CN103227506A - 一种换流阀晶闸管触发监测单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换流阀晶闸管触发监测单元，包括：中央处理单元I以及与其连接的辅助电路I、中央处理单元II以及与其连接的辅助电路II；所述辅助电路I的电光转换电路与中央处理单元II进行通信；控制保护系统向阀基电子设备发送触发命令和晶闸管结温信息，阀基电子设备根据接收到触发命令和晶闸管结温信息产生触发脉冲，并送至晶闸管触发监测单元，晶闸管触发与监测单元产生触发脉冲送至晶闸管门极。本发明采用双脉冲编码优点主动监测晶闸管，脉冲编码简洁。在触发晶闸管之前，晶闸管触发监测单元将晶闸管状态发送给阀基电子设备，阀基电子设备判断晶闸管为正常状态后再触发晶闸管，提高了换流阀触发与监测方法的可靠性；同时具备结温保护功能。

Description

一种换流阀晶闸管触发监测单元
技术领域
本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种换流阀晶闸管触发监测单元。
背景技术
传统的直流换流阀晶闸管触发与监测单元均存在被动监视、编码复杂、无快速取能功能，同时均没有按照结温对过电压保护水平进行调节的功能，智能化程度很低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种换流阀晶闸管触发监测单元，本发明采用双脉冲编码优点主动监测晶闸管，脉冲编码简洁。在触发晶闸管之前，晶闸管触发监测单元将晶闸管状态发送给阀基电子设备，阀基电子设备判断晶闸管为正常状态后再触发晶闸管，提高了换流阀触发与监测方法的可靠性；同时具备结温保护功能。在原有触发监测单元的基础上，增加晶闸管结温保护和在线监测、诊断晶闸管级元件功能，实时在线监测和诊断晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻和直流均压电阻状态，传送给远程控制保护系统，使远程运行管理人员可以实时监测换流阀运行状态，准确判断故障点位置，精确预测换流阀过负荷能力，大大提高了直流输电系统的智能化程度。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种换流阀晶闸管触发监测单元，其改进之处在于，所述触发监测单元包括：中央处理单元I以及与其连接的辅助电路I、中央处理单元II以及与其连接的辅助电路II；所述辅助电路I的电光转换电路与中央处理单元II进行通信；
控制保护系统向阀基电子设备发送触发命令和晶闸管结温信息，阀基电子设备根据接收到触发命令和晶闸管结温信息产生触发脉冲，并送至晶闸管触发监测单元，晶闸管触发与监测单元产生触发脉冲送至晶闸管门极。
优选的，所述中央处理单元I以及与其连接的辅助电路I用于：1）取能和储能、大容量取能和储能（大容量储能可以保证在没有外部电源的情况下长时间正常工作，能满足换流阀交流系统三相对地金属短路故障，电压降至0，工作电源持续时间至少为1秒）；2）晶闸管触发；3）晶闸管监测；4）信号的光电、电光转换；5）晶闸管正向过电压保护和dv/dt保护；6）晶闸管反向恢复保护；7）电流断续保护；8）对触发监测电源的监测；
所述中央处理单元II以及与其连接的辅助电路II用于：1>在线监测散热器温度；2>在线监测和诊断阻尼电路；3>在线监测和诊断直流均压电路；4>将在线监测和诊断的信息通过光缆发送给远程控制保护系统；
所述中央处理单元I和中央处理单元II均采用中央处理器；所述中央处理器采用低功耗数字芯片。
优选的，所述辅助电路I包括TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、取能储能混合电路、电源转换电路、正向过电压保护/dv/dt保护电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路；所述TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、正向过电压电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路分别和中央处理单元I连接，所述取能储能混合电路和电源转换电路通过正向过电压保护/dv/dt保护电路与中央处理单元I连接。
较优选的，所述TTM电源监测电路实时监测其工作电源，当工作电源0-100V时复位中央处理单元I和中央处理单元II，所述TTM电源监测电路采用模拟电路搭建，包括依次进行通信的阻容电路和稳压电路。
较优选的，所述晶闸管正向电压监测电路是用于检测晶闸管级两端电压值，超过晶闸管级两端电压上限时，对晶闸管进行保护触发，包括依次进行通信的测量电路和稳压电路。
