基于模型設(shè)計(jì)的柔性直流輸電閥控裝置軟件開發(fā)方法

胡雨龍，杜路路，紀(jì) 攀，何迎飛

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣州 510620；2.特變電工新疆新能源股份有限公司，西安 710075）

0 引言

柔性直流輸電具有輸送容量大、損耗小、送電距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)中國能源優(yōu)化的有效途徑。閥控系統(tǒng)是聯(lián)系上層控制保護(hù)系統(tǒng)與底層子模塊的中間樞紐，其可靠性對(duì)柔性直流輸電穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義[1-2]?；趥鹘y(tǒng)手寫代碼的開發(fā)流程一方面對(duì)開發(fā)人員代碼編制能力要求較高，另一方面由于人為因素而造成產(chǎn)品的可靠性低，調(diào)試周期長，開發(fā)成本高且不利于后續(xù)產(chǎn)品維護(hù)。基于模型的可視化軟件代碼生成方法，因易仿真驗(yàn)證、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用在汽車、軍工、軌道交通等行業(yè)的控制系統(tǒng)[3-5]。在電力領(lǐng)域已有學(xué)者在可視化編程直流控制保護(hù)方面進(jìn)行了研究[6-7]，但可視化編程在柔性直流輸電閥控裝置中尚無應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]在MATLAB/Simulink 自動(dòng)代碼生成環(huán)境下，采用圖形化編程的方式分別實(shí)現(xiàn)汽車電控單元和電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，但僅探討了代碼自動(dòng)生成的單個(gè)細(xì)節(jié)，未涉及整體控制策略和實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用。

本文以柔性直流輸電閥控裝置為研究對(duì)象，首先研究基于模型設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)流程及代碼生成原理，詳細(xì)闡述順控模型及環(huán)流抑制模型的設(shè)計(jì)過程，對(duì)所搭建模型進(jìn)行離線仿真調(diào)試驗(yàn)證，并將調(diào)試成功的模型一鍵生成代碼移植至閥控控制器。最后，通過工程現(xiàn)場試驗(yàn)測試換流閥充電解鎖啟動(dòng)運(yùn)行的工況，驗(yàn)證基于模型設(shè)計(jì)的閥控軟件開發(fā)方法的可行性。

1 基于模型設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)流程

基于模型設(shè)計(jì)的開發(fā)以模型為中心，模型構(gòu)建過程即為設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)進(jìn)行仿真以檢查設(shè)計(jì)合理性。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程中，通過自動(dòng)代碼生成可以將設(shè)計(jì)的算法模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C，C++，HDL 和PLC 代碼，不需要手工編寫算法代碼，節(jié)省時(shí)間，減少錯(cuò)誤，生成的代碼可針對(duì)芯片進(jìn)行優(yōu)化，直接布置到硬件設(shè)備中。

1.1 代碼自動(dòng)生成

MATLAB 中Simulink Coder 將模型生成代碼過程分為模型解析、代碼生成兩部分。

1）模型解析。

Simulink Coder 首先對(duì)搭建的控制軟件模型進(jìn)行編譯，生成.rtw 格式的模型描述文件，文件描述了所有模塊、輸入、輸出、參數(shù)、狀態(tài)等模型的全部配置和屬性信息。

2）代碼生成。

TLC（目標(biāo)語言編譯器）讀取.rtw 格式文件，并依據(jù)目標(biāo)文件.tlc 格式文件生成C 代碼。其原理如圖1 所示。

圖1 代碼生成原理

1.2 代碼移植及下載

完整的軟件工程包括應(yīng)用層代碼和底層驅(qū)動(dòng)代碼。一般模型生成代碼的部分為應(yīng)用層代碼，底層驅(qū)動(dòng)部分若用Simulink 搭建，既需要熟悉MCU（微控制單位）的內(nèi)部架構(gòu)，又需要掌握TLC代碼和目標(biāo)文件語法[10]，開發(fā)時(shí)間成本高，因此本閥控裝置軟件開發(fā)底層驅(qū)動(dòng)部分仍采用手寫代碼方式。

將底層硬件驅(qū)動(dòng)程序和自生成應(yīng)用層程序代碼整合，經(jīng)過代碼編譯器生成硬件支持的.out 格式可執(zhí)行文件，并將其下載至控制器中。

2 軟件設(shè)計(jì)

