本发明涉及电力系统自动化设备领域， 具体涉及一种适用于合成形式换流阀运行试验 装 置的控制保护系统。 背景技术

高压直流输电 HVDC换流阀运行试验装置用于测试阀在最恶劣� �行条件和故障条件下的性 能， 是完成换流阀型式试验的必需设备。 换流阀由多个晶闸管串联或并联组成。 目前， 单个 晶闸管电压、 电流耐受能力的迅速增长， 使得换流阀的电气耐受能力也随之提高。 这就给运 行试验装置提出了更高的要求。 为了降低装置的容量， 国际上通常采用合成方法来完成运行 试验， 基本思想是： 将试验所需的高电压、 直流大电流、 涌流、 电压冲击分别通过高压小电 流回路、 直流低压大电流回路、 涌流回路、 冲击回路来提供， 并交替施加于试品阀上。

合成形式换流阀运行试验装置的主电路包括： 试品阀、 辅助阀、 隔离刀闸、 断路器、 水 冷系统、 电抗器、 电容器、 传感器等元件。 为了使装置能够完成换流阀的各项运行试验， 并 在异常情况下将危害降至最低， 就需要一套功能完备、 性能良好的控制保护系统。 中国专利 CN100392419C公开了一种合成全工况试验装置控制 保护系统与故障保护方法， 控制保护系统 包括上层控制保护系统、 合成全工况试验装置测量系统、 充电回路控制保护子系统、 第一水 冷装置控制保护子系统、 合成全工况试验电路控制保护子系统、 第二水冷装置控制保护子系 统、 低压大电流源控制保护子系统， 以及操作台和录波仪； 包括了五个相互独立的控制保护 子系统， 其针对不同故障， 设计了八级保护措施， 并根据故障的严重程度设计了九级优先级。 但是本发明与该申请存在本质区别。 具体内容如下。

( 1 ) 用途不同。 专利 CN100392419C公开控制保护系统用于控制 "低压充电回路"、 "合 成全工况试验电路"及"低压大电流源"，事实完 成的是灵活交流输电类晶闸管阀的运行试验。 本发明所述控制保护系统用于控制高电压供电 系统、 直流大电流供电系统、 高电压电路、 直 流大电流电路、 涌流电路、 冲击电路， 能够完成 IEC60700 (GB/T20990)所定义的全部 HVDC用 换流阀的全套运行试验。

( 2 ) 控制功能不同。 专利 CN100392419C所公开的控制保护系统只能以固定的 时序触发 试验回路的辅助阀及试品阀， 各阀一旦解锁， 每个试验周期内的触发次数和相位均固定不变 。 但在本发明中， 每个阀的触发时序随时可变， 在解锁后， 各个阀在每周波内的触发次数和相 位能够根据要求而变化， 且每个阀的触发时序变化能够同时完成， 这就避免了因触发时序存 在差异而引起的异常情况。

( 3 ) 保护功能不同。 专利 CN100392419C针对不同故障， 设计了八级保护措施， 并根据 故障的严重程度设计了九级优先级， 这就势必造成保护逻辑复杂多样， 降低了可靠性。 本发 明在深入分析各种异常情况的基础上， 将所有异常情况归纳为三个等级： 普通异常、 有害异 常、 紧急异常； 根据这三个等级， 分别采取解耦退出、 闭锁退出及连续触发退出的保护措施； 这就使保护功能变的简便易行， 增加了可靠性。

(4 ) 现场控制器不同。 专利 CN100392419C用于完成现场控制的第三层控制保护 子系统 包括： 充电回路控制保护子系统、 第一水冷装置控制保护子系统、 合成全工况试验电路控制 保护子系统、 第二水冷装置控制保护子系统、 低压大电流源控制保护子系统。 由于现场的控 制对象不同， 本发明用于完成现场控制的控制器包括： 直流大电流供电系统控制器、 高电压 供电系统控制器、 涌流电路控制器、 冲击电路控制器、 试品阀水系统控制器及试验装置水系 统控制器。 除两套水冷系统的控制保护内容相似外， 其它则完全不同。

