CN114489002A - 一种基于fpga的柔直故障模拟*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的柔直故障模拟***，包括：光纤转接机、录波板以及后台应用程序模块；所述光纤转接机一端通过高速光纤与换流器数字仿真机连接，另一端还通过低速光纤与阀控连接；所述后台应用程序模块发送多种故障模拟信息至光纤转接机，所述光纤转接机将对应的故障模拟信息转发至换流器数字仿真机或阀控，换流器数字仿真机或阀控针对故障模拟信息进行故障模拟操作；可以模拟模块化多电平换流器在运行过程中的多种故障，以验证阀控的控制策略是否正确，更加快速便捷地对阀控的控制策略进行检测，无需在实际工程现场测试，降低测试成本、提高测试效率。

Description

一种基于FPGA的柔直故障模拟***

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的柔直故障模拟***。

背景技术

能源与环境问题是人类长期生存发展需要面对的关键问题，随着工业化进程的不断加速，全球气候问题日益凸显，新能源替代传统化石能源是未来人类发展的趋势。我国的能源供给与能源需求呈现地域不平衡现象，其中光伏、风电等新能源主要分布在国土的北部与西部，而电力负荷中心主要在东部和中部，多余的电能需要经过大容量、远距离的输送给负荷中心。UHVAC(Ultra High Voltage Alternating Current，特高压交流)能够实现交流电网跨区域远距离连接，但无法应用于孤岛新能源基地的连接。传统的HVDC(HighVoltage Direct Current，高压直流)需要有交流大电网的支撑才能成功换相与稳定运行，而新能源基地没有交流电网的支持，因此无法使用传统的HVDC技术进行新能源输出。

VSC(Voltage Source Converter，电压型换流器)利用全控型可关断器件作为换流器的开关管，能够在驱动触发信号的控制作用下实现开通与关断，不依赖外部电压实现自换相，输出预期的电压波形。大功率全控器件IGBT(Insulated-Gate BipolarTransistor，绝缘栅型双极晶体管)的发展也为VSC应用于大容量输电领域提供了器件支撑。由于单个IGBT模块的耐压能力和传输能力有限，而多个IGBT模块串联又存在静态、动态均压困难等问题，因此以大功率全控器件IGBT为基础的MMC(Modular MultilevelConverter，模块化多电平换流器)方案被提出。基于MMC的直流输电技术不存在换相失败问题，且能够分别控制有功和无功传输，被称为VSC-HVDC(Voltage Source Converter basedHigh Voltage Direct Current，柔性直流)，已经广泛应用于连接孤岛新能源基地等场合。MMC和阀控之间通过大量的低速光纤进行电压和控制信号的传输，***在实际运行过程中会产生多种故障，故阀控如何对各种故障进行正确判断及处理是一个急待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够模拟模块化多电平换流器在运行过程中的多种故障，以验证阀控的控制策略是否正确的基于FPGA的柔直故障模拟***。

一种基于FPGA的柔直故障模拟***，包括：

光纤转接机、录波板以及后台应用程序模块；

所述后台应用程序模块通过以太网与所述录波板连接，所述录波板与所述光纤转接机连接；

所述光纤转接机一端通过高速光纤与换流器数字仿真机连接，另一端还通过低速光纤与阀控连接；

所述后台应用程序模块发送多种故障模拟信息至光纤转接机，所述光纤转接机将对应的故障模拟信息转发至换流器数字仿真机或阀控，换流器数字仿真机或阀控针对故障模拟信息进行故障模拟操作。

上述的基于FPGA的柔直故障模拟***，可以模拟模块化多电平换流器在运行过程中的多种故障，以验证阀控的控制策略是否正确，更加快速便捷地对阀控的控制策略进行检测，可以在实验室里进行柔直全链路故障的实时仿真测试，无需在实际工程现场测试，降低测试成本、提高测试效率。

