CN102193541B - 一种电气化铁路同相供电装置监控平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电气化铁路同相供电装置监控平台，由最上层的HMI人机界面部分、中间的主控制器部分和底层的光电触发与检测部分组成：HMI人机界面部分包括本地监控机和站控后台机；底层光电触发与检测部分包括设定个数的分光板和驱动板，驱动板用于与逆变器的并联IGBT阀组控制连接；分光板和驱动板与主控制器之间均通过光纤通信连接；本地监控机和站控后台机与主控制器通信连接；站控后台机同时用于与上级自动化系统通信相连。本发明的同相供电装置监控平台可以实现在各种工况下对同相供电装置两侧变流器的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气化铁路同相供电装置监控平台。
背景技术
监控平台式电气化铁路同相供电装置的重要组成部分，它是实现同相供电装置控制软硬件基础，可完成对牵引变两侧负荷的实时检测及闭环控制算法计算，并实现对两侧逆变器IGBT阀的触发、保护、协调控制及监视。其可靠性是同相供电装置能否安全稳定运行的前提。
同相供电监控平台的主要技术难点如下：1）强电磁干扰环境下底层IGBT阀的触发、保护与检测问题；2）同相供电装置两侧逆变器的协调控制与保护问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路同相供电装置监控平台，以解决现有同相供电监控平台所存在的协调控制与保护的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电气化铁路同相供电装置监控平台，该监控平台采用分层分布式结构，由最上层的HMI人机界面部分、中间的主控制器部分和底层的光电触发与检测部分组成：HMI人机界面部分由本地监控机和站控后台机组成；底层光电触发与检测部分包括设定个数的分光板和驱动板，所述驱动板用于与逆变器的并联IGBT阀组控制连接；所述分光板和驱动板与主控制器之间均通过光纤通信连接；所述本地监控机和站控后台机与主控制器通信连接；站控后台机同时用于与上级自动化系统通信相连。
所述主控制器部分包括电源板、开关量板、采样板、主控板、监控班和光纤板，其中采样板、主控板和光纤板各有两块，分为左右两个部分，分别用于控制同相供电装置整流侧逆变器和逆变侧逆变器。
所述本地监控机通过工业现场CAN总线与主控制器相连；站控后台机通过LAN口与主控制器相连；站控后台机同时通过光纤通信与上级自动化系统相连。
所述两主控板通过CAN总线与监控板之间通信连接。
本发明的电气化铁路同相供电装置监控平台由最上层的HMI人机界面部分、中间的主控制器部分和底层的光电触发与检测部分组成，可以实现在各种工况下对同相供电装置两侧变流器的控制，通过IGBT底层触发、保护与检测系统可主动完成保护功能，在阀体异常情况下，主动闭锁阀体，并将故障信号通过光纤上送至监控平台主控制器。同相供电监控平台采用多CPU板对两侧逆变器单独闭环控制，两块板之间采用触发同步信号及高速故障互锁信号实现同步触发和快速保护，当一侧存在故障时，两侧逆变器同时快速闭锁，从而有效的保护了设备的安全。
附图说明
图1是本发明同相供电装置主电路拓扑简图；
图2是监控平台系统框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步介绍。
如图1所示，同相供电装置安装在牵引变压器的两个端口，铁路牵引网取消电分相环节，而采用牵引变提供的α相电源供电。同相供电装置由单相背靠背交直交逆变器组成，包含整流侧逆变器、直流侧支撑电容和逆变侧逆变器，整流侧逆变器接于牵引变压器β端口，逆变侧逆变器接于牵引变压器α端口。
本发明的电气化铁路同相供电装置监控平台是一种全新的控制系统，它可以实现在各种工况下对同相供电装置两侧变流器的控制，其系统框图如图2所示，监控系统由本地监控机和站控后台机、主控制器部分和底层光电触发与检测部分组成。
监控平台采用分层分布式结构，最上层部分为HMI人机界面部分，由本地监控机和站控后台机组成。本地监控机通过工业现场CAN总线与主控制器相连，实现就地的监控功能；站控后台机通过LAN口与主控制器相连，实现站内远方的监控功能；站控后台机同时通过光纤通信或其它方式与上级自动化系统相连，两者之间采用标准远动通信规约。
监控系统中层部分为主控制器部分，主控制器有电源板、开关量板、采样板、主控板、监控班和光纤板组成。其中采样板、主控板和光纤板各安装两块，分为左右两个部分，分别控制同相供电装置整流侧逆变器和逆变侧逆变器。
两侧采样板各自检测牵引变压器两侧负荷的有功功率、无功功率、谐波电流，通过两块主控板各自进行闭环算法控制，计算所需补偿部分并形成PWM触发脉冲信号，通过对应光纤板将PWM触发脉冲信号转换为光信号送给底层光电触发与检测部分以实现对逆变器IGBT阀触发，同时通过光纤板直接检测底层光电触发与检测部分上送的IGBT阀反馈故障信号实现快速保护功能。
两侧主控板采用多CPU并行工作方式，本设置既考虑了两侧逆变器物理上的独立性，又考虑了控制上的相关性，在正常运行期间，两块板卡各自进行闭环运算，相互互不影响，同时两块板卡之间通过快速联络信号进行联络，以实现启动时的同步功能及故障闭锁时的同步闭锁功能，有效的提高了控制及保护的可靠性。