( 5 ) 层级架构不同。 专利 CN100392419C的控制保护系统采用层级结构， 明确地分为三 级， 处于第三级各种控制保护子系统与 "操作台"、 "录波仪"没有明确的直接联系。 本发明 采用功能单元互连的硬件架构， 无层级概念， 各种现场控制器通过 "远程 CAN总线"与操作 台直接连接， 这样， 可以使操作员更加快捷地与现场控制器进行信 息交互。

( 6 ) 专利 CN100392419C未公开上层控制保护系统、 合成全工况试验装置测量系统的具 体实施方法。 本发明提供了控制保护系统的具体功能划分及 工作时序， 具有原创性。 发明内容

为了达到上述目的： 使合成形式换流阀运行试验装置能够完成换流 阀的各项运行试验， 并在异常情况下将危害降至最低， 就需要一套功能完备、 性能良好的控制保护系统。

本发明提供了一种换流阀运行试验装置的控制 保护系统， 包括人机接口单元、 同步单元、 信号采集单元、 数据汇总单元、 调节单元、 保护单元、 波形记录单元、 波形监视单元、 开关 量输入 (DI)单元、 开关量输出（DO)单元、 各阀对应的阀基电子 (VBE)单元、直流大电流供电系 统控制器、 高电压供电系统控制器、 涌流电路控制器、 冲击电路控制器、 试品阀水系统控制 器及试验装置水系统控制器； 上述各个单元按照一定的时序关系进行数据处 理和逻辑判断， 上述各个单元彼此之间通过电气信号、 光纤信号以及 "调度"、 "交互"、 "录波"和 "远程" 四条独立的 CAN总线来完成信息的交互， 从而能够使控制保护系统按照规定的触发时序 来控 制换流阀的试品阀和辅助阀， 从而在试品阔上产生各项运行试验所要求的电 压、 电流及热强 度， 完成换流阀的运行试验； 同时还能够使该系统实时监视运行试验装置的 主电路的开关状 态和重要模拟量参数， 在出现异常时， 及时采取保护措施；

所述各个单元按照一定的时序关系进行数据处 理和逻辑判断各单元协调工作的时序如 下：

(1) 同步单元根据试验装置高电压供电系统或大电 流供电系统的 50Hz交流电源来产生试 验所需的 "触发同步"信号和 "采样同步"信号， "触发同步"信号用于同步整个试验装置的 工作， 因此， 一个试验周期就是 "触发同步"信号的一个周期， "采样同步"信号用于同步信 号采集单元与数据汇总单元的工作；

(2) 信号采集单元接收主电路中各个传感器所输出 的模拟信号，根据同步单元发出的 "采 样同步"信号来触发内部的模 /数转换器， 将各路模拟信号转化为 "数字信号"， 发送给数据 汇总单元；

(3) 数据汇总单元通过 "采样同步"信号与信号采集单元保持同步， 并将信号采集单元 发送来的 "数字信号"进行消温飘、 数字滤波、 校准等后处理， 最后， 将汇总的 "采样结果" 发送给调节单元、 保护单元和波形记录单元；

(4) 调节单元根据数据汇总单元发送来的 "采样结果"、 开关量输入单元 DI和 VBE单元 经 "交互 CAN总线"发送来的开关量信息以及人机接口单� �经 "调度 CAN总线"发送来的控 制命令来控制当前的试验进程， 改变各阀的触发时序， 并将确定的 "触发时序"信号发送给 DI单元，在"触发时序"发生变化时， 为了有效监视主电路的工作情况， 调节单元将通过"交 互 CAN总线" 向波形记录单元发送录波命令；

(5) 保护单元根据数据汇总单元发送来的 "采样结果"、 开关量输入单元 DI和 VBE单元 经 "交互 CAN总线"发送来的开关量信息以及人机接口单� �经 "调度 CAN总线"发送来的保 护参数， 来确定试验装置是否存在异常， 若存在， 则采取相应的保护措施， 并通过 "交互 CAN 总线"将开关动作命令发送至 DO单元， 在发生异常情况时， 为了有效监视主电路的保护执行 情况， 保护单元将通过 "交互 CAN总线" 向波形记录单元发送录波命令；

