一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種柔性直流輸電換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層；系統(tǒng)及換流站級控制保護層由系統(tǒng)級控制部分和站級控制保護部分連接構(gòu)成，換流器級控制保護層由內(nèi)環(huán)電流控制單元、鎖相同步環(huán)節(jié)單元、換流器限流控制單元和換流器監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；換流器級控制保護層通過I/O通信端口與系統(tǒng)及換流站級控制保護層及通過I/O通信端口與閥級及子模塊級控制保護層連接；閥級及子模塊級控制保護層分為若干個閥級及子模塊級控制保護模塊，每個閥級及子模塊級控制保護模塊由閥級控制部分和功率模塊級控制保護部分連接構(gòu)成；本實用新型具有打破國外技術(shù)壟斷、降低工程造價的有益效果。
【專利說明】一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，屬于柔性直流輸送電及設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]海上風(fēng)電電網(wǎng)消納是海上風(fēng)電建設(shè)中的一大難題,柔性直流輸電基于電壓源變流器和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將直流電壓逆變?yōu)榉岛拖辔欢伎煽氐慕涣麟妷?，并可以獨立快速控制所傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，極大地增強了輸電的靈活性，成為實現(xiàn)大型風(fēng)電場與主網(wǎng)之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)的最有潛質(zhì)的電力傳輸方式。
[0003]目前世界上已投運的柔性直流輸電工程均按照結(jié)構(gòu)分層設(shè)計原則將控制保護系統(tǒng)劃分為三層:運行人員控制層、控制保護層、接口層。其中控制保護層主要包括系統(tǒng)級控制及換流器級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)級控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)控制模式轉(zhuǎn)換的功能，換流器級控制是控制保護層的核心，主要實現(xiàn)電流閉環(huán)控制、鎖相以及調(diào)制波生成，同時實現(xiàn)換流閥快速保護功能。柔性直流輸電控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，為了提高其運行的可靠性，必須限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響。柔性直流換流站的控制保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否可靠關(guān)乎到整個換流站能否安全、可靠和高效運行。
[0004]ABB技術(shù)路線的控制保護層是系統(tǒng)級控制與換流器控制在同一主機合并設(shè)計，主要功能包括接收運行人員指令、有功功率控制、無功功率控制、直流電壓控制、交流電壓控制、順序控制、電流閉環(huán)控制、鎖相控制等功能。閥控設(shè)備接收控制保護層發(fā)送的換流閥導(dǎo)通的指令，控制換流閥的導(dǎo)通/關(guān)斷。由ABB技術(shù)路線的分層結(jié)構(gòu)可以看出系統(tǒng)級及換流器級控制合成一個主機。在工程的實施過程中必須由ABB公司的技術(shù)負(fù)責(zé)人進行指導(dǎo)，而且只能向ABB公司進行設(shè)備采購，存在技術(shù)壁壘，不利于開展競爭。柔性直流輸電系統(tǒng)的控制保護設(shè)備需求日益增加，不能因為技術(shù)壟斷受制于國外的廠家，影響工程投資及科研發(fā)展。
[0005]西門子技術(shù)路線的控制保護層是基于同一平臺，系統(tǒng)級控制與換流器級控制分兩個主機設(shè)計。統(tǒng)級控制負(fù)責(zé)與監(jiān)控系統(tǒng)的接口(操作指令接收)、順控操作及相關(guān)接地接口 ；換流器級控制實現(xiàn)核心控制保護功能，包括有功、無功控制、參考電壓計算、電流電壓平衡等。由西門子技術(shù)路線的分層結(jié)構(gòu)可以看出系統(tǒng)級及換流器級控制分成兩個主機。但是基于同一平臺的設(shè)計，核心的技術(shù)同樣掌握在同一個設(shè)備供貨商上。存在與技術(shù)一同樣的缺點。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的，是為了提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)。該控制保護結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)級及換流器級控制分成兩個主機而且基于不同平臺進行設(shè)計，不僅打破國外廠家技術(shù)壟斷的地位，也更清晰劃分控制保護系統(tǒng)的層次設(shè)計結(jié)構(gòu)，提高控制保護的可靠性。
[0007]本實用新型的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到:
[0008]一種柔性直流輸電換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點在于:包括系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層；
[0009]系統(tǒng)及換流站級控制保護層由系統(tǒng)級控制部分和站級控制保護部分連接構(gòu)成，系統(tǒng)級控制部分由運行方式單元、控制模式單元、啟停控制單元、多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊構(gòu)成，站級控制保護部分由交流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、直流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、有功功率類控制模塊、無功功率類控制模塊、模式?jīng)Q策單元和換流站級監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；
