CN113514166A - 一种hvdc换流阀晶闸管温度监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法和系统，包括：利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。本发明提供的技术方案，可以全面实时的完成对换流阀晶闸管壳温和结温的监测且保证监测的准确性，同时以监测的晶闸管壳温和结温作为告警依据对晶闸管安全运行进行告警，提高了换流阀运行的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备在线监测领域，具体涉及一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法和系统。
背景技术
高压直流输电(High-Voltage Direct Current transmission，简称“HVDC”)在大容量、远距离输电领域具有独特优势，是优化资源配置和解决能源分布不均的有效途径。
目前，已经建成和在建的高压直流输电工程具备了一定规模，输送容量和电压等级也逐步提升，在电网中所扮演角色越来越重要，其运行时的安全稳定问题被予以了高度的关注和研究。
换流阀是直流输电工程的核心设备，工程造价高，其价值约占换流站成套设备总价的22～25％。晶闸管换流阀是HVDC系统的“心脏”，其可靠性关系到直流电网的安全有效运行。换流阀运行时，其核心器件晶闸管的温度是影响换流阀稳定运行的主要因素。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电工程降额运行甚至全部停运，严重情况下，可能会导致换流阀体或者阀厅内起火，进而引发重大安全事故。如何快速、准确发现设备各种安全问题及故障隐患，避免换流阀晶闸管等关键零部件温度异常所导致的火灾隐患，是需要认真研究的课题。
根据IEC 60700-1的要求，HVDC换流阀挂网运行前需通过运行试验，其中包括对换流阀热特性的考核。为有效验证包括换流阀晶闸管在内的核心元器件在高压大电流下的热量输出和交换是否满足设计要求，实现在线温度监测非常必要。能为换流阀产品设计提供有效的数据支持，具有重要的研究价值和工程应用价值。
测量电力系统高压设备温度的方法主要有：①热电偶，直接与目标设备接触，这种设备主要缺点是抗电磁干扰能力弱，应用于高压领域存在绝缘问题，只能应用于点测量，多点测量成本过高，因为传感器安装问题不能实现分布式温度测量；②温度贴纸，无法实时、连续监测温度，只能进行单次测试，且需要人员巡视，无法进行自动监测，智能化程度低；③红外测温仪或红外热成像仪，该类设备采用非接触测量方法，便于监测人员安全操作，但无法实现实时监测，点测量而不能分布式测量，使得监测不全面。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法和系统，该方法可以全面实时的完成对换流阀晶闸管壳温和结温的监测且保证监测的准确性，同时以监测的晶闸管壳温和结温作为告警依据对晶闸管安全运行进行告警，提高了换流阀运行的安全性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法，其改进之处在于，所述方法包括：
利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。
优选的，所述利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温，包括：
基于铺设于HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面上的传感光纤，采用光纤测温技术获取传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率；
基于传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率，确定各晶闸管的壳温；
其中，所述传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率为传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊散射频谱中峰值最大时对应的频率。
本发明提供一种HVDC换流阀晶闸管温度监测系统，其改进之处在于，所述系统包括：
光纤测温模块，用于利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
计算模块，用于根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
告警模块，用于当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的技术方案，利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。该方案可以全面实时的完成对换流阀晶闸管壳温和结温的监测且保证监测的准确性，同时以监测的晶闸管壳温和结温作为告警依据对晶闸管安全运行进行告警，提高了换流阀运行的安全性。
附图说明
图1是一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法流程图；
图2是一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法系统结构图；
图3是本发明实施例中分布式光纤测温装置结构图；
图4是本发明实施例中通态电压与损耗计算单元对应的控制框图；
图5是本发明实施例中结温计算单元对应的控制框图；
图6是本发明实施例中告警单元工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为克服传统温度传感器或是因为不能工作在强电磁场环境中，或是因为多点测量成本过高，或是因为存在传感器安装等问题不能完成分布式温度测量的缺陷，本发明提供了一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法，如图1所示，考虑到光纤既是传感器，也是信号传输载体，其可实现换流阀晶闸管壳温的连续、实时监测，所述方法利用单根传感光纤实现对阀厅内所有晶闸管的壳温的监测，又考虑到晶闸管结温可以由晶闸管壳温来计算，所述方法在已知晶闸管壳温的情况下，结合晶闸管的电流、损耗(发热量)、温升等数据，计算晶闸管结温；并基于晶闸管壳温、结温分别实现壳温越限报警和结温越限报警；所述方法的壳温报警定值和结温报警定值可分别设置，温度监测内容丰富，有助于运维人员全面了解换流阀晶闸管运行情况，当温度越限时可提出针对性解决方案和措施。本发明方法的具体步骤，包括：
