基于串行光纤保护的svg分相控制装置及保护方法
阅读说明：本技术 基于串行光纤保护的svg分相控制装置及保护方法 (Based on the SVG individual-phase control device of serial fiber optic protection and guard method ) 是由 陈锐 余怀林 丁凯 汪赛力 莫尚林 张壹飞 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于串行光纤保护的SVG分相控制装置及保护方法,要解决的技术问题是及时有效对SVG进行保护。本发明的基于串行光纤保护的SVG分相控制装置,设有主控板和功率模块,主控板采用保护光纤经分相控制光纤板连接功率模块后,再至主控板。本发明的基于串行光纤保护的SVG分相保护方法：主控板循环发出保护信号,采用串行保护光纤传输,保护信号经分相控制光纤板传递至功率模块后,在设定的时间内返回到主控板,主控板判断分相控制光纤板和功率模块工作正常。本发明与现有技术相比,若某分相控制光纤板或功率模块出现故障,对功率模块进行闭锁保护,确保SVG装置不会受到损伤,避免故障扩大造成更大损失。(The invention discloses a kind of based on the SVG individual-phase control device of serial fiber optic protection and guard method, and technical problems to be solved are timely and effective to protect to SVG.SVG individual-phase control device based on serial fiber optic protection of the invention, is equipped with master control borad and power module, master control borad using protection optical fiber after individual-phase control fibre optic plate connects power module, then to master control borad.SVG split-phase guard method based on serial fiber optic protection of the invention: master control borad circulation issues protection signal; using serial protection optical fiber transmission; protect signal after individual-phase control fibre optic plate is transferred to power module; master control borad is returned within the set time, and master control borad judges that individual-phase control fibre optic plate and power module are working properly.Compared with prior art, the present invention carrying out latch-up protection to power module, it is ensured that SVG device is not damaged, and failure propagation is avoided to cause bigger loss if certain individual-phase control fibre optic plate or power module break down.)
技术领域
本发明涉及一种电力电子设备及保护方法，特别是一种高压静止无功发生器及保护方法。
背景技术
