CN113364023A - 一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法 - Google Patents

一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法，通信系统包括阀级控制器以及若干个功率模块环网阵列，每个功率模块环网阵列由若干个功率模块组成，阀级控制器包括VBC‑A和VBC‑B两个控制系统；每个功率模块环网阵列为独立的环网通信子系统，分别与控制系统VBC‑A和VBC‑B连接；功率模块环网阵列的功率模块之间通过光纤进行通信连接；功率模块环网阵列内部由两个首环和若干个子环组成，首环为功率模块环网阵列两端连接两个控制系统的功率模块组合，子环为首环之间连接的功率模块组合；每个功率模块中都设有一个PMC板，功率模块间通过PMC板的光纤收发器进行通信。本发明能降低光纤使用成本，增加换流阀系统的可靠性。

Description

一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法
技术领域
本发明属于直流输电领域，为一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法。
背景技术
柔性直流输电系统的组成与传统的高压直流输电系统结构基本相同，二者最主要的区别在于换流器所使用的电力电子器件类型和换流器的控制技术。MMC-HVDC采用全控型电力电子器件IGBT组成电压源换流器，IGBT和与之反并联的续流二极管组成基本的开关单元，根据电压和功率等级的不同要求，由这些基本开关单元组成多电平的拓扑结构。
目前MMC-HVDC的阀级控制器VBC和换流阀功率模块SM之前多采用点对点的通信控制，每个子模块和阀控通过一对光纤进行通信连接。MMC-HVDC工程应用中换流阀由几百甚至上千个功率模块组成，由于换流阀和阀级控制器的安装位置距离较远，每个功率模块都需要长达200m以上的一对光纤来实现与阀控的通信。随着柔直工程电压等级的提高，未来所需功率模块的数量也会增加，阀控和子模块采用传统的点对点通信，不但数量庞大的长光纤成本较高，换流阀现场安装和维护的成本也极高。并且在传统的点对点通信中，一旦通信光纤出现故障，必然会造成功率模块的旁路切出，降低了换流阀系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中点对点通信控制存在的问题，提供一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统及方法，降低光纤使用成本，增加换流阀系统的可靠性。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，包括阀级控制器以及若干个功率模块环网阵列，每个功率模块环网阵列由若干个功率模块组成，所述的阀级控制器包括VBC-A和VBC-B两个控制系统；每个功率模块环网阵列为独立的环网通信子系统，分别与控制系统VBC-A和VBC-B连接；功率模块环网阵列的功率模块之间通过光纤进行通信连接；功率模块环网阵列内部由两个首环和若干个子环组成，首环为功率模块环网阵列两端连接控制系统VBC-A和VBC-B的功率模块组合，子环为首环之间连接的功率模块组合；每个功率模块中都设有一个PMC板，功率模块间通过PMC板的光纤收发器进行通信。
作为本发明的一种优选方案，所述若干个功率模块环网阵列的功率模块数量相同。
作为本发明的一种优选方案，所述的控制系统VBC-A为主系统，控制系统VBC-B为热备用系统。
作为本发明的一种优选方案，所述若干个功率模块环网阵列的功率模块数量均为偶数。
作为本发明的一种优选方案，同一个功率模块环网阵列当中，首环和首环、首环和子环、子环和子环的功率模块数量相同或不同，根据工程实际需求进行组合设计。
作为本发明的一种优选方案，所述的首环中部分功率模块通过多对光纤和所有的子环中某个或多个功率模块进行通信连接。
作为本发明的一种优选方案，每个PMC板上有4组光纤收发器，每个PMC板至少使用3组，至多使用4组。
本发明还提供一种基于所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统的通信方法，包括以下步骤：
发送：阀级控制器周期性地对每个功率模块环网阵列的首环发送控制命令，首环内与阀级控制器连接的功率模块收到控制命令后，先在首环内进行控制命令的转发，首环内其他功率模块收到命令后，将控制命令转发给各自连接的子环，之后在子环内再进行命令转发，使得功率模块环网阵列内各子环及其内部功率模块收到命令的时间基本相同；