步骤101，利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
步骤102，根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
步骤103，当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。
本发明实施例的可选方案为，传感光纤可以采用普通单模光纤完成阀厅内所有晶闸管壳温的测量，并实时监测晶闸管壳温细微变化，下面以单模光纤为例进行具体说明。
考虑到晶闸管各项性能参数与结温密切相关，因而将换流阀晶闸管温度监测中的结温监测看做HVDC工程设备在线监测的重中之重，但是因为晶闸管采用特殊的密封结构，温度监测装置或系统只能对晶闸管表面温度(壳温)进行监测，无法对晶闸管结温进行实时监测，因此晶闸管结温基于晶闸管表面温度(壳温)进行计算。
具体的，所述步骤101，包括：
步骤101-1，基于铺设于HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面上的单模光纤，采用光纤测温技术获取单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率；
步骤101-2，基于单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率，确定各晶闸管的壳温；
其中，所述单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率为单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊散射频谱中峰值最大时对应的频率。
进一步的，所述步骤101-2，包括：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温Ti,S(t)：
式中，fi,S(t)为t时刻单模光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，fi,S *为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器温度为基准温度时单模光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，CV,T为光纤频移变动的温度系数，
为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的基准温度。
具体的，所述步骤102，包括：
步骤102-1，采集HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流；
步骤102-2，利用HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流确定HVDC换流阀内各晶闸管的通态电压；
步骤102-3，将HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流与通态电压的乘积作为HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗；
步骤102-4，基于HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗和HVDC换流阀内各晶闸管的壳温确定HVDC换流阀内各晶闸管的结温。
本发明实施例的可选方案为，可以利用互感器对阀串电流进行采样，得到各晶闸管的工作电流。
晶闸管的通态伏安特性分别受空间电荷产生的复合效应、基区注入效应、串联电阻效应以及表面效应的影响，因此按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的通态电压Vi(t)：
式中，Ii(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的工作电流，A为第一常数，B为第二常数，C为第三常数，D为第四常数,A、B、C、D在厂家的样本手册可查到，i∈(1～N),N为HVDC换流阀内包括的晶闸管个数。
晶闸管的发热主要集中在两个基区之间的PN结，产生的热量通过硅片、合金化层、钼片与铜基座的路径传递到管壳表面，故而按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的结温Ti,j(t)：
式中，Ti,j(0)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在初始时刻的结温，初始时刻为0时刻，Ti,S(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温，Zi,th(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管的瞬态热阻抗，Ri,th为HVDC换流阀内第i个晶闸管的稳态结壳热阻，Pi(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的瞬时损耗；
其中，按下式确定Zi,th(t)：
式中，Ri,thk为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的稳态热阻，Ci,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的热容量，k∈(1～M)，M为组成物质的种类数；
按下式确定Ci,k：
式中，τi,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的时间常数，厂家样本中一般提供了稳态热阻和时间常数的数值。
具体的，所述步骤103，包括：
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温大于壳温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的壳温越限报警信号；
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的结温大于结温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的结温越限报警信号。
