一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统

技术领域

本发明涉及无功补偿技术领域，更具体的说是涉及一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统。

背景技术

SVG(Static Var Generator)，即高压静止无功补偿装置，又称作静止同步补偿器，是由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，提高电能质量，避免设备接入电网后污染电网，保证设备正常运行，已成为新能源场站、大型工矿企业等的基本需求，而SVG是解决此类需求的最佳方案之一。

SVG装置利用可关断大功率电力电子器件IGBT作为开关器件，等效于在电网上并联一个可调节的无功电流源，其输出的无功电流可快速跟踪负荷无功电流的变化，自动补偿系统所需的无功功率。相对于传统的调相机、电容器+电抗器、以晶闸管控制为主要代表的SVC等方式，SVG无功补偿装置有着占地小、调节速度快、可主动跟踪补偿等巨大优势，可以有效的提高功率因数，抑制电压波动、降低闪变，改善电压三相不平衡，也可对电网中的谐波进行有效抑制。

SVG的运行工况较多，特别是在进行多机协调运行工作时，如何进行无功计算和分配则是一个大问题，传统的控制方式是选定一个SVG作为主机SVG，通过主机SVG和AVC来实现无功计算和分配，但是，一旦主机SVG出现故障，则会导致多个SVG构成的协调控制网络出现故障，造成网络整体的稳定性变差。

因此，如何提供一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统，其目的在于解决现有技术中的多SVG运行工况中网络整体不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统，包括：主用控制机箱、备用控制机箱和相控机箱；其中，所述主用控制机箱与所述备用控制机箱相连，所述主用控制机箱和所述备用控制机箱均与所述相控机箱相连；

所述主用控制机箱，用于在主动运行状态下向所述相控机箱发送控制数据，同时向所述备用控制机箱发送冗余备份数据，当发生故障时，根据预设的状态切换原则切换当前运行状态，同时发送冗余状态数据至所述备用控制机箱，并由当前主用控制机箱根据预设的控制机箱切换原则切换为新的备用控制机箱；

所述备用控制机箱，用于在所述主用控制机箱在主动运行状态下时，接收所述冗余备份数据和所述冗余状态数据，并根据所述冗余状态数据判断所述主用控制机箱的故障情况，根据所述故障情况以及预设的控制机箱切换原则切换当前的运行状态；

所述相控机箱，用于获取所述控制数据，并根据所述控制数据控制换流器触发。

优选的，当三相模块数小于144时，所述相控机箱包括1个；

所述主用控制机箱和所述备用控制机箱中均包括千兆口2、千兆口6、千兆口5和千兆口3，所述相控机箱中包括相控千兆口5、相控千兆口6、相控千兆口3和相控千兆口4；

所述主用控制机箱中的千兆口2与所述备用控制机箱的千兆口2相连，用于传输所述冗余备份数据，所述主用控制机箱中的千兆口6与所述备用控制机箱的千兆口6相连，用于传输冗余状态数据，所述主用控制机箱中的千兆口5与所述相控千兆口5相连，所述备用控制机箱的千兆口5与所述相控千兆口6相连，均用于传输调制波数据，所述主用控制机箱中的千兆口3与所述相控千兆口3相连，所述备用控制机箱中的千兆口3与所述相控千兆口4相连，均用于传输录波数据。

优选的，当三相模块数大于144时，所述相控机箱包括2个，分别为相控机箱1和相控机箱2；

所述主用控制机箱和所述备用控制机箱中均包括千兆口2、千兆口6和千兆口5，所述相控机箱1中包括相控1千兆口5、相控1千兆口6和相控1千兆口3，所述相控机箱2中包括相控2千兆口3；

所述主用控制机箱中的千兆口2与所述备用控制机箱的千兆口2相连，用于传输所述冗余备份数据，所述主用控制机箱中的千兆口6与所述备用控制机箱的千兆口6相连，用于传输冗余状态数据，所述主用控制机箱中的千兆口5与所述相控1千兆口5相连，所述备用控制机箱的千兆口5与所述相控1千兆口6相连，均用于传输调制波数据，所述相控1千兆口3与所述相控2千兆口3相连，用于传输调制波数据。

