CN108631436A - 一种适用于直流输电的多重冗余控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，控制系统的各互为冗余的控制指令传输通道相互独立，只要1路传输通道工作正常，就能够维持功率器件级设备的正常运行，实现了地电位控制指令到高电位控制板之间的信号的多重冗余传输，适用于多种直流输电功率器件级联产品的控制指令多重冗余控制方法和配置方式，本发明的方法具有实现方式灵活、简单可靠、适用范围广泛，减少了传输通道的数量，不但节省了设备成本，从传输通道的简约化和提供冗余的控制指令两个方面大幅提升了功率器件级设备的运行可靠性，该多重冗余控制方法在直流输电领域具有重要的应用价值和广泛的应用场景。

Description

一种适用于直流输电的多重冗余控制系统
技术领域
本发明属于直流输电功率器件级联产品的控制方法技术领域，特别涉及一种适用于直流输电的多重冗余控制系统。
背景技术
直流输电技术，是实现大规模可再生能源多点汇集、清洁能源高效利用和灵活消纳的一项重要技术手段，同时也是能源互联网快速发展的重要技术支撑。利用直流输电系统实现联网、孤岛或弱系统下的稳定运行是可再生能源灵活上网和消纳的重要前提。直流输电技术是一种重要且优越的电力传输技术，直流输电技术通过换流站将来自交流电网的交流电转换为直流电，然后将转换后的直流电通过直流输电线进行远距离传输，并在受端再通过换流站将直流电转换为交流电以供使用。直流输电用可控型大功率电力电子器件包含晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电子注入增强栅晶体管(IEGT)以及集成门极换流晶闸管(IGCT)，这些管子通过串联或并联的方式组成不同电压等级或输送功率的换流站产品，如晶闸管换流阀、柔性直流输电换流阀以及混合式高压直流断路器等，如公开号为“CN107482928A”，名称为“一种高压直流输电用模块化多电平换流器及其控制方法”的中国专利，该专利介绍了高压直流输电的换流器的结构，换流器包括三个相单元，每个相单元包括两个对称的上桥臂、下桥臂，桥臂包括子模块，该子模块为多个IGBT之间的串联或并联构成。晶闸管换流阀、柔性直流输电混流阀以及混合式高压直流断路器在实际运行中其半导体器件的控制指令通过通信线路完成从地电位控制设备到高电位控制板之间的信号传输，但是这种信号传输方式存在一定的问题，当设备或通讯线路出现故障时，则控制指令不能正常在地电位控制设备与高电位控制设备之间传输，信号传输效率低，进一步影响系统的稳定运行，造成系统运行时的可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，用于解决现有技术中的直流输电传输系统的信号传输可靠性比较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，包括以下技术方案：
系统一的系统方案一，一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，包括M个地电位控制设备、M个主高电位控制板及N-M个从高电位控制板，其中，各主高电位控制板之间互为环向冗余，各主高电位控制板分别与各从属高电位控制板互为冗余，地电位控制设备与主高电位控制板之间包括有M条用于传输控制指令的冗余传输通道。
系统一的系统方案二，在系统一的系统方案一的基础上，所述冗余传输通道为三条。
系统一的系统方案三，在系统一的系统方案二的基础上，所述传输通道为高压光纤。
系统一的系统方案四，在系统一的系统方案三的基础上，各地电位控制设备通过高压光纤向各主高电位控制板及从属高电位控制板发送的控制指令包括触发信号、同步信号、闭锁信号及跳闸信号。
系统一的系统方案五，在系统一的系统方案三的基础上，各高电位控制板通过高压光纤向各地电位控制设备发送的控制指令包括回检信号、状态监测信号、报警信号。
本发明还提供了一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，包括以下技术方案：
系统二的系统方案一，一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，包括M个地电位控制设备、N个高电位控制板、高电位信号转接板，所述高电位信号转接板与高电位控制板连接的一端设置有N个接口，各接口与对应的高电位控制板之间设置有M条用于传输控制指令的冗余传输通道，所述高电位信号转接板与地电位控制设备连接的一端设置有M个互为冗余的接口，各接口与地电位控制设备连接。