随着各种电力电子非线性负载接入电网，电网的电能质量急剧恶化，功率因数大大降低，为提高电能质量，使电网的功率因数维持在一个良好的数值范围内，引入了静止无功发生器SVG。现有技术的SVG级联功率模块较多，发生故障后，来不及对所有功率模块进行保护，导致级联的多个功率模块火烧连营式被损坏，造成较大损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于串行光纤保护的SVG分相控制装置及保护方法，要解决的技术问题是及时有效对SVG进行保护。
本发明采用以下技术方案：一种基于串行光纤保护的SVG分相控制装置，设有主控板和功率模块，所述主控板采用保护光纤经分相控制光纤板连接功率模块后，再至主控板。
本发明的分相控制光纤板为第1分相控制光纤板、第2分相控制光纤板、第3分相控制光纤板。
本发明的分相控制光纤板级联连接有相同数量的功率模块。
本发明的第1分相控制光纤板级联连接有第1功率模块、第2功率模块、…、第n功率模块；所述第2分相控制光纤板级联连接有第n+1功率模块、第n+2功率模块、…、第2n功率模块；所述第3分相控制光纤板级联连接有第2n+1功率模块、第2n+2功率模块、…、第3n功率模块；所述n在10KV电网电压为12，在35KV电网电压为42。
本发明的分相控制光纤板与其级联的功率模块之间分别通过并行光纤连接。
本发明的主控板发出保护功率模块的保护信号，依次经第1分相控制光纤板、第1功率模块顺序至第n功率模、第2n功率模块顺序至第n+1功率模块、第2分相控制光纤板、第3分相控制光纤板、第2n+1功率模块顺序至第3n功率模块，返回到主控板。
本发明的主控板连接总线板，总线板连接有触摸屏，所述主控板与触摸屏经RS485串行通信接口建立通信连接。
一种基于串行光纤保护的SVG分相保护方法，包括以下步骤：
一、采用串行保护光纤，建立主控板经分相控制光纤板连接功率模块后，再至主控板的通信连接；
二、主控板循环发出保护信号，采用串行保护光纤传输，保护信号经分相控制光纤板传递至功率模块后，在设定的时间内返回到主控板，主控板判断分相控制光纤板和功率模块工作正常。
本发明的方法分相控制光纤板为第1分相控制光纤板、第2分相控制光纤板、第3分相控制光纤板；
所述第1分相控制光纤板级联连接有第1功率模块、第2功率模块、…、第n功率模块；所述第2分相控制光纤板级联连接有第n+1功率模块、第n+2功率模块、…、第2n功率模块；所述第3分相控制光纤板级联连接有第2n+1功率模块、第2n+2功率模块、…、第3n功率模块；所述n在10KV电网电压为12，在35KV电网电压为42；
所述主控板发出保护功率模块信号，依次经第1分相控制光纤板、第1功率模块顺序至第n功率模块、第2n功率模块顺序至第n+1功率模块、第2分相控制光纤板、第3分相控制光纤板、第2n+1功率模块顺序至第3n功率模块，返回到主控板。
本发明的方法主控板无检测到返回的保护信号，主控板判断分相控制光纤板或功率模块发生故障，向功率模块发送闭锁脉冲信号。
本发明与现有技术相比，主控板发出的保护信号，采用保护光纤经分相控制光纤板、功率模块后，再至主控板，若某分相控制光纤板或功率模块出现故障，对功率模块进行闭锁保护，确保SVG装置不会受到损伤，避免故障扩大造成更大损失。
附图说明
图1是本发明基于串行光纤保护的SVG分相控制装置的结构示意图。
图2是本发明的保护保护方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于串行光纤保护的SVG分相控制装置(装置)，设有总线板1，总线板1连接有主控板2、采样板3、开入开出板4、电源板5和触摸屏12。主控板2与触摸屏12经RS485串行通信接口建立通信连接。主控板2经分相控制光纤板6连接有功率模块7。
主控板2与采样板3、主控板2与开入开出板4之间通过总线板1进行数据交互。
分相控制光纤板6为第1分相控制光纤板6-1、第2分相控制光纤板6-2、第3分相控制光纤板6-3。
主控板2与各个分相控制光纤板6之间分别采用两对串行光纤通信，一对光纤为高速光纤9构成高速通道，另一对光纤为低速光纤10构成低速通道。
各个分相控制光纤板6级联连接有相同数量的功率模块7。
第1分相控制光纤板6-1顺序级联连接有第1功率模块7-1、第2功率模块7-2、…、第n功率模块7-n。
