一种柔性直流配电网络线路差动保护系统及差动保护实现方法

摘要

一种柔性直流配电网络的线路电流差动保护系统及差动保护实现方法，由基于FPGA的保护装置向数据采集器发送采样脉冲，为实现同步采样和数据窗同步，线路双端保护装置分别设置为参考端和跟随端，跟随端首先发送包括采样编号及该采样相对应时间的同步请求命令，参考端在收到跟随端发来的命令后返回包括参考端的采样编号及该采样相对应的时间等信息。跟随端收到参考端的相应数据报文后，计算出通信传输延时和两侧采样时刻偏差，通过补偿通信传输延时和二次插值采样同步方法，实现跟随端与参考端的同步采样。通过计算直流线路双端的差动电流，判断是否满足差动电流保护判据，实现直流线路的差动保护，可靠保证区内故障正确动作，区外故障正确不动作。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及柔性直流配电网络的线路电流差动保护方法的实现，尤其在柔性直流线路通过两侧数据高速通讯及同步处理后进行电流差动保护中的应用。

背景技术

近年来，柔性直流输电技术得到了非常快速的发展。柔性直流输电能够实现多电源供电、多落点受电，无需考虑各个电源之间的频率和相位同步问题；并能有效地隔离交流系统中的各类电压扰动，提高用户侧的电能质量；同时电压源换流器本身就是一个优秀的无功、暂态电压跌落和谐波的补偿设备；可以轻松实现潮流翻转，向电网反送电能等。

与此同时，随着城市的发展和用电负荷的快速增加，对配电网络输送容量的要求也日益增加，需要在有限的配电网走廊上输送更大的容量。在用电密集的城市电网中采用柔性直流技术，将可以占用更少的输电走廊，并可利用它的快速可控性等特点，解决城市供电中存在的供电困难、成本高以及潮流难以控制等问题，维持城市电网的安全可靠经济运行。

现代配电网中的负荷情况也在发生改变，消费类电子(如计算机、手机、平板电脑)、LED、数据中心和电动汽车等所占比例越来越多，越来越多的负荷需要使用直流供电方式。

此外，与传统配电网主要成分为用电负荷这一特点不同，随着可再生能源技术和储能技术的发展，在现代配电网中将包含越来越多的分布式电源和储能，同样需要使用直流电网方式连接。

因此对柔性直流配电网的应用研究显得尤为重要。其中直流配电网的保护是直流配电网安全运行的关键问题。直流网络主要包括直流线路和直流汇流母线，除了直流双极短路故障之外，直流网络故障的电气特性与系统接地方式和拓扑有密切关系，当直流系统中(联接变直流侧到直流网络)采用经高阻接地时，直流网络发生单点接地(最常见的故障)时，直流系统的电气量不会出现剧烈的变化，甚至变化相当微小。而当采用金属性接地方式发生接地故障、或是直流系统不接地而发生某些两点接地故障时，电气量的变化可能相当剧烈。

在柔性直流配电网中，通过合理配置直流断路器，利用其快速切断故障电流的能力，直流保护系统在判明故障后可以快速隔离故障设备，配合控制系统的控制策略，在一次设备的耐受能力范围之内，保证配电网的可用率。

目前在高压直流线路保护中，主要应用的是过流保护和行波保护，这对于直流线路尚未构成直流网络的运行情况基本能够满足要求。而当形成直流网络时为了保证保护动作的选择性时，差动保护提供了一个新的选择。

电流差动保护要求参与差动电流计算的各端电流必须是同一时刻采样的。线路差动保护参与计算的两侧电流是由线路两端的电流互感器采集的，由于双端电流的二次采样不是在一个装置内完成的，因此需要将采样值进行同步处理。

相对常规直流采用晶闸管器件而言，柔性直流采用了更高频的电力电子开关，因此需要更高频的采样速率，目前通常采用50kHz。因此，对于柔性直流配电网的线路差动保护而言，数据通信和数据同步都是迫切需要解决的问题。

