CN104767178A - 基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法，保护控制系统包括：桥臂状态检测设备、桥臂状态接收设备以及六个桥臂状态控制单元；其中，每个桥臂状态控制单元用于独立控制模块化多电平换流器中一个桥臂单元的状态；每个桥臂状态控制单元均呈三层体系架构，按自上而下顺序，包括：桥臂单元控制设备、桥臂单元信息处理设备和桥臂单元执行设备。具有以下优点：通过对保护控制系统通信架构和通信协议的设计，既节约了保护控制系统的成本，又能够在桥臂单元过流的情况下，快速的对子模块SM进行闭锁处理。从而保证了在过流的情况下，对桥臂单元进行快速有效的处理，保障桥臂单元的安全。

Description

基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于桥臂单元控制技术领域，具体涉及一种基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法。

背景技术

柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。

与传统直流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在孤岛供电、有功功率与无功功率控制等方面。如在孤岛供电中，常规直流供电要求在岛上具备发电机组之类的电源点，而柔性直流供电只需设备启动的电源。

与交流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在长距离输电、新能源消纳、成本控制等方面。如在长距离电缆输电中，交流电缆越长，电能损耗越高，输送的有效电能越少，就像烧好的开水沿着管子往外送，管子越长，水温越低，末端用户就用不上热水了；柔性直流则相当于一根保温管，即使到末端用户，水温都是恒定的。

更为重要的是，柔性直流输电可携带来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源，通过大容量、长距离的电力传输通道，到达多个城市的负荷中心，这为新能源并网、大城市供电等领域提供了一种有效的解决方案。

在柔性直流输电系统中，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)属于核心器件，因其具有无需无功补偿和电网支撑换相、开关损耗小、容量升级方便，并且输出电压谐波含量低等优势，得到越来越广泛的应用。

模块化多电平换流器的基本结构如图1所示，MMC₁和MMC₂为两个串联的桥臂单元，对于每个桥臂单元，其结构为：三个相单元并联形成直流母线，每个相单元包括两个桥臂，分别为上桥臂和下桥臂，因此，每个换流器包括有6个桥臂；桥臂也称为直流输电系统中的换流阀(converter valve)；每个桥臂由n个规格相同的子模块SM(submodule)和一个电抗L₀串联组成，具有受控单向导通特性。其工作原理为：控制装置通过适当的调制方式，产生触发脉冲，进而控制每个子模块SM的导通和关断，实现三相多电平交流电压的输出和直流电压的维持。

现有技术中，对于高压大容量柔性直流输电系统，每个桥臂单元所需的子模块SM数量高达数百只甚至数千只，当桥臂单元发生过流等异常情况时，会使子模块SM在毫秒级别内因过流而损坏；因此，如何当桥臂单元发生过流等异常情况时，保证子模块SM的安全性，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于桥臂单元的保护控制系统，包括：桥臂状态检测设备、桥臂状态接收设备以及六个桥臂状态控制单元；其中，所述桥臂状态检测设备的输出端与所述桥臂状态接收设备的输入端连接；所述桥臂状态接收设备的输出端分别与六个所述桥臂状态控制单元的输入端连接；

每个所述桥臂状态控制单元用于独立控制所述模块化多电平换流器中一个桥臂单元的状态；每个所述桥臂状态控制单元均呈三层体系架构，按自上而下顺序，包括：桥臂单元控制设备、桥臂单元信息处理设备和桥臂单元执行设备；其中，所述桥臂单元控制设备的设置数量为六个，与模块化多电平换流器中桥臂单元的数量相同，每个所述桥臂单元控制设备用于独立控制一个桥臂单元；每个所述桥臂单元控制设备的输出端连接多个所述桥臂单元信息处理设备；每个所述桥臂单元信息处理设备的输出端连接多个所述桥臂单元执行设备，并且，所述桥臂单元执行设备的设置数量与模块化多电平换流器中每个桥臂所包括的子模块SM的设置数量相同，每个所述桥臂单元执行设备用于独立控制一个所述子模块SM进行紧急闭锁。

优选的，所述桥臂状态检测设备与所述桥臂状态接收设备之间通过第1类光纤相连，其通信协议为FT3协议；

所述桥臂状态接收设备与六个所述桥臂单元控制设备之间通过背板总线相连，其通信协议为bus_lvds；

所述桥臂单元控制设备与至少一个所述桥臂单元信息处理设备之间通过第2类光纤相连，其通信协议为rapidio；

所述桥臂单元信息处理设备与至少一个所述桥臂单元执行设备之间通过第1类光纤相连，其通信协议为FT3。

优选的，所述第1类光纤为低速光纤；所述第2类光纤为高速光纤。

优选的，所述桥臂状态检测设备包括桥臂电流检测传感器和/或桥臂电压检测传感器。

优选的，所述桥臂单元执行设备用于驱动对应的桥臂闭锁。

本发明还提供一种基于桥臂单元的保护控制方法，包括以下步骤：

S1，对于一个模块化多电平换流器，共包括6个桥臂，每个桥臂均安装至少一个桥臂状态检测设备；此外，每个桥臂均安装一个桥臂单元控制设备，则：共有六个桥臂单元控制设备；