步骤103中，将晶闸管壳温、结温值分别与对应限值进行对比，当将晶闸管壳温、结温值超过限值时，发出报警信号，壳温越限时采取增大冷却水流量等措施，结温越限时采取降低回路电流等措施，避免晶闸管壳温、结温过高，保证换流阀安全、可靠运行。
具体的，所述发出HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温越限报警信号的同时或之后，还包括：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的壳温进行冷却；
所述发出HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的结温越限报警信号的同时或之后，还包括：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的结温进行冷却。
进一步的，所述对HVDC换流阀内所有晶闸管的壳温进行冷却，包括：
增大HVDC换流阀冷却系统的冷却水流量；
所述对HVDC换流阀内所有晶闸管的结温进行冷却，包括：
降低HVDC换流阀工作回路的电流。
基于同样的发明构思，本发明提供一种HVDC换流阀晶闸管温度监测系统，如图2所示，所述系统包括：
光纤测温模块，用于利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
计算模块，用于根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
告警模块，用于当HVDC换流阀内任一晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。本发明实施例的可选方案为，因为传感光纤既作为待测信号传输介质，又是待测物理量传感单元，采用整根光纤作为传感单元(传感点连续分布)，可实现待测物体时间和空间上连续性全方位测量，本发明中的传感光纤可以采用单模光纤，所以本发明利用一根单模光纤完成对阀体全部晶闸管外壳温度的测量，克服了温度传感器或是因为不能工作在强电磁场环境中，或是因为多点测量成本过高，或是因为存在传感器安装等问题不能完成分布式温度测量的缺陷。
具体的，光纤测温模块，用于：
基于铺设于HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面上的单模光纤，采用光纤测温技术获取单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率；
基于单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率，确定各晶闸管的壳温；
其中，所述单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率为单模光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊散射频谱中峰值最大时对应的频率。
本发明实施例的可选方案为，光纤测温模块可以采用如图3所示的设置有铺设于HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面上的单模光纤的分布式光纤测温装置，该装置还包括：激光发生器、光耦合器1、电光调制器、光放大器1、光滤波器1、光耦合器2、光探测器、光放大器2、光滤波器2、光耦合器3、微波电光调制器、微波发生器、驱动、光电转换器、放大器、A/D转换器、转换控制器、FFT数值变换器、FFT频谱分析器、频移计算器和晶闸管壳温输出单元。
本发明实施例的可选方案为，主要元器件选型如下：
①光源：采用线光源，线宽越窄，测量精度越高。光源功率应足够大，光功率越大，信号越强，系统信噪比越高。另外，光源稳定要求高，避免噪声对系统造成影响。半导体激光器体积小、价格低、效率高，具有极高的功率密度和效率。推荐采用线宽较窄的分布式反馈激光器，波长1550nm，线宽3kHz，功率20mW，工作电压为DC 5V。
②电光调制器：如果入射到传感光纤中的光为连续光，则整个光纤中后向散射光发生混叠，无法区分测温点分布情况，所以必须把光源调制成脉冲光。推荐采用开关速度快、结构简单的基于电光效应的电光调制器。电光调制器采用晶体作为电光材料，输入连续光分别进入电光调制器两个光支路，这两个光支路采用材料的折射率随外部施加电信号大小而变化，光支路折射率变化将引起信号相位的变化，故两个支路信号在调制器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号，通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调节。电光调制器的关键参数包括最小脉冲宽度、可设置的重复频率和消光比。探测光脉冲的宽度对应系统可实现的空间分辨率，脉宽越窄，可实现的空间分辨率越高；探测脉冲光的重复频率是其周期的倒数，而周期与传感距离相对应，传感距离越长，需要的脉冲周期越长，则脉冲光的重复频率越小。本实例电光调制器工作波长1550±40nm，脉冲宽度1-10ns可调，重复频率100Hz-1Mhz可调，工作电压为DC 5V。
③光放大器：激光发生器输出功率低，且电光调制器存在插入损耗，为保证测量精度，将光信号进行放大后再注入光纤；反向散射信号非常微弱，为提高信噪比，也须进行放大。本实例采用掺饵光纤放大器，工作波长1500-1600nm，输入功率-40dBm，输出功率10mW，工作电压为DC 12V。
④传感光纤：本实例采用常规G.625.D型单模光纤作为传感光纤，折射率1.467@1550nm，损耗系数0.2dB/km@1550nm，包层直径125.0±1.0nm，全波段传输。
⑤光探测器：光探测器位于光滤波器1之后、环形器之前，将光脉冲转换为电脉冲，用于辅助完成测温点的定位。本实例光探测器工作波长900-1600nm，转换增益为48mW/1mW，饱和光功率5.5mW，工作带宽1.5GHz，工作电压为DC 12V。
⑥微波电光调制器：产生指定频率的微波信号，本实例微波电光调制器工作频率10-13.5Ghz，输出功率20dBm，工作电压为DC 12V。
系统主要技术指标如下：在25℃环境温度下，传感光纤的布里渊频移为10.705GHz左右，晶闸管外壳温度每上升10℃，布里渊频移大约10Mhz。本实例能够实现10～90℃的测温范围，满足HVDC换流阀晶闸管壳温测试要求。
本发明实施例的可选方案为，利用上述分布式光纤测温装置可以测量HVDC换流阀内各晶闸的壳温的原因有三点：
其一：晶闸管散热器表面温度和晶闸管外壳温度近似相等，测量晶闸管散热器表面温度等同于测量晶闸管外壳温度；
