一种柔性直流系统的快速保护装置和保护方法与流程

本发明涉及柔性直流系统(本申请所述的柔性直流系统包括柔性直流输电系统和柔性直流配电系统)的快速保护装置和实现方法，属于柔性直流输电/配电网及设备技术领域。

背景技术：

柔性直流输电系统的保护系统，其主要任务是保护柔性直流换流设备的运行安全，快速、可靠的隔离故障，降低换流设备被损坏的风险。随着柔性直流输电系统的容量需求不断扩大，主回路架构基于模块化多电平(MMC)方法柔性直流换流器的容量和电压等级也越来越高。柔性直流换流器的容量和电压等级提高后，使得在发生换流器短路等内部故障后，故障电流的上升非常快(每微秒故障电流会增大几安培)，那么故障发生一毫秒后故障电流就会增大到几千安培；同时，柔性直流换流设备的过流能力相对较低。这样故障发生后就严重威胁到了换流设备的安全，需要柔性直流保护装置在百微秒的时间内判别出故障并发出隔离故障的指令。

目前国内外关于柔性直流输电快速保护及其工程化应用的研究还处于起步阶段，实际应用工程实例较少。其研究重点为柔性直流输电系统保护区域划分和保护功能配置方面，未对快速保护的实现做重点研究。换流器差动保护、直流差动保护、低压过流等快速保护快速性、可靠性关系到换流设备的安全以及柔性直流输电网的可靠运行。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的是为了提供一种柔性直流输电系统的快速保护装置和实现方法。本申请充分发挥FPGA(现场可编程门阵列)的快速数据处理及逻辑处理能力，进行高速采样和快速保护逻辑处理；光纤接口插件对两个处理单元动作信息进行综合判别，可以有效防止单个元件故障导致的误动，提高系统的可靠性；光纤接口插件通过光纤的方式与换流器单元或直流断路器进行通讯，可以进一步提高柔性直流系统隔离故障的速度。

为了实现上述目的，可以通过采用如下技术方案达到：

一种柔性直流系统的快速保护装置，其特征在于：

所述快速保护装置包括两套冗余设置的硬件模块，两套冗余设置的硬件模块针对同一保护设备分别独立进行保护逻辑判断，快速保护装置综合两部分的判断结果生成最终的保护指令下发给柔性直流输电系统中的换流器控制单元或直流断路器。

所述柔性直流系统的快速保护装置，包括第一数据采集模块、第二数据采集模块、第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA和光纤接口插件；其特征在：

所述第一数据采集模块的输出端与第一现场可编程门阵列FPGA的输入端相连；

所述第二数据采集模块的输出端与第二现场可编程门阵列FPGA的输入端相连；

所述光纤接口插件通过内部数据总线分别与第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA的输出端相连；

第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA分别配置桥臂电抗器差动保护元件、桥臂差动保护元件、直流低压过流保护元件；

所述第一数据采集模块和第二数据采集模块各自独立采集直流系统保护数据，并分别上传至第一现场可编程门阵列FPGA和第二现场可编程门阵列FPGA，其中，所采集的保护数据分别为换流器阀侧三相电流、换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流以及直流母线电流和电压；

第一现场可编程门阵列FPGA和第二现场可编程门阵列FPGA基于接收到的保护数据分别进行换流器桥臂电抗器差动保护、换流器桥臂差动保护、直流低压过流保护的逻辑运算，当逻辑运算结果满足所设置保护元件动作阈值时该保护元件动作，可编程门阵列FPGA发出相应保护元件的动作出口指令即保护判别结果，并将该保护判别结果上传至光纤接口插件；

所述光纤接口插件两个现场可编程门阵列的判别结果进行综合判别，然后通过光纤将保护的出口命令下发给柔性直流输电系统中的换流器控制单元或直流断路器。

本发明还进一步包括以下优选方案：

所述第一数据采集模块和第二数据采集模块通过模数转换模块ADC或通过光纤同步采集换流器阀侧三相电流、换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流、直流母线电流和电压信号。

当所述快速保护装置用于高压直流输电系统中时，所述光纤接口插件对于第一和第二现场可编程门阵列FPGA上传的保护判别结果采用“与门”出口方式，即只有两个可编程逻辑门阵列中相同的保护元件动作后，光纤接口插件才将动作出口命令通过光纤传递给换流器控制单元或直流断路器；

