一种柔性直流输电系统用的冗余切换系统的制作方法

本发明涉及一种用于实现柔性直流输电工程中极控、站控系统的冗余切换功能的冗余切换系统，属于直流输电技术领域。

背景技术：

柔性直流输电系统中，为保证该系统的正常运行，通常采取多通道冗余配置的方式，如采用独立的双冗余系统。正常运行时，一套作为主系统，另一套作为从系统(热备用系统)，当主系统出现故障时，可迅速切换到热备用系统，实现无延时切换。

现有柔性直流输电系统的主系统和从系统分别包括控制保护系统和换流阀控制系统，当主、从系统中某一系统故障或检测到换流阀严重故障时，由控制保护系统完成主、从系统之间的切换工作，保证柔性直流输电系统的正常运行。但是，此时若控制保护系统出现故障，则无法完成主、从系统之间的切换工作，进而导致柔性直流输电系统无法正常工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统用的冗余切换系统，用以解决现有柔性直流输电系统会因控制保护系统出现故障无法完成主、从系统切换，系统运行可靠性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性直流输电系统用的冗余切换系统，包括两套冗余切换装置：第一冗余切换装置和第二冗余切换装置；每套冗余切换装置包括：对应冗余切换装置的状态与门输出信号、另一个冗余切换装置的状态与门输出信号取反和禁止切换信号取与，作为对应触发器的一个输入；对应冗余切换装置的状态与门输出信号取反、另一个冗余切换装置的状态与门输出信号和禁止切换信号取与，作为对应触发器的另一个输入；一套冗余切换装置对应触发器的两个输出端与另一套冗余切换装置对应触发器的两个输出端进行逻辑或操作后分别用于输出两套冗余切换装置的主从状态信号；其中，每套冗余切换装置的状态与门输入信号包括其对应控制保护系统的状态量信号与阀控系统状态量信号。

本发明的有益效果是：提供一种专用的冗余切换系统替代控制保护系统实现柔性直流输电系统中主、从系统之间的切换工作，当控制保护系统出现故障时，柔性直流输电系统中主、从系统的切换工作仍可以完成，提高了柔性直流输电系统的运行可靠性。

为了提高主、从系统切换的快速性，作为对上述柔性直流输电系统用的冗余切换系统的一种改进，所述两套冗余切换装置由fpga实现。

作为对上述柔性直流输电系统用的冗余切换系统的另一种改进，所述控制保护系统的状态量信号包括电源ok信号、硬件ok信号、软件ok信号，所述阀控系统状态量信号包括vbe_ok信号。

作为对上述柔性直流输电系统用的冗余切换系统的又一种改进，所述触发器为rs触发器。

rs触发器的使用能够有效避免系统同主或同从现象的产生。

作为对上述柔性直流输电系统用的冗余切换系统的再一种改进，所述冗余切换系统和所述控制保护系统的电源相互独立。

由于冗余切换系统和控制保护系统的电源相互独立，因此当控制保护系统出现故障时，冗余切换系统仍可以完成柔性直流输电系统中主、从系统的切换工作，从而最大程度地保证其正常运行。

附图说明

图1是本发明的冗余切换系统、控制保护系统和阀控系统之间的信号传输示意图；

图2是本发明的冗余切换系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

结合图1，本发明的冗余切换系统如虚线框内所示，包括互为备用的第一冗余切换装置a和第二冗余切换装置b；阀控系统包括互为备用的第一换流阀控制系统a和第二换流阀控制系统b；控制保护系统包括互为备用的第一控制保护系统a和第二控制保护系统b。

其中，第一控制保护系统a、第一冗余切换装置a和第一换流阀控制系统a组成一套独立的系统(以下简称a系统)；第二控制保护系统b、第二冗余切换装置b和第二换流阀控制系统b组成一套独立的系统(以下简称b系统)；正常运行时，其中一套为主系统，另一套为从系统(热备用系统)。

