CN104578187B - 一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置 - Google Patents

Abstract

一种多端柔性直流输系统级协调控制装置，包括数据采集模块、数据处理模块、控制功能处理模块、通信管理模块和冗余控制模块，数据采集模块负责过程数据采集、状态信号以及电压电流等模拟量采样数据，生成控制功能处理模块需要的输入数据；控制功能处理模块包括有功控制、无功控制、直流电压控制、VF控制等模块，最终生成换流站的电压、有功、无功和频率等参考值信号，通过通信管理模块送到换流站单元控制器，完成系统控制目标。多端柔性直流输系统级协调控制装置能够进行紧急操作控制，包括系统运行方式和控制模式转换、某些故障情况下的紧急停运闭锁控制、冗余系统的故障切换、报警或保护动作后复归操作控制等，提高系统一体化设计的可靠性。

Description

一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置

技术领域

本发明属于直流输电控制技术领域，具体涉及为柔性直流输电系统级协调控制装置实现柔性直流输电系统多个换流站的协调控制，以保证直流系统功率的正常输送以及各类暂稳态控制目标满足设计要求。

背景技术

电压源型高压直流输电技术，国内又称为柔性直流输电技术是一种基于可关断电力电子器件电压源换流器和脉宽调制技术的直流输电技术，解决了传统的高压直流输电容易出现换相失败和难于构成多端直流系统等弊端。柔性直流输电具有独立控制有功功率和无功功率，稳定直流和交流侧电压，以及工作在无源逆变方式下向无源网络供电等特点。在新能源并网、非同步电网互联、分布式发电等方面得到了广泛应用。

柔性直流输电可以很容易构成多端柔直输电系统，多端柔直输电系统不但具有柔性直流输电的技术优势，而且具有多端系统特有的经济性、灵活性。多端柔直输电系统潮流反转时直流电压方向不变，直流电流方向反转，并且不需要机械操作，速度较快，可靠性较高。它是一种既具有较高的可靠性又具有灵活多变的控制方式，因此多端柔直输电系统是构建并联多端直流系统的适宜方案。虽然多端系统具有较高经济性与灵活性，但是多端系统的运行控制更为复杂。目前多端柔直的工程应用还不多，国内投运的多端柔直系统全部为系统研究类项目，采用控制方法把多端柔直系统的一端作为主协调控制器，完成系统的部分协调控制功能，这样应用对作为主控端系统要求很高，如果该端退出运行对多端柔直系统的运行会造成影响。

综合上述内容，本发明提出一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置。该控制器集快速通信管理和可编程控制技术于一体，是实现多端柔性直流输电系统级协调控制的基础平台。该控制器根据多端柔性直流输电系统交流系统和直流系统主接线拓扑关系确定柔性直流输电系统的运行方式，通过可编程逻辑控制技术协调系统内部各换流站运行，完成系统功率的正常输送，并满足输电系统稳态和暂态控制目标要求。

发明内容

为解决多端柔性直流输电系统运行方式多和控制复杂的问题。，本发明公开了一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置。实现多端柔性直流输电系统的协调控制。

本发明具体采用以下技术方案：

一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置，用于完成多端柔性直流输电系统的协调控制，所述协调控制装置包括数据采集模块、数据处理模块、控制功能处理模块、通信管理模块；其特征在于：

所述数据采集模块负责完成本地I/O数据和外部接口设备数据的快速采集并将采集数据通过内部总线传输到数据处理模块，其中，所述本地I/O数据包括换流站运行状态信号、交流系统和直流系统的开关刀闸状态，所述外部接口设备数据包括交流系统和直流系统的电压、电流采样数据、稳控装置接入的交流系统通道状态数据和联络线功率；

所述数据处理模块接收到数据采集模块的输入数据后，进行数字滤波、数据计算和转换，把采样数据处理成控制模块能够使用的输入数据，其中所述数据计算是指计算出交直流系统的电压、电流采样数据的有效值、相位、系统频率、有功功率和无功功率；

所述控制功能处理模块接收到数据处理模块发送的输入数据，完成系统的控制功能，所述控制功能处理模块首先根据数据处理模块发送的换流站运行状态信号、交流系统和直流系统的开关刀闸状态和交流系统以及直流系统的电压、电流信号，判断交流系统和直流系统主接线拓扑关系是否发生变化，并根据主接线拓扑关系的变化对多端柔性直流输电系统进行相应的控制模式的选择/切换；当选择并切换至相应的控制模式之后，所述控制功能处理模块根据数据处理模块发送的交流系统和直流系统的电压、电流测量数据生成对应的控制参考值信号，控制功能模块将生成的控制参考值信号通过通信管理模块送到换流站单元控制器，完成多端柔性直流系统的控制目标。

