柔性直流换流站直流极区保护系统的制作方法

本实用新型涉及直流保护装置
技术领域：
，尤其涉及一种柔性直流换流站直流极区保护系统。
背景技术：
：柔性直流输电采用电压源型换流器，可以独立、快速控制控制有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性，抑制系统频率和电压的波动，提高并网交流系统的稳态性能。随着化石能源的日益枯竭和改善环境压力的日益增加，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，大规模开发和利用新能源势在必行。柔性直流电网是解决新能源并网和消纳的问题的重要技术方向，相对于多端及两端柔性直流输电，柔性直流电网对系统的可靠性要求更高，在系统故障时应快速动作，且隔离故障影响的区域应尽可能小。技术实现要素：本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种具有多种保护功能，使用安全的柔性直流换流站直流极区保护系统。为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种柔性直流换流站直流极区保护系统，其特征在于：包括换流变压器t1，所述换流变压器t1的输出端分为三路，其中一路经变阀侧中性点电流iacz采样模块接地，其中另一路经启动回路分别与两个平波电抗器连接，其中的一个平波电抗器l1的自由端经正极直流电流idp采样模块后分为两路，第一路经正极直流电压udp采样模块接地，第二路与开关s1的一端连接；另一个所述平波电抗器l2的自由端经负极直流电流idn采样模块后分为两路，第一路经负极直流电压udn采样模块接地，第二路与开关s2的一端连接；所述变阀侧中性点电流iacz采样模块的信号输出端分别与直流电压不平衡模块的信号输入端以及直流场区接地过流保护模块的信号输入端连接；正极直流电流idp采样模块的信号输出端分别与直流低压过流保护模块的信号输入端、50hz保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端以及直流欠压保护模块的信号输入端连接；正极直流电压udp采样模块的输出端分别与直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端、直流欠压保护模块的信号输入端以及直流电压不平衡模块的信号输入端连接；负极直流电流idn采样模块的信号输出端分别与50hz保护模块的信号输入端、直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端以及直流欠压保护模块的信号输入端连接；负极直流电压udn采样模块的输出端分别与直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端、直流欠压保护模块的信号输入端以及直流电压不平衡模块的信号输入端连接。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述系统具有电压不平衡保护功能、直流场接地过流保护功能、直流过电压保护功能、直流低电压保护功能、直流低电压过电流保护功能以及50hz保护功能，功能多样，能够确保柔性直流换流站运行的稳定性，安全性高。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。图1是本实用新型实施例所述系统的原理框图；图2是本实用新型实施例中直流极区故障点的原理框图；图3是本实用新型实施例中电压不平衡保护测量点及保护范围示意图；图4是本实用新型实施例中电压不平衡保护逻辑框图；图5是本实用新型实施例中电流闭锁电压不平衡保护逻辑框图；图6是本实用新型实施例中电压不平衡保护故障点示意图；图7是本实用新型实施例中直流场接地过流保护测量点及保护范围示意图；图8是本实用新型实施例中直流场接地过流保护逻辑框图；图9是本实用新型实施例中直流场接地过流保护故障点示意图；图10是本实用新型实施例中直流过电压保护测量点及保护范围；图11是本实用新型实施例中电流闭锁电压保护逻辑框图；图12是本实用新型实施例中直流过电压保护逻辑框图；图13是本实用新型实施例中直流过电压保护故障点示意图；图14是本实用新型实施例中直流低电压保护测量点及保护范围；图15是本实用新型实施例中直流低电压保护逻辑框图；图16是本实用新型实施例中直流低电压保护故障点示意图；图17是本实用新型实施例中直流低电压过电流保护测量点及保护范围；图18是本实用新型实施例中直流低电压过电流保护逻辑框图；图19是本实用新型实施例中直流低电压过流保护故障点示意图；图20是本实用新型实施例中50hz保护测量点及保护范围；图21是本实用新型实施例中50hz保护逻辑框图；图22是本实用新型实施例中50hz保护故障点示意图；其中：1、变阀侧中性点电流iacz采样模块；2、启动回路；3、正极直流电流idp采样模块；4、正极直流电压udp采样模块；5、负极直流电流idn采样模块；6、负极直流电压udn采样模块。