胡雨龍，杜路路，紀 攀，何迎飛

（1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司，廣州 510620；2.特變電工新疆新能源股份有限公司，西安 710075）

0 引言

柔性直流輸電具有輸送容量大、損耗小、送電距離遠等優(yōu)點，是實現(xiàn)中國能源優(yōu)化的有效途徑。閥控系統(tǒng)是聯(lián)系上層控制保護系統(tǒng)與底層子模塊的中間樞紐，其可靠性對柔性直流輸電穩(wěn)定運行有重要意義[1-2]?；趥鹘y(tǒng)手寫代碼的開發(fā)流程一方面對開發(fā)人員代碼編制能力要求較高，另一方面由于人為因素而造成產(chǎn)品的可靠性低，調(diào)試周期長，開發(fā)成本高且不利于后續(xù)產(chǎn)品維護。基于模型的可視化軟件代碼生成方法，因易仿真驗證、高可靠性等優(yōu)點，近年來廣泛應用在汽車、軍工、軌道交通等行業(yè)的控制系統(tǒng)[3-5]。在電力領(lǐng)域已有學者在可視化編程直流控制保護方面進行了研究[6-7]，但可視化編程在柔性直流輸電閥控裝置中尚無應用。文獻[9]和文獻[10]在MATLAB/Simulink 自動代碼生成環(huán)境下，采用圖形化編程的方式分別實現(xiàn)汽車電控單元和電機控制器設(shè)計，但僅探討了代碼自動生成的單個細節(jié)，未涉及整體控制策略和實際產(chǎn)品應用。

本文以柔性直流輸電閥控裝置為研究對象，首先研究基于模型設(shè)計的軟件開發(fā)流程及代碼生成原理，詳細闡述順控模型及環(huán)流抑制模型的設(shè)計過程，對所搭建模型進行離線仿真調(diào)試驗證，并將調(diào)試成功的模型一鍵生成代碼移植至閥控控制器。最后，通過工程現(xiàn)場試驗測試換流閥充電解鎖啟動運行的工況，驗證基于模型設(shè)計的閥控軟件開發(fā)方法的可行性。

1 基于模型設(shè)計的軟件開發(fā)流程

基于模型設(shè)計的開發(fā)以模型為中心，模型構(gòu)建過程即為設(shè)計過程，設(shè)計過程中可以隨時進行仿真以檢查設(shè)計合理性。設(shè)計和驗證過程中，通過自動代碼生成可以將設(shè)計的算法模型自動轉(zhuǎn)換成C，C++，HDL 和PLC 代碼，不需要手工編寫算法代碼，節(jié)省時間，減少錯誤，生成的代碼可針對芯片進行優(yōu)化，直接布置到硬件設(shè)備中。

1.1 代碼自動生成

MATLAB 中Simulink Coder 將模型生成代碼過程分為模型解析、代碼生成兩部分。

1）模型解析。

Simulink Coder 首先對搭建的控制軟件模型進行編譯，生成.rtw 格式的模型描述文件，文件描述了所有模塊、輸入、輸出、參數(shù)、狀態(tài)等模型的全部配置和屬性信息。

2）代碼生成。

TLC（目標語言編譯器）讀取.rtw 格式文件，并依據(jù)目標文件.tlc 格式文件生成C 代碼。其原理如圖1 所示。

圖1 代碼生成原理

1.2 代碼移植及下載

完整的軟件工程包括應用層代碼和底層驅(qū)動代碼。一般模型生成代碼的部分為應用層代碼，底層驅(qū)動部分若用Simulink 搭建，既需要熟悉MCU（微控制單位）的內(nèi)部架構(gòu)，又需要掌握TLC代碼和目標文件語法[10]，開發(fā)時間成本高，因此本閥控裝置軟件開發(fā)底層驅(qū)動部分仍采用手寫代碼方式。

將底層硬件驅(qū)動程序和自生成應用層程序代碼整合，經(jīng)過代碼編譯器生成硬件支持的.out 格式可執(zhí)行文件，并將其下載至控制器中。

2 軟件設(shè)計

柔性直流輸電單端系統(tǒng)如圖2 所示。閥控系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：接收CCP（換流器控制保護設(shè)備）傳送的命令，控制系統(tǒng)處于停機態(tài)、充電態(tài)、待解鎖態(tài)或運行態(tài)；抑制橋臂電流二倍頻環(huán)流功能；故障保護功能。

