本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置。
背景技术：
柔性直流输电系统仿真实验，使用和原型系统具有相同物理特性的软硬件模型配合数字仿真器进行仿真，通过模拟设备在真实环境下的表现，得出测试结论的方法。其主要方法主要是通过RTLab(实时数字仿真器)或其他类似电力电子仿真系统构成闭环测试系统进行仿真验证，搭建测试模型来模拟实际电力系统的各种运行工况及故障状态，测验阀基控制器在现场运行时对各种运行工况及发生的故障能否做出正确的反应。由于RTLab仿真器对于阀塔的单个功率单元仿真模型只设置了最基本的开关量信号和旁路功能，并没有针对各厂家自行研发的功率单元模块的不同型号传感器的实际特性进行优化，传统的仿真平台的阀基控制器一般忽略对单个功率单元某些特有故障响应的验证，另外，当需要模拟的系统规模很大的时候，模拟阀塔一般来说需要和要模拟的阀塔上和组成阀塔的相等数量的单元控制板和模拟单元板，由于板卡数量很多，仿真系统规模会变得很大。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所述问题，本实用新型提供一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，该平台使用以FPGA芯片为核心的模拟单元板卡，采用一块芯片同时进行仿真模拟和单元控制，省去了单独用于阀塔单元控制用的单元控制芯片，不受单元控制芯片数量限制，可灵活配置模拟单元的参数和拓扑结构，解决和弥补了传统仿真实验平台上对功率单元级故障响应及测试的不足。另外重新设计了模拟单元的高速数据接口和光纤接口数量，提高了模拟单元板的数据输入输出接口以及数据处理带宽的上限，使得一块模拟单元板可以模拟多个单元控制板和模拟实际单元，大大压缩了仿真实验中搭建模拟系统的板卡数量，使可模拟系统规模和板卡数量之间达到了很好的平衡。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，包括阀基控制器、单元模拟板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；多个单元模拟板和控制及接口板以总线卡槽形式安装在一个模拟机箱内，通过模拟机箱内的背板总线互相连接。
所述的阀基控制器通过普通光纤连接单元模拟板，所述的控制及接口板通过高速光纤连接实时数字仿真器和录波装置，同时还通过以太网连接上位机。
所述的单元模拟板数量为多个，每个单元模拟板均包括一个FPGA主控芯片和多个光纤通讯接口电路，FPGA主控芯片通过IO管脚与多个光纤通讯接口电路相连，多个光纤通讯接口电路连接多个光纤接口，多个单元模拟板通过多个光纤与阀基控制器连接，多个模拟单元板与实时数字仿真器共同搭建成用于柔性直流输电系统仿真实验的阀塔。
所述的录波装置为一个带有背板及电源的录波机箱，录波机箱中包括多个录波板和一个接口板，多个录波板和一个接口板均插入背板的总线卡槽内，通过录波机箱内的背板总线互相连接，录波装置通过接口板上的光纤接口与模拟机箱中的控制及接口板相连接，录波装置还通过以太网方式连接录波终端上位机。
所述的录波板包括的CPU采用SOC片上系统，SOC由互相连接的FPGA芯片和ARM9处理器组成，FPGA芯片的IO管脚直接与录波机箱的背板总线相连接。
所述的控制及接口板包括FPGA主芯片、光收发模块、以太网接口模块，FPGA主芯片通过IO管脚直接与模拟机箱内的背板总线连接，控制及接口板通过背板总线与多个单元模拟板相连接，通过以太网接口模块与上位机相连接，FPGA主芯片还通过光收发模块分别连接实时数字仿真器和录波装置。
所述的阀基控制器结构与电力系统实际工程中的阀基控制器等比例一致，用于模拟实际的阀基控制器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，以FPGA芯片为核心的模拟单元板卡，采用一块芯片同时进行仿真模拟和单元控制，省去了单独用于阀塔单元控制用的单元控制芯片，不受单元控制芯片数量限制，可灵活配置模拟单元的参数和拓扑结构，解决和弥补了传统仿真实验平台上对功率单元级故障响应及测试的不足。
