CN111337778A - 一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台及测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台及测试方法，该测试平台包括HMI触摸屏，HMI触摸屏与PLC主控相连，配电及控制单元的数字量输入接口和数字量输出接口与PLC主控的数字量输出接口和数字量输入接口相连，配电及控制单元的高压输入接口与程控高压源的高压输出接口相连，配电及控制单元的高压输出接口与待测模块的高压输入接口相连，电压变送器的高压输入接口与待测模块的直流侧高压输出接口相连，电压变送器的模拟量输出接口与PLC主控的模拟量输入接口相连，FPGA核心板的从站接口与PLC主控的主站接口相连，FPGA核心板的交流采样输入接口与待测模块的交流输出接口相连，程控高压源的高压控制接口与PLC主控的输出接口相连；本发明公开了该测试平台的工作方法。

Description

一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台及测试方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电功率模块测试技术领域，具体涉及一种适用于柔性直流输配电领域的半桥、全桥功率模块的测试平台及测试方法。
背景技术
MMC(modular multilevel converter，MMC),是柔性直流输电***中负责实现电能在交、直流之间转换的核心装备，功率模块作为换流阀最小基础单元，其对温度、电压、电流及其变化率非常敏感，为了保证柔性直流输电工程的可靠运行，在厂内模块测试阶段、换流站现场安装阶段和换流站检修阶段，必须通过一系列试验来考察功率模块安全可靠性是否合格。
如果跳过以上步骤进行其他例行试验，有可能导致功率模块或例行试验设备的损坏，造成效率及成本的浪费。为了更高效、安全的检验功率模块的可靠性，有必要为上述例行试验设计一个智能的测试平台。
目前该领域的柔性直流输电功率模块测试***，大多具有以下缺点：
操作面板功能单一，测试电压等级较低、测试结果只有面板指示灯显示或者人工手动调节示波器抓取波形的缺点，操作界面不友好、效率低下、不利于问题查找及返修、不具备单项测试和整机测试两种模式可选功能、测试结果无法存储及追溯，测试过程不利于过程质量控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中柔性直流输电功率模块测试的缺点，提供一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台及测试方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，包括HMI触摸屏1、PLC主控2、配电及控制单元3、电压变送器4、FPGA核心板5、程控高压源6及待测模块7；所述HMI触摸屏1通过以太网与PLC主控2的网口相连接，所述配电及控制单元3的数字量输入(DI)接口和数字量输出(DO)接口与PLC主控2的数字量输出(DO)接口和数字量输入(DI)接口相连接，所述配电及控制单元3的高压输入接口与程控高压源6的高压输出接口相连接，所述配电及控制单元3的高压输出接口与待测模块7的高压输入接口相连接，所述电压变送器4的高压输入接口与待测模块7的直流侧高压输出接口相连接，所述电压变送器4的模拟量输出(AO)接口与PLC主控2的模拟量输入(AI)接口相连接，所述FPGA核心板5的RS485从站接口与PLC主控2的RS485主站接口相连接，所述FPGA核心板5的交流采样输入接口与待测模块7的交流输出接口相连接，所述程控高压源6的高压控制接口与PLC主控2的输出(AO)接口相连接。
所述用于柔性直流输电功率模块的测试平台的工作方法为：
步骤1：***上电，该测试平台从市电取220V交流电，作为本测试平台的总电源输入，经过配电后，一方面，将220V交流电送入程控高压源5输入，程控高压源5的输出经过配电及控制单元3，给待测模块7提供母线输入，待测模块7由母线提供工作电压；另一方面，将220V交流电通过转换为24V直流电压经过配电和控制单元3后，给电压变送器4、FPGA核心板5、PLC主控2和HMI触摸屏1进行供电；
步骤2：待测模块测试，主要分为以下三个部分：