圖2 柔性直流輸電單端系統(tǒng)

依據(jù)閥控裝置的功能需求，使用Simulink 工具箱和Stateflow 工具箱搭建設(shè)備的控制軟件模型，包括順序控制、環(huán)流抑制、模塊比對、故障保護、子模塊冗余控制、系統(tǒng)冗余切換等。

2.1 順序控制

為實現(xiàn)閥控裝置的順序控制功能，設(shè)計順序控制邏輯流程如圖3 所示。正常運行模式下順序控制主要有上電初始化、停機態(tài)、充電態(tài)、待解鎖態(tài)、運行態(tài)和故障態(tài)。

圖3 順序控制邏輯

利用Stateflow 搭建順序控制可視化模型如圖4 所示。

圖4 順序控制模型

停機態(tài)：若該狀態(tài)下檢測到跳閘類故障Fw不為0，則轉(zhuǎn)為故障態(tài)；若未檢測到跳閘類故障Fw，且CCP 下發(fā)的命令EnergizeMode（運行/停運狀態(tài)）由無效（0x5555）變?yōu)橛行В?xAAAA），則閥控系統(tǒng)進入充電態(tài)。

充電態(tài)：充電狀態(tài)下若接收到CCP 下發(fā)的停運命令（EnergizeMode=0x5555），進入停機態(tài)；充電狀態(tài)下若檢測到故障Fw 不為0，則轉(zhuǎn)為故障態(tài)；正常充電狀態(tài)下根據(jù)CCP 下發(fā)充電模式命令字，執(zhí)行不同的不控充電、可控充電邏輯；充電完成判斷充電電壓滿足解鎖要求后，進入待解鎖態(tài)。

進入待解鎖態(tài)充電電壓的滿足條件如圖5 所示：全橋子模塊平均電壓與半橋模塊平均電壓差小于設(shè)定值；全局子模塊平均電壓大于模塊電壓給定值。

圖5 進入待解鎖態(tài)充電電壓滿足條件

待解鎖態(tài)：待解鎖狀態(tài)下，檢測到跳閘類故障Fw 不為0，閥控系統(tǒng)進入故障態(tài)；若接收到CCP下發(fā)的停運命令（EnergizeMode=0x5555），進入停機態(tài)；若此待解鎖態(tài)是由充電態(tài)轉(zhuǎn)入待解鎖態(tài)，則接收到CCP 的解鎖命令（DEBLOCK=0xAAAA），進入運行態(tài)。

運行態(tài)：運行態(tài)下檢測到跳閘類故障Fw 不為0，閥控系統(tǒng)進入故障態(tài)；若接收到CCP 下發(fā)的停運命令（EnergizeMode=0x5555），進入停機態(tài)；運行狀態(tài)下若接收到CCP 下發(fā)閉鎖命令（DEBLOCK=0x5555），則進入待解鎖態(tài)；正常運行狀態(tài)下，CCP 下發(fā)解鎖命令（DEBLOCK=0xAAAA），閥控系統(tǒng)向模塊下發(fā)解鎖命令（PWM_ON）。

2.2 環(huán)流抑制

MMC（模塊化多電平換流器）處于四象限運行時，橋臂電流含直流分量、工頻交流分量以及二倍頻環(huán)流分量。其中，二倍頻環(huán)流分量為諧波擾動，在一定程度上增加了功率模塊的運行損耗。采用如圖6 所示的dq 軸電流解耦矢量控制方案進行環(huán)流抑制，通過abc/dq 坐標變換模塊（Tabc/dq）得到橋臂電流二倍頻分量，通過PI（比例-積分）控制及dq 軸解耦控制產(chǎn)生環(huán)流抑制分量，疊加至CCP 下發(fā)的調(diào)制波中，最終實現(xiàn)環(huán)流抑制。圖6 中，ipj，inj（j=a，b，c）為三相橋臂電流；idiiffj為MMC 三相內(nèi)部電流；i2fd，i2fq分別為內(nèi)部環(huán)流 的d 軸、q軸分量，i2fd_ref，i2fq_ref分別為環(huán)流d軸、q 軸分量的參考值；Mdiffd_ref，Mdiffq_ref分別為環(huán)流抑制參考電壓d 軸、q 軸分量；Mdiffj_ref（j=a，b，c）為三相環(huán)流抑制參考電壓；ω 為基波角頻率；L為連接電感；θcir為交流電壓二倍頻相位角。