较优选的，所述光电转换电路的光接收器Rec1接收远程控制保护系统通过光缆传输的触发与监测信号，所述光电转换电路将接收的光信号转换为电信号后输入至中央处理单元I，中央处理单元I将电信号经过解码后触发晶闸管，并将晶闸管状态、触发监测单元状态、光缆状态通过电光转换电路发送给远程控制保护系统；
所述光电转换电路包括光接收器Rec1、与光接收器Rec1分别连接的电阻R1和电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管D1、电容C1和比较器U1；所述电阻R3两端分别与光接收器Rec1和三极管D1的基极连接；所述三极管D1的集电极与电阻R4连接组成D1-R4支路，所述三极管D1的发射机与电源VCC连接；所述D1-R4支路分别与光接收器Rec1和电容C1并联；所述比较器U1一端连接在D1-R4支路之间，另一端与中央处理单元I连接；所述光接收器Rec1接地。
较优选的，所述取能储能混合电路避免换流阀遭受操作冲击电压、雷电冲击电压、陡波冲击电压时取能，为TTM晶闸管正向过电压保护动作提供能量；
所述取能储能混合电路由模拟电路搭建，包括依次进行通信的取能电路和触发回路。
较优选的，所述电源转换电路采用稳压电路实现，由一个以上电压等级的稳压管组成。
较优选的，所述正向过电压保护/dv/dt保护电路检测晶闸管电压，当晶闸管电压超过保护水平时，保护触发晶闸管，并将保护动作信号通过电光转换电路发送给远程控制保护系统；所述反向恢复保护电路检测晶闸管电压，在晶闸管反向恢复期内晶闸管电压超过保护水平，则保护触发晶闸管；
正向过电压保护/dv/dt保护电路和反向恢复保护电路均由模拟器件搭建组成，多种检测电路、触发电路组成；
所述中央处理单元I实时检测晶闸管电压，在晶闸管导通区间内，若晶闸管自行关断，则自动触发晶闸管，实现电流断续保护。
较优选的，所述电光转换电路包括电阻R5、LED灯、并联的支路I、支路II和支路III；所述支路I包括串联的电阻R7、R6和二极管D1；所述电阻R5与二极管D1的基极连接；
所述支路II包括串联的电阻R8、二极管D2和电阻R9；所述二极管D2的基极连接在电阻R7与电阻R6之间的连接线上；
所述支路III包括电源Vcc；所述支路II和支路III均与LED灯连接；所述LED灯接地。
优选的，所述辅助电路II包括散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路；所述散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路分别与中央处理单元II连接；
所述中央处理单元II根据散热器温度测量电路的测量结果判断晶闸管过负荷能力，将结果通过光缆传送至远程控制和保护设备，控制保护系统根据触发监测单元TTM回报的信息，预测换流阀的过负荷能力；
所述中央处理单元II根据晶闸管电压测量、阻尼回路电流测量、直流均压回路电流测量结果诊断阻尼回路和直流均压元件状态，将诊断结果通过光缆传送至远程控制保护系统，若阻尼回路和直流均压元件出现异常，则产生报警信号，检修人员根据故障情况的严重程度确定是否检修；所述触发监测单元对晶闸管级元件进行实时在线监测和诊断，传送给远程的控制和保护系统。
优选的，所述晶闸管触发监测单元建立晶闸管结温模型，根据晶闸管的电压、电流、热阻、水温参数确定晶闸管的实际温度；
当阀运行于额定电流值时，所述晶闸管结温模型实时计算晶闸管结温；阀基电子设备VBE将晶闸管结温的数值通过光脉冲编码发送给晶闸管触发监测单元；晶闸管触发监测单元根据晶闸管结温调节过电压保护水平。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明采用双脉冲编码主要优点为主动监测晶闸管，脉冲编码简洁。在触发晶闸管之前，晶闸管触发监测单元将晶闸管状态发送给阀基电子设备，阀基电子设备判断晶闸管为正常状态后再触发晶闸管，提高了换流阀触发与监测方法的可靠性，同时具备结温保护功能。在原有触发监测单元的基础上，增加晶闸管结温保护和在线监测、诊断晶闸管级元件功能，实时在线监测和诊断晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻和直流均压电阻状态，传送给远程的控制和保护系统，使远程运行管理人员可以实时监测换流阀运行状态，准确判断故障点位置，精确预测换流阀过负荷能力，大大提高了直流输电系统的智能化程度。
2、TTM快速取能和储能满足换流阀遭受操作冲击电压、雷电冲击电压、陡波冲击电压时快速取能，为TTM晶闸管正向过电压保护动作提供能量，TTM无需预充电，节省能源。
3、TTM大容量取能和储能满足换流阀交流系统三相对地金属短路故障，电压降至0，工作电源可满足短时断电工作需求。
附图说明
图1是本发明提供的智能化TTM原理框图；
图2是本发明提供的智能化TTM光电转换电路原理图；