附图说明

图1为本发明中的一种基于FPGA的柔直故障模拟***的应用架构图；

图2为本发明中的一种基于FPGA的柔直故障模拟***的内部架构图；

图3为本发明中的一种光纤转接机的内部架构图；

图4为本发明中的一种阀控板的内部架构图；

图5为本发明中的一种录波板的内部架构图；

图6为本发明中的一种主控板的内部架构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于FPGA的柔直故障模拟***的应用架构图，包括以下部分：光纤转接机、录波板以及后台应用程序模块；

进一步地，所述后台应用程序模块通过以太网与所述录波板连接，所述录波板与所述光纤转接机连接；

所述光纤转接机一端通过高速光纤与换流器数字仿真机连接，另一端还通过低速光纤与阀控连接；

该故障模拟***一方面通过大量的低速光纤和阀控进行通信，另一方面通过少量的高速光纤和换流器数字仿真机进行通信，实现了换流器数字仿真机和阀控之间高速光纤和低速光纤之间的数据转换传输。

所述后台应用程序模块发送多种故障模拟信息至光纤转接机，所述光纤转接机将对应的故障模拟信息转发至换流器数字仿真机或阀控，换流器数字仿真机或阀控针对故障模拟信息进行故障模拟操作。

在一种实施例中，后台应用程序模块可以发出多种故障模拟信息，通过录波板发送至光纤转接机，因为光纤转接机分别与换流器数字仿真机及阀控连接，故障模拟信息可以转发至换流器数字仿真机及阀控，换流器数字仿真机或阀控针对故障模拟信息进行故障模拟操作。

本发明中，实现了一种基于FPGA的柔直故障模拟***，该故障模拟***可以模拟模块化多电平换流器在运行过程中的多种故障，以验证阀控的控制策略是否正确，更加快速便捷地对阀控的控制策略进行检测，可以在实验室里进行柔直全链路故障的实时仿真测试，无需在实际工程现场测试，降低测试成本、提高测试效率。

具体而言，柔性直流链路的模拟故障可以包括电容电压过压故障、上下行光纤通信故障、高位取能故障、功率模块控制板故障、电容电压测量偏差故障、温度故障等，当然还可以包括其他的故障模拟信息，本发明对此不作过多的限制。

在一种具体实施例中，针对电容电压过压故障的模拟，所述后台应用程序模块过压阈值至光纤转接机，光纤转接机将子模块电压值和过压阈值进行比较，若子模块电压值大于过压阈值，控制子模块的电压降低，即后台应用程序给光纤转接机下发n个子模块的过压阈值，主控板将实际的子模块电压值和过压阈值进行比较，一旦发现某个子模块电压的实际值大于过压阈值，则对应的子模块的IGBT1和IGBT2设置成1，相应的子模块电压就会迅速下降；

针对上下行光纤通信故障的模拟，所述后台应用程序模块发送光纤通信故障信息至阀控板，阀控板根据光纤通信故障信息关闭对应的光纤，所述阀控发送旁路信号至对应的子模块，降低对应的子模块电压；具体地，后台应用程序以阀控板为单位给光纤转接机下发光纤通信故障信息，阀控板收到信息之后，根据光纤通信故障信息掐断对应的光纤，阀控检测到光纤故障之后会给对应的子模块发送旁路信号，则相应的子模块电压会迅速降低；

另一方面，针对高位取能故障的模拟，后台应用程序模块发送得电阈值和失电阈值至光纤转接机，所述光纤转接机根据得电阈值和失电阈值，判断对应的子模块处于得电状态或失电状态，控制上下行光纤启动或关闭；即后台应用程序给光纤转接机下发n个子模块的得电阈值和失电阈值，光纤转接机将实际的子模块电压和得电阈值、失电阈值做比较，当子模块电压在上升的过程中超过得电阈值，则对应的子模块处于得电状态，光纤转接机打开对应子模块的上下行光纤，发送实际的子模块电压，当子模块电压在下降的过程中低于失电阈值，则对应的子模块处于失电状态，光纤转接机迅速地关闭对应的上下行光纤；

针对功率模块控制板故障的模拟，后台应用程序模块发送控制信号的故障信息至光纤转接机，光纤转接机发送控制信号的故障信息至换流器数字仿真机，阀控检测到子模块电压异常之后发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低；即后台应用程序给光纤转接机下发n个子模块控制信号的故障信息，光纤转接机用收到的故障信息替换真实的控制信号，并发送给换流器数字仿真机，阀控检测到子模块电压异常之后就会给相应的子模块发送旁路信号，则对应的子模块电压会迅速下降；