系统二的系统方案二，在系统二的系统方案一的基础上，所述冗余传输通道为三条。
系统二的系统方案三，在系统二的系统方案二的基础上，所述传输通道为高压光纤。
系统二的系统方案四，在系统二的系统方案三的基础上，各地电位控制设备通过高压光纤向各主高电位控制板及从属高电位控制板发送的控制指令包括触发信号、同步信号、闭锁信号及跳闸信号。
系统二的系统方案五，在系统二的系统方案三的基础上，各高电位控制板通过高压光纤向各地电位控制设备发送的控制指令包括回检信号、状态监测信号、报警信号。
本发明的有益效果是：
本发明的适用于直流输电的多重冗余控制系统，各互为冗余的控制指令传输通道相互独立，只要1路传输通道工作正常，就能够维持功率器件级设备的正常运行，实现了地电位控制指令到高电位控制板之间的信号的多重冗余传输，适用于多种直流输电功率器件级联产品的控制指令多重冗余控制方法和配置方式，本发明的方法具有实现方式灵活、简单可靠、适用范围广泛，减少了传输通道的数量，不但节省了设备成本，从传输通道的简约化和提供冗余的控制指令两个方面大幅提升了功率器件级设备的运行可靠性，该多重冗余控制方法在直流输电领域具有重要的应用价值和广泛的应用场景。
附图说明
图1为主从混合式高电位控制板的多重冗余控制系统的结构示意图；
图2为主从式高电位控制板的多重冗余控制系统的结构示意图。
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说明：
本发明涉及一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，其涉及的设备包括从位于地电位的功率器件产品控制设备到功率器件级的高电位控制板之间的控制指令的传输方式和光纤传输通道，地电位控制设备到高电位控制板之间的控制指令包含触发信号、同步信号、闭锁信号、跳闸信号等指令；高电位控制设备到地电位控制设备之间的控制指令包括回检信号、状态监测信号、报警信号等信息。
本发明的控制指令的传输方式，包含两种实现方法：一种是通过多重冗余的高压光纤通道直接从位于地电位的控制指令设备向功率器件级上的部分高电位控制板控制指令的传递，其余的高电位控制板从属于前面的主从模式的高电位控制板，称为主从混合式；另一种从与地电位的中控指令设备传输的光信号在功率器件组件上通过高电位信号转接板进行信号的转接和冗余分配，然后再通过光纤传输到功率器件级的高电位板上，称为主从式。
其中，对于主从混合式的多重冗余控制系统，该系统包括M个地电位控制设备、M个主高电位控制板及N-M个从高电位控制板，其中，各主高电位控制板之间互为环向冗余，各主高电位控制板分别与各从属高电位控制板互为冗余，地电位控制设备与主高电位控制板之间包括有M条用于传输控制指令的冗余传输通道。地电位控制设备上设置有M组信号发射管和信号接收管，每组信号发射管和信号接收管与对应的传输通道连接，主高电位控制板与传输通道连接的一端设置有一组信号接收管和信号发射管，各主高电位控制板的另一端设置有(N-1)组信号发射管与信号接收管；各从属高电位控制板上设置有M组信号发射管与信号接收管。
高电位控制板与地电位板之间通过高压传输光纤实现信号传递、高电压的绝缘；电压等级越高、特别是超高压、特高压等级的信号高压传输光纤的长度越长、对耐压和局部的绝缘等级越高，高压光纤的成本也越高，因此，本实施例以三重冗余为例，即地电位控制设备与高电位控制板之间的冗余高压光纤通道为三组，当然，下分对功率器件级的高电位控制板的光纤通道的数量可以根据实际产品的结构扩展和增加。
具体如图1所示的主从混合式的高电位控制板的多重冗余控制系统的结构框图，从地电位控制设备发出的三重冗余控制指令，分别传输到三个主高电位控制板M1、M2、M3中，高电位控制板M4、M5、M6……Mn是主高电位控制板M1、M2、M3的从属控制板，互为主从关系的高电位控制板之间采取环向冗余设计，主高电位控制板上包含6路控制指令信息，每路主高电位控制板对应1路地电位输入/出，并与其余3路从属关系的高电位控制板之间各有1路控制指令传输通道，通过传输通道向从属高电位控制板各输出一路冗余信号。
其中，互为冗余的光(信号)发射管和光(信号)接收管分别位于互为独立和冗余的光发射板/光接收板上，只要有1路信号通道能够正常工作，即可实现对该组所有高电位控制板的控制指令传输(如附图1)。
