CN112531625B - 一种交流励磁装置的控制保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流励磁装置的控制保护系统，属于电力电子与电力传动控制领域，包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元，其中，控制保护系统的系统保护与接口单元仅设置有为数不多的模拟量采样接口，仅用于获取交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号，而不包括大量功率模块的采样信号，大量功率模块的采样信号由功率模块控制器采集后，将采集信息经过通信接口发送至模块接口单元，并由模块接口单元发送至逻辑与系统控制单元，进行相应的逻辑运算或判断处理。因此，相对于现有的控制保护系统，本发明的控制保护系统中的接口设置更加合理，当控制保护系统故障时也便于维修人员进行维修。

Description

一种交流励磁装置的控制保护系统

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动控制领域，具体涉及一种交流励磁装置的控制保护系统。

背景技术

在大规模可再生能源并网的背景下，大型可变速抽水蓄能机组是实现电网稳定的较为理想的装置。而交流励磁系统是其重要的组成部分，用于变速电机的励磁及有功无功调节等功能。如图1所示的交流励磁装置，该交流励磁装置的控制保护系统需要与上层的监控系统通信，接受监控系统的调控，控制相关断路器开合，并以控制开关脉冲的方式，根据所需输出电压和电流功率等目标控制交流励磁装置中的功率电路(图1右侧所示)。由于交流励磁装置的功率电路本体由多组功率模块构成，需要采集较多数量的电压电流模拟量，而将各模拟量的电信号全部传输到控制保护系统的测量单元，则需要非常多的上层接口，连接采样通道数量庞大，后期维修困难。而且，由于控制保护系统与功率电路的距离远，传输过程会造成干扰。

百MW级可变速抽水蓄能机组用交流励磁装置需要极高的可靠性，年强行退出比不大于0.1％，在这种要求下一旦控制保护系统出现故障，则必须要立即停机检修，因此无法满足上述的可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种交流励磁装置的控制保护系统，用于解决现有控制保护系统的采样接口庞大导致发生故障时的维修困难问题。基于该控制保护系统，本发明还提供了在控制保护系统中使用的系统保护与接口机箱、逻辑与系统控制机箱、模块控制机箱和模块接口机箱。

基于上述目的，一种交流励磁装置的控制保护系统的技术方案如下：

包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元，其中，系统保护与接口单元设置有模拟量采样接口，用于接收测量单元发送的采样信号，该采样数据为所述交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号；系统保护与接口单元还设置有开入开出接口，用于连接开入开出单元；

逻辑与系统控制单元用于根据获取的相关控制命令，结合系统保护与接口单元发送的相应模拟量的采样信号和/或开入开出信号，生成相关控制指令并发送至模块控制单元；

模块控制单元用于根据接收的相关控制指令进行电流闭环控制，生成功率模块的控制信号，并将控制信号发送至模块接口单元；

模块接口单元设置有通信接口，用于将功率模块的控制信号分发至交流励磁装置中的功率模块控制器；所述通信接口还用于通过功率模块控制器获取功率模块的采样信号，并将功率模块的采样信号发送至逻辑与系统控制单元。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的控制保护系统中，系统保护与接口单元仅设置有为数不多的模拟量采样接口，仅用于获取交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号，而不包括大量功率模块的采样信号，大量功率模块的采样信号由功率模块控制器采集后，将采集信息经过通信接口发送至模块接口单元，并由模块接口单元发送至逻辑与系统控制单元，进行相应的逻辑运算或判断处理。因此，相对于现有的控制保护系统，本发明的控制保护系统中接口的分布设置更加合理，当控制保护系统故障时也便于维修人员进行维修。另外，本发明的控制保护系统分为四个单元，即分为四层，各层之间相互配合，并分别进行相应处理，有效保障了控制保护的可靠性。

为避免在控制保护系统出现故障停机时，保证交流励磁装置的控制保护功能，所述控制保护系统为冗余设置，包括主控保系统，与主控保系统实时数据同步的备用控保系统，主控保系统和备用控保系统均包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元和模块控制单元，主控保系统和备用控保系统共用模块接口单元，当主控保系统判定为自身异常，且备用控保系统自检正常时，将备用控保系统切换为主控保系统。

