CN107666139A - 一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统 - Google Patents

一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统，其包括：A/D采样机箱、主控机箱、开关量输入机箱和开关量输出机箱；主控机箱分别接收A/D采样机箱和开关量输入机箱发送的数据，以及上位机服务器的控制指令；主控机箱分别向开关量输出机箱和柔性直流输电系统的换流阀阀基控制器发送生成的控制保护信号，同时向上位机服务器上报数据。本发明提供的技术方案通过高速Lvds背板通信总线，采用点对点和点对多相结合的通信链路方式，实现了各板卡间的数据高速交换，提高了通信的可靠性，保证了控制保护功能的实时性。

Description

一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统
技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电的保护系统，具体涉及一种适用于柔性直流输电系统的控制保护系统。
背景技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术是一种新型的直流输电技术，其特点是采用基于可控关断型器件的电压源型换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术进行直流输电。柔性直流输电(VSC-HVDC)技术极大地拓展了直流输电的应用范围。由于其在控制灵活性、环境保护、电力交易、绿色能源并网和提高电能质量等方面的优良特性,使其成为当前输配电领域的研究热点之一。
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，常规直流要求在岛上具备发电机组之类的电源点，而柔性直流只需设备启动的电源。有人形象的“将有功功率和无功功率比作淋浴房中的热水管和冷水管，两者都必不可少，常规直流只能控制热水管，而柔性直流可以灵活调解冷水和热水的流向、水量、比例等。”
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；而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。
运用柔性直流输电建造的直流输电系统不仅可以实现电力能量的双向四象限流动，而且可以实现运行过程中电力功率大小的完全可控。该技术是构成坚强智能电网的关键技术之一，可以被广泛应用于分布式新能源并网、岛屿及海上平台供电、区域电网的支撑、交流电网之间的互联等。
随着柔性直流输电电压等级和容量的不断提升，以及不同系统拓扑的工程应用，对控制保护系统的功能和性能，特别是在功能集成度、紧凑性、运算能力、可靠性等方面提出了更高的要求。因此，如何研制出能够满足不断发展的柔性直流输电技术的柔直控制保护系统，并提高系统的运行可靠性和稳定性是亟需解决的难题，其中，柔直控制保护系统主机作为整个控制保护系统的核心部分，是研制难点和重点。
因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统，包括：A/D采样机箱、主控机箱、开关量输入机箱和开关量输出机箱；主控机箱分别接收所述A/D采样机箱和开关量输入机箱发送的数据,及来自上位机服务器的控制指令；主控机箱将生成的控制保护信号分别向开关量输出机箱和柔性直流输电系统中的换流阀阀基控制器发送，同时向上位机服务器上报数据。
主控机箱包括：基于电源背板和低压差分信号总线进行机箱内部相互通信的以太网板、主控板、4合1通信板、HDLC通信板、GPS同步板和电源板。
电源板构成双冗余高可靠性供电系统。主控机箱内的各板卡采用GPS同步对时时钟对时保持时序一致。柔性直流输电系统的站间通信方式采用异步加缓存且仅传递非即时信令的光纤通信方式。
主控板处理主控机箱接受的数据，并完成功能运算，实现控制策略、保护策略和生成SOE报文；以太网板负责与上位机服务器通信；GPS同步板接收GPS同步时钟信号并发出同步信号；4合1通信板接收所述A/D采样机箱、开关量输入机箱和开关量输出机箱的信号，并将接受的信号合并后发给主控板；HDLC通信板负责主控机箱与控制保护系统其他部分的冗余通信。
