本發(fā)明涉及柔性直流系統(tǒng)(本申請所述的柔性直流系統(tǒng)包括柔性直流輸電系統(tǒng)和柔性直流配電系統(tǒng))的快速保護裝置和實現(xiàn)方法，屬于柔性直流輸電/配電網(wǎng)及設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

柔性直流輸電系統(tǒng)的保護系統(tǒng)，其主要任務(wù)是保護柔性直流換流設(shè)備的運行安全，快速、可靠的隔離故障，降低換流設(shè)備被損壞的風(fēng)險。隨著柔性直流輸電系統(tǒng)的容量需求不斷擴大，主回路架構(gòu)基于模塊化多電平(MMC)方法柔性直流換流器的容量和電壓等級也越來越高。柔性直流換流器的容量和電壓等級提高后，使得在發(fā)生換流器短路等內(nèi)部故障后，故障電流的上升非常快(每微秒故障電流會增大幾安培)，那么故障發(fā)生一毫秒后故障電流就會增大到幾千安培；同時，柔性直流換流設(shè)備的過流能力相對較低。這樣故障發(fā)生后就嚴重威脅到了換流設(shè)備的安全，需要柔性直流保護裝置在百微秒的時間內(nèi)判別出故障并發(fā)出隔離故障的指令。

目前國內(nèi)外關(guān)于柔性直流輸電快速保護及其工程化應(yīng)用的研究還處于起步階段，實際應(yīng)用工程實例較少。其研究重點為柔性直流輸電系統(tǒng)保護區(qū)域劃分和保護功能配置方面，未對快速保護的實現(xiàn)做重點研究。換流器差動保護、直流差動保護、低壓過流等快速保護快速性、可靠性關(guān)系到換流設(shè)備的安全以及柔性直流輸電網(wǎng)的可靠運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明的目的是為了提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)的快速保護裝置和實現(xiàn)方法。本申請充分發(fā)揮FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的快速數(shù)據(jù)處理及邏輯處理能力，進行高速采樣和快速保護邏輯處理；光纖接口插件對兩個處理單元動作信息進行綜合判別，可以有效防止單個元件故障導(dǎo)致的誤動，提高系統(tǒng)的可靠性；光纖接口插件通過光纖的方式與換流器單元或直流斷路器進行通訊，可以進一步提高柔性直流系統(tǒng)隔離故障的速度。

為了實現(xiàn)上述目的，可以通過采用如下技術(shù)方案達到：

一種柔性直流系統(tǒng)的快速保護裝置，其特征在于：

所述快速保護裝置包括兩套冗余設(shè)置的硬件模塊，兩套冗余設(shè)置的硬件模塊針對同一保護設(shè)備分別獨立進行保護邏輯判斷，快速保護裝置綜合兩部分的判斷結(jié)果生成最終的保護指令下發(fā)給柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流器控制單元或直流斷路器。

所述柔性直流系統(tǒng)的快速保護裝置，包括第一數(shù)據(jù)采集模塊、第二數(shù)據(jù)采集模塊、第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和光纖接口插件；其特征在：

所述第一數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸入端相連；

所述第二數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸入端相連；

所述光纖接口插件通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線分別與第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸出端相連；

第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA分別配置橋臂電抗器差動保護元件、橋臂差動保護元件、直流低壓過流保護元件；

所述第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊各自獨立采集直流系統(tǒng)保護數(shù)據(jù)，并分別上傳至第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，其中，所采集的保護數(shù)據(jù)分別為換流器閥側(cè)三相電流、換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流以及直流母線電流和電壓；

第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA基于接收到的保護數(shù)據(jù)分別進行換流器橋臂電抗器差動保護、換流器橋臂差動保護、直流低壓過流保護的邏輯運算，當(dāng)邏輯運算結(jié)果滿足所設(shè)置保護元件動作閾值時該保護元件動作，可編程門陣列FPGA發(fā)出相應(yīng)保護元件的動作出口指令即保護判別結(jié)果，并將該保護判別結(jié)果上傳至光纖接口插件；

