CN108683260B - 适用于直流输电的冗余控制系统、方法及管理控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于直流输电的冗余控制系统、方法及管理控制装置，该管理控制装置包括控制单元、触发/回检光模块和至少两个通信模块，触发/回检光模块用于与电力电子开关连接，各通信模块用于与阀控单元及冗余管理控制装置连接；控制单元具有遴选功能，能够从来自于不同通信通道的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。该系统包括阀控单元、至少两个上述管理控制装置及与各管理控制装置连接的电力电子开关。该方法为监测电力电子开关的控制单元接收到的各路触发信号的通信通道，根据接收完成标志位及通信校验位，实时选择最先接收到的正确的触发信号作为触发指令输出。本发明提升了系统运行的稳定性、控制的可靠性及系统的容错纠错能力。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种适用于直流输电的冗余控制系统、方法及管理控制装置。
背景技术
风能、太阳能等新型可再生能源的利用比例在不断地增加，高压直流输电技术也得到更广泛的应用，尤其是柔性直流输电技术，能够实现能源多点汇集，能源高效利用及能源灵活消纳的功能特点，同时高压直流断路器的研发应用也得到了很大的关注。
柔性直流输电系统，能够实现联网、孤岛或弱系统下的电网的稳定运行。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)。可关断器件控制单元作为一个基本的控制模块，构成了一种基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统，结构灵活且易于扩展，可以有效地实现高电压、大功率能量转换，因此基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统在高压直流输电领域得到了越来越多的关注和应用。目前应用于舟山200kV直流电网的柔性换流阀采用此设计。同时舟山200kV直流电网中应用的200kV高压直流断路器，也采用基于电力电子开关(IGBT)构成的主支路电子开关，转移支路电子开关等关键器件。
基于模块化多电平换流器(MMC)核心器件为IGBT(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。混合式高压直流断路器也由多个电力电子开关(IGBT)之间的串联或并联构成关键器件。控制单元作为电力电子开关(IGBT)的控制单元，如何提高控制单元控制可靠性，直接影响系统的运行可靠性，如专利号“201810123442.3”，名称为“一种适用于直流输电的多重冗余控制系统”的中国专利，提出了一种适用于直流输电的3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。从硬件接口方面大幅提升了功率器件级设备的运行可靠性，但是缺乏软件方面的设计，以进一步提高系统的运行可靠性。
发明内容
本发明提供了一种适用于直流输电的冗余控制系统、方法及管理控制装置，以从控制单元软件设计方面进一步提高系统的运行可靠性。
为达到上述目的，本发明的适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置包括以下五个单元方案：
单元方案一，该管理控制装置包括控制单元以及与控制单元连接的触发/回检光模块和至少两个通信模块；所述触发/回检光模块用于与电力电子开关连接，一个通信模块用于与阀控单元连接，剩余的通信模块用于与冗余管理控制装置连接；控制单元包括遴选功能模块，所述遴选功能模块用于从来自于阀控单元及冗余管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
单元方案二，在单元方案一的基础上，该管理控制装置还包括与控制单元连接的触发信号转发/回检光模块，所述触发信号转发/回检光模块用于与冗余管理控制装置和/或执行模块连接，以将控制单元选择出来的正确且最快速的触发信号转发至冗余管理控制装置和/或执行模块。
单元方案三，在单元方案二的基础上，该管理控制装置还包括整合功能模块，所述整合功能模块用于将管理控制装置、冗余管理控制装置、执行模块及电力电子开关的工况信息及通道通信状况信息进行整合。
单元方案四、五，分别对应在单元方案二、三的基础上，该管理控制装置还包括实时同步功能模块，用于实现电力电子开关通断的实时同步性。
本发明的适用于直流输电的冗余控制系统包括以下七个单元方案：