其二：晶闸管散热器表面温度即为单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点的温度；
其三：上述分布式光纤测温装置本身即可测量其设置的单模光纤上任一点的温度。
本发明实施例的可选方案为，利用分布式光纤测温装置对HVDC换流阀内各晶闸管的壳温进行测量的过程为：
激光发生器发出频率为vpump的线光源，该线光源经光耦合器1分为两路光。一路光称之为参考光，另一路光称之为调控光；调控光进入电光调制器并被调制成脉冲光，脉冲光先后进入光放大器1和光滤波器1进行滤波，实现对脉冲光的放大和滤波，经放大和滤波处理后的脉冲光进入光耦合器2，被分为两路，其中一路光接入光探测器将光信号送入转换控制器，用于转换控制器实现单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点的定位，另一路光(探测光)接入环形器，通过环形器进入传感光纤进行温度探测。
参考光与微波发生器产生的频率为v11G的微波同时进入微波电光调制器，将参考光调制为频率为vref＝vpump-v11G的频移参考光；
探测光在传感光纤中传输，产生沿程产生含有频率分别为υpump和υpump-υB的后向瑞利散射光和布里渊散射光的散射光，由于布里渊散射光非常微弱，为了提高系统的信噪比，所以散射光先后进入光放大器2和滤波器2进行放大和滤波，放大和滤波处理后散射光进入光耦合器3，与频移参考光进行混频；
由于布里渊散射光产生的信号频率为vpump-vB-(vpump-v11G)即vB-v11G，且vB和v11G近似相等，故而布里渊散射光为混频后频率为几十到几百Mhz的较低频率波段，将其通过光电转换器即可得到布里渊散射光对应的电信号。
光电转换器输出电信号通过放大器后进入A/D转换器，因为A/D转换器受转换控制器控制，其在转换控制器输出的特定节点(对应单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点)启动转换，得到单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处布里渊散射光对应的电信号；
单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处布里渊散射光对应的电信号进入FFT数值变换器中进行离散傅里叶变换，将其由时域转换至频域，从而得到单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处布里渊散射光的布里渊散射频谱；布里渊散射频谱在峰值对应频率即可得到布里渊频率；
单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率进入频移计算器，即得到单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处的频移；
因为传感光纤内入射光波场与介质内弹性声波场相互作用，散射光谱在激发线的两侧成对出现两条谱线，且散射谱中心频率移动大小和温度成正比。当晶闸管散热器外壳温度发生变化时，散射光谱频率移动相应变化，通过测量散射光谱中心频率移动数值大小(频移)，即可测量得到晶闸管散热器外壳温度变化情况；
所以晶闸管壳温输出单元基于单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率的频移，计算定各晶闸管的壳温其相应计算式如下：
式中，Ti,S(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温，fi,S(t)-fi,S *为t时刻单模光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的频移，fi,S(t)为t时刻单模光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，fi,S *为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器温度为基准温度时单模光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，CV,T为光纤频移变动的温度系数，
为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的基准温度。
其中，转换控制器计算内置计时器T，每探测到一个探测光进入到传感光纤后启动计时，并对应获取散射光出传感光纤的计时；
基于探测光和其对应的散射光的时间差，即可实现对单模光纤与HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面接触点的定位。对应时间差t与测温位置P符合下式关系：
P＝Ct/2n
式中C为真空中的光速，n为光纤的折射率。
说明：经电光调制器输出的脉冲光必须经过放大后再注入传感光纤，其目的是获得最大自发布里渊散射，提高测量精度。
光脉冲经过光放大器1放大后，由于光放大器的自发辐射，其输出将包含很强的自发辐射噪声(ASE)，如果对这些噪声不加以处理，将大大影响系统的性能。因此在放大器1和单模光纤之间必须接入一个由光环形器和光纤布拉格光栅组成的光滤波器1来滤掉大部分的ASE噪声和干扰。
传感光纤采用普通单模光纤，长度根据晶闸管测点数量及空间布局决定。
将参考光频率调制到vref＝vpump-v11G的目的是便于直接在光域中混频，避免在高频处进行光电检测，从而更利于准确取出布里渊频移信息。
转换控制器产生A/D转换启动信号以触发系统最终输出信号的采集。
具体的，所述计算模块，可以包括：
工作电流获取单元，用于利用电流互感器采集HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流；
通态电压与损耗计算单元，用于利用HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流确定HVDC换流阀内各晶闸管的通态电压，并将HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流与通态电压的乘积作为HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗；
结温计算单元，用于基于HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗和HVDC换流阀内各晶闸管的壳温确定HVDC换流阀内各晶闸管的结温。