圖6 環(huán)流抑制控制框圖

與環(huán)流抑制控制框圖相對應的，環(huán)流抑制可視化模型主要由Tabc/dq（坐標變換）模塊、PI 控制模塊、Tdq/abc（坐標反變換）模塊三部分組成，如圖7 所示。

圖7 環(huán)流抑制總體模型

1）Tabc/dq 模塊如圖8 所示。該模塊主要功能為通過abc/dq 坐標變換獲取橋臂電流二倍頻分量。

圖8 Tabc/dq 模塊模型

2）PI 控制模塊如圖9 所示。該模塊根據(jù)系統(tǒng)實際情況計算環(huán)流抑制或環(huán)流注入給定值，給定值以斜坡方式輸入PI 控制器，經(jīng)計算得到dq 坐標系下環(huán)流抑制分量。

圖9 PI 控制模塊模型

3）Tdq/abc 模塊如圖10 所示。該模塊主要功能為通過dq/abc 坐標變換得到三相的環(huán)流抑制分量。

圖10 Tdq/abc 模塊模型

3 仿真測試與驗證

將以上搭建的閥控軟件模型與CCP 模型、MMC 模型結(jié)合，對軟件功能進行離線仿真，以驗證順序控制、環(huán)流抑制等功能是否與設(shè)計需求一致。

系統(tǒng)充電及解鎖仿真試驗波形如圖11 所示。

圖11 交流充電及解鎖仿真試驗波形

1）交流斷路器分閘時，換流閥處于停機狀態(tài)（seqState=1）。

2）1 s 時交流斷路器合閘后，CCP 下發(fā)運行命令，EnergizeMode 由0x5555 變?yōu)?xAAAA，換流閥進入充電狀態(tài)（seqState=3），模塊開始充電。

3）經(jīng)不控充電和可控充電后，模塊電壓不斷上升，當模塊電壓滿足解鎖條件（DetlaFlag&VolOkFlag=1），換流閥充電完成進入待解鎖態(tài)（seqState=4）。

4）13.5 s 時CCP 下發(fā)解鎖命令，換流閥進入運行態(tài)（seqState=5），運行時子模塊電容電壓被穩(wěn)定控制在2 100 V 左右。

啟動過程各個階段狀態(tài)與設(shè)計的系統(tǒng)順控邏輯一致，符合預期。

環(huán)流抑制仿真試驗波形如圖12 所示。環(huán)流抑制投入過程中，橋臂環(huán)流得到很好抑制，基本為0，環(huán)流抑制退出后，系統(tǒng)有較大的橋臂環(huán)流。仿真結(jié)果驗證了順序控制模型邏輯和環(huán)流抑制模型搭建的正確性，與設(shè)計需求一致。

圖12 環(huán)流抑制仿真試驗波形

基于模型開發(fā)的調(diào)試及優(yōu)化過程如圖13 所示。運用基于模型的軟件設(shè)計方法，可以在軟件仿真測試環(huán)節(jié)對各功能塊邏輯進行調(diào)試，將軟件調(diào)試提前至仿真階段，修正大部分軟件問題。另外，模型化設(shè)計方法可清晰展示閥控系統(tǒng)邏輯關(guān)系、算法結(jié)構(gòu)和中間變量，提高軟件的可讀性和可控性，減少功能設(shè)計漏洞，有益于快速分析定位出軟件設(shè)計中存在的問題。經(jīng)過對模型邏輯進行多輪修正及驗證，一鍵生成代碼的功能基本與實際需求一致，大大縮短了開發(fā)周期與試驗平臺調(diào)試周期。