(6) 波形记录单元整理据汇总单元发送来的 "采样结果"及 DI单元经 "交互 CAN总线" 发送来的开关状态， 根据调节单元、 保护单元的命令启动波形记录过程， 并将记录的波形数 据经 "录波 CAN总线"发送至波形监视单元；

(7) DI单元采集主回路的各种开关状态， 经 "交互 CAN总线"发送给调节单元、 保护单 元及波形记录单元， 经"调度 CAN总线"发送给人机接口单元， 同时， 将调节单元输出的"触 发时序"信号扇出发送给各个阀对应的 VBE单元及直流大电流供电系统控制器；

(8) 开关量输出单元 DO单元执行保护单元经 "交互 CAN总线"发送来的开关动作命令； (9) 试验电路中每个阔对应一个 VBE单元， 各阀的 VBE单元根据调节单元输出的 "触发 时序"来确定每个试验周期中本阀的触发次数� �每次触发的相位， 通过光纤向阀发出触发脉 冲， 同时， 监视各阀的工作状态， 一旦发现异常， 将通过 "交互 CAN总线" 向调节单元、 保 护单元报告相关情况；

(10) 直流大电流供电系统控制器、 高电压供电系统控制器、 试品阀水系统控制器及试验 装置水系统控制器接收人机接口单元经 "远程 CAN总线"发送来的控制命令， 分别控制对应 的主设备， 同时， 监视各自的主设备， 并将监视信息经"远程 CAN总线"上报人机接口单元。

其中， 所述人机接口单元由一台高性能的工控机构成 ， 通过 "调度 CAN总线"及 "远程 CAN 总线"与其它单元进行双向通信， 其功能包括： 接收操作员设定的各项试验参数及操作 命令， 并转发给其它相关单元； 对"调度 CAN总线"的各功能单元及 "远程 CAN总线" 的现 场控制器进行巡检； 通过各个单元获得试验装置主电路的各种监视 信息， 并显示在本单元的 监视器上， 以供操作员査询。

其中， 所述同步单元， 用于根据试验装置主电路的 "交流同步电压"来形成 "采样同步" 和 "触发同步"信号， 其中， "交流同步电压"是试验装置由高电压供电系统� ��大电流供电系 统电网接入点得到的交流电压， 为 50Hz的正弦交流形式， 同步单元对"交流同步电压 "进行 调理和整形， 从而产生 "触发同步"信号， 用以为试验装置主电路的各阀的触发时刻提供 时 间基准， 进而， 对 "触发同步"信号进行锁相倍频， 形成 "采样同步"脉冲信号， 用以启动 信号采集单元的采样和数据汇总单元的数据整 理。

其中， 所述信号采集单元， 用于将试验装置主电路中的各种物理量对应的 模拟信号转换 为数字信号， 为监视试验装置的情况， 试验装置主电路的重要支路上安装有电压传感 器和电 流传感器， 冷却系统安装有温度、 压力和流量传感器， 信号采集单元接收上述各个传感器输 出的模拟信号， 并在每个 "采样同步"脉冲信号到来时启动一次模数转换� �� 将这些模拟信号 转化为数字信号， 最后， 将转化完的数字信号发送至数据汇总单元。

其中， 所述数据汇总单元对所述信号采集单元上报的 数字信号进'行后处理， 并将处理结 果转发至调节单元、 保护单元和波形记录单元， 后处理工作包括： 消除采样数据的温漂， 校 正变比， 数字滤波和转换编码格式等。

其中， 所述调节单元接收人机接口单元通过"调度" CAN总线设定的试验项目、 工作模式 和调节定值等参数指令， 以及数据汇总单元发送来的采样结果， 从而确定各阔的触发时序， 与各阀基电子单元 VBE配合完成触发时序的同步切换， 并决定是否允许各阀基电子单元 VBE 检测对应的阀， 在异常情况下， 该单元还将接收保护单元通过 "交互" CAN 总线发送来的保 护命令， 协助保护单元完成试验装置的保护工作。