S2，六个所述桥臂状态检测设备同步采集对应桥臂在当前时刻的运行参数值，并将所述运行参数值同步发送给桥臂状态接收设备；

S3，所述桥臂状态接收设备对接收到的六个所述运行参数值进行异常性判断，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，如果判断结果为否，则返回S2；如果判断结果为是，则执行S4；

S4，所述桥臂状态接收设备同时向六个所述桥臂单元控制设备发送紧急闭锁指令；

S5，每个所述桥臂单元控制设备在接收到所述紧急闭锁指令后，均执行以下步骤：

S5.1，每个所述桥臂单元控制设备连接有至少一个桥臂单元信息处理设备；而每个所述桥臂单元信息处理设备连接有至少一个桥臂单元执行设备，每个所述桥臂单元执行设备对应于同一桥臂的不同控制点，用于独立控制同一桥臂在不同控制点的工作状态；

当所述桥臂单元控制设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元控制设备连接的各个所述桥臂单元信息处理设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.2，每个所述桥臂单元信息处理设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元信息处理设备连接的各个所述桥臂单元执行设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.3，每个所述桥臂单元执行设备在接收到所述紧急闭锁指令后，对所述桥臂的对应控制点进行紧急闭锁；

由此实现：当六个桥臂中任意一个桥臂的任意一个检测点出现状态异常的情况时，将六个桥臂的所有控制点同步执行紧急闭锁，进而保护模块化多电平换流器。

优选的，S2中，所述运行参数值为所述桥臂在当前时刻的电流值或电压值。

优选的，S3中，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，具体为：

判断所述桥臂在当前时刻的电流值是否为过流，如果过流，则该电流值为异常的电流值；

或者

判断来自于六个桥臂的电压值是否均衡，如果不均衡，则认为六个所述电压值出现异常的电压值。

本发明提供的基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法具有以下优点：

当检测到桥臂单元状态异常时，通过本发明提供的保护控制系统的拓扑结构，能够迅速、及时、高效的对桥臂单元进行紧急闭锁，实现对桥臂单元的保护，保证子模块SM的安全性。

附图说明

图1为现有技术提供的模块化多电平换流器的基本结构图；

图2为本发明提供的基于桥臂单元的保护控制系统的拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

结合图2，本发明提供一种基于桥臂单元的保护控制系统，包括：桥臂状态检测设备、桥臂状态接收设备以及六个桥臂状态控制单元；其中，所述桥臂状态检测设备的输出端与所述桥臂状态接收设备的输入端连接；所述桥臂状态接收设备的输出端分别与六个所述桥臂状态控制单元的输入端连接；

每个所述桥臂状态控制单元用于独立控制所述模块化多电平换流器中一个桥臂单元的状态；每个所述桥臂状态控制单元均呈三层体系架构，按自上而下顺序，包括：桥臂单元控制设备、桥臂单元信息处理设备和桥臂单元执行设备；其中，所述桥臂单元控制设备的设置数量为六个，与模块化多电平换流器中桥臂单元的数量相同，每个所述桥臂单元控制设备用于独立控制一个桥臂单元；每个所述桥臂单元控制设备的输出端连接多个所述桥臂单元信息处理设备；每个所述桥臂单元信息处理设备的输出端连接多个所述桥臂单元执行设备，并且，所述桥臂单元执行设备的设置数量与模块化多电平换流器中每个桥臂所包括的子模块SM的设置数量相同，每个所述桥臂单元执行设备用于独立控制一个所述子模块SM进行紧急闭锁。

根据实际需求，桥臂状态检测设备可以为桥臂电流检测传感器，用于检测桥臂电流值；或者，桥臂状态检测设备可以为桥臂电压检测传感器，用于检测桥臂电压值。

采用上述拓扑结构的优点为：

传统技术中，对于每个桥臂，具有数量众多的子模块SM，因此，设置有数量众多的桥臂单元执行设备，例如，设置有1000个桥臂单元执行设备；因此，桥臂单元控制设备需要同时向1000个桥臂单元执行设备下发闭锁指令，由于通信信道的影响，常常导致网络拥塞，降低闭锁指令下发的速度，从而延长了桥臂单元执行设备执行闭锁动作的速度。