在电网电压10KV电压等级下，n通常为12；在电网电压35KV电压等级下，n通常为42。
第2分相控制光纤板6-2顺序级联连接有第n+1功率模块7-(n+1)、第n+2功率模块7-(n+2)、…、第2n功率模块7-2n。
第3分相控制光纤板6-3顺序级联连接有第2n+1功率模块7-(2n+1)、第2n+2功率模块7-(2n+2)、…、第3n功率模块7-3n。
各分相控制光纤板6与其级联的各个功率模块7之间分别通过并行光纤11进行信息交互。
主控板2发出的保护功率模块7的保护信号采用保护光纤8传递，依次经第1分相控制光纤板6-1、第1功率模块7-1顺序至第n功率模块7-n，再经由第2n功率模块7-2n顺序至第n+1功率模块7-(n+1)、第2分相控制光纤板6-2，最后经第3分相控制光纤板6-3、第2n+1功率模块7-(2n+1)顺序至第3n功率模块7-3n后，返回到主控板2。
总线板1用于提供16位数据和8位地址总线，方便主控板2与采样板3、主控板2与开入开出板4进行数据交互。
主控板2按现有技术处理被采样电网的电压电流信号、开入开出信号，产生调制信号经高速光纤9、分相控制光纤板6下发至级联的功率模块7。调制信号为配置的采样周期、参考波幅值、调制波参考值、相电流方向、分相控制光纤板串口信号发送标志位。同时，主控板2经低速光纤10从分相光纤板6接收功率模块7状态信息。状态信息为功率模块实时直流电压、功率模块实时状态、左桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT温度、右桥臂IGBT温度、功率模块系统(软件)版本号。
主控板2按现有技术读取采样板3采集电网的电压电流采样信号，经滤波，派克变换DQ变换，得到电压电流的有功分量和无功分量，再计算出SVG的输出有功功率与无功功率值，通过高速光纤9下发到分相控制光纤板6。其中，电压电流的有功分量与无功分量分别作为主控板2计算电压电流环有功与无功PI控制器的反馈输入信号，同时根据恒电压、功率、电流、功率因素模式或自动无功补偿模式，给出相对应的电压、电流PI控制器的参考值，如当工作在恒电压控制模式时电压环的参考值根据电网的要求确定，最后经过电压电流PI控制器生成参考电压调制信号通过高速光纤9下发给分相控制光纤板6。PI控制器是一种现有技术的线性控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
主控板2接收到触摸屏12发出的打开功率模块7的打开指令，经高速光纤9下发到分相控制光纤板6，再经并行光纤11传输至功率模块7。打开指令为使得功率模块7进入热准备状态的指令，标记为0x0001。
采样板3采用美国亚德诺半导体技术有限公司AD7856数据采样芯片，每119us对接入电网的电压电流信号进行采样与模数转换后，作为主控板2数字信号处理DSP控制器中的电压和电流控制环的输入信号。
开入开出板4采用现有技术的开入开出板。负责装置外电网的开关量信息采集和继电器开出，如电网的断路器位置信号、合闸、分闸信号，通过总线板1传递给主控板2。
电源板5经总线板1为主控板2、采样板3、开入开出板4、分相控制光纤板6和触摸屏12提供电源。
功率模块7从电力系统高压母线上取电。电力系统为母线电压为10KV或35KV的电力系统
分相控制光纤板6从电源板5获取电能，也可以单独由其他电源供电。
分相控制光纤板6采用美国赛灵思Xilinx公司的XC6SLX150的控制器。
分相控制光纤板6一方面按现有技术经高速光纤9接收主控板2下发的电压调制信号，其中电压调制信号与分相控制光纤板的现场可编程门阵列FPGA生成的移相载波信号，比较后生成的脉冲宽度调制PWM信号，然后分相控制光纤板的FPGA对其连接(本分相控制光纤板)的n个功率模块电压的进行排序，根据实时电流的方向和功率单元脉冲轮换均压方法，把n组PWM信号通过TX并行通道11分发到各个功率模块7，实现功率模块相内电压均衡；同时，分相控制光纤板6通过并行通道11接收各功率模块的功率模块直流实时电压、功率模块实时状态、左桥臂IGBT温度、右桥臂IGBT温度、功率模块系统(软件)版本号信号。
分相控制光纤板6另一方面按现有技术经低速光纤通道10把接收到的功率模块实时状态经过“或”逻辑生成的功率模块故障信息和n个功率模块电压的平均值上传到主控板2。