具体实施方式下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。如图1所示，本实用新型实施例公开了一种柔性直流换流站直流极区保护系统，包括换流变压器t1，所述换流变压器t1的输出端分为三路，其中一路经变阀侧中性点电流iacz采样模块1接地，其中另一路经启动回路2分别与两个平波电抗器连接，其中的一个平波电抗器l1的自由端经正极直流电流idp采样模块3后分为两路，第一路经正极直流电压udp采样模块4接地，第二路与开关s1的一端连接；另一个所述平波电抗器l2的自由端经负极直流电流idn采样模块5后分为两路，第一路经负极直流电压udn采样模块6接地，第二路与开关s2的一端连接；所述变阀侧中性点电流iacz采样模块1的信号输出端分别与直流电压不平衡模块的信号输入端以及直流场区接地过流保护模块的信号输入端连接；正极直流电流idp采样模块3的信号输出端分别与直流低压过流保护模块的信号输入端、50hz保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端以及直流欠压保护模块的信号输入端连接；正极直流电压udp采样模块4的输出端分别与直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端、直流欠压保护模块的信号输入端以及直流电压不平衡模块的信号输入端连接；负极直流电流idn采样模块5的信号输出端分别与50hz保护模块的信号输入端、直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端以及直流欠压保护模块的信号输入端连接；负极直流电压udn采样模块6的输出端分别与直流低电压过流保护模块的信号输入端、直流过压保护模块的信号输入端、直流欠压保护模块的信号输入端以及直流电压不平衡模块的信号输入端连接。直流极区保护范围如图2所示，主要保护区域为直流极线，各测点测量量有联接变阀侧中性点电流iacz、正负极直流电压udp，udn、正负极直流电流idp，idn。直流极区保护共有测量点4个。直流极区保护有5类，具体如表1所示，各保护之间配合关系如表2所示。表1直流极区保护功能配置表表2直流极保护区各保护配合关系电压不平衡保护功能：保护目的与范围，如图3所示，电压不平衡保护属于直流极区保护，该保护主要针对直流极或发生单极接地的不对称故障，本保护作为直流单极接地故障的后备保护。保护配置与定值：判别公式：电压判据|udp+udn|>u_set；电流闭锁电压判据|udp+udn|>u_set&iacz>i_set；电压不平衡保护共有3段，电压不平衡保护1段、2段只对直流电压一周波的平均值进行判断，3段对直流电压平均值及联接变阀侧中性点有效值进行判断。定值如下表所示：表3桥臂过流定值表保护原理及逻辑框图：图4为电压不平衡保护1段、2段的保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况下，取udp、udn相加之和的绝对值（udp、udn分别取一周波的平均值）与定值进行比较，再经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，通过fpga出口真值表判断最终保护出口。图5为电压不平衡保护3段电流闭锁电压不平衡保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况下，取udp、udn相加之和的绝对值（udp、udn分别取一周波的平均值），及联接变阀侧中性点电流iacz有效值与定值进行比较，再经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，通过fpga出口真值表判断最终保护出口。试验验证核查：相关试验项目：如图6所示，电压不平衡保护针对直流极发生单极接地的不对称故障，当发生故障点为f6桥臂阀组接地故障、f7直流母线接地故障、f8直流极线接地故障时，电压不平衡保护应该动作。表4电压不平衡保护试验矩阵试验开展情况fpt/dpt试验中开展了f6桥臂阀组接地故障、f7直流母线接地故障、f8直流极线接地故障试验，电压不平衡过流保护均能正确动作，电压不平衡过流保护、直流电压不平衡t2均能正确动作。试验已经覆盖所有内容。表5试验开展情况注：“√”表示已做实验，“×”表示未做实验，“－”表示无需开展实验。