而本发明中，每个桥臂状态控制单元呈三层体系架构，按自上而下顺序，包括：桥臂单元控制设备、桥臂单元信息处理设备和桥臂单元执行设备；也就是说，在桥臂单元控制设备和桥臂单元执行设备之间增加桥臂单元信息处理设备，桥臂单元控制设备下发的闭锁指令通过桥臂单元信息处理设备分流给各个桥臂单元执行设备。例如，对于1个桥臂，当设置有1000个桥臂单元执行设备时，可设置有100个桥臂单元信息处理设备；由此形成以下拓扑关系：1个桥臂单元控制设备同时连接100个桥臂单元信息处理设备；而每个桥臂单元信息处理设备连接有10个桥臂单元执行设备；因此，当桥臂单元控制设备只需要同时向100个桥臂单元信息处理设备下发闭锁指令，每个桥臂单元信息处理设备在接收到闭锁指令后，再同时向10个桥臂单元执行设备下发闭锁指令。可见，有效缓减了网络拥塞情况，提高了桥臂单元执行设备执行闭锁动作的速度。

实际应用中，为在保证保护控制系统低成本的前提下，尽可能提高数据通信速度，对上述保护控制系统的通信方式进行以下改进：

所述桥臂状态检测设备与所述桥臂状态接收设备之间通过第1类光纤相连，第1类光纤具体为低速光纤，其通信协议为FT3协议；

所述桥臂状态接收设备与六个所述桥臂单元控制设备之间通过背板总线相连，其通信协议为bus_lvds；

所述桥臂单元控制设备与至少一个所述桥臂单元信息处理设备之间通过第2类光纤相连，第2类光纤为高速光纤，其通信协议为rapidio；

所述桥臂单元信息处理设备与至少一个所述桥臂单元执行设备之间通过第1类光纤相连，第1类光纤具体为低速光纤，其通信协议为FT3。

本发明还提供一种基于桥臂单元的保护控制方法，包括以下步骤：

S1，对于一个模块化多电平换流器，共包括6个桥臂，每个桥臂均安装至少一个桥臂状态检测设备；此外，每个桥臂均安装一个桥臂单元控制设备，则：共有六个桥臂单元控制设备；

S2，六个所述桥臂状态检测设备同步采集对应桥臂在当前时刻的运行参数值，并将所述运行参数值同步发送给桥臂状态接收设备；

作为一种具体示例，运行参数值可以为所述桥臂在当前时刻的电流值或电压值。

S3，所述桥臂状态接收设备对接收到的六个所述运行参数值进行异常性判断，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，如果判断结果为否，则返回S2；如果判断结果为是，则执行S4；

具体的，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，具体为：

判断所述桥臂在当前时刻的电流值是否为过流，如果过流，则该电流值为异常的电流值；

或者

判断来自于六个桥臂的电压值是否均衡，如果不均衡，则认为六个所述电压值出现异常的电压值。

S4，所述桥臂状态接收设备同时向六个所述桥臂单元控制设备发送紧急闭锁指令；

S5，每个所述桥臂单元控制设备在接收到所述紧急闭锁指令后，均执行以下步骤：

S5.1，每个所述桥臂单元控制设备连接有至少一个桥臂单元信息处理设备；而每个所述桥臂单元信息处理设备连接有至少一个桥臂单元执行设备，每个所述桥臂单元执行设备对应于同一桥臂的不同控制点，用于独立控制同一桥臂在不同控制点的工作状态；

当所述桥臂单元控制设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元控制设备连接的各个所述桥臂单元信息处理设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.2，每个所述桥臂单元信息处理设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元信息处理设备连接的各个所述桥臂单元执行设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.3，每个所述桥臂单元执行设备在接收到所述紧急闭锁指令后，对所述桥臂的对应控制点进行紧急闭锁；

由此实现：当六个桥臂中任意一个桥臂的任意一个检测点出现状态异常的情况时，将六个桥臂的所有控制点同步执行紧急闭锁，进而保护模块化多电平换流器。

本发明提供的基于桥臂单元的保护控制系统及控制方法具有以下优点：

通过对保护控制系统通信架构和通信协议的设计，既节约了保护控制系统的成本，又能够在桥臂单元过流的情况下，快速的进行数据的判断和处理，并将结果下发给桥臂单元执行设备，由桥臂单元执行设备对子模块SM进行闭锁处理。从而保证了在过流的情况下，对桥臂单元进行快速有效的处理，保障桥臂单元的安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于桥臂单元的保护控制系统，其特征在于，包括：桥臂状态检测设备、桥臂状态接收设备以及六个桥臂状态控制单元；其中，所述桥臂状态检测设备的输出端与所述桥臂状态接收设备的输入端连接；所述桥臂状态接收设备的输出端分别与六个所述桥臂状态控制单元的输入端连接；

