模块化多电平换流器阀控装置录波功能研究

周谷庆 仲 浩 赵玉灿 赵天恩

模块化多电平换流器阀控装置录波功能研究

周谷庆 仲 浩 赵玉灿 赵天恩

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

模块化多电平换流器阀控装置的录波功能对观察子模块运行状态和分析子模块故障暂态过程具有重要作用，阀控装置集成内部录波功能有较大研究意义。针对阀控装置需接入海量子模块的工程应用需求，本文提出一种基于多核处理器和现场可编程门阵列（FPGA）硬件架构的阀控装置内部录波方案，介绍阀控装置录波功能相关的硬件架构、软件架构和测试方法。本文采用模块化分层解耦设计方法，通过底层系统软件、图形化工具软件和上层应用软件共同实现装置录波功能。利用柔性直流仿真控制系统对阀控装置录波功能进行测试，结果表明该功能可以满足工程现场应用需求。

模块化多电平换流器（MMC）；阀控装置；录波功能；多核处理器

0 引言

模块化多电平换流器系统目前广泛应用在柔性直流输电、低频输电、直流配电网及静止无功补偿器等直流电力电子工程领域。我国已陆续完成建设鲁西±350kV背靠背工程、张北±500kV柔性直流电网工程、乌东德±800kV混合多端直流输电工程、白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程、粤港澳大湾区直流背靠背工程[1-7]。在传统柔性直流输电工程中，换流阀设计容量较大且子模块个数较多，而在海上风电工程中对占地小型化要求较高[8-10]，工程应用需要功能强大且结构紧凑的换流器控制设备。

阀控装置是模块化多电平换流器系统的核心控制设备，是上层控制系统和一次设备子模块之间的桥梁。在观察子模块运行状态、分析子模块故障暂态过程及排查阀控故障等方面，阀控系统录波功能均起到重要作用。文献[11]介绍了鲁西背靠背工程阀控系统通信板故障导致的直流闭锁问题，通过分析故障阶段的阀控录波定位故障原因，完善阀控通信板相关功能。文献[12]介绍了昆柳龙工程现场调试期间的阀组充电跳闸问题，通过分析充电阶段的阀控录波，判断故障子模块的逻辑及时序配合不当。文献[13]介绍了柔性直流背靠背换流站子模块炸裂损坏的问题，通过分析阀控录波确认在换流阀不控充电过程中出现黑模块导致子模块及其附属设备损坏。文献[14]通过子模块故障录波研究验证基于电容电压的子模块故障诊断方法。文献[15]提出一种换流阀电流计算方法，并通过录波验证了所提方法的有效性。文献[16]通过录波板卡测试验证了一种子模块故障模拟方法。

阀控系统对录波功能要求很高：子模块总数大，所需配置录波通道多；阀控装置的控制周期小，录波频率需满足20kHz甚至更高。目前，阀控系统普遍配置单独的集中式录波装置，集中式录波装置和阀控装置之间通过光纤相连并传输相关录波数据，但使用集中式录波装置会增加阀控系统的复杂度并占用额外的屏柜空间[17-19]。因此，阀控装置集成内部录波功能具有较大研究意义，不仅可取消配置集中式录波装置，并且内部录波具有配置灵活、信息全面、分析方便等优点。

在嵌入式系统领域，多核处理器和现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）的应用已越来越广泛[20-22]。多核处理器具有两个或两个以上核处理器，可实现并行计算处理功能，应用程序可分布在不同核运行。FPGA具有实时流水线运算、数据并行处理和高速端口通信等功能。本文提出一种基于多核处理器和FPGA硬件架构的阀控装置内部录波方案，具有系统架构清晰、集成度高和配置灵活等优点。设计原则如下：

1）首要满足工程应用需求，阀控装置需要接入海量子模块，录波文件要完整不丢失，能够快速解决分析定位子模块故障等工程问题。

2）阀控装置集成录波功能需要尽可能降低对控制保护功能的影响，比如降低处理器的录波处理耗时。

3）阀控装置硬件架构需要降低芯片性能要求，充分发挥芯片各自特点，以适应国产化芯片选择范围。

1 阀控装置硬件架构

阀控系统主要包括以下控制设备：阀控装置、阀接口装置和子模块控制板卡。阀控系统示意图如图1所示。阀控装置主要负责换流阀充电控制、子模块命令计算和子模块故障处理等。阀接口装置主要负责分发子模块命令、汇总子模块上送数据等。子模块控制板卡主要负责驱动绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）和上送子模块状态信息。

图1 阀控系统示意图

阀控装置硬件架构主要包括以下芯片：管理模块中央处理器（central processing unit, CPU）、控制模块数字信号处理器（digital signal processor, DSP）和FPGA。管理模块CPU主要负责生成录波文件、后台通信及人机接口等；管理模块CPU一般采用操作系统并运行多个进程程序，包括录波进程和后台通信进程。控制模块DSP和FPGA共同负责阀控策略计算、子模块故障处理及子模块状态监视统计等。

