基于fpga的有源電力濾波器控制系統及其切換方法
【專利摘要】一種基于FPGA的有源電力濾波器控制系統和控制方法，該系統包括n個功率模塊、兩個中央控制模塊和一個顯示模塊；所述中央控制模塊的信號輸出端分別連接各個功率模塊的信號輸入端，顯示模塊和中央控制模塊之間交互連接，兩個中央控制模塊之間交互連接。本發明通過設置兩個中央控制器，并使得兩個中央控制器之間交互信息，保證任意一個中央控制器出現故障時，另一個能無障礙的繼續對各個功率模塊進行控制，提高了系統穩定性、可靠性。
【專利說明】
基于FPGA的有源電力濾波器控制系統及其切換方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于FPGA的有源電力濾波器控制系統及其切換方法。
【背景技術】
[0002] 有源電力濾波器(APF)是作為一種能動態抑制諧波電流的電力電子裝置而廣泛關 注，APF的補償性能優劣與其所采用的控制方式有關。
[0003] 現有的控制方式只有一個中央控制模塊，由于使用頻繁，因此在工作的過程中容 易發生故障，而一但中央控制模塊發生故障，整個系統只能停運檢修。
[0004] 此外，現有系統中，中央控制模塊沒有中央控制器，在這種系統中，每個功率單元 都是需要外接互感器，增加了電氣接線設計的復雜性和走線工藝；同時，功率單元自身采集 負載電流，對每個模塊的電流的分配做不到實時監測和動態分配。
[0005]
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是現有的系統容易故障，且故障后智能停運檢修，影響 生產，且系統對每個模塊的電流的分配做不到實時監測和動態分配。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于FPGA的有源電力濾波 器控制系統，包括n個功率模塊、兩個中央控制模塊和一個顯示模塊;所述中央控制模塊的 信號輸出端分別連接各個功率模塊的信號輸入端，顯示模塊和中央控制模塊之間交互連 接，兩個中央控制模塊之間交互連接。
[0008] 設置兩個中央控制模塊，任意一個模塊出現問題，另一臺由于同時備份，因此，可 以實現無影響的替補，使得維修人員在維修故障中央控制模塊的同時，整個系統還能繼續 運轉;此外，系統中每個部分(顯示單元、主模塊、功率模塊)之間實現高速實時通訊，保證了 設備的運行和狀態切換的及時性、實時性和設備工作的可靠性。
[0009] 進一步，所述中央控制模塊包括信號采集板和基于FPGA的中央控制器;信號采集 板采樣各個功率模塊的三相電網電壓、三相負載電流、三相APF輸出電流，并將采樣信息實 時傳送中央控制器;所述中央控制器包括數據采集單元、采樣處理單元、主主通信單元、中 央控制器切換邏輯控制單元、顯示數據收集和處理單元、保護單元和通信單元;信號采集板 的信號輸出端連接數據采集單元的信號輸入端;數據采集單元的信號輸出端連接采樣處理 單元的信號輸入端;采樣處理單元的信號輸出端分兩路分別連接顯示數據收集和處理單元 的信號輸入端和保護單元的信號輸入端;顯示數據收集和處理單元的信號輸出端和保護單 元的信號輸出端均連接通信單元的輸入端;主主通信單元用于兩個中央控制模塊之間交互 連接，其信號輸出端將另一中央控制模塊的信息傳輸給中央控制器切換邏輯控制單元，中 央控制器切換邏輯控制單元的輸出端分兩路，一路發送反饋信號給主主通信單元，另一路 連接通信單元。系統中，所有功率模塊通過光纖連接至主控模塊和備用模塊，除了三相大 電，功率單元再沒有其他物理輸入，整個設備僅用一組互感器就可以實現多個電力有源濾 波器模塊的并聯運行，解決了傳統有源濾波器多臺并聯運行時受限于互感器帶載能力的問 題，如此，功率單元的輸出電流，功率模塊間的信息交互等都是由主控模塊或者備用模塊負 責下發的，比如根據總負載電流，動態分配各功率模塊的輸出電流，根據各功率單元的狀態 (故障或者停機等)動態分配其他功率模塊的承載電流等，實現統一管理;避免了傳統方法 中使用的大量的外接互感器，降低了電氣接線設計的復雜性和走線工藝，節約了成本。
