0 引言

　　隨著直流輸電技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，晶閘管換流閥得到了廣泛的應(yīng)用。在高壓直流輸電中，控制保護(hù)系統(tǒng)(Converter Control and Pprotection，CCP)、閥基電子設(shè)備(Valve Base Electronics，VBE)和門極驅(qū)動(dòng)單元(Gate Driver Unit，發(fā)射、分配、解析控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的觸發(fā)命令并GDU)三部分構(gòu)成晶閘管換流閥的二次觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，其在高壓直流輸電工程中主要完成以下功能：發(fā)送到晶閘管級(jí)；監(jiān)測保護(hù)晶閘管器件不受過高電壓的沖擊；在閥內(nèi)發(fā)生過流短路時(shí)能即時(shí)停止觸發(fā)；對(duì)整個(gè)換流閥進(jìn)行在線監(jiān)測，上報(bào)設(shè)備與器件運(yùn)行情況，并在出現(xiàn)故障時(shí)告警跳閘等。其穩(wěn)定可靠性對(duì)換流閥系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1，2]。

　　閥基電子設(shè)備主要由觸發(fā)回路和監(jiān)測回路組成，是換流閥觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備[1]。傳統(tǒng)閥基電子設(shè)備的核心控制一般是由微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器完成[3]，由于軟件執(zhí)行的非實(shí)時(shí)性，加上控制通道數(shù)量越來越多，一些應(yīng)用場合下VBE輸出的各路PWM脈沖之間出現(xiàn)不可控的相位延時(shí)差，甚至存在脈沖丟失的隱患[1]，系統(tǒng)的可靠性和同步性難以保證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，具有并行高速處理能力的可編程邏輯器件被廣泛地應(yīng)用到閥基電子設(shè)備中來[3，4]。

　　本文依托國家重大02專項(xiàng)，提出一種以FPGA為控制核心的閥基電子設(shè)備的研制方法，將傳統(tǒng)設(shè)備中處理器軟件完成的工作以硬件邏輯的形式實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種同步性好、可靠性高、擴(kuò)展能力強(qiáng)的新型閥基電子設(shè)備，提高了換流閥系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 換流閥觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　高壓大功率電壓源換流閥的子模塊比較多，采樣數(shù)據(jù)和觸發(fā)命令的實(shí)時(shí)性直接影響電壓源換流閥的控制性能，設(shè)計(jì)可靠高速的觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)非常重要。目前最常用的觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)方案是三級(jí)控制系統(tǒng)，包括控制保護(hù)系統(tǒng)、閥基電子設(shè)備和閥組驅(qū)動(dòng)陣列。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　控制保護(hù)系統(tǒng)是換流閥觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，處于最上層，主要由PC上位機(jī)和控制保護(hù)主機(jī)CCP構(gòu)成。上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面，記錄和顯示試驗(yàn)波形數(shù)據(jù)等功能；CCP完成整個(gè)系統(tǒng)的控制保護(hù)，主要工作包括一次電量的采集，控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測和保護(hù)，響應(yīng)上位機(jī)的控制命令，并將系統(tǒng)電量上傳至上位機(jī)等。

　　閥基電子設(shè)備VBE是換流閥觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，處于中間層，VBE系統(tǒng)承上啟下，接收上層CCP的控制要求，并通過光纖實(shí)時(shí)地下發(fā)觸發(fā)指令并監(jiān)控下層閥組門極驅(qū)動(dòng)單元GDU；同時(shí)也接收GDU側(cè)的狀態(tài)信息和直流電流電壓值，實(shí)時(shí)地進(jìn)行分析處理，必要時(shí)下發(fā)保護(hù)關(guān)斷指令，并將狀態(tài)信息和電流電壓值上報(bào)給CCP[5]。VBE的數(shù)量可以根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行配置，圖1系統(tǒng)所示每臺(tái)VBE裝置控制一相閥組，共需要3臺(tái)VBE裝置。

　　閥組門極驅(qū)動(dòng)單元GDU是與一次側(cè)晶閘管或IGBT直接相連的驅(qū)動(dòng)控制電路單元，負(fù)責(zé)接收VBE側(cè)的觸發(fā)指令，直接對(duì)晶閘管或IGBT執(zhí)行PWM開關(guān)控制；同時(shí)采集電流、電壓、溫度等模擬量，實(shí)時(shí)判斷過流、過壓、過溫等狀態(tài)信息，并匯總上報(bào)給VBE側(cè)。

