一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种柔性直流输电换流站的控制保护结构，其特征在于：包括系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层；系统及换流站级控制保护层由系统级控制部分和站级控制保护部分连接构成，换流器级控制保护层由内环电流控制单元、锁相同步环节单元、换流器限流控制单元和换流器监视与保护模块构成；换流器级控制保护层通过I/O通信端口与系统及换流站级控制保护层及通过I/O通信端口与阀级及子模块级控制保护层连接；阀级及子模块级控制保护层分为若干个阀级及子模块级控制保护模块，每个阀级及子模块级控制保护模块由阀级控制部分和功率模块级控制保护部分连接构成；本实用新型具有打破国外技术垄断、降低工程造价的有益效果。
【专利说明】一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构，属于柔性直流输送电及设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]海上风电电网消纳是海上风电建设中的一大难题,柔性直流输电基于电压源变流器和脉冲宽度调制技术将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现大型风电场与主网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。
[0003]目前世界上已投运的柔性直流输电工程均按照结构分层设计原则将控制保护系统划分为三层:运行人员控制层、控制保护层、接口层。其中控制保护层主要包括系统级控制及换流器级控制系统，系统级控制系统主要实现控制模式转换的功能，换流器级控制是控制保护层的核心，主要实现电流闭环控制、锁相以及调制波生成，同时实现换流阀快速保护功能。柔性直流输电控制系统是一个复杂的多输入多输出系统，为了提高其运行的可靠性，必须限制任一控制环节故障造成的影响。柔性直流换流站的控制保护系统的结构设计是否可靠关乎到整个换流站能否安全、可靠和高效运行。
[0004]ABB技术路线的控制保护层是系统级控制与换流器控制在同一主机合并设计，主要功能包括接收运行人员指令、有功功率控制、无功功率控制、直流电压控制、交流电压控制、顺序控制、电流闭环控制、锁相控制等功能。阀控设备接收控制保护层发送的换流阀导通的指令，控制换流阀的导通/关断。由ABB技术路线的分层结构可以看出系统级及换流器级控制合成一个主机。在工程的实施过程中必须由ABB公司的技术负责人进行指导，而且只能向ABB公司进行设备采购，存在技术壁垒，不利于开展竞争。柔性直流输电系统的控制保护设备需求日益增加，不能因为技术垄断受制于国外的厂家，影响工程投资及科研发展。
[0005]西门子技术路线的控制保护层是基于同一平台，系统级控制与换流器级控制分两个主机设计。统级控制负责与监控系统的接口(操作指令接收)、顺控操作及相关接地接口 ；换流器级控制实现核心控制保护功能，包括有功、无功控制、参考电压计算、电流电压平衡等。由西门子技术路线的分层结构可以看出系统级及换流器级控制分成两个主机。但是基于同一平台的设计，核心的技术同样掌握在同一个设备供货商上。存在与技术一同样的缺点。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的，是为了提供一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构。该控制保护结构将系统级及换流器级控制分成两个主机而且基于不同平台进行设计，不仅打破国外厂家技术垄断的地位，也更清晰划分控制保护系统的层次设计结构，提高控制保护的可靠性。
[0007]本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0008]一种柔性直流输电换流站的控制保护结构，其结构特点在于:包括系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层；
[0009]系统及换流站级控制保护层由系统级控制部分和站级控制保护部分连接构成，系统级控制部分由运行方式单元、控制模式单元、启停控制单元、多端系统级监视与协调控制模块构成，站级控制保护部分由交流现场设备控制单元、直流现场设备控制单元、有功功率类控制模块、无功功率类控制模块、模式决策单元和换流站级监视与保护模块构成；
