基于fpga的有源电力滤波器控制系统及其切换方法
【专利摘要】一种基于FPGA的有源电力滤波器控制系统和控制方法，该系统包括n个功率模块、两个中央控制模块和一个显示模块；所述中央控制模块的信号输出端分别连接各个功率模块的信号输入端，显示模块和中央控制模块之间交互连接，两个中央控制模块之间交互连接。本发明通过设置两个中央控制器，并使得两个中央控制器之间交互信息，保证任意一个中央控制器出现故障时，另一个能无障碍的继续对各个功率模块进行控制，提高了系统稳定性、可靠性。
【专利说明】
基于FPGA的有源电力滤波器控制系统及其切换方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于FPGA的有源电力滤波器控制系统及其切换方法。
【背景技术】
[0002] 有源电力滤波器(APF)是作为一种能动态抑制谐波电流的电力电子装置而广泛关 注，APF的补偿性能优劣与其所采用的控制方式有关。
[0003] 现有的控制方式只有一个中央控制模块，由于使用频繁，因此在工作的过程中容 易发生故障，而一但中央控制模块发生故障，整个系统只能停运检修。
[0004] 此外，现有系统中，中央控制模块没有中央控制器，在这种系统中，每个功率单元 都是需要外接互感器，增加了电气接线设计的复杂性和走线工艺；同时，功率单元自身采集 负载电流，对每个模块的电流的分配做不到实时监测和动态分配。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是现有的系统容易故障，且故障后智能停运检修，影响 生产，且系统对每个模块的电流的分配做不到实时监测和动态分配。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA的有源电力滤波 器控制系统，包括n个功率模块、两个中央控制模块和一个显示模块;所述中央控制模块的 信号输出端分别连接各个功率模块的信号输入端，显示模块和中央控制模块之间交互连 接，两个中央控制模块之间交互连接。
[0008] 设置两个中央控制模块，任意一个模块出现问题，另一台由于同时备份，因此，可 以实现无影响的替补，使得维修人员在维修故障中央控制模块的同时，整个系统还能继续 运转;此外，系统中每个部分(显示单元、主模块、功率模块)之间实现高速实时通讯，保证了 设备的运行和状态切换的及时性、实时性和设备工作的可靠性。
[0009] 进一步，所述中央控制模块包括信号采集板和基于FPGA的中央控制器;信号采集 板采样各个功率模块的三相电网电压、三相负载电流、三相APF输出电流，并将采样信息实 时传送中央控制器;所述中央控制器包括数据采集单元、采样处理单元、主主通信单元、中 央控制器切换逻辑控制单元、显示数据收集和处理单元、保护单元和通信单元;信号采集板 的信号输出端连接数据采集单元的信号输入端;数据采集单元的信号输出端连接采样处理 单元的信号输入端;采样处理单元的信号输出端分两路分别连接显示数据收集和处理单元 的信号输入端和保护单元的信号输入端;显示数据收集和处理单元的信号输出端和保护单 元的信号输出端均连接通信单元的输入端;主主通信单元用于两个中央控制模块之间交互 连接，其信号输出端将另一中央控制模块的信息传输给中央控制器切换逻辑控制单元，中 央控制器切换逻辑控制单元的输出端分两路，一路发送反馈信号给主主通信单元，另一路 连接通信单元。系统中，所有功率模块通过光纤连接至主控模块和备用模块，除了三相大 电，功率单元再没有其他物理输入，整个设备仅用一组互感器就可以实现多个电力有源滤 波器模块的并联运行，解决了传统有源滤波器多台并联运行时受限于互感器带载能力的问 题，如此，功率单元的输出电流，功率模块间的信息交互等都是由主控模块或者备用模块负 责下发的，比如根据总负载电流，动态分配各功率模块的输出电流，根据各功率单元的状态 (故障或者停机等)动态分配其他功率模块的承载电流等，实现统一管理;避免了传统方法 中使用的大量的外接互感器，降低了电气接线设计的复杂性和走线工艺，节约了成本。
