CN111817787B - 一种级联型变流器模块单元的通讯系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种级联型变流器模块单元的通讯系统及其控制方法，所述通讯系统包括数据发送模块和数据接收模块，若未发生故障，数据发送模块将模拟量的频率编码信号发送到数据接收模块；若发生故障，将每个信号量分别通过D触发器连接对应的频率发生器，根据不同信号量之间的优先级，选择优先级最高的信号量频率送到多路选择器，将其通过光纤发送接口电路发送到数据接收模块；数据接收模块根据控制指令频率在状态表中查找，确定具体的指令值，再连接到对应的开关器件上。此种技术方案相比于传统的分组通讯帧封装方式其逻辑更加简单，相比传统的串行通讯方式其传输速度更加快速；最大程度地克服了高压电磁干扰带来的影响，具有良好的扩展性。

Description

一种级联型变流器模块单元的通讯系统及其控制方法
技术领域
本发明属于通讯技术在电力系统中的应用技术领域，特别涉及一种级联型变流器的模块单元光纤通讯系统及其控制方法。
背景技术
级联型变流器由于其电压等级高，额定容量大，系统整体运行工作环境较为复杂，因此在实际运行过程中存在较大电磁干扰。另一方面，由于其功率模块功率大，当其发生故障时对级联型变流器输出存在重大影响，因此无论从系统可靠性还是设备稳定性角度，均需要具备故障快速响应能力。传统的分组通讯帧封装方式由于通讯协议封装层次多、协议栈复杂的缺点，存在响应速度慢、实现困难等问题。传统的串行通讯方式由于通讯码率低的缺点，存在通讯速度慢的问题，有待改进。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种级联型变流器模块单元的通讯系统及其控制方法，相比于传统的分组通讯帧封装方式其逻辑更加简单，相比传统的串行通讯方式其传输速度更加快速；采用光纤传输的方式，最大程度地克服了高压电磁干扰带来的影响，具有良好的扩展性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种级联型变流器模块单元的通讯系统，包括数据发送模块和数据接收模块；
数据发送模块包括1路模拟量输入端口、若干路信号量端口、滤波处理模块、逻辑控制模块、故障信号频率发生器模块、多路选择器和光纤发送接口电路，其中，模拟量输入端口用于传送来自外部的电压/频率脉冲信号，信号量端口的输出端连接滤波处理模块的输入端，对输入的信号量进行滤波处理后，送入故障信号频率发生器模块，故障信号频率发生器模块对接收信号进行锁存，并产生对应各信号量的频率编码；所述滤波处理模块的输出端还连接逻辑控制模块，逻辑控制模块输出对多路选择器的控制信号，多路选择器的一端连接光纤发送接口电路，另一端根据逻辑控制模块的控制信号，连接模拟量输入端口或故障信号频率发生器模块；
数据接收模块包括光纤接收接口电路、频率检测模块、状态表查询模块、PWM脉冲输出端口和旁路机构驱动脉冲输出端口，其中，光纤接收接口电路与光纤发送接口电路建立光纤通信，光纤接收接口电路将接收的来自光纤发送接口电路的电压/频率脉冲信号或频率编码，传送到频率检测模块，频率检测模块获取其中的控制指令频率并送入状态表查询模块，由状态表查询模块查找后确定具体的指令值，再通过PWM脉冲输出端口和旁路机构驱动脉冲输出端口连接到对应的开关器件上。
基于如前所述的一种级联型变流器模块单元的通讯系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，采集若干路信号量，分别进行滤波处理后，再进行逻辑或运算，将运算结果延时后，送入D触发器产生多路选择器的控制信号，若未发生故障，则控制多路选择器连通光纤发送接口电路及模拟量输入端口，将模拟量的频率编码信号发送到数据接收模块；若发生故障，则转步骤2；
步骤2，将每个信号量分别通过D触发器连接对应的频率发生器，根据不同信号量之间的优先级，选择优先级最高的信号量频率送到多路选择器，将其通过光纤发送接口电路发送到数据接收模块。