其中， 所述保护单元接收数据汇总单元发送来的采样 结果、 各 VBE单元发送来的阀监视 信息以及开关量输入单元 DI发送来的开关量信息， 一旦检测出异常信息， 所述保护单元就会 采取适当的措施保护试验装置的安全；

为了使保护功能简便易行， 保护单元所执行的策略将所有异常情况分为三 个等级： 普通 异常、 有害异常和紧急异常， 根据这三个等级， 分别采取解耦退出、 闭锁退出及连续触发退 出的保护措施。

其中， 所述波形记录单元在暂态过程中接收开关量输 入单元 DI发送来的开关量和数据汇 总单元发送来的采样结果， 并上报至波形监视单元， 在稳态情况下， 波形记录单元向波形监 视单元实时上报各模拟量的采集结果， 使波形监视单元随时更新所显示的试验波形；

所述开关量输入单元 DI用于采集隔离刀闸、 断路器及试验装置主电路的各种开关量的状 态， 并将结果上报人机接口单元、 调节单元、 保护单元和波形记录单元， 同时， 开关量输入 单元 DI作为控制保护系统内部信号的主要传输通道� �� 还将调节单元输出的 "触发时序"信号 由一路转为多路， 分发给各个 VBE单元；

所述开关量输出单元 DO接收保护单元通过 "交互" CAN总线下达的命令， 并根据命令向 试验装置主电路中的隔离刀闸、 断路器及其它开关设备输出 "分 /合"信号， 驱动这些设备完 成指定的操作；

所述波形监视单元由一台高性能的工控机构成 ， 在暂态过程中， 接收波形记录单元上报 的模拟量、 开关量信息， 并以数据包的形式存入硬盘， 以便随时调用、 显示， 在稳态情况下， 则持续接收波形记录单元上报的稳态波形数据 ， 并不断刷新显示。

其中， 试验装置主电路中的每个辅助阀和试品阀对应 一个阀基电子单元 VBE， 在正常工作 时， 各阔的 VBE根据调节单元下发的 "触发时序"信号以及同步单元的 "触发同步"信号， 来触发对应的阀； 若调节单元允许阀的监视， 则收集对应阀的各种监视信息， 并在检测到异 常时， 将采取措施快速保护所监视的阀， 在异常情况下， 各 VBE单元还应响应保护单元的命 令完成阀的闭锁或连续触发。

其中， 系统使用了独立的现场控制器， 这些控制器根据操作员的命令来控制试验装置 中 的高电压供电系统、 直流大电流供电系统、 涌流电路、 冲击电路、 试验装置水冷系统和试品 阀水冷系统， 并对这些设备进行监视。

其中， 控制保护系统的调节单元通过 DI单元扇出信号， 向各阀的 VBE单元发出 "触发时 序"命令， 使得各 VBE单元能够按照规定的时序来触发对应的阀， 这些时序是指： 在每个试 验周期内， 即 "触发同步"信号周期内， 阀的触发次数和每次触发的相位；

由于各 VBE单元使用统一的 "触发时序"命令， 各阀的触发时序能够在同一时刻完成变 换， 从而避免了因触发时序存在差异而引起的异常 情况。

其中， 所述各个单元通过 "调度"、 "交互"、 "录波"、 "远程" 四条独立的 CAN总线来完 成大数据量信息的交互， 四条总线的结构及功能如下：

调度 CAN总线为 "单主多从"形式， 主节点为人机接口单元， 从节点为调节单元、 数据 汇总单元、 保护单元、 波形记录单元、 开关量输入单元 DI、 开关量输出单元 DO以及各个 VBE 单元； 调度 CAN总线用于传输各种人机交互信息； 试验人员通过人机接口单元输入试验参数， 该参数经该总线发送至相关功能单元， 同时， 控制保护系统采集到的模拟量、 开关量、 阀信 息和各种内部事件经该总线返回人机接口单元 ， 以便试验人员察看；

交互 CAN总线为 "多主多从"形式， 用于各功能单元彼此之间交换信息； VBE单元采集到 的阀信息和开关量输入单元 DI采集到的开关量信息通过该总线送至调节单� ��、保护单元和波 形记录单元， 同时， 调节单元和保护单元发出的操作指令也通过交 互 CAN总线送至 VBE单元 和开关量输出单元 DO;

