一种基于FPGA的阀控装置的仿真测试方法与系统与流程

本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法与系统。

背景技术

直流输电系统阀控装置是换流阀设备的主要组成部分，是换流站控制系统与换流阀一次设备连接的部分，是确保直流输电系统可靠运行的关键设备之一。直流输电系统阀控装置功能的完整测试对发现阀控装置功能缺陷、改进阀控装置功能有着重要作用。长期以来，阀控装置被视为一次换流阀设备的附属设备，其控制相关功能没有受到充分的重视，未进行完整的仿真测试，这是直流控制保护测试体系中相对薄弱的一环，可能会对直流输电系统运行带来一定的风险。

在常规直流工程国产化过程中，阀控装置虽然参与了直流保护系统实时闭环测试，但是仿真模型中的一个阀是用一个开关信号进行模拟，触发脉冲使用的是6ms时长的长脉冲，受仿真平台限制，阀控功能无法进行深入、全面的测试；国内相关设备厂家有使用简化的一次换流阀装置与阀控装置连接建立动模系统进行测试的方式，但基于实时仿真系统对换流阀进行详细、精确建模，并将阀控装置和控制保护装置连接对阀控功能进行完整测试的思路，却因仿真平台、仿真方法等条件限制，一直没有实现对阀控功能进行深入、全面的测试。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法与系统，实现对阀控装置进行深入、全面的完整测试，提高阀控装置的仿真测试能力和水平。

本发明实施例提供了一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法，包括:

实时数字仿真器模拟直流输电系统的工作状态,并生成与所述工作状态对应的运行信息；

实际工程控制保护设备根据接收到的所述运行信息，生成第一控制参数和第二控制参数；

所述实时数字仿真器根据接收到的所述第一控制参数，对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新；

所述实时数字仿真器生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的检测电流电压，并将所述检测电流电压发送给阀模块模拟卡；

所述阀模块模拟卡根据接收到的所述检测电流电压对模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片进行检测,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的电流电压信息；

所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理；

所述实际工程控制保护设备生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发控制信号,并将所述触发控制信号发送给阀控装置；

所述阀控装置根据接收到的触发控制信号进行转换,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发脉冲信号,并将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡；

所述实时数字仿真器根据所述换流器的阀片的状态处理结果以及接收到的所述触发脉冲信号和所述第二控制参数,对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新。

优选地，当所述阀控装置检测到所述换流器的阀片发生故障时，所述阀控装置对所述实际工程控制保护设备发送故障信号。

优选地，所述第一控制参数包括除模拟的所述直流输电系统的换流器之外的模拟的所述直流输电系统的运行状态；所述第二控制参数包括模拟的所述直流输电系统的换流器的运行状态。

优选地，所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理，具体包括：

检测所述换流器的阀片的电压方向与大小；

当检测到所述换流器的阀片的电压方向为正方向时，则判断所述换流器的阀片是否处于导通状态；

若否,当所述换流器的阀片的正向电压大于预设的第一保护阈值时，所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片进行补发触发脉冲，使所述换流器的阀片导通；

当检测到所述换流器的阀片的电压方向为负方向时，则判断所述换流器的阀片是否处于关断状态；

若是,当所述换流器的阀片的负向电压变化率大于预设的第二保护阈值时,所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片发送光触发脉冲，使所述换流器的阀片导通。

优选地，在获得模拟的所述直流输电系统的电流电压信息之后，还包括：

检测所述换流器的阀片的电流大小；

当检测到所述换流器的阀片的电流为零时,所述阀模块模拟卡向所述阀控装置发送电流过零关断信号，所述阀控装置将接收到的电流过零关断信号发送到所述实际控制保护设备。

优选地，所述将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡，还包括：

所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片的正向电压进行检测,当所述正向电压大于预设的第三保护阈值时,向所述阀控装置发送所述换流器的阀片对应的回检信号。

优选地，所述当所述阀控装置检测到所述换流器的阀片发生故障时，所述阀控装置对所述实际工程控制保护设备发送故障信号，具体包括：

当检测到所述换流器的单个阀中n片阀片因进行补发触发脉冲而导通时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；