上述步骤2中，通过光纤发送接口电路发送到数据接收模块的信号采用外部下降沿触发方式，并对外部故障触发信号采用滤波的方式进行确认。
上述步骤2中，根据发送数据光纤频率/占空比分布原理图，对不同类别的信号量进行编码，根据编码触发对应的频率发生器。
采用划分不同频率段的方式实现模拟量数据和故障信号量数据之间的区分，将故障信号按照优先级的高低放在频率段的高频段，故障信号优先级越高，占用的频率越高，将模拟量编码频率放在频率段的末尾，根据实际电压线性频率范围作调整。
采用上述方案后，本发明通过对电压信号和控制信号进行频率编码，实现模拟信号和数字信号的可靠传输。单元模块正常工作时，将电压信息以频率形式传送到单组光纤的发射端口上，通过将光纤频率和电压线性对应的方式，实现电压信号的连续传输；单元模块发生故障时，根据故障的优先级，将优先级最高的故障频率传送到单组光纤的发射端口上，实现故障信息传递。单组光纤的接收端口上通过计数接收到的光纤信号频率和占空比，查找控制指令状态表，获取对应的控制指令，实现PWM脉冲信号和旁路脉冲信号的控制。本发明在减少光纤数量的同时降低了对传输速率的要求。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1)本发明实现了高压复杂电磁环境下模块间可靠通讯，实现模拟量和信号量发送，实现控制指令的接收；
2)本发明发送数据和接收数据的通讯延时被限制在微秒级，具有良好动态响应性能；
3)本发明可通过独立数字电路、CPLD或者FPGA等可编程逻辑器件实现，占用资源少，具有良好的可行性；
4)本发明考虑到目前已有的设计方案，外部模拟量端口、故障信号量端口、PWM脉冲控制端口、旁路机构脉冲控制端口具有良好的兼容性。
附图说明
图1是本发明通讯系统的拓扑结构图；
图2是本发明模拟量电压/频率线性映射函数图；
图3是本发明发送数据光纤频率/占空比分布原理图；
图4是本发明接收指令状态表。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种级联型变流器模块单元的通讯系统，其拓扑图如图1所示，包括数据发送模块和数据接收模块，其中，数据发送模块设有1路模拟量输入端口和若干路信号量端口，其中，模拟量输入端口用于传送电压或电流等模拟数据量，信号量端口用于传送过温故障、IGBT故障、过压故障等信号量。本发明中单路光纤由收发两根光纤组成，光纤中传递的电压模拟量、故障信号量、控制指令通过频率和占空比双重编码的方式实现。
所述数据发送模块传输的故障信号采用外部下降沿触发方式，并对外部故障触发信号采用滤波的方式进行确认；还采用外部触发内部频率编码的方式，根据发送数据光纤频率/占空比分布原理图对不同类别的故障信号进行编码。
所述的数据接收模块检测外部发送端传输过来的光纤频率信号，并根据检测得到的光纤频率和占空比信号查询状态表，确定控制指令实现PWM和旁路机构脉冲输出控制。
数据发送/接收模块所发送/接收到的不同频率段信号之间具有足够冗余的间隔频段，保证能对不同控制频率进行良好的区分。
本发明的工作原理是：对滤波后的若干个信号量进行逻辑或运算，选择其中优先级最高的信号量作为需要发送的故障指令，并将逻辑运算的结果延时后输入到D触发器中控制多路选择器，将发送数据端口切换到故障发生器模块上。数据发送模块将每个信号量通过D触发器连接在频率发生器上，当故障发生时对应的信号量导通其故障代码对应的频率发生器，逻辑运算根据不同信号量之间的优先级，选择优先级最高的信号量频率给多路选择器，发送到数据输出端口上。
所述的数据发送模块通过外部输入的模拟量和信号量接口，可以实现模拟量和信号量的发送，并根据信号量的内容设定不同信号量之间的优先级，实现良好的故障保护功能。通过外部输入的光纤接口，对输入频率进行检测和状态表查询，得到控制指令，可以对开关器件实现良好的脉冲控制，具有良好的扩展性。
