CN115542812A - 一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板及其冗余切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板及其冗余切换方法，分配板包括两个电源、FPGA1芯片、FPGA2芯片、N个第三电源和N个光口，每个光口包括数据选择模块1、光发射模块1、光接收模块1、数据接收模块A1和数据接收模块B1。两个FPGA芯片及其电源电路相互独立，每组光模块电路的电源之间相互独立。两个FPGA芯片发出的脉冲信号通过数据选择模块进行切换；通过每组光模块电路采用单独的数据选择模块、数据接收模块等形成双FPGA之间的硬件电路解耦。一种脉冲分配板冗余切换方法，FPGA1芯片默认为主控制芯片，FPGA1芯片通过检测与上层控制器的通讯状态，输出控制电平S信号，通过S信号的状态确定输出哪个FPGA芯片的脉冲信号。

Description

一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板及其冗余切换方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板及其冗余切换方法。

背景技术

柔性直流换流阀阀控是柔性直流换流阀控制和保护功能的核心装置。阀控脉冲分配板是负责换流阀的脉冲分发与数据收集的关键装置，当脉冲分配板发生故障时，会造成柔直换流阀功率模块失控，导致功率模块被迫旁路；多个脉冲分配板故障时，会造成柔直换流阀停运的严重问题。因此，阀控脉冲分配板的可靠性直接影响换流阀的稳定可靠运行。

现有阀控脉冲分配板采用多组光模块发射和接收电路，控制着多个换流阀功率模块。当脉冲分配板故障时，直接导致其控制的所有功率模块被迫旁路，造成较高的经济损失。基于此，现有设计提出了脉冲分配板增设冗余电路，以提高其可靠性。而现有冗余设计存在着硬件电路相互耦合及其冗余切换的问题，即当脉冲分配板上的一路FPGA电路或者电源故障时，同样会造成脉冲分配板无法正常工作，导致其控制的所有功率模块被迫旁路。

发明内容

本发明提供了一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板及其冗余切换方法，当脉冲分配板上的一路FPGA电路或者电源故障时，保证脉冲分配板仍然能够正常工作。

为达到上述目的，本发明提供一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，包括第一电源、第二电源、第三电源、FPGA1芯片、FPGA2芯片和N个光口，N为正整数；光口包括数据选择模块、光发射模块、光接收模块、数据接收模块A1和数据接收模块B1；第一电源为FPGA1芯片供电，第二电源为FPGA2芯片供电，第三电源为光口供电；FPGA1芯片的GPIO分别与和N个光口中的数据选择模块的数据选择端以及数据输入端I0连接，FPGA2芯片的GPIO分别与N个光口的数据选择模块的数据输入端I1连接，；数据选择模块的输出端与光发射模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据接收模块的输入端连接，数据接收模块的输出端与FPGA1芯片和FPGA2芯片连接。

进一步的，数据接收模块包括数据接收模块A和数据接收模块B，数据接收模块A和数据接收模块B的输出端分别与FPGA1芯片和FPGA2芯片连接。

进一步的，FPGA1芯片和FPGA2芯片的结构和参数相同。

进一步的，数据选择模块为二选一数据选择芯片。

进一步的，第三电源包括N个独立电源。

进一步的，第三电源包括N组第一电源和第二电源输出端二合一形成电路。

进一步的，N个独立电源具有过流保护功能。

上述的一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法，将FPGA1芯片默认为主控制芯片，FPGA1芯片通过检测与上层控制器的通讯状态，输出控制电平S信号；当S信号为高电平时，数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号，当S信号为低电平时，数据选择模块输出FPGA2芯片的脉冲信号。