主控板包括：DSP芯片和FPGA芯片；以太网板包括：POWERPC芯片和FPGA芯片，以太网板与上位机服务器连接，其信号功能包括：控制和录波；4合1通信板包括：DSP芯片和FPGA芯片，4合1通信板经4路光纤与A/D采样机箱、开关量输入机箱和开关量输出机箱相连；GPS同步板利用光纤给其他机箱发送同步信号，并留有冗余备用通道；电源背板经RS485接口与GPS同步板连接；HDLC通信板包括DSP芯片和FPGA芯片，其留有光纤接收和发射通道作为冗余备用。
GPS同步板发送同步时钟信号到各功能板卡和外部机箱，GPS同步板的校准周期为1s。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明通过高速Lvds背板通信总线，采用点对点和点对多相结合的通信链路，实现了各板卡之间的数据高速交换，提高了通信的可靠性，保证了控制保护功能的实时性。
2、本发明的板卡之间采用背板高速总线通信，主控板可以根据实际系统计算量的需要进行扩展，最多可扩展至3块，整体主机系统结构紧凑、功能强大，具备较好的通用性，同时适用于柔性直流输电工程控制系统和保护系统。
3、本发明的板卡间通过GPS对时保持时序一致：机箱内部各板卡之间通信按照严格的通信时序，保证各板卡之间通信的可靠性，这种设计方法有效保证控制和保护功能的准确性和实时性。
4、本发明以主控机箱GPS同步板发出的同步信号为基准，每套控制保护系统内的所有逻辑芯片(包括固化其上的软件程序)运行在同一节拍频率下(系统心跳频率)。这样可以保证整个系统的运行同步性，确保控制和保护系统的功能准确，实现冗余控制系统间的无扰切换。
附图说明
图1为本发明的主控机箱在控制保护系统中位置；
图2为本发明的主控机箱的结构；
图3为本发明的板卡的结构及外部通信；
图4为本发明的GPS同步信号原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明所涉及部分仅针对柔性直流输电工程的控制保护系统，其技术组成重点阐述创新部分，其他经典控制部分不再阐述。
附图1所示的本发明所工作的系统架构，图中本发明涉及到的主控机箱位于整个控制保护系统的中心位置。在实际运行中，通过点对点单向高速总线通信技术实时接收A/D采样机箱和开关量输入机箱(DI机箱)发来的系统数据，并根据设计好的控制保护策略进行逻辑判断和计算，将生成的控制保护信号发送给量给开关量输出机箱(DO机箱)和柔性直流输电系统的换流阀阀基控制器(VBC)，同时上报数据给上位机服务器，接收来自上位机服务器的控制指令。主机系统在运行过程中，接收GPS时钟信号，发出同步脉冲给予本机箱各板卡，并同时通过光纤给予A/D采样机箱、开关量输入机箱(DI机箱)、开关量输出机箱(DO机箱)，完成整个控制保护系统的同步工作，保证控制和保护功能的准确性。
主控机箱需要处理的数据包括柔性直流输电工程一次系统的所有组成部分：VBC、柔直换流阀塔(通过VBC控制)、换流变压器、PT、CT、开关刀闸等，这些数据需要严格同步并行处理，因此主控机箱必须具备多CPU核同步运算能力。
如附图2所示，是本发明涉及到主控机箱的硬件架构，包括板卡配置及其它们的通信链路。主控机箱是由2块以太网板、1块4合1通信板、1块主控板、1块GPS同步板、3块HDLC通信板、2块电源板组成的，它们通过背板LVDS(低压差分信号)总线进行机箱内部通信，2块电源板构成双冗余高可靠性供电系统，可以有效防止其中1块损坏导致系统失电不能工作问题。
这些板卡的主要功能如下：主控板主要负责处理主控机箱接受的数据，完成功能运算，如控制策略实现、保护策略实现、SOE报文生成等等；以太网板负责与上位机服务器通信；GPS同步板负责接收GPS时钟信号并发出同步信号；4合1通信板负责接收A/D采样机箱、DI机箱、DO机箱的信号，将信号合并后发给主控板；HDLC通信板负责本机箱与系统其他部分的冗余通信(为本机箱的扩展升级预留的功能接口)。
如附图3所示，是本发明涉及到主控机箱内各主要功能板卡的外引信号接线及内部功能结构示意：主控板主要由4片DSP芯片和1片FPGA芯片组成，没有机箱外引线；以太网板主要由2片POWERPC芯片和1片FPGA芯片组成，通过以太网与2台上位机服务器连接，分为A系统和B系统，信号功能分为控制和数据录波两种；4合1通信板主要由1片DSP芯片和1片FPGA芯片组成，通过4路光纤(使用eTDM协议)与A/D采样机箱、DI机箱和DO机箱连接，本板卡另外的光纤是冗余备用的；GPS同步板主要由1片FPGA芯片组成，通过RS485接口与GPS连接，通过光纤发出若干路同步信号给其他机箱，并留有4路冗余备用通道；HDLC通信板主要由1片DSP芯片和1片FPGA芯片组成，留有若干路光纤接收和发射通道作为冗余备用。