[0010]換流器級控制保護層由內(nèi)環(huán)電流控制單元、鎖相同步環(huán)節(jié)單元、換流器限流控制單元和換流器監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；換流器級控制保護層通過I/o通信端口與系統(tǒng)及換流站級控制保護層及通過I/o通信端口與閥級及子模塊級控制保護層連接；
[0011]閥級及子模塊級控制保護層分為若干個閥級及子模塊級控制保護模塊，每個閥級及子模塊級控制保護模塊由閥級控制部分和功率模塊級控制保護部分連接構(gòu)成；閥級控制部分由橋臂環(huán)流控制單元、換流器開關(guān)調(diào)制單元、電容電壓平衡控制單元、脈沖分配與觸發(fā)單元和換流閥監(jiān)測與保護單元構(gòu)成；功率模塊級控制保護部分由二組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)組成，每組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)包括功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元；所述功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元通過光纖連接閥級控制部分。
[0012]本實用新型的目的還可以通過采取如下技術(shù)方案達到:
[0013]進一步地，多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊包括MU合并單元、數(shù)據(jù)處理單元和調(diào)度端SCADA，換流站級監(jiān)視與保護模塊包括對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元和I/O通信端口，模式?jīng)Q策單元包括通道選擇單元和控制模式選擇和切換單元；MU合并單元的信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的輸入端，數(shù)據(jù)處理單元具有三輸出端，每個輸出端各連接直流電壓控制單元的輸入端、有功綜合控制模塊的輸入端、無功綜合模塊的輸入端，有功綜合控制模塊為有功功率類控制模塊，無功綜合控制模塊為無功功率類控制模塊；運行方式單元的輸出端連接無功綜合控制模塊的輸入端和控制模式選擇和切換單元的輸入端，對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元的輸出端、調(diào)度端SCADA的輸出端通過通道選擇單元連接系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線，I/O通信端口通過系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線連接控制模式選擇和切換單元的輸入端。
[0014]本實用新型具有如下突出的有益效果:
[0015]1、本實用新型涉及的的柔性直流輸電換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)及站級控制保護層、換流器級控制保護層是基于不同平臺的設(shè)計，將柔性直流輸電換流站的控制保護系統(tǒng)設(shè)置成模塊化、分層分布式和開放式結(jié)構(gòu)，具體是將所述控制保護系統(tǒng)分為三個層次，按其功能由高至低依次為系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層，具有打破國外技術(shù)壟斷、降低工程造價的有益效果。
[0016]2、本實用新型涉及的控制保護系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式、開放式結(jié)構(gòu)。對軟、硬件結(jié)構(gòu)和分層進行優(yōu)化設(shè)計，保證功能和系統(tǒng)各部分的負(fù)載分布合理，運行可靠，各子系統(tǒng)間獨立，各層次之間的耦合關(guān)系盡量減少，避免某一部分的故障影響整個系統(tǒng)的運行。
[0017]3、本實用新型的控制保護各層次的接口清晰，三個層次均可以采用不同供貨商的產(chǎn)品，各供貨商可以發(fā)揮某一層控制保護的優(yōu)勢，制造最優(yōu)的設(shè)備，提供柔性直流換流站的控制保護的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是柔性直流輸電換流站的控制保護結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是系統(tǒng)級及換流站級控制保護層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本實用新型涉及的換流器控制保護層與各層的聯(lián)系示意圖。

【具體實施方式】
[0021]具體實施例1:
[0022]參照圖1和圖2，本實施例涉及的柔性直流輸電換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層；系統(tǒng)及換流站級控制保護層由系統(tǒng)級控制部分和站級控制保護部分連接構(gòu)成，系統(tǒng)級控制部分由運行方式單元、控制模式單元、啟?？刂茊卧?