为了避免各单元之间的信号在传输过程中受到干扰，同时也为了保证信号的传输速度，在控制保护系统内的各单元之间通过光纤通信，该光纤通信包括公共光纤通信和独立光纤通信，其中公共光纤通信用于传输第一响应速度信号，包括采样信号；独立光纤通信用于传输第二响应速度信号，包括状态信号和故障跳闸信号，其中第二响应速度信号的响应速度要求比第一响应速度信号高。

进一步，通过功率模块控制器获取功率模块的采样信号为模块电流和直流电压，模块接口单元用于接收由功率模块控制器分别对模块电流和直流电压进行越限比较得到的越限信号。

进一步，所述系统保护与接口单元设置在第一箱体中，构成系统保护与接口机箱；所述逻辑与系统控制单元设置在第二箱体中，构成逻辑与系统控制机箱；所述模块控制单元设置在第三箱体中，构成模块控制机箱；所述模块接口单元设置在第四箱体中，构成模块接口机箱。为了实现上述控制保护系统的功能，将其中的系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元分别设置在单独的机箱中，方便连接和维护。

附图说明

图1是现有技术中百MW变速抽水蓄能机组系统的结构图；

图2是本发明的控制保护系统图；

图3是本发明的控制保护系统中模块控制器的架构图；

图4是本发明的控制保护系统中独立光纤的互传通道示意图。

具体实施方式

下面以控制保护系统应用至百MW变速抽水蓄能机组系统为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示的百MW变速抽水蓄能机组系统结构，主要包括主变压器、换相开关、定子断路器、定子短接装置、发电电动机和水泵水轮机，还包括交流励磁装置和监控系统(包括协调控制器和监控后台)，图1中的协调控制器为上层控制保护层级，协调交流励磁装置所在的变速机组的调速系统与交流励磁装置的配合，其中调速器控制水泵水轮机，交流励磁系统控制发电电动机。远程控制后台(即监控后台)向协调控制器发送控制指令，监控本机组的必要的水泵水轮机、发电电动机、调速系统、交流励磁装置等设备状态信息。

其中，交流励磁装置包括功率主电路和控制保护系统，功率主电路包括机侧变流器、直流Crowbar(直流斩波电路)、网侧变流器、并网/软启断路器和励磁变压器，由图1中可见，功率主电路在设置有大量功率模块，需要采集的数据众多。

解决现有控制保护系统的采样接口庞大导致发生故障时的维修困难问题，本发明提出一种交流励磁装置的控制保护系统，包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元。

其中，系统保护与接口单元设置有模拟量采样接口，用于接收测量单元发送的采样信号，该采样数据为交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号；系统保护与接口单元还设置有开入开出接口，用于接收开入开出单元发送的开入开出信号。

逻辑与系统控制单元用于根据获取的相关控制命令，结合系统保护与接口单元发送的相应模拟量的采样信号和/或开入开出信号，进行逻辑运算或判断，生成相关控制指令并发送至模块控制单元。

模块控制单元用于根据接收的相关控制指令进行电流闭环控制，生成功率模块的控制信号，并将控制信号发送至模块接口单元。模块接口单元设置有第一通信接口，用于将功率模块的控制信号分发至交流励磁装置中的功率模块控制器；模块接口单元还设置有第二通信接口，用于连接交流励磁装置中的功率模块控制器，通过功率模块控制获取功率模块的采样信号，并将功率模块的采样信号发送至逻辑与系统控制单元。

为了方便后期的设备安装和维护，现将系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元分别设置在单独的机箱中，分别为系统保护与接口机箱、逻辑与系统控制机箱、模块控制机箱和模块接口机箱。

具体的，交流励磁装置的控制保护系统的分层架构如图2所示，该控制保护系统包括A系统的控制柜、B系统的控制柜、模块接口机箱，以及靠近功率主电路的功率模块控制器(包括机侧功率模块控制器和网侧功率模块控制器)。其中，A系统和B系统的控制柜结构完全相同，均包括系统保护与接口机箱、逻辑与系统控制机箱、系统模块控制机箱。