图3是本发明提供的智能化TTM电光转换电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
控制保护系统向阀基电子设备VBE发送触发命令和晶闸管结温信息，阀基电子设备VBE根据接收到触发命令和晶闸管结温信息产生触发脉冲，并送至晶闸管触发监测单元（TTM），晶闸管触发监测单元产生触发脉冲送至晶闸管门极。
晶闸管触发监测单元建立合理的晶闸管结温模型，根据不同工况下晶闸管的电压、电流、热阻、水温等参数算出晶闸管的实际温度。
当阀运行于额定电流值时，晶闸管结温模型实时计算晶闸管结温。阀基电子设备VBE将晶闸管结温的数值通过光脉冲编码发送给晶闸管触发监测单元。晶闸管触发监测单元根据晶闸管结温调节过电压保护水平。
晶闸管触发监测单元简称TTM，TTM完成晶闸管触发与监测、晶闸管正向过电压保护和dv/dt保护、晶闸管反向恢复保护、电流断续保护、并将晶闸管级状态和保护动作情况通过高压光缆发送至VBE；TTM处于高电位，其工作所需的能量从阻尼回路获取。TTM、阻尼回路、直流均压电路共同组成晶闸管级电路，为换流阀最基本的功能单元。
本发明提出了一种智能化换流阀晶闸管触发监测单元，原理如图1所示，控制核心为中央处理单元I和中央处理单元II。中央处理单元I和其辅助电路I完成下列功能：1）快速取能和储能、大容量取能和储能混合电路（大容量储能可以保证在没有外部电源的情况下长时间正常工作，能满足换流阀交流系统三相对地金属短路故障，电压降至0，工作电源持续时间至少为1秒）；2）晶闸管触发功能；3）晶闸管监测功能；4）信号的光电、电光转换功能；5）晶闸管正向过电压保护和dv/dt保护功能；6）晶闸管反向恢复保护功能；7）电流断续保护功能；8）TTM电源监测功能；
辅助电路I包括TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、取能储能混合电路、电源转换电路、正向过电压保护/dv/dt保护电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路；所述TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、正向过电压电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路分别和中央处理单元I连接，所述取能储能混合电路和电源转换电路通过正向过电压保护/dv/dt保护电路与中央处理单元I连接。
TTM电源监测电路实时监测其工作电源，当工作电源0-100V时复位中央处理单元I和中央处理单元II，防止系统失控。为了减轻TTM工作电源负荷，提高其电源的可靠性，TTM所有电路采用微功耗设计，中央处理器休眠功能设计。TTM电源监测电路采用模拟电路搭建，包括依次进行通信的阻容电路和稳压电路。
晶闸管正向电压监测电路是用于检测晶闸管级两端电压值，超过晶闸管级两端电压上限时，对晶闸管进行保护触发，包括依次进行通信的测量电路和稳压电路。
电源转换电路采用稳压电路实现，由一个以上电压等级的稳压管组成。
本发明提供的智能化TTM光电转换电路原理图如图2所示，光电转换电路的光接收器Rec1接收远程控制保护系统通过光缆传输的触发与监测信号，所述光电转换电路将接收的光信号转换为电信号后输入至中央处理单元I，中央处理单元I将电信号经过解码后触发晶闸管，并将晶闸管状态、触发监测单元状态、光缆状态通过电光转换电路发送给远程控制保护系统；
光电转换电路包括光接收器Rec1、与光接收器Rec1分别连接的电阻R1和电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管D1、电容C1和比较器U1；所述电阻R3两端分别与光接收器Rec1和三极管D1的基极连接；所述三极管D1的集电极与电阻R4连接组成D1-R4支路，所述三极管D1的发射机与电源VCC连接；所述D1-R4支路分别与光接收器Rec1和电容C1并联；所述比较器U1一端连接在D1-R4支路之间，另一端与中央处理单元I连接；所述光接收器Rec1接地。
TTM快速取能和储能满足换流阀遭受操作冲击电压、雷电冲击电压、陡波冲击电压时快速取能，为TTM晶闸管正向过电压保护动作提供能量，TTM无需预充电。该方法使TTM取能和储能更加可靠，同时在换流阀型式试验时，无需对换流阀预充电，即可对换流阀施加陡波、雷电波、操作波冲击电压试验，降低了试验难度和简化了试验设备（做这些试验项目传统换流阀需预充电）。TTM大容量取能和储能满足换流阀交流系统三相对地金属短路故障，电压降至0，工作电源可满足短时断电的工作需求。取能储能混合电路由模拟电路搭建，包括依次进行通信的取能电路和触发回路。
