用于在HVDC电力传送系统中通信的方法、控制器单元和计算机程序产品

摘要

本发明涉及在变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)中用于在包括两个或更多互连的变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)的DC电力传送系统(1)内通信的方法(60)。方法(60)包括如下步骤：在变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)中接收(61)用于同步两个或更多变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)的同步信号；在变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)中获得(62)通信时隙(TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50)的分配；在变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)中在通信时隙(TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50)期间改变(63)设置点DC电压电平；以及在变流器站(2a、2b、2c、2d、2e、2f)中在不同于通信时隙(TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50)的时隙中测量(64)DC电流的改变。因而提供利用DC电力传送系统自身的通信方法。

说明书

技术领域

本发明一般涉及HVDC电力传送系统的领域，并且具体地说，涉及这种系统中的通信。

背景技术

HVDC(高电压直流)是用于在长距离上传送电力的证明良好的技术，并提供了更常规AC传送的替换方案。大多数HVDC电力传送系统包括点对点连接，但包括多终端连接HVDC电力传送系统(特别是对于基于电压源的HVDC变流器)正在受到越来越多的关注并且处于飞快的发展之下。

在HVDC电力传送系统中，最重要的是能够在这些终端之间、即这些变流器站之间建立通信。在多终端系统中情况尤其是如此，原因在于这种系统相比点对点系统需要一定程度上更复杂的控制方案。在多终端系统中，诸如例如平衡不同变流器站之间的功率数量级(power order)、管理变流器站之间的过载并重新分配功率等方面更为复杂，这是因为具体变流器站可互连到多于一个其它变流器站。

因而，这些变流器站之间的通信包括：例如交换诸如功率调度数量级(power scheduling orders)和功率电平等控制数据。通信部件常规上包括单独的外部数据通信系统和/或电信网络，所有变流器站连接到所述外部数据通信系统和/或电信网络上并可借助外部数据通信系统和/或电信网络来交换控制数据。

HVDC电力传送系统必须甚至在数据通信系统和/或电信网络出故障的情况下也能够操作，并且因此设计用于这种情况。然而，没有外部通信部件将导致如下情形：其中这些变流器站不得不依赖于备份方案，例如利用估计、非更新控制数据和/或仅基于在相应变流器站可得到的数据的控制数据。为了操作HVDC电力传送系统，仅基于本地信息显然差于最优，并且因此在变流器站之间交换控制数据针对获得HVDC电力传送系统的最优操作更为符合需要。

在A. Tuladhar和H. Jin的“A novel control technique to operate DC/DC converters in parallel with no control interconnections”中，描述了用于载荷共享的控制方法。小AC电压被注入到系统中，并用作控制信号。然而，这种方法在高电压侧上将需要用于将高频载波信号调制到传送线上的昂贵设备。另外，这种方法在具有到地的高线电容的大DC电网中是不实际的，其将需要高注入功率电平。

根据上文清楚的是：将期望能够减轻对于外部通信部件(诸如单独数据通信系统和/或电信系统)的需要和依赖。

发明内容

本发明的一般目的是提供用于实现HVDC电力传送系统中通信、用于克服或至少减轻上面提到的现有技术缺点的部件和方法。

除了其它的之外，这个目的由独立权利要求中所述的方法、控制器和计算机程序产品来实现。

根据本发明的一实施例，提供一种在变流器站中用于在包括两个或更多互连的变流器站的DC电力传送系统内通信的方法。所述方法包含如下步骤：在变流器站中接收用于同步两个或更多变流器站的同步信号；在变流器站中获得通信时隙的分配；在变流器站中在通信时隙期间改变设置点DC电压电平；以及在变流器站中在不同于所述通信时隙的时隙中的DC电流的改变。当变流器站同步时，通过在通信时隙中改变设置点DC电压电平，并测量对应的电流改变，可在变流器站之间传递信息，而无需使用外部通信系统。另外，通过本发明，消除了对用于在HVDC电力传送系统的变流器站之间交换相关信息的外部通信网络的需要和依赖。相反，可通过内部通信方法交换信息，这改进了HVDC电力传送系统中例如控制信息交换的可靠性。在现有DC电力传送系统中可容易地实现该通信方法。另外，与实现该方法相关的成本被保持在最低。

根据本发明的另一实施例，所述同步包括将全球定位系统利用向变流器站传送时间参考，或将主变流器站设置成向这些变流器站传送同步信号。通过利用现有且准确的同步部件，诸如全球定位系统，需要小投资成本，同时仍获得充分准确性。