柔性直流輸電單端系統(tǒng)如圖2 所示。閥控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：接收CCP（換流器控制保護(hù)設(shè)備）傳送的命令，控制系統(tǒng)處于停機(jī)態(tài)、充電態(tài)、待解鎖態(tài)或運(yùn)行態(tài)；抑制橋臂電流二倍頻環(huán)流功能；故障保護(hù)功能。

圖2 柔性直流輸電單端系統(tǒng)

依據(jù)閥控裝置的功能需求，使用Simulink 工具箱和Stateflow 工具箱搭建設(shè)備的控制軟件模型，包括順序控制、環(huán)流抑制、模塊比對(duì)、故障保護(hù)、子模塊冗余控制、系統(tǒng)冗余切換等。

2.1 順序控制

為實(shí)現(xiàn)閥控裝置的順序控制功能，設(shè)計(jì)順序控制邏輯流程如圖3 所示。正常運(yùn)行模式下順序控制主要有上電初始化、停機(jī)態(tài)、充電態(tài)、待解鎖態(tài)、運(yùn)行態(tài)和故障態(tài)。

圖3 順序控制邏輯

利用Stateflow 搭建順序控制可視化模型如圖4 所示。

圖4 順序控制模型

停機(jī)態(tài)：若該狀態(tài)下檢測到跳閘類故障Fw不為0，則轉(zhuǎn)為故障態(tài)；若未檢測到跳閘類故障Fw，且CCP 下發(fā)的命令EnergizeMode（運(yùn)行/停運(yùn)狀態(tài)）由無效（0x5555）變?yōu)橛行В?xAAAA），則閥控系統(tǒng)進(jìn)入充電態(tài)。

充電態(tài)：充電狀態(tài)下若接收到CCP 下發(fā)的停運(yùn)命令（EnergizeMode=0x5555），進(jìn)入停機(jī)態(tài)；充電狀態(tài)下若檢測到故障Fw 不為0，則轉(zhuǎn)為故障態(tài)；正常充電狀態(tài)下根據(jù)CCP 下發(fā)充電模式命令字，執(zhí)行不同的不控充電、可控充電邏輯；充電完成判斷充電電壓滿足解鎖要求后，進(jìn)入待解鎖態(tài)。

進(jìn)入待解鎖態(tài)充電電壓的滿足條件如圖5 所示：全橋子模塊平均電壓與半橋模塊平均電壓差小于設(shè)定值；全局子模塊平均電壓大于模塊電壓給定值。

圖5 進(jìn)入待解鎖態(tài)充電電壓滿足條件

待解鎖態(tài)：待解鎖狀態(tài)下，檢測到跳閘類故障Fw 不為0，閥控系統(tǒng)進(jìn)入故障態(tài)；若接收到CCP下發(fā)的停運(yùn)命令（EnergizeMode=0x5555），進(jìn)入停機(jī)態(tài)；若此待解鎖態(tài)是由充電態(tài)轉(zhuǎn)入待解鎖態(tài)，則接收到CCP 的解鎖命令（DEBLOCK=0xAAAA），進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。

運(yùn)行態(tài)：運(yùn)行態(tài)下檢測到跳閘類故障Fw 不為0，閥控系統(tǒng)進(jìn)入故障態(tài)；若接收到CCP 下發(fā)的停運(yùn)命令（EnergizeMode=0x5555），進(jìn)入停機(jī)態(tài)；運(yùn)行狀態(tài)下若接收到CCP 下發(fā)閉鎖命令（DEBLOCK=0x5555），則進(jìn)入待解鎖態(tài)；正常運(yùn)行狀態(tài)下，CCP 下發(fā)解鎖命令（DEBLOCK=0xAAAA），閥控系統(tǒng)向模塊下發(fā)解鎖命令（PWM_ON）。

2.2 環(huán)流抑制

MMC（模塊化多電平換流器）處于四象限運(yùn)行時(shí)，橋臂電流含直流分量、工頻交流分量以及二倍頻環(huán)流分量。其中，二倍頻環(huán)流分量為諧波擾動(dòng)，在一定程度上增加了功率模塊的運(yùn)行損耗。采用如圖6 所示的dq 軸電流解耦矢量控制方案進(jìn)行環(huán)流抑制，通過abc/dq 坐標(biāo)變換模塊（Tabc/dq）得到橋臂電流二倍頻分量，通過PI（比例-積分）控制及dq 軸解耦控制產(chǎn)生環(huán)流抑制分量，疊加至CCP 下發(fā)的調(diào)制波中，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制。圖6 中，ipj，inj（j=a，b，c）為三相橋臂電流；idiiffj為MMC 三相內(nèi)部電流；i2fd，i2fq分別為內(nèi)部環(huán)流 的d 軸、q軸分量，i2fd_ref，i2fq_ref分別為環(huán)流d軸、q 軸分量的參考值；Mdiffd_ref，Mdiffq_ref分別為環(huán)流抑制參考電壓d 軸、q 軸分量；Mdiffj_ref（j=a，b，c）為三相環(huán)流抑制參考電壓；ω 為基波角頻率；L為連接電感；θcir為交流電壓二倍頻相位角。

