CN111835421A - 用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统及通信方法 - Google Patents

用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统及通信方法 Download PDF

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Abstract

一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统及通信方法，包括：多个功率子模块、阀基桥臂控制设备和光纤对；所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成矩阵式光纤通信网络；所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与阀基桥臂控制设备连接后接入所述换流阀。本发明提供的技术方案连接到同一功率子模块的多对光纤互为备用，避免了在传统通信方式下因单根光纤故障导致的子模块旁路的风险，提高了换流阀整体的运行可靠性和稳定性，而且减少连接阀基桥臂控制器和换流阀功率子模块网络的光纤，进一步降低整体造价成本。

Description

用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统及通信方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体讲涉及一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统及通信方法。
背景技术
模块化柔性直流系统因其具有调节灵活、谐波含量小等特点，且可工作于大电压、高容量的输电系统中，所以在工程中得到越来越广泛地应用。其中，换流阀是模块化多电平换流器的核心组件，主要担负着能量交换和电能传输的重任。换流阀需要数百乃至数千只功率子模块串联，每个功率子模块都必须单独控制、保护和监视。在换流阀运行时，根据需要的输出电压，阀基控制器(Vavle Based Controller,VBC)控制每个功率子模块的运行状态；同时，功率子模块自身控制设备—子模块控制器(Sub-Module Controller,SMC)也要反馈自身的工作状态到阀基控制器VBC。因此，连接阀基控制器VBC与换流阀的通信组网方式也为柔性直流输电工程提供着必要的保障。
目前的工程主要采用光纤通信的形式，每个子模块通过一对光纤与VBC接口设备的一对收发光口相连，通信数据通过光纤和光口进行传输，即传统阀控和换流阀是通过点对点方式连接的通信方式。随着柔直工程电压等级的提高，单个桥臂需要子模块个数越来越多，以500kV柔性直流工程为例，单个桥臂的功率子模块数量达到250个以上，由于阀基控制设备处于地电位的控制保护室，与每个换流阀的距离较远，可以达到300m以上光纤长度和数量需求剧增，已经成为影响柔性直流工程成本的重要原因之一。同时，也大大增加了换流阀安装、运行和维护的成本。
发明内容
本发明针对传统点对点连接的光纤通信的不足，提供了一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统，包括：多个功率子模块、阀基桥臂控制设备和光纤对；
所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成矩阵式光纤通信网络；
所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与阀基桥臂控制设备连接后接入所述换流阀。
优选的，所述阀基桥臂控制设备包括：多个收发接口；
所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块按预先编制的第一行和最后一行的功率子模块分别通过光纤对与阀基桥臂控制设备上不同的收发接口连接。
优选的，所述多个功率子模块通过光纤对横向连接具体包括：
在横向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾光纤子模块分别连接，构成横向功率子模块通信网络。
优选的，所述多个功率子模块通过光纤对纵向连接具体包括：
在纵向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接构成纵向功率子模块通信网络。
优选的，还包括：子光纤通信网络；
所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对横向连接和纵向连接构成；
所述子光纤通信网络以功率子模块的形式接入所述矩阵式光纤通信网络后与所述阀基桥臂控制设备连接。
优选的，所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对横向连接具体包括：
基于每个所述阀基控制设备与纵向的功率子模块的通信路径上增加的功率子模块，在横向上通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾功率子模块通过另外一对光纤连接。
优选的，所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对纵向连接具体包括：
基于每个所述阀基控制设备与纵向的功率子模块的通信路径上增加的功率子模块，在纵向上的每个所述功率子模块依次通过光纤对首尾连接。
优选的，所述功率子模块包括编号；
所述编号基于所述功率子模块位于矩阵式通信网络或子光纤通信网络中的行、列进行编号。