进一步的，当FPGA1芯片及其第一电源电路的硬件故障时，数据选择芯片S信号通过电阻R接地，S信号为低电平，数据选择模块输出FPGA2芯片的脉冲信号。

一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换装置，包括：

状态获取模块，用于获取FPGA1芯片的工作状态；

通讯状态获取模块，用于获取FPGA1芯片与切换板间的通讯状态；

控制模块，用于根据FPGA1芯片的工作状态，以及FPGA1芯片与切换板间的通讯状态，控制数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号或FPGA2芯片的脉冲信号：当FPGA1芯片正常且与切换板间的通讯状态也正常时，数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号，否则输出FPGA2芯片的脉冲信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，采用双FPGA芯片和双电源供电的冗余设计，双FPGA芯片发出的脉冲信号通过数据选择模块后选择一路输出，通过光发射模块向功率模块的模块控制板发出脉冲信号。该脉冲分配板的双FPGA芯片和双电源之间无任何硬件耦合，避免了单电源或FPGA芯片故障导致另一路电源、FPGA芯片故障，提高了整个单板的可靠性。

进一步的，每个光口的供电电源，与其他各光口的供电电源分开，一组负载因电源短路故障时，该组电子熔丝电路与前端母线断开，避免了单个光口电源故障导致其他模块电源被影响拉低，从而避免造成多个功率模块被旁路，明显减小故障损失的范围。本发明的一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法，采用FPGA1芯片作为默认控制芯片，控制数据选择模块输出FPGA1芯片或FPGA2芯片的脉冲信号。数据选择模块的数据选择端通过电阻R接地，当FPGA1芯片及其电源供电失电时，数据选择模块的控制信号通过电阻R被置为低电平，此时数据选择模块选择FPGA2芯片输出的脉冲信号。相比于FPGA1芯片与FPGA2芯片之间连接硬件通信的方法，该种方法的益处在于：当FPGA1芯片失电时，FPGA2的脉冲信号仍然可以通过数据选择模块发出，并不受影响。

附图说明

图1所示为一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板框图；

图2为第三电源原理图；

图3所示为一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下文列举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，包括第一电源、第二电源、FPGA1芯片、FPGA2芯片、第三电源X1、第三电源X2、…、第三电源XN，第一光口、第二光口、…、和第N光口。第一光口至第N光口结构完全相同，本实施例中N＝8。

第一光口包括数据选择模块1、光发射模块1、光接收模块1、数据接收模块A1和数据接收模块B1。第二光口包括数据选择模块2、光发射模块2、光接收模块2、数据接收模块A2和数据接收模B2。依次类推，第N光口包括数据选择模块N、光发射模块N、光接收模块N、数据接收模块AN和数据接收模BN。

第一电源与FPGA1芯片电连接，为FPGA1芯片供电，第二电源与FPGA2芯片电连接，为FPGA2芯片供电，第三电源X1与第一光口电连接，为光发射模块1、光接收模块1、数据选择模块1、数据接收模块A1和数据接收模块B1供电；第三电源XN与第N光口电连接，为光发射模块N、光接收模块N、数据选择模块N、数据接收模块AN和数据接收模块BN供电，依次类推。

FPGA1芯片的通用输入/输出接口(General Purpose Input Output，GPIO)分别与数据选择模块1…数据选择模块N、数据接收模块A1…数据接收模块AN的第一输入端相连，FPGA2芯片的GPIO分别与数据选择模块1…数据选择模块N、数据接收模块B1…数据接收模块BN的第二输入端I1相连。数据选择模块1…数据选择模块N的数据选择端与FPGA1芯片的GPIO相连，数据选择端S通过电阻R与地连接。光发射模块1的输入与数据选择模块1的输出相连，光发射模块N的输入与数据选择模块N相连，光接收模块1输入端通过光纤与其他板卡连接，用于收集功率模块的状态信息，光接收模块1的输出端与数据接收模块A1以及数据接收模块B1的输入端相连，光接收模块N的输出端与数据接收模块AN以及数据接收模块BN的输出相连。