2 閥基電子設(shè)備的原理與設(shè)計(jì)

　　2.1 閥基電子設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖1所示，一般情況三相換流閥對(duì)應(yīng)的VBE系統(tǒng)由3臺(tái)VBE裝置組成，每臺(tái)VBE可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相閥組上下橋臂多個(gè)晶閘管的獨(dú)立觸發(fā)監(jiān)控。VBE裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，每臺(tái)裝置由主控插件（FPGA）、光纖插件（OPT）、電源插件（POW）、總線背板（BUS）4種板卡構(gòu)成，裝置機(jī)箱尺寸大小為標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱，共11個(gè)卡槽。

　　FPGA主控插件是VBE的控制中心，它通過一對(duì)光纖與控制保護(hù)主機(jī)實(shí)現(xiàn)HDLC協(xié)議通信。一方面，主控插件接收CCP下行發(fā)出的對(duì)應(yīng)相的控制命令，通過FPGA完成命令解析，PWM生成和調(diào)制編碼等邏輯處理流程，最終輸出PWM命令；另一方面，F(xiàn)PGA主控插件匯總由OPT光纖插件通過背板總線上傳的閥組狀態(tài)信息，檢測過流過溫等報(bào)警信號(hào)，將這些狀態(tài)信息通過光纖上報(bào)給CCP，必要時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的中間層PWM保護(hù)動(dòng)作命令。

　　OPT光纖插件是VBE與閥組驅(qū)動(dòng)單元GDU的連接通道，每個(gè)OPT插件板配有4對(duì)收發(fā)光纖，可以控制4個(gè)GDU模塊，每臺(tái)VBE最多可以配置8塊插件，這樣最多可以控制32個(gè)GDU。OPT插件的主要工作是接收來自FPGA主控插件的PWM命令的差分電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)從光纖發(fā)出；同時(shí)接收GDU上送的狀態(tài)信息和告警信息光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為差分電信號(hào)送給FPGA主控插件。

　　POW電源插件是VBE裝置的供電板卡，每個(gè)VBE配置兩塊相同的POW電源插件，安放在裝置的兩端，形成雙電源冗余備份供電，以此來提高裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。POW插件可以將外部的220 V交直流電經(jīng)過開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定的24 V直流電源，作為OPT插件和FPGA插件的工作電源。

　　BUS總線背板是VBE裝置的內(nèi)部信號(hào)總線通道，主要是負(fù)責(zé)FPGA插件和OPT插件之間的星形總線通信，為保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，背板為無源設(shè)計(jì)，總線信號(hào)都換轉(zhuǎn)為差分形式在背板傳輸，目前最大總線帶寬能達(dá)到50 Mb/s。

　　2.2 FPGA主控插件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　FPGA主控插件板卡主要包括一塊FPGA芯片、一對(duì)光電轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)接口、差分驅(qū)動(dòng)電路、與背板相連的高速接插件以及電源模塊等。其中FPGA選用Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX25-FTG256芯片，包含25 K的Logic Cells、936 Kb的Block RAM和186個(gè)用戶管腳等資源[6]。板卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　2.2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

　　軟件功能主要由FPGA程序執(zhí)行完成，程序編寫采用Verilog HDL語言，片內(nèi)的主要邏輯模塊如圖3所示，包括HDLC協(xié)議收發(fā)模塊、PWM脈沖控制器、GDU狀態(tài)監(jiān)控模塊、FSK調(diào)制解調(diào)模塊、UART協(xié)議收發(fā)模塊、以太網(wǎng)MAC控制器以及時(shí)鐘復(fù)位模塊等。

　　HDLC協(xié)議收發(fā)器主要負(fù)責(zé)通過光口與上層CCP通信，通信協(xié)議采用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC協(xié)議，主要負(fù)責(zé)接收CCP下發(fā)的PWM控制命令報(bào)文，并實(shí)時(shí)解析獲取PWM的周期、占空比、死區(qū)時(shí)間、相位時(shí)延、開關(guān)使能等控制參數(shù)，同時(shí)匯總GDU監(jiān)控模塊上送的閥組狀態(tài)及告警信息，組成數(shù)據(jù)報(bào)文上傳給CCP。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)HDLC協(xié)議全雙工通信，數(shù)據(jù)報(bào)文透明傳輸，每幀數(shù)據(jù)均采用CRC校驗(yàn)，并且在與CCP通信故障的情況下能立刻產(chǎn)生PWM關(guān)斷使能，保證了VBE與CCP之間報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性[7]。

