CN108808714A - 一种高压柔性直流输电阀控保护系统及保护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压柔性直流输电阀控保护系统及保护控制方法，该系统包括互为冗余的主控制系统和备用控制系统，所述主控制系统与备用控制系统之间通信连接，主控制系统与备用控制系统通过光纤与每个换流阀功率单元连接，主控制系统与每个换流阀功率单元之间的光纤通道与每个换流阀功率单元与备用控制系统之间的光纤通道独立设置。该方法应用于上述阀控保护系统中，具体为：主控制系统与备用控制系统分别检测换流阀功率单元的不可用个数，根据主控系统和备用控制系统检测到的功率单元不可用个数及控制系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。本发明的系统及方法能够保证换流阀及阀控设备工作在最优的状态下，提高了系统的可靠性和可用性。

Description

一种高压柔性直流输电阀控保护系统及保护控制方法

技术领域

本发明属于高压柔性直流输电技术领域，具体涉及一种高压柔性直流输电阀控保护系统及保护控制方法。

背景技术

柔直换流阀是实现交直流变换的核心设备，被喻为柔直系统的“心脏”，相比联接变压器、桥臂电抗器等其他主设备，换流阀集成的关键元件多、多物理场应力耦合程度高、电路控制难度大、机械结构复杂。随着柔性直流输电工程电压等级、容量的不断提升，柔直换流阀的研制难度不断加大。然而，柔直换流阀所使用的新材料、新部件、新工艺、新结构以及新的控制技术尚未得到工程充分验证与长期考验。为了提高换流阀运行的稳定性，其直接监控设备阀控系统的设计往往采用双重化冗余系统设计。

当前阀控系统设计，如图1所示，阀控与换流阀功率单元之间只有一组数据通道，该数据通道包括一路上行通讯和一路下行通讯。阀控系统虽然设计为冗余系统，但与换流阀功率单元的接口往往采用公共接口，属于单一元器件，一旦任意通讯通道故障，则会造成与该通讯通道对应连接的功率模块不能用，直接造成设备冗余度下降，公共接口板卡等个别极端故障甚至造成了系统停运，严重影响了柔性直流输电工程的稳定性和安全性。而且，现有的阀控系统冗余保护控制方法均是当主阀控系统本身发生故障时才切换为备用阀控系统，而其他时候均采用主阀控系统，但是这种保护控制方法并不能使换流阀及阀控设备工作在最佳状态，设备的可靠性和可用性不高。

发明内容

本发明提供了一种高压柔性直流输电阀控保护系统及保护控制方法，用于解决现有的阀控保护系统的可靠性低以及可用性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的高压柔性直流输电阀控保护控制方法包括以下十二个单元方案：

单元方案一，该方法应用于一种高压柔性直流输电阀控保护系统中，该高压柔性直流输电阀控保护系统包括互为冗余的主控制系统和备用控制系统，主控制系统与每个换流阀功率单元之间的光纤通道与每个换流阀功率单元与备用控制系统之间的光纤通道独立设置，主控制系统与备用控制系统分别检测换流阀功率单元的不可用个数，根据主控系统和备用控制系统检测到的功率单元不可用个数及控制系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。

单元方案二，在单元方案一的基础上，当备用控制系统可用且主控制系统检测到的换流阀功率单元的不可用个数大于备用控制系统检测到的换流阀功率单元不的可用个数时，进行主备切换。

单元方案三，在单元方案二的基础上，换流阀功率单元的不可用个数的检测由主控制系统中的阀控系统和备用控制系统的阀控系统来完成，当主/备用控制系统的阀控系统自身发生故障或者检测到的换流阀功率单元不可用个数大于设定值时，产生不可用切换申请；主控制系统中的阀控系统与备用控制系统的阀控系统之间实时传递各自检测到的换流阀功率单元不可用个数，并且由换流阀功率单元不可用个数最多的阀控系统产生最优切换申请。