进一步的，所述通态电压计算单元，用于：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的通态电压Vi(t)：
式中，Ii(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的工作电流，A为第一常数，B为第二常数，C为第三常数，D为第四常数,i∈(1～N),N为HVDC换流阀内包括的晶闸管个数。
本发明实施例的可选方案为，通态电压与损耗计算单元通过设置按照如图4所示的控制框图运行的数字信号处理器DSP，来实现相应的功能。其中，数字信号处理器DSP具体型号可选为TMS320F28335，该款数字信号处理器属于TI公司TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速。
进一步的，所述结温计算单元，用于：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的结温Ti,j(t)：
式中，Ti,j(0)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在初始时刻的结温，初始时刻为0时刻，Ti,S(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温，Zi,th(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管的瞬态热阻抗，Ri,th为HVDC换流阀内第i个晶闸管的稳态结壳热阻，Pi(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的瞬时损耗；
其中，按下式确定Zi,th(t)：
式中，Ri,thk为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的稳态热阻，Ci,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的热容量，k∈(1～M)，M为组成物质的种类数；
按下式确定Ci,k：
式中，τi,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的时间常数。
本发明实施例的可选方案为，结温计算单元通过设置按照如图5所示的控制框图运行的数字信号处理器DSP，来实现相应的功能。
其中，数字信号处理器DSP具体型号可选为TMS320F28335，该款数字信号处理器属于TI公司TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速。
控制框图工作原理是：
将晶闸管的热传递路径中各种组成物质的稳态热阻用同阻值电阻模拟，热容量用同容值电容模拟，将晶闸管的瞬时损耗通过受控电流源注入RC回路后计算RC回路压降，该电压值即为结-壳温升。将各晶闸管结-壳温升加上各晶闸管散热器外壳温度，即可得到各晶闸管结温值。
受控电流源由瞬时损耗直接控制，受控电压源由晶闸管壳温直接控制，四阶RC串联电路由瞬态热阻抗及其时间常数得到(一般在晶闸管产品手册或由厂家提供)。电阻R1等于手册中稳态热阻R1，电容C1等于时间常数τ1除以对应的稳态热阻R1，其他各阶电阻R和电容C采用类似算法。通过计算受控电流源两端电压即可得到晶闸管结温。
具体的，所述告警模块，用于：
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温大于壳温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的壳温越限报警信号；
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的结温大于结温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的结温越限报警信号。
本发明实施例的可选方案为，告警模块主要完成晶闸管温度越限报警功能，如图6所示，温度报警功能分为壳温越限报警和结温越限报警，且壳温报警定值和结温报警定值可分别设置。
进一步的，所述系统还可以包括第一冷却模块和第二冷却模块。
其中，第一冷却模块，用于：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的壳温进行冷却；
第二冷却模块，用于：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的结温进行冷却。
进一步的，第一冷却模块，具体用于：
增大HVDC换流阀冷却系统的冷却水流量；
第二冷却模块，具体用于：
降低HVDC换流阀工作回路的电流。
本发明提供的技术方案，具备以下优势：
①本发明换流阀晶闸管温度监测系统的单模光纤既作为待测信号传输介质，又是待测物理量传感单元，采用整根光纤作为传感单元，传感点连续分布，因此该传感器可实现待测物体时间和空间上连续性全方位测量，完全克服了点式传感器在该方面的缺陷。
②光纤本身具有较强的抗电磁干扰能力，可直接安装于阀塔表面及内部，具有良好的绝缘性能。
③本发明换流阀晶闸管温度监测系统可同时监测晶闸管电流、损耗、温升、壳温、结温等数据，直观了解晶闸管的运行状态，这是传统的温度监测系统无法实现的。
④本发明换流阀晶闸管温度监测系统以部位相同原则自动完成相互之间的温差比较。
如：自动比较统一阀塔上所有同部位接头温度差异，自动比较不同阀塔同一部位温度差异等。
⑤本发明换流阀晶闸管温度监测系统具有温度超高报警功能，当将晶闸管壳温、结温值超过限值时，均可发出报警信号，壳温越限时采取增大冷却水流量等措施，壳温越限时采取降低回路电流等措施，避免晶闸管壳温、结温过高，保证换流阀安全、可靠运行。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种HVDC换流阀晶闸管温度监测方法，其特征在于，所述方法包括：
利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温，包括：
基于铺设于HVDC换流阀内各晶闸管散热器表面上的传感光纤，采用光纤测温技术获取传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率；
基于传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率，确定各晶闸管的壳温；