分相控制光纤板6收到主控板2下发的打开功率模块的脉冲信号(标记为0x0555)，经过并行光纤11传递给功率模块7。分相控制光纤板6收到主控板2下发的一组保护信号(标记为0x1111)，经过保护光纤8逐个传递给功率模块7。
分相控制光纤板6下发到功率模块7的信号为：主控板2的AD采样中断的工作周期、脉冲宽度调制PWM信号、打开功率模块信号、关闭功率模块信号。AD采样为先把模拟量转化为数字量，然后再按设定采样频率采集信号，构成最后的采样信号。
功率模块7接收分相控制光纤板6下发的PWM信号，对功率模块输出端的电压进行调节：当脉冲信号为1时，功率模块输出端的电压为电容电压值；当脉冲信号为0时，功率模块输出端的电压为零；当脉冲信号为-1时，功率模块输出端的电压为电容电压负值。
功率模块7上传到分相控制光纤板6的信号为：功率模块实时直流电压、功率模块实时状态、左桥臂IGBT温度、右桥臂IGBT温度、功率模块系统(软件)版本号。
本发明的装置的工作过程为：
1.主控板2对采样板3传输来的电网电压电流采样信号，计算出电压与电流有功分量与无功分量，电压与电流的有功分量与无功分量分别作为电压与电流环的有功与无功PI控制器的反馈输入信号。
2.根据控制方式恒电压、功率、电流、功率因素模式和自动无功补偿模式，主控板2通过对比采样板3采样到的电网电压电流得到电压电流PI控制器的目标参考值，目标参考值经过电压电流PI控制器后生成目标参考电压调制信号。
3.装置的主控板2判断分相控制光纤板6和功率模块7无故障。
4.电压调制信号经过分相控制光纤板6调制生成PWM脉冲信号，发送给功率模块7。
5.功率模块7接收到的PWM脉冲信号解调转换成实际的目标电压值，当SVG给电网输送容性无功功率时，电网电压值会变大。当SVG给电网输送感性无功功率时，电网电压值会变小。SVG会通过判断电网电压和目标电压来判断输送容性无功或者感性无功。
6.装置给电网输出有功功率与无功功率值，实现SVG装置对电网恒电压、功率、电流、功率因素、自动无功补偿的控制。
本发明的基于串行光纤保护的SVG分相保护方法，包括以下步骤：
一、操作人员在触摸屏12上向主控板2输出保护使能信号。
保护使能信号为操作人员在触摸屏12上设置的控制保护信号输出的允许信号，触摸屏12向主控板2输出保护使能信号，才可以启用本发明的保护方法，触摸屏12无输出保护使能信号，本发明的保护方法被屏蔽。
二、主控板2输出保护信号，采用保护光纤8传递，依次经第1分相控制光纤板6-1、第1功率模块7-1顺序至第n功率模块7-n，再经由第2n功率模块7-2n顺序至第n+1功率模块7-(n+1)、第2分相控制光纤板6-2，最后经第3分相控制光纤板6-3、第2n+1功率模块7-(2n+1)顺序至第3n功率模块7-3n后，在设定的时间内，返回到主控板2，主控板2判断分相控制光纤板和各功率模块无故障。
本实施例中，保护信号为一组保护信号的数值(数值)，如0x1111，设定时间为每5us发出一次数值。
主控板2判断各功率模块无故障，主控板2输出打开功率模块的脉冲信号，经高速光纤9下发到分相控制光纤板6，再经并行光纤11传输至功率模块7。本实施例中，脉冲信号为一组标志为0x1101的字符。
打开指令为控制功率模块7进入热准备状态的脉冲信号，由操作人员在触摸屏12上操作发出，经主控板2、分相控制光纤板6至功率模块7。当功率模块7接收到打开指令后，功率模块7处于热准备状态中。
在功率模块7处于热准备状态基础上，功率模块7收到主控板2下发的脉冲宽度调制PWM信号，功率模块7依据接收到的PWM脉冲信号进入工作状态，作为级联功率模块的输出电压，功率模块进入运行工作模式。热准备状态为功率模块7已上电，可接受分相控制光纤板6通过光纤11下发的信号。
主控板2通过高速光纤9将PWM信号下发给分相控制板6，分相控制板6通过光纤11将PWM信号下发给功率模块7，使功率模块7进入工作状态。
功率模块7收到分相控制光纤板6下发的PWM信号后，转换功率模块打开信号标志位，经并行光纤11将功率模块打开信号标志位上传给分相控制光纤板6，分相控制光纤板6经低速光纤10再上传给主控板2。
主控板2确定所有功率模块7均被打开后，经保护光纤8再下发一组串行光纤保护信号，依次经第1分相控制光纤板6-1、第1功率模块7-1顺序至第n功率模块7-n，再经由第2n功率模块7-2n顺序至第n+1功率模块7-(n+1)、第2分相控制光纤板6-2，最后经第3分相控制光纤板6-3、第2n+1功率模块7-(2n+1)顺序至第3n功率模块7-3n后，返回到主控板2。