正向过电压保护和dv/dt保护电路检测晶闸管电压，当晶闸管电压超过保护水平时，保护触发晶闸管，并将保护动作信号通过图3的电光转换电路发送给远程的控制和保护系统。反向恢复保护电路检测晶闸管电压，在晶闸管反向恢复期内晶闸管电压超过保护水平，则保护触发晶闸管。中央处理单元1实时检测晶闸管电压，在晶闸管导通区间内，若晶闸管自行关断，则自动触发晶闸管，实现电流断续保护功能。正向过电压保护/dv/dt保护电路和反向恢复保护电路均由模拟器件搭建组成，多种检测电路、触发电路组成。
本发明提供的智能化TTM电光转换电路原理图如图3所示，电光转换电路包括电阻R5、LED灯、并联的支路I、支路II和支路III；所述支路I包括串联的电阻R7、R6和二极管D1；所述电阻R5与二极管D1的基极连接；所述支路II包括串联的电阻R8、二极管D2和电阻R9；所述二极管D2的基极连接在电阻R7与电阻R6之间的连接线上；所述支路III包括电源Vcc；所述支路II和支路III均与LED灯连接；所述LED灯接地。
中央处理单元II和其辅助电路II完成下列功能：1）在线监测散热器温度；2）在线监测和诊断阻尼电路；3）在线监测和诊断直流均压电路；4）将在线监测和诊断的信息通过光缆发送给远程控制保护系统。
辅助电路II包括散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路；所述散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路分别与中央处理单元II连接；
所述中央处理单元II根据散热器温度测量电路的测量结果判断晶闸管过负荷能力，将结果通过光缆传送至远程控制和保护设备，控制保护系统根据触发监测单元TTM回报的信息，预测换流阀的过负荷能力；
中央处理单元II根据晶闸管电压测量、阻尼回路电流测量、直流均压回路电流测量结果诊断阻尼回路和直流均压元件状态，将诊断结果通过光缆传送至远程控制保护系统，若阻尼回路和直流均压元件出现异常，则产生报警信号，检修人员根据故障情况的严重程度确定是否检修；所述触发监测单元对晶闸管级元件进行实时在线监测和诊断，传送给远程的控制保护系统。
控制保护系统通过极控系统、阀基电子设备VBE、晶闸管触发监测单元TTM、阻尼回路和水冷系统的协同配合可以高效准确的完成换流阀在直流输电系统运行工况下的控制保护功能。
本发明提供的换流阀晶闸管触发监测单元，延长直流输电系统计划检修时间间隔，简化和减少计划检修次数；提前预测非计划检修；降低换流阀系统综合造价；增强直流输电换流阀运行可靠性；精确的预测直流输电系统过负荷能力；提高直流输电换流阀智能化程度。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述触发监测单元包括：中央处理单元I以及与其连接的辅助电路I、中央处理单元II以及与其连接的辅助电路II；所述辅助电路I的电光转换电路与中央处理单元II进行通信；
控制保护系统向阀基电子设备发送触发命令和晶闸管结温信息，阀基电子设备根据接收到触发命令和晶闸管结温信息产生触发脉冲，并送至晶闸管触发监测单元，晶闸管触发与监测单元产生触发脉冲送至晶闸管门极。
2.如权利要求1所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述中央处理单元I以及与其连接的辅助电路I用于：1）取能和储能、大容量取能和储能；2）晶闸管触发；3）晶闸管监测；4）信号的光电、电光转换；5）晶闸管正向过电压保护和dv/dt保护；6）晶闸管反向恢复保护；7）电流断续保护；8）对触发监测电源的监测；
所述中央处理单元II以及与其连接的辅助电路II用于：1>在线监测散热器温度；2>在线监测和诊断阻尼电路；3>在线监测和诊断直流均压电路；4>将在线监测和诊断的信息通过光缆发送给远程控制保护系统；
所述中央处理单元I和中央处理单元II均采用中央处理器；所述中央处理器采用低功耗数字芯片。
3.如权利要求1所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述辅助电路I包括TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、取能储能混合电路、电源转换电路、正向过电压保护/dv/dt保护电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路；所述TTM电源监测电路、晶闸管正向电压监测电路、光电转换电路、正向过电压电路、反向恢复保护电路、触发放大电路和电光转换电路分别和中央处理单元I连接，所述取能储能混合电路和电源转换电路通过正向过电压保护/dv/dt保护电路与中央处理单元I连接。