直流场接地过流保护功能：保护目的与范围，如图7所示，直流场接地过流保护属于直流极区保护，作为直流场单点接地故障的主保护。保护配置与定值判别公式：|iacz|>i_set；直流场接地过流保护共有2段，1段采用全波均方根值进行判断，2段采用半波均方根值即10ms数据窗内进行判断，1段出口告警，2段出口跳闸。定值如下表所示：表6直流场接地过流保护定值表保护原理及逻辑框图：图8为直流场接地过流1段、2段保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况下，取联接变阀侧中性点电流iacz的均方根值，与定值进行比较，再经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，并通过fpga出口真值表判断最终保护出口。试验验证核查：相关试验项目，如图9所示，当发生f2交流连接母线接地故障、f4桥臂电抗器接地故障、f5桥臂联变阀侧接地故障、f6换流器区单极接地故障、f7桥臂阀组接地故障、f8直流母线接地故障，直流场接地过流保护应该动作。表7交流频率保护试验矩阵试验开展情况，fpt/dpt试验开展情况如表8所示：表8试验开展情况注：“√”表示已做实验，“×”表示未做实验，“－”表示无需开展实验。直流过电压保护功能：保护目的与范围，如图10所示，直流过电压保护属于直流极区保护，保护系统因控制异常、分接头操作错误、雷击、直流极接地故障、直流极线开路等故障造成的过电压。考虑阀的过压能力及阀控中的过电压保护功能，直流过电压保护作为换流阀本体过压保护的后备保护。保护配置与定值判别公式：电压判据|udp-udn|>u_set1电流闭锁电压判据：|udp|>u_set2&|idp|<i_set；or|udn|>u_set2&|idn|<i_set；直流过电压保护共有3段，1段、2段采用一周波的直流电压平均值udp、udn计算极间电压进行判断，1段出口告警，2段出口跳闸。3段为电流闭锁电压段，采用一周波的直流电压平均值udp、udn计算极间电压，及直流电流idp、idn进行判断，出口跳闸。电流闭锁电压段主要反映直流极开路故障，电压定值以单极直流电压为基准，电流定值采用直流极线开路判据门槛。定值如表9所示：表9直流场接地过流保护定值表保护原理及逻辑框图：图11为直流过电压保护3段电流闭锁电压保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障、直流隔刀在合位情况下，取idp、idn平均值（1周波），确保idp、idn平均值曾经大于0.05倍阀直流额定电流，满足1秒时间延时后，再判断idp、idn小于定值且udp、udn大于定值，经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，并通过fpga出口真值表判断最终保护出口（正负极满足其中之一即出口）。图12为直流场接地过流1段、2段保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况下，取一周波的正负极直流电压平均值udp、udn计算极间电压，与定值进行比较，再经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，并通过fpga出口真值表判断最终保护出口。试验验证核查：如图13所示，该保护针对控制异常、分接头操作错误、雷击、直流极接地故障、直流极线开路等造成的过电压。当极线开路时，该保护的3段电流闭锁电压段应该动作。表10交流频率保护试验矩阵直流低电压保护功能：保护目的与范围，如图14所示，直流低电压保护属于直流极区保护，检测直流正、负母线上出现对称性的电压降低故障。保护配置与定值：判别公式：udp-udn|<u_set2&|udp+udn|<u_set_unb；直流低电压保护共有1段，采用正极电压udp和负极电压udn的一周波平均值进行判断，当极间电压小于低电压门槛定值且双极不平衡电压小于不平衡门槛定值，达到动作延时后，出口跳闸。定值如下表所示：表11桥臂过流定值表保护原理及逻辑框图：图15为直流低电压保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况、换流器解锁状态下，取直流正极电压udp及负极电压udn的平均值。当换流器解锁后，极间电压|udp-udn|曾大于低电压定值并持续1s，开放保护，当保护动作或换流器闭锁后，保护退出。保护开放后，用极间电圧|udp-udn|和低电压定值比较，低于定值出口，用不平衡电压|udp+udn|与不平衡定值进行比较，低于定值出口，当同时两个判据同时出口时，最终出口到时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，并通过fpga出口真值表判断最终保护出口。