[0010] 为了保证两个中央控制器切换的平稳，一种基于FPGA的有源电力滤波器控制方 法，包括以下步骤:步骤1:系统上电，中央控制模块进入故障判断模式，所述故障判断模式 包括自身故障判断以及激活判断；所述激活判断是指当检测到另一中央控制模块无故障 时，向另一中央控制模块发送激活命令；自身故障判断是指当检测到自身有故障，跳转步骤 6，当检测到自身无故障时，跳转下一步;步骤2:根据显示模块接收到的中央控制模块的信 道号码，判断该无故障的中央控制模块为主控模块还是备用模块，判断为主控模块时，跳转 下一步;步骤3:判断与主控模块连接的功率模块是否存在，如存在，跳转下一步，如不存在， 主控模块不激活;步骤4:判断该激活的主控模块是否接收到备用模块发送的激活命令，如 接收到激活命令，激活主控模块，如没有接收到激活命令，继续判断，在当前模块为主控模 块，且主控模块和备用模块均在线但不激活时，主控模块激活自身;步骤5:不断检测激活的 主控模块是否正常，如果一直正常，则一直维持激活态，系统运行下去;如果不正常，跳转步 骤6;步骤6:备用模块检测到主控模块非正常，停止向主控模块发送激活命令，主控模块停 止激活;如主控模块检测到备用模块正常，持续向备用模块发送激活命令，备用模块激活； 如主控模块检测到备用模块非正常，跳转下一步;步骤7:中央控制模块向显示模块输出系 统故障信息，并循环检测故障是否恢复。
[0011] 进一步，步骤1中，自身故障判断是指中央控制模块根据检测到的电信量数值、通 信接受到的反馈信号来判断其是否工作正常;激活判断是指中央控制模块之间发送状态寄 存器，状态寄存器中包含彼此的状态信息，一中央控制模块接收到另一中央控制模块发送 的状态信息，并判断另一中央控制模块是否工作正常。通过两种故障判断的方式，使得在任 何一个中央控制模块不工作的时候，也能起到监控作用，保证故障时切换的及时，也保证了 系统工作的稳定持续性。
[0012] 进一步，步骤3中，判断与主控模块连接的功率模块是否存在的方法是:主控模块 自身具备一对以上的通信信道，一对通信信道对应连接一台功率模块，主控模块根据接收 到的功率模块上传的状态寄存器来判断该功率模块是否正常，以及对应的通信信道是否完 整;如果有状态寄存器上传，则判断该信道对应的功率模块存在;如果无状态寄存器上传， 则判断该信道对应的功率模块不存在。
[0013] 本发明的优点是:通过设置两个中央控制器，并使得两个中央控制器之间交互信 息，保证任意一个中央控制器出现故障时，另一个能无障碍的继续对各个功率模块进行控 制，提尚了系统稳定性、可靠性。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明系统的结构框图。
[0015] 图2是本发明中央控制模块的结构框图。
[0016] 图3是本发明控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1-2所示，本发明包括16个功率模块、两个中央控制模块和一个显示模块;所 述中央控制模块的信号输出端分别连接各个功率模块的信号输入端，显示模块和中央控制 模块之间交互连接，两个中央控制模块之间交互连接。所述中央控制模块包括信号采集板 和基于FPGA的中央控制器;信号采集板采样各个功率模块的三相电网电压、三相负载电流、 三相APF输出电流，并将采样信息实时传送中央控制器;所述中央控制器包括数据采集单 元、采样处理单元、主主通信单元、中央控制器切换逻辑控制单元、显示数据收集和处理单 元、保护单元和通信单元;信号采集板的信号输出端连接数据采集单元的信号输入端;数据 采集单元的信号输出端连接采样处理单元的信号输入端;采样处理单元的信号输出端分两 路分别连接显示数据收集和处理单元的信号输入端和保护单元的信号输入端;显示数据收 集和处理单元的信号输出端和保护单元的信号输出端均连接通信单元的输入端;主主通信 单元用于两个中央控制模块之间交互连接，其信号输出端将另一中央控制模块的信息传输 给中央控制器切换逻辑控制单元，中央控制器切换逻辑控制单元的输出端分两路，一路发 送反馈信号给主主通信单元，另一路连接通信单元。
