多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法与流程

1.本技术涉及多电平换流器控制系统通信技术领域，具体而言，涉及一种多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法。


背景技术：

2.随着碳中和、碳达峰的工作进程深入，各类新能源需要接入电网，以模块化多电平换流器系统为主要解决方案的柔性直流输电系统获得越来越广泛的应用。目前，高压柔性直流输电系统因其独特的优势，更加适用于长距离输电、风电并网、海底输电等应用场合。
3.模块化多电平换流器系统包括阀基控制器(valvebasedcontroller，vbc)和子模块控制器(sub-modulecontroller，smc)。其中，阀基控制器为主控设备，子模块控制器为执行机构。系统电压等级越高，子模块控制器数量越多。为了获取更好的谐波特性，并为系统提供足够的冗余度，换流器一般由多个子模块控制器级联构成。目前在实际工程项目中，单桥臂子模块控制器数量最多的已经超过500，三相六个桥臂的子模块控制器数量则更加庞大。在实际的多电平换流器控制系统中正常运行过程中，阀基控制器需要通过通信网络与所有的子模块控制器进行通信，由于每个子模块控制器具有相同的硬件与软件配置，因此需要为每个子模块控制器分配可区分的地址，使阀基控制器可以识别每个子模块控制器并实施独立控制。
4.当前主要有两种方式实现为子模块控制器分配地址：
5.方式一：按物理通信端口顺序编址。阀基控制设备与子模块控制器采用点对点方式通信，以阀基控制设备与子模块控制器实现通信的端口序号为子模块控制器地址。阀基控制设备的通信端口数量与子模块控制器数量相同，会带来显著的硬件设计困难以及散热问题，因此经常会增加通信数据分发的装置层级，造成层级复杂，控制延时增加。
6.方式二：根据子模块控制器在通信网络中的位置，离线为子模块控制器分配地址，并将地址写入子模块控制器内部的非易失性存储器中。这种方式会导致巨大的工作量，且不能避免操作出错的风险。部分应用场景下，子模块控制器安装在阀塔上，若采用人工操作的方式，需要高空作业，存在人身安全事故的隐患。
7.综上所述，在多电平换流器系统中，缺乏一种简单、高效通信网络中子模块控制器分配地址的方法，并且可以兼顾时间效率和安全性，不受子模块控制器数量的限制。
8.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

9.本技术旨在提供一种多电平换流器子模块控制器地址的在线分配方法，应用于模块化多电平换流器控制系统通信网络中。
10.根据本技术的一方面，提出一种多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法，所述多电平换流器系统包括阀基控制器与相互通信连接的n个子模块控制器，n为正
整数，对于所述n个子模块控制器中任一个子模块控制器，所述方法包括：
11.接收地址学习命令帧，所述地址学习命令帧包括地址信息，保存所述地址信息；
12.根据通信连接的其他子模块控制器的地址信息修改所述地址学习命令帧，并向通信连接的其他子模块控制器转发修改地址信息后的地址学习命令帧；
13.向通信连接的所述阀基控制器和其他子模块控制器发送地址学习确认帧。
14.根据一些实施例，所述n个子模块控制器组成矩形网络拓扑，水平方向称为x方向，垂直方向称为y方向；
15.所述地址信息为子模块控制器的地址；
16.所述子模块控制器的地址为x/y轴坐标(x,y)的函数f(x,y)。
17.根据一些实施例，所述地址学习命令帧包括帧类型和帧序号。
18.根据一些实施例，所述根据通信连接的其他子模块控制器的地址信息修改所述地址学习命令帧包括：
19.将与x正方向通信连接的子模块控制器的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x 1,y)，将与x负方向通信连接的子模块控制器的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x-1,y)；
20.将与y正方向通信连接的子模块控制器的地址学习命令帧中地址信息为修改f(x,y 1)，将与y负方向通信连接的子模块控制器的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x,y-1)。
21.根据一些实施例，所述地址学习确认帧还包括帧类型。