所述控制功能模块包括控制模式选择切换模块，电压控制模块、有功控制模块、无功控制模块和VF控制模块；

其中，所述控制模式选择切换模块接收数据处理模块发送的换流站运行状态信号、直流系统和交流系统的开关刀闸的状态信号、电压电流等参考信号，根据交流系统和直流系统主接线拓扑关系生成柔直系统控制模式，并根据主接线拓扑关系变化进行直流输电系统控制模式切换，所述控制模式包括直流电压控制模式、有功控制模式、无功控制模式和电压频率VF控制模式；

当控制模式选择切换模块选择直流电压控制模式后，直流电压控制模块接收数据处理模块上送的直流电压测量信号，按照直流电压控制模式生成多端柔性直流输电系统的直流电压参考值，并通过通信管理模块将所述直流电压参考值下发至换流站单元控制器以控制多端柔直的直流电压，维持启停过程、暂稳态过程中直流网络电压的稳定；

当控制模式选择切换模块选择有功控制模式时，所述有功控制模块接收数据处理模块上送的交流直流系统的功率信号和频率信号、稳控系统的功率升降信号，以及监控主站下发的控制使能和参考值信号。按照有功控制策略生成多端柔性直流输电系统的有功参考值，并通过通信管理模块将所述有功参考值下发至换流站单元控制器以自动调节交流系统潮流，并在交流输电线路过载时提供直流紧急功率抬升和回降功能，提升交直流并联运行的故障穿越能力；

当控制模式选择切换模块选择无功控制模式时，所述无功控制模块接收数据处理模块上送的交流系统电压信号，以及监控主站下发的控制使能和无功控制模式信号，按照无功控制策略生成多端柔性直流输电系统的无功参考值，并通过通信管理模块将所述无功参考值下发至换流站单元控制器以控制多端柔直的无功功率输出满足稳态调压、暂态电压需求，为交流系统提供无功支撑，加速故障后电压恢复；

当控制模式选择切换模块选择VF控制控制模式时，所述VF控制控制模块接收数据处理模块上送交流系统电压有效值和系统频率，按照VF控制控制模式生成多端柔性直流输电系统的交流电压和频率参考值，并通过通信管理模块将所述交流电压和频率参考值下发至换流站单元控制器，所述VF控制模块能够在纯孤岛模式下为风电场提供并网接口，并在受端系统故障的情况下，通过控制风场并网点的交流电压快速地降低风电场功率，提升系统的故障穿越能力。

所述多端柔性直流输电站级协调控制装置冗余处理模块采用双机冗余设计，支持双CPU冗余、双网冗余、双套IO冗以及数据采集系统冗余；具有完备的故障判断和主备仲裁机制，采用控制数据完全同步的设计，双机为完全的热备用系统，最大程度保证系统的稳定性。

本发明具有以下有益的技术效果：

在传统交流系统中嵌入柔性直流系统后，在合理的协调控制方式下，也可以有效地调整柔直配电网络的潮流分布，解决线路过载等问题。柔性直流换流站能够灵活地调整有功和无功功率的输入和输出，可以提供灵活的无功补偿功能，能够优化配电系统无功和电压分布，并在一定条件下减少系统的损耗。当使用柔性直流配电技术吸纳光伏发电出力时，通过合理优化和控制调度，可以将柔性直流配电系统所吸纳的间歇性分布式电能合理输出到交流系统中，从而尽量避免配网系统运行方式的频繁改变，减少由于运行方式改变而带来的系统电容、电抗等控制元件的投入。

附图说明

图1为柔性直流输系统级协调控制装置功能模块结构图；

图2为柔性直流输电系统协调控制装置无功控制模块结构图；

图3为柔性直流输电系统协调控制装置有功控制模块结构图；

图4为柔性直流输电站级协调控制装置冗余结构图。

具体实施方式

下面结合说明附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。如图1所示为多端柔性直流输系统级协调控制装置功能模块结构图。多端柔直系统级协调控制装置数据采集模块、数据处理模块、控制功能处理模块、通信管理模块和冗余控制模块数据采集模块完成本地I/O数据和外部接口设备数据的快速采集，包括交流场合直流场开关刀闸状态、交流系统和直流系统的电压、电流等采样数据、稳控装置接入的交流系统通道状态数据和联络线功率等。数据采集模块把采集到的输入数据通过高速内部总线送到数据处理模块，数据处理模块对输入数据完成数据滤波和计算操作后生成控制功能模块需要的控制输入数据，包括电压、电流有效值、有功功率、无功功率、系统频率等计算值，再通过高速内部总线送到控制功能处理模块，参与系统控制功能。

