直流控制保护解析课件.ppt
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1、MACH2直流控制保护硬件分层结构,中国电力科学研究院,引言_控制的基本原理HVDC基本控制原理数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,一 引言_控制的基本原理,控制理论研究如何改进动态系统的性能以达到所需的目标,是一门涉及范围十分广泛的学科,它不但包含比较丰富的科学技术知识,而且力图揭示各种被控对象、被控过程内在运动的基本规律和系统分析、设计的普遍原理,使人们掌握研究复杂控制问题的一般方法和手段。它的许多成果在理论和应用上都有重要的科学技术和工程实际意义。,一 引言_控制的基本原理,自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两部分:经典控制理论主要以传递函数描述为基础,以根轨迹法和频率
2、法为研究手段;而现代控制理论由于被控对象的复杂化和多样化的演变,以及计算机迅速发展的推动而建立起来的以状态空间描述为基础,以状态空间法为研究手段的多变量控制理论,并能实现一定意义下的最优控制。,一 引言_控制的基本原理,自动控制领域中有两个不同的但是有相互联系的主题。第一个主题反馈的概念。精髓是可以得到的各种输出和他们的各个所需值的实时比较的度量,再由此来减少误差,这样形成一个因果链,构成一个包含原动态系统在内的新的动态闭环系统,一 引言_控制的基本原理,第二个主题最优控制的概念。控制的目标是使以数字量表示的显示在一段时间上所需性能和系统实际性能间的差异的性能指标为最小,一 引言_控制的基本原
3、理,一 引言_控制系统完成的功能,监视判断操作反馈,一 引言_控制系统完成的功能,SCADA(监视)主控计算机包括极控、站控、保护(判断)VBE、断路器等(操作)反馈,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,二 HVDC基本控制原理,一个换流器和一个极的基本控制功能是一个闭环的直流电流控制系统,它包括:电流控制放大器(CCA)换流器触发控制单元(CFC),它产生控制脉冲,含有确定最小最大触发角限制的功能。环外系统:电流指令限制器,包括低电压定电流限制器(VDCOL),二 HVDC
4、基本控制原理,两个站都有主控制器(用于产生电流指令)参数设定装置(用于手动设定功率和输入各种功率调制信号Po(f)。当直流输电系统运行时,只有一端的主控器起作用,另一端不起作用。控制器工作的一端称为主控站,另一端就是非主控站,主控站产生的电流指令通过通讯系统传到对站。,二 HVDC基本控制原理,VDCOL单元是一个可以降低直流电流的功能模块。每个站的VDCOL独立工作,与通讯系统无关。直流电压作为共用的输入信号,两个站的都可以输入。上图所示的控制功能块一个接一个处理后,启动换流器触发控制器,换流器触发控制器可以认为是整个控制系统的控制中心。,三 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,M
5、ACH2系统是一个高压直流及无功补偿的模块化控制系统,以功能强大,结构灵活的功能块为基础,功能块由工业计算机,微控制器,数字信号处理器构成,并采用性能良好的工业标准总线和光纤通讯设备联接各功能块。,三 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,三 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,二 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,二 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,二 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,二 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统,三 数字计算机控制系统基本结构MACH2系统介绍,两个基本设计原则分层和冗余,四 MACH2系统分层,控制