根据本发明的另一实施例，在所述测量步骤中在变流器站测量的改变用于导出距已经在其设置点DC电压电平方面进行改变的变流器站的距离。

根据本发明的另一实施例，该方法包括如下步骤：在指定的通信时隙期间调制设置点DC电压电平，由此在两个或更多变流器站之间交换包括数字控制信息的调制信号。

在以上实施例中，数字控制信息可包括与期望电压电平的偏差，并且所述方法因而可包括如下另外步骤：在变流器站中接收控制信息、调整设置点DC电压电平以便满足传送所述控制信息的变流器站的偏差。因而，快速获得在变流器站之间共享的有效负载，而无需使用外部通信网络。

根据以上实施例的另外特征，调制信号的持续时间给出了关于调整设置点DC电压电平的紧迫性和/或电压电平的实际或期望幅度的信息。

根据本发明的另一实施例，所述方法包括如下另外步骤：在DC电力传送系统的至少一个点中测量由于改变设置点DC电压电平的步骤引起的电流改变。通过这个特征，提供了DC电力传送系统的状态估计的改进方式。具体地说，因为借助本发明能够实现DC电力传送系统中的实时测量，因此可进行快速重新分派，并且例如可避免一连串意外事件和过载情形。

在以上实施例中，使用两点，并且它们可包括DC电力传送系统的传送线的相应端。如果使用两个这种点，则便于差分保护。

根据本发明的另一实施例，所述方法包括如下另外步骤：将测量的电流改变与对所述电流改变具有最大影响的变流器站相关。借助这个特征，例如大大降低了传送线变成过载的风险。

根据本发明的另一实施例，所传递的信息包括如下项中的一项或多项：与期望电压电平的偏差、相应AC网络的频率、对所有所述变流器站而言公共的信号、诸如所述DC电力传送网络内的负载等级、主导节点电压或相应变流器站内的负载等级。因而可在变流器站之间交换与电力传送系统操作相关的各种信息。

本发明还包含计算机程序产品和控制器单元，由此实现了对应于上述内容的优点。

在阅读如下描述和附图之后，其另外特征和优点将变得明显。

附图说明

图1示意性示出了可在其中实现本发明的HVDC电网。

图2示出了变流器站之间的示范通信交换。

图3示出了稳定状态参考。

图4示出了根据本发明一实施例的步骤上的流程图。

图5在另一示意性例证中示出了图1的HVDC电网。

图6示出了根据本发明一实施例使用的变流器站之间的相关。

具体实施方式

本发明有利地实现在DC电力传送系统中，优选在电压源变流器HVDC系统中，其在下文描述中被称为HVDC电网，并且参考这种HVDC电网对本发明进行描述。

图1示意性示出了HVDC电网1，HVDC电网1包括以任何配置(例如星形网络或具有任何多边形配置)互连的6个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f。要认识到，在HVDC电网1中可包含任何数量的变流器站。变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f包括将DC变换成AC的逆变器和/或将AC变换成DC的整流器。也可包含常规上在HVDC电网内用于实现DC电力传送但不形成本发明一部分的其它组件和部件，但为了简洁起见从描述和附图中省略了。

变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f优选是基于电压源的变流器，并且包括可连接到AC网络4a、4b、4c、4d、4e的AC侧3a、3b、3c、3d、3e、3f。要注意，可能存在其它数量的AC网络。变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f还包括可连接到DC传送网络6以便进行电力传送的DC侧5a、5b、5c、5d、5e、5f。变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f可如所提到的那样以任何适当方式互连。

变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f可通过电力传送线、也称为缆线或通过架空线以已知方式互连。这种电力传送线允许电力传送，并且图1中未明确示出。

每个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f都包括本地控制器单元，以相应变流器站的附图标记6a、6b、6c、6d、6e、6f示出本地控制器单元。控制单元除了其它之外还能够实现变流器站中的功率调节和/或电压调节。本地控制器单元例如可以是包括能够实现期望控制功能的适当软件指令的通用计算机。

根据本发明，HVDC电网1自身用于通信。也就是说，可完全省略对外部通信系统(附图中未示出)的使用，或者可使用这种外部通信系统作为附加通信部件，但不专门依赖所述外部通信系统用于通信。

根据本发明，所有变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f都由外部时钟同步，例如通过利用全球定位系统(GPS)向所有变流器站传送时间信息。以附图标记7a、7b、7c、7d、7e、7f示意性示出了同步部件。在备选实施例中，主变流器站设置成同步所有变流器站。主变流器站例如可传送双脉冲或其它信号形式的同步信号以便同步变流器站。要认识到，可选择同步若干变流器站的仍有的其它备选方式。