发明内容

针对柔性直流配电网对线路差动保护功能的需求，以及线路差动保护实现过程中高速数据通信和数据同步实现所面临的难题，本申请提供了一种用于直流配电网的直流线路电流差动保护系统及差动保护实现方法，本申请具有线路两侧高速采样同步功能，快速、准确地实现柔性直流配电网络线路的保护。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种柔性直流配电网络线路差动保护系统，包括数据采集装置和保护装置，其特征在于：

所述数据采集装置以及保护装置均为两套且结构相同，分别配置在直流线路的两侧；

直流线路两侧的保护装置间采用FT3光纤数据通信方式，直流线路两侧数据采集装置实现线路两端电流信号的同步采集；

直流线路两端的保护装置根据同步采集的电流数据，判断是否满足差动电流保护判据，若满足判据条件则将保护出口命令传递给本端的直流断路器，实现直流线路的差动保护。

本发明(即柔性直流配电网络线路差动保护系统)还进一步包括以下优选方案：

所述数据采集装置包括DC传感器模块、数据采集模块，DC传感器模块将感测的直流线路本端直流电流经数据采集模块上传至本端的保护装置；数据采集模块是将DC传感器采集的直流电流转换FPGA(现场可编程门阵列)可接收的光信号。

所述保护装置包括延时及偏差计算模块、同步插值模块、差动保护模块和通信接收模块：

延时及偏差计算模块接收本端数据采集装置上传的本端直流电流采样数据以及通过光纤通信传输的对端直流采样数据，并根据两端保护装置之间的通信传输延时对两端采样数据进行延时补偿后传递给同步插值模块；

所述同步插值模块则根据两端数据采集装置的采样时刻偏差，对采样电流数据进行采样插值，并经过多次迭代达到预定的两端采样时刻允许偏差范围后，将插值后的两端直流电流采样数据上传至本端的差动保护模块；

所述差动保护模块则根据同步插值模块上传的两端直流采样数据，判断是否满足差动电流保护判据，若满足判据条件则跳开本端的直流断路器，实现直流线路的差动保护。

所述通信接收模块则是接收线路本端和对端传来的光信号并将其转换为保护计算用的二次电流信号，以实现直流线路差动保护的相关计算。

所述保护装置采用现场可编程门阵列FPGA实现。

本申请还同时公开了一种柔性直流配电网络线路差动保护实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

步骤1：直流线路两侧分别配备数据采集装置和保护装置，直流线路两侧所配备的数据采集装置以及保护装置结构相同，数据采集装置用于采集直流线路本侧数据并上传给保护装置，直流线路两侧保护装置间采用FT3光纤数据通信方式传输两侧数据；步骤2：实现直流线路两侧数据的同步采集；

步骤3：直流线路两端保护装置根据直流线路两端的同步采集数据进行差动保护的逻辑判别，当满足差动电流保护判据条件时，则通过光纤将保护的出口命令传递给本端的直流断路器，实现直流线路的差动保护。

本发明(即一种柔性直流配电网络线路差动保护实现方法)优选包括以下方案：

在步骤2中具体包括以下步骤：

步骤2.1，若柔直配电网为双端系统，预先将直流线路两侧保护装置中的一侧设置成参考端，另一侧设置为跟随端；若柔直配电网直流母线内包括多条直流线路，可设定该直流母线端为参考端，待差动保护的直流线路的另一端为跟随端；若直流线路处于两直流母线之间，则预先设定将一侧直流母线设置成参考端，另一侧直流母线设置为跟随端；

步骤2.2，跟随端保护装置首先向参考端保护装置发一帧同步请求命令，其中包括跟随端采样数据的编号及该端数据采样所对应的时刻；参考端保护装置在收到跟随端保护装置发来的同步请求命令后返回一帧数据，其中包参考端的采样数据编号及该端数据采样所对应的时刻；

步骤2.3，跟随端保护装置自发出同步请求命令时刻起至收到返回数据为止，所用的时间减去参考端的固有处理时间T_p，即为直流线路两端通信传输延时的两倍即2T_d；跟随端保护装置收到参考端保护装置返回的数据报文后，对比同一采样数据编号下参考端和跟随端的采样时刻是否一致，若不一致则该时间偏差即为直流线路两侧采样时刻偏差ΔT_s；