6、和保护系统是由若干个作为设备物理或逻辑单元按逻辑布置所组成。这些单元有最大程度的自立功能。也就是说在控制和保护设备的某部分时,不同单元之间交换信息很少。在多数情况下,某一个单元故障不会影响设备其他部分的正常工作。一般每个控制区域作为一个单元。同一区域所有设备的全部功能和信息交换指令在站控层完成。1)站控级2)设备级下面这幅图表示每一层设备基本布置,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,站控制级站控制级相关功能为:1)SCADA系统2)站控局域网3)站ASI(站内辅助系统接口),四 MACH2系统分层,站控制级SCADA系统,四 MACH2系统分层,功能如下:1)HVDC操作控制 2)
7、顺序事件记录 3)事件归档 4)利用列表窗口实现强大的报警管理 5)用户定义数据过滤 6)灵活的在线和历史趋势管理 7)在线帮助功能 8)暂态故障录波及分析 9)远方控制,四 MACH2系统分层,其他可扩展的功能:1)直接获取设备资料2)自动生成纪录3)谐波水平监测的显示4)即时进入基本应用,如:电子邮件,文档处理,报表及互联网等,四 MACH2系统分层,系统由三部分构成:运行人员工作站(OWS),分布式处理接口(DPI),服务器。这三部分通过局域网进行数据交换。,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,运行人员控制工作站的主窗口是控制和列表窗口。同时也支持提供给运行人员所有重要的在线
8、信息用以控制。图中包含大量的信息,可以根据运行人员的需要进行显示。,四 MACH2系统分层,站CAN对与站相关的CAN网,BCP作为光缆的星型接点。这意味着不同控制室或继电室中计算机间进行交换的信息应送到BCP中进行信号交换。在BCPA和BCPB柜中,系统为冗余设计。这些设备都放在控制室内。下面的模块图表明了站CAN网的基本功能。,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,设备级设备层的功能及划分。,四 MACH2系统分层,设备级500KV交流系统,四 MACH2系统分层,交流控制和保护(ACP)交流控制的主要功能由ACP柜完成。ACP柜采用冗余设计。一个ACP柜可以作为500KV交流场
9、一个完整串的接口。,四 MACH2系统分层,交流场接口终端(AFT)对于接入相同继电器室的其它串,接口采用分布式接口柜AFT。AFT也是冗余设计。AFT与较它们高一级的ACP相连。在同一继电室里,ACP与所有AFT相连。,四 MACH2系统分层,下图表示了500KV的ACP柜的功能柜的一般功能模块图以及和其它设备相连的接口。(注意该模块图只表示了两个系统中的一个),四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,交流滤波器的保护(AFP)每组交流滤波器组的控制和保护由放置在继电器室的 AFP来完成。AFP为冗余设计。一个AFP柜覆盖了一个交流滤波器大组和与它相关的包括小组滤波器在内开关场。50
10、0KV继电器室AFP柜的基本配置图与ACP类似。,四 MACH2系统分层,极设备每极由放置在两个独立控制室里的设备组成。双极层次的主回路设备用于两个极的控制和保护,这些设备的接口为双重化布置,安装在位于站控室的BFT柜中。,四 MACH2系统分层,极设备PCP极保护和控制,四 MACH2系统分层,冗余的极保护和控制系统按双重化系统设计为工作和热备用两种。任何时候两个系统中只有一个系统处于工作状态,控制换流器及相关设备。每个PCP柜包括高压直流输电单极和双极相关设备的所有控制和保护系统。双极功能被嵌放在单极层中。,四 MACH2系统分层,开关控制系统采用双重化串行CAN通讯总线系统,连接双重化的
11、分布式输入/输出接口系统。每个系统的测量使用其中一个输入输出系统;PCP A通过时分多路总线TDM从分布式接口系统A来进行测量。PCP B通过时分多路总线TDM从分布式接口系统B来进行测量。极控柜和阀控柜之间的信号交换通过光纤进行。,四 MACH2系统分层,极的控制和保护主计算机1含有以下功能:极控功能,如:换流器的触发控制,功率控制,换流变抽头控制,以及顺控和联锁和对站的通讯直流保护系统,第一套极与极间的通讯连接内部监视SCADA 接口与分布式输入输出接口的通讯连接与阀控的通讯连接,四 MACH2系统分层,极的控制和保护主计算机2含有以下功能:直流保护系统,第二套内部监视SCADA 接口与分
12、布式输入输出接口的通讯连接,四 MACH2系统分层,双极接口终端(BFT)BFT柜包含两极相同区域的主回路设备的输入输出接口。BFT柜由冗余的系统A和系统B构成,且两系统相互独立。BFT柜放置在控制楼的控制室内。为保证正确动作,每个极的接口是相互独立的,这意味着双极设备的接口是四个。,四 MACH2系统分层,BFT柜包括以下功能:开关接口(极1)开关接口(极2)测量接口(极1)测量接口(极2),四 MACH2系统分层,直流场终端(DFT)DFT是换流器直流侧主回路设备的分布式输入输出接口系统。它包括阀厅地刀和钥匙联锁的接口。DFT是冗余设计,由系统A 和系统B组成,且两者相互独立。DFT盘放置