优选的，所述主用控制机箱和所述备用控制机箱中均包括状态读取单元和状态切换单元；

所述状态读取单元，用于获取当前的工作状态，所述工作状态包括退出状态、测试状态、热备状态和主动状态；

所述状态切换单元，用于获取当前的工作状态并根据预设的状态切换原则对所述工作状态进行切换。

优选的，所述状态切换原则包括：

所述主用控制机箱和所述备用控制机箱启动后进行初始化后，所述主用控制机箱和所述备用控制机箱自动切换至退出状态；

退出状态切换至测试状态：退出状态下，若主用控制机箱下发测试命令，则转到测试状态；

测试状态切换至退出状态：测试状态下，若主用控制机箱下发退出命令，则转到退出状态；

退出状态切换至热备状态：退出状态下，若准备命令信号置位，同时没有复位热备状态信号，也没有发禁止切热备命令，则转到热备状态；

热备状态切换至退出状态：热备状态下，若有复位热备状态信号，则转到退出状态；

热备状态切换至主动状态：热备状态下，若有以下任何一个条件成立则自动切换到主动状态；

(1)SVG从机接口装置间通信故障，同时没有允许复位主动命令；

(2)备用控制机箱不为主动状态，同时没有允许复位主动命令；

(3)备用控制机箱的系统正常延时为0，同时没有允许复位主动命令；

主动状态切换至热备状态：主动状态下，没有收到宕机命令，且收到了允许复位主动和切热备状态，同时备用控制机箱为主动状态，则自动切换到热备状态；

主动状态切换至退出状态：主动状态下，若有以下任何一个条件成立则自动切换到退出状态：

(1)收到宕机命令；

(2)备用控制机箱为主动状态，同时收到了允许复位主动命令，没有切热备状态，而且备用控制机箱请求主用控制机箱切换为退出状态、主用控制机箱有故障、或者主用控制机箱的系统正常延时为0。

优选的，所述主用控制机箱和所述备用控制机箱中还均包括故障检测单元和主备控制切换单元；

所述故障检测单元，用于检测主用控制机箱是否存在故障，并将当前是否存在故障的情况发送至所述主备控制切换单元；其中故障类型包括轻微故障、严重故障、紧急故障和宕机故障；

所述主备控制切换单元，用于获取故障情况并根据预设的控制机箱切换原则来控制当前的主用控制机箱和备用控制机箱之间主从的切换。

优选的，在未发生故障的情况下，所述控制机箱切换原则为：

若所述主用控制机箱当前为热备状态，所述备用控制机箱不处于主动状态，则将当前的主用控制机箱自动切换到主动状态；

若需要将当前所述主用控制机箱从主动状态下退出，则需要在主动系统下，切热备状态，当前的备用控制机箱升级为主动状态，当前的备用控制机箱退出为热备状态。

优选的，在故障发生在当前主用控制机箱的情况下，所述控制机箱切换原则为：

若当前主用控制机箱为热备状态，若主用控制机箱和备用控制机箱间通信出现故障，则自动切换到主动状态；当前备用控制机箱接收数据过程故障则判断当前主用控制机箱的通信故障，则当前备用控制机箱自动切换为主用控制机箱，同时请求原主用控制机箱降为新的备用控制机箱；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了紧急故障，则命令当前备用控制机箱切换为主动状态，并令当前主用控制机箱切换到退出状态；当前主用控制机箱紧急故障，则系统正常信号不再置位，当前备用控制机箱自动切换为新的主用控制机箱，完成后原主用控制机箱切换为退出状态；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了严重故障，同时当前备用控制机箱无严重故障，则命令当前备用控制机箱升级为主动状态，当前主用控制机箱退至热备状态；

若当前主用控制机箱在.主动状态下出现了轻微故障，同时备用系统无故障，持续预设时间间隔后，命令当前备用控制机箱升级为主动状态，当前主用控制机箱退出到热备状态；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了宕机故障，则当前主用控制机箱降为退出状态，当前备用控制机箱切到主动状态；