①发波控制：测试人员通过操作HMI触摸屏1下发IGBT测试指令，PLC主控2解析HMI触摸屏1下发的操作指令，一方面，PLC主控2调节程控高压源6输出与待测模块的测试项目相匹配的电压通过配电和控制单元3后，给待测模块7的母线电容充电，另一方面PLC主控2将解析指令发送给FPGA核心板5，FPGA核心板5将指令转换为发波控制信号，最终将驱动发波信号通过光纤发送给待测模块7用于驱动IGBT工作；
②IGBT动态测试：FPGA核心板5根据发送的驱动波形同步测试IGBT输出的交流电压信号是否正常，并将测试结果上传给PLC主控2，PLC主控2再将测试信息上传至HMI触摸屏1进行判断汇总，同时待测模块7的IO状态也会通过FPGA核心板5反馈至PLC主控2；
③软硬件过压测试：PLC主控2控制程控高压源6分别输出软硬件过压测试要求的测试电压，并通过电压变送器4实时回读监测待测模块7的母线电压是否已经达到阈值要求，通过PLC主控2读取待测模块7返回的软硬件过压状态位进行判断软硬件过压测试结果是否正常；
步骤3：待测模块放电：以上测试过程完成后，PLC主控2首先下发指令断开待测模块7和程控高压源6连接的回路，然后再控制程控高压源6关闭输出，并将放电电阻自动切入母线电容两端进行快速放电，放电过程中母线电容的电压值通过电压变送器4实时回传到PLC主控2，PLC主控2再上传至HMI触摸屏1并在HMI触摸屏1上显示出来。
和现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
测试人员只需要对上位机HMI触摸屏进行测试选择操作，测试平台就可以自动发送指令至PLC主控，PLC主控解析指令后控制程控高压源输出给待测模块母线电容充电，并接收待测模块反馈的状态信息是否正常。PLC主控控制FPGA核心板发送IGBT的驱动测试脉冲，配合AC侧高压采样单元测试待测模块的软硬件过欠压、发波、旁路开关动作及反馈试验要求，所有测试都是测试平台自动完成，具有智能化程度高，人机界面友好等一系列优势；
进一步的，测试平台可以根据实际测试需要，选择一键整机测试和单项测试两种模式，根据使用需要进行HMI触摸屏人机互动选择操作，一键整机测试包括:晶闸管测试、IGBT驱动发波测试、母线采样及软硬件过欠压测试、旁路开关动作及反馈测试、模块水冷板NTC温度采样测试、取能电源测试，单项测试指上述测试项可以只进行该步测试；
进一步的，测试平台测试过程中，HMI组态画面同步动态显示待测模块当前测试结果信息，界面友好，测试覆盖面广，测试电压等级高，测试完成后，PLC主控自动控制完成母线电容的放电，方便安全更换下一个待测模块进行测试；
进一步的，测试平台电路结构模块化设计，易于实现、高低压隔离，安全可靠，HMI工业触摸屏，接口丰富，扩展功能强大，测试记录自动生成报表可追溯及上传至MES***。
附图说明
图1为本发明的用于柔性直流输电功率模块的测试平台结构框图。
图2为本发明的用于柔性直流输电功率模块的测试平台工作方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本专业技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下将结合本发明实施例中的工作流程示意图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，包括HMI触摸屏1、PLC主控2、配电及控制单元3、电压变送器4、FPGA核心板5、程控高压源6及待测模块7。所述HMI触摸屏1通过以太网与PLC主控2的网口相连接，所述配电及控制单元3的数字量输入接口和数字量输出接口与PLC主控2的数字量输出接口和数字量输入接口相连接，所述配电及控制单元3的高压输入接口与程控高压源6的高压输出接口相连接，所述配电及控制单元3的高压输出接口与待测模块7的高压输入接口相连接，所述电压变送器4的高压输入接口与待测模块7的直流侧高压输出接口相连接，所述电压变送器4的模拟量输出接口与PLC主控2的模拟量输入接口相连接，所述FPGA核心板5的RS485从站接口与PLC主控2的RS485主站接口相连接，所述FPGA核心板5的交流采样输入接口与待测模块7的交流输出接口相连接，所述程控高压源6的高压控制接口与PLC主控2的输出接口相连接。
参见附图2，该测试平台的工作方法为：
步骤1：***上电，该测试平台从市电取220V交流电，作为本测试平台的总电源输入，经过配电后，一方面，将220V交流电送入程控高压源5输入，程控高压源5的输出经过配电及控制，给待测模块7提供母线输入，待测模块7由母线提供工作电压。另一方面，将220V交流电转换为隔离24V直流电压通过配电和控制单元3后，给电压变送器4、FPGA核心板5、PLC主控2和HMI触摸屏1进行供电；