在控制保护系统正常运行时，A系统和模块接口机箱构成主控保系统，B系统和模块接口机箱构成备用控保系统，主控保系统与备用控保系统实时进行数据同步，以避免在主控保系统出现故障需要停机时，可使用备用控保系统，备用控保系统切换为主控保系统，主控保系统在维修之后切换为备用控保系统，保证交流励磁装置的控制保护功能。主备控保系统进行实时通信的作用在于，备用控保系统能够跟随主控保系统，以在发生系统切换时，尽量避免控制输出的过大波动，保持控制的稳定平滑。

图2中的控制保护系统分为四层，即系统保护与接口层、逻辑与系统控制层、模块控制层和模块接口层，每层设置相应单元的机箱，且各层之间相互配合，并分别进行相应处理，有效保障了控制保护的可靠性。

本实施例的控制保护系统中，每个层级的单元均包括DSP、FPGA和Arm三种处理器，同一层级内的不同处理器或接口之间，由总线通信；不同层级间通过光纤通信，以提高通信的抗干扰能力。光纤通信包括公共光纤(采用高速光纤实现)和独立光纤，高速光纤传输较大量模拟量的采集数据，独立光纤传输自检状态、主备状态、故障跳闸等需要快速响应的信号。下面具体对各层级进行介绍：

一、系统保护与接口层

系统保护与接口层提供系统级的模拟量采样接口，用于连接测量单元，测量单元采集的模拟量包括主变高压侧、低压侧电压，励磁变低压侧电压、定子电压、并网总电流等，测量单元包括设置在相应位置的PT、CT、霍尔传感器等。同时，系统保护与接口层还提供定子接触器、换相开关、定子短接开关等开关器件的开入开出接口，提供与上层协调控制器的通信接口。

系统保护与接口单元中，FPGA负责采样和数据传输，由FPGA将已转化后的AD采样信号、开入信号等信号经数据总线传输至系统保护与接口单元的DSP、Arm，并将部分数据直接传输至逻辑与系统控制层，FPGA还负责光纤故障检测、采样越限保护。

DSP负责对采样数据进行计算，计算电压、电流有效值，计算有功功率、无功功率及功率因数、电网频率，以及计算转子位置角和处理模拟量的软件保护。其中，软件保护是根据采集的模拟量与预设值比较，判断出可能出现会对器件、控制稳定造成损害与影响的异常状况，并做封脉冲跳闸处理，保护设备不受损害。Arm负责汇总判断自检信号，处理主备切换及“四遥”信号的预处理。

二、逻辑与系统控制层

逻辑与系统控制层提供本地控制后台(图1中未画出，图1中的监控后台为远程控制后台)的命令接收与状态显示，在选择本地控制时，从本地控制后台控制交流励磁装置的启停、切换控制模式等。需要说明的是本地控制后台通过交换机与逻辑与系统控制层通信连接。

具体的，在系统保护与接口单元中，Arm负责与后台(本地控制后台或远程控制后台)通信，进行“四遥”信号中的遥控遥调量预处理，预处理主要是对后台发送的通信数据包解析为DSP方便使用的总线的数据，将DSP发送的总线数据解析为后台使用的数据包，并加入变位上传事件的功能。

DSP根据协调控制器的指令或是本地控制后台的控制指令，负责运行状态跳转(即顺序控制流程)，控制断路器动作的开出命令，检测断路器的反馈开入，负责系统级外环控制、励磁同期控制等控制功能，并将计算出的内环控制指令、运行状态、解闭锁信号等指令下发至模块控制层，并将运行状态等信息上传至系统保护与接口层。

其中负责运行状态跳转为，后台下发网侧启动命令，DSP判断出后台指令为启动，在无故障情况下，进入启动流程的逻辑控制流程。而内环控制指令是根据功率指令和计算得到的功率反馈做闭环比较，加入控制上的一些约束，从而生成内环的电流给定。