所述的数据发送模块采用划分不同频率段的方式实现模拟量数据和故障信号量数据之间的区分。考虑到一般外部电压/频率转换芯片发生的工作频率，以及故障信号的优先级，将故障信号按照优先级的高低放在频率段的高频段，故障信号优先级越高，占用的频率越高，将模拟量编码频率放在频率段的末尾，根据实际电压线性频率范围作调整。
数据发送模块的模拟量输入端口输入外部的电压/频率脉冲信号，该信号可以来自外部的电压/频率转换电路，或者来自前级频率发生逻辑模块，针对不同应用场景具有良好的兼容性。在电路不存在故障信号时，多路选择器将电压/频率脉冲信号放置在光纤发送接口电路上，数据传输接口上持续发送直流电压的电压/频率转换结果，可以实现模拟量的连续上传，传输延时极小，适用于对延时要求高的大功率电力电子场合。外部的电压/频率转换电路或者前级电压/频率转换模块的输入频率满足图2所示的线性关系，外部电压u的取值范围为umin～umax，频率f的取值范围为fmin～fmax，其调制频率满足关系：
Figure BDA0002022230330000051
级联模块的外部接收端在检测到频率为f的信号后，根据关系
Figure BDA0002022230330000052
得到模拟电压值，实现模拟信号的传输和复现。
外部硬件电路通过电压/频率转换芯片(Voltage Frequency Converter，VFC)或者前级编码模块将电压模拟量转换成频率信号，目前常用的电压/频率转换芯片工作频率在30kHz～500kHz之间，由于电压/频率转换电路的输出频率低于光纤头最大工作频率和CPLD工作频率，其占用的频段在发送频段中的位置如图3所示。
数据发送模块包含若干路信号量端口，可以实现过温电路检测、IGBT故障检测、直流过压检测等功能。由于外部检测电路在高压环境里可能受到电磁脉冲的干扰，在故障信号(1)(2)(3)输入到数据发送模块后对其进行滤波处理，设定故障信号连续检测的阈值nfault，当连续nfault个晶振时钟周期后其故障信号仍然存在，则将对应的故障信号输入到逻辑控制模块中，通过延时D触发器实现故障状态的锁存，并将故障状态作为光纤发送接口数据多路选择器的控制信号。当没有故障发生时(5)所示的信号为0，多路选择器将模拟量输出到光纤发送接口上，当故障信号量存在时多路选择器控制信号(5)为1，多路选择器切换到故障信号频率发生器模块上。当故障发生时，通过D触发器将(1)(2)(3)处的故障进行锁存，并将锁存的故障信号作为使能信号控制对应的频率发生器。图1中所示的f1频率发生器对应过温故障信号频率和占空比编码，f2频率发生器对应IGBT故障信号频率和占空比编码，f3频率发生器对应直流电压过压故障信号频率和占空比编码，由逻辑控制模块根据故障的优先级顺序将故障信号频率编码输出到光纤接口上。
数据接收模块如图1所示，其包含光纤接收接口电路、2/4路PWM脉冲输出端口和旁路机构驱动脉冲端口3组端口，内部由频率检测模块和状态表查询模块组成，频率检测模块检测光纤接口电路上频率和占空比，并根据检测得到的频率和占空比查询CPLD内置的状态表，确定2/4路PWM脉冲输出的动作，确定旁路机构脉冲驱动输出的动作。最终PWM脉冲驱动信号用来驱动模块内的IGBT开关器件，旁路机构驱动脉冲用来驱动模块内故障闭锁设备，实现对于级联型变流器模块的控制。
光纤接收接口电路接收来自外部的模块控制调制编码，以光纤接收端口中的上升沿为开始指令，按照晶振频率fosc计数高电平周期脉冲数np，以光纤接收端中的下降沿为开始指令，按照晶振频率fosc计数低电平周期脉冲数nn，则接收到的控制指令的频率fc为：
Figure BDA0002022230330000061
其中fosc为子模块控制电路晶振频率，其控制指令占空比dc为：
Figure BDA0002022230330000062