13、在控制楼的极控制室内。DFT用于每个极的控制和保护系统。,四 MACH2系统分层,DFT柜包括以下功能:测量接口开关接口,四 MACH2系统分层,阀控(VC)阀控(VCA,VCB,VCC)也称阀基电子设备,可以看作通向换流器触发控制系统的远方的快速输入输出接口。设计中包括两个中央单元A和B,单个阀以及一定数量的独立于中央系统的光单元。,四 MACH2系统分层,冗余的换流器触发控制系统CFC不断的向中央单元发控制脉冲。中央单元相应的产生触发脉冲给阀,因此脉冲也是双重的。从工作系统中正确选择触发脉冲是由位于光单元板的IR二极管的驱动器中完成。,四 MACH2系统分层,阀控系统安装在3个柜中,每相一
14、个。阀控柜位于阀厅走廊上,这样放置的目的是为了减小阀控柜和可控硅之间的距离。极控柜和阀控之间的信号交换通过光纤进行。,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,换流变控制接口(TCI)在政平站,TCI作为换流变控制和保护的接口。从换流变到接口盘是用硬连线进行连接。TCI的测量信号以TDM向极控系统传输。TCI也收集从保护装置发出的报警和跳闸信号,执行换流变抽头控制命令,并通过CAN总线将信号送给PCP柜。TCI安装在换流变附近的户外室中。TCI是冗余设计,每个六脉冲组都有一套独立的TCI柜。TCI Y柜还收集换流变母线电压的测量信号,该信号用于换流器触发控制系统。下面的图表示了TCI柜的
15、结构:,四 MACH2系统分层,下面的方框图表示了TCI柜的基本功能(图只表示了Y组的接口,D组有自己的TCI柜,D组的连接原理与Y组的完全一样),四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,电抗器控制接口(SRCI)在政平站SRCI作为平波电抗器控制和保护系统的接口,SRCI放置在平波电抗器附近的户外小屋里,它的主要任务是收集从保护装置发出的报警,跳闸信号,并通过CAN总线将信号送向PCP柜。这套系统是冗余设计,每个SRCI箱包括系统A和系统B。,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,冷却系统的控制和保护(CCP)CCP是可控硅阀水冷系统的控制系统,它是分布式的控制子系统,系统
16、包括维持可控硅阀安全运行的控制和保护以及与极控柜和SCADA系统相连的接口。传感器,电动机以及各种阀的控制接口就装在CCP柜中。,四 MACH2系统分层,CCP是冗余设计,包括系统A和系统B,且两者是相互独立的。CCP柜位于控制楼相应极的冷却房内。其中一个CCP柜配有与站内CAN总线相连的运行人员工作站OWS接口,这样可以在水冷房内对阀冷却系统进行就地控制和监视。通往SCADA系统的信道只限于和CCP系统相关的信息。,四 MACH2系统分层,四 MACH2系统分层,辅助系统接口(ASI)辅助系统接口ASI负责站用电和民用系统的报警。每个极有一个ASI,负责极内相关设备产生的报警信号。ASI安放
17、在每个极的蓄电池配电室里,ASI同时还具有每极的400V电源进线开关的自动投切功能。,四 MACH2系统分层,现场总线系统.控制局域网总线(CAN BUS)根据国际总线标准ISO11898,CAN是用于二进制输入输出接口装置间的通信。如:断路器和开关。CAN 总线是一种高速总线,具有高效的短信息结构和非常小的延时。总线间不存在主次之分,这意味着网络可以不依靠单个编码而正确动作。CAN具有有效的循环冗余检查和硬件特性,这样可以消除网络中的误码。,四 MACH2系统分层,通过网桥,CAN总线分成不同的部分,这样能有效的防止故障的传播,并允许不同区域内的设备由多冗余连接通道,而传统的现场总线通过光纤
18、扩展器是无法实现的。柜内通过屏蔽的双绞线连接,柜外或控制室间用光纤进行连接。当向柜外连接时,CAN总线先接入CAN/HDLC桥,这样可以使连接的距离更长一些。,四 MACH2系统分层,站控总线STATION CAN在最高级的站控层中提供站控总线。其主要目的是用来将低层的不同CAN网络中进行信号交换的主机相连。这种总线是冗余设计,在功能上与其它网络独立。,四 MACH2系统分层,交流控制和保护总线(ACP CAN)每个ACP中有一个单独的CAN总线,CAN总线包括主机和控制域的转换器。该总线是冗余设计,在功能上与其它网络完全独立。,四 MACH2系统分层,极控制和保护总线(PCP CAN)PCP