在功率器件级的高电位控制板M1～M3上通过环向冗余的控制指令配置方法，即M1分别向M2、M3提供冗余信号，M2分别向M3、M1提供冗余信号，M3分别向M1、M2提供冗余信号；如M1上的输入S1和输出R1分别作为M2上的输入S1和输出R1的冗余信号，M1上的输入S2和输出R2分别作为M3上的输入S1和输出R1的冗余信号。功率器件级高电位控制板M1、M2、M3之间的光信号通道互为三重冗余，每个高电位控制板负责6个功率器件级的控制指令的传输和处理，其中只要有1路光通道正常工作即可确保对一次侧设备的可靠控制。高电位控制板卡M4、M5、M6分别为高电位控制板卡M1、M2、M3的从属板卡，每个板卡均有三路互为冗余的控制指令传输通道。该三重冗余的控制指令传输方法仅用3路地电位与高电位之间的冗余光纤传输通道，实现了6组功率器件级的高电位控制板的控制指令传输。
对于主从式的适用于直流输电的多重冗余控制系统，该系统包括M个地电位控制设备、N个高电位控制板、高电位信号转接板，高电位信号转接板与高电位控制板连接的一端设置有N个接口，各接口与对应的高电位控制板之间设置有M条用于传输控制指令的冗余传输通道，所述高电位信号转接板与地电位控制设备连接的一端设置有M个互为冗余的接口，各接口与地电位控制设备连接。地电位控制设备上设置有M组信号发射管和信号接收管，每组信号发射管和信号接收管与对应的传输通道连接，高电位信号转接板与传输通道连接的一端设置有一组信号接收管和信号发射管，高电位信号转接板的另一端的各个接口上设置有M组信号发射管与信号接收管，各高电位控制板上设置有M组信号发射管与信号接收管。
以三重冗余为例，如图2所示，功率器件产品的地电位控制设备传输的三重冗余的控制指令信号，经过3路互为冗余的光纤通道与功率器件组(数个功率器件级，本实施例以6个为例)连接，每路控制指令均包含对6个功率器件级的运行控制功能；然后，其在高电位信号转接板M上完成控制指令信号的冗余分配，与6路功率器件级的高电位控制板进行控制指令信号的传输，每个功率器件级的高电位控制板均包含3重冗余的控制指令。如针对模块化多电平(MMC)柔直换流阀产品，每一路控制信号可以依次发出6个不同时序下的控制信号，一组传输光纤即可完成信号控制指令的传输工作；对于三重冗余的控制信号传输通道，只需要三组传输光纤即可实现6路不同触发时序的大功率器件的开通、关断和监控信号的传输。
本发明中提出的一种新型的直流输电用多重冗余控制系统，主要优点是多重冗余设备只要其中1路控制指令的信号传输通路工作正常，仍可对功率器件级的运行状态进行运行控制；而且互为冗余的控制指令信号通路之间是相互独立的。该种对功率器件产品的控制指令的多重冗余控制方法实现方式灵活，可以根据直流输电换流产品中功率器件的工作特点，选择本发明提供的附图1和图2中的主从混合式和主从式两种方式。以本实施例中给出的附图1、2两种高电位板冗余配置模式为例，对三重冗余控制指令均只需要3路互为冗余的光通道信号即可实现对6个大功率器件级(或更多)高电位板的控制指令的三重冗余控制。该方法与冗余控制指令能力的控制方法相比，其功率器件级控制指令的运行可靠性得到了提升，但是控制指令的传输光纤数量减少了一半。
本发明中同一路多重冗余控制信号对功率器件的高电位控制板触发控制时序包含两种方式：第一种是同一路冗余信号控制下的多个功率器件在相同的时刻是同一种控制时序，称为并行模式，可广泛用于直流输电换流阀、高压直流断路器等产品；第二种是同一路冗余信号控制下的多个功率器件在同一时刻分别是不同的控制状态，但是在本发明中多重冗余控制方法只能使多个功率器件各异的控制信号通过同一个光线通道按照一定的时序传输，则该种控制信号的传输方式称为串行模式；因此串行模式的触发控制方式对要求在同一时刻实现对串联型功率器件的状态控制存在延时，顺行方式下发的最后一个信号状态与第一个信号状态时间的时差即为延迟时间。但是在实际的直流输电产品应用中，以MMC结构的柔性直流输电换流阀产品为例，功率器件的控制信号的一致性是允许延时的；因此对功率器件级的控制方法通过合理的匹配串行信号的数量和传输频率，可以满足在工程应用允许的延时范围内实现通过串行方式对功率器件级的控制信号传输。如本发明中的主从式三重冗余控制方法实现的例子，3路互为冗余的控制信号实现对6路功率器件级的高电位板的控制，如果产品实际运行允许的控制延时为1us，以10MHz的频率进行其6个功率器件控制状态信号的传递，则最大延迟为0.5us，可满足产品的运行要求。
本发明涉及一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，其设备运行电压等级包含高压、超高压、特高压以及以上电压等级的直流输电工程用功率器件型产品的多重冗余控制方法，均在本专利的保护范围内。