[0010]换流器级控制保护层由内环电流控制单元、锁相同步环节单元、换流器限流控制单元和换流器监视与保护模块构成；换流器级控制保护层通过I/o通信端口与系统及换流站级控制保护层及通过I/o通信端口与阀级及子模块级控制保护层连接；
[0011]阀级及子模块级控制保护层分为若干个阀级及子模块级控制保护模块，每个阀级及子模块级控制保护模块由阀级控制部分和功率模块级控制保护部分连接构成；阀级控制部分由桥臂环流控制单元、换流器开关调制单元、电容电压平衡控制单元、脉冲分配与触发单元和换流阀监测与保护单元构成；功率模块级控制保护部分由二组监测控制结构组成，每组监测控制结构包括功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元；所述功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元通过光纤连接阀级控制部分。
[0012]本实用新型的目的还可以通过采取如下技术方案达到:
[0013]进一步地，多端系统级监视与协调控制模块包括MU合并单元、数据处理单元和调度端SCADA，换流站级监视与保护模块包括对侧站系统级控制单元和I/O通信端口，模式决策单元包括通道选择单元和控制模式选择和切换单元；MU合并单元的信号输出端连接数据处理单元的输入端，数据处理单元具有三输出端，每个输出端各连接直流电压控制单元的输入端、有功综合控制模块的输入端、无功综合模块的输入端，有功综合控制模块为有功功率类控制模块，无功综合控制模块为无功功率类控制模块；运行方式单元的输出端连接无功综合控制模块的输入端和控制模式选择和切换单元的输入端，对侧站系统级控制单元的输出端、调度端SCADA的输出端通过通道选择单元连接系统及换流站级控制保护层的总线，I/O通信端口通过系统及换流站级控制保护层的总线连接控制模式选择和切换单元的输入端。
[0014]本实用新型具有如下突出的有益效果:
[0015]1、本实用新型涉及的的柔性直流输电换流站的控制保护结构，其系统及站级控制保护层、换流器级控制保护层是基于不同平台的设计，将柔性直流输电换流站的控制保护系统设置成模块化、分层分布式和开放式结构，具体是将所述控制保护系统分为三个层次，按其功能由高至低依次为系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层，具有打破国外技术垄断、降低工程造价的有益效果。
[0016]2、本实用新型涉及的控制保护系统采用模块化、分层分布式、开放式结构。对软、硬件结构和分层进行优化设计，保证功能和系统各部分的负载分布合理，运行可靠，各子系统间独立，各层次之间的耦合关系尽量减少，避免某一部分的故障影响整个系统的运行。
[0017]3、本实用新型的控制保护各层次的接口清晰，三个层次均可以采用不同供货商的产品，各供货商可以发挥某一层控制保护的优势，制造最优的设备，提供柔性直流换流站的控制保护的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是柔性直流输电换流站的控制保护结构示意图。
[0019]图2是系统级及换流站级控制保护层结构示意图。
[0020]图3是本实用新型涉及的换流器控制保护层与各层的联系示意图。
【具体实施方式】
[0021]具体实施例1:
[0022]参照图1和图2，本实施例涉及的柔性直流输电换流站的控制保护结构，包括系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层；系统及换流站级控制保护层由系统级控制部分和站级控制保护部分连接构成，系统级控制部分由运行方式单元、控制模式单元、启停控制单元、多端系统级监视与协调控制模块构成，站级控制保护部分由交流现场设备控制单元、直流现场设备控制单元、有功功率类控制模块、无功功率类控制模块、模式决策单元和换流站级监视与保护模块构成；换流器级控制保护层由内环电流控制单元、锁相同步环节单元、换流器限流控制单元和换流器监视与保护模块构成；换流器级控制保护层通过I/o通信端口与系统及换流站级控制保护层及通过I/O通信端口与阀级及子模块级控制保护层连接；阀级及子模块级控制保护层分为若干个阀级及子模块级控制保护模块，每个阀级及子模块级控制保护模块由阀级控制部分和功率模块级控制保护部分连接构成；阀级控制部分由桥臂环流控制单元、换流器开关调制单元、电容电压平衡控制单元、脉冲分配与触发单元和换流阀监测与保护单元构成；功率模块级控制保护部分由二组监测控制结构组成，每组监测控制结构包括功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元；所述功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元通过光纤连接阀级控制部分。
