本發(fā)明涉及新能源風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體來說，涉及風(fēng)力發(fā)電廠的黑啟動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)互聯(lián)及遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量機(jī)組、超高壓設(shè)備、電力電子裝置以及分布式發(fā)電技術(shù)等在電力系統(tǒng)中大量引入，加上電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為變得越來越復(fù)雜，運(yùn)行條件要求更苛刻、更難預(yù)測，大大增加了由局部故障所引發(fā)電力災(zāi)難的風(fēng)險(xiǎn)。在電網(wǎng)發(fā)生大面積停電情況下，要求能夠快速恢復(fù)電源，如果不能夠在短時(shí)間之內(nèi)恢復(fù)供電，將使國民經(jīng)濟(jì)遭受巨大損失。

黑啟動(dòng)(blackstart)是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別的系統(tǒng)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組的啟動(dòng)帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)供電范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)的過程。

黑啟動(dòng)的背景是系統(tǒng)全部停電或大面積停電，即系統(tǒng)處于嚴(yán)重事故狀態(tài)，黑啟動(dòng)過程是恢復(fù)過程的一種極端情況，它將涉及系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)電、輸電和配電的各個(gè)環(huán)節(jié)。如何在系統(tǒng)大面積停電之后安全并快速地完成系統(tǒng)重建，一直以來都是電力工業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題，因此，黑啟動(dòng)技術(shù)的研究對于極端情況下的系統(tǒng)恢復(fù)具有重要的意義。

風(fēng)力發(fā)電作為清潔可循環(huán)的新能源，我國一直在積極推廣其應(yīng)用。截止2014年12月，我國的風(fēng)力發(fā)電總量達(dá)到6273萬千瓦，排在首位；2、3位分別是美國4691萬千瓦和德國2991萬千瓦。因此研究風(fēng)電場的黑啟動(dòng)系統(tǒng)對我國的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)來說具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，黑啟動(dòng)過程中，需要對風(fēng)電場出力是否能滿足其作為黑啟動(dòng)電源條件進(jìn)行預(yù)估、黑啟動(dòng)過程中重要節(jié)點(diǎn)電壓頻率和幅值的波動(dòng)是否超出穩(wěn)定范圍進(jìn)行監(jiān)測、進(jìn)行大規(guī)模且高頻率的潮流計(jì)算、對各個(gè)電源出力要進(jìn)行調(diào)度、成百上千個(gè)斷路器進(jìn)行跳合閘操作。

技術(shù)方案：一種風(fēng)電場黑啟動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電源模塊、交流變換模塊、交流濾波模塊、中央處理系統(tǒng)、通訊處理模塊、開入光隔離模塊、中央信號及啟動(dòng)模塊、出口輸出模塊、人機(jī)界面處理模塊、背板，所述電源模塊用于將220/110v的轉(zhuǎn)換成+5v、+24v的電壓，給其他模塊供電；所述交流變換用于將交流模擬量轉(zhuǎn)變成ad輸入范圍內(nèi)的電壓信號，交流濾波模塊用于對模擬量進(jìn)行處理；所述中央處理系統(tǒng)接收交流濾波模塊、通信處理模塊和開入光隔離模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息；所述通信處理模塊用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和后天監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換；所述開入光隔離插件用以輸入弱電開入，所述中央信號及啟動(dòng)模塊用以完成中央信號的輸出和啟動(dòng)信號的輸出功能；出口輸出插件用于完成信號的輸出功能；所述人機(jī)界面處理模塊用于人與機(jī)器之間的交互，背板連接了各功能模塊。