从主控板2发出保护信号的数值到接收到该数值时间在设定时间以内，主控板2判断分相控制光纤板和所有功率模块均工作正常。继续循环经保护光纤8发出保护信号的数值，本实施例中，设定时间为每5us发出一次数值。
若主控板2、分相控制光纤板6和功率模块7中的任一板件发生故障，则从发出数值后至设定时间，主控板2无法检测到返回的数值，则主控板2判断在分相控制光纤板、功率模块中存在某一块或几块板件发生故障，装置无法继续正常工作，立刻向功率模块7发送闭锁脉冲信号，闭锁功率模块，对功率模块7进行保护，及时有效对SVG进行保护，避免装置遭受较大损失。
功率模块打开即功率模块接收到分相控制光纤板6下发的打开信号，其打开后可接受PWM信号，进入工作状态。在其未打开的情况下，功率模块7不能工作。
功率模块7设有Xilinx公司的XC6SLX9控制器，其接受上一级功能模块传输的数值0x1111，接受之后传递给下一级功能模块。
闭锁功率模块为主控板2封锁下发给功率模块7的PWM信号，同时下发退出热准备状态的脉冲信号的关闭指令，关闭功率模块7，使其不再工作。
正常的功率模块7经保护光纤8传递保护信号的数值0x1111给故障功率模块，故障功率模块接收后由于已经有故障，无法传递给本功率模块的下一级功率模块，数值0x1111最终无法返回到主控板2，主控板2无法接收到返回的数值，故闭锁所有功率模块。
如图2所示，当SVG装置处于待机状态(功率模块已打开)时，主控板2经保护光纤8的保护通道主动下发功率模块保护信号，该次发出延迟5us后主控板2在串行保护光纤返回端接收到保护信号，那么SVG装置开始正常运行。该次发出延迟5us后主控板2在串行保护光纤返回端未收到保护使能信号，SVG装置进入装置故障状态。
分相控制光纤板6和所有功率模块7均在正常状态，主控板2在5us的时间间隔内可以接收到保护使能信号。如果分相控制光纤板6和功率模块7的任一部分存在故障，主控板2串行光纤输出端经保护光纤8主动下发光纤保护的闭锁信号传递到分相控制光纤板或功率模块，同时，分相控制光纤板6通过并行光纤11把闭锁功率模块信号下发各功率模块7。从而可以避免在装置故障的情况下，重启装置运行而导致更大的故障发生。
装置在打开功率模块、操作人员通过触摸屏12下发保护使能信号，触摸屏12将保护使能信号传输给主控板2后，装置处于运行状态，如果功率模块或分相控制光纤板发生故障，功率模块或分相控制光纤板串行光纤输出端发出保护闭锁信号并传递到下一功率模块或分相控制光纤板，主控板2接收到保护闭锁信号后，经串行光纤8主动下发光纤保护闭锁信号，经并行光纤11把闭锁功率模块信号下发各功率模块。可以快速有效的对功率模块和SVG装置进行保护，避免遭受较大损失。
本实施例中，主控板2采用德州仪器Ti的TMS320F28335DSP芯片和赛灵思Xilinx公司的XC6SLX25FPGA芯片，分相控制光纤板6采用赛灵思Xilinx公司的XC6SLX150，功率模块7采用赛灵思Xilinx公司的XC6SLX25芯片。
本发明的分相控制光纤板和主控板之间通过高速光纤9和低速光纤10进行串行通信，有利于分相控制光纤板6根据功率模块7通过并行光纤11上送的信号的优先级进行分配，其中，功率模块7实时电压与实时状态的时效优先级最高，采用高速光纤9通道，而功率模块7温度、软件版本号信号的时效优先级略低，采用低速光纤10通道，有利于资源的优化与运用。
本发明采用串并数据双向通信的连接结构，其中主控板2与分相控制光纤板6之间采用保护光纤8通信方式，分相控制光纤板6与功率模块7之间采用并行光纤11通信方式。不仅可以兼顾数据通信速度与数据量，还可以简单和独立实现电网各相之间控制。
本发明的分相控制光纤板6直接接收到本相的全部功率模块7的电压，对电压进行排序，依据脉冲轮换原则实现相内功率模块的电压控制方式，其中不需要相内功率模块信息的通信交互，功率模块电容电压波动更小，装置稳定运行能力更强。
本发明采用串行光纤保护信号可以对主控板、分相控制光纤板、功率模块进行保护，若某分相控制光纤板或功率模块出现故障，会立刻对装置进行功率模块闭锁保护，整个过程可在5us内完成，确保装置不会受到损伤，避免故障扩大造成更大损失。