CN110021950B - 一种柔直配网紧凑化控制保护主机 - Google Patents

Abstract

一种柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：包括保护控制主机内部各个插件间的通信网络设计，保护控制主机间控制LAN网设计，保护控制主机与柔直换流单元、直流变压器单元、交直流负载、风光储分布式电源等设备级控制器之间的通信网络设计。本发明一种柔直配网紧凑化控制保护主机基于实时通信体系架构、采用开放式、模块化、紧凑化设计原则，实现了保护和控制装置结构和功能的紧凑化设计，极大简化控制保护硬件结构，提高系统可靠性，降低成本。通过控制与保护功能的协同配合方法，提高了直流配网系统的快速故障定位、故障切除和故障后快速恢复能力。

Description

一种柔直配网紧凑化控制保护主机

技术领域

本发明涉及一种柔直配网紧凑化控制保护主机，属于柔性直流配网及设备技术领域。

背景技术

随着交流电网规模的不断扩大和电压等级的提高，交流系统运行控制过程越来越复杂。同时在分布式电源(风光储等)和直流负载等直流设备的大规模接入交流电网后，由于需要增加交直流变换环节，交流系统安全稳定运行面临更为严峻的考验。近年来的研究成果表明，直流输电技术是解决现有配电网存在问题的有效手段之一。交直流混合的配用电系统不仅可更好地接纳高密度的分布式能源和直流负荷，而且可缓解城市电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾，同时在负荷中心为交流系统提供动态无功支持，交直流混合配用电是未来的一个重要发展趋势，深入开展交直流混合配用电关键技术问题研究已成为提升配用电系统的可靠性、电能质量、分布式电源接入能力与运行效率等的有效手段。

目前，柔性直流技术已被公认为是构建未来直流电网的核心关键技术，能够实现有功、无功功率的独立解耦控制，同时其暂态和动态性能相对于传统的直流技术有着明显的优势，已被应用于大区异步互联、大规模新能源并网等重点输变电工程之中。但是柔性直流技术在配用电系统中的研究和应用却相对滞后，直流配电网及其工程化应用研究目前还较少，还存在大量的理论与技术问题有待解决。可靠性和紧凑化多端柔性直流控制保护技术成为未来直流配电网发展的两个发展方向

综合上述内容，本发明提出一种柔直配网紧凑化控制保护主机。该紧凑化控制主机以提高交直流混合的配用电系统可靠性和降低装置成本为目的，采用“芯片化”保护控制技术，在完成系统控制任务的同时，又能进行安全的信息共享，是实现直流配电网控制保护装置的基础控制平台。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种柔直配网紧凑化控制保护主机。为直流配电网控制保护装置研制提供基础硬件支持。

为更好地理解本发明的技术方案，首先对本发明中所使用的技术术语(用语)说明如下：

主站控制器：在柔直配网系统中一般有一个主站控制器、若干个柔直配网控制保护主机，主站控制器负责完成柔直配网系统内的控制，包括启动、停止、网络拓扑识别、功率电压等控制命令下发。

柔直配网控制保护主机接收到主站控制器的功率电压等控制命令后，完成本换流站内的保护功能。

监控系统：其功能是为柔直配网系统内运行人员提供运行监视和控制操作的界面。运行人员完成包括对直流系统的运行监视、控制操作、故障或异常工况处理、控制保护参数调整等在内的全部运行人员控制任务。

监控LAN网；监控系统和控制保护主机，以及主站控制器通信的网络，专用以太网。

控制LAN网：控制保护主机间，以及控制保护主机和主站控制器间通信的网络，专用以太网。

快速保护逻辑：保护逻辑的快速段，一般针对严重故障，电压电流等电气量超过高速段定值，为了保护设备安全需要保护快速动作。

慢速保护逻辑：保护逻辑的慢速段，一般是针对非严重故障，故障不能恢复的情况下，长时间运行会导致设备损坏，为了保证设备安全需要慢速保护切除故障。

本发明具体采用以下技术方案：

一种柔直配网紧凑化控制保护主机，包括主CPU插件、控制CPU插件、管理CPU插件、GOOSE接口插件、光纤接口插件、交流采样插件、开关量输入输出插件；其特征在于：