基于同一发明构思本发明还提供了一种基于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统的通信方法，包括：
当通信系统启动时，阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息；
并通过所述横向和纵向设置的光纤对将所述功率子模块的信息反馈给所述阀基桥臂控制设备。
优选的，所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息，包括：
所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向所述功率子模块和以功率子模块形式接入的子光纤通信网络下发信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统，包括：多个功率子模块、阀基桥臂控制设备和光纤对；所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成矩阵式光纤通信网络；所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与阀基桥臂控制设备连接后接入所述换流阀；本发明提供的矩阵式通信组网方式，连接到同一功率子模块的多对光纤互为备用，使得通信网络冗余度增加，避免了在传统通信方式下因单根光纤故障导致的子模块旁路的风险，提高了换流阀整体的运行可靠性和稳定性。
2、本发明有别于传统通信方式，当换流阀功率子模块网络中功率子模块排列的纵向长度过大时，可以选择嵌套的方式，减少光纤的长距离使用，降低了整体造价成本。在保证换流阀可靠和稳定运行下，可以减少连接阀基桥臂控制器和换流阀功率子模块网络的光纤，进一步降低整体造价成本。
附图说明
图1为本发明的基于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统的通信方法流程图；
图2为本发明的矩阵式光纤通信系统的横向功率子模块通信网络；
图3为本发明的矩阵式光纤通信系统的纵向功率子模块通信网络；
图4为本发明的矩阵式光纤通信系统与阀基桥臂控制设备光纤连接示意图；
图5为本发明的矩阵式光纤通信系统的横向功率子模块通信网络的纵向光纤连接故障后的网络连接示意图；
图6为本发明的矩阵式光纤通信网络的纵向功率子模块通信系统的横向光纤连接故障后的网络连接示意图；
图7为本发明的矩阵式光纤通信网络的2级嵌套的通信网络群；
图8为本发明的矩阵式光纤通信网络和阀基桥臂控制设备的光纤数量；
图9为本发明的矩阵式光纤通信网络的3级嵌套的通信网络群。
具体实施方式
本发明针对传统点对点连接的光纤通信的不足，提供了一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信网络及组网方法，该通信组网方式减少因为阀厅到控制室的远距离而导致的光纤成本问题、减少通信故障率，以及在保证换流阀稳定和可靠运行的前提下，降低整体工程成本。
一个整体柔直系统是三相的，每一相有上下两个桥臂，而每个桥臂上有许多子模块串联，通过对子模块运行状态的更改，可以输出不同的电压。而许多子模块在实际中就是放置于换流阀的阀塔上。
实施例1：
本发明提出了换流阀通信组网可以采用一种矩阵式通信组网方式，如图4所示，用光纤连接各个子模块和VBC，其中，N为纵列数，M为横行数，即利用2*N对光纤控制换流阀中M*N组子模块，可精确定位每一个子模块。
如图4和图8所示，一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统，包括阀基桥臂控制器、多对收发光纤和多个功率子模块；
所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成矩阵式光纤通信网络；
利用多对光纤连接矩阵式光纤通信网络和阀基桥臂控制设备；其中，在同一矩阵式光纤通信网络中，每个功率子模块与其周围所有功率子模块均有多对光纤连接。
换流阀的每1个桥臂中的所有功率子模块按照M*N个进行矩阵式编号，N≥1，M≥1；M*N个功率子模块依次按照SM{1,1}、SM{1,2}、SM{1,3}、…、SM{1,N}，SM{2,1}、SM{2,2}、SM{2,3}、…、SM{2,N}，…，SM{M,1}、SM{M,2}、SM{M,3}、…、SM{M,N}排列序号。
其中功率子模块SM{m,1}和功率子模块SM{m,2}、功率子模块SM{m,2}和功率子模块SM{m,3}、直至功率子模块SM{m,(N-1)}和功率子模块SM{m,N}、功率子模块SM{m,N}和功率子模块SM{m,1}，通过一对收发通信光纤相互连接，其中m＝{1、2、3、…、M}，如此，M*N个功率子模块形成M个“横向的带有双向环形通信的功率子模块的通信网络”，其中横向的带有双向环形通信的功率子模块的通信网络是指横向功率子模块通信网络；如图2所示。
其中功率子模块SM{1,n}和功率子模块SM{2,n}、功率子模块SM{2,n}和功率子模块SM{3,n}、直至功率子模块SM{(M-1),n}和功率子模块SM{M,n}，通过一对收发通信光纤连接，其中n＝{1、2、3、…、N}，如此，M*N个功率子模块形成N个“纵向的带有双向通信的功率子模块通信网络”，其中纵向的带有双向通信的功率子模块通信网络是指纵向功率子模块通信网络；如图3所示。
由此，M*N个功率子模块通过横向功率子模块通信网络和纵向功率子模块通信网络两种方式的连接，形成矩阵式光纤通信网络，该网络定义为1个换流阀功率子模块矩阵式网络。