圖6 環(huán)流抑制控制框圖

與環(huán)流抑制控制框圖相對(duì)應(yīng)的，環(huán)流抑制可視化模型主要由Tabc/dq（坐標(biāo)變換）模塊、PI 控制模塊、Tdq/abc（坐標(biāo)反變換）模塊三部分組成，如圖7 所示。

圖7 環(huán)流抑制總體模型

1）Tabc/dq 模塊如圖8 所示。該模塊主要功能為通過abc/dq 坐標(biāo)變換獲取橋臂電流二倍頻分量。

圖8 Tabc/dq 模塊模型

2）PI 控制模塊如圖9 所示。該模塊根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況計(jì)算環(huán)流抑制或環(huán)流注入給定值，給定值以斜坡方式輸入PI 控制器，經(jīng)計(jì)算得到dq 坐標(biāo)系下環(huán)流抑制分量。

圖9 PI 控制模塊模型

3）Tdq/abc 模塊如圖10 所示。該模塊主要功能為通過dq/abc 坐標(biāo)變換得到三相的環(huán)流抑制分量。

圖10 Tdq/abc 模塊模型

3 仿真測試與驗(yàn)證

將以上搭建的閥控軟件模型與CCP 模型、MMC 模型結(jié)合，對(duì)軟件功能進(jìn)行離線仿真，以驗(yàn)證順序控制、環(huán)流抑制等功能是否與設(shè)計(jì)需求一致。

系統(tǒng)充電及解鎖仿真試驗(yàn)波形如圖11 所示。

圖11 交流充電及解鎖仿真試驗(yàn)波形

1）交流斷路器分閘時(shí)，換流閥處于停機(jī)狀態(tài)（seqState=1）。

2）1 s 時(shí)交流斷路器合閘后，CCP 下發(fā)運(yùn)行命令，EnergizeMode 由0x5555 變?yōu)?xAAAA，換流閥進(jìn)入充電狀態(tài)（seqState=3），模塊開始充電。

3）經(jīng)不控充電和可控充電后，模塊電壓不斷上升，當(dāng)模塊電壓滿足解鎖條件（DetlaFlag&VolOkFlag=1），換流閥充電完成進(jìn)入待解鎖態(tài)（seqState=4）。

4）13.5 s 時(shí)CCP 下發(fā)解鎖命令，換流閥進(jìn)入運(yùn)行態(tài)（seqState=5），運(yùn)行時(shí)子模塊電容電壓被穩(wěn)定控制在2 100 V 左右。

啟動(dòng)過程各個(gè)階段狀態(tài)與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)順控邏輯一致，符合預(yù)期。

環(huán)流抑制仿真試驗(yàn)波形如圖12 所示。環(huán)流抑制投入過程中，橋臂環(huán)流得到很好抑制，基本為0，環(huán)流抑制退出后，系統(tǒng)有較大的橋臂環(huán)流。仿真結(jié)果驗(yàn)證了順序控制模型邏輯和環(huán)流抑制模型搭建的正確性，與設(shè)計(jì)需求一致。

圖12 環(huán)流抑制仿真試驗(yàn)波形

基于模型開發(fā)的調(diào)試及優(yōu)化過程如圖13 所示。運(yùn)用基于模型的軟件設(shè)計(jì)方法，可以在軟件仿真測試環(huán)節(jié)對(duì)各功能塊邏輯進(jìn)行調(diào)試，將軟件調(diào)試提前至仿真階段，修正大部分軟件問題。另外，模型化設(shè)計(jì)方法可清晰展示閥控系統(tǒng)邏輯關(guān)系、算法結(jié)構(gòu)和中間變量，提高軟件的可讀性和可控性，減少功能設(shè)計(jì)漏洞，有益于快速分析定位出軟件設(shè)計(jì)中存在的問題。經(jīng)過對(duì)模型邏輯進(jìn)行多輪修正及驗(yàn)證，一鍵生成代碼的功能基本與實(shí)際需求一致，大大縮短了開發(fā)周期與試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試周期。

