CN203951268U - 柔性直流输电系统的控制保护系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种柔性直流输电系统的控制保护系统，其特征在于：它包括一可编程逻辑器件阵列、一模数转换模块、若干个复杂可编程逻辑器件、一中央处理器、一开入开出模块、一通讯模块和一显示屏；所述可编程逻辑器件阵列的输入接口通过并行总线连接所述模数转换模块的输出端；每个所述复杂可编程逻辑器件都通过一对光纤与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互；所述中央处理器通过数据总线与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互，所述中央处理器采用CAN总线分别连接所述开入开出模块和通讯模块，所述通讯模块还连接所述显示屏。本实用新型可以广泛在电力电子变流器领域中应用。

Description

柔性直流输电系统的控制保护系统
技术领域
本实用新型涉及一种电力电子变流器领域，特别是关于一种适用于主回路架构基于模块化多电平(MMC)方法的柔性直流输电系统的控制保护系统。
背景技术
柔性直流输电系统的控制保护系统，其主要任务是为主回路中半导体电力电子开关器件产生开通、关断信号，从而得到需要的输出电压或电流。此外控制保护系统还应能监控柔性直流输电系统的工作状态，显示、记录运行参数，远程通信以及故障处理等等。在过去的几十年中，发展了各种控制技术，控制保护系统的硬件电路也有最初的带分立元件的模拟电路控制，逐渐发展为基于专用和通用集成电路芯片微处理器(microprocessor)、微控制器(microcontroller)和数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的全数字化控制保护系统。
随着柔性直流输电系统的容量需求不断的加大，主回路架构基于模块化多电平(MMC)技术的柔性直流输电系统恰好能满足柔性直流输电系统容量扩展的需求。但是随着主回路架构基于模块化多电平技术的柔性直流输电系统的应用，需要控制的半导体电力电子开关器件就越来越多，这就要求之前的集中式控制保护系统提高其运算能力及处理能力，能够提供大量各式各样的接口满足柔性直流输电系统中电力电子器件的PWM信号输出、模拟量采集、开入状态的监测、开出控制、远程通信接口等等。这样仅仅集中式的控制保护系统往往不能满足要求且扩展性低、可靠性低。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种柔性直流输电系统的控制保护系统，该系统采用分布式控制结构，充分发挥FPGA+CPLD的功能，含有丰富的外部接口和大规模可编程逻辑单元，有利于主回路架构基于模块化多电平(MMC)方法的柔性直流输电系统的扩展，可扩展性和可靠性较高。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种柔性直流输电系统的控制保护系统，其特征在于：它包括一可编程逻辑器件阵列、一模数转换模块、若干个复杂可编程逻辑器件、一中央处理器、一开入开出模块、一通讯模块和一显示屏；所述可编程逻辑器件阵列的输入接口通过并行总线连接所述模数转换模块的输出端；每个所述复杂可编程逻辑器件都通过一对光纤与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互；所述中央处理器通过数据总线与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互，所述中央处理器采用CAN总线分别连接所述开入开出模块和通讯模块，所述通讯模块还连接所述显示屏。
所述通讯模块提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用分布式控制保护系统，中央处理器+可编程逻辑器件阵列作为柔性直流输电系统控制保护系统的主控制部分，可扩展复杂可编程逻辑器件3作为柔性直流输电系统控制保护系统的执行单元；把模拟量采集、数据运算处理、PWM信号输出功能部分放在FPGA，保护功能放在CPU，分模块采样控制功能放在CPLD，接口部分包括开入开出信号的采集监测管理、通信接口、人机界面分别由开入开出模块和通讯模块完成。充分发挥FPGA+CPLD的功能，具有丰富的外部接口和大规模可编程逻辑单元，有利于柔性直流输电系统的扩展，可扩展性和可靠性较高。2、本实用新型由于采用FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本实用新型将FPGA作为柔性直流输电系统控制保护系统核心器件，FPGA优点是包含丰富的外部可编程接口，扩展能力强，内部程序运行采用并行处理的方式，实时性高。实现模拟信号的采集运算处理、PWM信号调制输出、光纤通道的扩展，FPGA管理各功率模块的CPLD。CPLD具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低等特点，非常适合作为模块的执行单元的处理芯片，与FPGA采用光纤进行通讯连接，向下根据电力电子开关器件的要求进行死区补偿、最小脉宽设计，控制其开关，向上采集电力电子开关器件的温度、各模块的模拟量信息经过光纤串口发送给FPGA，并及时响应开关器件的故障信号，大大保证了电力电子开关器件安全。3、本实用新型由于采用ADC作为模拟量采集的前端处理部分及数模转换芯片，与FPGA以并行总线连接，大大提高了数据采样的速率。综上所述，本实用新型可以广泛在电力电子变流器领域中应用。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图；