录波 CAN总线为 "一主一从"形式， 主节点为波形监视单元， 从节点为波形记录单元； 录波 CAN总线用于传送开关量和模拟量的波形信息； 波形记录单元接收开关量输入单元 DI采 集的开关量和信号采集单元的模拟量采集结果 ， 上报至波形监视单元， 由波形监视单元记录 或实时显示；

远程 CAN总线为 "单主多从"形式， 主节点为人机接口单元， 从节点为、 直流大电流供 电系统控制器、 高电压供电系统控制器、 涌流电路控制器、 冲击电路控制器、 试品阀水系统 控制器及试验装置水系统控制器； 远程 CAN总线用于传输操作员下达的各种控制命令， 以及 各现场控制器上报的， 对应设备的监视信息。

本发明的有益效果是：

1、 通过控制高压小电流回路、 直流低压大电流回路、 涌流回路、 冲击回路及水系统， 能 够在试品阀上形成各种电压、 电流及热强度， 从而完成 IEC60700 (GB20990)所要求的直流输 电换流阀运行试验的全部项目。

2、通过控制保护系统中调节单元和各 VBE单元的配合，每个阀的触发时序随时可变， 艮卩， 各个阀在每周波内的触发次数和相位能够根据 要求而变化； 而且， 每个阀的触发时序变化能 够同时完成， 这就避免了因触发时序存在差异而引起的异常 情况。

3、 尽管试验装置所出现的异常情况复杂多样， 但通过深入分析， 保护策略被简化为普通 异常、 有害异常、 紧急异常三个等级， 这就使保护策略简便、 可靠、 易行。

4、 该控制保护系统的架构及各单元的功能划分在 换流阔的运行试验装置上属于首次采 用。

5、 该控制保护系统已经成功应用于某换流阀运行 试验装置， 其可实施性及可靠性已被充 分验证。

6、 该控制保护系统功能完备， 集控制、 保护和监视功能于一体。

7、 具有较大的适用范围， 不仅适用于换流阀运行试验装置， 也同样适用于其它类型的大 规模电力电子设备。

8、 与传统的控制保护系统不同， 取消了层级的概念， 使结构更加紧凑， 硬件投资较小。 附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图 1是本发明的合成形式换流阔运行试验装置的� �理框图；

图 2是本发明的控制保护系统原理图；

图 3是本发明的最大稳态运行负载试验的试验波� �示意图；

图 4是本发明的最大暂态运行负载试验的试验波� �示意图。 具体实施方式

合成形式换流阔运行试验装置的原理框图如附 图 1所示。 试验装置的主设备包括高电压 回路、 直流大电流回路、 涌流回路、 冲击回路及试验装置水冷系统、 试品阀水冷系统。 高电 压回路包括高电压供电系统和高电压发生回路 ， 用于向试品阀提供高电压， 最高可达 80kV; 直流大电流回路包括大电流供电系统和直流大 电流发生回路， 用于向试品阔提供试验所要求 的稳态大电流， 最高可达 6. 2kA _; 涌流回路用于向试品阀提供试验所要求的暂态 大电流， 峰 值可达 55kA _; 冲击回路用于向试品阔提供试验所要求的电压 冲击， 冲击峰值可达 300kV。 两 套冷却系统分别用于冷却试验装置及试品阔。 控制保护系统根据操作员设定的试验项目及试 验参数，通过控制主电路中的辅助阀、试品阀 及其它设备，在试品阀中产生 IEC60700 (GB20990) 要求的电压、 电流及热强度； 同时， 还监视回路中的模拟量及开关量， 一旦发现异常， 将采 取必要的保护措施。

控制保护系统的原理图如附图 2所示。

整套控制保护系统包括： 人机接口单元、 同步单元、 信号采集单元、 数据汇总单元、 调 节单元、 保护单元、 波形记录单元、 波形监视单元、 开关量输入 (DI)单元、 开关量输出 (DO) 单元、各阀对应的阀基电子 (VBE)单元、直流大电流供电系统控制器、高电� ��供电系统控制器、 涌流电路控制器、 冲击电路控制器、 试品阔水系统控制器及试验装置水系统控制器 等多个功 能单元。