步骤2：待测模块测试，主要分为以下三个部分：
①发波控制：测试人员通过操作HMI触摸屏1下发IGBT测试指令，PLC主控2解析HMI触摸屏1下发的操作指令，一方面，PLC主控2调节程控高压源6输出与待测模块的测试项目相匹配的电压通过配电和控制单元3后给待测模块7的母线电容充电，另一方面PLC主控2将解析指令发送给FPGA核心板5，FPGA核心板5将指令转换为发波控制信号，最终将驱动发波信号通过光纤发送给待测模块7用于驱动IGBT工作。
②IGBT动态测试：FPGA核心板5根据发送的驱动波形同步测试IGBT输出的交流电压信号是否正常，并将测试结果上传给PLC主控2，PLC主控2再将测试信息上传至HMI触摸屏1进行判断汇总，同时待测模块7的IO状态也会通过FPGA核心板5反馈至PLC主控2；
③软硬件过压测试：PLC主控2控制程控高压源6分别输出软硬件过压测试要求的测试电压，并通过电压变送器4实时回读监测待测模块7的母线电压是否已经达到阈值要求，通过PLC主控2读取待测模块7返回的软硬件过压状态位进行判断软硬件过压测试结果是否正常。
步骤3：待测模块放电：以上测试过程完成后，PLC主控2首先下发指令断开待测模块7和程控高压源6连接的回路，然后再控制程控高压源6关闭输出，并将放电电阻自动切入母线电容两端进行快速放电，放电过程中母线电容的电压值通过电压变送器4实时回传到PLC主控2，PLC主控2再上传至HMI触摸屏1并在HMI触摸屏1上显示出来。
以下为各模块的主要功能及作用：
PLC主控2用于接收上位机HMI触摸屏1下发的测试指令，控制***的程控高压源6、高压接触器、电压变送器4，并与FPGA核心板5进行Modbus通讯。通过解析HMI触摸屏1下发的操作指令，自动完成待测模块7的母线电容充电、待测模块7的各项测试、自动放电、测试数据记录及上传工作。
FPGA核心板5用于接收上一级PLC主控2发送的测试指令，根据测试要求产生测试IGBT用的驱动波形，并通过光纤发送至待测模块7的IGBT驱动侧。
另一方面，FPGA核心板5还用于完成待测模块7的内部状态信息获取及交流侧的高压信号采集工作，将实际采集的交流侧电压值和待测模块7的状态信息通过Modbus通讯上报PLC主控2，PLC主控2再通过以太网将信息转发给上位机HMI触摸屏1生成电子报表并支持在线打印。
程控高压源6用于产生待测模块7测试用直流高压信号，通过高压真空接触器控制后给待测模块7直流侧母线电容充电，输出直流电压范围0-4000V连续可调，可以满足待测模块的软硬件过压保护测试电压等级要求。
电压变送器4用于实时测试直流母线电容两端的电压，将测试结果转换为0-10V小信号通过AI通道上报给PLC主控2，PLC主控2通过比较待测模块7采集的直流侧电压值与电压变送器4实测的直流侧电压值，用于判断待测模块7直流采样精度是否在标称电压值的±0.5％相对精度以内。
配电及控制单元3主要作用是将输入220V交流电压通过漏电保护器和开关电源输出的隔离24V直流电压通过断路控制后进行分配，并将PLC主控2的数字量输出接口输出通过中间继电器进行隔离后控制真空断路器进行高压回路的通断控制。
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：包括HMI触摸屏(1)、PLC主控(2)、配电及控制单元(3)、电压变送器(4)、FPGA核心板(5)、程控高压源(6)及待测模块(7)；所述HMI触摸屏(1)通过以太网与PLC主控(2)的网口相连接，所述配电及控制单元(3)的数字量输入DI接口和数字量输出DO接口与PLC主控(2)的数字量输出DO接口和数字量输入DI接口相连接，所述配电及控制单元(3)的高压输入接口与程控高压源(6)的高压输出接口相连接，所述配电及控制单元(3)的高压输出接口与待测模块(7)的高压输入接口相连接，所述电压变送器(4)的高压输入接口与待测模块(7)的直流侧高压输出接口相连接，所述电压变送器(4)的模拟量输出AO接口与PLC主控(2)的模拟量输入AI接口相连接，所述FPGA核心板(5)的RS485从站接口与PLC主控(2)的RS485主站接口相连接，所述FPGA核心板(5)的交流采样输入接口与待测模块(7)的交流输出接口相连接，所述程控高压源(6)的高压控制接口与PLC主控(2)的输出AO接口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：所述PLC主控(2)用于接收HMI触摸屏(1)下发的测试指令，控制***的程控高压源(6)、高压接触器和电压变送器(4)，并与FPGA核心板(5)进行Modbus通讯；通过解析HMI触摸屏(1)下发的操作指令，自动完成待测模块(7)的母线电容充电、待测模块(7)的各项测试、自动放电、测试数据记录及上传工作。