多端柔性直流输系统级协调控制装置的控制功能模块包括控制模式选择切换模块，电压控制模块、有功控制模块、无功控制模块和VF控制模块。控制功能处理模块根据输入数据和柔直系统控制要求，按照预定的控制策略完成系统的直流电压、有功、无功、VF控制等控制功能，最终生产柔直系统的控制模式指令和目标参考值，控制模式包括STATCOM控制模式、VdcQ控制模式、PQ控制模式、VF控制模式等。控制目标参考值包括直流电压参考值、有功参考值、无功参考值、VF控制参考值等。控制功能处理模块把生成的控制参考值通过通信管理模块把参考值送到换流站单元控制器，最终完成多端柔直系统的控制目标。

如图2所示为柔性直流输电系统协调控制装置无功控制模块结构图。柔直系统无功控制模块是指根据系统的无功需要生成系统的无功参考值，通过通信管理模块送到换流站单元控制器来控制换流站输出的无功功率，为交流系统提供无功支撑。无功控制包括恒无功控制模式、稳态调压模式和暂态调压模式。交流母线电压值位于0.95pu到1.05pu之间时，认为系统处于稳态，可以选择恒无功输出模式，有运行人员手动控制系统的无功输出。同时也可以选择稳态调压模式，由稳态调压控制器根据交流系统电压，自动调节换流站无功输出。当系统发生大的干扰，任意一相电压有效值值跌落至0.9pu以下而仍大于0.3pu时，认为系统发生了暂态故障，进入暂态电压调节模式。换流站输出最大的无功提供无功支撑，提高暂态电压稳定性。

如图3所示为柔性直流输电系统协调控制装置有功控制模块结构图。在多端系统正常运行时，稳态运行要求多端柔直作为主要输电通道完成有功功率输送，同时能够为交流系统提供无功支撑能力。有功控制模块最终生产有功目标参考值，通过通信管理模块送到换流站单元控制器，控制柔直系统的有功输出。有功控制模块包括恒有功控制、潮流自动控制、定比例控制、紧急功率抬升和过压限流控制功能。恒有功控制是通过设置恒定的有功参考值，保证直流系统有功功率传输。潮流自动控制能够自动调节交流系统潮流，较少交流系统的功率传输，减小交流系统故障情况下的系统扰动，有利于实现换流站从交直流方式到纯直流方式的平滑切换。紧急功率抬升功能能够在交流输电线路过载时提供直流紧急功率抬升，提升交直流并联运行的故障穿越能力。过压限流功能能够在直流侧发生故障有功功率无法输出的情况下，快速降低送端换流站送出有功功率，防止直流系统过压故障。定比例控制是计算交流线路和直流线路传输有功功率总和，按照设定的比例分配直流线路传输功率值，当送端电网发生功率波动的情况下，定比例控制可自动调整直流线路功率传输，防止恒功率控制时可能出现的潮流反转现象。

如图4所示为多端柔性直流输电站级协调控制装置冗余结构图。多端柔性直流输电站级协调控制装置采用完全双重化的配置方案，配置双重化控制主机，控制主机配置独立的测量回路、电源回路、及通信接口回路。主备控制主机之间通过光纤以太网进行数据交换。多端柔性直流输电站级协调控制装置冗余模块具备完善的故障检测机制和主备仲裁机制。冗余处理模块可以完成包括故障判断、主备仲裁、冗余切换和冗余数据同步等多项功能。故障判断是对控制器运行状态进行检测，当控制器产生硬件故障、程序运行错误、通信故障后，控制主机产生切换请求，通过冗余总线以微秒的通信周期向备用控制器发送心请求切换信号和主备状态给备用控制器。当备用控制接收到主的请求切换信号后，切换为主运行。同时发送确认信号和切换状态给主控制器，当主控制器接收到确认和切换状态后，切换为备用状态运行，并停止发送请求信。至此主备控制器冗余切换完成。数据同步是为了保证主备控制器数据和控制输出的一致性而进行的实时数据同步。主备控制器通过同步通信网络按10k的同步周期进行数据交互。

Claims (3)