同步单元基于电网的 50Hz工频交流电压信号生成 "触发同步"和 "采样同步"信号； "采 样同步"信号被发送至数据汇总单元和信号采� �单元， 从而使两单元同步工作； "触发同步" 信号被发送至调节单元和各个 VBE单元， 从而使这些单元同步地变换主电路中各辅助阀 及试 品阀的触发时序。 信号采集单元输入主电路中各传感器的模拟信 号， 转化为 "数字信号"后 发送给数据汇总单元， 数据汇总单元完成消温飘、 数字滤波、 校正变比等后处理后， 将这些 "采样结果"发送给调节单元、 保护单元及波形记录单元。 DI单元采集主设备的各种开关状 态， 通过 "交互 CAN总线"发送给调节单元、 保护单元及波形记录单元， 通过 "调度 CAN总 线"发送给人机接口单元。 调节单元根据 "采样结果"、 开关量状态及操作员的各项命令来决 定阀的触发时序， 并发送 DI单元， 由 DI单元扇出后发送至各阀的 VBE。 VBE将根据 "触发时 序"完成各阔的触发， 同时， 对本阀进行监视。

各单元通过四条 CAN总线来完成信息的交互。 其中， "调度 CAN总线"上的节点包括： 人 机接口单元， 从节点为调节单元、 数据汇总单元、 保护单元、 波形记录单元、 开关量输入单 元 DI、 开关量输出单元 DO以及各个 VBE单元。 "交互 CAN总线"上的节点包括： 调节单元、 保护单元、 波形记录单元、 开关量输入单元 DI、 开关量输出单元 DO以及各个 VBE单元。 录 波 CAN总线上的节点包括： 波形记录单元和波形监视单元。 远程 CAN总线上的节点包括： 人 机接口单元、 直流大电流供电系统控制器、 高电压供电系统控制器、 涌流电路控制器、 冲击 电路控制器、 试品阀水系统控制器及试验装置水系统控制器 。

以下为本发明完成 IEC60700 (GB20990)所要求 "最大稳态运行负载试验"和 "最大暂态运 行负载试验" 的示例。

"最大稳态运行负载试验"用于考验试品阀是否� ��够耐受最严酷的额定运行条件。 试验 参数主要包括： 正向触发电压、 反向恢复电压、 换算至 120°导通区间的等效试品电流和电压 阶跃平方和。 本次试验的参数为：

正向触发电压： 18. lkV

反向恢复电压： 17. 5kV

换算至 120°导通区间的等效试品电流： 3612A

电压阶跃平方和： 633. 86kV ²

试验波形如附图 3所示。 图 3 中， 上半图为试品阀电压波形， 纵坐标轴表示电压值， 单位为千伏 (kA)， 横坐标轴 表示时间， 单位为毫秒 (ms) ; 下半图为试品阀电流波形， 纵坐标轴表示电流值， 单位为安培 (A)， 横坐标轴表示时间， 单位为毫秒 (ms；)。

"最大暂态运行负载试验"用于考验试品阀是否� ��够耐受最严酷的暂态运行条件。 试验 参数与 "最大稳态运行负载试验"相同。 本次试验的参数为：

正向触发电压： 23. 7kV

反向恢复电压： 24. 6kV

换算至 120°导通区间的等效试品电流： 3608A

电压阶跃平方和： 2333. 7kV ²

试验波形如附图 4所示。

图 4 中， 上半图为试品阔电压波形， 纵坐标轴表示电压值， 单位为千伏 (kA)， 横坐标轴 表示时间， 单位为毫秒 (ms) ; 下半图为试品阀电流波形， 纵坐标轴表示电流值， 单位为安培 (A)， 横坐标轴表示时间， 单位为毫秒 (ms)。

此处己经根据特定的示例性实施例对本发明进 行了描述。 对本领域的技术人员来说在不 脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将 是显而易见的。 示例性的实施例仅仅是例证性 的， 而不是对本发明的范围的限制， 本发明的范围由所附的权利要求定义。