、多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊構(gòu)成，站級控制保護部分由交流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、直流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、有功功率類控制模塊、無功功率類控制模塊、模式?jīng)Q策單元和換流站級監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；換流器級控制保護層由內(nèi)環(huán)電流控制單元、鎖相同步環(huán)節(jié)單元、換流器限流控制單元和換流器監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；換流器級控制保護層通過I/o通信端口與系統(tǒng)及換流站級控制保護層及通過I/O通信端口與閥級及子模塊級控制保護層連接；閥級及子模塊級控制保護層分為若干個閥級及子模塊級控制保護模塊，每個閥級及子模塊級控制保護模塊由閥級控制部分和功率模塊級控制保護部分連接構(gòu)成；閥級控制部分由橋臂環(huán)流控制單元、換流器開關(guān)調(diào)制單元、電容電壓平衡控制單元、脈沖分配與觸發(fā)單元和換流閥監(jiān)測與保護單元構(gòu)成；功率模塊級控制保護部分由二組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)組成，每組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)包括功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元；所述功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元通過光纖連接閥級控制部分。
[0023]本實施例中:多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊包括MU合并單元、數(shù)據(jù)處理單元和調(diào)度端SCADA，換流站級監(jiān)視與保護模塊包括對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元和I/O通信端口，模式?jīng)Q策單元包括通道選擇單元和控制模式選擇和切換單元；MU合并單元的信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的輸入端，數(shù)據(jù)處理單元具有三輸出端，每個輸出端各連接直流電壓控制單元的輸入端、有功綜合控制模塊的輸入端、無功綜合模塊的輸入端，有功綜合控制模塊為有功功率類控制模塊，無功綜合控制模塊為無功功率類控制模塊；運行方式單元的輸出端連接無功綜合控制模塊的輸入端和控制模式選擇和切換單元的輸入端，對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元的輸出端、調(diào)度端SCADA的輸出端通過通道選擇單元連接系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線，I/O通信端口通過系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線連接控制模式選擇和切換單元的輸入端。
[0024]運行方式單元、控制模式單元和啟?？刂茊卧沙Ｒ?guī)技術(shù)的功能電路構(gòu)成，多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊由常規(guī)技術(shù)的具有多路監(jiān)測、調(diào)整和控制功能的電路構(gòu)成，交流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、直流現(xiàn)場設(shè)備控制單元由常規(guī)的交流設(shè)備控制電路、直流設(shè)備控制電路構(gòu)成，有功功率類控制模塊、無功功率類控制模塊由常規(guī)技術(shù)的有功功率控制電路、無功功率控制電路構(gòu)成，模式?jīng)Q策單元和換流站級監(jiān)視與保護模塊由常規(guī)技術(shù)的模式選擇電路和換流站監(jiān)視和控制電路構(gòu)成；內(nèi)環(huán)電流控制單元、鎖相同步環(huán)節(jié)單元、換流器限流控制單元分別由常規(guī)技術(shù)的環(huán)路電流控制電路、鎖相同步電路和換流器限流控制電路構(gòu)成；換流器監(jiān)視與保護模塊由具有監(jiān)視及保護功能的常規(guī)電路構(gòu)成；橋臂環(huán)流控制單元、換流器開關(guān)調(diào)制單元、電容電壓平衡控制單元、脈沖分配與觸發(fā)單元分別由常規(guī)技術(shù)的橋臂環(huán)流控制電路、換流器開關(guān)調(diào)制電路、電容電壓平衡控制電路、脈沖分配與觸發(fā)電路構(gòu)成，換流閥監(jiān)測與保護單元由常規(guī)技術(shù)的具有開關(guān)閥監(jiān)測與保護功能的電路構(gòu)成；功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元分別由常規(guī)技術(shù)的功率模塊觸發(fā)電路、旁路控制電路和狀態(tài)監(jiān)測電路構(gòu)成。
[0025]本實施例涉及的柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護方法，其特征在于:將柔性直流輸電換流站的控制保護系統(tǒng)設(shè)置成模塊化、分層分布式和開放式結(jié)構(gòu)，具體是將所述控制保護系統(tǒng)分為三個層次，按其功能由高至低依次為系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層；
[0026]I)系統(tǒng)及換流站級控制保護層，對柔性直流輸電系統(tǒng)的控制中心開放，接收柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)度端SCADA發(fā)送的有功、無功指令、系統(tǒng)運行方式指令及啟停控制指令，并根據(jù)接收調(diào)度端SCADA發(fā)來的指令對站內(nèi)的控制保護及輔助系統(tǒng)下發(fā)控制指令；
[0027]2)換流器級控制保護層，對系統(tǒng)及換流站級控制保護層開放，接受系統(tǒng)及換流站級控制保護的換流器控制模式指令，完成有功控制、無功控制和電流控制，生成各個換流閥控制電壓的調(diào)制波信號；
[0028]3)閥級及子模塊級控制保護層，對換流器級控制保護層開放，閥級控制保護層控制閥層子模塊投切的脈沖發(fā)生信號、模塊電容電壓平衡控制、橋臂環(huán)流控制，對子模塊的狀態(tài)進行監(jiān)測并上報至控制保護層的監(jiān)控單元；子模塊控制保護層實現(xiàn)子模塊單元的觸發(fā)、電容電壓檢測和子模塊狀態(tài)監(jiān)測，并將信息回報給閥控制單元。
[0029]進一步地，換流站級與系統(tǒng)級控制保護層包括如下功能模塊:
[0030]I)數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端連接柔性直流輸電系統(tǒng)的MU合并單元的輸出端，數(shù)據(jù)處理模塊的輸出端連接直流電壓控制模塊的輸入端、有功綜合控制模塊的輸入端和無功綜合控制模塊的輸入端；數(shù)據(jù)處理單元主要計算以下量:三相交流電壓正序有效值、分相交流電壓有效值幅值及其變化率、三相交流有功功率、三相交流無功功率；
[0031]2)控制模式選擇和切換，負(fù)責(zé)各種控制模式之間的管理和協(xié)調(diào)；其輸入信息由運行人員設(shè)定或狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)判斷的系統(tǒng)運行方式；
[0032]3)有功類和無功類處理單元，完成有功和無功的控制，將控制指令下發(fā)給換流器控制層。
[0033]進一步地，換流站級與系統(tǒng)級控制保護層接受及下發(fā)信號通過換流站級與系統(tǒng)級控制主機，與調(diào)度端及對側(cè)換流站的換流站級與系統(tǒng)級控制保護層主機通過專用光纖通信通道進行通信，下發(fā)換流器控制模式指令到換流器級控制保護層，兩者之間通過光纖通道連接，通信協(xié)議采用ffiC60044-8。
[0034]進一步地，換流器控制保護構(gòu)成換流站級與系統(tǒng)級控制保護層與閥級層的橋梁，換流器級控制對上與系統(tǒng)及站級控制功能耦合緊密、交互信號繁多，包括各種運行模式、運行指令值、電壓、電流切換信號、解閉鎖指令及狀態(tài)、交直流站控信號、交直流模擬量以及各種保護動作信號。
[0035]進一步地，多端柔性直流系統(tǒng)級控制與換流器控制增加站間協(xié)調(diào)信號。
[0036]進一步地，換流器級控制與閥級控制交互信號較少，主要包括電壓參考信號/電壓調(diào)制波、系統(tǒng)切換、跳閘信號。閥控設(shè)備是控制保護系統(tǒng)與換流閥的接口層，直接決定著換流閥的導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0037] 本實用新型通過一個系統(tǒng)、一個核心控制及就地接口連接構(gòu)成柔直換流站的控制保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成的分層的結(jié)構(gòu)層次少，層與層之間采用高速的通信協(xié)議及接口，提高控制保護的精度與速度。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括系統(tǒng)及換流站級控制保護層、換流器級控制保護層、閥級及子模塊級控制保護層； 系統(tǒng)及換流站級控制保護層由系統(tǒng)級控制部分和站級控制保護部分連接構(gòu)成，系統(tǒng)級控制部分由運行方式單元、控制模式單元、啟?？刂茊卧⒍喽讼到y(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊構(gòu)成，站級控制保護部分由交流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、直流現(xiàn)場設(shè)備控制單元、有功功率類控制模塊、無功功率類控制模塊、模式?jīng)Q策單元和換流站級監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成； 換流器級控制保護層由內(nèi)環(huán)電流控制單元、鎖相同步環(huán)節(jié)單元、換流器限流控制單元和換流器監(jiān)視與保護模塊構(gòu)成；換流器級控制保護層通過I/o通信端口與系統(tǒng)及換流站級控制保護層及通過I/o通信端口與閥級及子模塊級控制保護層連接； 閥級及子模塊級控制保護層分為若干個閥級及子模塊級控制保護模塊，每個閥級及子模塊級控制保護模塊由閥級控制部分和功率模塊級控制保護部分連接構(gòu)成；閥級控制部分由橋臂環(huán)流控制單元、換流器開關(guān)調(diào)制單元、電容電壓平衡控制單元、脈沖分配與觸發(fā)單元和換流閥監(jiān)測與保護單元構(gòu)成；功率模塊級控制保護部分由二組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)組成，每組監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)包括功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元；所述功率模塊觸發(fā)單元、旁路控制單元和狀態(tài)監(jiān)測單元通過光纖連接閥級控制部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護結(jié)構(gòu)，其特征在于:多端系統(tǒng)級監(jiān)視與協(xié)調(diào)控制模塊包括MU合并單元、數(shù)據(jù)處理單元和調(diào)度端SCADA，換流站級監(jiān)視與保護模塊包括對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元和I/O通信端口，模式?jīng)Q策單元包括通道選擇單元和控制模式選擇和切換單元；MU合并單元的信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的輸入端，數(shù)據(jù)處理單元具有三輸出端，每個輸出端各連接直流電壓控制單元的輸入端、有功綜合控制模塊的輸入端、無功綜合模塊的輸入端，有功綜合控制模塊為有功功率類控制模塊，無功綜合控制模塊為無功功率類控制模塊；運行方式單元的輸出端連接無功綜合控制模塊的輸入端和控制模式選擇和切換單元的輸入端，對側(cè)站系統(tǒng)級控制單元的輸出端、調(diào)度端SCADA的輸出端通過通道選擇單元連接系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線，I/O通信端口通過系統(tǒng)及換流站級控制保護層的總線連接控制模式選擇和切換單元的輸入端。
【文檔編號】H02J13/00GK203951269SQ201420332826
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月21日
【發(fā)明者】彭冠炎, 魯麗娟, 倫振堅, 施世鴻, 劉繼權(quán), 蔡田田, 朱海華, 賈紅舟, 陳冰 申請人:中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院