本发明提供了一种柔性交流输电装置用板卡,属于电力电子装置控制保护技术领域,板卡包括数字信号处理DSP模块,用于对柔性交流输电装置的控制;数字信号处理DSP模块,用于对保护和外围设备管理的控制,并辅助数字信号处理DSP模块进行数据计算;和可编程门阵列FPGA模块,用于数字信号处理DSP模块和数字信号处理DSP模块之间数据的交换,并对所述板卡的所有器件逻辑地址进行译码。该办卡层次合理、功能强大、结构紧凑、集成度高、易于实现且控制效果良好的控制、保护及录波。
1.一种柔性交流输电装置用板卡,其特征在于:所述板卡包括数字信号处理DSP模块1、可编程门阵列FPGA模块3和数字信号处理DSP模块2;所述数字信号处理DSP模块1与可编程门阵列FPGA模块3之间双向连接,所述可编程门阵列FPGA模块3与所述数字信号处理DSP模块2之间双向连接;所述数字信号处理DSP模块1外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块1双向连接的EtherCAT低压差分信号总线接口模块和NOR-FLASH存储模块;所述数字信号处理DSP模块2外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块2双向连接的NAND-FLASH存储模块、SRAM存储模块、EEPROM存储模块、EtherCAT光信号总线接口模块、CAN总线接口模块、RS232通讯接口模块、以太网通讯接口模块以及开关量输入输出接口模块;所述EtherCAT光信号总线接口模块的收发器采用型号为KS8721的芯片和光电转换器AFBR-5803;所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块和所述EtherCAT光信号总线接口模块的控制器均采用型号为ET1100的芯片;所述NAND-FLASH存储模块采用型号为K9F1208U0M的FLASH芯片,用于存储录波数据;所述SRAM存储模块采用型号为CY71041V33的静态缓存芯片,用于存储数据;所述EEPROM存储模块采用型号为AT24LC16的芯片,用于存储定值参数;所述以太网通讯接口模块采用以太网控制器芯片W3150A+、芯片KS8721、变压器和以太网接头;所述CAN总线接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为PCA82C250的CAN收发器以实现数据接收和发送;所述RS232通讯接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为MAX232的RS232收发器以实现数据接收和发送;所述开关量输入输出接口模块采用型号为SN74LVTH164245的电平转换芯片作为电平转换接口,同时可控制开关量方向;所述开关量输入输出接口模块中的80路开关量与所述可编程门阵列FPGA模块3的IO接口连接;所述数字信号处理DSP模块2通过与所述可编程门阵列FPGA模块3相连接的地址数据总线间接控制所述80路开关量;所述开关量输入输出接口模块中的32路开关量直接与所述数字信号处理DSP模块2的GPIO连接,所述数字信号处理DSP模块2直接控制所述32路开关量;可编程门阵列FPGA模块3采用型号为XC3S500E的芯片;所述数字信号处理DSP模块1采用型号为TMS320C6713的芯片;所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块包括低压差分信号接口;所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块直接连接到低压差分信号总线上;所述数字信号处理DSP模块2采用型号为TMS320F28335的芯片;所述EtherCAT光信号总线接口模块包括光信号接口。技术领域
本发明属于电力电子装置控制保护技术领域,具体涉及一种柔性交流输电装置用板卡。
背景技术