单元方案四，在单元方案三的基础上，主控制系统中的极控系统根据接收到的不可用切换申请及最优切换申请来判断是否进行主备切换。

单元方案五、六、七、八，分别对应在单元方案一、二、三、四的基础上，主/备用控制系统与换流阀功率单元之间通过单一光纤通道实现上下行数据传输。

单元方案九、十、十一、十二，分别对应在单元方案五、六、七、八的基础上，当功率单元故障或功率单元与阀控系统之间的光纤通道故障，则判断功率单元不可用。

本发明的高压柔性直流输电阀控保护系统包括以下六个单元方案：

单元方案一，该系统包括互为冗余的主控制系统和备用控制系统，所述主控制系统与备用控制系统之间通信连接，主控制系统与备用控制系统通过光纤与每个换流阀功率单元连接，主控制系统和每个换流阀功率单元之间的光纤通道与备用控制系统和每个换流阀功率单元之间的光纤通道独立设置；主控制系统与备用控制系统能够检测换流阀功率单元不可用个数，并根据双方检测到的功率单元不可用个数及阀控系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。

单元方案二，在单元方案一的基础上，主控制系统中的阀控系统或备用控制系统的阀控系统，用于当自身发生故障或者检测到的换流阀功率单元不可用个数大于设定值时，产生不可用切换申请；主控制系统中的阀控系统与备用控制系统的阀控系统之间通信连接，用于实时传递各自检测到的换流阀功率单元不可用个数，并且由换流阀功率单元不可用个数最多的控制系统产生最优切换申请。

单元方案三，在单元方案二的基础上，主控制系统中的极控系统用于当备用控制系统的阀控系统可用且接收到主控制系统中的阀控系统发送过来的最优切换申请时，进行主备切换。

单元方案四、五、六，分别对应在单元方案一、二、三的基础上，主/备用控制系统与换流阀功率单元之间仅连接一根光纤，通过单一光纤通道实现上下行数据传输。

本发明的有益效果是：本发明中的主控制系统与备用控制系统采用独立的光纤通道与各换流阀功率单元进行通信，如此能够保证功率单元就具有两个光纤通道与阀控系统进行上行通讯，当其中一个光纤通道故障，依然功率单元可以通过另外一个光纤通道与阀控系统通信，不影响功率单元的正常使用，从而保证了换流阀功率单元的冗余度不变，进而提高了阀控系统的可靠性和可用性。在进行阀控保护时，提供了一套系统切换逻辑，即两个冗余的阀控系统分别检测功率单元的不可用个数，并进行比较，选择功率单元不可用个数最少的阀控系统作为值班系统，该切换逻辑能够保证换流阀及阀控设备工作在最优的状态下，提高了系统的可靠性和可用性。

本发明的两个冗余的阀控系统与每个换流阀功率单元之间通过一根光纤进行连接，通过单一光纤通道实现上下行数据传输，与传统的阀控系统相比，在不增加光纤通道的情况下，提高阀控系统的冗余度，提高系统的可靠性。

附图说明

图1是现有通用的阀控系统设计示意图；

图2是本发明的阀控保护系统架构设计示意图；

图3是本发明的最优系统值班处理逻辑流程图；

图4是本发明的极控系统切换逻辑流程图。

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的说明。

本发明的高压柔性直流输电阀控保护系统实施例

如图2所示，本发明的高压柔性直流输电阀控保护系统包括互为冗余的两个控制系统，分别为主控制系统和备用控制系统，主控制系统包括极控系统A及与其通信连接的阀控系统A，备用控制系统包括极控系统B及与其通信连接阀控系统B。阀控系统A、阀控系统B分别通过光纤与换流阀的每个功率单元通信连接，如对于换流阀中的功率单元1，阀控系统A通过光纤通道1A与功率单元1通信，阀控系统A通过光纤通道1B与功率单元1通信，光纤通道1A和光纤通道1B为互为独立的两个光纤通道，同理，根据功率单元的个数形成了光纤通道2A……光纤通道nA及与他们独立设置的光纤通道2B……光纤通道nB。

其中，主控制系统能够与备用控制系统之间通信连接，以用于主备切换，本实施例中，令主控制系统中的阀控系统A与备用控制系统中的阀控系统B进行通信连接，用于传递双方各自的数据信息，当然作为其他实施方式，也可以令极控系统A与极控系统B通信连接。

