专利名称：适用于超多节点mmc柔性直流试验平台的小型控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器。
背景技术：
为模拟千兆瓦级模块化多电平(Modular Multilevel Converter, MMC)拓扑柔性直流输电系统，设计了超多节点MMC拓扑柔性直流输电动模实验平台。实验平台的子模块数达2000多个，用于完成控制保护功能的小型控制器需要采集的数字量和模拟量数目繁多，进行逻辑运算量巨大，需要设计先进的小型控制器。柔性直流输电是基于全控型器件IGBT的第二代直流输电技术，可实现对有功功率和无功功率的独立控制，无需配置无功补偿装置。多电平台阶输出电压波形谐波下，波形质量好，因而无需额外配置滤波器。由于IGBT通过门极控制换相，对电网侧电压无要求，因此可以向无源网络供电。柔性直流输电动模实验平台，可在工程投运之前，对柔性直流输电系统的控制保护功能进行测试，对控制保护设备的性能进行测试。柔性直流输电动模实验平台的小型控制器需要完成对工程中全部控制保护设备的模拟。和常规直流输电系统相比，柔性直流输电系统控制周期短，对控制保护系统的实时性要求高，因此，实验平台小型控制器需要具备更高的处理速度。小型控制器除需完成柔性直流输电系统控制保护算法外，还需要对换流站内的模拟信号进行采样处理，对换流站内的断路器，刀闸进行控制，并接收断路器和刀闸的状态信息。此外，小型控制器需要在故障时对录波点电压电流波形进行录波。各个功能的时效性要求不同，需要设计不同的硬件构架。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，各机箱电源采用双冗余构架，提高了电源供电的稳定性，降低了故障率。为实现上述目的，本发明提供一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，其改进之处在于，所述控制器包括中央控制机箱、和分别与其进行数据交互的模拟量采集机箱、DIDO机箱和录波机箱；所述中央控制机箱与人机界面进行数据交互；所述人机界面设置有上位机。本发明提供的优选技术方案中，所述中央控制机箱，包括电源板1、电源板2、主控板、光纤接口板和以太网接口板；所述电源板I和所述电源板2为所述主控板、所述光纤接口板和所述以太网接口板供电；所述主控板分别与所述光纤接口板和所述以太网接口板进行数据交互；所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互；所述以太网接口板，与所述上位机进行数据交互。本发明提供的第二优选技术方案中，主控板包括通信DSP模块、控制DSP模块和FPGA模块；所述控制DSP模块分别与所述通信DSP模块和所述FPAG模块之间进行数据交互；通信DSP负责与人机交互界面中的上位机通信；控制DSP模块，用于控制保护逻辑运算；所述FPGA模块，所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互。本发明提供的第三优选技术方案中，所述通信DSP模块和所述控制DSP模块均采用型号为TMS320F28335芯片；所述FPGA模块采用型号为EP2C20A15F324C6N的芯片。本发明提供的第四优选技术方案中，所述模拟量采集机箱，包括电源板1、电源板2、模拟信号调理板和通信板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟信号调理板和所述通信板供电；所述通信板将模拟信号调理板转换后的数字信号通过光纤发送到中央控制机箱。本发明提供的第五优选技术方案中，所述DIDO机箱，包括电源板1、电源板2、数字量输入板、数字量输出板和通信板；电源板I和电源板2为所述数字量输入板、所述数字量输出板和所述通信板；所述通信板分别与所述数字量输入板和所述数字量输出板进行数据交互，并通过光纤与所述中央控制机箱进行通信。本发明提供的第六优选技术方案中，所述数字量输入板，用于检测外部无源空节点的开闭状态，并将该状态信号转换为TTL电平，通过背板传送给通信板。本发明提供的第七优选技术方案中，所述数字量输出板，将通信板输出的TTL电平信号转换为电气结点信号。本发明提供的第八优选技术方案中，所述录波机箱，包括电源板1、电源板2、模拟量接口板和录波板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟量接口板和所述录波板供电；所述录波板接收所述模拟量接口板的数据，并与所述中央控制机箱进行通信。本发明提供的第九优选技术方案中，所述模拟量接口板，用于将差分电流信号转换为幅值在±5V之间的电压信号，再进行模数转换。本发明提供的第十优选技术方案中，录波板，包括DSP单元和与其通信的FPGA单
J Li o本发明提供的较优选技术方案中，所述DSP单元采用型号为TMS320F28335的芯片；FPGA单元采用型号为EP2C20A15F324C6N的芯片。与现有技术比，本发明提供的一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，中央处理机箱采用先进的双DSP+FPGA构架，将实时性要求不同的功能放在不同的控制器中，根本上避免了各功能软件之间的冲突和干扰；各机箱电源采用双冗余构架，提高了电源供电的稳定性，降低了故障率；而且，所提出的小型控制器硬件架构合理，功能划分清晰；再者，小型控制器的中央处理机箱与其它机箱之间均通过光纤通信，提高了通信的可靠性。
图1为适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器的结构示意图。图2为中央控制机箱结构图。图3为模拟量采集机箱结构图。图4为DIDO机箱结构图。图5为录波机箱结构图。