22.根据一些实施例，所述接收地址学习命令帧包括：
23.在地址学习命令帧序号队列包括所述地址学习命令帧的帧序号的情况下，丢弃所述地址学习命令帧；
24.在所述地址学习命令帧序号队列不包括所述地址学习命令帧的帧序号的情况下，保存所述地址学习命令帧至所述地址学习命令帧序号队列，且转发所述地址学习命令帧。
25.根据一些实施例，所述接收地址学习命令帧还包括：
26.在所述地址学习命令帧序号队列已满的情况下，将最早接收到的地址学习命令帧从所述地址学习命令帧序号队列中移除。
27.根据一些实施例，所述根据通信连接的其他子模块控制器的地址信息修改所述地址学习命令帧，并向通信连接的其他子模块控制器转发修改地址信息后的地址学习命令帧包括：
28.仅向未收到所述地址学习命令帧的通信端口转发修改地址信息后的地址学习命令帧。
29.根据一些实施例，所述向通信连接的所述阀基控制器和其他子模块控制器发送地址学习确认帧包括：
30.在学习确认帧源地址队列包括所述地址学习确认帧的地址信息的情况下，丢弃所述地址学习确认帧；
31.在所述学习确认帧源地址队列不包括所述地址学习确认帧的地址信息的情况下，保存所述地址学习确认帧至所述学习确认帧源地址队列，且转发所述地址学确认帧。
32.根据一些实施例，还包括：
33.在未完成地址学习的情况下，丢弃接收到的地址学习确认帧。
34.根据一些实施例，在所述学习确认帧源地址队列已满的情况下，将最早接收到的地址学习确认帧从所述地学习确认帧源地址队列中移除。
35.根据一些实施例，还包括：
36.在接收到不同帧序号的地址学习命令帧的情况下，清空所述学习确认帧源地址队列。
37.根据本技术的另一方面，提出一种多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法，所述多电平换流器系统包括阀基控制器和相互通信连接的n个子模块控制器，n为正整数，所述阀基控制器与所述n个子模块控制器中的至少一个子模块控制器通信连接，对于所述阀基控制器，所述方法包括：
38.向通信连接的子模块控制器发送地址学习命令帧，所述地址学习命令帧包括地址信息；
39.接收通信连接的子模块控制器发送的地址学习确认帧。
40.根据一些实施例，所述接收通信连接的子模块控制器发送的地址学习确认帧包括：
41.在第一时间阈值内，接收到n个子模块控制器的地址学习确认帧，则结束地址学习；
42.在所述第一时间阈值内，所述阀基控制器未接收到n个子模块控制器发送的地址学习确认帧，则地址学习失败，重新开始地址学习。
43.根据一些实施例，重新开始地址学习包括：
44.生成第二地址学习命令帧，其中，所述第二地址学习命令帧的帧序号与所述地址学习命令帧的帧序号不同；
45.向通信连接的子模块控制器发送所述第二地址学习命令帧。
46.根据本技术的另一方面，提出一种多电平换流器系统，包括阀基控制器和相互通信连接的n个子模块控制器，n为正整数，所述阀基控制器与所述n个子模块控制器中的至少一个子模块控制器通信连接，其中，所述n个子模块控制器中任一个子模块控制器执行如前文中任一者所述的方法，所述阀基控制器执行如前文中任一者所述的方法。
47.根据本技术的一些实施例的技术方案，可具有以下有益效果中的一个或多个：
48.1、本技术可以实现多电平换流器系统中子模块控制器单元自动学习地址的功能，适用于不同子模块控制器规模的应用场景，显著节省人工投入。地址分配过程无需人工干预，消除人为失误的风险。
49.2、在本技术中，阀基控制器最少只需要发送一次地址学习命令，即可以实现所有子模块控制器单元自动地址学习，提高系统地址学习的效率，节省系统初始化时间。
50.3、通过阀基控制器和多个子模块控制器的网络连接组成通信网络，通过上述通信网络中的设备逐级转发，从而可以在尚未分配地址的前提下，使得信息通过该通信网络中的电子设备的转发，准确地抵达目标子模块控制器，实现阀基控制器与上述通信网络中的多个子模块控制器通信互联；并可以通过该通信互联为上述通信网络中的多个子模块控制器分配地址。
51.4、阀基控制器最少只需要与一个子模块控制器直接通信连接，从而可以减少阀基
控制器配置的通信端口，进而可以简化阀基控制器的结构。同时由于不需要所有子模块控制器均与阀基控制器直接通信连接，因而也可以降低系统的布线复杂度和布线成本；因而，也使得利用上述方式组建的换流器系统可以不受系统规模限制(子模块控制器数量)。