其中，所述传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率为传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊散射频谱中峰值最大时对应的频率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于传感光纤与各晶闸管散热器表面接触点处的布里渊频率，确定各晶闸管的壳温，包括：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温Ti,S(t)：
式中，fi,S(t)为t时刻传感光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，fi,S *为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器温度为基准温度时传感光纤与HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的接触点处的布里渊频率，CV,T为光纤频移变动的温度系数，
为HVDC换流阀内第i个晶闸管散热器的基准温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温，包括：
获取HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流；
利用HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流确定HVDC换流阀内各晶闸管的通态电压；
将HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流与通态电压的乘积作为HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗；
基于HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗和HVDC换流阀内各晶闸管的壳温确定HVDC换流阀内各晶闸管的结温。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用HVDC换流阀内各晶闸管的工作电流确定HVDC换流阀内各晶闸管的通态电压，包括：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的通态电压Vi(t)：
式中，Ii(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的工作电流，A为第一常数，B为第二常数，C为第三常数，D为第四常数,i∈(1～N),N为HVDC换流阀内包括的晶闸管个数。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于HVDC换流阀内各晶闸管的瞬时损耗和HVDC换流阀内各晶闸管的壳温确定HVDC换流阀内各晶闸管的结温，包括：
按下式确定HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的结温Ti,j(t)：
式中，Ti,j(0)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在初始时刻的结温，初始时刻为0时刻，Ti,S(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的壳温，Zi,th(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管的瞬态热阻抗，Ri,th为HVDC换流阀内第i个晶闸管的稳态结壳热阻，Pi(t)为HVDC换流阀内第i个晶闸管在t时刻的瞬时损耗；
其中，按下式确定Zi,th(t)：
式中，Ri,thk为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的稳态热阻，Ci,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的热容量，k∈(1～M)，M为组成物质的种类数；
按下式确定Ci,k：
式中，τi,k为HVDC换流阀内第i个晶闸管的热传递路径中第k种组成物质的时间常数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警，包括：
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温大于壳温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的壳温越限报警信号；
若HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的结温大于结温阈值，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管的结温越限报警信号。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述发出HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温越限报警信号的同时或之后，还包括：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的壳温进行冷却；
所述发出HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的结温越限报警信号的同时或之后，还包括：
对HVDC换流阀内所有晶闸管的结温进行冷却。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对HVDC换流阀内所有晶闸管的壳温进行冷却，包括：
增大HVDC换流阀冷却系统的冷却水流量；
所述对HVDC换流阀内所有晶闸管的结温进行冷却，包括：
降低HVDC换流阀工作回路的电流。
10.一种HVDC换流阀晶闸管温度监测系统，其特征在于，所述系统包括：
光纤测温模块，用于利用光纤测温技术测量HVDC换流阀内各晶闸管的壳温；
计算模块，用于根据HVDC换流阀内各晶闸管的壳温计算HVDC换流阀内各晶闸管的结温；
告警模块，用于当HVDC换流阀内任一或多个晶闸管的壳温和/或结温超出预设阈值时，则发出HVDC换流阀内相应晶闸管温度告警。
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