圖13 基于模型開發(fā)的調(diào)試及優(yōu)化過程

4 代碼生成及移植

4.1 代碼生成及移植

主控板DSP（數(shù)字信號處理器）代碼生成及移植如圖14 所示。經(jīng)仿真驗證的模型自動生成應用層代碼后與主控板DSP 底層驅(qū)動代碼結(jié)合，通過CCS（代碼調(diào)試器）編譯器編譯生成可執(zhí)行文件下載至閥控主控板DSP 中。底層驅(qū)動代碼主要包括GPIO（通用輸入/輸出口）配置、SRIO（串行高速總線）配置、中斷配置、與主控板FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）之間PCIE（高速串行計算機擴展總線）通信、E2ROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）讀寫操作等。應用層程序通過底層PCIE 通信程序讀取主控板FPGA 發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯處理后通過PCIE 通信發(fā)送反饋的命令和數(shù)據(jù)至主控板FPGA。主控板FPGA 完成與CCP、橋臂控制板等之間通信。主控板FPGA 及閥控其他所有控制板FPGA 代碼均仍采用手寫代碼方式。

圖14 主控板DSP 代碼生成及移植

4.2 自生成代碼與手寫代碼執(zhí)行效率對比

分別測試閥控在整個啟動過程中自生成代碼與手寫代碼的程序最大執(zhí)行時間，DSP 中斷周期為50 μs，測試結(jié)果見表1。

表1 自生成代碼與手寫代碼執(zhí)行效率對比

自生成代碼的最大程序執(zhí)行時間為17.23 μs，手寫代碼最大執(zhí)行時間為16.95 μs，DSP 負載率相差0.57%，測試結(jié)果表明自生成代碼可以保證較高的執(zhí)行效率。

5 試驗結(jié)果與分析

對烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程柳北換流站極1 低端換流閥現(xiàn)場進行單端解鎖運行及環(huán)流抑制投退，試驗波形如圖15、圖16 所示。

圖15 交流充電及解鎖試驗波形

圖16 環(huán)流抑制投退試驗波形

基于模型設(shè)計開發(fā)的閥控系統(tǒng)在接受CCP下發(fā)的不同指令后，正確完成順序控制邏輯，分別使換流閥進入停機、不控充電、可控充電、待解鎖、運行等階段，模塊電壓不斷上升，逐漸穩(wěn)定在2 100 V。整個啟動過程具有良好的動態(tài)及穩(wěn)定性能，驗證了順序控制模型及自生成代碼的有效性。

環(huán)流抑制現(xiàn)場波形與仿真結(jié)果一致。環(huán)流抑制投入時，橋臂電流相對平衡，橋臂環(huán)流諧波量基本為0；環(huán)流抑制退出后，橋臂之間有很大的二倍頻環(huán)流，橋臂電流有較大的諧波擾動，增加了功率模塊的運行損耗。現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了閥控環(huán)流抑制整體控制策略模型及自生成代碼的有效性。

6 結(jié)語

本文闡述了以模型開發(fā)為核心的可視化編程開發(fā)流程，以柔性直流輸電閥控裝置為研究對象，設(shè)計順控模型及環(huán)流抑制控制策略模型，現(xiàn)場測試結(jié)果表明運用自生成代碼方法實現(xiàn)的功能與仿真結(jié)果相同，驗證了基于模型設(shè)計的軟件開發(fā)方法的正確性和有效性。本文研究成果如下：

1）軟件設(shè)計過程可視化，可調(diào)用MATLAB算法庫，簡化了開發(fā)過程，可操作性強。

2）模型搭建過程中可隨時對設(shè)計邏輯進行調(diào)試驗證，經(jīng)過對模型邏輯進行多輪修正及驗證，一鍵生成代碼的功能基本與實際需求一致，大大減少在硬件試驗平臺中的調(diào)試時間，提高了開發(fā)效率。

3）通過維護MATLAB 模型即可實現(xiàn)應用層代碼的維護，提高了軟件的可維護性，節(jié)省了人力物力。

4）本文僅針對閥控DSP 軟件的模型設(shè)計進行研究及應用，后續(xù)可擴展至FPGA 軟件模型設(shè)計研究，使閥控系統(tǒng)全面實現(xiàn)可視化軟件設(shè)計。