圖13 基于模型開發(fā)的調(diào)試及優(yōu)化過程

4 代碼生成及移植

4.1 代碼生成及移植

主控板DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）代碼生成及移植如圖14 所示。經(jīng)仿真驗(yàn)證的模型自動(dòng)生成應(yīng)用層代碼后與主控板DSP 底層驅(qū)動(dòng)代碼結(jié)合，通過CCS（代碼調(diào)試器）編譯器編譯生成可執(zhí)行文件下載至閥控主控板DSP 中。底層驅(qū)動(dòng)代碼主要包括GPIO（通用輸入/輸出口）配置、SRIO（串行高速總線）配置、中斷配置、與主控板FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）之間PCIE（高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線）通信、E2ROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）讀寫操作等。應(yīng)用層程序通過底層PCIE 通信程序讀取主控板FPGA 發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯處理后通過PCIE 通信發(fā)送反饋的命令和數(shù)據(jù)至主控板FPGA。主控板FPGA 完成與CCP、橋臂控制板等之間通信。主控板FPGA 及閥控其他所有控制板FPGA 代碼均仍采用手寫代碼方式。

圖14 主控板DSP 代碼生成及移植

4.2 自生成代碼與手寫代碼執(zhí)行效率對(duì)比

分別測試閥控在整個(gè)啟動(dòng)過程中自生成代碼與手寫代碼的程序最大執(zhí)行時(shí)間，DSP 中斷周期為50 μs，測試結(jié)果見表1。

表1 自生成代碼與手寫代碼執(zhí)行效率對(duì)比

自生成代碼的最大程序執(zhí)行時(shí)間為17.23 μs，手寫代碼最大執(zhí)行時(shí)間為16.95 μs，DSP 負(fù)載率相差0.57%，測試結(jié)果表明自生成代碼可以保證較高的執(zhí)行效率。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程柳北換流站極1 低端換流閥現(xiàn)場進(jìn)行單端解鎖運(yùn)行及環(huán)流抑制投退，試驗(yàn)波形如圖15、圖16 所示。

圖15 交流充電及解鎖試驗(yàn)波形

圖16 環(huán)流抑制投退試驗(yàn)波形

基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的閥控系統(tǒng)在接受CCP下發(fā)的不同指令后，正確完成順序控制邏輯，分別使換流閥進(jìn)入停機(jī)、不控充電、可控充電、待解鎖、運(yùn)行等階段，模塊電壓不斷上升，逐漸穩(wěn)定在2 100 V。整個(gè)啟動(dòng)過程具有良好的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定性能，驗(yàn)證了順序控制模型及自生成代碼的有效性。

環(huán)流抑制現(xiàn)場波形與仿真結(jié)果一致。環(huán)流抑制投入時(shí)，橋臂電流相對(duì)平衡，橋臂環(huán)流諧波量基本為0；環(huán)流抑制退出后，橋臂之間有很大的二倍頻環(huán)流，橋臂電流有較大的諧波擾動(dòng)，增加了功率模塊的運(yùn)行損耗?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證了閥控環(huán)流抑制整體控制策略模型及自生成代碼的有效性。

6 結(jié)語

本文闡述了以模型開發(fā)為核心的可視化編程開發(fā)流程，以柔性直流輸電閥控裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)順控模型及環(huán)流抑制控制策略模型，現(xiàn)場測試結(jié)果表明運(yùn)用自生成代碼方法實(shí)現(xiàn)的功能與仿真結(jié)果相同，驗(yàn)證了基于模型設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)方法的正確性和有效性。本文研究成果如下：

1）軟件設(shè)計(jì)過程可視化，可調(diào)用MATLAB算法庫，簡化了開發(fā)過程，可操作性強(qiáng)。

2）模型搭建過程中可隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，經(jīng)過對(duì)模型邏輯進(jìn)行多輪修正及驗(yàn)證，一鍵生成代碼的功能基本與實(shí)際需求一致，大大減少在硬件試驗(yàn)平臺(tái)中的調(diào)試時(shí)間，提高了開發(fā)效率。

3）通過維護(hù)MATLAB 模型即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層代碼的維護(hù)，提高了軟件的可維護(hù)性，節(jié)省了人力物力。

4）本文僅針對(duì)閥控DSP 軟件的模型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究及應(yīng)用，后續(xù)可擴(kuò)展至FPGA 軟件模型設(shè)計(jì)研究，使閥控系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)可視化軟件設(shè)計(jì)。