若当前备用控制机箱在热备状态下出现了紧急故障，当前主用控制机箱降至退出状态；

若当前备用控制机箱在热备状态下出现了严重故障，当前主用控制机箱和当前备用控制机箱之间不进行切换；

若当前备用控制机箱在热备状态下出现了轻微故障，当前主用控制机箱和当前备用控制机箱之间不进行切换；

若当前备用控制机箱在热备状态下出现了宕机故障，则当前主用控制机箱降至退出状态。

优选的，在故障仅发生在当前备用控制机箱的情况下，所述控制机箱切换原则为：

在轻微故障和严重故障的情况下，当前主用控制机箱保持主动运行，备用控制机箱保持备用运行；

在紧急故障和系统宕机故障的情况下，当前主用控制机箱保持主动运行，备用控制机箱降至退出状态。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统，其中包括主用控制机箱和备用控制机箱，在主用控制机箱在进行工作的过程中，实时将数据与备用控制机箱进行共享，保证了数据的完整性，并且一旦主用控制机箱发生故障，则可以根据故障情况来完成主用机箱和备用机箱之间的切换，由备用机箱来代替因故障问题不能进行工作的主用控制机箱，以此来维持该系统的正常工作，使控制设备因意外而导致停机的损失降低，有效提高了该系统的稳定性，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的三相模块数小于144时一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统的结构示意图；

图2为本发明提供的三相模块数大于144时一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统的结构示意图；

图3为本发明提供的一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统控制过程中状态切换转移示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种超大功率静止无功补偿装置冗余控制系统，包括：主用控制机箱、备用控制机箱和相控机箱；其中，主用控制机箱与备用控制机箱相连，主用控制机箱和备用控制机箱均与相控机箱相连；

主用控制机箱，用于在主动运行状态下向相控机箱发送控制数据，同时向备用控制机箱发送冗余备份数据，当发生故障时，根据预设的状态切换原则切换当前运行状态，同时发送冗余状态数据至备用控制机箱，并由当前主用控制机箱根据预设的控制机箱切换原则切换为新的备用控制机箱；

备用控制机箱，用于在主用控制机箱在主动运行状态下时，接收冗余备份数据和冗余状态数据，并根据冗余状态数据判断主用控制机箱的故障情况，根据故障情况以及预设的控制机箱切换原则切换当前的运行状态；

相控机箱，用于获取控制数据，并根据控制数据控制换流器触发。

为了进一步实施上述技术方案，如图1所示，当三相模块数小于144时，相控机箱包括1个；

主用控制机箱和备用控制机箱中均包括千兆口2、千兆口6、千兆口5和千兆口3，相控机箱中包括相控千兆口5、相控千兆口6、相控千兆口3和相控千兆口4；

主用控制机箱中的千兆口2与备用控制机箱的千兆口2相连，用于传输冗余备份数据，主用控制机箱中的千兆口6与备用控制机箱的千兆口6相连，用于传输冗余状态数据，主用控制机箱中的千兆口5与相控千兆口5相连，备用控制机箱的千兆口5与相控千兆口6相连，均用于传输调制波数据，主用控制机箱中的千兆口3与相控千兆口3相连，备用控制机箱中的千兆口3与相控千兆口4相连，均用于传输录波数据。

需要说明的是：

冗余模式应用于提出特殊需求的现场，冗余控制系统能够完成主备控制系统之间的切换，提高装置的稳定性。冗余模式下，需要配置三套控制机箱，主控控制机箱、备用控制机箱、相控控制机箱。主控机箱中的FPGA2不再进行单元均压控制和单元通信的管理，相对应的功能下移至相控FPGA2。同时主控机箱和备用控制机箱均不配置光纤插件。正常运行模式下，相控控制系统接收主控A的控制数据，同时主控控制系统B通过千兆口2接收主控控制系统A的冗余数据。当主控控制系统A发生故障时，控制系统会发生主备之间切换。A降为备，B升为主机，相控控制系统接收主控B的控制数据。

在运行过程中，数据一直在传输，当发生故障的时候，将发生故障时段的数据保存下来，转成录波；或者手动触发暂态录波。

为了进一步实施上述技术方案，如图2所示，当三相模块数大于144时，相控机箱包括2个，分别为相控机箱1和相控机箱2；

主用控制机箱和备用控制机箱中均包括千兆口2、千兆口6和千兆口5，相控机箱1中包括相控1千兆口5、相控1千兆口6和相控1千兆口3，相控机箱2中包括相控2千兆口3；

主用控制机箱中的千兆口2与备用控制机箱的千兆口2相连，用于传输冗余备份数据，主用控制机箱中的千兆口6与备用控制机箱的千兆口6相连，用于传输冗余状态数据，主用控制机箱中的千兆口5与相控1千兆口5相连，备用控制机箱的千兆口5与相控1千兆口6相连，均用于传输调制波数据，相控1千兆口3与相控2千兆口3相连，用于传输调制波数据。