根据本发明，还向每个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f指定了其自己的时隙。也就是说，时域被分成多个固定长度的循环时隙(recurring timeslots)，每个变流器站一个。例如，在包括6个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f的所示出例示HVDC电网1中，每分钟可向每个变流器站指配10s的时隙，这些时隙分别称为TS00、TS10、TS20、TS30、TS40和TS50。因而，在时分复用方式中，可将该时隙视为通信信道。

在变流器站中在其时隙中在DC电压电平控制上进行小的设置点改变，例如0.1%或更小。在一个变流器站中在控制器单元中进行的电压改变由其它变流器站测量，这是因为其它变流器站的控制器单元知道另一变流器站正在调制信号。具体地说，因为变流器站的控制器单元知道信号被调制，因此它可在电压改变发生的同时命令测量电流中的对应改变。

要注意，相隔很远的变流器站由于控制中的噪声而可能无法“听到”彼此，而彼此定位得很近的变流器站将具有清晰而明显的信号。

数字信息现在可被调制到这个时隙上，这个时隙可被视为内部通信信道。例如，可交换关于电压电平数量级(order)的信息，一个变流器站指示需要升高电压或需要降低电压，而另一个变流器站指示没有变更其电压电平的需要。定位得很近的变流器站然后可通过在它们的设置点中进行小的调整来对其邻居的需要进行响应。

关于可在变流器站之间交换的控制信息(或控制数据)的另外示例例如包括与期望AC或DC电压电平的偏差、相应AC网络的频率以及对所有变流器站而言公共的信号，例如HVDC电网1内的负载等级或主导节点电压或具体变流器站的负载等级。

图2示出了变流器站之间的示范通信交换。采用早先提到的示例(其中每分钟向每个变流器站指配了10s的时隙)，变流器站2a称为00站，变流器站2b称为10站，变流器站2c称为20站，变流器站2d称为30站，变流器站2e称为40站，并且变流器站2f称为50站，因而，该命名参考相应时隙或通信信道的起始点。

参考图2，00站(即变流器站2a)的时隙TS00包括同步信号，后面是期望的控制数据。下一时隙、即10站(即变流器站2b)的时隙TS10包括同步信号，后面是控制数据。20站的时隙TS20同样包括同步信号和控制数据，以此类推。在图2中示出的例示控制数据中，00站的控制数据例示了00站升高其电压电平的需要，10站的控制数据例示了10站降低其电压电平的需要，并且20站的控制数据例示了20站处于适当电压电平上。

要注意，为了例证本发明而使用上述10s的时隙。可根据系统内的需要和要求来适当地调节时隙的长度。

在本发明的一实施例中，调制信号的持续时间t_d是实际值的度量本身。这可用任何适当方式实现，例如通过让时隙的总持续时间对应于最小电压与最大电压之间的电压间隔。

另外，在一实施例中，调制信号的持续时间t_d给出关于增大或减小电压电平的紧迫性和/或电压电平的实际幅度或期望幅度的信息。在图2中，时隙00中的调制信号的持续时间t_d,00(即控制数据持续时间)比时隙10中的调制信号的持续时间t_d,10长。变流器站2a增大其电压电平的需要因而比变流器站2b降低其电压电平的需要更为紧迫。

可相对于稳定状态参考来设置电压电平的升高或降低，使得在最大额定值的逆变器想要具有允许的最大DC电压电平，并且在最大输出的整流器想要具有“更低”电压电平，通常是低5%。图3对此进行了例证：引入稳定状态参考ref_ss。两个变流器站CS1和CS2在期望的线之上，即在稳定状态参考ref_ss之上，这例如是由初级控制引起的。也就是说，工作点在稳定状态参考ref_ss之上可能是已由初级控制引起的。在这种情形下，在另外的偶然事故的情况下变流器站易受到达到最大DC电压电平的危险。如果两个变流器站略微向下缓慢调整它们的设置点，则能确保所有变流器站都处于良好操作位置。

为了实现本发明，需要向变流器站提供用于及时同步它自己的部件，以及检测、传送和解释在这些时隙中调制的控制信息的部件、即用于调制和解调的部件。用于同步的部件可包括GPS信号的接收器，如早先提到的。用于检测和解释的部件可包括软件和设置成执行软件的软件代码部分的适当处理器，所述软件代码部分实现检测和解释步骤。控制器单元可适合于执行以上步骤。