進(jìn)一步的，所述交流濾波模塊對模擬量進(jìn)行的處理包括濾除高頻信號，電平調(diào)整。

進(jìn)一步的，所述人機(jī)界面處理模塊包括觸摸屏、鍵盤、狀態(tài)指示燈和調(diào)試口。

進(jìn)一步的，所述中央處理系統(tǒng)包括多片arm架構(gòu)和多片fpga高速邏輯芯片。

有益效果：

風(fēng)電場黑啟動(dòng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、開放性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不同功能的要求和電網(wǎng)發(fā)展的需要；本系統(tǒng)具有完善的防止誤動(dòng)與拒動(dòng)的各項(xiàng)措施、異常告警等功能，很強(qiáng)的抗干擾性能，確保動(dòng)作的可靠性；同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)主cpu采用多片arm9架構(gòu)的32位處理機(jī)及多片fpga高速邏輯芯片，使得它速度更快，硬件上采用16位a/d轉(zhuǎn)換芯片，不僅采樣精度提高，采樣速度也更快，并且具有大容量存儲(chǔ)設(shè)備，可以記錄大量數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是交流變換模塊原理圖；

圖3是方案1系統(tǒng)圖；

圖4是方案2系統(tǒng)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明的風(fēng)電場黑啟動(dòng)測控系統(tǒng)用于永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組作為電源的黑啟動(dòng)現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測、控制和保護(hù)，該系統(tǒng)通過采集電壓、電流、頻率、本地?cái)嗦菲魑恢脿顟B(tài)量，并可與遠(yuǎn)方裝置通信，獲取風(fēng)電機(jī)組本身工作狀態(tài)信息輔助完成風(fēng)電場黑啟動(dòng)。

本發(fā)明的一種風(fēng)電場黑啟動(dòng)系統(tǒng)，包括電源模塊、交流變換模塊、交流濾波模塊、中央處理系統(tǒng)、通訊處理模塊、開入光隔離模塊、中央信號及啟動(dòng)模塊、出口輸出模塊、人機(jī)界面處理模塊、背板，所述電源模塊用于將220/110v的轉(zhuǎn)換成+5v、+24v的電壓，給其他模塊供電；所述交流變換用于將交流模擬量轉(zhuǎn)變成ad輸入范圍內(nèi)的電壓信號，交流濾波模塊用于對12路模擬量進(jìn)行處理；所述中央處理系統(tǒng)接收交流濾波模塊、通信處理模塊和開入光隔離模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息；所述通信處理模塊用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和后天監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換；所述開入光隔離插件用以輸入弱電開入，所述中央信號及啟動(dòng)模塊用以完成中央信號的輸出和啟動(dòng)信號的輸出功能；出口輸出插件用于完成信號的輸出功能；所述人機(jī)界面處理模塊用于人與機(jī)器之間的交互，背板連接了各功能模塊。

各模塊功能具體說明如下：

1)電源模塊

電源插件將外部直流220/110v電源經(jīng)抗干擾電、電源開關(guān)至內(nèi)部dc/dc轉(zhuǎn)換器，輸出+5v，+24v的繼電器電源通過背板給其他模塊供電，另外通過背部接線端子引出24v電源，與內(nèi)部24v隔離用于脈沖對時(shí)。

2)交流變換模塊

該模塊最多可以將12路工頻交流模擬量，電壓或電流信號轉(zhuǎn)變成在ad輸入范圍內(nèi)的電壓信號，電壓和電流可以任意組合。針對電壓輸入回路，專門增加了抗干擾電容和磁環(huán)，提高了抗干擾能力。

由于交流頭上的pt和ct可以任意配置，實(shí)際工程中pt和ct的個(gè)數(shù)不盡相同，位置也不完全相同，因此此模塊的外部接線不固定，參考具體工程圖紙。

3)交流濾波模塊

本模塊可以對12路模擬量進(jìn)行處理，其主要作用是：

a.濾除高頻信號；

b.電平調(diào)整；

c.ad采樣；

d.計(jì)算電流、電壓有效值；

e.計(jì)算有功功率、無功功率、功率因數(shù)角、相角；

f.錄波。

本模塊通過2路rs485與中央處理插件進(jìn)行通信。

4)中央處理系統(tǒng)