电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置,用于大功率电能的变换和控制。电力电子装置包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、电机调速装置、直流输电装置和无功补偿装置等。柔性交流输电技术属于电力电子装置的核心技术。静止同步补偿器(Staticxa0Synchronousxa0Compensator,STATCOM)、静止同步串联补偿器(Staticxa0synchronousxa0seriesxa0compensator,SSSC)、统一潮流控制器(Unifiedxa0powerxa0flowxa0controller,UPFC)、动态电压恢复器(dynamicxa0voltagexa0restorers,DVR)等都是柔性交流输电系统(Flexiblexa0ACxa0Transmissionxa0System,FACTS)的核心装置,均采用新一代的电力电子器件,如:门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和集成门极换向晶闸管(IGCT),并且采用现代控制技术。上述新型FACTS装置用来提高交流输电系统的可控性和传输容量。柔性交流输电装置的控制系统需要在每个采样周期内采样与系统相关的电压电流模拟量,存储海量数据,提供复杂的计算来实现装置的控制策略和保护算法,采集柔性交流输电装置的开关量信号,控制一次回路的开关分合,对所有开关器件的动作行为进行同步控制、并相互交换信息,与监控界面交互数据实现参数下发、定值查询、电压电流模拟量显示、运行状态显示、开关操作、装置投切等等。单独数字信号处理(Digitalxa0Signalxa0Processing,DSP)结构的控制保护板已经无法满足上述要求,需要采用多数字信号处理DSP的控制结构以实现多路信号的输入输出,采用工业总线技术实现大量数据的交换。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足,本发明提供一种柔性交流输电装置用板卡。该办卡层次合理、功能强大、结构紧凑、集成度高、易于实现且控制效果良好的控制、保护及录波。为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种柔性交流输电装置用板卡,所述板卡包括数字信号处理DSP模块1、可编程门阵列FPGA模块3和数字信号处理DSP模块2;所述数字信号处理DSP模块1与可编程门阵列FPGA模块3之间双向连接,所述可编程门阵列FPGA模块3与所述数字信号处理DSP模块2之间双向连接。所述数字信号处理DSP模块1外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块1双向连接的EtherCAT低压差分信号总线接口模块和NOR-FLASH存储模块。所述数字信号处理DSP模块1采用型号为TMS320C6713的芯片。所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块包括低压差分信号接口。所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块直接连接到低压差分信号总线上。所述数字信号处理DSP模块2外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块2双向连接的NAND-FLASH存储模块、SRAM存储模块、EEPROM存储模块、EtherCAT光信号总线接口模块、CAN总线接口模块、RS232通讯接口模块、以太网通讯接口模块以及开关量输入输出接口模块。所述数字信号处理DSP模块2采用型号为TMS320F28335的芯片。所述EtherCAT光信号总线接口模块包括光信号接口。所述EtherCAT光信号总线接口模块的收发器采用型号为KS8721的芯片和光电转换器AFBR-5803。所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块和所述EtherCAT光信号总线接口模块的控制器均采用型号为ET1100的芯片。所述NAND-FLASH存储模块采用型号为K9F1208U0M的FLASH芯片,用于存储录波数据。所述SRAM存储模块采用型号为CY71041V33的静态缓存芯片,用于存储数据。所述EEPROM存储模块采用型号为AT24LC16的芯片,用于存储定值参数。所述以太网通讯接口模块采用以太网控制器芯片W3150A+、芯片KS8721、变压器和以太网接头。所述CAN总线接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为PCA82C250的CAN收发器以实现数据接收和发送。