FPGA1芯片和FPGA2芯片是同类芯片，数据选择模块1…N是同类电路，数据接收模块A1、B1…AN、BN是同类电路。

FPGA1芯片及其第一电源电路与FPGA2芯片及其第二电源电路相互之间无硬件连线，两组电路相互解耦，这样可以确保一路电源或FPGA芯片故障时，不影响另外一路电源和FPGA芯片的正常工作。

本实施例中，第三电源X1…第三电源XN是由N组第一电源和第二电源输出端二合一形成的具有过流保护功能的电路。如图2所示，该电路可以是两路电子熔丝芯片搭建的冗余供电电路。每组电源的负载端相互独立，一组负载因电源短路故障时，该组电子熔丝电路与前端母线断开，不会影响整个板卡及其他组负载的供电。

参照图2，图2中i＝1，2，…，N，第三电源Xi包括第一电子熔丝电路和第二电子熔丝电路，第一电子熔丝电路和第二电子熔丝电路中分别有一个eFuse2芯片，eFuse2是一类具有防反功能的电子熔丝芯片，其内部是由两个背靠背的N-MOSFET及其驱动单元组成，电源的主回路通过两个N-MOSFET的本体，通过控制N-MOSFET的开通和关断，从而使得电子熔丝电路具备防反和通断功能。

两个eFuse2芯片的输入端分别与第一电源和第二电源的输出端连接，两个eFuse2芯片的输出端短接。两个eFuse2芯片的dV/dT引脚分别连接电容C1和电容C2，Ilim引脚分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2接地。通过调节dV/dT引脚连接的电容容值，控制电源电压的dv/dt值；通过调节Ilim引脚连接的电阻阻值，控制电源过流和短路电流值的大小。当电源输出端短路电流值或瞬态电流值达到Ilim引脚的设定值时，芯片内部控制N-MOSFET关断，使得电子熔丝电路两端电流断开，保护前端电源不受影响。本脉冲分配板的工作过程由两部分组成：

1.脉冲信号发送过程：脉冲分配板的FPGA1芯片和FPGA2芯片分别接收来自上级切换板1和切换板2的控制信号，该信号为低电压差分信号(Low Voltage DifferentialSignaling，LVDS信号)。两个FPGA芯片同时将LVDS控制信号解析为单端脉冲信号，并将该单端脉冲信号送入N个数据选择模块。数据选择模块是由FPGA1芯片通过单端S信号控制其输出，此时数据选择模块将两组输入脉冲信号选择输出一路脉冲信号，并发送给光发射模块。

2.脉冲信号接收过程：脉冲分配板的光接收模块接收功率模块反馈的数据信息，每组光接收模块将其接收的信息分别发送给两个数据接收模块，每个光口中的两个数据接收模块的输出信号分别接入FPGA1芯片和FPGA2芯片。此处，数据接收模块主要起到两个FPGA芯片之间电路解耦的作用。

实施例2

参照图3，一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法。如实施例1中，脉冲分配板采用双电源、双FPGA的设计，但其输出的控制信号只能是由FPGA1芯片或FPGA2芯片发出。由此涉及两个FPGA芯片之间发出控制信号的主从权。本发明中，默认FPGA1芯片是主控制芯片，FPGA2芯片为从控制芯片。

本发明所用的信号切换方法，主要采用软件和硬件相结合的方式。在硬件上，采用一种二选一数据选择模块芯片，该芯片可通过其S引脚的高低电平，将双路输入信号选择输出为一路。其选择数据的真值表如表1。

表1

表1中，L表示低电平，H表示高电平，X表示任一电平。

通过表1可以看出，只要控制数据选择芯片的数据选择端S引脚即可实现两个FPGA芯片之间的脉冲数据切换。当数据选择模块的数据选择端输入为低电平时，数据选择模块的输出端输出和和数据输入端I1的输入一致；当数据选择模块的数据选择端输入为高电平时，数据选择模块的输出端输出和和数据输入端I0的输入一致。该切换方法，在软件上，主要是通过脉冲分配板上FPGA1芯片监测其与切换板之间的通讯状态，从而控制数据选择模块的数据选择端S，配合上述数据选择模块的选择逻辑进行脉冲信号的切换。