2、本实用新型的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，重新设计了模拟单元的高速数据接口和光纤接口数量，提高了模拟单元板的数据输入输出接口以及数据处理带宽的上限，使得一块模拟单元板可以模拟多个单元控制板和模拟实际单元，大大压缩了仿真实验中搭建模拟系统的板卡数量，使可模拟系统规模和板卡数量之间达到了很好的平衡。
3、本实用新型的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置是一种电力电子仿真系统，在本设计中，模拟单元和单元控制板的故障状态和控制状态可以直接通过控制仿真接口板卡传输到录波卡中，并通过网络接口上传到上位机中进行存储，理论上可以记录系统运行过程中单元控制板和模拟单元板所有故障和运行状态。
附图说明
图1为本实用新型的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置整体架构图；
图2为本实用新型的一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置具体结构示意图；
图3为本实用新型的模拟机箱结构图；
图4为本实用新型的单元模拟板电路结构图；
图5为本实用新型的录波机箱结构图；
图6为本实用新型的控制及接口板电路结构示意图；
图7为本实用新型的实际搭建的一个仿真系统的系统拓扑结构实施例图；
图8为本实用新型实施例中的模拟的柔性直流输电系统模块化多电平拓扑结构结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1-2所示，一种基于FPGA芯片平台的柔性直流输电系统仿真实验装置，包括阀基控制器、单元模拟板、控制及接口板、录波装置、上位机和实时数字仿真器；
如图3所示，多个单元模拟板和控制及接口板以总线卡槽形式安装在一个模拟机箱内，通过模拟机箱内的背板总线互相连接；
所述的阀基控制器通过普通高速光纤连接单元模拟板，所述的控制及接口板通过高速光纤连接实时数字仿真器和录波装置，同时还通过以太网连接上位机。
所述的单元模拟板数量为多个，如图4所示，每个单元模拟板均包括一个FPGA主控芯片和多个光纤通讯接口电路，FPGA主控芯片通过IO管脚与多个光纤通讯接口电路相连，多个光纤通讯接口电路连接多个光纤接口，多个单元模拟板通过多个光纤与阀基控制器连接，多个模拟单元板与实时数字仿真器共同搭建成用于柔性直流输电系统仿真实验的阀塔。使用一块FPGA芯片采用软件编程的形式可以模拟n个的实际功率单元子模块的功能。模拟单元板可以模拟真实功率单元中单元控制模块和单元特性模块两部分的电子和机械特性，从而最大限度拟合实际系统中功率单元模块的实际表现，以及验证阀基控制器对实际系统中功率单元级故障的保护和故障响应。
如图5所示，所述的录波装置为一个带有背板及电源的录波机箱，录波机箱中包括多个录波板和一个接口板，多个录波板和一个接口板均插入背板的总线卡槽内，通过录波机箱内的背板总线互相连接，录波装置通过接口板上的光纤接口与模拟机箱中的控制及接口板相连接，录波装置还通过以太网方式连接录波终端上位机。录波系统及界面可以对系统中所有的单元和单元控制板逻辑进行记录，并存储于上位机中。
所述的录波板包括的CPU采用SOC片上系统，SOC由互相连接的FPGA芯片和ARM9处理器组成，FPGA芯片的IO管脚直接与录波机箱的背板总线相连接。
如图6所示，所述的控制及接口板包括FPGA主芯片、光收发模块、以太网接口模块，FPGA主芯片通过IO管脚直接与模拟机箱内的背板总线连接，控制及接口板通过背板总线与多个单元模拟板相连接，通过以太网接口模块与上位机相连接，FPGA主芯片还通过光收发模块分别连接实时数字仿真器和录波装置。图3中，控制及接口板包括控制及接口板1和控制及接口板2，其中控制及接口板1与多个单元模拟板通讯交互，同时还连接实时数字仿真器和上位机，控制及接口板2与录波装置进行通讯。一方面，控制与接口板卡可以和实时数字仿真器进行通信，汇总和传输多个单元仿真模块的上下行数据，另一方面可以通过以太网与上位机进行通信，模拟单元参数的设置，对模拟单元状态进行监视与实时触发。