换流阀功率子模块矩阵式网络的功率子模块SM{1,n}、功率子模块SM{M,n}可分别通过1对通信光纤和阀基桥臂控制设备连接，实现阀基桥臂控制设备和换流阀功率子模块矩阵式网络的通信连接，其中n＝{1、2、3、…、N}；阀基桥臂控制设备和1个换流阀功率子模块矩阵式网络之间的光纤对数为j，最多可通过j＝2N对光纤进行连接；该通信组网方式定义为一种用于模块化柔性直流换流阀的矩阵式通信组网方案，本文中简称为“矩阵式通信组网方案”；如图4所示。
在阀基桥臂控制设备和换流阀功率子模块矩阵式网络互连的每1对光纤中，发送信息包含阀基桥臂控制设备发送给换流阀功率子模块矩阵式网络中所有功率子模块的下发的信息，同时阀基桥臂控制接收到的信息包括换流阀功率子模块矩阵式网络中所有功率子模块给阀基桥臂控制设备发送的信息；阀基桥臂控制设备和换流阀功率子模块矩阵式网络互连的j＝2N对光纤完全互为备用。
对于换流阀功率子模块矩阵式网络中任一横向的带有双向环形的功率子模块通信网络，在所有纵向通信光纤中，只要有1对光纤通信正常，以及该横向网络中相邻的功率子模块网络通信正常，则该换流阀功率子模块网络中的所有功率子模块和阀基桥臂控制设备就可以保持通信正常，如图5所示。
对于换流阀功率子模块矩阵式网络中任一纵向的带有双向通信的功率子模块通信网络，在所有横向通信光纤中，只要有1对光纤通信正常，以及该纵向网络中相邻的功率子模块网络通信正常，则该换流阀功率子模块网络中的所有功率子模块和阀基桥臂控制设备就可以保持通信正常，如图6所示
对于换流阀功率子模块矩阵式网络中任一功率子模块，其本身至少有四对光口可以与所在的通信网络进行通信，且四对收发通信光纤互为备用；只要有一对光纤通信正常，该功率子模块即可处于正常通信状态。
阀基桥臂控制设备和1个换流阀功率子模块矩阵式网络之间通过j＝2N对冗余光纤进行连接，在N值较大时，且在保障整个换流阀功率子模块通信网络群和阀基桥臂控制设备可靠运行下，可以通过减少连接阀基桥臂控制设备和换流阀功率子模块矩阵式网络的j对光纤的数量，进一步减少光纤的使用数量，降低工程造价。
1个阀基桥臂控制设备可以与k个(k>＝1)换流阀功率子模块矩阵式网络进行通信。
在由M*N个功率子模块构成的换流阀功率子模块矩阵式网络中，对于纵向的带有双向通信的功率子模块通信网络，从阀基桥臂控制设备到功率子模块的通信路径最大长度为M；因为通信路径的长度决定了信息延时的长度，所以当M较大时，可以通过降低通信路径长度，避免较长的信息延时，即采用嵌套的方式进行矩阵式通信组网。如图7和图9所示。嵌套后的功率子模块编号变为SM{(x,y),m,n}，其中(x,y)为所在的矩阵式网络号，x是所在的网络层级数，y是在该层级下的矩阵式网络编号，m为功率子模块在该网络中的行号，n为功率子模块在该网络中的列号。为了增加下级网络通信的冗余度，可以将同一个下级网络中同一纵向网络的两对对外的收发光纤分别连接到上级网络中的两个不同的功率子模块，这两对光纤互为备用，避免了因为光纤故障或者上级功率子模块故障、导致的下级网络整体旁路的风险。其中，每一个网络都具有上述的矩阵式通信，包含横向环状双向和纵向双向通信网络。而与普通的有四个收发光口的功率子模块不同的是，可以连接下级网络的功率子模块有六个收发光口，新增的两个收发光口可以定义为“干节点光口”。也就是说，当下级网络中有Y个换流阀功率子模块矩阵式网络时，每个下级网络中列数最大值为N时，则代表其上一级网络中至少应有Y*N个具有干节点光口的功率子模块，且同一个功率子模块上的两个干节点光口要分别连接两个不同的下级网络。例如，图7是一个2级嵌套网络，下级1号网络通过SM{(2,1),1,n}和SM{(2,1),2,n}分别连接到上级1号网络中同一纵向网络中的不同的功率子模块：SM{(1,1),1,n}和SM{(1,1),2,n}，下级2号网络同理。当换流阀功率子模块矩阵式网络中的纵列过长时，可以进一步采用多次嵌套的方式进行矩阵式通信组网。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出了一种矩阵式通信组网方式，连接到同一功率子模块的多对光纤互为备用，使得通信网络冗余度增加，避免了在传统通信方式下因单根光纤故障导致的子模块旁路的风险，提高了换流阀整体的运行可靠性和稳定性。
(2)有别于传统通信方式，本发明可以减少光纤的长距离使用，降低了整体造价成本。在保证换流阀可靠和稳定运行下，可以减少连接阀基桥臂控制器和换流阀功率子模块网络的光纤，进一步降低整体造价成本。
当换流阀功率子模块网络中功率子模块排列的纵向长度过大时，可以选择嵌套的方式，减少通信路径长度，降低信息的延时长度。
实施例2
基于同一发明构思的本发明还提供了一种适用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信组网方法：包括：
步骤1：多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接，构成矩阵式光纤通信网络；
步骤2：所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与所述阀基桥臂控制设备连接。
所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与所述阀基桥臂控制设备连接后接入所述换流阀，包括：
将所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块按预先编制的第一行和最后一行的功率子模块分别通过光纤对与阀基桥臂控制设备上不同的收发接口之间连接，进行收发信息。
所述多个功率子模块通过光纤对横向连接，包括：
在横向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾光纤子模块分别连接，构成横向功率子模块通信网络。
所述多个功率子模块通过光纤对纵向连接，包括：