3.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：所述FPGA核心板(5)用于接收上一级PLC主控(2)发送的测试指令，根据测试要求产生测试IGBT用的驱动波形，并通过光纤发送至待测模块(7)的IGBT驱动侧；另一方面，FPGA核心板(5)还用于完成待测模块(7)的内部状态信息获取及交流侧的高压信号采集工作，将实际采集的交流侧电压值和待测模块(7)的状态信息通过Modbus通讯上报PLC主控(2)，PLC主控(2)再通过以太网将信息转发给HMI触摸屏(1)进行记录并生成测试报表。
4.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：所述程控高压源(6)用于产生待测模块(7)测试用直流高压信号，通过高压真空接触器控制后给待测模块(7)直流侧母线电容充电，输出直流电压范围0-4000V连续可调，满足待测模块(7)的软硬件过压保护测试电压等级要求。
5.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：所述电压变送器(4)用于实时测试直流母线电容两端的电压，将测试结果转换为0-10V小信号通过AI通道上报给PLC主控(2)，PLC主控(2)通过比较待测模块(7)采集的直流侧电压值与电压变送器(4)实测的直流侧电压值，用于判断待测模块(7)直流采样精度是否在标称电压值的±0.5％相对精度以内。
6.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电功率模块的测试平台，其特征在于：所述配电及控制单元(3)作用是将输入220V交流电压通过漏电保护器和开关电源输出的隔离24V直流电压通过断路控制后进行分配，并将PLC主控(2)的数字量输出DO接口输出通过中间继电器进行隔离后控制真空断路器进行高压回路的通断控制。
7.权利要求1至6任一项所述用于柔性直流输电功率模块的测试平台的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：***上电，该测试平台从市电取220V交流电，作为本测试平台的总电源输入，经过配电后，一方面，将220V交流电送入程控高压源(5)输入，程控高压源(5)的输出经过配电及控制单元(3)，给待测模块(7)提供母线输入，待测模块(7)由母线提供工作电压；另一方面，将220V交流电通过转换为隔离24V直流电压进过配电和控制单元(3)后，给电压变送器(4)、FPGA核心板(5)、PLC主控(2)和HMI触摸屏(1)进行供电；
步骤2：待测模块测试，主要分为以下三个部分：
①发波控制：测试人员通过操作HMI触摸屏(1)下发IGBT测试指令，PLC主控(2)解析HMI触摸屏(1)下发的操作指令，一方面，PLC主控(2)调节程控高压源(6)输出与待测模块的测试项目相匹配的电压通过配电和控制单元(3)后给待测模块(7)的母线电容充电，另一方面PLC主控(2)将解析指令发送给FPGA核心板(5)，FPGA核心板(5)将指令转换为发波控制信号，最终将驱动发波信号通过光纤发送给待测模块(7)用于驱动IGBT工作；
②IGBT动态测试：FPGA核心板(5)根据发送的驱动波形同步测试IGBT输出的交流电压信号是否正常，并将测试结果上传给PLC主控(2)，PLC主控(2)再将测试信息上传至HMI触摸屏(1)进行判断汇总，同时待测模块(7)的IO状态也会通过FPGA核心板(5)反馈至PLC主控(2)；
③软硬件过压测试：PLC主控(2)控制程控高压源(6)分别输出软硬件过压测试要求的测试电压，并通过电压变送器(4)实时回读监测待测模块(7)的母线电压是否已经达到阈值要求，通过PLC主控(2)读取待测模块(7)返回的软硬件过压状态位进行判断软硬件过压测试结果是否正常；
步骤3：待测模块放电：以上测试过程完成后，PLC主控(2)首先下发指令断开待测模块(7)和程控高压源(6)连接的回路，然后再控制程控高压源(6)关闭输出，并将放电电阻自动切入母线电容两端进行快速放电，放电过程中母线电容的电压值通过电压变送器(4)实时回传到PLC主控(2)，PLC主控(2)再上传至HMI触摸屏(1)并在HMI触摸屏(1)上显示出来。
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