要注意，根据本发明进行的DC电压电平的调制不需要暗示AC侧3a、3b、3c、3d、3e上的改变。理论上，当脉宽调制(PWM)变换被调制为“电抗后面的电压源”时，存在如下可能性：同时改变调制指数、PWM角度、较高谐波调制和DC电压设置点，以及使恒定有效功率P和无功功率Q注入到AC电网中。例如在“Improvement of Pulse Width Modulation Techniques” (作者是G. Buja和 G. Indri, Padova, Archiv fur Elektrotechnik 57 (1975) p281-289)中可发现如下描述：向PWM模式添加第三谐波以便调整基础AC电压。

存在许多关于可应用上述方法的情形的示例，并且其中它可用于改进对DC电网的控制。在下文，参考具体示例例证上述通信方法。然而，要认识到，本发明的通信方法大多数情况下也可用于其它情形。

使用下垂控制策略(droop control strategy)作为用于处置DC电网中突变的初级控制手段的DC电网需要一种方式来在下垂调节已经中止该改变之后将电压电平恢复到期望电平。工作点的这种恢复经常被称为次级控制。要注意，提供通信方法的本发明特别适合于处置这种次级控制问题。具有频率控制的下垂调节的AC电网可利用该频率在全局可用并同步的事实，使用其以便重新调度电力产生。相比之下，在DC电网中，尤其是不能忽略阻抗的大DC电网中，没有这种公共信号可用，这是因为在每个变流器站仅能测量局部电压。相反，在DC电网中的控制例如依赖于引入死区和主导节点调节(pilot node regulation)以及外部通信。

与上面也描述过的现有技术解决方案相比较，本发明提供了上述情形中恢复工作点的改进方式。具体地说，变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f可通过使用本发明的通信方法交换电压电平信息并相应地调整它们的设置点。

图4示出了根据本发明的步骤上的流程图。可在变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f中(例如在其控制单元中)实现用于DC电网1内通信的方法60。DC电网1包括两个或更多互连的变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f，它们例如可通过传送线互连。

方法60包括第一步骤：在变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f中接收61同步信号。同步信号用于同步两个或更多变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f。如早先提到的，这个同步可以任何适当方式执行，例如通过利用GPS信号。

方法60包括第二步骤：在变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f中获得62在其中传送信息的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50的分配。可以任何适当方式执行通信时隙的分配。变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f可按某一预定顺序布置，其中变流器站表示为以时分方式具有第一通信时隙的第一变流器站、在时分的信道中具有第二通信时隙的第二变流器站，以此类推。如早先提到的那样，调节循环的通信时隙的数量以适合于所讨论的具体DC电网，例如取决于变流器站的数量。一旦变流器站已经接收到同步信号，它因而就可获得指定的通信时隙，然后知道在哪个通信时隙中传送信息。

方法60包括第三步骤：在变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f中在通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50期间改变63设置点DC电压电平。每个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f都可在其相应指定的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50期间改变设置点DC电压电平，然而要注意，并不是所有变流器站都需要改变其设置点DC电压电平。例如，如果变流器站在最优电平操作，并且因而没有必要例如调整其DC电压电平，则在其时隙中指示没有改变需要。

该方法包括在变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f中在不同于通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50的时隙中测量64 DC电流改变的第四步骤。

每个变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f在不同于它自己的指定的通信时隙的时隙中测量由于改变的设置点DC电压电平而引起的DC电流的改变。也就是说，使变流器站知道何时预计数据通信并测量DC电流改变。然后解释DC电流改变，并且为了传送变流器站的需要，例如可进行设置点调整。

通过在指定的通信时隙中改变和测量设置点DC电压电平，当变流器站同步时，可在变流器站之间传递信息，而无需使用外部通信系统。

在一实施例中，在测量64步骤中在变流器站测量的DC电流改变用于导出距已经在其设置点DC电压电平上进行改变的变流器站的距离。

方法60包括如下另外步骤：在指定的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50期间调制65设置点DC电压电平，由此在两个或更多变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f之间交换包括数字控制信息的调制信号。

数字控制信息可包括与期望电压电平的偏差，并且方法60可包括如下另外步骤：在变流器站中接收控制信息，调整66设置点DC电压电平以便满足传送控制信息的变流器站的偏差。另外，在一个实施例中，调制信号的持续时间t_d给出了关于调整设置点DC电压电平的紧迫性的信息。另外，持续时间t_d也可以是实际值本身的度量或与实际值成比例。持续时间t_d也可以是信号的期望幅度的度量或与信号的期望幅度成比例。