[0010] 為了保證兩個中央控制器切換的平穩，一種基于FPGA的有源電力濾波器控制方 法，包括以下步驟:步驟1:系統上電，中央控制模塊進入故障判斷模式，所述故障判斷模式 包括自身故障判斷以及激活判斷；所述激活判斷是指當檢測到另一中央控制模塊無故障 時，向另一中央控制模塊發送激活命令；自身故障判斷是指當檢測到自身有故障，跳轉步驟 6，當檢測到自身無故障時，跳轉下一步;步驟2:根據顯示模塊接收到的中央控制模塊的信 道號碼，判斷該無故障的中央控制模塊為主控模塊還是備用模塊，判斷為主控模塊時，跳轉 下一步;步驟3:判斷與主控模塊連接的功率模塊是否存在，如存在，跳轉下一步，如不存在， 主控模塊不激活;步驟4:判斷該激活的主控模塊是否接收到備用模塊發送的激活命令，如 接收到激活命令，激活主控模塊，如沒有接收到激活命令，繼續判斷，在當前模塊為主控模 塊，且主控模塊和備用模塊均在線但不激活時，主控模塊激活自身;步驟5:不斷檢測激活的 主控模塊是否正常，如果一直正常，則一直維持激活態，系統運行下去;如果不正常，跳轉步 驟6;步驟6:備用模塊檢測到主控模塊非正常，停止向主控模塊發送激活命令，主控模塊停 止激活;如主控模塊檢測到備用模塊正常，持續向備用模塊發送激活命令，備用模塊激活； 如主控模塊檢測到備用模塊非正常，跳轉下一步;步驟7:中央控制模塊向顯示模塊輸出系 統故障信息，并循環檢測故障是否恢復。
[0011] 進一步，步驟1中，自身故障判斷是指中央控制模塊根據檢測到的電信量數值、通 信接受到的反饋信號來判斷其是否工作正常;激活判斷是指中央控制模塊之間發送狀態寄 存器，狀態寄存器中包含彼此的狀態信息，一中央控制模塊接收到另一中央控制模塊發送 的狀態信息，并判斷另一中央控制模塊是否工作正常。通過兩種故障判斷的方式，使得在任 何一個中央控制模塊不工作的時候，也能起到監控作用，保證故障時切換的及時，也保證了 系統工作的穩定持續性。
[0012] 進一步，步驟3中，判斷與主控模塊連接的功率模塊是否存在的方法是:主控模塊 自身具備一對以上的通信信道，一對通信信道對應連接一臺功率模塊，主控模塊根據接收 到的功率模塊上傳的狀態寄存器來判斷該功率模塊是否正常，以及對應的通信信道是否完 整;如果有狀態寄存器上傳，則判斷該信道對應的功率模塊存在;如果無狀態寄存器上傳， 則判斷該信道對應的功率模塊不存在。
[0013] 本發明的優點是:通過設置兩個中央控制器，并使得兩個中央控制器之間交互信 息，保證任意一個中央控制器出現故障時，另一個能無障礙的繼續對各個功率模塊進行控 制，提尚了系統穩定性、可靠性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明系統的結構框圖。
[0015] 圖2是本發明中央控制模塊的結構框圖。
[0016] 圖3是本發明控制方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1-2所示，本發明包括16個功率模塊、兩個中央控制模塊和一個顯示模塊;所 述中央控制模塊的信號輸出端分別連接各個功率模塊的信號輸入端，顯示模塊和中央控制 模塊之間交互連接，兩個中央控制模塊之間交互連接。所述中央控制模塊包括信號采集板 和基于FPGA的中央控制器;信號采集板采樣各個功率模塊的三相電網電壓、三相負載電流、 三相APF輸出電流，并將采樣信息實時傳送中央控制器;所述中央控制器包括數據采集單 元、采樣處理單元、主主通信單元、中央控制器切換邏輯控制單元、顯示數據收集和處理單 元、保護單元和通信單元;信號采集板的信號輸出端連接數據采集單元的信號輸入端;數據 采集單元的信號輸出端連接采樣處理單元的信號輸入端;采樣處理單元的信號輸出端分兩 路分別連接顯示數據收集和處理單元的信號輸入端和保護單元的信號輸入端;顯示數據收 集和處理單元的信號輸出端和保護單元的信號輸出端均連接通信單元的輸入端;主主通信 單元用于兩個中央控制模塊之間交互連接，其信號輸出端將另一中央控制模塊的信息傳輸 給中央控制器切換邏輯控制單元，中央控制器切換邏輯控制單元的輸出端分兩路，一路發 送反饋信號給主主通信單元，另一路連接通信單元。