针对电容电压测量偏差故障的模拟，后台应用程序模块发送子模块电压假值至光纤转接机，光纤转接机将子模块电压假值发送至阀控，阀控检测到子模块电压异常之后发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低；后台应用程序给光纤转接机下发n个子模块电压假值，光纤转接机用收到的子模块电压假值替换真实子模块电压，并发送给阀控，阀控检测到子模块电压异常之后就会给相应的子模块发送旁路信号，则对应的子模块电压会迅速下降；

针对温度故障的模拟，后台应用程序模块发送温度故障信息至光纤转接机，光纤转接机发送温度故障信息至阀控，阀控检测发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低；即后台应用程序以阀控板为单位给光纤转接机下发温度故障信息，光纤转接机收到温度故障之后将故障信息发送给阀控，阀控检测到温度故障之后就会给相应的子模块发送旁路信号，则对应子模块的电压会迅速下降。

本发明的故障模拟***可以模拟电容电压过压故障、光纤通信故障、电容电压测量偏差故障、电源故障、功率模块驱动故障等多种故障，以验证阀控能否正确判断与及时处理这些故障，解决了柔性直流链路的故障模拟问题。

如图2所示，提供了一种基于FPGA的柔直故障模拟***的内部架构图，具体而言，该故障模拟***包括以太网交换机，所述后台应用程序模块通过以太网交换机接入以太网与所述录波板连接，即后台应用程序通过以太网交换机和多个录波板进行通信，每块录波板可以和多台光纤转接机进行通信，每台光纤转接机上的高速光纤0和换流器数字仿真机进行通信，同时通过多对低速光纤和阀控进行通信。

如图3所示，提供了一种光纤转接机的内部架构图，所述光纤转接机包括阀控板、主控板及背板；所述主控板通过通信接口连接至背板，所述背板通过通信接口连接至阀控板；所述主控板通过高速光纤与换流器数字仿真机连接；所述阀控板通过低速光纤与阀控连接；

在一种实施例中，所述光纤转接机包括计算机***、显示屏；所述背板通过通信接口与计算机***连接，所述显示屏与所述计算机***连接。

具体应用到本发明中，主控板通过背板和n块阀控板以及计算机***进行通信，主控板和阀控板之间的通信接口可以包括高速串口、串口、差分信号等，主控板和计算机***之间通过串口进行通信，小型***和液晶显示屏之间通过显示屏接口进行通信。

如图4所示，提供了一种阀控板的内部架构图，所述阀控板包括高速串口收发模块、串口收发模块、编解码模块及故障模拟模块；所述高速串口收发模块通过编解码模块与故障模拟模块连接，所述串口收发模块与所述故障模拟模块，所述故障模拟模块通过低速光纤与阀控连接；

具体地，所述串口收发模块通过串口从主控板接收到故障信息，将故障信息发送至故障模拟模块；

进一步地，高速串口收发模块通过高速串口从主控板接收电容电压和状态分别发送至编解码模块，并且，高速串口收发模块子模块的控制信号通过高速串口发送至主控板；

在一种实施例中，编解码模块将电容电压和状态进行串行编码发送至故障模拟模块；编解码模块将故障模拟模块发送的信息进行解码得到控制信号，将控制信号发送至高速串口收发模块；故障模拟模块根据串口收发模块发送的上下行光纤故障和高位取能故障，进行编解码模块和低速光口之间收发信号的导通和关断处理，以模拟光纤通讯故障。

如图5所示，提供了一种录波板的内部架构图，所述录波板包括以太网组帧模块、光口收发模块、以太网收发模块、录波模块及内存所述光口收发模块通过所述以太网组帧模块与所述以太网收发模块连接；所述以太网组帧模块与所述录波模块连接，所述录波模块与内存连接，

