基于CPLD的柔性直流输电信息传输系统的设计

摘要：设计了一种基于CPLD的信息传输系统，用于柔性直流输电阀控系统与下级子模块之间的数据交换。通过采用高速元件、冗余电路设计、软件算法优化等措施，使得该系统能够在保证数据快速响应的前提下，运行在高电压和强电磁干扰环境下。给出了系统设计的硬件原理图、软件流程图和测试波形。实际测试结果表明，该设计方案简单可行、抗干扰能力强，可以满足柔性直流输电系统信息的可靠快速传输。
关键词：柔性直流输电；信息传输；阀控系统；CPLD

0 引言
近年来，风力发电、太阳能发电等可再生能源发电已经成为未来电力系统的发展方向。但这些清洁能源的分布往往具有分散，远离主电网的特点。柔性直流输电技术作为一种新型输电技术，它可将这些小型电源通过经济、环保的方式接入交流电网，成为国内外研究的热点。
从国内外研究现状来看，对柔性直流输电的研究重点放在控制系统的设计上。本文所提出的信息传输系统为控制系统的一部分，其运行在高电压、强磁场的环境中，在完成上级控制系统与下级子模块之间庞大信息量通信的同时，也要保证整个信息传输系统的稳定性与可靠性。因此，本系统对信息的传输速率、抗干扰能力和系统的可靠性将有很高的要求。本设计通过采用高速率元件，信息隔离技术，软件优化等，着重于解决这些问题。

1 系统整体结构
信息传输系统属于上级控制系统与下级子模块的中间系统，是信息通信的桥梁，主要完成的功能是将上级控制系统下发的冗余信息进行处理，采集正确的信息下发至下级子模块中，其整体结构框图如图1所示。

2 系统硬件结构设计
与传统的信息传输系统相比较，本设计在硬件方面做得最大突破是采取冗余设计。能够降低信息上传和接收出现故障的风险，提高了系统的可靠性和稳定性。同时为了保证传输速率，本设计所有元件的速率都在10 Mb／s以上。
2．1 电气隔离设计
上级控制系统向下级子模块下发的为高频信号，高频信号的抗干扰能力以及传输的准确性将直接影响整个系统的准确性。
本系统在对高频信号进行传输时，摒弃传统的传输方法，采用电气隔离技术进行传输，提高了信息传输的抗干扰性，同时能够保证在本系统发生故障时，上级控制系统不受到影响。
选取AVAGO公司的ACPL-074L双通道光耦器件，具有体积小、寿命长、抗干扰能力强等优点，速率可达到15 Mb／s，符合本系统的设计要求。电路设计原理图如图2所示。

2．2 信息处理单元设计
为了实现时序与逻辑控制，本设计信息处理单元选用可编程设计逻辑器件CPLD。由于本系统冗余设计的特点，CPLD主要完成信息识别与采集的功能。具体采集方法见第3节。
本系统采用双CPLD进行信息处理，与传统的单CPLD比较，可将上级控制系统下发的信息分为两部分进入CPLD，将系统下发信息出现故障的风险降低了一倍，提高了系统的可靠性。
CPLD选取的是Altera公司的EPM570GT100，其资源满足设计要求，并且体积小、稳定性强、成本低。
2．3 光电转换设计
本系统输出的信息需要下发到下级子模块中，由于下级子模块与本系统之间有一定的距离，仅靠TTL信号进行传输时，抗干扰能力差，不能保证信号的准确性。这就要求要用一种更好的传输方式进行传输。
本系统采用光信号进行传输，光信号传输具有抗电磁干扰能力强，传输速度快的优点。
所采用的光电转换元件为光收发一体模块，5 VTTL、0～10 Mb／s速率，在信息下发之前将ITL信号转为光信号，满足本系统设计要求。电路设计原理图如图3所示。

2．4 电流驱动设计
由于本系统上传信道冗余设计的特殊性，要求驱动冗余光耦的电流要实现30～50 mA之间，一般的元器件的输出电流不能达到这个要求，必须要增加专门的电流驱动电路。
本设计的电流驱动电路采用的电流驱动元件为TI公司的SN75452B，其最大输出电流可达到72 mA，完全可以满足冗余光耦的正常运行。电路设计原理图如图4所示。

3 系统软件结构设计
本系统CPLD的开发环境为Quartus 9．1，采用的程序设计语言为VHDL。VHDL语言功能强大，设计方法多样，设计描述与器件无关，便于程序的共享和移植。CPLD在本系统中所要实现的主要功能是产生输出控制信息，决定是否能够进行信息的下发以及采集正确合理的信息。
本系统设计的软件流程图如图5所示。

从图5可以看出，本系统首先根据上级控制系统下发的控制信息产生输出控制信息，输出控制信息采取“三取二”判断准则，具体判断方法见表1。当输出的控制信息为有效值时，证明系统可以下发信息，根据冗余系统优先级采集正确的下发信息。如输出控制信号无效，则停止
后续的冗余系统优先级判断，并上报系统故障。系统默认的是将优先级高的系统信息下发至下级子模块。

4 实验结果及分析
为了验证本系统功能的正确性，对本文所设计的信息传输系统进行了实验测试。测试条件如下：上级控制系统下发频率为10 Mb／s，占空比为3：2的方波信号，用示波器测量下发至下级子模块的信息波形，如图6，图7所示。从波形质量来看，本系统对高频信息进行传输，波形质量要优于传统的信息传输系统。