阀控系统A与阀控系统B能够检测换流阀中不可用的功率单元的个数，其中，功率单元是否可用的判断方法为：当功率单元故障或功率单元与阀控系统之间的光纤通道故障，则判断功率单元不可用。阀控系统A与阀控系统B将各自检测到的功率单元的不可用个数传递给对方。阀控系统A与阀控系统B会将自身检测到的功率单元不可用个数与对方传递过来的功率单元不可用个数进行比较，如果自身检测到的功率单元不可用个数大于对方传递过来的功率单元不可用个数，那么，该阀控系统就会产生最优切换申请信号，并将该信号发送给极控系统，否则，不产生最优切换申请信号。

阀控系统A与阀控系统B也会检测自身是否发生故障，当自身发生故障或检测到的功率单元不可用个数大于设定值时(即功率单元不可用个数过多，冗余耗尽)，产生系统不可用切换申请。两个系统的不可用切换申请信号是一对并行信号，即两个信号之间没有逻辑关系，只跟当前系统运行状况有关。

极控系统会根据接收到的系统不可用切换申请及最优切换申请信号进行主备切换。系统最优切换申请的优先级低于系统可用切换申请。当前值班的系统称为主控制系统，未值班的系统称为备用控制系统。主备切换的判断机制为：

若当前A系统为值班系统，A系统产生最优切换申请信号，且B系统正常(未产生系统不可用切换申请信号)，极控切换B系统为值班系统；若B系统产生有系统不可用切换申请信号，则仍保持A系统为值班系统。

若当前A系统为值班系统，A系统产生系统不可用切换申请信号，B系统产生最优切换申请信号，极控切换B系统为值班系统。

若两个系统同时产生系统不可用切换申请信号，则极控执行跳闸逻辑。

现有技术中的阀控系统与功率单元之间的数据通道一般包括一路上行通讯通道和一路下行通讯通道，两个通讯通道采用独立光纤实现。按照本发明的上述连接方式，每个功率单元将会连接4根光纤，这样会增加系统成本。为了降低系统成本，本发明采用波分复用技术，即上行数据和下行数据通过同一个光纤通道，分别以不同的波长进行数据传输。这样在进行设置时，阀控系统A/阀控系统B与每个功率单元仅通过一个光纤通道就实现了上下行数据的传输，即每个功率单元通过两根光纤分别与两个互为冗余的阀控系统连接。因此，在不增加光纤数量的前提下，提高了通讯冗余度。

本发明的高压柔性直流输电阀控保护控制方法实施例

本实施例的保护控制方法是基于一种冗余的阀控保护系统来实施的，该冗余的阀控保护系统参见上述实施例中的阀控保护系统，这里不再详细阐述。

阀控保护系统正常运行时，根据极控下发的值班指示命令，一个系统为值班系统即主控制系统，另一个为备用控制系统。两个系统同时下发控制命令到功率单元，并下发值班系统指示标志到功率单元，但功率单元解析后，只执行值班系统下发的命令。并同时返回功率单元状态信息到两个阀控系统。如极控A系统值班命令有效，功率单元解析后，只执行A系统下发的控制命令。阀控系统对接收到的对系统的控制命令进行比较，当控制命令不一致时，产生相应的报警信息，增加对系统本身的实时运行监控。

主控制系统与备用控制系统分别检测换流阀功率单元的不可用个数，根据主控系统和备用控制系统检测到的功率单元不可用个数及控制系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。当备用控制系统可用且主控制系统检测到的换流阀功率单元的不可用个数大于备用控制系统检测到的换流阀功率单元不的可用个数时，进行主备切换。

图3给出了最优值班系统切换方法。首先判断阀控系统是否可用，当阀控系统可用时，判断该阀控系统检测到的功率单元的不可用个数是否大于另一个冗余系统，若大于的话，则产生最优切换申请信号，若小于或等于的话，不产生最优切换申请信号。若该阀控系统不可用，即阀控系统自身发生故障或检测到的功率单元的不可用个数过多，则产生系统不可用切换申请。