随着制程工艺和芯片发展，管理模块CPU和控制模块DSP均可采用多核处理器，同时FPGA可采用较大逻辑容量，由此开发基于多核处理器和FPGA硬件平台的阀控装置。

2 阀控装置软件架构

阀控装置录波功能相关软件采用模块化分层解耦设计方法，录波功能软件设计如图2所示，从上到下依次为上层应用软件、图形化工具软件和底层系统软件。

上层应用软件是指阀控装置应用功能相关的程序，包括控制和保护逻辑功能。应用程序生成相关输出数据并配置到录波通道。

图2 录波功能软件设计

图形化工具软件用于开发阀控装置应用程序，其屏蔽硬件和底层系统软件差异，为应用开发人员提供统一的开发环境。通过图形化工具软件可灵活完成录波相关配置。

底层系统软件主要为管理模块CPU、控制模块DSP和FPGA的驱动程序，实现光口数据通信、处理器之间数据交换、录波数据汇总、录波数据提取及录波文件生成上送等平台软件功能。

2.1 控制模块DSP核间数据交换

阀控装置的控制模块DSP采用多核处理器，多核处理器的核间需要数据实时交互，应用程序才能协同并行工作。多核处理器间可通过共享内存实现数据交换；共享内存可以采用处理器片内空间或者片外双倍速率（double data rate, DDR）同步动态随机存储器空间，只需满足多核处理器均可读写访问。以控制模块DSP采用两核处理器为例，其包括CORE0和CORE1两个核处理器，多核处理器核间数据交换示意图如图3所示。在初始化阶段CORE0和CORE1核处理器解析交互数据配置，获取每个核处理器输出和输入数据配置信息。根据输出配置信息初始化共享内存，依次分配每个核处理器输出数据区的内存空间。建立每个核处理器输入数据的链表，保存输入数据对应的映射内存地址。在实时中断任务中采用乒乓缓存区，读取上次中断任务的交互数据，更新本次中断任务的应用输出数据并写入共享内存。多核处理器通过共享内存既实现了数据交换，又实现了应用输出数据汇总。应用输出数据是阀控装置录波数据的一部分，由CORE0核处理器代理发送至FPGA。

2.2 FPGA汇总录波原始数据

录波原始数据主要包括两部分：子模块上送数据和控制模块DSP应用输出数据。因子模块数量多，绝大部分录波数据为各子模块上送数据。子模块上送数据经过阀接口装置汇总后再上送至阀控装置。子模块上送数据包括子模块故障状态、子模块电压数据、子模块IGBT开关状态等信息。阀控装置的FPGA接收阀接口装置上送数据，再通过内部总线推送至控制模块DSP多核处理器内存空间；另外，CORE0和CORE1核处理器生成各自应用输出数据并写入共享内存。

数据汇总方案一：控制模块DSP负责组织汇总录波数据，CORE0核处理器汇总上述两部分录波数据，再发送给FPGA。因子模块上送数据总量很大，该方案需额外占用DSP处理耗时。

数据汇总方案二：FPGA负责组织汇总录波数据，把子模块上送数据作为控制模块DSP的虚拟输出数据，CORE0核处理器只需要将共享内存的多核处理器应用输出数据发给FPGA，FPGA汇总上述两部分录波数据并保存到循环缓存区，录波数据汇总示意图如图4所示。该方案无需占用DSP额外的处理耗时。

从数据传输效率和处理器耗时等方面考虑，数据汇总方案二无需将子模块上送数据在FPGA和DSP之间重复传输，并且无需占用DSP额外的处理耗时。因此，基于数据汇总方案二实现录波数据汇总功能。

2.3 FPGA提取录波通道数据

阀控装置录波文件采用COMTRADE格式，每组录波包括4个文件：标题文件（.hdr）、配置文件（.cfg）、数据文件（.dat）及信息文件（.inf）。其中，数据文件（.dat）最大。数据文件包括所有录波通道数据，需要提高该文件生成效率。录波原始数据在汇总后还需要根据录波配置做相应数据提取处理。

图4 录波数据汇总示意图

数据提取方案一：管理模块CPU从录波数据循环缓存区读取录波原始数据帧并提取录波通道数据。该方案需额外占用CPU的处理耗时，尤其当CPU负载较高时会降低录波处理效率。

数据提取方案二：FPGA提取录波通道数据，再推送至录波文件循环缓存区，管理模块CPU从录波文件循环缓存区读取录波数据文件（.dat），即FPGA完成数据提取并形成录波数据文件。录波数据提取示意图如图5所示。