4.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述TTM电源监测电路实时监测其工作电源，当工作电源0-100V时复位中央处理单元I和中央处理单元II，所述TTM电源监测电路采用模拟电路搭建，包括依次进行通信的阻容电路和稳压电路。
5.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述晶闸管正向电压监测电路是用于检测晶闸管级两端电压值，超过晶闸管级两端电压上限时，对晶闸管进行保护触发，包括依次进行通信的测量电路和稳压电路。
6.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述光电转换电路的光接收器Rec1接收远程控制保护系统通过光缆传输的触发与监测信号，所述光电转换电路将接收的光信号转换为电信号后输入至中央处理单元I，中央处理单元I将电信号经过解码后触发晶闸管，并将晶闸管状态、触发监测单元状态、光缆状态通过电光转换电路发送给远程控制保护系统；
所述光电转换电路包括光接收器Rec1、与光接收器Rec1分别连接的电阻R1和电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管D1、电容C1和比较器U1；所述电阻R3两端分别与光接收器Rec1和三极管D1的基极连接；所述三极管D1的集电极与电阻R4连接组成D1-R4支路，所述三极管D1的发射机与电源VCC连接；所述D1-R4支路分别与光接收器Rec1和电容C1并联；所述比较器U1一端连接在D1-R4支路之间，另一端与中央处理单元I连接；所述光接收器Rec1接地。
7.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述取能储能混合电路避免换流阀遭受操作冲击电压、雷电冲击电压、陡波冲击电压时取能，为TTM晶闸管正向过电压保护动作提供能量；
所述取能储能混合电路由模拟电路搭建，包括依次进行通信的取能电路和触发回路。
8.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述电源转换电路采用稳压电路实现，由一个以上电压等级的稳压管组成。
9.如权利要求3所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述正向过电压保护/dv/dt保护电路检测晶闸管电压，当晶闸管电压超过保护水平时，保护触发晶闸管，并将保护动作信号通过电光转换电路发送给远程控制保护系统；所述反向恢复保护电路检测晶闸管电压，在晶闸管反向恢复期内晶闸管电压超过保护水平，则保护触发晶闸管；
所述中央处理单元I实时检测晶闸管电压，在晶闸管导通区间内，若晶闸管自行关断，则自动触发晶闸管，实现电流断续保护。
10.如权利要求9所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述电光转换电路包括电阻R5、LED灯、并联的支路I、支路II和支路III；所述支路I包括串联的电阻R7、R6和二极管D1；所述电阻R5与二极管D1的基极连接；
所述支路II包括串联的电阻R8、二极管D2和电阻R9；所述二极管D2的基极连接在电阻R7与电阻R6之间的连接线上；
所述支路III包括电源Vcc；所述支路II和支路III均与LED灯连接；所述LED灯接地。
11.如权利要求1所述的换流阀触晶闸管发监测单元，其特征在于，所述辅助电路II包括散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路；所述散热器温度测量电路、晶闸管电压测量电路、阻尼回路电流测量电路和直流均压回路电流测量电路分别与中央处理单元II连接；
所述中央处理单元II根据散热器温度测量电路的测量结果判断晶闸管过负荷能力，将结果通过光缆传送至远程控制和保护设备，控制保护系统根据触发监测单元TTM回报的信息，预测换流阀的过负荷能力；
所述中央处理单元II根据晶闸管电压测量、阻尼回路电流测量、直流均压回路电流测量结果诊断阻尼回路和直流均压元件状态，将诊断结果通过光缆传送至远程控制保护系统，若阻尼回路和直流均压元件出现异常，则产生报警信号，检修人员根据故障情况的严重程度确定是否检修；所述触发监测单元对晶闸管级元件进行实时在线监测和诊断，传送给远程的控制和保护系统。
12.如权利要求1-11中人一项所述的换流阀晶闸管触发监测单元，其特征在于，所述晶闸管触发监测单元建立晶闸管结温模型，根据晶闸管的电压、电流、热阻、水温参数确定晶闸管的实际温度；
当换流阀运行于额定电流值时，所述晶闸管结温模型实时计算晶闸管结温；阀基电子设备VBE将晶闸管结温的数值通过光脉冲编码发送给晶闸管触发监测单元；晶闸管触发监测单元根据晶闸管结温调节过电压保护水平。
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