柔直配网紧凑化控制保护主机内的所有插件通过机箱背板总线连接在一起；

主CPU插件完成快速保护逻辑、采样数据处理、冗余切换和站间通信管理功能；

主CPU插件通过内部总线把处理完成的采样数据和过程数据发送给逻辑CPU插件和管理CPU插件，通过内部总线网和控制LAN网连接，完成和主站控制器以及其它柔直配网紧凑化控制保护主机间的数据交互；

逻辑CPU插件接收来自主CPU插件的过程数据，完成柔直配网控制功能逻辑和慢速保护逻辑；

管理CPU插件完成监控功能管理，通过以太网接口和监控LAN网络连接，负责接收监控系统下发的控制命令，同时把控制保护主机的过程数据发送给监控系统；

GOOSE接口插件接收来自IO扩展单元的数据，通过内部总线传输给逻辑CPU插件，同时接收逻辑CPU插件的控制命令发送给IO扩展单元完成现场开关和刀闸等设备的控制；

光纤接口插件完成柔直配网紧凑化控制保护主机和换流器阀级控制器，以及其它第三方设备的数据交互；

交流采样插件完成现场电气量的采集通过内部总线发送给主CPU插件；

开关量输入输出插件采集本换流站内开关刀闸、电源、屏柜和装置状态数据，通过内部总线发给主CPU插件完成系统状态信息处理。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述GOOSE接口插件通过GOOSE网络分别与IO扩展单元和分布式电源控制器连接。

所述GOOSE接口插件通过IO扩展单元完成一次开关刀闸设备状态和系统运行信息的采集处理、控制命令的输出以及就地连锁控制等功能。

所述GOOSE接口插件通过分布式电源控制器完成光伏和储能等分布式能源系统的接入和控制。

所述光纤通信接口插件通过设备级光纤网络与换流器单元控制器、直流变压器单元控制器、直流断路器控制器等智能设备相连。

所述光纤通信接口插件接收来自智能设备的运行状态、功率电压信息，同时把柔直配网紧凑化控制保护主机启停命令、功率和电压参考值发送给智能设备，完成换流单元控制器、变压器和直流断路器等智能设备的启停控制；换流单元控制器接收柔直配网紧凑化控制保护的功率和电压参考值完成输出功率和直流电压调节。

模拟量信号和开关量信号通过硬接线的方式直接连接到交流采样插件、开关量输入输出插件的输入端。

所述柔直配网紧凑化控制保护主机包括内部通信网络和外部通信网络；内部通信网络完成各插件间通信，外部通信网络用于完成外部智能设备的通信进入。

所述内部通信网络包括用于完成IO数据采集的CAN网和用于完成各个插件间数据传输的内部实时以太网。

所述外部通信网包括快速光纤网络、GOOSE通信网络和站控LAN网。

内部通信网络和外部通信网络完成实时数据采集后，通过控制保护主机的通信管理模块完成数据处理和共享。本发明相对于现有技术，具有以下有益的技术效果：

所述一种柔直配网紧凑化控制保护主机基于实时通信体系架构，应用高集成度芯片实现多板卡合一，多业务口合一设计，通过优化装置硬件设计和软件功能设计，将装置进一步小型化和紧凑化，经紧凑化设计后的控制保护装置尺寸仅为传统保护测控装置的二分之一，提高了装置可靠性的同时降低了装置的成本。通用功能模块和各专用功能模块设计，研发出了满足开放性、模块化应用需求紧凑化控制保护主机，完全满足直流配网系统功能、性能和可靠性需求。