FPGA负责数据传输、光纤故障检测，其中数据传输包括，光纤故障检测是通过接收的通信速率判断接收的独立光纤异常。

三、模块控制层

模块控制层级根据逻辑与系统控制层下发的内环给定等指令与系统运行状态，做模块电流的闭环控制。

具体的，在模块控制单元中，DSP实现电流闭环PI输出、三电平调制、直流中点电位平衡、环流抑制等环节，最终生成调制波。FPGA用于对调制波与三角载波比较后生成功率模块一相桥臂的两路脉冲，生成的脉冲和接收的解闭锁信号再经高速通信光纤发送至模块接口层。

四、模块接口层

模块接口层接收上层发送的脉冲和解闭锁信号，分发至各个模块控制器。模块控制器用于检测所控制功率模块的过流信息，根据过流信息封锁本控制器脉冲。模块接口单元根据模块控制器的过流、过压故障封锁故障所在功率模块的所有桥臂脉冲。

如图3所示，模块控制器在解闭锁信号为解锁的情况下，对两路脉冲取反并加入死区，形成四路脉冲，驱动一相桥臂的四个开关管。本实施例中，功率模块为NPC三电平结构，需要四个开关管的驱动信号，其中存在两对需要互补的驱动信号，而加入死区的作用是防止开关管的拖尾造成的直通短路。模块控制器将功率模块电流、直流电压采样等其他信号，上传至模块接口层，模块接口层根据越限信号由上而下封锁出现越限信号的功率模块控制器在内的三相桥臂和对侧的三相桥臂，如网侧功率模块的A相越限，则将网侧功率模块的三相桥臂和对应机侧功率模块的三相桥臂封锁。

模块控制器对功率模块电流、直流电压的采样信号做快速越限比较，并将比较后生成的越限信号上传至上层，同时在出现电流越限时，封锁本功率桥臂的脉冲。

本实施例中，控制保护系统的独立光纤的连接关系如图4所示，独立光纤的通道参与A系统、B系统的主备切换及故障跳闸，其中OK表示自检光纤，包括A_OK和B_OK；ACT表示主动光纤，包括A_ACT和B_ACT；Trip表示跳闸光纤，包括A_Trip和B_Trip；SYS表示同步光纤。

具体的，系统保护与接口层的Arm经过主动光纤ACT向本系统控制柜的逻辑与系统控制层、模块控制层及模块接口层发送主动信号，表示本系统为主控保系统。

逻辑与系统控制层经过同步光纤SYS向本系统的系统保护与接口层、模块控制层及模块接口层发送同步信号，保持多层级控制周期同步。

逻辑与系统控制层、模块控制层的Arm或DSP通过由高速通信光纤接收的通信心跳判断数据通信异常，FPGA通过接收的通信速率判断接收的独立光纤异常，当这两者中任一出现异常，认为本层自检异常，通过自检光纤OK向系统保护与接口层的Arm发送本层异常的状态。

当系统保护与接口层判断通信心跳，判断接收的自检、跳闸、同步光纤的通信速率的异常，或出现其他层发送的自检异常状态，或判断发现本系统的电源异常，则认为本系统的控制柜自检异常，通过自检光纤OK，向另一系统发送自检异常状态。如果主控保系统发生自检异常，且检测到备用控保系统自检正常，则当前主控保系统将主备状态置备用，另一系统检测到原主控保系统自检异常且主备状态为备用，则接管主动状态，将主动光纤信号置为主动状态，由备用控保系统切换为主控保系统。模块接口层的单元1或单元2(单元1和单元2为模块接口单元)根据主动信号，选择作为主控保系统下发的指令，至此，系统主备切换完成。

当主控保系统检测到出现有非控制系统柜内的故障，或是无法通过冗余切换排除的故障，则在模块接口层、模块控制层、逻辑与系统控制层直接通过跳闸光纤Trip上传至系统保护与接口层的Arm，由Arm做封脉冲跳闸处理。如果在做系统主备切换中，出现异常的主控保系统检测到备用控保系统也自检异常，则不作切换，直接执行封脉冲跳闸处理。

如图4所示，百MW变速抽水蓄能机组用交流励磁装置的控制保护系统，提供了手动切换和自动切换的方式，通过手动/自动切换开关来实现。手动/自动切换开关切换为自动控制时，为正常工作时采用的方式，当主控保系统自检异常、备用控保系统自检正常，进行主备系统自动切换控制；在出现特殊情况时，手动/自动切换开关切换为手动控制，通过主备系统切换开关进行手动控制，可强行切换另一个控保系统作为主控保系统，以方便调试。