具体实施例方式如图1所示，提出的控制器根据功能划分为几个独立的机箱中央控制机箱、模拟量采集机箱、DIDO机箱、录波机箱。中央处理机箱采用先进的双DSP+FPGA构架，负责采集量汇总、控制保护逻辑运算、光纤通信控制，并通过高速以太网实现与人机交换界面的通信。模拟量采集机箱采用高精度采集电路，实现超多节点采集量的采集、调理与汇总，上传至中央处理机箱。DIDO机箱实现超多数字量节点信号的采集与控制。录波机箱采用先进录波机制实现中央处理机箱巨大信息量的快速存储，以及存储信息经中央处理机箱控制后由人机交换界面显示。如图1所示，一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，包括中央控制机箱、和分别与其进行数据交互的模拟量采集机箱、DIDO机箱和录波机箱；所述中央控制机箱与人机界面进行数据交互；所述人机界面设置有上位机。如图2所示，所述中央控制机箱，包括电源板1、电源板2、主控板、光纤接口板和以太网接口板；所述电源板I和所述电源板2为所述主控板、所述光纤接口板和所述以太网接口板供电；所述主控板分别与所述光纤接口板和所述以太网接口板进行数据交互；所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互；所述以太网接口板，与所述上位机进行数据交互。主控板包括通信DSP模块、控制DSP模块和FPGA模块。通信DSP模块和控制DSP模块均采用TI公司的TMS320F28335芯片，FPGA模块采用Altera公司的EP2C20A15F324C6N芯片；控制DSP模块分别与通信DSP模块和FPAG模块之间进行数据交互，通信DSP模块与FPAG模块之间不进行数据交互；通信DSP负责与人机交互界面中的上位机通信；控制DSP模块，用于控制保护逻辑运算；所述FPGA模块，所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互。如图3所示，所述模拟量采集机箱，包括电源板1、电源板2、模拟信号调理板和通信板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟信号调理板和所述通信板供电；所述通信板将模拟信号调理板转换后的数字信号通过光纤发送到中央控制机箱。如图4所示，所述DIDO机箱，包括电源板1、电源板2、数字量输入板、数字量输出板和通信板；电源板I和电源板2为所述数字量输入板、所述数字量输出板和所述通信板；所述通信板分别与所述数字量输入板和所述数字量输出板进行数据交互，并通过光纤与所述中央控制机箱进行通信。所述数字量输入板，用于检测外部无源空节点的开闭状态，并将该状态信号转换为TTL电平，通过背板传送给通信板。所述数字量输出板，将通信板输出的TTL电平信号转换为电气结点信号。如图5所示，所述录波机箱，包括电源板1、电源板2、模拟量接口板和录波板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟量接口板和所述录波板供电；所述录波板接收所述模拟量接口板的数据，并与所述中央控制机箱进行通信。所述模拟量接口板，用于将差分电流信号转换为幅值在± 5V之间的电压信号，再进行模数转换。录波板，包括DSP单元和与其通信的FPGA单元；DSP单元采用TI公司的TMS320F28335 芯片，FPGA 单元采用 Altera 公司的 EP2C20A15F324C6N 芯片。通过以下实施例对适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器作进一步解释。本发明提出的MMC拓扑柔性直流输电动模平台小型控制器根据功能划分为几个独立的机箱中央控制机箱、模拟量采集机箱、DIDO机箱、录波机箱。其结构如附图1所示。中央控制机箱与小型控制器的其它机箱之间通过光纤通信，与人机交互界面上位机之间通过高速以太网实现。如图2所示，中央控制机箱采用先进的双DSP+FPGA构架，负责采集量汇总、控制保护逻辑运算、光纤通信控制，并通过高速以太网实现与人机交换界面的通信。中央控制机箱由主控板，电源板，光纤接口板，以太网接口板构成。中央控制机箱的主控板上配有两个DSP和一个FPGA。两个DSP分别为通信DSP和控制DSP。通信DSP负责与人机交互界面中的上位机通信，控制DSP负责控制保护逻辑运算。主控板上FPGA负责与小型控制器中其它设备之间的通信信息处理。中央控制机箱的电源板负责机箱内各板卡的供电，将机箱输入电源转换为各板卡需要的电压等级。机箱输入电压为直流220V，各板卡需要的供电电源均为5V。电源板采用双冗余设计，在机箱两侧各有一块电源板，正常运行状态下，两块电源板并联运行，当有一块电源板处于故障状态时，该电源板上报故障信息，并停止工作，由另外一块电源板单独供电。可在不断电情况下，将故障电源板取下进行更换。中央控制机箱光纤接口板负责提供与小型控制器其它机箱之间的光纤通信接口，包括与模拟量采集机箱、DIDO机箱、录波机箱之间的接口。与每个机箱之间的接口包括收发两条光纤。以太网接口板提供与上位机之间的以太网接口。如图3所示，模拟量采集机箱将交直流场中电压电流传感器传回的差分电流信号进行信号调理，模数转换，最终通过光纤传送到中央控制机箱。模拟量采集机箱由电源板，模拟信号调理板，通信板构成。模拟量采集机箱的电源板负责机箱内各板卡的供电，机箱输入电压为直流220V，各板卡需要的供电电压有5V和±15V。电源板采用双冗余设计。模拟信号调理板负责将差分电流信号转换为幅值在±5V之间的电压信号,再进行模数转换。通信板将模拟信号调理板转换后的数字信号通过光纤发送到中央控制机箱。如图4所示，DIDO机箱负责换流站数字量的输入输出接口。数字输出量用于控制换流站内的断路器和刀闸等，数字量输入为换流站内各处断路器和刀闸的开关状态。DIDO机箱由电源板，数字量输入板，数字量输出板,通信板构成。DIDO机箱的电源板负责机箱内各板卡的供电，机箱输入电压为直流220V，各板卡需要的供电电压有5V和24V。电源板采用双冗余设计。DIDO机箱的数字量输入板可检测外部无源空节点的开闭状态，并将该状态信号转换为TTL电平，通过背板传送给通信板。DIDO机箱的数字量输出板将控制器输出的TTL电平信号转换为可控制断路器线圈的电气结点信号。