当所述快速保护装置用于直流配电网系统中时，所述光纤接口插件对于第一和第二现场可编程门阵列FPGA上传的保护判别结果采用“或门”出口方式，即两个可编程逻辑门阵列中任何一个保护元件动作后，光纤接口插件就将动作出口命令通过光纤传递给换流器控制单元或直流断路器。

本申请还公开了一种基于前述快速保护装置的柔性直流系统保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：第一数据采集模块和第二数据采集模块同时采集柔性直流系统中的电流、电压信息，并分别上传至第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA中；

步骤2：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收的换流器阀侧三相电流以及换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流数据分别判断桥臂电抗器差动保护的差流是否大于设定的桥臂电抗器差动电流阈值，如果大于则桥臂电抗器差动保护元件动作，可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即桥臂电抗器差动保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；

步骤3：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收的换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流以及直流母线电流数据分别判断桥臂差动保护的差流是否大于设定的桥臂差动电流阈值；如果大于则桥臂差动保护元件动作，相应的可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即桥臂差动保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；

步骤4：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收直流母线电压、直流母线电流数据判断是否出现直流低电压且过电流；如果出现则直流低压过流保护元件动作，相应的可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即直流低压过流保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；

步骤5：所述光纤接口插件通过内部总线数据接收第一或第二可编程逻辑阵列FPGA上传的保护判别结果即可编程逻辑阵列FPGA分别计算的各保护元件动作出口指令；

步骤6：光纤接口插件判断采用“与门”出口方式还是“或门”出口方式，当采用“与门”出口方式时，进入步骤7；当采用“或门”出口方式时，进入步骤8；

步骤7：只有第一和第二可编程逻辑阵列FPGA中相同的保护元件动作时，光纤接口插件才开放快速保护装置的动作出口指令进入步骤9，否则闭锁快速保护装置的动作出口指令返回步骤1；

步骤8：第一和第二可编程逻辑阵列FPGA中任一保护元件动作，光纤接口插件均开放快速保护装置的动作出口指令进入步骤9，否则返回步骤1；

步骤9：光纤接口插件通过光纤将快速保护装置的动作出口指令传递给换流器控制单元或直流断路器，换流器控制单元或直流断路器实现直流系统的停运和故障的隔离。

本申请具有如下突出的有益效果：

1、采用数据采集模块+FPGA现场可编程门阵列的组合，充分利用FPGA的高速并行处理能力，大大提高了数据采样速率和保护逻辑处理速度，很便利的实现快速保护逻辑的处理。2、采用两个现场可编程门阵列进行快速保护的逻辑判别并将判别结果通过内部总线传送到光纤接口插件；在光纤接口插件对两个现场可编程门阵列的判别结果进行综合判别。当用于高压直流输电系统中时，为了保证保护动作的可靠性，可在光纤接口插件上对两个现场可编程门阵列的判别结果进行“与”门处理；当用于柔性直流配电网系统中时，可在光纤接口插件上对两个现场可编程门阵列的判别结果进行“或”门处理。3、采用光纤接口插件与MMC控制单元以及直流断路器进行控制命令的下发和设备状态的采集，有利于柔性直流输电系统的扩展，可靠性和可扩展性较高。

附图说明

图1为本申请柔性直流系统的快速保护装置的结构示意图；

图2为柔性直流输电系统的一次架构及模拟量测点布置示意图；

图3为本申请柔性直流系统快速保护方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本申请的技术方案做进一步详细介绍。

本申请公开的柔性直流系统的快速保护装置包括两个现场可编程门阵列、两个数据采集模块、一个光纤接口插件；首先由所述数据采集模块通过ADC或光纤进行数据采集，并将采集到的数据分别传递给两个现场可编程门阵列；其次两个现场可编程门阵列进行快速保护的逻辑判别，并将判别结果通过内部总线传送到光纤接口插件；最后光纤接口插件对两个现场可编程门阵列的判别结果进行综合判别，通过光纤将保护的出口命令传递给换流器控制单元或直流断路器。其中上述快速保护包括但不限于桥臂电抗器保护、桥臂差动保护、直流低压过流保护等。

具体参见附图1，所述柔性直流系统的快速保护装置包括第一数据采集模块、第二数据采集模块、第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA和光纤接口插件。所述第一数据采集模块的输出端与第一现场可编程门阵列FPGA的输入端相连；所述第二数据采集模块的输出端与第二现场可编程门阵列FPGA的输入端相连；所述光纤接口插件通过内部数据总线分别与第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA的输出端相连；第一现场可编程门阵列FPGA、第二现场可编程门阵列FPGA分别配置桥臂电抗器差动保护元件、桥臂差动保护元件、直流低压过流保护元件；所述第一数据采集模块和第二数据采集模块各自独立采集直流系统保护数据，并分别上传至第一现场可编程门阵列FPGA和第二现场可编程门阵列FPGA，其中，所采集的保护数据分别为换流器阀侧三相电流、换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流以及直流母线电流和电压(参见附图2所示)。