如附图4所示的GPS同步板发出的同步时钟信号与各功能板卡和外部机箱的校准信号，其中GPS同步板以1s为周期发出同步信号，各板卡节拍信号每隔1s校准一次，其中T1是板卡自身的工作节拍周期，由于T1时间长度远小于1s，因此图中使用T2标明的简略画法表示。
由于本系统采用的DSP芯片和FPGA芯片都需要外部晶体振荡器产生必须的时钟信号，而晶振普遍存在离散性，长期运行会对系统产生累积误差，导致通信错误，尤其是对于柔性直流输电工程的控制保护系统而言，每套控制保护系统涉及到数百片逻辑芯片同时同步工作，通信误码率要求在10-12以下的工况，必须严格同步、差拍率要求为0。
本发明所涉及到主控机箱经过在柔性直流控制保护系统和RTLAB实验系统上实际运行验证，实施例所采用的测试系统为双站双极双端柔性直流输电系统模型，实验系统采用2套完全一致的控制保护系统，每套系统包括5台控保屏柜，每面屏柜包括与附图1所示的机箱数量，每台机箱工作在125μs的时钟节拍下。
经过测试，主控机箱性能完全满足设计需求，其中使用时钟分辨率为5ns的逻辑分析仪观测每台主控机箱的时钟节拍，发现在没有采用GPS校准之前，存在通信误码，最高频次是每秒误差3个拍次，系统内部时钟时间差异高于375μs，在采用GPS校准之后没有发生差拍现象，系统内部时钟时间差差异低于50μs(小于半个拍次)。针对控制保护系统与上位机服务器的数据库进行误码率测试，测试时间长度为168小时，测试过程中没有发现误码现象。
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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于柔性直流输电系统的控制保护系统，包括：A/D采样机箱、主控机箱、开关量输入机箱和开关量输出机箱；其特征在于，
所述主控机箱分别接收所述A/D采样机箱和所述开关量输入机箱发送的数据及来自上位机服务器的控制指令；
所述主控机箱将生成的控制保护信号分别向所述开关量输出机箱和所述柔性直流输电系统中的换流阀阀基控制器发送，同时向所述上位机服务器上报数据。
2.根据权利要求1所述的控制保护系统,其特征在于，所述主控机箱包括：基于电源背板和低压差分信号总线进行机箱内部相互通信的以太网板、主控板、4合1通信板、HDLC通信板、GPS同步板和电源板。
3.根据权利要求2所述的控制保护系统，其特征在于，所述电源板构成双冗余高可靠性供电系统。
4.根据权利要求2所述的控制保护系统，其特征在于，所述主控机箱内的各板卡采用GPS同步对时时钟对时保持时序一致。
5.根据权利要求3所述的控制保护系统，其特征在于，所述柔性直流输电系统的站间通信方式采用异步加缓存且仅传递非即时信令的光纤通信方式。
6.根据权利要求4所述的控制保护系统，其特征在于，
所述主控板处理主控机箱接受的数据，并完成功能运算，实现控制策略、保护策略和生成SOE报文；
所述以太网板负责与所述上位机服务器通信；
所述GPS同步板接收所述GPS同步时钟信号并发出同步信号；
所述4合1通信板接收所述A/D采样机箱、所述开关量输入机箱和所述开关量输出机箱的信号，并将接受的信号合并后发给所述主控板；
所述HDLC通信板负责所述主控机箱与所述控制保护系统其他部分的冗余通信。
7.根据权利要求6所述的控制保护系统,其特征在于，所述主控板包括：DSP芯片和FPGA芯片；
所述以太网板包括：POWERPC芯片和FPGA芯片，所述以太网板与上位机服务器连接，其信号功能包括：控制和录波；
所述4合1通信板包括：DSP芯片和FPGA芯片，所述4合1通信板经4路光纤与所述A/D采样机箱、所述开关量输入机箱和所述开关量输出机箱相连；
所述GPS同步板利用光纤给其他机箱发送同步信号，并留有冗余备用通道；
所述电源背板经RS485接口与所述GPS同步板连接；
所述HDLC通信板包括DSP芯片和FPGA芯片，其留有光纤接收和发射通道作为冗余备用。
8.根据权利要求7所述的控制保护系统,其特征在于，所述GPS同步板发送同步时钟信号到各功能板卡和外部机箱，所述GPS同步板的校准周期为1s。
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