DIDO机箱的通信板实现与中央控制机箱之间的光纤通信。如图5所示，录波机箱采用先进录波机制实现中央控制机箱巨大信息量的快速存储，以及存储信息经中央控制机箱控制后由人机交换界面显示。录波机箱包括电源板，模拟量接口板和录波板。录波机箱的电源板负责机箱内各板卡的供电，机箱输入电压为直流220V，各板卡需要的供电电压有5V和±15V。电源板采用双冗余设计。模拟量接口板将差分电流信号转换为幅值在±5V之间的电压信号，再进行模数转换。录波板采用DSP+FPGA架构，负责信号录波和回放，以及与中央控制机箱间的通 目。需要声明的是，本发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或 改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
权利要求
1.一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，其特征在于，所述控制器包括中央控制机箱、和分别与其进行数据交互的模拟量采集机箱、DIDO机箱和录波机箱；所述中央控制机箱与人机界面进行数据交互；所述人机界面设置有上位机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央控制机箱，包括电源板1、电源板2、主控板、光纤接口板和以太网接口板；所述电源板I和所述电源板2为所述主控板、所述光纤接口板和所述以太网接口板供电；所述主控板分别与所述光纤接口板和所述以太网接口板进行数据交互；所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互；所述以太网接口板，与所述上位机进行数据交互。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，主控板包括通信DSP模块、控制DSP模块和FPGA模块；所述控制DSP模块分别与所述通信DSP模块和所述FPAG模块之间进行数据交互；通信DSP负责与人机交互界面中的上位机通信；控制DSP模块，用于控制保护逻辑运算；所述FPGA模块，所述光纤接口板分别与所述模拟量采集机箱、所述DIDO机箱和所述录波机箱进行数据交互。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述通信DSP模块和所述控制DSP模块均采用型号为TMS320F28335芯片；所述FPGA模块采用型号为EP2C20A15F324C6N的芯片。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟量采集机箱，包括电源板1、电源板2、模拟信号调理板和通信板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟信号调理板和所述通信板供电；所述通信板将模拟信号调理板转换后的数字信号通过光纤发送到中央控制机箱。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DIDO机箱，包括电源板1、电源板2、数字量输入板、数字量输出板和通信板；电源板I和电源板2为所述数字量输入板、所述数字量输出板和所述通信板；所述通信板分别与所述数字量输入板和所述数字量输出板进行数据交互，并通过光纤与所述中央控制机箱进行通信。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字量输入板，用于检测外部无源空节点的开闭状态，并将该状态信号转换为TTL电平，通过背板传送给通信板。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字量输出板，将通信板输出的TTL电平信号转换为电气结点信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述录波机箱，包括电源板1、电源板2、模拟量接口板和录波板；所述电源板I和所述电源板2为所述模拟量接口板和所述录波板供电；所述录波板接收所述模拟量接口板的数据，并与所述中央控制机箱进行通信。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模拟量接口板，用于将差分电流信号转换为幅值在±5V之间的电压信号，再进行模数转换。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，录波板，包括DSP单元和与其通信的FPGA单元。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述DSP单元采用型号为TMS320F28335的芯片；FPGA单元采用型号为EP2C20A15F324C6N的芯片。
全文摘要
本发明提供了一种适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，包括中央控制机箱、和分别与其进行数据交互的模拟量采集机箱、DIDO机箱和录波机箱；所述中央控制机箱与人机界面进行数据交互；所述人机界面设置有上位机。本发明提供的适用于超多节点MMC柔性直流试验平台的小型控制器，各机箱电源采用双冗余构架，提高了电源供电的稳定性，降低了故障率。
文档编号G05B19/042GK103064322SQ20121053329
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者贺之渊, 杨兵建, 杨岳峰, 谢敏华, 王韧秋 申请人:国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 辽宁省电力有限公司大连供电公司, 国家电网公司