附图说明

图1为一种柔直配网紧凑化控制保护主机的组网结构图；

图2为一种柔直配网紧凑化控制保护主机的功能结构框图。

具体实施方式

下面结合说明附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为一种柔直配网紧凑化控制保护主机的组网结构图。所述一种柔直配网紧凑化控制保护主机采用功能模块化设计思想，由各功能插件实现特定功能。插件类型主要有：主CPU插件、逻辑处理插件、模拟量采集插件、通讯接口插件、开入插件、开出插件、通讯管理插件、电源插件等构成。柔直配网紧凑化控制保护主机内的所有插件通过机箱背板总线连接在一起。主CPU插件完成快速保护逻辑、采样数据处理、冗余切换和站间通信管理功能等。主CPU插件通过内部总线把处理完成的采样数据和过程数据发送给逻辑CPU插件和管理CPU插件，通过外部以太网和控制LAN网连接，完成和主站控制器以及其它柔直配网紧凑化控制保护主机间的数据交互；逻辑CPU插件接收来自主CPU插件的过程数据，完成柔直配网控制功能逻辑和慢速保护逻辑；管理CPU插件完成监控功能管理，通过以太网接口和监控LAN网络连接，负责把监控系统下发的控制命令发送给控制保护主机，同时把控制保护主机的过程数据发送给监控系统；GOOSE接口插件接收来自IO扩展单元的数据，通过内部总线传输给逻辑CPU插件，同时接收逻辑CPU插件的控制命令发送给IO扩展单元完成现场开关和刀闸等设备的控制；光纤接口插件完成柔直配网紧凑化控制保护主机和换流器阀级控制器，以及其它第三方设备的数据交互；交流采样插件完成现场电气量的采集通过内部总线发送给主CPU插件；开关量输入输出插件采集本换流站内电源、屏柜和装置状态数据，通过内部总线发给主CPU插件完成系统状态信息处理。根据柔直配网控制保护系统三层两网的组网原则，其中三层是指集中监控层、站级控制保护层、就地控制层(包括换流单元控制、阀控和I/O设备)，两网是指监控LAN网和控制LAN网。在应用上充分考虑直流配电系统各个控制节点的设备特性和控制特点。柔直配网紧凑化控制保护主机通过管理CPU插件上的以太网口组成配电系统监控LAN网和监控主站交互数据，包括柔直配网系统数据实时采集和显示、历史数据管理和分析、系统报警和控制权限管理、站内公用信息汇总和上传的工作以及执行运行人员操作控制命令等；柔直配网控制保护主机处于配电系统的站级控制保护层，站级控制保护层光纤控制LAN网，主要实现站级控制保护层所有控制设备之间的通讯，包括控制主站和柔直配网紧凑化控制保护主机，以及各个柔直配网紧凑化控制保护主机间的控制数据。数据内容包括：运行方式、控制模式、功率指令、电压指令、升降速率、顺控指令等。柔直配网紧凑化控制保护主机与换流器单元控制器、直流变压器单元控制器、直流断路器控制器和分布式电源控制器等设备构建成设备级控制网络，柔直配网紧凑化控制保护主机通过光纤接口插件和其他控制器采用光纤点对点通讯，采用符合国际标准的IEC 60044-8/FT3通讯协议，可以实现百微秒级间隔的数据交互。柔直配网紧凑化控制保护主机在IO设备层采用灵活可配置的I/O扩展接口，通过GOOSE接口插件采用IEC61850/GOOSE协议，可通过点对点或光纤组网的方式，实现多个I/O扩展单元接入，每个I/O扩展单元最多支持96DI/64DO/6*4～20mA信号接入。柔直配网紧凑化控制保护主机的I/O扩展接口采用严格时间确定性设计，确保控制系统对过程控制数据获取与传输在时间上严格确定，能够满足柔直系统控制功能和性能指标要求。

如图2所示为一种柔直配网紧凑化控制保护主机的功能结构框图。所述一种柔直配网紧凑化控制保护主机是实现柔直配电网控制保护装置的基础控制平台。柔直配网紧凑化控制保护主机在软件上采用模块化设计，包括主控制模块、通信管理模块、逻辑控制模块、系统功能管理模块、外部光线通信和GOOSE通信等功能模块。分别由主CPU插件、逻辑CPU插件、管理CPU插件、光纤接口插件和GOOSE接口插件完成对应控制功能。主控制模块主要完成冗余控制和快速保护逻辑；通信管理模块只要完成内部通信管理和站间通信管理；逻辑控制模块主要完成保护逻辑、控制逻辑、控制数据管理和冗余数据同步等功能；系统功能管理模块主要完成对时、录波、事件、配置管理、监控数据管理等功能；光纤通信模块完成外部第三方设备接入功能；GOOSE通信模块完成I/O扩展单元接入。