[0018]如图3所示，首先明确一些状态寄存器存在与整个流程中，他们在主控模块、备用 模块、功率模块之间传送，是检测与逻辑切换时的依据； 显示单元信道光纤寄存器
主模块状态寄存器：
表中所谓"上层"--对主模块，显示单元是其上层;对功率模块主模块是其上 层;所谓"备用"一一是相互的，主控是主备的备用，主备是主控的备用;在一个时刻，主控或 者主备，任何一个，且只有一个处于激活状态，系统即可正常工作。
[0019]主模块光纤信道寄存器：
从模块状态寄存器：
本发明方法的切换逻辑描述如下： 上电后，主控模块或者备用模块先判断自身有无故障（故障包括:采样故障，供电故障 等），有故障进入故障处理模式(故障态工作模式:作为其中一个中央控制模块，会主动判断 另一块中央控制模块是否正常，如果其正常则主动发激活命令是另一块激活，如果不正常， 即两块中央控制模块均进入故障态，输出系统故障告警信息，提醒工作人员，一方面循环检 测故障是否恢复）； 中央控制模块判断自身无故障后，进入下一级判断，判断是否为主控模块，判断过程 是:根据与显示板连接的光纤通道号决定，光纤通道为1----主控模块;光纤通道号为〇---备用模块。
[0020]主控模块无故障后接着判断是否有功率模块存在，如果有，则进行下一步，如果没 有，则主控模块直接进入不激活状态； 如果有功率模块存在，下一步判断是否接收到外部激活命令，如果有备用模块发送的 激活命令，则无条件激活该主控模块； 若没有激活命令前来，接着判断是否为主控模块，且主空模块和备用模块均在线而不 激活(主控模块与备用模块之间互传主模块状态寄存器），则主控模块激活自身；如果没备 用模块，且备用模块不激活，通信板显示非多主或者是从机非多主（即显示单元只检测到一 台中央控制模块，或者功率模块只检测到一台中央控制模块，如此是为了保证两块中央控 制模块同时上电后，执行到这一步时，在主控模块和备用模块都满足激活条件时，优先激活 主控模块）;执行到此，主控模块或备用模块被激活了一块，然后进入无显循坏，不断检测激 活的中央控制模块是否正常，如果一直正常，则一直维持激活态，系统运行下去；如果不正 常，进入故障态，故障处理模式上面已描述。同时主控模块激活，备用模块处于非激活态时， 备用模块也不是不作为的，它在实时监测着主控模块的状态和等待着接受命令，如果过程 中，备用模块接收到主控模块发送过来的激活命令，进入正常激活判断流程;如果备用模块 主动监测到主控模块在线但是不激活（当通信故障或者其他故障，激活命令发送失败时）， 同样进入激活判断流程;或者更恶劣的情况，即备用模块判断出主控模块不在线，从机(功 率模块)非多主且通信(显示单元)非多主，进入激活判读流程。
[0021 ]主控模块从不激活到激活有两种途径，一是主动激活，当主控模块检测无故障，备 用模块存在且不激活后，自主进入激活模式;第二种途径是被动激活，主控模块接受到备用 模块发送过来的激活命令，同时检测到备用模块不激活，然后主控模块进入激活模式；同 样，备用模块进入激活模式也是这两种途径。如此的目的在于保证在同一时刻，只能有一个 中央控制模块处于激活状态。
[0022]同时主控模块与显示单元有且仅有一对收、发通信光纤进行连接，从显示单元角 度出发，显示单元有2对通信信道，其中一对信道令其代号为1，连接着主控模块，另一对信 道代号为〇，连接着备用模块，简称"上层光纤信道1"、"上层光纤信道〇"。
【主权项】