需要说明的是：

对于单元模块数大于144的冗余模式，主控控制机箱需要与两套相控机箱进行数据交互，考虑到目前的光纤口配置，如图2所示进行光纤连接。相控机箱不再做单元均压环，仅完成单元脉冲分配功能。

相控机箱2的作用：在三相模块数大于144链的情况下，一台相控机箱仅支持连接144个功率单元模块；当现场需要更大的功率时，就要增加功率单元模块数，因此需要第二个相控机箱，此时相控机箱1即充当中转机箱，将大于144链的其他调制波数据转发给相控机箱2。

为了进一步实施上述技术方案，主用控制机箱和备用控制机箱中均包括状态读取单元和状态切换单元；

状态读取单元，用于获取当前的工作状态，工作状态包括退出状态、测试状态、热备状态和主动状态；

状态切换单元，用于获取当前的工作状态并根据预设的状态切换原则对工作状态进行切换。

为了进一步实施上述技术方案，状态切换原则包括：

主用控制机箱和备用控制机箱启动后进行初始化后，主用控制机箱和备用控制机箱自动切换至退出状态；

退出状态切换至测试状态：退出状态下，若主用控制机箱下发测试命令，则转到测试状态；

测试状态切换至退出状态：测试状态下，若主用控制机箱下发退出命令，则转到退出状态；

退出状态切换至热备状态：退出状态下，若准备命令信号置位，同时没有复位热备状态信号，也没有发禁止切热备命令，则转到热备状态；

热备状态切换至退出状态：热备状态下，若有复位热备状态信号，则转到退出状态；

热备状态切换至主动状态：热备状态下，若有以下任何一个条件成立则自动切换到主动状态；

(1)SVG从机接口装置间通信故障，同时没有允许复位主动命令；

(2)备用控制机箱不为主动状态，同时没有允许复位主动命令；

(3)备用控制机箱的系统正常延时为0，同时没有允许复位主动命令；

主动状态切换至热备状态：主动状态下，没有收到宕机命令，且收到了允许复位主动和切热备状态，同时备用控制机箱为主动状态，则自动切换到热备状态；

主动状态切换至退出状态：主动状态下，若有以下任何一个条件成立则自动切换到退出状态：

(1)收到宕机命令；

(2)备用控制机箱为主动状态，同时收到了允许复位主动命令，没有切热备状态，而且备用控制机箱请求主用控制机箱切换为退出状态、主用控制机箱有故障、或者主用控制机箱的系统正常延时为0。

为了进一步实施上述技术方案，主用控制机箱和备用控制机箱中还均包括故障检测单元和主备控制切换单元；

故障检测单元，用于检测主用控制机箱是否存在故障，并将当前是否存在故障的情况发送至主备控制切换单元；其中故障类型包括轻微故障、严重故障、紧急故障和宕机故障；

主备控制切换单元，用于获取故障情况并根据预设的控制机箱切换原则来控制当前的主用控制机箱和备用控制机箱之间主从的切换。

需要说明的是：

冗余模式下，每套SVG装置配置两套协调控制器。主协调控制器与备协调控制器同时给SVG发送控制数据和状态数据，从机SVG根据协调控制器下发的主备状态进行数据选择。从机SVG进行主备切换过程中出现双主或者双备的逻辑防误处理。从机SVG判断的原则为后主为主。

冗余控制系统一共可分为四种运行状态，分别为测试(TEST)、退出(OFF)、热备(STANDBY)和主动(ACTIVE)；OFF状态时，控制系统正常工作并采样，但所有出口都是禁止的；STANDBY状态时，从主动状态的控制机箱实时同步更新重要数据，具备随时切换为主动状态的条件；双重冗余的控制系统正常情况下运行于一主一热备的状态；在测试状态下，进行自检测试。主系统用于控制换流器触发，备系统保持运行状态，但禁止其出口。若主系统发生异常，备主系统切换为新的主系统，故障系统(原来的主系统)在重新投入前，须进行检查。在本实施例中：

数据通道：控制装置的切换逻辑在SVG的DSP中实现，AB套间的切换通信通道为CPU插件的TX5/RX5，可考虑开发双通道数据冗余。冗余模式下，协调从机最多支持4台。