19、总线是每个极控柜的专用总线,与控制区域内的主机和分布式输入输出接口相连。这种总线是冗余设计,在功能上与其它网络完全独立。网络中包括有:DFT,CCP,ASI,SRCI,和TCI。,四 MACH2系统分层,每极的双重化现场总线是相互独立的,它对每极本身的所有设备建立联系。AFP和ACP柜还与站控总线相连,所有这些总线都是冗余布置的双重化CAN总线,通过这种布线,远方和分布式输入/输出系统连接到每个极控制柜上。这样使得在所有保护动作后,实现跳闸通道的双重化。,四 MACH2系统分层,交流滤波器保护总线(AFP)每个AFP柜有单独的CAN控制总线,总线与控制区域内的主机和转换器相连,四 MACH2系
20、统分层,分时多路总线(TDM)MACH2中的TDM总线是单向总线类型,适用于高速测量信号。和CAN总线一样,这种总线也是双重化,并按冗余布置进行连接。,四 MACH2系统分层,在控制和保护系统中,接收端接点不断的检测总线的运行状态。TDM总线具有传输数据量大,迟滞小,无误动等优点。这对高压直流输电控制的高带宽信号的测量是非常重要的,每条TDM总线每秒可传输300000/s个采样信号。(每3s一个采样),五 MACH2系统冗余,冗余控制系统的设计标准是保证系统100%的可靠运行。ABB高压直流输电的控制和保护系统在各层都使用并行冗余技术。双重化的范围是从输入/输出回路到SCADA LAN系统中所
21、有部分。,五 MACH2系统冗余,双重化范围:ACP、AFP以及PCP双重化系统主要由下列元件组成:主机,接在双重化的SCADA局域网上。PCP系统有两个主机。两个计算机的配置相似。I/O接口系统,这些接口要么在同一个柜中,要么在不同的柜中,从功能上看这没有差别。用于就地控制的显示单元和键盘。,五 MACH2系统冗余,主机包括标准主板及其PCI板。I/O接口系统包括以下三种型式:分布式I/O 分布式子系统 光电流互感器的I/O为了连接主机,分布式I/O和子系统,CAN和TDM总线均采用冗余布置,五 MACH2系统冗余,冗余ACP、AFP或PCP系统的处理接口是远方或分布式I/O系统。考虑距离和
22、设计的要求,将这些I/O放置在主设备旁边或中控室的独立柜或箱中。不同层次的设备的现场总线的连接用光纤,以避免干扰。,五 MACH2系统冗余,分布式I/O系统构成如下:交流场I/O(ACP和AFT)直流场I/O(DFT和BFT)交流滤波器保护I/O(AFP)换流变压器I/O(TFT)平波电抗器I/O,五 MACH2系统冗余,每个分布式I/O系统完全双重化,并通过双重现场总线与下一层相连,而且通道双重化,正常时两个通道都在运行。,五 MACH2系统冗余,主回路中所有的传感器都接至I/O系统,传感器的一个线圈连到两个I/O系统的每个系统上。当主回路只有一个传感器时,这个传感器就与两个I/O系统相连,
23、连接方式能够实现在运行期间更换一个I/O系统的输入回路,不影响另一个I/O系统的运行。,五 MACH2系统冗余,分布式子系统与分布式I/O有相同的硬件特性。只有一点不同,就是子系统有它自己的控制功能,甚至是保护功能。实际上,控制功能就分布在各个子系统中。也就是说,对于A、B两系统,子系统有它自己的切换逻辑和通信通道。因此这一层切换到冗余系统不会引起PCP系统的切换,反之亦然。,五 MACH2系统冗余,与二进制I/O设备之间的通信用CAN总线,选择此总线是因为它有许多重要特性适合换流站。这是一种高速、有效短信息、低延时的总线。布置上无主次之分,也就是说网络不依靠任何单节点的功能也能正确工作。CA
24、N总线还有CRC功能和能够去除网络中的一个故障点硬件特性。理论上,使用CAN总线扩展器后,网络中最多允许1024个接点。,五 MACH2系统冗余,CAN总线有两种分层:PCP,ACP或AFP CAN“自身”的CAN总线站CAN网络每个PCP,ACP或者是AFP的主机系统有它们“自身”的CAN网,用于和I/O系统通讯。站CAN网互连站内所有的主机。CAN总线和“自身的CAN”区分开来(用不同的PS801板)。TDM总线没有分层,为了高速测量,TDM总线是点对点的连接。,五 MACH2系统冗余,主机中的CAN总线接口是PS801板,板上有两个CAN总线控制器接至486DX微处理器。,五 MACH2
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