当检测到所述换流器的单个阀中m片阀片未返回对应的回检信号时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；

当检测到所述换流器的阀片发生脉冲故障时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；

当检测到所述换流器的单个阀中p片阀片因进行补发触发脉冲而导通时，向所述实际工程控制保护设备发送跳闸信号；

当检测到所述换流器的单个阀中q片阀片未返回对应的回检信号时，向所述实际工程控制保护设备发送跳闸信号。

优选地，所述阀模块模拟卡采用基于fpga的阀模块模拟卡，通过fpga编程模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备。

优选地，所述实时数字仿真器设有人机交互界面；通过所述人机交互界面对所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统中电路元件参数和元件类型进行修改，以改变所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统的工作状态。

优选地，所述人机交互界面对所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统的电路进行电路故障设置，实现模拟所述直流输电系统的电路故障。

本发明实施例还提供了一种基于fpga的阀控装置的仿真测试系统，包括：用于模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备的阀模块模拟卡、用于模拟真实直流输电系统的实时数字仿真器、实际工程控制保护设备、阀控装置；所述实际工程控制保护设备与所述阀控装置通过光纤双向通讯，所述阀控装置与所述阀模块模拟卡通过光纤双向通讯，所述阀模块模拟卡与所述实时数字仿真器通过aurora协议双向通讯，所述实际工程控制保护设备与所述实时数字仿真器通过io接口双向通讯。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法的有益效果在于：所述基于fpga的阀控装置的仿真测试方法,包括:实时数字仿真器模拟直流输电系统的工作状态,并生成与所述工作状态对应的运行信息；实际工程控制保护设备根据接收到的所述运行信息，生成第一控制参数和第二控制参数；所述实时数字仿真器根据接收到的所述第一控制参数，对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新；所述实时数字仿真器生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的检测电流电压，并将所述检测电流电压发送给阀模块模拟卡；所述阀模块模拟卡根据接收到的所述检测电流电压对模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片进行检测,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的电流电压信息；所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理；所述实际工程控制保护设备生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发控制信号,并将所述触发控制信号发送给阀控装置；所述阀控装置根据接收到的触发控制信号进行转换,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发脉冲信号,并将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡；所述实时数字仿真器根据所述换流器的阀片的状态处理结果以及接收到的所述触发脉冲信号和所述第二控制参数,对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新。该方法通过在已有的直流控制保护平台技术上,使用阀模块模拟卡模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备，其中阀模块模拟卡主要是通过对所述换流器的阀片进行阀片级模拟，从而实现对阀控装置进行深入、全面的完整测试，提高阀控装置的仿真测试能力和水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法的流程示意图，所述基于fpga的阀控装置的仿真测试方法，包括：

s100：实时数字仿真器模拟直流输电系统的工作状态,并生成与所述工作状态对应的运行信息；

s200：实际工程控制保护设备根据接收到的所述运行信息，生成第一控制参数和第二控制参数；

s300：所述实时数字仿真器根据接收到的所述第一控制参数，对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新；

s400：所述实时数字仿真器生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的检测电流电压，并将所述检测电流电压发送给阀模块模拟卡；

s500：所述阀模块模拟卡根据接收到的所述检测电流电压对模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片进行检测,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的电流电压信息；

s600：所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理；

s700：所述实际工程控制保护设备生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发控制信号,并将所述触发控制信号发送给阀控装置；

s800：所述阀控装置根据接收到的触发控制信号进行转换,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发脉冲信号,并将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡；

s900：所述实时数字仿真器根据所述换流器的阀片的状态处理结果以及接收到的所述触发脉冲信号和所述第二控制参数,对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新。

在本实施例中，基于实时数字仿真器对换流器进行详细、精确建模，并通过在已有的直流控制保护平台技术上,使用阀模块模拟卡模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备，其中阀模块模拟卡主要是通过对所述换流器的阀片进行阀片级模拟，从而实现对阀控装置进行深入、全面的完整测试，提高阀控装置的仿真测试能力和水平，有利于提升直流输电系统运行的可靠性。