以太网收发模块通过以太网从后台应用程序接收以太网数据帧，并将提取出的数据包发送给以太网组帧模块，以太网组帧模块将接收到的数据进行解析并判断该数据包的功能，如果该数据包是透传给阀控板的，则以太网组帧模块将数据包发送给对应的光口收发模块，光口收发模块将收到的数据通过高速光口发送给主控板，光口收发模块将收到的回包发送给以太网组帧模块，以太网组帧模块进行以太网数据包的组帧并发送给以太网收发模块，以太网收发模块将收到的数据帧通过以太网发送给后台应用程序；如果以太网组帧模块收到的是录波指令，则会将相应的录波参数送给录波模块，录波模块对光口收发模块接收的数据进行录波，并存储到内存里面，全部存完之后，在将数据从内存里读出来然后通过以太网传送给后台应用程序。

如图6所示，提供了一种主控板的内部架构图，所述主控板包括子模块电压偏差值存储模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块、子模块电压故障模拟模块、高速串口收发模块、功率模块故障模拟模块、高速光口收发模块；

所述高速光口收发模块分别与所述子模块电压故障模拟模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块；所述子模块电压故障模拟模块分别与所述子模块电压故障模拟模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块；所述子模块电压故障模拟模块与所述高速串口收发模块连接，所述高速串口收发模块与所述功率模块故障模拟模块连接，所述功率模块故障模拟模块与所述高速光口收发模块连接；

具体地，主控板通过高速光口接收子模块测量偏差值以及子模块阈值，并将测量偏差值存储于子模块电压偏差值存储模块中，将阈值存储于阈值比较模块中，同时将收到的真实子模块电压值存储于真实子模块电压状态存储模块中；

阈值比较模块用于进行子模块电压过压、欠压、高位取能的故障判断，并将判断结果发送至子模块电压故障模拟模块；

子模块电压故障模拟模块用于根据故障标志判定发送的子模块电压的种类，并将相应的子模块电压发送至高速串口收发模块，高速串口收发模块将子模块电压通过高速串口发送给阀控板；

高速串口收发模块通过高速串口从阀控板接收功率模块控制信号，并将控制信号送给功率模块故障模拟模块，功率模块故障模拟模块将处理之后的控制信号通过高速光口发送给换流器数字仿真机连接。

本发明基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现了柔直全链路故障模拟功能，可以进行电容电压过压故障、上下行光纤通信故障、高位取能故障、功率模块控制板故障、电容电压测量偏差故障、温度故障等多种故障的模拟。

在本发明中的基于FPGA的柔直故障模拟***中，可以包含多种的计算机设备，该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于FPGA的柔直故障模拟***的数据处理步骤。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为装置或计算机程序产品。因此，本发明可采用结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于FPGA的柔直故障模拟***，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的***及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的柔直故障模拟***，其特征在于，包括：

光纤转接机、录波板以及后台应用程序模块；

所述后台应用程序模块通过以太网与所述录波板连接，所述录波板与所述光纤转接机连接；

所述光纤转接机一端通过高速光纤与换流器数字仿真机连接，另一端还通过低速光纤与阀控连接；

所述后台应用程序模块发送多种故障模拟信息至光纤转接机，所述光纤转接机将对应的故障模拟信息转发至换流器数字仿真机或阀控，换流器数字仿真机或阀控针对故障模拟信息进行故障模拟操作。

2.根据权利要求1所述的故障模拟***，其特征在于，所述故障模拟***包括以太网交换机，所述后台应用程序模块通过以太网交换机接入以太网与所述录波板连接。

3.根据权利要求1或2所述的故障模拟***，其特征在于，所述光纤转接机包括阀控板、主控板及背板；

所述主控板通过通信接口连接至背板，所述背板通过通信接口连接至阀控板；所述主控板通过高速光纤与换流器数字仿真机连接；所述阀控板通过低速光纤与阀控连接。

4.根据权利要求3所述的故障模拟***，其特征在于，所述光纤转接机包括计算机***、显示屏；

所述背板通过通信接口与计算机***连接，所述显示屏与所述计算机***连接。

5.根据权利要求3所述的故障模拟***，其特征在于，所述阀控板包括高速串口收发模块、串口收发模块、编解码模块及故障模拟模块；

所述高速串口收发模块通过编解码模块与故障模拟模块连接，所述串口收发模块与所述故障模拟模块，所述故障模拟模块通过低速光纤与阀控连接。

6.根据权利要求3所述的故障模拟***，其特征在于，所述主控板包括子模块电压偏差值存储模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块、子模块电压故障模拟模块、高速串口收发模块、功率模块故障模拟模块、高速光口收发模块；