下面详细介绍a、b系统之间的信号传输。

如图1所示，第一冗余切换装置a不仅采集第一控制保护系统a的状态量信号和第一换流阀控制系统a的状态量信号(即其所在系统的状态量信号)，还通过冗余切换装置之间的互联信号，接收第二控制保护系统b的状态量信号和第二换流阀控制系统b的状态量信号(即其对方系统的状态量信号)；然后，第一冗余切换装置a对这些信号进行处理，分别生成active_a信号和active_a信号(即active信号)，用以完成主、从系统之间的切换工作；或者生成紧急停机esof信号，用以完成系统停机及跳闸操作。

其中，第一控制保护系统a的状态量信号为电介质信号，包括电源ok信号、硬件ok信号和软件ok信号，分别表示该系统的电源、硬件及软件的工作状态；第一换流阀控制系统a的状态量信号为光介质信号，包括vbe_ok信号，该信号有效时表示该系统工作正常；active_a信号、active_a信号和esof信号，均为光介质信号，其中，第一冗余切换装置a向第一换流阀控制系统a发送active_a信号，向第一控制保护系统a发送active_a信号或esof信号，对于上述光介质信号，有效时为5mhz，无效时为50khz。

冗余切换装置之间的互联信号，采用24v弱电信号，以保证信号连接的快速性。该弱电信号经过光耦隔离、分压电路等转换为智能fpga可以识别的小信号，以进行下一步的冗余逻辑判断。第一控制保护系统a和第二控制保护系统b之间通过系统内部总线进行信号传输。

第一控制保护系统a还向第一冗余切换装置a发送控制信号set_passive信号，该信号为第一控制保护系统a发送到第一冗余切换装置a的命令信号，是电介质信号。

第二冗余切换装置b的信号采集与发送可同理得到。

综上所述，冗余切换系统、控制保护系统和阀控系统之间通过光纤进行信号传输，在冗余切换系统的冗余切换装置中设计有光电转换模块完成光介质接口和电介质接口之间的转换，丰富了冗余切换装置的接口类型，便于其和各种接口类型的控制设备配合使用。采用光介质信号不仅可以提高信号的抗干扰能力，同时可以提高信号的传输速率，避免传统直流输电工程中电信号在电平转换过程中带来的时间延时。

此外，冗余切换系统和控制保护系统的电源相互独立，因此当控制保护系统工作不正常的时候，不会影响柔性直流输电系统中主、从系统之间的切换工作，可以最大程度的保证该系统正常运行。

作为其他实施方式，esof信号还可以是电介质信号，以满足电介质的接口，例如利用继电器输出esof信号，当esof信号有效时，继电器闭合，否则断开；或者，esof信号同时采用光介质信号和电介质信号两种输出方式。

本发明的两套冗余切换装置采用1u全宽机箱实现，一套冗余切换装置与其对应的控制保护系统及换流阀控制系统的接线及接口信号与另一套完全一致。为保证冗余切换装置主从状态的唯一性，即不会产生同主或同从的竞争状态，令先上电者为主动态；若同时上电，则令第一冗余切换装置a为主动态。因此，在同一时间内，只有一套冗余切换装置处于工作状态(主动态)，另一套则为热备用状态。处于热备用状态的冗余切换装置对外的输出端口为禁止输出状态，只有处于主动态的冗余切换装置对外的输出端口处于工作状态。

由处于主动态的冗余切换装置根据其所在系统和对方系统的状态量信号，生成active信号用来完成主、从系统之间的切换工作，或者生成esof信号用来完成系统停机及跳闸操作。

本发明的冗余切换系统通过内嵌的智能fpga完成主、从系统之间的切换工作。下面结合图2进行详细介绍。

由图2可知，第一冗余切换装置a的状态与门输出信号、第二冗余切换装置b的状态与门输出信号取反和禁止切换信号取与，作为rs触发器rs1的一个输入，第一冗余切换装置a的状态与门输出信号取反、第二冗余切换装置b的状态与门输出信号和禁止切换信号取与，作为rs触发器rs1的另一个输入；第二冗余切换装置b的状态与门输出信号、第一冗余切换装置a的状态与门输出信号取反和禁止切换信号取与，作为rs触发器rs2的一个输入，第二冗余切换装置b的状态与门输出信号取反、第一冗余切换装置a的状态与门输出信号和禁止切换信号取与，作为rs触发器rs2的另一个输入；rs触发器rs1的两个输出端与rs触发器rs2的两个输出端进行逻辑或操作后分别用于输出两套冗余切换装置的主从状态信号(即active信号，包括第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的active信号)。