步骤2.4，跟随端保护装置首先通过当前采样时刻减去通信传输延时T_d的方法补偿通信的传输延时；然后针对两端采样时刻偏差ΔT_s，通过二次插值的方法对采样数据进行插值，插值取跟随端与参考端采样时刻的中间值，经过多次迭代后当偏差值达到事先确定的允许范围内时，即认为已实现跟随端与参考端的采样同步。

在步骤1中，数据采集装置将采样数据通过IEC60044-8标准中定义的FT3链路层数据传输格式上传至本侧保护装置，并由本侧保护装置传输给对侧保护装置，数据传输的通用帧的标准传输速度为10Mbit/s，采集装置和保护装置之间的通信格式为FT3格式，采样数据间隔为20μs，双端保护装置之间的数据通信报文发送间隔为20μs。

本申请具有以下有益的技术效果：

本申请公开的直流线路差动保护系统及差动保护实现方法，具有较高的采样频率、直流线路两端数据时间同步性高，可准确捕捉线路故障时的暂态分量，能够保证直流线路区内故障快速可靠动作，区外故障可靠不动作。

附图说明

图1为本申请的直流线路差动保护系统结构示意图；

图2为本直流线路差动保护系统数据采样同步原理示意图；

图3为采样时钟差异示意图；

图4为本申请的采样数据二次插值同步法示意图；

图5为本申请技术方案应用于某10kV柔性直流配网拓扑图；

图6为柔性直流配网中线路故障时线路两端的故障电流波形；

图7为本柔性直流配网中线路故障时差动电流波形。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。图1所示本发明的直流线路差动系统结构示意图，直流线路差动系统包括数据采集装置和保护装置。数据采集装置以及保护装置均为两套且结构相同，分别配置在直流线路的两侧；直流线路两侧的保护装置间采用光纤进行数据通信，直流线路两侧数据采集装置实现线路两端电流信号的同步采集。直流线路两端的保护装置根据同步采集的电流数据，判断是否满足差动电流保护判据，若满足判据条件则将保护出口命令传递给本端的直流断路器，实现直流线路的差动保护。

所述数据采集装置包括DC传感器模块、数据采集模块，DC传感器模块将感测的直流线路本端直流电流传送给数据采集模块，数据采集模块将直流电流转换成光信号传输给保护装置。

所述保护装置采用现场可编程门阵列FPGA实现，包括延时及偏差计算模块、同步插值模块、差动保护模块和通信模块。所述通信模块接收线路本端和对端传来的光信号并将其转换为保护计算用的直流电流信号。延时及偏差计算模块接收本端数据采集装置上传的本端直流电流采样数据以及通过光纤通信传输的对端直流采样数据，并根据两端保护装置之间的通信传输延时对两端采样数据进行延时补偿后传递给同步插值模块。所述同步插值模块则根据两端数据采集装置的采样时刻偏差，对采样电流数据进行采样插值，并经过多次迭代达到预定的两端采样时刻允许偏差范围后，将插值后的两端直流电流采样数据上传至本端的差动保护模块。所述差动保护模块则根据同步插值模块上传的两端直流电流采样数据，判断是否满足差动电流保护判据，若满足判据条件则跳开本端的直流断路器，实现直流线路的差动保护。

图2所示为本发明的数据采样同步原理示意图，设定M端为跟随端、N端为参考端，t_m1时刻M端发送同步指令，时刻N端接受到该指令并经T_p的处理时间后，在t_n3时刻返回一同步指令，M端在时刻受到N端的返回指令。如图所示Td为直流线路传输通信延时，有：

图3所示为本发明采样时钟差异示意图，Td为直流线路传输通信延时，ΔT_s为参考端和跟随端的采样时间偏差，当该偏差趋于零时认为直流线路两端的直流电流采样信号同步。

图4所示为本发明的采样数据二次插值同步法示意图，通过二次插值的方法进行采样插值迭代，具体公式为：

$i\left(t\right)=i\left(t_0\right)+\frac{i\left(t_1\right)-i\left(t_0\right)}{T}(t-t_0)+\frac{i\left(t_2\right)-2i\left(t_1\right)+i\left(t_0\right)}{2T^2}(t-t_0)(t-t_1)+\mathrm{...}---\left(1\right)$