两侧主控板同时通过CAN总线与监控板之间交换数据并接受监控板下达的指令，监控板与本地后台机之间通过CAN总线进行通信，同时通过LAN口与站控后台机的通信，从而实现人机交换、数据交换及控制指令的接收。
两侧主控板在完成闭环算法后在生成PWM触发脉冲发给各自光纤板，光纤板将PWM电触发信号转换为光触发信号下发给底层光电触发与检测部分的分光板，光纤板同时接收底层光电触发与检测部分的驱动板上传的故障光信号，任一个故障信号将触发闭锁成套装置，从而实现成套装置快速保护功能。
监控系统底层部分为底层光电触发与检测部分，主要由分光板和驱动板组成，分光板和驱动板可以根据逆变器IGBT阀组并联数量灵活设定，它们和主控制器之间均通过光纤进行联络以增强抗电磁干扰能力。
分光板接收各自主控板发来的PWM光触发信号，根据底层IGBT阀组并联的数量进行输出分配，实现对多个IGBT阀的控制，即输入单个光入信号可以转化为多个光信号输出，以减少光电触发与检测部分与主控制器之间的连接光纤数量。每个IGBT上均安装有驱动板，驱动板实时检测IGBT的工作状态，在IGBT出现故障时，立刻通过光纤经故障信息发送给主控制器光纤板，光纤板再将信号发给主控板以闭锁所有触发脉冲，从而实现单个IGBT故障立刻闭锁所有IGBT阀的快速保护功能。
由于主控制器和底层光电触发与检测部分均通过光纤进行联络，PWM光触发信号可以进行单入多出分配，IGBT故障信号直接反馈给主控制器实现快速闭锁。本方式抗电磁干扰能力强，保护迅速可靠，有效的提高了成套装置的可靠性。
本监控平台适用于电气化铁路同相供电装置单相系统的交直交背靠背逆变器的监控，与本发明相似的方案为SVC装置的监控平台，SVC监控平台亦采用分层分布式监控平台，底层晶闸管阀亦采用光纤触发与检测。本监控平台与SVC装置监控平台不同点在于：1）同相供电IGBT阀的触发信号和频率与SVC装置的晶闸管不同，复杂程度更高，运行环境下的电磁干扰更加剧烈；2）同相供电装置的主电路结构与SVC的结构不同，其控制难度复杂程度不同。
本监控平台与SVC装置的分层分布式监控平台相比，其不同点及优点如下：
（1）SVC装置底层阀体为晶闸管，其开关频率为工频50Hz，而同相供电装置底层阀体为IGBT，其开关频率为晶闸管的20倍以上，电磁干扰更加厉害；SVC的一相阀体均为相同触发脉冲，而同相供电单侧IGBT阀体至少需要4个不同的触发脉冲，控制难度更大；SVC的晶闸管触发与检测系统无法完成主动闭锁功能，本监控平台中的IGBT底层触发、保护与检测系统可主动完成保护功能，在阀体异常情况下，主动闭锁阀体，并将故障信号通过光纤上送至监控平台主控制器。本方式灵活可靠，既能保证多个触发脉冲的实时性，也能保证故障情况下的主动保护及装置整体保护，大幅提高了设备的运行可靠性。
（2）SVC装置的主电路为无源设备，即不属于并网设备，控制难度较低；同相供电装置的主电路为有源并网设备，且两侧均需要进行并网控制，且两侧逆变器要协调控制，控制难度较大，如控制上存在不协调问题，设备将故障退出，无法正常运行。同相供电监控平台采用多CPU板对两侧逆变器单独闭环控制，两块板之间采用触发同步信号及高速故障互锁信号实现同步触发和快速保护，当一侧存在故障时，两侧逆变器同时快速闭锁，从而有效的保护了设备的安全。本方式即考虑了两侧逆变器物理上的独立性，又考虑了控制上的相关性，实现起来灵活可靠，有效的保证了控制及保护的可靠性。
另外，本发明可以采用不同的监控平台，如在底层光电触发与检测部分中增加数字芯片进行控制，但是采用这种方式，由于底层电磁干扰比较厉害且增加了一个故障环节，设备稳定性较差，另外也增加了设备的整体成本，在工程上并不合适。与其它方案相比，本监控平台根据设备不同的功能，从物理和电气结构上处于不同的层次，相互间通过光纤或现场总线相互连接，具有抗干扰能力强、灵活性好、可靠性高、稳定性好、成本低、工程实现简单的优点，是大功率电力电子设备控制平台的典范。
Claims (2)
1.一种电气化铁路同相供电装置监控平台，其特征在于：该监控平台采用分层分布式结构，由最上层的HMI人机界面部分、中间的主控制器部分和底层的光电触发与检测部分组成：HMI人机界面部分由本地监控机和站控后台机组成；底层光电触发与检测部分包括设定个数的分光板和驱动板，所述驱动板用于与逆变器的并联IGBT阀组控制连接；所述分光板和驱动板与主控制器之间均通过光纤通信连接；所述本地监控机和站控后台机与主控制器通信连接；站控后台机同时用于与上级自动化系统通信相连；所述主控制器部分包括电源板、开关量板、采样板、主控板、监控板和光纤板，其中采样板、主控板和光纤板各有两块，分为左右两个部分，分别用于控制同相供电装置整流侧逆变器和逆变侧逆变器；所述两主控板通过CAN总线与监控板之间通信连接。
2.根据权利要求1所述的电气化铁路同相供电装置监控平台，其特征在于：所述本地监控机通过工业现场CAN总线与主控制器相连；站控后台机通过LAN口与主控制器相连；站控后台机同时通过光纤通信与上级自动化系统相连。
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