一种晶闸管结温在线监测装置的制作方法

本发明涉及一种监测装置，具体涉及一种晶闸管结温在线监测装置。

背景技术：

晶闸管结温是指晶闸管中PN结的工作温度。不论是在正常还是在过负荷的情况下，晶闸管的结温都不能超过其最高结温，否则晶闸管会在没有门极触发信号的情况下误导通，或者因过热而使晶闸管的PN结发生不可恢复的热击穿。晶闸管作为高压直流输电(HVDC)换流阀实现自身功能的最核心元件，其主要的电气参数如正向耐压、反向耐压、反向恢复电荷等都与晶闸管的结温直接相关，其运行的好坏直接影响到整个换流阀运行的稳定性和可靠性，也同时直接反映在晶闸管的结温上。

高压直流输电(HVDC)换流阀在实际运行工况中，晶闸管结温每升高10℃，换流阀的故障率就会翻一倍。晶闸管结温的实时变化对换流阀串联均压机制、内外部过电压、过电流和控制保护策略等方面起着决定性作用。通过对运行晶闸管结温的动态监测，可以为换流阀过热保护提供更科学的、准确的判断依据，及时进行运行调整，降低换流阀闭锁停运风险。

目前，国内已投运的高压直流换流中，对应换流阀阀塔晶闸管结温的监测，主要是通过直接测量法实现。直接测量法，即是用红外线测温仪直接测量晶闸管结温，但是由于换流阀内的晶闸管高度集成且结构紧凑，运行人员只能通过巡视走廊进行远程监测，由于角度等问题，无法实现全面的、全天候的，准确的结温监测。因此，急需提供一种准确、可靠的晶闸管结温实时在线监测方法，来替代传统的红外测温监测方法，为换流阀的过热保护提供准确科学的输入变量，降低换流阀过热闭锁停运的风险。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种晶闸管结温在线监测装置，实现对高压直流输电换流阀本体内全部晶闸管进行更加准确的实时在线监测，从而获得高压直流输电换流阀过热保护的实时判据，提高高压直流输电系统的运行可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种晶闸管结温在线监测装置，所述装置包括控制保护系统、就地操作系统、后台系统、水冷系统和智能监测控制机箱；所述控制保护系统、就地操作系统、后台系统均通过通信总线连接智能监测控制机箱，所述水冷系统通过光纤连接智能监测控制机箱；

所述控制保护系统为智能监测控制机箱提供晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)，同时接收来自于智能监测控制机箱的晶闸管结温T_j；

所述就地操作系统在高压直流输电系统运行前期将晶闸管的物理特性参数传输给智能监测控制机箱；

所述水冷系统将水冷系统的进水温度T_进和出水温度T_出实时传输给智能监测控制机箱；

所述后台系统接收智能监测控制机箱传输的晶闸管结温T_j，实现晶闸管结温T_j的在线监测。

所述控制保护系统、就地操作系统和后台系统均以eTDM的通信方式与智能监测控制机箱进行通信。

所述水冷系统以HDLD的通信方式与智能监测控制机箱进行通信。

所述智能监测控制机箱包括光电转换模块、矩阵建模模块、耦合运算模块、迭代运算模块和总线通信模块，总线通信模块包括第一总线通信模块、第二总线通信模块、第三总线通信模块。

所述控制保护系统、就地操作系统、水冷系统分别通过第一总线通信模块、第三总线通信模块、光电转换模块连接矩阵建模模块；所述后台系统通过第二总线通信模块连接迭代运算模块。

所述水冷系统过通过光信号将T_进和T_出传输给光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换为电信号，并将电信号传输给矩阵建模模块。

所述控制保护系统通过第一总线通信模块将晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)传输给矩阵建模模块，所述矩阵建模模块同时将晶闸管结温T_j和判断结果传输给控制保护系统。

所述就地操作系统通过第三总线通信模块将晶闸管的物理特性参数传输给矩阵建模模块，所述矩阵建模模块根据接收的晶闸管的物理特性参数生成晶闸管暂态热阻抗曲线，同时根据接收到来自控制保护系统的晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)，建立晶闸管结温归算矩阵，并将晶闸管结温归算矩阵同时传递给耦合运算模块和迭代运算模块进行耦合运算和迭代运算，通过耦合运算模块和迭代运算模块的结合，完成对晶闸管结温的模拟计算；迭代运算模块对晶闸管结温进行判断，得到判断结果，同时迭代运算模块将晶闸管结温T_j和判断结果通过第二总线通信模块传输给后台系统。

根据所述晶闸管暂态热阻抗曲线得到晶闸管的热阻抗，有：

其中，Z_thJC(t)为晶闸管的热阻抗，i为晶闸管的物理特性参数代号，i＝1,2，…，N，N为晶闸管的物理特性参数个数，R_i为热阻，t为时间，τ_i为衰减时间系数。

根据Z_thJC(t)得到晶闸管结温T_j，有：

T_j＝P(t)Z_thJC(t)+T_k＝U(t)I(t)Z_thJC(t)+T_k

其中，P(t)为晶闸管的实时功耗；T_k为晶闸管冷却水的平均实时温度，且U(t)表示为：

其中，A、B、C、D均为常数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1)本发明提供的晶闸管结温在线监测装置设置有控制保护系统、就地操作系统、后台系统、水冷系统和智能监测控制机箱；控制保护系统、就地操作系统、后台系统均通过通信总线连接智能监测控制机箱，水冷系统通过光纤连接智能监测控制机箱；控制保护系统为智能监测控制机箱提供晶闸管的端电压和流经晶闸管的电流，同时接收来自于智能监测控制机箱的晶闸管结温；就地操作系统在高压直流输电系统运行前期将晶闸管的物理特性参数传输给智能监测控制机箱；水冷系统将水冷系统的进水温度和出水温度实时传输给智能监测控制机箱；后台系统接收智能监测控制机箱传输的晶闸管结温，最终实现晶闸管结温的在线监测。