所述高速光口收发模块分别与所述子模块电压故障模拟模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块；所述子模块电压故障模拟模块分别与所述子模块电压故障模拟模块、阈值比较模块、真实子模块电压状态存储模块；所述子模块电压故障模拟模块与所述高速串口收发模块连接，所述高速串口收发模块与所述功率模块故障模拟模块连接，所述功率模块故障模拟模块与所述高速光口收发模块连接。

7.根据权利要求1所述的故障模拟***，其特征在于，所述录波板包括以太网组帧模块、光口收发模块、以太网收发模块、录波模块及内存

所述光口收发模块通过所述以太网组帧模块与所述以太网收发模块连接；所述以太网组帧模块与所述录波模块连接，所述录波模块与内存连接。

8.根据权利要求1所述的故障模拟***，其特征在于，所述后台应用程序模块过压阈值至光纤转接机，光纤转接机将子模块电压值和过压阈值进行比较，若子模块电压值大于过压阈值，控制子模块的电压降低；

和/或，所述后台应用程序模块发送光纤通信故障信息至阀控板，阀控板根据光纤通信故障信息关闭对应的光纤，所述阀控发送旁路信号至对应的子模块，降低对应的子模块电压；

和/或，后台应用程序模块发送得电阈值和失电阈值至光纤转接机，所述光纤转接机根据得电阈值和失电阈值，判断对应的子模块处于得电状态或失电状态，控制上下行光纤启动或关闭；

和/或，后台应用程序模块发送控制信号的故障信息至光纤转接机，光纤转接机发送控制信号的故障信息至换流器数字仿真机，阀控检测到子模块电压异常之后发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低；

和/或，后台应用程序模块发送子模块电压假值至光纤转接机，光纤转接机将子模块电压假值发送至阀控，阀控检测到子模块电压异常之后发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低；

和/或，后台应用程序模块发送温度故障信息至光纤转接机，光纤转接机发送温度故障信息至阀控，阀控检测发送旁路信号至相应的子模块，控制子模块的电压降低。

9.根据权利要求5所述的故障模拟***，其特征在于，所述串口收发模块通过串口从主控板接收到故障信息，将故障信息发送至故障模拟模块；

高速串口收发模块通过高速串口从主控板接收电容电压和状态分别发送至编解码模块，并且，高速串口收发模块子模块的控制信号通过高速串口发送至主控板；

编解码模块将电容电压和状态进行串行编码发送至故障模拟模块；编解码模块将故障模拟模块发送的信息进行解码得到控制信号，将控制信号发送至高速串口收发模块；

故障模拟模块根据串口收发模块发送的上下行光纤故障和高位取能故障，进行编解码模块和低速光口之间收发信号的导通和关断处理，以模拟光纤通讯故障。

10.根据权利要求6所述的故障模拟***，其特征在于，所述主控板通过高速光口接收子模块测量偏差值以及子模块阈值，并将测量偏差值存储于子模块电压偏差值存储模块中，将阈值存储于阈值比较模块中，同时将收到的真实子模块电压值存储于真实子模块电压状态存储模块中；

阈值比较模块用于进行子模块电压过压、欠压、高位取能的故障判断，并将判断结果发送至子模块电压故障模拟模块；

子模块电压故障模拟模块用于根据故障标志判定发送的子模块电压的种类，并将相应的子模块电压发送至高速串口收发模块，高速串口收发模块将子模块电压通过高速串口发送给阀控板；

高速串口收发模块通过高速串口从阀控板接收功率模块控制信号，并将控制信号送给功率模块故障模拟模块，功率模块故障模拟模块将处理之后的控制信号通过高速光口发送给换流器数字仿真机连接。

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