一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法，其具体实施步骤是：

1.默认FPGA1芯片是主控制芯片，该芯片的单端IO同时控制N个数据选择模块的数据选择端；

2.FPGA1芯片检测其与切换板之间的通讯状态。当通讯状态正常时，FPGA1芯片控制数据选择模块S信号为高电平，数据选择模块选择输出FPGA1芯片发出的脉冲信号；当通讯状态异常时，FPGA1芯片控制数据选择模块S信号为低电平，数据选择模块选择输出FPGA2芯片发出的脉冲信号；

3.在上述过程中，由于数据选择模块的数据选择端S通过电阻R接地，如果出现FPGA1芯片及其供电电路异常时，，S信号被拉低为低电平，此时数据选择模块输出FPGA2芯片发出的脉冲信号。

实施例3

一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换装置，包括状态获取模块、通讯状态获取模块和控制模块；

状态获取模块，用于获取FPGA1芯片的工作状态；

通讯状态获取模块，用于获取FPGA1芯片与切换板间的通讯状态；

控制模块，用于根据FPGA1芯片的工作状态，以及FPGA1芯片与切换板间的通讯状态，控制数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号或FPGA2芯片的脉冲信号：当FPGA1芯片正常且与切换板间的通讯状态也正常时，数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号，否则输出FPGA2芯片的脉冲信号。

Claims (10)

1.一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，包括第一电源、第二电源、第三电源、FPGA1芯片、FPGA2芯片和N个光口，N为正整数；所述光口包括数据选择模块、光发射模块、光接收模块、数据接收模块A1和数据接收模块B1；

所述第一电源为FPGA1芯片供电，第二电源为FPGA2芯片供电，第三电源为光口供电；

所述FPGA1芯片的GPIO分别与和N个光口中的数据选择模块的数据选择端以及数据输入端I0连接，FPGA2芯片的GPIO分别与N个光口的数据选择模块的数据输入端I1连接，；数据选择模块的输出端与光发射模块的输入端连接，所述光接收模块的输出端与数据接收模块的输入端连接，所述数据接收模块的输出端与FPGA1芯片和FPGA2芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述数据接收模块包括数据接收模块A和数据接收模块B，所述数据接收模块A和数据接收模块B的输出端分别与FPGA1芯片和FPGA2芯片连接。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述FPGA1芯片和FPGA2芯片的结构和参数相同。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述数据选择模块为二选一数据选择芯片。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述第三电源包括N个独立电源。

6.根据权利要求5所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述第三电源包括N组第一电源和第二电源输出端二合一形成电路。

7.根据权利要求5所述的一种柔性直流换流阀阀控脉冲分配板，其特征在于，所述N个独立电源具有过流保护功能。

8.权利要求1至7任意一项所述的一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法，其特征在于，将FPGA1芯片默认为主控制芯片，FPGA1芯片通过检测与上层控制器的通讯状态，输出控制电平S信号；当S信号为高电平时，数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号，当S信号为低电平时，数据选择模块输出FPGA2芯片的脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换方法，其特征在于，当FPGA1芯片及其第一电源电路的硬件故障时，数据选择芯片S信号通过电阻R接地，S信号为低电平，数据选择模块输出FPGA2芯片的脉冲信号。

10.一种脉冲分配板的脉冲信号冗余切换装置，其特征在于，包括：

状态获取模块，用于获取FPGA1芯片的工作状态；

通讯状态获取模块，用于获取FPGA1芯片与切换板间的通讯状态；

控制模块，用于根据FPGA1芯片的工作状态，以及FPGA1芯片与切换板间的通讯状态，控制数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号或FPGA2芯片的脉冲信号：当FPGA1芯片正常且与切换板间的通讯状态也正常时，数据选择模块输出FPGA1芯片的脉冲信号，否则输出FPGA2芯片的脉冲信号。

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