接收交流濾波模塊、通訊處理模塊和開入模塊上送的數(shù)據(jù)和信息，綜合開入等信息，邏輯判斷確定中央信號及跳閘信號并發(fā)送跳閘命令給出口模件。通過2路光纖通道，與系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)，與通訊處理模件交換人機(jī)界面和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過對外調(diào)試minusb口，可進(jìn)行邏輯測試和軟件下載。同時(shí)還有1路對時(shí)rs485接口，1路高速脈沖對時(shí)開入。

5)通信處理模塊

本模塊具有3路隔離rs485，2路隔離rs232，2路10m/100m以太網(wǎng)rj45接口，1對外調(diào)試miniusb口，1對備用gps對時(shí)接口。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與后臺(tái)監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換，打印控制等功能，同時(shí)也是人機(jī)交互模塊與中央處理模塊之間的橋梁。

6)開入光隔離模塊

本模塊使用cpld和mcu。通過cpld，完成輸入20路24v弱電開入，輸出2路單方向rs485，送給中央處理模塊的功能，mcu同時(shí)通過1路rs485和一路can與中央處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，驗(yàn)證和板級的自校驗(yàn)。

7)中央信號及啟動(dòng)模塊

通過cpld，及中央處理模塊輸出的2路單方向rs485，完成4路中央信號的輸出，每路提供兩對空接點(diǎn)和1路啟動(dòng)信號的輸出的功能，mcu同時(shí)通過1路rs485和一路can與中央處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，驗(yàn)證和板級的自校驗(yàn)。

8)出口輸出模塊

通過cpld，及中央處理模塊輸出的2路單方向rs485，完成5路開出信號的輸出的功能，被啟動(dòng)控制正電源，mcu同時(shí)通過1路rs485和一路can與中央處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，驗(yàn)證和板級的自校驗(yàn)。

9)人機(jī)界面處理模塊

人機(jī)界面處理插件，主要由觸摸屏，鍵盤及狀態(tài)指示燈和調(diào)試口幾部分組成，方便人和機(jī)器之間的交互。

10)背板

背板連接了各個(gè)功能插件，是各模件之間的橋梁。

本發(fā)明系統(tǒng)定值包括了裝置參數(shù)，控制定值，出口組態(tài)。其中系統(tǒng)參數(shù)定值只有1套，控制定值和出口組態(tài)具可由具備權(quán)限的用戶通過觸摸屏進(jìn)行重新整定。

系統(tǒng)在就地操作時(shí)，通過前面板的液晶以菜單方式進(jìn)行人機(jī)交互，顯示系統(tǒng)的測量結(jié)果、定值、事件記錄、數(shù)據(jù)記錄、動(dòng)作情況等。系統(tǒng)加電或復(fù)位后自動(dòng)進(jìn)入主菜單，直接觸摸hmi屏幕完成操作。定值修改操作，在主菜單界面點(diǎn)擊定值設(shè)置，根據(jù)試驗(yàn)需要修改定值，檢查定值修改是否正確無誤，修改完畢后，返回試驗(yàn)菜單。黑啟動(dòng)試驗(yàn)，風(fēng)電場黑啟動(dòng)試驗(yàn)分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種。無論哪種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑枰劝凑赵囼?yàn)方案完成外部接線，定值整定。自動(dòng)模式下，直接點(diǎn)擊啟動(dòng)即可。手動(dòng)模式下根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行操作。事件或數(shù)據(jù)記錄查詢操作，系統(tǒng)記錄的動(dòng)作事件和動(dòng)作錄波數(shù)據(jù)是掉電不丟失的，可以在任意時(shí)間被查詢。事件記錄中記錄了系統(tǒng)動(dòng)作的絕對時(shí)間，相對時(shí)間，動(dòng)作類型，動(dòng)作時(shí)各模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)對安全穩(wěn)定控制裝置將采取完善的防止誤動(dòng)與拒動(dòng)的各項(xiàng)措施、異常告警等功能，很強(qiáng)的抗干擾性能，確保裝置動(dòng)作的可靠性。

a)對于共電源的各功能板之間的電源連接部分都采用電容解耦電路；

b)防止脈沖干擾進(jìn)入微機(jī)回路或高次諧波對采樣正確性的影響，除在交流輸入端加抗干擾端子外，系統(tǒng)的交流模擬輸入回路均設(shè)有低通濾波回路，濾除三次以上的高次諧波分量；