52.5、由于通信网络的网状拓扑结构，使得从阀基控制器达到预设子模块控制器的传输路径可以不止一条。因而，当系统中的某一通信环节故障时，学习命令或者确认信息均可以通过其他路径到达目标，实现地址学习以及确认的功能，确保系统的健壮性。
53.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
54.通过参照附图详细描述其示例实施例，本技术的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，而不是对本技术的限制。
55.图1示出一示例性实施例的多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法流程示意图；
56.图2示出一示例性实施例的子模块控制器组成矩形拓扑的示意图；
57.图3a-3i示出一示例性实施例的学习命令帧传输示意图；
58.图4a-4c示出一示例性实施例的子模块控制器检测学习命令序号的示意图；
59.图5示出一示例性实施例的子模块控制器发送学习确认帧的示意图；
60.图6a-6c示出一示例性实施例的子模块控制器接收学习确认帧的示意图；
61.图7示出一示例性实施例的地址学习命令帧的帧格式示意图；
62.图8示出一示例性实施例的地址学习确认帧的帧格式示意图。
具体实施方式
63.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
64.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
65.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
66.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包
括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
67.本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
68.图1示出一示例性实施例的多电平换流器系统子模块控制器自动学习地址的方法流程示意图。
69.多电平换流器系统包括阀基控制器和相互通信连接的n个子模块控制器，n为正整数，阀基控制器与n个子模块控制器中的至少一个子模块控制器通信连接。n个子模块控制器组成矩形网络拓扑，水平方向称为x方向，垂直方向称为y方向。
70.s110：阀基控制器发送学习命令帧至指定子模块控制器。
71.根据示例实施例，阀基控制器向相邻子模块控制器发送包含地址的地址学习命令帧。地址信息为子模块控制器的地址；子模块控制器的地址为x/y轴坐标(x,y)的函数f(x,y)。
72.s120：子模块控制器接收学习命令帧，并保存帧中的地址信息。
73.根据示例实施例，子模块控制器接收地址学习命令帧，并保存地址信息。
74.s130：子模块控制器向其他子模块控制器发送修改地址信息后的学习命令帧。
75.根据示例实施例，子模块控制器向x正方向转发的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x 1,y)，向x负方向转发的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x-1,y)；子模块控制器向y正方向转发的地址学习命令帧中地址信息为修改f(x,y 1)，向y负方向转发的地址学习命令帧中地址信息修改为f(x,y-1)。
76.s140：子模块控制器向阀基控制器发送学习确认帧。
77.根据示例实施例，子模块控制器在接收地址学习命令帧，保存地址信息后，发送包括地址信息的地址学习确认帧。阀基控制器接收n个子模块控制器的地址学习确认帧，阀基控制器接收到全部子模块控制器的地址学习确认帧，完成本次地址学习过程。
78.根据示例实施例，阀基控制器发送学习命令帧后，开始在预设时间窗内接收并检测学习确认帧，如在预设时间窗内接收到所有的子模块控制器发送的学习确认帧，即本次地址学习成功；如在预设时间窗内未接收到所有的子模块控制器发送的学习确认帧，则本次地址学习不成功。
79.根据示例实施例，在地址学习不成功的情况下，将地址学习命令帧的帧序号加一；阀基控制器向通信连接的子模块控制器发送帧序号增加的地址学习命令帧，重新进行地址学习。
80.根据示例实施例，阀基控制器最少只需要发送一次地址学习命令，即可以实现所有子模块控制器单元自动地址学习，提高系统地址学习的效率，节省系统初始化时间。