[0018]如圖3所示，首先明確一些狀態寄存器存在與整個流程中，他們在主控模塊、備用 模塊、功率模塊之間傳送，是檢測與邏輯切換時的依據； 顯示單元信道光纖寄存器
主模塊狀態寄存器：
表中所謂"上層"--對主模塊，顯示單元是其上層;對功率模塊主模塊是其上 層;所謂"備用"一一是相互的，主控是主備的備用，主備是主控的備用;在一個時刻，主控或 者主備，任何一個，且只有一個處于激活狀態，系統即可正常工作。
[0019]主模塊光纖信道寄存器：
從模塊狀態寄存器：
本發明方法的切換邏輯描述如下： 上電后，主控模塊或者備用模塊先判斷自身有無故障（故障包括:采樣故障，供電故障 等），有故障進入故障處理模式(故障態工作模式:作為其中一個中央控制模塊，會主動判斷 另一塊中央控制模塊是否正常，如果其正常則主動發激活命令是另一塊激活，如果不正常， 即兩塊中央控制模塊均進入故障態，輸出系統故障告警信息，提醒工作人員，一方面循環檢 測故障是否恢復）； 中央控制模塊判斷自身無故障后，進入下一級判斷，判斷是否為主控模塊，判斷過程 是:根據與顯示板連接的光纖通道號決定，光纖通道為1----主控模塊;光纖通道號為〇---備用模塊。
[0020]主控模塊無故障后接著判斷是否有功率模塊存在，如果有，則進行下一步，如果沒 有，則主控模塊直接進入不激活狀態； 如果有功率模塊存在，下一步判斷是否接收到外部激活命令，如果有備用模塊發送的 激活命令，則無條件激活該主控模塊； 若沒有激活命令前來，接著判斷是否為主控模塊，且主空模塊和備用模塊均在線而不 激活(主控模塊與備用模塊之間互傳主模塊狀態寄存器），則主控模塊激活自身；如果沒備 用模塊，且備用模塊不激活，通信板顯示非多主或者是從機非多主（即顯示單元只檢測到一 臺中央控制模塊，或者功率模塊只檢測到一臺中央控制模塊，如此是為了保證兩塊中央控 制模塊同時上電后，執行到這一步時，在主控模塊和備用模塊都滿足激活條件時，優先激活 主控模塊）;執行到此，主控模塊或備用模塊被激活了一塊，然后進入無顯循壞，不斷檢測激 活的中央控制模塊是否正常，如果一直正常，則一直維持激活態，系統運行下去；如果不正 常，進入故障態，故障處理模式上面已描述。同時主控模塊激活，備用模塊處于非激活態時， 備用模塊也不是不作為的，它在實時監測著主控模塊的狀態和等待著接受命令，如果過程 中，備用模塊接收到主控模塊發送過來的激活命令，進入正常激活判斷流程;如果備用模塊 主動監測到主控模塊在線但是不激活（當通信故障或者其他故障，激活命令發送失敗時）， 同樣進入激活判斷流程;或者更惡劣的情況，即備用模塊判斷出主控模塊不在線，從機(功 率模塊)非多主且通信(顯示單元)非多主，進入激活判讀流程。
[0021 ]主控模塊從不激活到激活有兩種途徑，一是主動激活，當主控模塊檢測無故障，備 用模塊存在且不激活后，自主進入激活模式;第二種途徑是被動激活，主控模塊接受到備用 模塊發送過來的激活命令，同時檢測到備用模塊不激活，然后主控模塊進入激活模式；同 樣，備用模塊進入激活模式也是這兩種途徑。如此的目的在于保證在同一時刻，只能有一個 中央控制模塊處于激活狀態。
[0022]同時主控模塊與顯示單元有且僅有一對收、發通信光纖進行連接，從顯示單元角 度出發，顯示單元有2對通信信道，其中一對信道令其代號為1，連接著主控模塊，另一對信 道代號為〇，連接著備用模塊，簡稱"上層光纖信道1"、"上層光纖信道〇"。
【主權項】