所述的阀基控制器结构与电力系统实际工程中的阀基控制器等比例一致，用于模拟实际的阀基控制器。
如图7所示，为实际搭建一个仿真系统的系统拓扑结构实施例，按照该方案可以搭建出如图8所示拓扑结构的用于仿真实验的阀塔，其中，可以通过调节单元模拟板卡数量的方式，自由配置模拟的功率子模块SM的数量和拓扑结构，能够满足任意架构，任意数量数量子模块的实验方案。
所述的实时数字仿真器，可以采用RTDS或RTLab等，用于建立阀塔的数字模型。
单元模拟板内部的模拟单元模块中可模拟和设置的具体故障及参数由配置上位机实时发送，功率单元的运行状态以及在实时数字仿真器上建模的功率模块的电容的反馈电压也可传送到上位机界面上进行监视。
所述的单元模拟板卡FPGA芯片的单元模拟模块功能可触发的具体故障包括1)单元漏水告警反馈时间及故障设置；2)电容传感器压力超限告警；3)功率器件驱动型号可选，运行参数可配；4)旁路晶闸管故障设置5)取能电源型号可选，运行参数可配；6)取能电源上电时间参数可配；7)AD芯片型号可选，参数可配；8)反馈电压可设置标准差偏离度可调的随机的错误波动；9)模拟旁路接触器型号可选，参数可配；10)取能电源得电与失电的时序。
以下为各种功率单元故障模拟控制过程：
1)由上位机设置接触器参数，如主触点合闸时间，弹跳时间，辅助触点反馈响应时间，弹跳，辅助触点常开常闭特性，或因其他原因造成的误动或者拒动等进行设置，模拟单元可以按照实际中的旁路接触器的机械特性产生旁路接触器状态反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制模块旁路接触器状态反馈信号接口，以模拟不同型号旁路接触器的动作过程，以及模拟功率单元模块旁路接触器驱动异常时的情况。
2)根据上位机的设置，按照漏水告警检测驱动传感器的电子特性产生漏水传感器反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制模块漏水告警传感器状态反馈信号接口，以模拟功率单元模块漏水传感器异常时的情况。
3)根据上位机的设置，按照电容压力超限监测传感器的电子特性产生容压力超限反馈信号发送给LU_1至LU_24等单元控制模块的电容压力超限告警状态反馈信号输入接口，以模拟功率单元模块容压力超限异常时的情况。
4)由上位机设置取能电源的参数，如取能电源的启动电压，输出功率，故障停机后的持续供电时间，按照设置产生取能电源异常故障等特性，发送给单元控制模块取能电源异常反馈信号接口，以模拟功率单元模块取能电源异常时的情况。
5)根据上位机的设置，按照功率单元的取能电源得电与失电时序，来控制LU_1至LU_24等单元控制模块的得失电，以模拟功率单元板卡的取能电源得电，失电时的情况。
6)使用程序例化市面上大部分AD芯片型号的接口逻辑模块，使用者可根据配置上位机配置自由选择AD芯片的型号，FPGA根据实际单元控制板卡上AD芯片的接口时序产生AD转换芯片信号输出接口信号，以模拟LU_1至LU_24等功率单元模块的AD转换芯片的输出信号时序。
7)可对阀控系统输出由配置界面设置的距离反馈电容电压的标准差偏离度为0％～1200％的随机性错误电容电压，用于模拟实际工程中功率单元出现的直流侧过欠压情况后单元控制板是否能够准确检测出来并上报阀控系统等以及采样误差对控制带来的影响。
8)根据上位机的设置，按照旁路晶闸管的特性特征模拟实际系统中旁路晶闸管的表现，其中可通过上位机对晶闸管的开通延时时间进行设定，也可设置晶闸管的故障失效状态。
9)由单元模拟模块接收到LU_1至LU_24等单元控制模块的发送的单元上的功率器件的开关信号和旁路信号按照和数字仿真器接口板总线的数据传输协议发送数据，然后由RTDS接口模块按照RTlab数字模拟器所规定的通信协议传输给RTlab系统，供模拟阀塔仿真系统使用。
以上实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。