时序信号CS,SCLK，SDO如右图，CS,SCLK，SDO被连接到单元控制子程序接口上，以模拟ADS7889芯片在实际单元上的特性。模拟单元子程序可例化市面上大部分AD转换芯片型号，使用者可根据上位机配置自由选择，还可根据配置信息设定一定波动率的随机性错误单元电压，FPGA可根据实际单元控制板卡上AD转换芯片型号的接口时序产生AD转换芯片输出信号，连接至LU_1至LU_24等功率单元子程序的AD转换芯片的信号输入接口。

其它型号的AD芯片配置及运行原理与ADS7886相同。

其它元器件的型号接口时序模拟过程原理与AD芯片相同。

其它元器件的故障接口时序的模拟过程比较简单，均为改变一个BIT位信号的过程，这里不再一一叙述。

所述控制及接口板的主要功能为：

1)控制及接口板为一对多的设置，插卡箱式设计，一块控制及接口板最多对10块模拟单元板K2的数据进行汇总和分发处理；

2)接收最多10路模拟单元板卡发送来的各功率器件的开关驱动脉冲信号，旁路保护命令等下行数据，汇总成接口协议数字仿真器，通过高速光纤传输给实时数字仿真(RTlab，RTDS)器搭建的模拟阀塔仿真使用；

3)接收数字仿真器反馈回来的电容电压信息等上行数据，按照数字仿真器规定通信协议传输解压数据包格式，分发给上行多路模拟单元板卡至阀基控制器进行闭环算法的运算；

4)接收配置用上位机发送来的模拟单元板卡配置与参数设置，故障触发等命令，分发给各模拟单元板卡，对各模拟单元板卡进行参数的设置及故障的实时触发；

5)接收模拟单元板卡发送的信息，包括各模拟单元模块模拟的功率器件的开关状态，模拟单元的故障的状态信息，电容电压信息，按照以太网协议传送至上位机进行单元级故障和状态的监视；

6)接收模拟单元板卡发送的信息，包括各模拟单元板卡模拟的功率器件的开关状态，模拟单元子程序(LU_SIM)和单元控制子程序(LU_n)的运行过程中所有状态，故障，电容电压等信息，由光纤传送至录波板卡在上传至上位机，进行故障和状态信息的存储。

本发明提供的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，在进行实验时，配置上位机与系统是相连的，可将系统的模拟单元板卡的状态值及故障和其他信息实时反馈到配置上位机界面上，从而可实时观察各功率单元的工作状态，同时可对功率单元板卡产生的单元状态及故障，以及实时数字仿真器设备(如RTlab)反馈的电容电压值汇总并实时传送到录波板，使用以太网传输至上位机进行存储，用于调试，现场逻辑及保护逻辑的验证，该电力电子仿真系统省却了搭建功率器件的成本，而且和实时数字仿真系统互为补充，具有拟合度高，成本低廉，灵活多变，可控性强，易于推广等特点。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (7)

1.一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，其特征在于，包括阀基控制器、模拟单元板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；多个模拟单元板和控制及接口板以总线卡槽形式安装在一个模拟机箱内，通过模拟机箱内的背板总线互相连接；

所述的阀基控制器通过普通光纤连接模拟单元板，所述的控制及接口板通过高速光纤连接实时数字仿真器和录波装置，同时还通过以太网连接上位机；

所述的模拟单元板数量为多个，每个模拟单元板均包括一个FPGA主控芯片和多个光纤通讯接口电路，FPGA主控芯片通过IO管脚与多个光纤通讯接口电路相连，多个光纤通讯接口电路连接多个光纤接口，多个模拟单元板通过多个光纤与阀基控制器连接，多个模拟单元板与实时数字仿真器共同搭建成用于柔性直流输电系统仿真实验的阀塔。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，其特征在于，所述的录波装置为一个带有背板及电源的录波机箱，录波机箱中包括多个录波板和一个接口板，多个录波板和一个接口板均插入背板的总线卡槽内，通过录波机箱内的背板总线互相连接，录波装置通过接口板上的光纤接口与模拟机箱中的控制及接口板相连接，录波装置还通过以太网方式连接录波终端上位机。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，其特征在于，所述的录波板包括的CPU采用SOC片上系统，SOC由互相连接的FPGA芯片和ARM9处理器组成，FPGA芯片的IO管脚直接与录波机箱的背板总线相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，其特征在于，所述的控制及接口板包括FPGA主芯片、光收发模块、以太网接口模块，FPGA主芯片通过IO管脚直接与模拟机箱内的背板总线连接，控制及接口板通过背板总线与多个模拟单元板相连接，通过以太网接口模块与上位机相连接，FPGA主芯片还通过光收发模块分别连接实时数字仿真器和录波装置。

5.权利要求1所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置的控制方法，为在模拟单元板中采用同一芯片的多个软件子程序的方法进行功率单元的电子及机械特性功能及故障的模拟及同时实现实际阀塔中单元控制板功能模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、分别建立一个用于功率单元仿真模拟用的模拟单元子程序和多个用于功率单元控制功能的单元控制子程序，每个单元控制子程序对应阀塔中的一个单元控制板功能；

步骤二、一个模拟单元子程序和多个单元控制子程序通过互相调用的方法交互各功率单元的变量数据；单元控制板逻辑和模拟功率单元的逻辑都由FPGA芯片的程序编写成网表并例化的形式完成；

步骤三、由模拟单元子程序根据上位机的参数配置和命令信号进行各种功率单元的动作响应和故障模拟，模拟单元子程序逻辑把接收到的配置数据作为要模拟的功率单元的拓扑结构和各类传感器和外围器件的硬件型号的选择依据，以及功率单元上各类传感器器件的电气和机械响应特性的参数，模拟各传感器接口时序；控制数据可以实时设置各类故障的发生；

步骤四、模拟单元子程序实时与实时数字仿真器进行数据交互，将其需要的数据打包进行发送，同时接收实时数字仿真器发来的用于交互的数据，并将数据传输给单元控制子程序；

步骤五、模拟单元子程序将各种故障模拟后的状态信息以变量数据的方式发送至各单元控制子程序的状态反馈信息数据接口；

步骤六、单元控制子程序根据接收到的状态反馈信息数据，按照实际功率单元控制板中的程序算法进行计算，按照控制周期命令运行控制波形发生与单元保护算法；

步骤七、单元控制子程序将运算数据发送至阀塔中的阀基控制器中进行实际的模拟控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤三中的各种功率单元故障模拟包括：1)功率器件驱动异常2)旁路接触器驱动异常3)单元漏水告警反馈时间及故障设置；4)电容传感器压力超限告警；5)取能电源故障；6)取能电源得电与失电的时序；7)反馈电容电压可设置标准差偏离度可调的随机的错误波动；8)旁路晶闸管故障设置。

7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置的控制方法，其特征在于，所述的模拟单元子程序还根据元器件的不同配置采用模拟实际元器件接口时序的方法实现硬件配置的软件可选功能，具体包括：1)功率器件驱动型号可选，运行参数可配；2)AD芯片型号可选，参数可配；3)取能电源型号可选，运行参数可配；4)取能电源上电时间参数可配；5)模拟旁路接触器型号可选，参数可配。