状态切换原则：稳态运行时，A、B套最多只允许一个为Active状态，在执行切换的瞬间，允许两个都是Active，或者双OFF，且这种情况持续时间不超过5ms。

为了进一步实施上述技术方案，在未发生故障的情况下，控制机箱切换原则为：

若主用控制机箱当前为热备状态，备用控制机箱不处于主动状态，则将当前的主用控制机箱自动切换到主动状态；

若需要将当前主用控制机箱从主动状态下退出，则需要在Active系统下，Set_STBY，当前的备用控制机箱升级为主动状态，当前的备用控制机箱退出为热备状态。

为了进一步实施上述技术方案，在故障发生在当前主用控制机箱的情况下，控制机箱切换原则为：

若当前主用控制机箱为热备状态，若主用控制机箱和备用控制机箱间通信出现故障，则自动切换到主动状态；当前备用控制机箱接收数据过程故障则判断当前主用控制机箱的通信故障，则当前备用控制机箱自动切换为主用控制机箱，同时请求原主用控制机箱降为新的备用控制机箱；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了紧急故障，则命令当前备用控制机箱切换为主动状态，并令当前主用控制机箱切换到退出状态；当前主用控制机箱紧急故障，则系统正常信号不再置位，当前备用控制机箱自动切换为新的主用控制机箱，完成后原主用控制机箱切换为退出状态；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了严重故障，同时当前备用控制机箱无严重故障，则命令当前备用控制机箱升级为主动状态，当前主用控制机箱退至热备状态；

若当前主用控制机箱在.主动状态下出现了轻微故障，同时备用系统无故障，持续预设时间间隔后，命令当前备用控制机箱升级为主动状态，当前主用控制机箱退出到热备状态；

若当前主用控制机箱在主动状态下出现了宕机故障，则当前主用控制机箱降为退出状态，当前备用控制机箱切到主动状态；

若当前主用控制机箱在热备状态下出现了紧急故障，当前主用控制机箱降至退出状态；

若当前主用控制机箱在热备状态下出现了严重故障，当前主用控制机箱和当前备用控制机箱之间不进行切换；

若当前主用控制机箱在热备状态下出现了轻微故障，当前主用控制机箱和当前备用控制机箱之间不进行切换；

若当前主用控制机箱在热备状态下出现了宕机故障，则当前主用控制机箱降至退出状态。

为了进一步实施上述技术方案，在故障仅发生在当前备用控制机箱的情况下，控制机箱切换原则为：

在轻微故障和严重故障的情况下，当前主用控制机箱保持主动运行，备用控制机箱保持备用运行；

在紧急故障和系统宕机故障的情况下，当前主用控制机箱保持主动运行，备用控制机箱降至退出状态。

需要说明的是：

状态切换转移图如图3所示。

冗余切换的过程根据主用控制机箱的故障等级进行，需要对主用控制机箱运行过程中出现的故障进行详细故障等级的划分。不同的故障等级产生不同的切换结果。根据对系统控制的影响程度故障可分为四个等级：轻微故障(MF，Minor Fault)、严重故障(SF，Severe Fault)、紧急故障(EF，Emergency Fault)、宕机故障(STALL)。系统出现不同等级的故障时，将按上一节的切换机制进行切换，以保证最健康的系统处于运行状态。

在一主一备状态运行时(以A机为主用控制机箱，B机为备用控制机箱)，某一系统发生故障时的切换逻辑如表1所示：

表1

切换操作如表2-3所示：

A机操作：

表2

B机操作：

表3

上表中SYS_OK表示系统正常信号。

当A、B两套控制系统一套为主动状态，另一套为停机或检修状态，即单套运行时，控制主机发生故障的切换逻辑如表4所示：

表4

与现有技术相比，本发明：

(1)在超高压电网系统中，为增强对电网电压的控制和稳幅能力，对百兆级SVG装置的需求逐渐推显出来。本发明提出的控制器冗余控制策略适用于48链以上(模块数大于144)的超大功率SVG应用工况，可以有效提高装置的稳定性和安全性；

(2)本发明提出的冗余控制系统，包含冗余设计控制器和冗余控制算法；冗余控制器的设计通过增加硬件冗余装置提高了可靠性；通过冗余设计算法保证装置间核心控制数据的同步，且在主机发生故障时自动切换到备用装置；

(3)本发明提出的主从控制器的组成方式，保证了任意一个控制器失效后，剩余的控制控制装置仍然可以完成所有的控制功能，并通过冗余控制算法实现系统的平滑过渡切换，保证SVG设备的平稳运行；

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。