在一种可选的实施例中，当所述阀控装置检测到所述换流器的阀片发生故障时，所述阀控装置对所述实际工程控制保护设备发送故障信号，具体包括：

当检测到所述换流器的单个阀中n片阀片因进行补发触发脉冲而导通时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；其中，n可根据实际情况制定，一般n≤4；

当检测到所述换流器的单个阀中m片阀片未返回对应的回检信号时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；其中，m可根据实际情况制定，m≤3；

当检测到所述换流器的阀片发生脉冲故障时，向所述实际工程控制保护设备发送告警信号；

当检测到所述换流器的单个阀中p片阀片因进行补发触发脉冲而导通时，向所述实际工程控制保护设备发送跳闸信号；其中，p可根据实际情况制定，p≥5；

当检测到所述换流器的单个阀中q片阀片未返回对应的回检信号时，向所述实际工程控制保护设备发送跳闸信号，其中，q可根据实际情况制定，q≥4。

在本实施例中，所述脉冲故障包括:脉冲回路没有形成通路或脉冲电源失电等。

在一种可选的实施例中，s200：实际工程控制保护设备根据接收到的所述运行信息，生成第一控制参数和第二控制参数，具体包括：

所述第一控制参数包括除模拟的所述直流输电系统的换流器之外的模拟的所述直流输电系统的运行状态；所述第二控制参数包括模拟的所述直流输电系统的换流器的运行状态。

在本实施例中，所述第一控制参数可以由所述实际工程控制保护设备直接发送给所述实时数字仿真器；第二控制参数需要所述阀模块模拟卡进行处理后才可发送给所述实时数字仿真器。

在一种可选的实施例中，s500：所述阀模块模拟卡根据接收到的所述检测电流电压对模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片进行检测,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的电流电压信息；

在一种可选的实施例中，s600：所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理，具体包括：

检测所述换流器的阀片的电压方向与大小；

当检测到所述换流器的阀片的电压方向为正方向时，则判断所述换流器的阀片是否处于导通状态；

若否,当所述换流器的阀片的正向电压大于预设的第一保护阈值时，所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片进行补发触发脉冲，使所述换流器的阀片导通；

当检测到所述换流器的阀片的电压方向为负方向时，则判断所述换流器的阀片是否处于关断状态；

若是,当所述换流器的阀片的负向电压变化率大于预设的第二保护阈值时,所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片发送光触发脉冲，使所述换流器的阀片导通。

在本实施例中，所述阀模块模拟卡根据所述直流输电系统的电流电压信息调整每个阀片的触发脉冲，确保在所述换流器中的每个换流阀串联状态下所有阀片承受相同的电压。其中，所述第一保护阈值由所述阀片型号确定，可取值为7500v；所述第二保护阈值由所述阀片型号确定，可取值为100v/us。

在一种可选的实施例中，在获得模拟的所述直流输电系统的电流电压信息之后，还包括：

检测所述换流器的阀片的电流大小；

当检测到所述换流器的阀片的电流为零时,所述阀模块模拟卡向所述阀控装置发送电流过零关断信号，所述阀控装置将接收到的电流过零关断信号发送到所述实际控制保护设备。

在本实施例中，为降低开关损耗防止功率器件过压损坏，保证零电流关断，需利用电流过零信号关断触发脉冲。

在一种可选的实施例中，所述将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡，还包括：

所述阀模块模拟卡对所述换流器的阀片的正向电压进行检测,当所述正向电压大于预设的第三保护阈值时,向所述阀控装置发送所述换流器的阀片对应的回检信号。

在本实施例中，向所述阀控装置发送所述换流器的阀片对应的回检信号，是为了说明所述换流器的阀片已处于待触发状态，可以进行触发工作；其中，所述第三保护阈值为70v。

在一种可选的实施例中，所述阀模块模拟卡采用基于fpga的阀模块模拟卡，通过fpga编程模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备。