所述一种柔直配网控制保护紧凑化控制主机的主控制模块主要完成冗余控制和快速保护逻辑。为了提供系统的可靠性，柔直配网紧凑化控制保护主机可以配置成双机冗余模式，冗余功能主控制模块完成，包括主备仲裁功能、冗余切换和数据同步等功能。极间故障是直流配电系统中最为严重的故障。直流电缆极间故障时，随着子模块电容的快速放电和交流侧电流的反馈，直流极间电压迅速降低，直流线路及桥臂电流迅速升高。快速升高的直流过电流会对直流设备造成损害，为避免严重故障下损害换流阀主控制模块配置快速保护逻辑，实现故障的快速定位和快速隔离。

所述一种柔直配网控制保护紧凑化控制主机的通信模块主要完成内部通信管理、站间通信管理。内部通信主要完成控制主机板间通信，逻辑控制模块和主控模块的控制数据通过内部数据通道发送给通信管理模块，由通信管理模块通过内部数据通道发送给光纤接口模块或GOOSE通信模块，由光纤接口模块或GOOSE通信模块通过外部数据通道下发给第三方设备完成控制功能。站间通信主要完成控制保护主机和换流站内其他控制主机之间数据通信管理。控制保护主机间采用电以太网或者光以太网连接，通信协议采用内部私有协议。

所述一种柔直配网控制保护紧凑化控制主机的GOOSE通信模块，通过GOOSE接口插件完成I/O数据采集后，在通过内部实时以太网发送给主控制模块、逻辑控制模块和系统管理模块完成控制功能。逻辑控制模块的控制命令通过内部网络发送给GOOSE通信完成外部开关刀闸等设备分合控制。

所述一种柔直配网控制保护紧凑化控制主机的光纤通信模块用于完成外部智能设备的通信进入，通过光纤接口插件的光纤接口和换流器单元控制器、直流变压器单元控制器等设备连接，采集连接设备的数据，通过内部网络传输给主控制模块和逻辑控制模块完成控制保护功能。逻辑控制模块和主控制模块的控制命令通过内部网络传输给光纤通信模块后，在下发给第三方设备完成控制功能。

所述一种柔直配网紧凑化控制保护主机的逻辑控制模块，实现柔直配网系统内所有交流系统和直流系统设备的逻辑控制功能，包括开关量顺序控制、设备联闭锁逻辑和保护控制逻辑。通过开关量顺序控制逻辑完成对现场设备的顺控启动和停止控制。保护控制逻辑实现柔直配网系统的直流保护功能，包括换流器单元保护、联结变压器保护、高低压直流线路保护等。设备联闭锁逻辑包括设备启动联锁逻辑、设备停运联锁逻辑和闭锁跳闸逻辑等。通过控制数据管理模块提供的驱动接口完成控制逻辑和其他控制模块的数据交换，并把逻辑运算的控制结果通过网络发送给现场设备，完成对现场设备的可靠控制。

所述一种柔直配网紧凑化控制保护主机的系统功能管理模块，主要完成柔直配网紧凑化控制保护主机通用控制功能管理，包括时间管理模块，完成时钟同步功能；事件处理模块，发动运行信息和故障信息到MMI和HMI，事件信息能够实现掉电保持，并提供事件查询方式；录波管理模块实现柔直配网紧凑化控制保护主机过程数据的历史存储，包括以控制器测点为基本数据的基础录波和以报文为基本单元的通讯录波。同时录波管理模块还提供历史数据分析、提取等操作接口；系统配置管理模块完成柔直配网紧凑化控制保护主机配置文件和配置参数管理和维护功能。通过修改配置模版文件，实现柔直配网紧凑化控制保护主机软件的功能定制。

Claims (10)

1.一种柔直配网紧凑化控制保护主机，包括主CPU插件、逻辑CPU插件、管理CPU插件、GOOSE接口插件、光纤接口插件、交流采样插件、开关量输入输出插件；其特征在于：