2)本发明通过建立整个换流阀阀塔全部晶闸管级的热阻抗曲线模型，可以实现对换流阀阀塔全部晶闸管结温的监测，为换流阀过热保护提供完善的判据。

3)本发明基于热阻抗仿真建模原理，将晶闸管实时冷却平均水温、流经电流、端电压作为模型输入条件，模拟计算结果更加接近与晶闸管结温实际值，为换流阀过热保护提供更科学准确的判据。

4)本发明通过信息汇总传递和结温计算两个个环节，将自动化结温监测替代传统的人工不准确的结温监测方法，提高了换流站运维工作的准确性和运维效率。

附图说明

图1是本发明实施例中晶闸管结温在线监测装置结构图；

图2是本发明实施例中智能监测控制机箱结构图；

图3是本发明实施例中晶闸管级稳态热阻分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种晶闸管结温在线监测装置，如图1所示，所述装置包括控制保护系统、就地操作系统、后台系统、水冷系统和智能监测控制机箱；所述控制保护系统、就地操作系统、后台系统均通过通信总线连接智能监测控制机箱，所述水冷系统通过光纤连接智能监测控制机箱；

所述控制保护系统为智能监测控制机箱提供晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)，同时接收来自于智能监测控制机箱的晶闸管结温T_j；

所述就地操作系统在高压直流输电系统运行前期将晶闸管的物理特性参数传输给智能监测控制机箱；

所述水冷系统将水冷系统的进水温度T_进和出水温度T_出实时传输给智能监测控制机箱；

所述后台系统接收智能监测控制机箱传输的晶闸管结温T_j，实现晶闸管结温T_j的在线监测。

所述控制保护系统、就地操作系统和后台系统均以eTDM的通信方式与智能监测控制机箱进行通信。

所述水冷系统以HDLD的通信方式与智能监测控制机箱进行通信。

如图2所示，所述智能监测控制机箱包括光电转换模块、矩阵建模模块、耦合运算模块、迭代运算模块和总线通信模块，总线通信模块包括第一总线通信模块、第二总线通信模块、第三总线通信模块。

所述控制保护系统、就地操作系统、水冷系统分别通过第一总线通信模块、第三总线通信模块、光电转换模块连接矩阵建模模块；所述后台系统通过第二总线通信模块连接迭代运算模块。

所述水冷系统过通过光信号将T_进和T_出传输给光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换为电信号，并将电信号传输给矩阵建模模块。

所述控制保护系统通过第一总线通信模块将晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)传输给矩阵建模模块，所述矩阵建模模块同时将晶闸管结温T_j和判断结果传输给控制保护系统。

所述就地操作系统通过第三总线通信模块将晶闸管的物理特性参数传输给矩阵建模模块，所述矩阵建模模块根据接收的晶闸管的物理特性参数生成晶闸管暂态热阻抗曲线，同时根据接收到来自控制保护系统的晶闸管的端电压U(t)和流经晶闸管的电流I(t)，建立晶闸管结温归算矩阵，并将晶闸管结温归算矩阵同时传递给耦合运算模块和迭代运算模块进行耦合运算和迭代运算，通过耦合运算模块和迭代运算模块的结合，完成对晶闸管结温的模拟计算；迭代运算模块对晶闸管结温进行判断，得到判断结果，同时迭代运算模块将晶闸管结温T_j和判断结果通过第二总线通信模块传输给后台系统。

晶闸管包括晶闸管元件、硅片、铜片和散热器；

晶闸管的物理特性参数包括晶闸管元件热阻、晶闸管元件与硅片的接触热阻、硅片热阻、硅片与铜片的接触热阻、铜片热阻、铜片与散热器的接触热阻、散热器热阻。

如图3，晶闸管的热阻抗Z_thJC(t)为晶闸管元件热阻r_t、晶闸管元件与硅片的接触热阻r_t-Si、硅片热阻r_Si、硅片与铜片的接触热阻r_Si-Cu、铜片热阻r_Cu、铜片与散热器的接触热阻r_Cu-r、散热器热阻r_r的总热阻抗。根据所述晶闸管暂态热阻抗曲线得到晶闸管的热阻抗，有：

其中，Z_thJC(t)为晶闸管的热阻抗，i为晶闸管的物理特性参数代号，i＝1,2，…，7，R_i为热阻(其为晶闸管元件热阻、晶闸管元件与硅片的接触热阻、硅片热阻、硅片与铜片的接触热阻、铜片热阻、铜片与散热器的接触热阻或散热器热阻)，t为时间，τ_i为衰减时间系数。

根据Z_thJC(t)得到晶闸管结温T_j，有：

T_j＝P(t)Z_thJc(t)+T_k＝U(t)I(t)Z_thJC(t)+T_k

其中，P(t)为晶闸管的实时功耗；T_k为晶闸管冷却水的平均实时温度，且U(t)表示为：

其中，A、B、C、D均为常数，不同厂家系数不同。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。