其中，每个冗余切换装置的状态与门输入信号包括其所在系统的状态量信号，例如：第一冗余切换装置a的状态与门输入信号包括a系统的电源ok信号、硬件ok信号、软件ok信号和vbe_ok信号。

图2中，rs触发器的q端输出为本冗余切换装置对应系统的主信号(active信号)，q端输出为系统的从信号(passive信号)，两个信号均为电平信号。为了保证出口的一致性，两套冗余切换装置的active信号和passive信号在出口处进行逻辑或操作，即图2中所示的第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的passive信号短接，第二冗余切换装置b的active信号和第一冗余切换装置a的passive信号短接。

由图2可以看出，本发明的冗余切换系统还包括禁止切换功能，当禁止切换信号有效时(即产生禁止切换命令时)，相应的两个与逻辑电路均处于无输出状态，两个rs触发器的r、s端输入都为低电平，此时的rs触发器为保持状态，系统保持禁止切换命令产生前的状态不变。

两套冗余切换装置的任一状态与门输入信号出现故障，都会引起相应rs触发器状态改变，产生一次主从状态的切换。

冗余切换系统包括下述工况：

工况1：当a系统的状态量信号均正常，b系统的状态量信号至少有一个故障时，q1输出为1，q2输出为1，q3输出为0，rs触发器rs1输出q＝0、q＝1；q4输出为0，q5输出为0，q6输出为1，rs触发器rs2输出q＝1、q＝0；此时，第一冗余切换装置a的active信号有效，第二冗余切换装置b的active信号无效。

工况2：当a系统的状态量信号至少有一个故障，b系统的状态量信号均正常时，q1输出为0，q2输出为0，q3输出为1，rs触发器rs1输出q＝1、q＝0；q4输出为1，q5输出为1，q6输出为0，rs触发器rs2输出q＝0、q＝1；此时，第一冗余切换装置a的active信号无效，第二冗余切换装置b的active信号有效。

工况3：当a系统的状态量信号均正常，b系统的状态量信号均正常时；q1输出为1，q2输出为0，q3输出为0，rs触发器rs1状态保持不变；q4输出为1，q5输出为0，q6输出为0，rs触发器rs2状态保持不变；此时，第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的active信号均保持原状态不变。

工况4：当a系统的状态量信号至少有一个故障，b系统的状态量信号至少有一个故障时；q1输出为0，q2输出为0，q3输出为0，rs触发器rs1状态保持不变；q4输出为0，q5输出为0，q6输出为0，rs触发器rs2状态保持不变；此时，第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的active信号均保持原状态不变。

工况5：当禁止切换信号有效时，两个触发器状态保持不变。禁止切换信号低电平有效。

rs触发器的使用能够有效避免系统同主或同从现象的产生。

例如：

假设a系统为主系统、b系统为从系统，则第一冗余切换装置a为主动态，由第一冗余切换装置a完成主、从系统之间的切换工作。

在工况1下，由于第一冗余切换装置a的active信号有效，第二冗余切换装置b的active信号无效，则保持当前主、从系统状态不变。

在工况2下，由于第一冗余切换装置a的active信号无效，第二冗余切换装置b的active信号有效，则切换第二冗余切换装置b为主动态，并完成一次主、从系统的切换，即将b系统切换为主系统，同时将a系统切换为从系统。

在工况3下，由于第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的active信号均保持原状态不变，且a系统的状态量信号和b系统的状态量信号均正常，则保持当前主、从系统状态不变。

在工况4下，由于第一冗余切换装置a的active信号和第二冗余切换装置b的active信号均保持原状态不变，且a系统的状态量信号和b系统的状态量信号均故障，此时第一冗余切换装置a生成esof信号，完成a系统的停机及跳闸操作。当esof有效时，启动跳闸；反之，不启动跳闸。

在工况5下，保持禁止切换命令产生前的主、从系统状态不变。

b系统为主系统、a系统为从系统的工作情况可同理得到。