其中，T为采样间隔；t_i为第i时刻对应的电流值；利用二次差值法经多次迭代后可使时间偏差趋于零，即认为直流线路两端的采样时间同步。

图5所示为某南方电网10kv柔性直流配电网络拓扑结构图，下面进一步以直流线路2为例详细说明本发明的技术方案。

步骤一、本实施例中，在直流线路2的两端母线处，即#2母线和#3母线处分别分别配备数据采集装置和保护装置。由于柔性直流采用了高频的电力电子开关，因此需要更高频的采样速率，目前通常采用50kHz，此时采样间隔为20μs。为了实现对直流线路的快速保护功能，需要对该采样数据在直流线路双端之间进行高速通信，报文发送间隔同样采用20μs。基于FPGA的差动保护装置可实现双端数据通信的高速接口和快速的保护相关计算。

步骤二、实现直流线路两端采样数据的同步。为实现同步采样和数据窗同步，在线路两端分别设置参考端和跟随端，由差动保护控制位设置：“跟随端”和“跟参考端”。且必须一侧设置为参考端，另一侧设为跟随端。

步骤2.1，差动功能启动前可根据需要预先分别设置成参考方式(参考端)或跟随方式(跟随端)。

本实施例中，对于直流线路2可将#3母线端差动保护设备设置为参考端，#2母线端差动保护设备设置为跟随端。

步骤2.2，为保证两侧数据采样同步，跟随端首先发一帧同步请求命令，其中包括采样标号及该采样相对应的时间，参考端在收到跟随端发来的命令后返回一帧数据，其中包括参考端的采样标号及该采样相对应的时间等信息。

本实施例中，柔性直流配网的两个直流换流站启动后#2母线端向#3母线端开始发送带采样标号和时间的同步请求，#3母线端收到请求后返回一帧带采样标号和时间的数据。

步骤2.3，#2母线端收到#3母线端的相应数据报文后，利用图2、图3所示的方法计算出通信传输延时Td和两侧采样时刻偏差ΔT_s。

步骤2.4，#2母线端首先通过当前采样时刻减去通信传输延时Td的方法补偿通信传输延时的影响，然后通过图4所示的二次插值的方法进行采样插值，其中线路双端均采用相同的采样间隔20μs，通过迭代使两端采样时刻偏差ΔT_s小于事先确定的允许范围内时，即认为已实现跟随端与参考端的采样同步。在本申请实施例中，事先确定的允许偏差范围为5μs。

步骤三、通过计算直流线路2双端的差动电流I_m、I_n，判断是否满足差动电流保护判据，实现直流线路的差动保护。

通过直流线路两侧的电流互感器采样线路电流，取母线流向线路的电流为正，采用如下判据：

|I_{m_i}+I_{n_i}|＞max(I_{r_set},K_res*I_res)>

其中I_{m_i}、I_{n_i}为i时刻直流线路两端正极或负极的电流；I_{r_set}为动作电流；K_res为制动系数；制动电流取I_res＝max(I_{m_i},I_{n_i})。

本实施例中，当完成步骤二的采样同步后，开启差动保护功能，启动差动保护算法，计算线路两侧电流插值。在线路2上设置接地故障时，故障开始时刻1.3s,持续时间100ms，直流输送功率10MVA；

图6和图7中是直流线路2故障时，两侧电流及差电流波形。其中I_m与I_n是线路2两端2#母线流向线路和3#母线流向线路的端电流。从图中可以看出，直流线路故障期间，线路端电流波动增大，差动电流迅速增大到原电流值的3倍以上，差动保护能够快速、可靠动作。当发生区外故障时，通过差动电流计算结果可靠判断不动作。

综上，通过直流线路差动保护算法，保证区内故障时可靠动作，区外故障时可靠不动作。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。