图5 录波数据提取示意图

数据提取方案二可降低CPU处理录波任务负载，因此基于数据提取方案二实现录波数据提取功能。

2.4 管理模块CPU生成录波文件

在阀控装置初始化阶段，管理模块CPU获取解析录波配置文件，并完成录波进程相关初始化配置流程。

录波文件生成过程如下：控制模块DSP应用程序触发启动录波，管理模块CPU的录波进程判断启动，FPGA汇总录波原始数据，FPGA提取录波通道数据，管理模块CPU读取录波数据文件并生成COMTRADE格式的录波文件，录波文件处理流程如图6所示。管理模块CPU后台通信进程将录波文件上送至后台文件服务器，后台文件服务器汇总保存所有阀控装置的录波文件。

图6 录波文件处理流程

阀控装置需要接入海量子模块，对比选择合适的数据汇总和数据提取方案，充分发挥FPGA数据并行处理特点，有效降低处理器相关录波功能的负载。阀控装置录波数据处理示意图如图7所示。

2.5 工具软件生成录波配置

通过图形化工具软件开发阀控装置应用功能，可灵活完成录波相关配置及生成配置文件。录波相关配置主要包括录波通道信号描述、录波通道数据位置、录波触发信号、录波频率、录波总时长等相关内容。

录波配置文件包括子模块上送数据和控制模块DSP应用输出数据，通过图形化工具软件配置录波通道所在录波原始数据帧中的具体位置。

3 测试

以阀控装置控制模块DSP采用两核处理器为例，每个核处理器分别接入250个子模块，即总共500个子模块。每个子模块需配置4个录波通道，包括两个子模块故障状态、子模块电压数据和子模块IGBT开关状态。

图7 录波数据处理示意图

录波配置信息如下：录波周期为50ms（录波频率20kHz），录波总时长为200ms，子模块数据的录波通道共2 000个，控制模块DSP应用输出数据的录波通道约50个。

3.1 功能测试

基于柔性直流仿真控制系统测试阀控装置录波功能。在系统解锁运行阶段触发录波，阀控装置生成录波文件和上送后台服务器功能均正常，查看录波文件显示子模块相关状态信息正常。子模块状态信息的录波显示如图8所示。

图8 子模块状态信息的录波显示

模拟子模块IGBT故障，查看阀控装置故障处理过程的录波显示正常，包括IGBT命令闭锁和投旁路开关的处理。子模块故障过程的录波显示如图9所示。

图9 子模块故障过程的录波显示

3.2 压力测试

通过压力测试来评估阀控装置的录波性能，主要包括两类测试：短时间周期频繁触发录波和长时间周期循环触发录波。

短时间周期频繁触发录波侧重验证阀控装置短时间生成录波的能力，模拟在短时间内换流器系统发生多次故障的场景。例如，设置触发周期为1s，连续4次触发录波。长时间周期循环触发录波侧重验证管理模块CPU能够长时间处理生成录波文件。例如，设置触发周期为10s，连续20次触发录波。通过上述测试用例确认阀控装置生成录波文件均完整有效。

通过柔性直流仿真控制系统测试阀控装置录波性能，验证了基于多核处理器和FPGA硬件架构的阀控装置能够满足工程现场应用需求。

4 结论

阀控装置集成内部录波功能，具有配置灵活、信息全面、分析方便等优点。在观察子模块运行状态和分析子模块故障暂态过程等方面，阀控系统的录波功能均可起到重要作用。本文提出了一种基于多核处理器和FPGA硬件架构的阀控装置内部录波方案，具有系统架构清晰、集成度高和配置灵活等优点，已分别基于进口芯片和国产化芯片实现上述录波方案，目前已在杭州柔性低频输电工程阀控系统中实现工程应用，在现场调试和运行过程中应用效果良好。

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Research on wave recording function of modular multilevel converter valve control device

ZHOU Guqing ZHONG Hao ZHAO Yucan ZHAO Tianen

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The wave recording function of modular multilevel converter valve control device plays an important role in observing the operation status of submodule and analyzing the transient faults of submodule. The integration of internal recording function in valve control device has great research significance. To meet the demand of valve control devices that need to be connected to massive submodule, this paper proposes an internal wave recording scheme of valve control device based on multi-core processor and field programmable gate array (FPGA) hardware architecture, and introduces the hardware architecture, software architecture and test methods related to the wave recording function of valve control device. This paper adopts a modular layered decoupling design method, and achieves the wave recording function through the combination of underlying system software, graphical tool software and upper application software. The wave recording function of valve control device is tested based on the voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) simulation control system, and the results show that it can meet the needs of the project site.

modular multilevel converter (MMC); valve control device; wave recording function; multi-core processor

南瑞集团有限公司科技项目（JS1900545）

2023-11-03

2023-11-27

周谷庆（1985—），男，硕士，高级工程师，主要从事直流电力电子平台软件研发工作。