根据检测到的控制频率fc和控制频率占空比dc查询控制指令状态表，得到PWM输出端口和旁路机构驱动端口的控制脉冲。如图4所示，考虑到晶振的误差，在不同的控制指令频率之间设定可靠的间隔频率，间隔频率按照中线进行分割，实际控制频率如果落在间隔频率中线之上，则属于上方的额定控制频率，实际控制频率如果落在间隔频率中线之下，则属于下方的额定控制频率。在相同的额定控制频率中，根据不同的占空比实现了控制频率的复用，提高了传输效率。
本实施例中涉及的光纤通讯方法采用频率和占空比编码的方式，适用级联型变流器子单元和主控制器之间的通讯。
相比于直接脉冲通讯方法，本发明减少了光纤数量，降低了控制器成本。相比于调频和占空比编码通讯方法，本发明降低了对通讯速率的要求。本发明中设计的数据接收和发送模块可以在FPGA、CPLD等可编程逻辑器件中实现，由于采用的频率传输的方式计算量小，最终需要占用的逻辑器件也少，具有良好的可行性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种级联型变流器模块单元的通讯系统，其特征在于：包括数据发送模块和数据接收模块；
数据发送模块包括1路模拟量输入端口、若干路信号量端口、滤波处理模块、逻辑控制模块、故障信号频率发生器模块、多路选择器和光纤发送接口电路，其中，模拟量输入端口用于传送来自外部的电压/频率脉冲信号，信号量端口的输出端连接滤波处理模块的输入端；滤波处理模块对输入的信号量进行滤波处理后，将滤波后的故障信号量送入故障信号频率发生器模块；故障信号频率发生器模块对滤波后的故障信号量进行锁存，并产生对应各故障信号量的频率编码；所述滤波处理模块的输出端还连接逻辑控制模块，逻辑控制模块输出对多路选择器的控制信号，多路选择器的一端连接光纤发送接口电路，另一端根据逻辑控制模块的控制信号，连接模拟量输入端口或故障信号频率发生器模块；
数据接收模块包括光纤接收接口电路、频率检测模块、状态表查询模块、PWM脉冲输出端口和旁路机构驱动脉冲输出端口，其中，光纤接收接口电路与光纤发送接口电路建立光纤通信，光纤接收接口电路将接收的来自光纤发送接口电路的电压/频率脉冲信号或频率编码，传送到频率检测模块，频率检测模块获取其中的控制指令频率并送入状态表查询模块，由状态表查询模块查找后确定具体的指令值，再通过PWM脉冲输出端口和旁路机构驱动脉冲输出端口连接到对应的开关器件上。
2.基于如权利要求1所述的一种级联型变流器模块单元的通讯系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，采集若干路信号量，分别进行滤波处理后，再进行逻辑或运算，将运算结果延时后，送入D触发器产生多路选择器的控制信号，若未发生故障，则控制多路选择器连通光纤发送接口电路及模拟量输入端口，将模拟量的频率编码信号发送到数据接收模块；若发生故障，则转步骤2；
步骤2，将每个信号量分别通过D触发器连接对应的频率发生器，根据不同信号量之间的优先级，选择优先级最高的信号量频率送到多路选择器，将其通过光纤发送接口电路发送到数据接收模块。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，通过光纤发送接口电路发送到数据接收模块的信号采用外部下降沿触发方式，并对外部故障触发信号采用滤波的方式进行确认。
4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，根据发送数据光纤频率/占空比分布原理图，对不同类别的信号量进行编码，根据编码触发对应的频率发生器。
5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：采用划分不同频率段的方式实现模拟量数据和故障信号量数据之间的区分，将故障信号按照优先级的高低放在频率段的高频段，故障信号优先级越高，占用的频率越高，将模拟量编码频率放在频率段的末尾，根据实际电压线性频率范围作调整。
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