一種基于FPGA的閥基電子設(shè)備的研制*

徐建松，俞拙非，侯　凱，駱　健，黃紹真

（南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211000）

一種基于FPGA的閥基電子設(shè)備的研制*

徐建松，俞拙非，侯凱，駱健，黃紹真

（南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211000）

閥基電子設(shè)備是換流閥系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要承擔(dān)對(duì)換流閥中各門級(jí)驅(qū)動(dòng)單元觸發(fā)和監(jiān)測(cè)的工作，是連接控制保護(hù)系統(tǒng)和換流閥的執(zhí)行設(shè)備，其穩(wěn)定可靠性對(duì)換流閥的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)中的閥基電子設(shè)備，該設(shè)備以FPGA為核心控制，雙電源冗余設(shè)計(jì)，對(duì)外通信接口均為光纖，并采用頻移鍵控方式對(duì)觸發(fā)命令進(jìn)行編碼。實(shí)驗(yàn)證明了該設(shè)備具有實(shí)用性、可靠性和可擴(kuò)展性，輸出的各路脈沖寬度調(diào)制波形具有高精度的同步一致性，有效地保證了換流閥的穩(wěn)定運(yùn)行。

閥基電子設(shè)備；FPGA；控制保護(hù)系統(tǒng)；換流閥；門級(jí)驅(qū)動(dòng)單元；頻移鍵控；脈沖寬度調(diào)制

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(cè)保護(hù)晶閘管器件不受過(guò)高電壓的沖擊；在閥內(nèi)發(fā)生過(guò)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(cè)，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(cè)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(lái)越多，一些應(yīng)用場(chǎng)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(lái)[3，4]。

本文依托國(guó)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。

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

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(cè)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(guò)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(kāi)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)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。

圖2　VBE裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖

FPGA主控插件是VBE的控制中心，它通過(guò)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(guò)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(guò)背板總線上傳的閥組狀態(tài)信息，檢測(cè)過(guò)流過(guò)溫等報(bào)警信號(hào)，將這些狀態(tài)信息通過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)開(kāi)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(wú)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。

2.2FPGA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。

圖3　FPGA主控插件硬件結(jié)構(gòu)圖

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(xiě)采用Verilog HDL語(yǔ)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)使能等控制參數(shù)，通過(guò)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(guò)流過(guò)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(guò)流過(guò)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(guò)光纖下發(fā)給閥組，以有光無(wú)光來(lái)表示PWM的打開(kāi)和關(guān)閉，但當(dāng)光纖通道出現(xiàn)問(wèn)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(lái)傳遞PWM的開(kāi)關(guān)信息，這樣做的好處是可以區(qū)分PWM開(kāi)通、正常關(guān)斷、故障關(guān)斷、無(wú)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(guò)流、過(guò)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(guò)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(jiàn)表1。

表1　FSK載波頻率與命令狀態(tài)關(guān)系映射表

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(guò)程的示波器波形截圖，其中通道1、2測(cè)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。

圖4　示波器采集通信信號(hào)波形

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(guò)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。

[1]周亮，湯廣福，郝長(zhǎng)城，等.換流閥閥基電子設(shè)備丟脈沖保護(hù)與控制的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011(7)：222-226.

[2]李宏.閥基電子設(shè)備的研究[J].科技成果管理與研究，2011(5)：63-65.

[3]鄭月賓，陳國(guó)聯(lián)，白云飛，等.一種冗余設(shè)計(jì)的直流輸電用閥基電子設(shè)備[J].電源學(xué)報(bào)，2012(9)：63-66.

[4]趙中原，邱毓昌，方志，等.現(xiàn)代 HVDC換流閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其技術(shù)動(dòng)向[J].高電壓技術(shù)，2001，27(6)：3-5.

[5]袁清云.HVDC換流閥及其觸發(fā)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[6]Xilinx.Spartan-6 family overview datasheet[Z].DS160.Xilinx， June 24，2009.

[7]徐建松，姚曉明，駱健，等.HDLC協(xié)議在閥基控制通信中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(6)：23-26.

[8]解婷，鄭健超，湯廣福.部分重配置技術(shù)用于智能電網(wǎng)換流閥控制系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2011，37(3)：700-705.

The development of VBE based on FPGA

Xu Jiansong，Yu Zhuofei，Hou Kai，Luo Jian，Huang Shaozhen
（NARI Group Corporation，Nanjing 211000，China）

Valve base electronic devices(VBE)is an important equipment in the converter valve system.It is mainly responsible for the triggering and monitoring of the gate driver unit(GDU)in the valve.It is the execution device between the control protection master and the converter valve.The stability and reliability play a vital role in the safe operation of the converter valve system. This paper designs a VBE used in the high-voltage direct current transmission system.This VBE uses FPGA as control core,with the redundancy design of double power supply.The VBE used optical fiber as external communication interface,and encoded the trigger command by frequency-shift keying.Experiments prove that this device is practical,reliable and scalable.Each pulse width modulation(PWM)waveform output form the VBE has a high precision synchronicity.It effectively guarantees the stable operation of the converter valve.

VBE；FPGA；control and protection system；converter valve；GDU；FSK；PWM

TM769

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.006

國(guó) 網(wǎng) 公 司 科 技 項(xiàng) 目 (GWKJ20140087,GWKJ20150026, GWKJ20150042)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140118)

2015-06-29)

徐建松（1982-），男，通信作者，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)通信、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、嵌入式技術(shù)與應(yīng)用，E-mail：xujiansong@sgepri.agcc.com.cn。

俞拙非（1963-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。

侯凱（1981-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)。

中文引用格式：徐建松，俞拙非，侯凱，等.一種基于FPGA的閥基電子設(shè)備的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：27-29，33.

英文引用格式：Xu Jiansong，Yu Zhuofei，Hou Kai，et al.The development of VBE based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：27-29，33.