柔直配网紧凑化控制保护主机内的所有插件通过机箱背板总线连接在一起；

主CPU插件完成快速保护逻辑、采样数据处理、冗余切换和站间通信管理功能；

主CPU插件通过内部总线把处理完成的采样数据和过程数据发送给逻辑CPU插件和管理CPU插件，通过内部总线和控制LAN网连接，完成和主站控制器以及其它柔直配网紧凑化控制保护主机间的数据交互；

逻辑CPU插件接收来自主CPU插件的过程数据，实现柔直配网系统内所有交流系统和直流系统设备的逻辑控制功能，包括开关量顺序控制逻辑、设备联闭锁逻辑和保护控制逻辑；通过开关量顺序控制逻辑完成对现场设备的顺控启动和停止控制；保护控制逻辑实现柔直配网系统的直流保护功能，包括换流器单元保护、联结变压器保护和高低压直流线路保护；设备联闭锁逻辑包括设备启动联锁逻辑、设备停运联锁逻辑和闭锁跳闸逻辑；通过控制管理CPU插件提供的驱动接口完成控制逻辑和其他控制模块的数据交换，并把逻辑运算的控制结果通过网络发送给现场设备，完成对现场设备的可靠控制；

管理CPU插件完成监控功能管理，通过以太网接口和监控LAN网络连接，负责接收监控系统下发的控制命令，同时把控制保护主机的过程数据发送给监控系统；完成柔直配网紧凑化控制保护主机通用控制功能管理，包括时间管理模块，完成时钟同步功能；事件处理模块，发送运行信息和故障信息到MMI和HMI，事件信息能够实现掉电保持，并提供事件查询方式；

GOOSE接口插件接收来自IO扩展单元的数据，通过内部总线传输给逻辑CPU插件，同时接收逻辑CPU插件的控制命令发送给IO扩展单元完成现场开关和刀闸设备的控制；

光纤接口插件完成柔直配网紧凑化控制保护主机和换流器阀级控制器，以及其它第三方设备的数据交互；

交流采样插件完成现场电气量的采集通过内部总线发送给主CPU插件；

开关量输入输出插件采集本换流站内电源、屏柜状态数据，通过内部总线发给主CPU插件完成系统状态信息处理。

2.根据权利要求1所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述GOOSE接口插件通过GOOSE网络分别与IO扩展单元和分布式电源控制器连接。

3.根据权利要求2所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述GOOSE接口插件通过IO扩展单元完成一次开关刀闸设备状态和系统运行信息的采集处理、控制命令的输出以及就地连锁控制功能。

4.根据权利要求2或3所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述GOOSE接口插件通过分布式电源控制器完成光伏和储能分布式能源系统的接入和控制。

5.根据权利要求1所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述光纤接口插件通过设备级光纤网络与换流器单元控制器、直流变压器单元控制器、直流断路器控制器相连。

6.根据权利要求5所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述光纤接口插件接收来自包含换流器单元、直流变压器和直流断路器的智能设备的运行状态、功率电压信息，同时把柔直配网紧凑化控制保护主机启停命令、功率和电压参考值发送给智能设备，完成换流单元器单元、变压器和直流断路器智能设备的启停控制；换流器单元接收柔直配网紧凑化控制保护的功率和电压参考值完成输出功率和直流电压调节。

7.根据权利要求1或5所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

模拟量信号和开关量信号通过硬接线的方式直接连接到交流采样插件、开关量输入输出插件的输入端。

8.根据权利要求1所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述柔直配网紧凑化控制保护主机包括内部通信网络和外部通信网络；内部通信网络完成各插件间通信，外部通信网络用于完成外部智能设备的通信进入。

9.根据权利要求8所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述内部通信网络包括用于完成IO数据采集的CAN网和用于完成各个插件间数据传输的内部实时以太网。

10.根据权利要求9所述的柔直配网紧凑化控制保护主机，其特征在于：

所述外部通信网包括快速光纤网络、GOOSE通信网络和站控LAN网。

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