图2是本实用新型实施例中主回路架构基于模块化多电平的柔性直流输电系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型提供一种适用于主回路架构基于模块化多电平(MMC)方法的柔性直流输电系统的控制保护系统，柔性直流输电系统中每个桥臂由多个功率模块级联而成，功率模块一般采用半H桥结构。柔性直流输电系统的控制保护系统包括一可编程逻辑器件阵列(FPGA)1、一模数转换模块(ADC)2、若干个复杂可编程逻辑器件(CPLD)3、一中央处理器(CPU)4、一开入开出模块5、一通讯模块6和一显示屏7。
可编程逻辑器件阵列1的输入接口通过并行总线连接模数转换模块2的输出端，由FPGA1控制ADC2对柔性直流输电系统输入电压、输入电流、输出电压、输出电流模拟量进行采样，FPGA1对接收到的ADC采样数据运算处理，生成柔性直流输电系统中各电力电子开关器件的开通信号、关断信号、PWM控制信号。
每个复杂可编程逻辑器件3都通过一对光纤与可编程逻辑器件阵列1连接，实现信息交互。可编程逻辑器件阵列1接收各复杂可编程逻辑器件3采集的柔性直流输电系统中各功率模块的直流电压量及运行状态，其中运行状态包括各功率模块中电力电子开关器件的运行状态及温度信息。可编程逻辑器件阵列1将开通信号、关断信号以及PWM控制信号输出至各复杂可编程逻辑器件3，通过复杂可编程逻辑器件3实现对各功率模块中电力电子开关器件的开通、关断、PWM控制。
中央处理器4通过数据总线与可编程逻辑器件阵列1进行信息交互，中央处理器4向可编程逻辑器件阵列1传输控制信号，控制可编程逻辑器件阵列1工作；中央处理器4根据FPGA1传输至的ADC采样数据和各CPLD3采集的柔性直流输电系统中各功率模块的直流电压量及运行状态数据进行逻辑运算实现保护功能，生成开出命令；中央处理器4采用CAN总线分别连接开入开出模块5和通讯模块6，CPU4通过开入开出模块5采集柔性直流输电系统中输入输出开关及各功率模块中电力电子开关器件的开入状态，并执行相应的开出命令；CPU4通过通讯模块6实现柔性直流输电系统故障数据录波，并由通讯模块6提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口，通讯模块6还连接显示屏7，实现对柔性直流输电系统运行状态的实时显示。
上述实施例中，输入输出开关以及各功率模块的电力电子开关器件为刀闸或可控断路器。
上述各实施例中，可编程逻辑器件阵列1根据柔性直流输电系统中功率模块数的扩展进行光纤接口的扩展，相应的复杂可编程逻辑器件3根据功率模块数的需求进行扩展。
上述各实施例中，中央处理器4包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件，作为柔性直流输电系统控制保护系统的保护处理单元，实现包括模拟量运算处理、保护逻辑处理功能。
综上所述，本实用新型在使用时，由于采用ADC2作为模拟量采集的前端处理部分及数模转换芯片，与FPGA1以并行总线连接，提高了数据采样的速率。通过开入开出模块5实现柔性直流输电系统内部的开关器件的状态采集和开出命令的执行功能，与CPU4之间采用CAN总线连接，实现了开入开出模块5的无限扩展。通讯模块6与CPU4之间采用CAN总线连接，实现故障录波数据、通讯接口的扩展功能并驱动显示屏7，提供人机界面，人机界面可显示柔性直流输电系统的实时运行状态。FPGA1进行模拟量采集，并采集CPLD3上送的功率模块信息，包括各功率模块的运行直流电压值，各功率模块电力电子器件的温度、故障与否信息，进行并行ADC模拟采样数据计算处理，生成各功率模块的电力电子开关器件的开通、关断信号的数据；FPGA1定时模拟量采集后并做前期数据处理，将数据交给CPU4进行保护逻辑计算，CPU4进行相关的逻辑运算实现保护功能，保证整个柔性直流输电系统的可靠运行。
实施例：如图2所示，本实施例提供的是主回路架构基于模块化多电平方法的柔性直流输电系统结构框图，本实用新型是该柔性直流输电系统的控制保护系统部分。图2中包含了柔性直流输电系统中单侧的三相回路，每相回路包括上下两个桥臂，每个桥臂包括四个功率模块，功率模块数可根据实际需求进行调整1～N，CPLD可根据功率模块数做相应配置，其中每个功率模块需配置其CPLD3。其中每个功率模块为IGBT开关器件，控制保护系统中FPGA1采集柔性直流输电系统中的总电压、电流信号，经过运算分析生成PWM信号经过光纤送至各功率模块的CPLD3，功率模块的CPLD3执行FPGA1下发的指令和PWM信号，控制各功率模块的开关器件开通或关断，监测自身功率模块开关器件的运行状态，采集功率模块的电压信号，采用光纤上送至FPGA1。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种柔性直流输电系统的控制保护系统，其特征在于：它包括一可编程逻辑器件阵列、一模数转换模块、若干个复杂可编程逻辑器件、一中央处理器、一开入开出模块、一通讯模块和一显示屏；
所述可编程逻辑器件阵列的输入接口通过并行总线连接所述模数转换模块的输出端；每个所述复杂可编程逻辑器件都通过一对光纤与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互；所述中央处理器通过数据总线与所述可编程逻辑器件阵列进行信息交互，所述中央处理器采用CAN总线分别连接所述开入开出模块和通讯模块，所述通讯模块还连接所述显示屏。
2.如权利要求1所述的柔性直流输电系统的控制保护系统，其特征在于：所述通讯模块提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107666139A (zh) * 2016-07-28 2018-02-06 全球能源互联网研究院 一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统
CN114498588A (zh) * 2022-04-18 2022-05-13 广东电网有限责任公司江门供电局 基于模数阵列的多模态配电终端保护控制装置及方法

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