[0023]本实施例中:多端系统级监视与协调控制模块包括MU合并单元、数据处理单元和调度端SCADA，换流站级监视与保护模块包括对侧站系统级控制单元和I/O通信端口，模式决策单元包括通道选择单元和控制模式选择和切换单元；MU合并单元的信号输出端连接数据处理单元的输入端，数据处理单元具有三输出端，每个输出端各连接直流电压控制单元的输入端、有功综合控制模块的输入端、无功综合模块的输入端，有功综合控制模块为有功功率类控制模块，无功综合控制模块为无功功率类控制模块；运行方式单元的输出端连接无功综合控制模块的输入端和控制模式选择和切换单元的输入端，对侧站系统级控制单元的输出端、调度端SCADA的输出端通过通道选择单元连接系统及换流站级控制保护层的总线，I/O通信端口通过系统及换流站级控制保护层的总线连接控制模式选择和切换单元的输入端。
[0024]运行方式单元、控制模式单元和启停控制单元由常规技术的功能电路构成，多端系统级监视与协调控制模块由常规技术的具有多路监测、调整和控制功能的电路构成，交流现场设备控制单元、直流现场设备控制单元由常规的交流设备控制电路、直流设备控制电路构成，有功功率类控制模块、无功功率类控制模块由常规技术的有功功率控制电路、无功功率控制电路构成，模式决策单元和换流站级监视与保护模块由常规技术的模式选择电路和换流站监视和控制电路构成；内环电流控制单元、锁相同步环节单元、换流器限流控制单元分别由常规技术的环路电流控制电路、锁相同步电路和换流器限流控制电路构成；换流器监视与保护模块由具有监视及保护功能的常规电路构成；桥臂环流控制单元、换流器开关调制单元、电容电压平衡控制单元、脉冲分配与触发单元分别由常规技术的桥臂环流控制电路、换流器开关调制电路、电容电压平衡控制电路、脉冲分配与触发电路构成，换流阀监测与保护单元由常规技术的具有开关阀监测与保护功能的电路构成；功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元分别由常规技术的功率模块触发电路、旁路控制电路和状态监测电路构成。
[0025]本实施例涉及的柔性直流输电系统换流站的控制保护方法，其特征在于:将柔性直流输电换流站的控制保护系统设置成模块化、分层分布式和开放式结构，具体是将所述控制保护系统分为三个层次，按其功能由高至低依次为系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层；
[0026]I)系统及换流站级控制保护层，对柔性直流输电系统的控制中心开放，接收柔性直流输电系统的调度端SCADA发送的有功、无功指令、系统运行方式指令及启停控制指令，并根据接收调度端SCADA发来的指令对站内的控制保护及辅助系统下发控制指令；
[0027]2)换流器级控制保护层，对系统及换流站级控制保护层开放，接受系统及换流站级控制保护的换流器控制模式指令，完成有功控制、无功控制和电流控制，生成各个换流阀控制电压的调制波信号；
[0028]3)阀级及子模块级控制保护层，对换流器级控制保护层开放，阀级控制保护层控制阀层子模块投切的脉冲发生信号、模块电容电压平衡控制、桥臂环流控制，对子模块的状态进行监测并上报至控制保护层的监控单元；子模块控制保护层实现子模块单元的触发、电容电压检测和子模块状态监测，并将信息回报给阀控制单元。
[0029]进一步地，换流站级与系统级控制保护层包括如下功能模块:
[0030]I)数据处理模块，数据处理模块的输入端连接柔性直流输电系统的MU合并单元的输出端，数据处理模块的输出端连接直流电压控制模块的输入端、有功综合控制模块的输入端和无功综合控制模块的输入端；数据处理单元主要计算以下量:三相交流电压正序有效值、分相交流电压有效值幅值及其变化率、三相交流有功功率、三相交流无功功率；
[0031]2)控制模式选择和切换，负责各种控制模式之间的管理和协调；其输入信息由运行人员设定或状态监测装置系统判断的系统运行方式；