所述RS232调试接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为MAX232的RS232收发器以实现数据接收和发送。所述开关量输入输出接口模块采用型号为SN74LVTH164245的电平转换芯片作为电平转换接口,同时可控制开关量方向。所述开关量输入输出接口模块中的80路开关量与所述可编程门阵列FPGA模块3的IO接口连接;所述数字信号处理DSP模块2通过与所述可编程门阵列FPGA模块3相连接的地址数据总线间接控制所述80路开关量;所述开关量输入输出接口模块中的32路开关量直接与所述数字信号处理DSP模块2的GPIO连接,所述数字信号处理DSP模块2直接控制所述32路开关量。可编程门阵列FPGA模块3采用型号为XC3S500E的芯片。与现有技术相比,本发明的有益效果在于:1)该板卡功能强大、通用性好,可用于控制板、保护板和录波板,可针对三种板卡不同的用途编写相应的程序;2)该板卡芯片性能好,多芯片协同工作,能完成大量的数据计算和控制功能,满足各种柔性交流输电装置的应用需求;3)可编程门阵列FPGA不仅能与数字信号处理DSP之间交互数据,并且整块板卡逻辑地址译码的用途,还能直接输出80路PWM脉冲;4)板卡使用EtherCAT低压差分信号总线和EtherCAT光信号总线作为实时通讯接口,数据传输速度达到100M位/秒,信号传输速度快、隔离性好;5)该板卡使用CAN网作为备用的实时通讯接口,可提高实时通讯的可靠性,在工业以太网EtherCAT出现故障时,可通过CAN网与其他板卡交换数据;6)该板卡应用范围广泛,可应用于多种柔性交流输电装置,控制目的明确、易于实现且控制效果稳定。
附图说明
图1是一种柔性交流输电装置用板卡总体机构图;图2是与数字信号处理DSP模块(1)和(2)地址数据总线相连接的外围设备设意图;图3是EtherCAT低压差分信号总线接口模块示意图;图4是EtherCAT低压差分信号总线接口模块示意图;图5是以太网通讯接口模块示意图;图6是CAN总线接口模块示意图;图7是RS232通讯接口模块示意图;图8是与可编程门阵列FPGA模块相连的80路开关量输入输出接口示意图;图9是与数字信号处理DSP模块相连的32路开关量输入输出接口示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作如下进一步说明。如图1,一种柔性交流输电装置用板卡,所述板卡包括数字信号处理DSP模块1、可编程门阵列FPGA模块3和数字信号处理DSP模块2;所述数字信号处理DSP模块1与可编程门阵列FPGA模块3之间双向连接,所述可编程门阵列FPGA模块3与所述数字信号处理DSP模块2之间双向连接。如图2所示,所述数字信号处理DSP模块1外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块1双向连接的EtherCAT低压差分信号总线接口模块和NOR-FLASH存储模块。地址数据总线均为:地址线24位、数据线16位、读信号线1位、写信号线1位、片选线1位。外围设备的地址译码分配由可编程门阵列FPGA模块3负责分配。所述数字信号处理DSP模块1采用型号为TMS320C6713的芯片,其为美国TI公司的C6000系列DSP芯片的其中一种,它是32位高速浮点型数字信号处理DSP,时钟最高频率为300MHz。TMS320C6713主要特点有:(1)体系结构采用超长指令字(VLIW)结构,单指令字长为32位,指令包里有8个指令,总字长达到256位。执行指令的功能单元已经在编译时分配好,程序运行时通过专门的指令分配模块,可以将每个256位的指令包同时分配到8个处理单元,并由8个单元同时运行。其最大处理能力可以达到2400MIPS。(2)采用二级缓冲处理,4KByte直接匹配的程序缓冲L1P,4KByte匹配的数据缓冲L1D,256KByte的额外匹配内存L2。32位外部存储器接口,可无缝连接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM。(3)丰富的外设,包括DMA,EDMA,支持无需CPU参与可以在允许的地址空间里传送数据,扩展总线,具有主机口和I/O端口操作等功能,多通道缓冲串口,其通过配置能和多种串行通信接口通信,两个32位通用定时器等。TMS320C6713通过低压差分信号总线与其它的芯片交换数据,比如接收采集的模拟量数据、接收执行机构的回报信息、发送处理后的数据以及发送控制命令等等;其主要功能是处理接收到的数据,完成大量的数据计算功能,在微妙级的时间内完成装置的控制和保护计算功能。