　　PWM脈沖控制器接收邏輯解析得出的PWM的周期、占空比、死區(qū)時(shí)間、相位時(shí)延、開關(guān)使能等控制參數(shù)，通過計(jì)算和時(shí)序邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的上下橋臂互斥的PWM脈沖波形。GDU狀態(tài)監(jiān)控模塊接收閥組中各路GDU上傳的狀態(tài)信息，主要包含光纖通斷狀態(tài)、工作模式、過流過溫等告警信息，并實(shí)時(shí)地反饋給PWM控制器作為保護(hù)邏輯判據(jù)，在中間層實(shí)現(xiàn)閥組過流過溫等情況下的快速保護(hù)功能。

　　傳統(tǒng)的VBE裝置一般都是將PWM脈沖直接以IO信號(hào)的方式通過光纖下發(fā)給閥組，以有光無光來表示PWM的打開和關(guān)閉，但當(dāng)光纖通道出現(xiàn)問題或光電轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障時(shí)，閥組側(cè)可能就會(huì)收到錯(cuò)誤的PWM命令，從而導(dǎo)致閥組上晶閘管誤動(dòng)作甚至器件燒毀；但如果以報(bào)文協(xié)議的形式下發(fā)PWM命令，由于解析報(bào)文需要多個(gè)時(shí)鐘周期，并且是異步時(shí)序邏輯，會(huì)給閥組上各晶閘管器件的PWM脈沖引入時(shí)延的不一致性，導(dǎo)致器件通斷不同步，也會(huì)導(dǎo)致閥組故障的產(chǎn)生。鑒于上述兩種命令下發(fā)方式的利弊，該VBE采用FSK頻率調(diào)制方式對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行編碼后發(fā)送，也可以配置FPGA程序[8]使VBE采用IO信號(hào)或UART協(xié)議報(bào)文兩種方式發(fā)送PWM命令，作為與FSK方式對(duì)比的實(shí)驗(yàn)方案。

　　FSK調(diào)制解調(diào)模塊主要是將PWM信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，利用載波的頻率變化來傳遞PWM的開關(guān)信息，這樣做的好處是可以區(qū)分PWM開通、正常關(guān)斷、故障關(guān)斷、無信號(hào)等多種控制命令，同樣接收不同頻率的載波也可以解析GDU正常運(yùn)行、過流、過溫、光纖通信異常等多種狀態(tài)信息。FSK方式相比IO信號(hào)靈活很多，相比UART報(bào)文方式實(shí)時(shí)性要好，只是在調(diào)制解調(diào)過程中會(huì)引入極小的固定可預(yù)知延時(shí)。本VBE中采用的FSK載波頻率與命令狀態(tài)關(guān)系映射見表1。

3 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　該VBE裝置用于10 kV電壓源型變換器（VSC）的逆變實(shí)驗(yàn)。圖4是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程的示波器波形截圖，其中通道1、2測量的是VBE與CCP之間通信的HDLC幀，通道3、4為GDU接收到VBE的FSK信號(hào)后解調(diào)產(chǎn)生的一對(duì)互斥的SPWM波形。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該VBE在CCP的管理下可以實(shí)現(xiàn)32路200 Hz～10 kHz的SPWM脈沖命令控制，占空比調(diào)節(jié)范圍在5%～95%，各路PWM信號(hào)之間的時(shí)延偏差能滿足應(yīng)用要求，具體測試結(jié)果為：IO方式傳輸時(shí)延偏差在10 ns以內(nèi)；FSK方式傳輸時(shí)延偏差在40 ns以內(nèi)；UART協(xié)議傳輸時(shí)延偏差在100 ns左右，前兩者都在器件時(shí)延容忍范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

　　該VBE裝置以FPGA芯片為控制核心，通過其高效的并行處理技術(shù)，將傳統(tǒng)裝置中軟件程序?qū)崿F(xiàn)的功能以電路邏輯硬件化實(shí)現(xiàn)，并采用FSK方式對(duì)PWM觸發(fā)脈沖進(jìn)行編碼發(fā)送，使得裝置對(duì)換流閥的監(jiān)控具有可靠性、可擴(kuò)展性和高精度的同步一致性，滿足了實(shí)際工程的應(yīng)用需求。

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