上报：各功率模块数据的上报采用子环内组帧上报，然后传给首环发送给阀级控制器。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：MMC-HVDC传统的点对点通信方式需要使用大量的长距离光纤(200米以上)，光纤成本和安装维护成本较高，采用本发明的环网通信系统，在不改变换流阀功率模块电气结构的基础上，阀级控制器和功率模块间只需要使用少量的长光纤即可，功率模块间均采用短光纤连接，可以大量减少长光纤的使用数量，降低光纤使用成本，同时也可以降低阀控设备的占地面积。本发明采用的冗余环网通信方案，功率模块按照环网拓扑进行通信连接，功率模块间彼此相连，增加了功率模块通信冗余度，不会因为单一光纤出现故障而引起功率模块旁路，增加了换流阀系统的可靠性。
相较于现有技术，本发明的通信方法使功率模块环网阵列内各子环及其内部功率模块收到命令的时间基本相同，不会因为子环数量的增加而产生时延的累积。各功率模块数据的上报采用子环内组帧上报，然后传给首环发送给阀级控制器，相比于每个功率模块分时转发上报效率更高，可以提高环网系统的通信效率。
附图说明
图1本发明柔性直流输电换流阀冗余环网通信系统整体结构示意图；
图2本发明功率模块中PMC板的结构示意图；
图3本发明功率模块环网阵列首环内部的功率模块连接结构示意图；
图4本发明功率模块环网阵列子环内部的功率模块连接结构示意图；
图5本发明功率模块环网阵列通信拓扑连接结构示意图；
图6本发明功率模块环网阵列内部通信方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明提出的一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，由功率模块环网阵列和阀级控制器VBC组成。将换流阀内所有功率模块划分为M个功率模块环网阵列，不同功率模块环网阵列中的功率模块数量可以不同(最优为所有功率模块环网阵列的功率模块数量均相同)。阀级控制器VBC分为VBC-A和VBC-B两个控制系统，两个系统功能完全一致。每个功率模块环网阵列为独立的环网通信子系统，分别通过2对长光纤连接到控制系统VBC-A、通过2对长光纤连接到控制系统VBC-B，图1中每一根单向箭头代表一根长光纤，不同功率模块环网阵列的通信系统互不影响。控制系统VBC-A和控制系统VBC-B互为备用，可将控制系统VBC-A作为主系统，控制系统VBC-B为备用系统(热备用)，当控制系统VBC-A出现故障时，切换到控制系统VBC-B，不影响换流阀的正常运行。
参见图2，功率模块之间通过PMC板的光收发器(实现光信号发送和接收的器件)进行通信，每一根单向箭头代表一根光纤，PMC板上共有4组光收发器，图2钟Tx代表光信号发送，Rx代表光信号接收，每个PMC至少使用3组光收发器，至多使用4组光收发器。
参见图3，图4，每个功率模块环网阵列由2个首环和J个子环组成，其中J≥0。每个小方框代表一个功率模块(即PMC板)，每一根单向箭头代表一根光纤，首环和子环由Ki，i＝1,2,3...个功率模块组成，其中Ki≥2，且K为偶数，同一个功率模块环网阵列中，首环和首环、首环和子环、子环和子环的功率模块数量可以不相同，根据工程实际需求进行组合设计。
参见图5，功率模块环网阵列由N个功率模块组成，其中N为偶数，功率模块之间按图5所示通信拓扑通过短光纤进行通信连接，图5中每一根单向箭头代表一根光纤，其中1号功率模块、N-1号功率模块分别与VBC-A通过一对长光纤连接，2号功率模块、N号功率模块分别与VBC-B通过一对长光纤连接。参见图6，每一根双向箭头代表一对光纤，功率模块环网阵列内部由2个首环和J个子环组成，其中首环1有两个功率模块分别与控制系统VBC-A和VBC-B连接，首环2有两个功率模块分别与控制系统VBC-A和VBC-B连接，子环为首环之间连接的功率模块组合。对应到图5中可将1、2、3、4、5、6号功率模块作为首环1，N-5、N-4、N-3、N-2、N-1、N号功率模块作为首环2，中间的功率模块组合为子环。
按照图5和图6所示，编号3、4、5、6、N-5、N-4、N-3、N-2号功率模块分别与各子环的某个功率模块进行通信连接，即首环1、首环2中部分功率模块通过多对光纤分别与所有的子环中某个或多个功率模块进行通信连接，实现冗余和加速通信的功能。
一种基于所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统的通信方法：