NOR-FLASH存储模块采用32兆位、型号为AM29LV320D的芯片,与TMS320C6713的地址数据总线直接相连,占用TMS320C6713的CE0空间,用来存储TMS320C6713的运行程序。TMS320C6713程序量大、要求快速的读写速度、实时性要求高,所述AM29LV320D具有存储空间大、接口简单、读写速度快、操作方便等优点,正好能满足上述要求。如图3,所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块包括低压差分信号接口。EtherCAT低压差分信号总线的传输速度可达到100M,高实时性的性能可满足实时控制的要求。EtherCAT低压差分信号总线接口模块的核心是ET1100芯片。图3所示ET1100芯片左侧与TMS320C6713的地址数据总线相连接,右侧通过EtherCAT低压差分信号总线与96针的欧式端子相连,欧式端子与其他板卡相连。这样,TMS320C6713就可以通过EtherCAT低压差分信号总线接口模块与其他板卡交互数据。EtherCAT低压差分信号总线接口模块只能在短距离内交互数据,只能在10米的范围内可靠传输;EtherCAT光信号总线接口模块可实现长距离的板卡之间交互数据,传输距离可达到1000米以上。所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块直接连接到低压差分信号总线上。所述数字信号处理DSP模块2外围设备包括:分别与所述数字信号处理DSP模块2双向连接的NAND-FLASH存储模块、SRAM存储模块、EEPROM存储模块、EtherCAT光信号总线接口模块、CAN总线接口模块、RS232通讯接口模块、以太网通讯接口模块以及开关量输入输出接口模块。所述数字信号处理DSP模块2采用型号为TMS320F28335的芯片,其为美国TI公司的一款TMS320C28X系列浮点数字信号处理DSP。与以往的定点DSP相比,该器件的精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF,有多达18路的PWM输出,其中有6路为TI特有的高精度的PWM输出(HRPWM),12位16通道ADC。与前代DSP相比,平均性能提高50%,并与定点C28x控制器软件兼容,从而简化软件开发,缩短开发周期,降低开发成本。所述TMS320F28335通过光信号接口的总线与其他的芯片交换数据;并通过可编程门阵列FPGA模块3模拟的DPRAM接收TMS320C6713处理后的数据和控制保护信息,通过处理后,向开关器件发出PWM脉冲,向控制机构发出控制保护命令;通过以太网接口部分与监控界面进行通讯,负责与监控界面交互数据实现参数下发、定值查询、电压电流模拟量显示、运行状态显示、开关操作、装置投切等等。可编程门阵列FPGA模块3采用型号为XC3S500E的芯片。XC3S500E、EtherCAT光信号总线接口模块和SRAM存储模块的地址数据总线均为:地址线18位、数据线16位、读信号线1位、写信号线1位、片选线1位;W3150A+以太网模块地址数据总线均为:地址线15位、数据线8位、读信号线1位、写信号线1位、片选线1位;NAND-FLASH存储模块地址数据总线均为:地址线0位、数据线16位、读信号线1位、写信号线1位、片选线1位。地址译码由XC3S500E负责分配。如图4,所述EtherCAT光信号总线接口模块包括光信号接口。ET1100芯片左侧与TMS320F28335的地址数据总线相连接,右侧有两个端口分别通过以太网的PHY芯片KS8721连接到光信号接口AFBR-5803上。EtherCAT光信号总线接口模块通过光纤与其他的板卡相连接,TMS320F28335就可以通过EtherCAT光信号总线接口模块与其他板卡交互数据。两个接口可实现连接方式的多样化,一个接口连接一块板卡,另一个接口连接另一块板卡或者悬空。所述EtherCAT光信号总线接口模块的收发器采用型号为KS8721的芯片和光电转换器AFBR-5803。所述EtherCAT低压差分信号总线接口模块和所述EtherCAT光信号总线接口模块的控制器均采用型号为ET1100的芯片。所述NAND-FLASH存储模块采用型号为K9F1208U0M的FLASH芯片,用于存储录波数据。