在本实施例中，换流器中的一个阀组件对应一块阀模块模拟卡，所述阀模块模拟卡可根据实际情况进行编程以模拟阀控装置的vbe主机、tvm板和rpu板等；其中，直流工程中的阀控系统包括阀控装置、vbe主机、tvm板和rpu板。

在一种可选的实施例中，所述实时数字仿真器设有人机交互界面；通过所述人机交互界面对所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统中电路元件参数和元件类型进行修改，以改变所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统的工作状态，并通过所述人机交互界面对所述实时数字仿真器模拟的所述直流输电系统的电路进行电路故障设置，实现模拟所述直流输电系统的电路故障。

在本实施例中，当所述实时数字仿真器接收所述阀模块模拟卡的数据后，实时更新模拟的所述直流输电系统的工作状态，所述人机交换界面显示的数据也实时更新；当所述实时数字仿真器接收所述实际工程控制保护设备的数据后，实时更新模拟的所述直流输电系统的工作状态，所述人机交换界面显示的数据也实时更新；其中，所述电路故障包括：某个元件的接地短路故障、某个元件的过电压故障、某个元件的过电流故障等。

请参阅图2，其是本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试系统的结构示意图，所述基于fpga的阀控装置的仿真测试系统，包括：

用于模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备的阀模块模拟卡、用于模拟真实直流输电系统的实时数字仿真器、实际工程控制保护设备、阀控装置；所述实际工程控制保护设备与所述阀控装置通过光纤双向通讯，所述阀控装置与所述阀模块模拟卡通过光纤双向通讯，所述阀模块模拟卡与所述实时数字仿真器通过aurora协议双向通讯，所述实际工程控制保护设备与所述实时数字仿真器通过io接口双向通讯。

在本实施例中，所述实际工程控制保护设备包括换流器层控制主机(ccp)、极层控制主机(pcp)、站层控制主机(dcc)、换流器保护主机(cpr)和直流极层保护主机(ppr)。

所述实时数字仿真器模拟真实的直流输电系统包括：交流场、交流滤波器、换流器、隔离开关、断路器、直流滤波器、直流线路、阻波器、平波电抗器等。其中所述换流器进行阀片级的模拟，以12脉动换流器为例：12脉动换流器有12个阀，一个阀含有3个阀组件，一个阀组件由两个阀单元串联；其中13个阀片与两台阳极电抗器串联后，再与一只均压电容器并联构成一个阀单元。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种基于fpga的阀控装置的仿真测试方法的有益效果在于：所述基于fpga的阀控装置的仿真测试方法,包括:实时数字仿真器模拟直流输电系统的工作状态,并生成与所述工作状态对应的运行信息；实际工程控制保护设备根据接收到的所述运行信息，生成第一控制参数和第二控制参数；所述实时数字仿真器根据接收到的所述第一控制参数，对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新；所述实时数字仿真器生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的检测电流电压，并将所述检测电流电压发送给阀模块模拟卡；所述阀模块模拟卡根据接收到的所述检测电流电压对模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片进行检测,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的电流电压信息；所述阀模块模拟卡对所述电流电压信息进行判断，获得所述电流电压信息的判断结果，根据所述判断结果对所述换流器的阀片的状态进行处理；所述实际工程控制保护设备生成模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发控制信号,并将所述触发控制信号发送给阀控装置；所述阀控装置根据接收到的触发控制信号进行转换,获得模拟的所述直流输电系统中换流器的阀片的触发脉冲信号,并将所述触发脉冲信号发送给所述阀模块模拟卡；所述实时数字仿真器根据所述换流器的阀片的状态处理结果以及接收到的所述触发脉冲信号和所述第二控制参数,对模拟的所述直流输电系统的工作状态进行更新。该方法通过在已有的直流控制保护平台技术上,使用阀模块模拟卡模拟除阀控装置之外的阀控系统中的设备，其中阀模块模拟卡主要是通过对所述换流器的阀片进行阀片级模拟，从而实现对阀控装置进行深入、全面的完整测试，提高阀控装置的仿真测试能力和水平。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。