试验验证核查：相关试验项目，如图16所示，直流低电压保护主要反映直流正、负母线上出现对称性的电压降低。直流低电压过电流保护功能：保护目的与范围，如图17所示，直流低电压过电流保护属于直流极区保护，保护整个直流系统，检测各种原因造成的接地短路故障，主要反映直流极双极短路的故障，需与其他反映接地故障的保护和直流设备过流能力相配合，作为直流系统保护的主保护，同时以直流过流保护作为后备。保护配置与定值：判别公式：|udp-udn|<u_set2&(|idp|>i_setor|idn|>i_set)直流低电压过电流保护共有1段，采用正负极电压udp、udn和正负极电流idp、idn进行判断，当极间电压小于低电压门槛定值且正极或负极电流大于高电流门槛定值，达到动作延时后，出口跳闸。定值如表12所示：表12直流低电压过流定值表保护原理及逻辑框图：图18为直流低电压过电流保护逻辑框图，在fpga中，当保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况状态下，取上桥臂电流ibp和下桥臂电流ibn三相最大值，与过流定值对比，取正极电压udp和负极电压udn计算极间电圧绝对值，与低电压定值对比，当电压低于定值且相应的电流大于定值并持续200us时，输出各自对应的保护启动标志至dsp，任意一个电流大于定值时输出出口矩阵fpga，mu的ok/bad标志也输出至fpga,并通过fpga出口真值表判断最终保护出口。在dsp中，当保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况状态下，收到上桥臂或下桥臂的动作标志后，出口到时间继电器，置启动标志并发保护动作报文。试验验证核查：相关试验项目：如图19所示，直流低电压过电流保护主要针对f6、f8直流极双极短路故障，作为阀控的直流双极短路故障后备保护。表13直流低电压过流保护试验矩阵试验开展情况：fpt/dpt试验开展了f6、f8直流极双极短路故障，均由阀控直流双极短路保护先动作跳闸。表14试验开展情况序号试验工况广西侧f6故障点广西侧f8故障点云南侧f6故障点云南侧f8故障点1云南侧statcom运行，无功功率±400mvar√√√√2广西侧statcom运行，无功功率±400mvar√√√√3换流器双端闭锁充电状态√√√√4柔直单元独立运行，直流功率200mw√√√√5柔直单元独立运行，直流功率1000mw√√√√6常规直流与柔直双单元运行，直流功率10mw√√√√7常规直流与柔直双单元运行，直流功率1000mw√√√√50hz保护功能：保护目的与范围：如图20所示，50hz保护属于直流极区保护，主要反映桥臂电抗器闪络等故障引起的直流线路上基波电流分量增大。保护配置与定值：判别公式：idp_50hz>idp_dc*c_set；oridn_50hz>idn_dc*c_set；50hz保护共有2段，1段出口告警，2段出口跳闸，电流基波分量采用傅式滤波（一周波），电流直流分量采用采样值低通滤波，1段出口告警，2段出口跳闸。定值如下表所示：表1550hz保护定值表50hz保护判据为：idp_50hz>i_set_50hz&idp_dc>i_set_dc&idp_50hz>idp_dc*c_setoridn_50hz>i_set_50hz&idn_dc>i_set_dc&idn_50hz>idn_dc*c_set保护原理及逻辑框图：图21为50hz1段、2段保护逻辑框图，在保护控制字投入、保护投入状态、保护压板投入、mu无故障情况下，取idp、idn采样值进行傅式滤波和低通滤波处理，将处理后的idp、idn基波分量和直流分量分别与电流门槛值进行比较，再将处理后的idp、idn基波分量与直流分量的比值与比值定值进行比较，经过时间继电器计时，输出保护启动标志、出口矩阵，并将出口矩阵及mu的ok/bad标志下发至fpga，并通过fpga出口真值表判断最终保护出口。试验验证核查：如图22所示，50hz保护针对的故障为在系统运行过程中，桥臂电抗器端间闪络等故障引起的直流线路上电流基波分量增大，产生较大谐波影响系统运行。表1650hz保护试验矩阵序号相关故障试验项目主保护后备保护1桥臂电抗器端间闪络50hz保护（81-i）无试验开展情况：fpt/dpt试验中开展了云南广西侧桥臂电抗器匝间闪络故障试验项目，保护正确动作。表17试验开展情况序号试验工况云南侧桥臂电抗器匝间闪络广西侧桥臂电抗器匝间闪络1柔直单元独立运行，直流功率1000mw√√2常规直流与柔直双单元运行，直流功率10mw√√3常规直流与柔直双单元运行，直流功率1000mw√√注：“√”表示已做实验，“×”表示未做实验，“－”表示无需开展实验。当前第1页12