c)為防止輸入回路和采樣回路出錯(cuò)，除采用軟件上冗余處理外，還采用物理量的計(jì)算結(jié)果，比如功率總)進(jìn)行校對。同時(shí)軟件具有內(nèi)部回路自診斷功能，當(dāng)內(nèi)部回路故障時(shí)，可有效閉鎖出口；

d)任一故障的判斷和決策都采用多個(gè)不同的條件，多重閉鎖或三取二表決機(jī)制決定系統(tǒng)的動(dòng)作行為，有效防止誤動(dòng)；

e)采用硬件閉鎖措施，使啟動(dòng)繼電器和出口繼電器完全獨(dú)立，并且構(gòu)成邏輯“與”關(guān)系。在發(fā)生故障時(shí)，只有啟動(dòng)繼電器動(dòng)作后開放出口繼電器閉鎖，有效防止誤動(dòng)；

f)具有快速自復(fù)位功能，如果遇到強(qiáng)干擾使cpu“走死”，硬件自復(fù)位電路能保證在10ms之內(nèi)cpu完全恢復(fù)正常運(yùn)行，對事故的判斷和決策幾乎沒有影響；

g)所有從系統(tǒng)以外引入的開關(guān)量，均先經(jīng)過110v/220v直流強(qiáng)電回路繼電器隔離，再經(jīng)光電隔離后才輸入微機(jī)回路，即雙重隔離措施；

h)系統(tǒng)的出口動(dòng)作回路配有磁保持和電流保持繼電器；

i)具有pt斷線、ct開路、直流消失、通道異常、自檢異常等告警功能；

j)設(shè)定定值時(shí)能自動(dòng)閉鎖出口，進(jìn)行自檢時(shí)必需輸入正確的密碼才有效，可以有效防止誤操作；

k)出廠前進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)和抗干擾試驗(yàn)；

本系統(tǒng)對輸入的三相交流電壓ua、ub、uc和三相交流電流ia、ib、ic進(jìn)行采樣，采樣周期為0.833ms，即一個(gè)工頻周期采樣24點(diǎn)。頻率變化率均采用100ms的周期(數(shù)據(jù)窗)連續(xù)進(jìn)行；電壓變化率采用40ms的周期(數(shù)據(jù)窗)。公式如下：

du/dt≌10·[uk－u(k-0.04”)]％un/s

df/dt≌10·[fk－f(k-0.1”)]hz/s

再對三相有功功率進(jìn)行計(jì)算

將上述計(jì)算有功功率公式中的電壓移相90度，則無功算法為：

本系統(tǒng)運(yùn)行判據(jù)主要有基本電氣量、斷路器開關(guān)量和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)共3個(gè)方面。在運(yùn)行進(jìn)行每一步判斷時(shí)，電氣量(電壓、電流、頻率、功率)需滿足各自步驟下預(yù)設(shè)額定值的百分比時(shí)，認(rèn)為該步驟下電氣量判據(jù)合格。執(zhí)行每一操作，對所有斷路器，預(yù)設(shè)需要閉合的斷路器閉合，不屬于預(yù)設(shè)閉合的斷路器斷開，認(rèn)為該步驟下斷路器狀態(tài)判據(jù)合格。同理，在每一執(zhí)行步驟下，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的判據(jù)也是唯一滿足的。只有當(dāng)上述3個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足時(shí)，方可執(zhí)行該步驟。

本發(fā)明給出了具體兩種方案，表1和表2分別為方案1和方案2的系統(tǒng)圖，表1的具體操作步驟對應(yīng)圖3，表2的具體操作步驟對應(yīng)圖4。

表1方案1操作步驟

為防止勵(lì)磁涌流、高次諧波、諧振等異常情況下引起誤動(dòng)作，可采取如下采取以下方案2，啟動(dòng)步驟如表中所示。

表2方案2操作步驟

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。