64M字节大容量芯片K9F1208U0M用来存储录波数据,该芯片地址数据线复用,因此不需要连接地址线,采用地址锁存的方式寻址。NAND-FLASH存储模块一共能存储100个录波文件。连接在地址数据总线上的功能模块的地址都由XC3S500E负责分配。根据不同的应用,通过修改XC3S500E的程序,不需要更改硬件的图纸,就可以给所有的功能模块重新分配地址,这种很大的灵活性大大的增强了所述控制、保护及录波板的通用性。XC3S500E的另一个主要功能是模拟DPRAM,使得TMS320C6713与TMS320F28335能够灵活的交换数据,省掉了一片DPRAM芯片。由XC3S500E模拟的DPRAM的读写速度达到了20ns。所述SRAM存储模块采用型号为CY71041V33的静态缓存芯片,用于存储数据。256K字的静态缓存芯片CY71041V33直接与TMS320F28335的地址数据总线相连,用来存储运算中的数据,例如录波缓存数据、DMA缓存数据等等,读写速度可达到12ns,大大减少取数的时间。所述EEPROM存储模块采用型号为AT24LC16的芯片,用于存储定值参数。如图5,所述以太网通讯接口模块采用以太网控制器芯片W3150A+、芯片KS8721、变压器和以太网接头。以太网模块左侧与TMS320F28335的地址数据总线相连接,右侧通过以太网的PHY芯片KS8721、变压器连接到以太网接头上,以太网接头通过网线与电脑(上位机监控界面)连接。以太网模块也可以通过交换机连接到以太网上,这样就可以实现与多台电脑同时通讯。如果通讯距离较长,也可以通过电光转换器将电信号转为光信号,从而通过光纤传输,传输距离可达到1000米以上。如图6,所述CAN总线接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为PCA82C250的CAN收发器以实现数据接收和发送。TMS320F28335自身含有CAN控制器。TMS320F28335的CAN控制器接口通过光耦HCPL-0600隔离后连接到CAN接口控制芯片PCA82C250,PCA82C250直接连接到CAN接口端子上。CAN接口端子有正负两个针,分别与CAN总线的正负连接。如图7,所述RS232调试接口模块采用型号为HCPL-0600的光电耦合器以实现隔离,采用型号为MAX232的RS232收发器以实现数据接收和发送。TMS320F28335自身含有RS232控制器。TMS320F28335的RS232控制器接口通过光电耦合芯片HCPL-0600隔离后连接到RS232接口控制芯片MAX232,MAX232直接连接到RS232接口端子上。接口端子通过通讯线与电脑连接,从而可实现在线调试。所述开关量输入输出接口模块采用型号为SN74LVTH164245的电平转换芯片作为电平转换接口,同时可控制开关量方向。如图8,所述开关量输入输出接口模块中的80路开关量与所述可编程门阵列FPGA模块3的IO接口连接;所述数字信号处理DSP模块2通过与所述可编程门阵列FPGA模块3相连接的地址数据总线间接控制所述80路开关量。80路开关量输入输出接口左侧连接XC3S500E的IO口,右侧连接5片电平转换芯片SN74LVTH164245,电平转换芯片将转换后的5V电平信号送到96针的欧式端子,与其它板卡相连。可通过IO方向控制按钮来控制5片电平转换芯片转换电平的方向,从而可配置信号是输入还是输出。TMS320F28335可通过与XC3S500E连接的地址数据总线间接控制80路开关量信号的每一路。如图9,所述开关量输入输出接口模块中的32路开关量直接与所述数字信号处理DSP模块2的GPIO连接,所述数字信号处理DSP模块2直接控制所述32路开关量。32路开关量输入输出接口左侧连接TMS320F28335的GPIO口,右侧连接2片电平转换芯片SN74LVTH164245,电平转换芯片将转换后的5V电平信号送到96针的欧式端子,与其它板卡相连。TMS320F28335可直接控制32路开关量信号。32路开关量信号中有12路可作为PWM脉冲输出,直接驱动IGBT、GTO等开关器件。所述板卡可以用于各种柔性交流输电装置的控制、保护、或者录波,针对不同的装置的应用要求,可采用一块或者几块板卡。对于规模相对比较小的装置,控制、保护和录波所有功能可集成在一块板卡上;对于规模相对比较大的装置,控制、保护和录波各种功能可分开,一块板卡用于控制、第二块板卡用于保护、第三块板卡用于录波;也可将控制和保护功能集成于一块板卡,录波用另一块板卡。