单元方案一，该冗余控制系统包括阀控单元、与阀控单元连接的至少两个管理控制装置以及与各管理控制装置连接的电力电子开关器件；各管理控制装置均包括控制单元以及与控制单元连接的触发/回检光模块和至少两个通信模块；所述触发/回检光模块用于与电力电子开关连接；各管理控制装置中的一个通信模块与阀控单元连接，剩余的通信模块与除自身之外的其他管理控制装置连接；控制单元还包括遴选功能模块，所述遴选功能模块用于从来自于阀控单元及其他管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
单元方案二，在单元方案一的基础上，各管理控制装置还包括与控制单元连接的触发信号转发/回检光模块，所述触发信号转发/回检光模块用于与除自身之外的其他管理控制装置连接，以将控制单元选择出来的正确且最快速的触发信号转发至其他管理控制装置。
单元方案三，在单元方案二的基础上，该冗余控制系统还包括用于实现电力电子开关器件的触发功能的执行模块，所述执行模块与各管理控制装置的触发信号转发/回检光模块均连接；执行模块具有遴选功能，能够从来自于不同的管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
单元方案四，在单元方案三的基础上，各管理控制装置还包括整合功能模块，用于将所有管理控制装置、所有执行模块及所有电力电子开关的工况信息及通道通信状况信息进行整合。
单元方案五、六、七，分别对应在单元方案二、三、四的基础上，各管理控制装置还包括实时同步功能模块，用于实现电力电子开关通断的实时同步性。
本发明的适用于直流输电的冗余触发控制方法为：电力电子开关的控制单元接收至少两路触发信号，对各路触发信号的通信通道进行监测，根据接收完成标志位及通信校验位，实时选择最先接收到的正确的触发信号作为触发指令输出。
本发明的有益效果是：本发明的冗余控制系统、方法及管理控制装置设置多重冗余触发系统，管理控制装置接收阀控单元与其他管理控制装置触发指令信息后，控制单元软件采用特定遴选机制，选择出正确且最快速的触发信号，对于电力电子开关的触发及回检正确性高，提高了基于模块化的柔性直流换流阀或高压直流断路器系统运行的稳定性，控制的可靠性，进而进一步促进了高压直流输电技术的工程应用。
管理控制装置将遴选出来的触发信号分发至其他管理控制装置及所有执行模块，并采用高速同步控制机制，保证电力电子开关(IGBT)导通的实时同步性。
管理模块控制单元软件采用特定整合机制，将所有管理模块、执行模块的电压、状态信息及对应通道通信健康状态信息上传至阀控单元，由阀控单元进行进一步整合处理，提高系统的容错纠错能力。
附图说明
图1为本发明的冗余触发系统的管理控制装置的原理框图；
图2为本发明的冗余触发系统的遴选机制流程图；
图3为本发明的冗余触发系统的实时同步机制流程图；
图4为本发明的冗余触发系统的整合机制流程图；
图5为将本发明的方法应用于高压直流断路器子模块系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明的适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置实施例
如图1所示，该管理控制装置包括控制单元，以及与控制单元连接的触发/回检光模块和至少两个通信模块；其中，触发/回检光模块用于与电力电子开关连接，一个通信模块用于与阀控单元连接，剩余的通信模块用于与冗余管理控制装置连接；控制单元包括遴选功能模块，遴选功能模块用于从来自于阀控单元及冗余管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
图1中设置了三个管理控制装置，即管理控制装置1、管理控制装置2和管理控制装置3，三个管理控制装置的结构及功能一致，相对于其中一个管理控制装置而言，其他两个均为冗余管理控制装置。当然作为其他实施方式，也可以设置两个、四个管理控制装置等等。
该管理控制装置还可以设置触发信号转发/回检光模块，触发信号转发/回检光模块与控制单元连接，用于接收控制单元遴选出来的触发信号，触发信号转发/回检光模块还与其他管理控制装置(冗余管理控制装置)和/或执行模块连接，将接收到的触发信号转发至他管理控制装置(冗余管理控制装置)和/或执行模块。控制单元触发系统采用基于高速光脉冲编码的技术，管理模块控制单元将接收的触发信号通过高速通信光口同时转发至另2个管理模块和所有执行模块，转发时间偏差不超过0.02μs，管理模块和执行模块依据触发信号对电力电子开关(IGBT)进行导通或关断控制，触发的实时同步性高。