1.一种多端柔性直流输电系统级协调控制装置，用于完成多端柔性直流输电系统的协调控制，所述协调控制装置包括数据采集模块、数据处理模块、控制功能处理模块、通信管理模块和冗余控制模块；其特征在于：

所述数据采集模块负责完成本地I/O数据和外部接口设备数据的快速采集并将采集数据通过内部总线传输到数据处理模块，其中，所述本地I/O数据包括换流站运行状态信号、交流系统和直流系统的开关刀闸状态，所述外部接口设备数据包括交流系统和直流系统的电压、电流采样数据、稳控装置接入的交流系统通道状态数据和联络线功率；

所述数据处理模块接收到数据采集模块的输入数据后，进行数字滤波、数据计算和转换，把采样数据处理成控制模块能够使用的输入数据，其中所述数据计算是指计算出交直流系统的电压、电流采样数据的有效值、相位、系统频率、有功功率和无功功率；

所述控制功能处理模块接收到数据处理模块发送的输入数据，完成系统的控制功能，所述控制功能处理模块首先根据数据处理模块发送的换流站运行状态信号、交流系统和直流系统的开关刀闸状态和交流系统以及直流系统的电压、电流信号，判断交流系统和直流系统主接线拓扑关系是否发生变化，并根据主接线拓扑关系的变化对多端柔性直流输电系统进行相应的控制模式的选择/切换；当选择并切换至相应的控制模式之后，所述控制功能处理模块根据数据处理模块发送的交流系统和直流系统的电压、电流测量数据生成对应的控制参考值信号，控制功能模块将生成的控制参考值信号通过通信管理模块送到换流站单元控制器，完成多端柔性直流系统的控制目标。

2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统级协调控制装置，其特征在于：

控制功能模块包括控制模式选择切换模块，直流电压控制模块、有功控制模块、无功控制模块和VF控制模块；

其中，所述控制模式选择切换模块接收数据处理模块发送的参考信号，其中所述参考信号包括换流站运行状态信号、直流系统和交流系统的开关刀闸的状态信号、电压电流信号，根据交流系统和直流系统主接线拓扑关系生成柔直系统控制模式，并根据主接线拓扑关系变化进行直流输电系统控制模式切换，所述控制模式包括直流电压控制模式、有功控制模式、无功控制模式和电压频率VF控制模式；

当控制模式选择切换模块选择直流电压控制模式后，直流电压控制模块接收数据处理模块上送的直流电压测量信号，按照直流电压控制模式生成多端柔性直流输电系统的直流电压参考值，并通过通信管理模块将所述直流电压参考值下发至换流站单元控制器以控制多端柔直的直流电压，维持启停过程、暂稳态过程中直流网络电压的稳定；

当控制模式选择切换模块选择有功控制模式时，所述有功控制模块接收数据处理模块上送的交流直流系统的功率信号和频率信号、稳控系统的功率升降信号，以及监控主站下发的控制使能和参考值信号，按照有功控制策略生成多端柔性直流输电系统的有功参考值，并通过通信管理模块将所述有功参考值下发至换流站单元控制器以自动调节交流系统潮流，并在交流输电线路过载时提供直流紧急功率抬升和回降功能，提升交直流并联运行的故障穿越能力；

当控制模式选择切换模块选择无功控制模式时，所述无功控制模块接收数据处理模块上送的交流系统电压信号，以及监控主站下发的控制使能和无功控制模式信号，按照无功控制策略生成多端柔性直流输电系统的无功参考值，并通过通信管理模块将所述无功参考值下发至换流站单元控制器以控制多端柔直的无功功率输出满足稳态调压、暂态电压需求，为交流系统提供无功支撑，加速故障后电压恢复；

当控制模式选择切换模块选择VF控制模式时，所述VF控制模块接收数据处理模块上送交流系统电压有效值和系统频率，按照VF控制控制模式生成多端柔性直流输电系统的交流电压和频率参考值，并通过通信管理模块将所述交流电压和频率参考值下发至换流站单元控制器，所述VF控制模块能够在纯孤岛模式下为风电场提供并网接口，并在受端系统故障的情况下，通过控制风场并网点的交流电压快速地降低风电场功率，提升系统的故障穿越能力。

3.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统级协调控制装置，其特征在于：

所述多端柔性直流输电站级协调控制装置冗余处理模块采用双机冗余设计，支持双CPU冗余、双网冗余、双套IO冗余以及数据采集系统冗余；具有完备的故障判断和主备仲裁机制，采用控制数据完全同步的设计，双机为完全的热备用系统，最大程度保证系统的稳定性。