1. 一種基于FPGA的有源電力濾波器控制系統，其特征是:包括η個功率模塊、兩個中央 控制模塊和一個顯示模塊； 所述顯示模塊與中央控制模塊之間交互連接，兩個中央控制模塊各通過一個信道連接 顯示模塊，顯示模塊通過信道號區別不同的中央控制模塊； 所述中央控制模塊的信號輸出端分別連接各個功率模塊的信號輸入端，中央控制模塊 上設有與各個功率模塊對應的信道接口，一個功率模塊通過一個對應的信道接口連接中央 控制模塊； 所述兩個中央控制模塊一個為主控模塊，另一個為備用模塊，主控模塊和備用模塊之 間交互連接。2. 根據權利要求1所述的一種基于FPGA的有源電力濾波器控制系統，其特征是:所述中 央控制模塊包括信號采集板和基于FPGA的中央控制器； 信號采集板采樣各個功率模塊的三相電網電壓、三相負載電流、三相APF輸出電流，并 將采樣信息實時傳送中央控制器； 所述中央控制器包括數據采集單元、采樣處理單元、主主通信單元、中央控制器切換邏 輯控制單元、顯示數據收集和處理單元、保護單元和通信單元； 信號采集板的信號輸出端連接數據采集單元的信號輸入端； 數據采集單元的信號輸出端連接采樣處理單元的信號輸入端； 采樣處理單元的信號輸出端分兩路分別連接顯示數據收集和處理單元的信號輸入端 和保護單元的信號輸入端;顯示數據收集和處理單元的信號輸出端和保護單元的信號輸出 端均連接通信單元的輸入端； 主主通信單元用于兩個中央控制模塊之間交互連接，其信號輸出端將另一中央控制模 塊的信息傳輸給中央控制器切換邏輯控制單元，中央控制器切換邏輯控制單元的輸出端分 兩路，一路發送反饋信號給主主通信單元，另一路連接通信單元。3. -種基于FPGA的有源電力濾波器控制方法，其特征是包括以下步驟： 步驟1:系統上電，中央控制模塊進入故障判斷模式，所述故障判斷模式包括自身故障 判斷以及激活判斷;所述激活判斷是指當檢測到另一中央控制模塊無故障時，向另一中央 控制模塊發送激活命令；自身故障判斷是指當檢測到自身有故障，跳轉步驟6，當檢測到自 身無故障時，跳轉下一步； 步驟2:根據顯示模塊接收到的中央控制模塊的信道號碼，判斷該無故障的中央控制模 塊為主控模塊還是備用模塊，判斷為主控模塊時，跳轉下一步； 步驟3:判斷與主控模塊連接的功率模塊是否存在，如存在，跳轉下一步，如不存在，主 控模塊不激活； 步驟4:判斷該激活的主控模塊是否接收到備用模塊發送的激活命令，如接收到激活命 令，激活主控模塊，如沒有接收到激活命令，繼續判斷，在當前模塊為主控模塊，且主控模塊 和備用模塊均在線但不激活時，主控模塊激活自身； 步驟5:不斷檢測激活的主控模塊是否正常，如果一直正常，則一直維持激活態，系統運 行下去;如果不正常，跳轉步驟6; 步驟6:備用模塊檢測到主控模塊非正常，停止向主控模塊發送激活命令，主控模塊停 止激活;如主控模塊檢測到備用模塊正常，持續向備用模塊發送激活命令，備用模塊激活； 如主控模塊檢測到備用模塊非正常，跳轉下一步； 步驟7:中央控制模塊向顯示模塊輸出系統故障信息，并循環檢測故障是否恢復。4. 根據權利要求3所述的一種基于FPGA的有源電力濾波器控制方法，其特征是：步驟1 中，自身故障判斷是指中央控制模塊根據檢測到的電信量數值、通信接受到的反饋信號來 判斷其是否工作正常； 激活判斷是指中央控制模塊之間發送狀態寄存器，狀態寄存器中包含彼此的狀態信 息，一中央控制模塊接收到另一中央控制模塊發送的狀態信息，并判斷另一中央控制模塊 是否工作正常。5. 根據權利要求3所述的一種基于FPGA的有源電力濾波器控制方法，其特征是：步驟3 中，判斷與主控模塊連接的功率模塊是否存在的方法是:主控模塊自身具備一對以上的通 信信道，一對通信信道對應連接一臺功率模塊，主控模塊根據接收到的功率模塊上傳的狀 態寄存器來判斷該功率模塊是否正常，以及對應的通信信道是否完整;如果有狀態寄存器 上傳，則判斷該信道對應的功率模塊存在;如果無狀態寄存器上傳，則判斷該信道對應的功 率模塊不存在。
【文檔編號】G05B19/042GK106054752SQ201610667276
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610667276.4, CN 106054752 A, CN 106054752A, CN 201610667276, CN-A-106054752, CN106054752 A, CN106054752A, CN201610667276, CN201610667276.4
【發明人】張高玉, 張東, 仇志凌, 劉明, 芮國強, 盧燕
【申請人】南京亞派科技股份有限公司