81.图2示出一示例性实施例的子模块控制器组成矩形拓扑的示意图。
82.如图2所示，左下角子模块控制器的坐标为(x0,y0)，则位于其x正方向的相邻子模块控制器坐标为(x0 1,y0)，位于其y正方向的相邻子模块控制器坐标为(x0,y0 1)，以此类推。
83.根据示例实施例，本技术可以实现多电平换流器系统中子模块控制器单元自动学习地址的功能，适用于不同子模块控制器规模的应用场景，显著节省人工投入。地址分配过程无需人工干预，消除人为失误的风险。
84.图3a-3i示出一示例性实施例的学习命令帧传输示意图。
85.如图3a所示，子模块控制器组成5列4行矩形网络拓扑，其坐标范围从左下角模块(1,1)到右上角模块(5,4)，阀基控制器vbc与坐标为(1,1)的子模块控制器连接。
86.如图3b所示，子模块控制器接收到地址学习命令帧，将其中包含的地址(1,1)保存为本子模块控制器地址，并向y正方向发送包含地址(1,2)的地址学习命令帧，向x正方向发送包含地址(2,1)的地址学习命令帧。
87.如图3c所示，地址为(1,2)的子模块控制器完成地址学习，向y正方向和x正方向分别发送包含地址为(1,3)和(2,2)的地址学习命令帧；地址为(2,1)的子模块控制器完成地址学习，向x正方向和y正方向分别发送包含地址为(3,1)和(2,2)的地址学习命令帧。
88.如图3d至图3h所示，每个完成地址学习的子模块控制器，向下游其他子模块控制器发送修改过地址的地址学习命令帧，各子模块控制器顺序完成地址学习。
89.如图3i所示，所有子模块控制器均完成地址学习。
90.根据示例实施例，通过阀基控制器和多个子模块控制器的网络连接组成通信网络，通过上述通信网络中的设备逐级转发，从而可以在尚未分配地址的前提下，使得信息通过该通信网络中的电子设备的转发，准确地抵达目标子模块控制器，实现阀基控制器与上述通信网络中的多个子模块控制器通信互联；并可以通过该通信互联为上述通信网络中的多个子模块控制器分配地址。
91.根据示例实施例，阀基控制器最少只需要与一个子模块控制器直接通信连接，从而可以减少阀基控制器配置的通信端口，可以简化阀基控制器的结构。同时由于不需要所有子模块控制器均与阀基控制器直接通信连接，也可以降低系统的布线复杂度和布线成本；也使得利用上述方式组建的换流器系统可以不受系统规模和子模块控制器数量的限制。
92.根据示例实施例，由于通信网络的网状拓扑结构，使得从阀基控制器达到预设子模块控制器的传输路径可以不止一条。因而，当系统中的某一通信环节故障时，学习命令或者确认信息均可以通过其他路径到达目标，实现地址学习以及确认的功能，确保系统的健壮性。
93.图4a-4c示出一示例性实施例的子模块控制器检测学习命令序号的示意图。
94.根据示例实施例，子模块控制器检测学习命令帧序号队列并决定是否继续转发。图4a-4c示出子模块控制器检测学习命令序号，并确定是否转发的情形。
95.如图4a所示，当前子模块控制器接收到地址学习命令帧，其中学习命令序号为4，子模块控制器在学习命令序号队列中未搜索到相同序号，则本地址学习命令为首次接收，子模块控制器将学习命令序号4填入学习命令序号队列，并开始转发带有学习命令序号4的地址学习命令帧。
96.如图4b所示，当前子模块控制器接收到地址学习命令帧，其中学习命令序号为4，子模块控制器在学习命令序号队列中搜索到有相同序号，则本地址学习命令不是首次接收，子模块控制器不转发地址学习命令。
97.如图4c所示，当前子模块控制器接收到地址学习命令帧，其中学习命令序号为9，而此时子模块控制器未搜索到相同序号，则本地址学习命令是首次接收，但是学习命令序号队列已满，子模块控制器转发地址学习命令，并将序号9填入队列，将最早接收到的学习
命令序号1从队列中移除。
98.根据示例实施例，子模块控制器转发学习命令帧时，仅向未收到本学习命令帧的通信端口转发，而不从曾接收到该学习命令帧的通信端口转发。
99.根据一些实施例，矩形网络拓扑中子模块控制器间存在多条通信链路，但搜索学习命令帧序号的重复元素确定是否转发，以及仅向未收到本学习命令帧的通信端口转发的机制，使相同子模块控制器命令不会在网络中无限循环而形成类似网络风暴的情况。
100.在本示例实施例中，地址学习命令帧的转发方向是沿着x方向和y正方向进行的。
101.图5示出一示例性实施例的子模块控制器发送学习确认帧的示意图。
102.根据示例实施例，子模块控制器检测完成地址学习后，发送地址学习确认帧。未完成地址学习的子模块控制器接收到地址学习确认帧后直接丢弃所述地址学习确认帧。