[0032]3)有功类和无功类处理单元，完成有功和无功的控制，将控制指令下发给换流器控制层。
[0033]进一步地，换流站级与系统级控制保护层接受及下发信号通过换流站级与系统级控制主机，与调度端及对侧换流站的换流站级与系统级控制保护层主机通过专用光纤通信通道进行通信，下发换流器控制模式指令到换流器级控制保护层，两者之间通过光纤通道连接，通信协议采用ffiC60044-8。
[0034]进一步地，换流器控制保护构成换流站级与系统级控制保护层与阀级层的桥梁，换流器级控制对上与系统及站级控制功能耦合紧密、交互信号繁多，包括各种运行模式、运行指令值、电压、电流切换信号、解闭锁指令及状态、交直流站控信号、交直流模拟量以及各种保护动作信号。
[0035]进一步地，多端柔性直流系统级控制与换流器控制增加站间协调信号。
[0036]进一步地，换流器级控制与阀级控制交互信号较少，主要包括电压参考信号/电压调制波、系统切换、跳闸信号。阀控设备是控制保护系统与换流阀的接口层，直接决定着换流阀的导通与关断。
[0037] 本实用新型通过一个系统、一个核心控制及就地接口连接构成柔直换流站的控制保护系统结构，形成的分层的结构层次少，层与层之间采用高速的通信协议及接口，提高控制保护的精度与速度。
【权利要求】
1.一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构，其特征在于:包括系统及换流站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级及子模块级控制保护层； 系统及换流站级控制保护层由系统级控制部分和站级控制保护部分连接构成，系统级控制部分由运行方式单元、控制模式单元、启停控制单元、多端系统级监视与协调控制模块构成，站级控制保护部分由交流现场设备控制单元、直流现场设备控制单元、有功功率类控制模块、无功功率类控制模块、模式决策单元和换流站级监视与保护模块构成； 换流器级控制保护层由内环电流控制单元、锁相同步环节单元、换流器限流控制单元和换流器监视与保护模块构成；换流器级控制保护层通过I/o通信端口与系统及换流站级控制保护层及通过I/o通信端口与阀级及子模块级控制保护层连接； 阀级及子模块级控制保护层分为若干个阀级及子模块级控制保护模块，每个阀级及子模块级控制保护模块由阀级控制部分和功率模块级控制保护部分连接构成；阀级控制部分由桥臂环流控制单元、换流器开关调制单元、电容电压平衡控制单元、脉冲分配与触发单元和换流阀监测与保护单元构成；功率模块级控制保护部分由二组监测控制结构组成，每组监测控制结构包括功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元；所述功率模块触发单元、旁路控制单元和状态监测单元通过光纤连接阀级控制部分。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统换流站的控制保护结构，其特征在于:多端系统级监视与协调控制模块包括MU合并单元、数据处理单元和调度端SCADA，换流站级监视与保护模块包括对侧站系统级控制单元和I/O通信端口，模式决策单元包括通道选择单元和控制模式选择和切换单元；MU合并单元的信号输出端连接数据处理单元的输入端，数据处理单元具有三输出端，每个输出端各连接直流电压控制单元的输入端、有功综合控制模块的输入端、无功综合模块的输入端，有功综合控制模块为有功功率类控制模块，无功综合控制模块为无功功率类控制模块；运行方式单元的输出端连接无功综合控制模块的输入端和控制模式选择和切换单元的输入端，对侧站系统级控制单元的输出端、调度端SCADA的输出端通过通道选择单元连接系统及换流站级控制保护层的总线，I/O通信端口通过系统及换流站级控制保护层的总线连接控制模式选择和切换单元的输入端。
【文档编号】H02J13/00GK203951269SQ201420332826
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月21日 优先权日:2014年6月21日
【发明者】彭冠炎, 鲁丽娟, 伦振坚, 施世鸿, 刘继权, 蔡田田, 朱海华, 贾红舟, 陈冰 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院