1. 一种基于FPGA的有源电力滤波器控制系统，其特征是:包括η个功率模块、两个中央 控制模块和一个显示模块； 所述显示模块与中央控制模块之间交互连接，两个中央控制模块各通过一个信道连接 显示模块，显示模块通过信道号区别不同的中央控制模块； 所述中央控制模块的信号输出端分别连接各个功率模块的信号输入端，中央控制模块 上设有与各个功率模块对应的信道接口，一个功率模块通过一个对应的信道接口连接中央 控制模块； 所述两个中央控制模块一个为主控模块，另一个为备用模块，主控模块和备用模块之 间交互连接。2. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA的有源电力滤波器控制系统，其特征是:所述中 央控制模块包括信号采集板和基于FPGA的中央控制器； 信号采集板采样各个功率模块的三相电网电压、三相负载电流、三相APF输出电流，并 将采样信息实时传送中央控制器； 所述中央控制器包括数据采集单元、采样处理单元、主主通信单元、中央控制器切换逻 辑控制单元、显示数据收集和处理单元、保护单元和通信单元； 信号采集板的信号输出端连接数据采集单元的信号输入端； 数据采集单元的信号输出端连接采样处理单元的信号输入端； 采样处理单元的信号输出端分两路分别连接显示数据收集和处理单元的信号输入端 和保护单元的信号输入端;显示数据收集和处理单元的信号输出端和保护单元的信号输出 端均连接通信单元的输入端； 主主通信单元用于两个中央控制模块之间交互连接，其信号输出端将另一中央控制模 块的信息传输给中央控制器切换逻辑控制单元，中央控制器切换逻辑控制单元的输出端分 两路，一路发送反馈信号给主主通信单元，另一路连接通信单元。3. -种基于FPGA的有源电力滤波器控制方法，其特征是包括以下步骤： 步骤1:系统上电，中央控制模块进入故障判断模式，所述故障判断模式包括自身故障 判断以及激活判断;所述激活判断是指当检测到另一中央控制模块无故障时，向另一中央 控制模块发送激活命令；自身故障判断是指当检测到自身有故障，跳转步骤6，当检测到自 身无故障时，跳转下一步； 步骤2:根据显示模块接收到的中央控制模块的信道号码，判断该无故障的中央控制模 块为主控模块还是备用模块，判断为主控模块时，跳转下一步； 步骤3:判断与主控模块连接的功率模块是否存在，如存在，跳转下一步，如不存在，主 控模块不激活； 步骤4:判断该激活的主控模块是否接收到备用模块发送的激活命令，如接收到激活命 令，激活主控模块，如没有接收到激活命令，继续判断，在当前模块为主控模块，且主控模块 和备用模块均在线但不激活时，主控模块激活自身； 步骤5:不断检测激活的主控模块是否正常，如果一直正常，则一直维持激活态，系统运 行下去;如果不正常，跳转步骤6; 步骤6:备用模块检测到主控模块非正常，停止向主控模块发送激活命令，主控模块停 止激活;如主控模块检测到备用模块正常，持续向备用模块发送激活命令，备用模块激活； 如主控模块检测到备用模块非正常，跳转下一步； 步骤7:中央控制模块向显示模块输出系统故障信息，并循环检测故障是否恢复。4. 根据权利要求3所述的一种基于FPGA的有源电力滤波器控制方法，其特征是：步骤1 中，自身故障判断是指中央控制模块根据检测到的电信量数值、通信接受到的反馈信号来 判断其是否工作正常； 激活判断是指中央控制模块之间发送状态寄存器，状态寄存器中包含彼此的状态信 息，一中央控制模块接收到另一中央控制模块发送的状态信息，并判断另一中央控制模块 是否工作正常。5. 根据权利要求3所述的一种基于FPGA的有源电力滤波器控制方法，其特征是：步骤3 中，判断与主控模块连接的功率模块是否存在的方法是:主控模块自身具备一对以上的通 信信道，一对通信信道对应连接一台功率模块，主控模块根据接收到的功率模块上传的状 态寄存器来判断该功率模块是否正常，以及对应的通信信道是否完整;如果有状态寄存器 上传，则判断该信道对应的功率模块存在;如果无状态寄存器上传，则判断该信道对应的功 率模块不存在。
【文档编号】G05B19/042GK106054752SQ201610667276
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610667276.4, CN 106054752 A, CN 106054752A, CN 201610667276, CN-A-106054752, CN106054752 A, CN106054752A, CN201610667276, CN201610667276.4
【发明人】张高玉, 张东, 仇志凌, 刘明, 芮国强, 卢燕
【申请人】南京亚派科技股份有限公司