本发明涉及一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，其设备的实现方式通过采用如光分配器、光通讯环路结构对应用拓展以及通过采用相似理念，通过多路光纤连接至高电位，在高电位进行转接的设计，也在本专利的保护范围之内。
本发明提供的一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，具有以下作用：
1)该新型多重冗余控制系统广泛适合用于直流输电领域的所有半控、全控型功率器件级联产品的控制指令的冗余设计；通过主从式和主从混合式信号冗余配置方式，可实现控制指令及其传输通道的双重、三重、多重冗余配置，该控制指令冗余设计方法具有高效经济的特点。
2)该新型的适用于直流输电的多重冗余控制系统，地电位设备传输的冗余控制指令在高电位板上有两种实现方式。从功率器件产品的地电位控制设备传输的多重冗余控制指令，可以通过主从混合式高电位控制板实现对多个(N个)功率器件级的控制指令传输，其中与地电位控制指令信号为主从关系的M块高电位板卡的控制指令采取环向冗余配置，相邻N-M块高电位控制板从属的冗余配置方法；也可以采用主从式高电位信号转接板对从地电位控制设备传输的多重(M重)冗余控制指令进行分光和冗余信号通道配置，形成N组包含M重冗余的控制指令传输通道，与N个功率器件级的高电位控制板通过光纤实现信号传输。
3)该适用于直流输电的多重冗余控制系统，对于同一冗余信号控制下的多个功率器件在相同的时刻各异的控制时序，虽然在主从式多重冗余控制方法中只能通过串行方式完成控制指令的传输，但是通过合理的匹配功率器件级数量和控制信号的传输频率，在工程应用允许的延时范围内可以满足其应用要求。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，包括M个地电位控制设备、M个主高电位控制板及N-M个从高电位控制板，其中，各主高电位控制板之间互为环向冗余，各主高电位控制板分别与各从属高电位控制板互为冗余，地电位控制设备与主高电位控制板之间包括有M条用于传输控制指令的冗余传输通道。
2.根据权利要求1所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，所述冗余传输通道为三条。
3.根据权利要求2所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，所述传输通道为高压光纤。
4.根据权利要求3所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，各地电位控制设备通过高压光纤向各主高电位控制板及从属高电位控制板发送的控制指令包括触发信号、同步信号、闭锁信号及跳闸信号。
5.根据权利要求3所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，各高电位控制板通过高压光纤向各地电位控制设备发送的控制指令包括回检信号、状态监测信号、报警信号。
6.一种适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，包括M个地电位控制设备、N个高电位控制板、高电位信号转接板，所述高电位信号转接板与高电位控制板连接的一端设置有N个接口，各接口与对应的高电位控制板之间设置有M条用于传输控制指令的冗余传输通道，所述高电位信号转接板与地电位控制设备连接的一端设置有M个互为冗余的接口，各接口与地电位控制设备连接。
7.根据权利要求6所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，所述冗余传输通道为三条。
8.根据权利要求7所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，所述传输通道为高压光纤。
9.根据权利要求8所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，各地电位控制设备通过高压光纤向各主高电位控制板及从属高电位控制板发送的控制指令包括触发信号、同步信号、闭锁信号及跳闸信号。
10.根据权利要求8所述的适用于直流输电的多重冗余控制系统，其特征在于，各高电位控制板通过高压光纤向各地电位控制设备发送的控制指令包括回检信号、状态监测信号、报警信号。
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