每个所述桥臂状态控制单元用于独立控制所述模块化多电平换流器中一个桥臂单元的状态；每个所述桥臂状态控制单元均呈三层体系架构，按自上而下顺序，包括：桥臂单元控制设备、桥臂单元信息处理设备和桥臂单元执行设备；其中，所述桥臂单元控制设备的设置数量为六个，与模块化多电平换流器中桥臂单元的数量相同，每个所述桥臂单元控制设备用于独立控制一个桥臂单元；每个所述桥臂单元控制设备的输出端连接多个所述桥臂单元信息处理设备；每个所述桥臂单元信息处理设备的输出端连接多个所述桥臂单元执行设备，并且，所述桥臂单元执行设备的设置数量与模块化多电平换流器中每个桥臂所包括的子模块SM的设置数量相同，每个所述桥臂单元执行设备用于独立控制一个所述子模块SM进行紧急闭锁。

2.根据权利要求1所述的基于桥臂单元的保护控制系统，其特征在于，所述桥臂状态检测设备与所述桥臂状态接收设备之间通过第1类光纤相连，其通信协议为FT3协议；

所述桥臂状态接收设备与六个所述桥臂单元控制设备之间通过背板总线相连，其通信协议为bus_lvds；

所述桥臂单元控制设备与至少一个所述桥臂单元信息处理设备之间通过第2类光纤相连，其通信协议为rapidio；

所述桥臂单元信息处理设备与至少一个所述桥臂单元执行设备之间通过第1类光纤相连，其通信协议为FT3。

3.根据权利要求2所述的基于桥臂单元的保护控制系统，其特征在于，所述第1类光纤为低速光纤；所述第2类光纤为高速光纤。

4.根据权利要求1所述的基于桥臂单元的保护控制系统，其特征在于，所述桥臂状态检测设备包括桥臂电流检测传感器和/或桥臂电压检测传感器。

5.根据权利要求1所述的基于桥臂单元的保护控制系统，其特征在于，所述桥臂单元执行设备用于驱动对应的桥臂闭锁。

6.一种基于桥臂单元的保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对于一个模块化多电平换流器，共包括6个桥臂，每个桥臂均安装至少一个桥臂状态检测设备；此外，每个桥臂均安装一个桥臂单元控制设备，则：共有六个桥臂单元控制设备；

S2，六个所述桥臂状态检测设备同步采集对应桥臂在当前时刻的运行参数值，并将所述运行参数值同步发送给桥臂状态接收设备；

S3，所述桥臂状态接收设备对接收到的六个所述运行参数值进行异常性判断，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，如果判断结果为否，则返回S2；如果判断结果为是，则执行S4；

S4，所述桥臂状态接收设备同时向六个所述桥臂单元控制设备发送紧急闭锁指令；

S5，每个所述桥臂单元控制设备在接收到所述紧急闭锁指令后，均执行以下步骤：

S5.1，每个所述桥臂单元控制设备连接有至少一个桥臂单元信息处理设备；而每个所述桥臂单元信息处理设备连接有至少一个桥臂单元执行设备，每个所述桥臂单元执行设备对应于同一桥臂的不同控制点，用于独立控制同一桥臂在不同控制点的工作状态；

当所述桥臂单元控制设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元控制设备连接的各个所述桥臂单元信息处理设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.2，每个所述桥臂单元信息处理设备接收到所述紧急闭锁指令后，向与所述桥臂单元信息处理设备连接的各个所述桥臂单元执行设备同步下发紧急闭锁指令；

S5.3，每个所述桥臂单元执行设备在接收到所述紧急闭锁指令后，对所述桥臂的对应控制点进行紧急闭锁；

由此实现：当六个桥臂中任意一个桥臂的任意一个检测点出现状态异常的情况时，将六个桥臂的所有控制点同步执行紧急闭锁，进而保护模块化多电平换流器。

7.根据权利要求6所述的基于桥臂单元的保护控制方法，其特征在于，S2中，所述运行参数值为所述桥臂在当前时刻的电流值或电压值。

8.根据权利要求7所述的基于桥臂单元的保护控制方法，其特征在于，S3中，判断六个所述运行参数值是否存在至少一个异常的运行参数值，具体为：

判断所述桥臂在当前时刻的电流值是否为过流，如果过流，则该电流值为异常的电流值；

或者

判断来自于六个桥臂的电压值是否均衡，如果不均衡，则认为六个所述电压值出现异常的电压值。