在方法60中，在变流器站之间传递的信息可包括如下项中的一项或多项：与期望电压电平的偏差、相应AC网络的频率、对所有所述变流器站而言公共的信号、诸如HVDC电网1内的负载等级或主导节点电压或相应变流器站内的负载等级。

在下文，示出了可在其中应用本发明通信方法的另一情形。

图5示意性示出了图1的多终端HVDC电网1。示意性示出了两个传送线，线AB和CD，没有显示为以任何具体方式互连。还示出了变流器站00(对应于变流器站2a)、变流器站10(对应于变流器站2b)等。在此实施例中，变流器站注入可由不同电流传感器测量的干扰，在图中以附图标记71-78指示。变流器站00在其时隙上在DC电压电平控制上进行小的设置点改变。这种改变导致整个HVDC电网1上的电流改变。可测量通过每个传送线的改变，并且将其与对电流流动具有最大影响的变流器站相关。例如可由常规现有变流器执行这些测量。通过使用该通信方法，然后可迅速限制对通过具体线的功率流具有最大影响的变流器站中的功率，并且尤其是在不需要管理HVDC电网设置点的外部SCADA(监管控制和数据获取)系统的情况下。

图6示出了上述内容的示例，具体地说，该图示出了变流器站之间的相关。变流器站00在其时隙TS00中在DC电压电平控制上注入干扰，即小的设置点。测量传送线AB(参考图5)中的电流I_AB，并且同样，测量传送线CD(再次参考图5)中的电流                                               。在时隙TS10中，变流器站10注入小的干扰，并且，由电压改变引起的电流改变得到测量。通过遵循由于DC电压改变对HVDC电网中电流造成的影响，有可能使对线电流具有最大影响的变流器站相关。在所示出的示例中，可以确定由变流器站00注入的干扰与由传送线CD注入的干扰之间存在强耦合以及由变流器站10注入的干扰与由传送线AB注入的干扰之间存在强耦合。如果确定需要限制对流过传送线CD的功率具有最大影响的变流器站00的功率，则可迅速进行该动作。

通过这个实施例，有可能在HVDC电网1中进行实际的实时测量，并迅速采取适当行动。本发明使得有可能通过测量直接导出HVDC电网1的状态。与此相反，例如执行状态估计的现有技术方式需要从所有变流器站收集数据，并在中央位置处理数据。因而，本发明能够实现直接状态测量，并由此消除了外部状态估计的需要，这例如可迅速防止过载情形。

要注意，如果使用外部通信系统并失效了，则现有线保护将最终在适当时间使过载的传送线跳闸，这将是没有这个特征的情况。三级(人工)监管在大多数情况下将避免由于过载引起的传送线跳闸。然而，在本发明的实施例中，实现结合在次级控制中的功能。

再次参考图4和本发明的以上方面，方法60可包括如下另外步骤：在HVDC电网1的至少一点AB、CD中测量67由于改变设置点DC电压电平的步骤而引起的电流改变。如果在两点中进行该测量，则它们可包括HVDC电网1的传送线的相应端。如果在传送线的两端进行测量，则便于差分保护。

方法60还可包括如下步骤：将测量的电流改变与对该电流改变具有最大影响的变流器站相关，如参考图6所描述的那样。

本发明还可作为计算机程序产品12来提供，计算机程序产品12包括携载计算机程序代码的计算机可读部件，诸如携载上面提到的程序代码的存储器，比如CD ROM盘或记忆棒。当载体被加载到计算机中时，计算机程序产品的程序代码执行本发明的功能性。该功能性还可在服务器中提供，并从那个地方下载到充当控制器单元的计算机。

具体地说，提供计算机程序产品12用于实现包括两个或更多互连的变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f的DC电力传送系统1内的通信。计算机程序产品包括携载计算机程序代码的计算机可读部件，并且所述程序代码配置成：

-处置接收的同步信号以便同步两个或更多变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f；

-获得指定的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50的分配；

-在指定的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50期间改变设置点DC电压电平；以及

-在不同于指定的通信时隙TS00、TS10、TS20、TS30、TS40、TS50的时隙中测量DC电流的改变。

本发明还包含用于实现DC电网1中通信方法的变流器站2a、2b、2c、2d、2e、2f的控制器单元6a、6b、6c、6d、6e、6f。控制器单元6a、6b、6c、6d、6e、6f因而包括例如用于执行所述方法的计算机程序产品12的部件。