在纵向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接构成纵向功率子模块通信网络。
还包括：
在所述矩阵式光纤通信网络中的所述阀基桥臂控制设备与纵向的功率子模块的通信路径长度大于预设阈值时，采用嵌套的方式进行矩阵式通信组网。
所述采用嵌套的方式进行矩阵式通信组网，包括：
所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成子光纤通信网络；
所述子光纤通信网络以功率子模块的形式接入所述矩阵式光纤通信网络后与所述换流阀连接。
所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成子光纤通信网络，包括：
基于每个所述阀基控制设备与纵向的功率子模块的通信路径上增加的功率子模块，在横向上每个功率子模块通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾功率子模块通过另外一对光纤连接，构成嵌套横向功率子模块网络；
在纵向上的每个所述功率子模块依次通过光纤对首尾连接构成嵌套纵向功率子模块通信网络；
由嵌套横向功率子模块网络和嵌套纵向功率子模块通信网络构成子光纤通信网络。
实施例3：
基于同一发明构思本发明还提供了一种基于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统的通信方法，如图1所示，包括：
步骤1：当通信系统启动时，阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息；
步骤2：并通过所述横向和纵向设置的光纤对将所述功率子模块的信息反馈给所述阀基桥臂控制设备。
所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息，包括：
所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向所述功率子模块和以功率子模块形式接入的子光纤通信网络下发信息。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于柔性直流模块化多电平换流阀的通信系统，其特征在于，包括：多个功率子模块、阀基桥臂控制设备和光纤对；
所述多个功率子模块分别通过光纤对横向连接和纵向连接后构成矩阵式光纤通信网络；
所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块通过光纤对与阀基桥臂控制设备连接后接入所述换流阀。
2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述阀基桥臂控制设备包括：多个收发接口；
所述矩阵式光纤通信网络中的功率子模块按预先编制的第一行和最后一行的功率子模块分别通过光纤对与阀基桥臂控制设备上不同的收发接口连接。
3.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述多个功率子模块通过光纤对横向连接具体包括：
在横向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾光纤子模块分别连接，构成横向功率子模块通信网络。
4.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述多个功率子模块通过光纤对纵向连接具体包括：
在纵向上的每个功率子模块依次通过光纤对首尾连接构成纵向功率子模块通信网络。
5.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，还包括：子光纤通信网络；
所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对横向连接和纵向连接构成；
所述子光纤通信网络以功率子模块的形式接入所述矩阵式光纤通信网络后与所述阀基桥臂控制设备连接。
6.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对横向连接具体包括：
基于每个所述阀基控制设备与纵向的功率子模块的通信路径上增加的功率子模块，在横向上通过光纤对首尾连接，且将每行的首、尾功率子模块通过另外一对光纤连接。
7.如权利要求6所述的通信系统，其特征在于，所述子光纤通信网络由所述多个功率子模块通过光纤对纵向连接具体包括：
基于每个所述阀基控制设备与纵向的功率子模块的通信路径上增加的功率子模块，在纵向上的每个所述功率子模块依次通过光纤对首尾连接。
8.如权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述功率子模块包括编号；
所述编号基于所述功率子模块位于矩阵式通信网络或子光纤通信网络中的行、列进行编号。
9.一种基于权利要求1-8任一项权利要求所述的通信系统的通信方法，其特征在于，包括：
当通信系统启动时，阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息；
并通过所述横向和纵向设置的光纤对将所述功率子模块的信息反馈给所述阀基桥臂控制设备。
10.如权利要求9所述的通信方法，其特征在于，所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向功率子模块下发信息，包括：
所述阀基桥臂控制设备通过横向和纵向设置的光纤对向所述功率子模块和以功率子模块形式接入的子光纤通信网络下发信息。
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