为方便远程控制和本端控制的切换，图4中的控制保护系统还设置有本地/远程切换开关，远程控制后台(图1的监控后台即为远程控制后台)通过系统保护与接口层的接口与控制保护系统相连，控制保护系统向远程控制后台反馈必要的设备监测信息及控制状态，如在远程控制模式下，部分遥调、遥控指令由远程控制后台控制。当机组本地调试或控制权限在本地时，可使用本地后台进行控制。

本发明的控制保护系统中，系统保护与接口单元仅设置有为数不多的模拟量采样接口，仅用于获取交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号，而不包括大量功率模块的采样信号，大量功率模块的采样信号由功率模块控制器采集后，将采集信息经过第二通信接口发送至模块接口单元，并由模块接口单元发送至逻辑与系统控制单元，进行相应的逻辑运算或判断处理。因此，相对于现有的控制保护系统，本发明的控制保护系统中接口的设置更加合理，当控制保护系统故障时也便于维修人员进行维修。

本实施例中，A、B系统的控制柜为互为备用，都拥有独立的控制硬件，每套系统均可单独控制。模块接口柜(即模块接口机箱)同时接收A、B系统的控制柜发送的命令，判断当前主动信号，选择使用处于主动状态的系统控制柜的命令。本发明可以在一个系统控制柜内出现光纤中断、处理器运行中断等故障时，迅速切换至备用控保系统，维持交流励磁装置的稳定运行，增加变速抽水蓄能机组的运行可靠性。

Claims (6)

1.一种交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元、模块控制单元和模块接口单元，其中，系统保护与接口单元设置有模拟量采样接口，用于接收测量单元发送的采样信号，该采样信号为所述交流励磁装置所在发电机组系统中相应模拟量的采样信号；系统保护与接口单元还设置有开入开出接口，用于连接开入开出单元；

逻辑与系统控制单元用于根据获取的相关控制命令，结合系统保护与接口单元发送的相应模拟量的采样信号和/或开入开出信号，生成相关控制指令并发送至模块控制单元；

模块控制单元用于根据接收的相关控制指令进行电流闭环控制，生成功率模块的控制信号，并将控制信号发送至模块接口单元；

模块接口单元设置有通信接口，用于将功率模块的控制信号分发至交流励磁装置中的功率模块控制器；所述通信接口还用于通过功率模块控制器获取功率模块的采样信号，并将功率模块的采样信号发送至逻辑与系统控制单元；通过功率模块控制器获取功率模块的采样信号为模块电流和直流电压，模块接口单元用于接收由功率模块控制器分别对模块电流和直流电压进行越限比较得到的越限信号；

所述控制保护系统为冗余设置，包括主控保系统，与主控保系统实时数据同步的备用控保系统，主控保系统和备用控保系统均包括系统保护与接口单元、逻辑与系统控制单元和模块控制单元，主控保系统和备用控保系统共用模块接口单元，当主控保系统判定为自身异常，且备用控保系统自检正常时，将备用控保系统切换为主控保系统。

2.根据权利要求1所述的交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，控制保护系统内的各单元之间通过光纤通信，该光纤通信包括公共光纤通信和独立光纤通信，其中公共光纤通信用于传输第一响应速度信号，包括采样信号；独立光纤通信用于传输第二响应速度信号，包括状态信号和故障跳闸信号，其中第二响应速度信号的响应速度要求比第一响应速度信号高。

3.根据权利要求1所述的交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，所述系统保护与接口单元设置在第一箱体中，构成系统保护与接口机箱。

4.根据权利要求1所述的交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，所述逻辑与系统控制单元设置在第二箱体中，构成逻辑与系统控制机箱。

5.根据权利要求1所述的交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，所述模块控制单元设置在第三箱体中，构成模块控制机箱。

6.根据权利要求1所述的交流励磁装置的控制保护系统，其特征在于，所述模块接口单元设置在第四箱体中，构成模块接口机箱。

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