阀级控制器VBC周期性地对每个功率模块环网阵列的首环发送控制命令，首环内与阀级控制器VBC连接的功率模块收到控制命令后，按照设定通信规则，先在首环内进行控制命令的转发，首环内其他功率模块收到命令后，将控制命令转发给各自连接的子环，之后在子环内再进行命令转发，使得功率模块环网阵列内各子环及其内部功率模块收到命令的时间基本相同，不会因为子环数量的增加而产生时延的累积。各功率模块数据的上报采用子环内组帧上报，然后传给首环发送给阀级控制器VBC，相比每个功率模块分时转发上报效率更高。
本发明柔性直流输电换流阀冗余环网通信系统的高冗余性：(1)VBC-A和VBC-B互为备用，构成冗余通信系统，不会因为单一阀控系统的故障导致换流阀停运；(2)首环和子环内部按照图3和图4进行拓扑连接，即使功率模块间某对通信光纤出现故障，也可以按照设定通信规则继续完成环内通信，不影响功率模块的控制和数据上报；(3)按照图6所示拓扑，由于子环之间建立有通信连接，若首环和子环之间的通信光纤出现故障，也可通过该子环的相邻子环来实现该子环内功率模块的控制和数据上报。也可通过增加首环和子环的通信连接来加强首环和子环通信的冗余度，如将首环和子环间的一对通信光纤增加为多对通信光纤。
综上，一方面，本发明提供的柔性直流输电换流阀冗余环网通信系统可以大量减少长光纤的使用数量，降低光纤成本和安装维护成本。另一方面，冗余环网通信系统采用功率模块环网阵列、首环和子环的连接方式，解决了传统环网中延时累积的问题，增加了换流阀通信系统的设计灵活性，可根据工程实际情况进行组合设计，具有设计通用性。本发明冗余环网通信系统的高冗余性，可以提高换流阀运行的可靠性，降低功率模块的故障率和旁路数量。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：包括阀级控制器以及若干个功率模块环网阵列，每个功率模块环网阵列由若干个功率模块组成，所述的阀级控制器包括VBC-A和VBC-B两个控制系统；每个功率模块环网阵列为独立的环网通信子系统，分别与控制系统VBC-A和VBC-B连接；功率模块环网阵列的功率模块之间通过光纤进行通信连接；功率模块环网阵列内部由两个首环和若干个子环组成，首环为功率模块环网阵列两端连接控制系统VBC-A和VBC-B的功率模块组合，子环为首环之间连接的功率模块组合；每个功率模块中都设有一个PMC板，功率模块间通过PMC板的光纤收发器进行通信。
2.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：所述若干个功率模块环网阵列的功率模块数量相同。
3.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：所述的控制系统VBC-A为主系统，控制系统VBC-B为热备用系统。
4.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：所述若干个功率模块环网阵列的功率模块数量均为偶数。
5.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：同一个功率模块环网阵列当中，首环和首环、首环和子环、子环和子环的功率模块数量相同或不同，根据工程实际需求进行组合设计。
6.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：所述的首环中部分功率模块通过多对光纤和所有的子环中某个或多个功率模块进行通信连接。
7.根据权利要求1所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统，其特征在于：每个PMC板上有4组光纤收发器，每个PMC板至少使用3组，至多使用4组。
8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述用于柔性直流输电换流阀的冗余环网通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送：阀级控制器周期性地对每个功率模块环网阵列的首环发送控制命令，首环内与阀级控制器连接的功率模块收到控制命令后，先在首环内进行控制命令的转发，首环内其他功率模块收到命令后，将控制命令转发给各自连接的子环，之后在子环内再进行命令转发，使得功率模块环网阵列内各子环及其内部功率模块收到命令的时间基本相同；
上报：各功率模块数据的上报采用子环内组帧上报，然后传给首环发送给阀级控制器。
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