为了提高系统的容错纠错能力，控制单元中设置了整合功能模块，实时监测管理控制装置、其他管理控制装置和所有执行模块的通信状态，根据特定整合机制，将所有模块的电压、状态信息及通道通信健康状态信息等完备的信息数据上传至阀控单元，由阀控单元进行进一步的整合处理，进而提升了系统的容错纠错能力。
本发明的适用于直流输电的冗余控制系统实施例
如图2所示，该冗余控制系统包括阀控单元、管理控制装置及电力电子开关。其中，管理控制装置的具体结构见上述实施例中的管理控制装置，这里不再详细介绍。管理控制装置至少设置为两个，管理控制装置中的一个通信模块与阀控单元连接，用于与阀控单元进行数据传输。管理控制装置中的其他通信模块用于与其他管理控制装置连接，与其他管理控制装置进行数据传输。管理控制装置中的触发/回检光模块与电力电力开关连接，用于向电力电子开关下发触发信号。
该冗余控制系统中还包括执行模块，执行模块通过管理控制装置中的触发信号转发/回检光模块与管理控制装置连接，用于接收管理控制装置遴选出来的触发信号。执行模块与冗余控制系统中所有的管理控制装置连接，其能够接收多路触发信号，所以，可以在执行模块中设置遴选功能模块，能够从来自于不同的管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
管理控制装置为具有接收阀控指令信息、触发信号转发、指令遴选、回检信息判断，回检信息整合及电力电子开关(IGBT)触发功能于一体的控制单元。执行模块为具有指令遴选、回检信息判断及电力电子开关(IGBT)触发功能的控制单元。
本发明的适用于直流输电的冗余触发控制方法实施例
站在管理模块角度，接收阀控单元下发的触发信号和接收其他管理控制装置下发的触发信号，理论上存在的偏差≤0.01μs。站在执行模块角度，接收3路管理模块下发的触发信号存在偏差<0.01μs。管理模块和执行模块的电力电子开关(IGBT)触发信号整体偏差≤0.02μs。能够满足高压直流断路器子模块电力电子开关触发的同步性要求。
所以，本发明提出了一种适用于直流输电的冗余控制系统的控制方法：电力电子开关的控制单元接收至少两路触发信号，对各路触发信号的通信通道进行监测，根据接收完成标志位及通信校验位，实时选择最先接收到的正确的触发信号作为触发指令输出。
如图2所示，以控制单元接收3路触发信号为例。分别检测3个通信通道的接收完成标志位位Frame_end及通信校验标志位Check_out，当触发信号接收完成，Frame_end＝1；当通信校验通过，Check_out有效为1。在100MHz时钟沿下进行处理：若第1路Frame_end最先完成(为1)，且Check_out有效(为1)，则将第1路的触发信号通过触发光模块发送至电力电子开关(IGBT)；否则，若第2路Frame_end最先完成(为1)，且Check_out有效(为1)，则将第2路的触发信号通过触发光模块发送至电力电子开关(IGBT)；否则，若第3路Frame_end最先完成(为1)，且Check_out有效(为1)，则将第3路的触发信号通过触发光模块发送至电力电子开关(IGBT)；若3路Frame_end均无效或Check_out均无效，保持触发信号不变。
如图3所示，为保证所有的电力电子开关的同步触发，控制单元采用基于高速光脉冲编码的技术，将接收的触发信号通过高速通信光口同时转发至另2个管理模块和所有执行模块，转发时间偏差不超过0.02μs。通过高速同步控制机制，保证了电力电子开关(IGBT)导通的实时同步性。
每个管理控制装置接收自身连接的电力电子开关(IGBT)状态信息，并检测回检通道通信健康状态信息(回检通道Check_out_B)，同时接收其他管理控制装置、所有执行模块连接的电力电子开关(IGBT)状态信息，并检测这些回检通道的通信健康状态(回检通道Check_out_B)。这些信息接收后，如图4所示，此管理控制装置将电力电子开关(IGBT)状态信息及对应通道通信健康状态(回检通道Check_out_B)信息整合，通过自定义通信协议，发送至阀控单元，每个管理控制装置上传至阀控单元通信信息里，均包含所有的电力电子开关(IGBT)状态信息及对应通道通信健康状态信息(回检通道Check_out_B)，不仅提高了系统的通信可靠性，且可以通过一定的整合处理，提高系统的容错纠错能力。