第一现场可编程门阵列FPGA和第二现场可编程门阵列FPGA基于接收到的保护数据分别进行换流器桥臂电抗器差动保护、换流器桥臂差动保护、直流低压过流保护的逻辑运算，当逻辑运算结果满足所设置保护元件动作阈值时该保护元件动作，可编程门阵列FPGA发出相应保护元件的动作出口指令即保护判别结果，并将该保护判别结果上传至光纤接口插件；所述光纤接口插件两个现场可编程门阵列的判别结果进行综合判别，然后通过光纤将保护的出口命令下发给柔性直流输电系统中的换流器控制单元或直流断路器。

参见附图2，第一数据采集模块和第二数据采集模块通过模数转换模块ADC或通过光纤同步采集换流器阀侧三相电流、换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流、直流母线电流和电压信号。当所述快速保护装置用于高压直流输电系统中时，所述光纤接口插件对于第一和第二现场可编程门阵列FPGA上传的保护判别结果采用“与门”出口方式，即只有两个可编程逻辑门阵列中相同的保护元件动作后，光纤接口插件才将动作出口命令通过光纤传递给换流器控制单元或直流断路器；当所述快速保护装置用于直流配电网系统中时，所述光纤接口插件对于第一和第二现场可编程门阵列FPGA上传的保护判别结果采用“或门”出口方式，即两个可编程逻辑门阵列中任何一个保护元件动作后，光纤接口插件就将动作出口命令通过光纤传递给换流器控制单元或直流断路器。

参照图3，本申请还提供了一种基于前述快速保护装置的柔性直流输电系统的快速保护方法，包括：

步骤1：第一数据采集模块和第二数据采集模块同时采集柔性直流系统中的各个互感器上的电流、电压信息，然后对采样数据进行同步处理。并将同步后的采样数据传递给与之相连的可编程逻辑阵列FPGA中；

步骤2：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收的换流器阀侧三相电流以及换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流数据计算桥臂电抗器差动保护的差流，并判断差流是否大于设定的桥臂电抗器差动电流阈值，如果大于则桥臂电抗器差动保护元件动作，可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即桥臂电抗器差动保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；；

步骤3：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收的换流器上桥臂三相电流、换流器下桥臂三相电流以及直流母线电流数据计算桥臂差动保护的差流，并判断桥臂差动保护的差流是否大于设定的桥臂差动电流阈值；如果大于则桥臂差动保护元件动作，相应的可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即桥臂差动保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；

步骤4：第一、第二可编程逻辑阵列FPGA根据各自接收直流母线电压、直流母线电流数据判断是否出现直流低电压且过电流；如果出现则直流低压过流保护元件动作，相应的可编程逻辑阵列FPGA将保护判别结果即直流低压过流保护元件动作出口指令通过内部数据总线上传至光纤接口插件；；

步骤5：所述光纤接口插件通过内部总线数据接收第一或第二可编程逻辑阵列FPGA上传的保护判别结果即可编程逻辑阵列FPGA分别计算的各保护元件动作出口指令；

步骤6：光纤接口插件判断采用“与门”出口方式还是“或门”出口方式，当采用“与门”出口方式时，进入步骤7；当采用“或门”出口方式时，进入步骤8；

步骤7：只有第一和第二可编程逻辑阵列FPGA中相同的保护元件动作时，光纤接口插件才开放快速保护装置的动作出口指令进入步骤9，否则闭锁快速保护装置的动作出口指令返回步骤1；

步骤8：第一和第二可编程逻辑阵列FPGA中任一保护元件动作，光纤接口插件均开放快速保护装置的动作出口指令进入步骤9，否则返回步骤1；

步骤9：光纤接口插件通过光纤将快速保护装置的动作出口指令传递给换流器控制单元或直流断路器，换流器控制单元或直流断路器实现直流系统的停运和故障的隔离。

上述各实施例仅用于说明本申请的实现方案，各部件之间的连接和拓扑都是可以有所变化的，凡根据本申请的技术原理对个别部件的连接和拓扑进行的改进和等同变换，均不应排除在本申请的保护范围之外。