图4给出了极控系统的全系统切换逻辑流程图，具体切换逻辑为：

1)判断系统是否为当前值班系统，若是的话，进入步骤2)；否则，逻辑判断结束。

2)判断当前系统是否接收到了不可用切换申请，若接收到，进入步骤5)，否则进入步骤3)；

3)判断当前系统是否接收到最优最优切换申请，若接收到的话，进入步骤4)，否则，逻辑判断结束。

4)判断备用系统是否接收到了系统不可用切换申请，若接收到的话，逻辑判断结束，否则，进行系统切换；

5)判断备用系统是否接收到了系统不可用切换申请，如果是的话，极控执行跳闸逻辑，否则，进行系统切换。

本发明的阀控系统与换流阀功率单元控制模块之间采用双重通讯架构，实现冗余系统完全独立监视和控制。通过最优系统值班处理机制，保证换流阀及阀控设备在最优状态下工作，提高设备的可用性。

Claims (10)

1.一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，该方法应用于一种高压柔性直流输电阀控保护系统中，该高压柔性直流输电阀控保护系统包括互为冗余的主控制系统和备用控制系统，主控制系统与每个换流阀功率单元之间的光纤通道与每个换流阀功率单元与备用控制系统之间的光纤通道独立设置，其特征在于，主控制系统与备用控制系统分别检测换流阀功率单元的不可用个数，根据主控系统和备用控制系统检测到的功率单元不可用个数及控制系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。

2.根据权利要求1所述的一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，其特征在于，当备用控制系统可用且主控制系统检测到的换流阀功率单元的不可用个数大于备用控制系统检测到的换流阀功率单元不的可用个数时，进行主备切换。

3.根据权利要求2所述的一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，其特征在于，换流阀功率单元的不可用个数的检测由主控制系统中的阀控系统和备用控制系统的阀控系统来完成，当主/备用控制系统的阀控系统自身发生故障或者检测到的换流阀功率单元不可用个数大于设定值时，产生不可用切换申请；主控制系统中的阀控系统与备用控制系统的阀控系统之间实时传递各自检测到的换流阀功率单元不可用个数，并且由换流阀功率单元不可用个数最多的阀控系统产生最优切换申请。

4.根据权利要求3所述的一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，其特征在于，主控制系统中的极控系统根据接收到的不可用切换申请及最优切换申请来判断是否进行主备切换。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，其特征在于，主/备用控制系统与换流阀功率单元之间通过单一光纤通道实现上下行数据传输。

6.根据权利要求5所述的一种高压柔性直流输电阀控保护控制方法，其特征在于，当功率单元故障或功率单元与阀控系统之间的光纤通道故障，则判断功率单元不可用。

7.一种高压柔性直流输电阀控保护系统，该系统包括互为冗余的主控制系统和备用控制系统，所述主控制系统与备用控制系统之间通信连接，主控制系统与备用控制系统通过光纤与每个换流阀功率单元连接，其特征在于，主控制系统和每个换流阀功率单元之间的光纤通道与备用控制系统和每个换流阀功率单元之间的光纤通道独立设置；主控制系统与备用控制系统能够检测换流阀功率单元不可用个数，并根据双方检测到的功率单元不可用个数及阀控系统自身的故障信息，判断是否进行主备切换。

8.根据权利要求7所述的一种高压柔性直流输电阀控保护系统，其特征在于，主控制系统中的阀控系统或备用控制系统的阀控系统，用于当自身发生故障或者检测到的换流阀功率单元不可用个数大于设定值时，产生不可用切换申请；主控制系统中的阀控系统与备用控制系统的阀控系统之间通信连接，用于实时传递各自检测到的换流阀功率单元不可用个数，并且由换流阀功率单元不可用个数最多的控制系统产生最优切换申请。

9.根据权利要求8所述的一种高压柔性直流输电阀控保护系统，其特征在于，主控制系统中的极控系统用于当备用控制系统的阀控系统可用且接收到主控制系统中的阀控系统发送过来的最优切换申请时，进行主备切换。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的一种高压柔性直流输电阀控保护系统，其特征在于，主/备用控制系统与换流阀功率单元之间仅连接一根光纤，通过单一光纤通道实现上下行数据传输。