图5给出了将本发明的控制系统、方法及装置应用于高压直流断路器子模块系统中的结构图。该系统包括n个阀段，每个阀段包括3个管理控制装置、m个执行模块。3个管理控制装置分别通过光纤与阀控单元连接，且各个管理控制装置之间互相连接。阀控单元向管理控制装置1发送触发信号，并接受管理控制装置1上传的L个电力电子开关(IGBT)的状态信息及通信健康状态信息。管理控制装置1包含三冗余触发及回检通道设计，一路由阀控单元至管理控制装置1的光通信，两路由管理控制装置2、管理控制装置3至管理控制装置1的光通信，管理控制装置1根据遴选机制，如图2所示，从阀控单元、管理控制装置2及管理控制装置3中选取正确且最快速的触发信号，转发至管理控制装置2，管理控制装置3及其他所有执行模块，同时解析管理控制装置2，管理控制装置3及其他所有执行模块上传的电力电子开关(IGBT)状态信息及通道通信健康状态信息，如图4所示，将所有的电力电子开关(IGBT)状态信息及对应通道通信健康状态信息整合后上传至阀控单元。
m个执行模块只和管理控制装置1-3进行通信，分别接收管理控制装置1-3的触发信号，同样通过遴选机制，和图2流程一致，从管理控制装置1-3中选取正确且最快速的触发信号，同时将自身的电力电子开关(IGBT)状态信息分别反馈至管理控制装置1-3。
本发明使得高压直流断路器子模块存在多重冗余触发系统，控制单元软件通过采用特定遴选机制，高速同步控制机制，特定整合机制，提升了系统运行的稳定性，控制的可靠性，且提升了系统的容错纠错能力。
Claims (9)
1.一种适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置，其特征在于，该管理控制装置包括控制单元以及与控制单元连接的触发/回检光模块和至少两个通信模块；所述触发/回检光模块用于与电力电子开关连接，一个通信模块用于与阀控单元连接，剩余的通信模块用于与冗余管理控制装置连接；控制单元包括遴选功能模块，所述遴选功能模块用于从来自于阀控单元及冗余管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置，其特征在于，该管理控制装置还包括与控制单元连接的触发信号转发/回检光模块，所述触发信号转发/回检光模块用于与冗余管理控制装置和/或执行模块连接，以将控制单元选择出来的正确且最快速的触发信号转发至冗余管理控制装置和/或执行模块。
3.根据权利要求2所述的一种适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置，其特征在于，该管理控制装置还包括整合功能模块，所述整合功能模块用于将管理控制装置、冗余管理控制装置、执行模块及电力电子开关的工况信息及通道通信状况信息进行整合。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于直流输电的冗余控制系统的管理控制装置，其特征在于，该管理控制装置还包括实时同步功能模块，用于实现电力电子开关通断的实时同步性。
5.一种适用于直流输电的冗余控制系统，其特征在于，该冗余控制系统包括阀控单元、与阀控单元连接的至少两个管理控制装置以及与各管理控制装置连接的电力电子开关器件；各管理控制装置均包括控制单元以及与控制单元连接的触发/回检光模块和至少两个通信模块；所述触发/回检光模块用于与电力电子开关连接；各管理控制装置中的一个通信模块与阀控单元连接，剩余的通信模块与除自身之外的其他管理控制装置连接；控制单元还包括遴选功能模块，所述遴选功能模块用于从来自于阀控单元及其他管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
6.根据权利要求5所述的适用于直流输电的冗余控制系统，其特征在于，各管理控制装置还包括与控制单元连接的触发信号转发/回检光模块，所述触发信号转发/回检光模块用于与除自身之外的其他管理控制装置连接，以将控制单元选择出来的正确且最快速的触发信号转发至其他管理控制装置。
7.根据权利要求6所述的适用于直流输电的冗余控制系统，其特征在于，该冗余控制系统还包括用于实现电力电子开关器件的触发功能的执行模块，所述执行模块与各管理控制装置的触发信号转发/回检光模块均连接；执行模块具有遴选功能，能够从来自于不同的管理控制装置的触发信号中选择出正确且最快速的触发信号。
8.根据权利要求7所述的适用于直流输电的冗余控制系统，其特征在于，各管理控制装置还包括整合功能模块，用于将所有管理控制装置、所有执行模块及所有电力电子开关的工况信息及通道通信状况信息进行整合。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的适用于直流输电的冗余控制系统，其特征在于，各管理控制装置还包括实时同步功能模块，用于实现电力电子开关通断的实时同步性。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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