103.如图5所示，地址(3,2)的子模块控制器完成地址学习后，向各端口发送地址学习确认帧。其中包含地址(3,2)的地址学习确认帧沿两条不同的路径均到达子模块控制器(2,2)。
104.501：表示由地址为(3，2)的子模块控制器发送的学习确认帧，经子模块控制器(3，1)以及子模块控制器(2，1)转发到达子模块控制器(2，2)；
105.502：表示由地址为(3，2)的子模块控制器发送的学习确认帧，发送至未完成地址学习的子模块控制器，该学习确认帧被直接丢弃；
106.503：表示由地址为(3，2)的子模块控制器发送的学习确认帧至子模块控制器(2，2)。
107.504：表示由地址为(3，2)的子模块控制器发送的学习确认帧至未完成地址学习的子模块控制器，该学习确认帧被直接丢弃的情况。
108.图6a-6c示出一示例性实施例的子模块控制器接收学习确认帧的示意图。
109.根据示例实施例，子模块控制器检测学习确认帧源地址队列并决定是否继续转发。图6a-6c示出子模块控制器检测学习确认帧，并确定是否转发的情形。
110.如图6a所示，当前子模块控制器接收到学习确认帧，其中子模块控制器地址为(1,3)，子模块控制器在学习确认帧源地址队列中未搜索到相同地址，则此学习确认帧为首次接收，子模块控制器将地址(1,3)填入队列，并开始转发此学习确认帧。
111.如图6b所示，当前子模块控制器接收到学习确认帧，其中子模块控制器地址为(2,2)，子模块控制器在学习确认帧源地址队列中搜索到相同地址，则此学习确认帧并非首次接收，子模块控制器不修改队列，也不转发此学习确认帧。
112.如图6c所示，当前子模块控制器接收到学习确认帧，其中子模块控制器地址为(3,2)，子模块控制器在学习确认帧源地址队列中未搜索到相同地址，则学习确认帧为首次接收。但是学习确认帧源地址队列已满，子模块控制器将队列中最早的(1,1)移出队列，将(3,2)填入队列，并转发此学习确认帧。
113.根据示例实施例，当子模块控制器接收到学习命令帧，且其序号在学习命令帧序号队列中无相同序号的学习命令帧时，表明一次新的地址学习过程已经开始，子模块控制器清空学习确认帧源地址队列。
114.图7示出一示例性实施例的地址学习命令帧的帧格式示意图。
115.如图7所示，地址学习命令帧的字段定义为：
116.帧类型：长度为16bit，对于地址学习命令帧，这个字段值固定为0x8001。
117.目标子模块控制器x地址信息：长度为16bit，有效范围从1～65535，此字长限制了本实施例中多电平换流器子模块控制器组成的矩形拓扑，在水平方向上子模块控制器的数量不能多于65535个。
118.目标子模块控制器y地址信息：长度为16bit，有效范围从1～65535，此字长限制了本实施例中多电平换流器子模块控制器组成的矩形拓扑，在垂直方向上子模块控制器的数量不能多于65535个。
119.命令帧序号：长度为16bit，有效范围从0～65535，若上一次地址学习过程的命令帧序号为65535，则在本次地址学习过程中，阀基控制设备发送的命令帧序号从0重新开始。
120.帧校验：长度为16bit，为前述字段1/2/3/4的crc校验字。
121.图8示出一示例性实施例的地址学习确认帧的帧格式示意图。
122.如图8所示，地址学习确认帧的字段定义为：
123.帧类型：长度为16bit，对于地址学习命令帧，这个字段值固定为0x8002。
124.源子模块控制器x地址信息：长度为16bit，有效范围从1～65535，此字长限制了本实施例中多电平换流器子模块控制器组成的矩形拓扑，在水平方向上子模块控制器的数量不能多于65535个。
125.源子模块控制器y地址信息：长度为16bit，有效范围从1～65535，此字长限制了本实施例中多电平换流器子模块控制器组成的矩形拓扑，在垂直方向上子模块控制器的数量不能多于65535个。
126.帧校验：长度为16bit，为前述字段1/2/3/4的crc校验字。
127.应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
128.此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本技术示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
129.以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。