所述光纖接口插件兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行綜合判別，然后通過光纖將保護的出口命令下發(fā)給柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流器控制單元或直流斷路器。

本發(fā)明還進一步包括以下優(yōu)選方案：

所述第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC或通過光纖同步采集換流器閥側(cè)三相電流、換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流、直流母線電流和電壓信號。

當(dāng)所述快速保護裝置用于高壓直流輸電系統(tǒng)中時，所述光纖接口插件對于第一和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果采用“與門”出口方式，即只有兩個可編程邏輯門陣列中相同的保護元件動作后，光纖接口插件才將動作出口命令通過光纖傳遞給換流器控制單元或直流斷路器；

當(dāng)所述快速保護裝置用于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中時，所述光纖接口插件對于第一和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果采用“或門”出口方式，即兩個可編程邏輯門陣列中任何一個保護元件動作后，光纖接口插件就將動作出口命令通過光纖傳遞給換流器控制單元或直流斷路器。

本申請還公開了一種基于前述快速保護裝置的柔性直流系統(tǒng)保護方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊同時采集柔性直流系統(tǒng)中的電流、電壓信息，并分別上傳至第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中；

步驟2：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收的換流器閥側(cè)三相電流以及換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流數(shù)據(jù)分別判斷橋臂電抗器差動保護的差流是否大于設(shè)定的橋臂電抗器差動電流閾值，如果大于則橋臂電抗器差動保護元件動作，可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即橋臂電抗器差動保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；

步驟3：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收的換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流以及直流母線電流數(shù)據(jù)分別判斷橋臂差動保護的差流是否大于設(shè)定的橋臂差動電流閾值；如果大于則橋臂差動保護元件動作，相應(yīng)的可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即橋臂差動保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；

步驟4：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收直流母線電壓、直流母線電流數(shù)據(jù)判斷是否出現(xiàn)直流低電壓且過電流；如果出現(xiàn)則直流低壓過流保護元件動作，相應(yīng)的可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即直流低壓過流保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；

步驟5：所述光纖接口插件通過內(nèi)部總線數(shù)據(jù)接收第一或第二可編程邏輯陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果即可編程邏輯陣列FPGA分別計算的各保護元件動作出口指令；

步驟6：光纖接口插件判斷采用“與門”出口方式還是“或門”出口方式，當(dāng)采用“與門”出口方式時，進入步驟7；當(dāng)采用“或門”出口方式時，進入步驟8；

步驟7：只有第一和第二可編程邏輯陣列FPGA中相同的保護元件動作時，光纖接口插件才開放快速保護裝置的動作出口指令進入步驟9，否則閉鎖快速保護裝置的動作出口指令返回步驟1；

步驟8：第一和第二可編程邏輯陣列FPGA中任一保護元件動作，光纖接口插件均開放快速保護裝置的動作出口指令進入步驟9，否則返回步驟1；

步驟9：光纖接口插件通過光纖將快速保護裝置的動作出口指令傳遞給換流器控制單元或直流斷路器，換流器控制單元或直流斷路器實現(xiàn)直流系統(tǒng)的停運和故障的隔離。

本申請具有如下突出的有益效果：

1、采用數(shù)據(jù)采集模塊+FPGA現(xiàn)場可編程門陣列的組合，充分利用FPGA的高速并行處理能力，大大提高了數(shù)據(jù)采樣速率和保護邏輯處理速度，很便利的實現(xiàn)快速保護邏輯的處理。2、采用兩個現(xiàn)場可編程門陣列進行快速保護的邏輯判別并將判別結(jié)果通過內(nèi)部總線傳送到光纖接口插件；在光纖接口插件對兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行綜合判別。當(dāng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)中時，為了保證保護動作的可靠性，可在光纖接口插件上對兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行“與”門處理；當(dāng)用于柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中時，可在光纖接口插件上對兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行“或”門處理。3、采用光纖接口插件與MMC控制單元以及直流斷路器進行控制命令的下發(fā)和設(shè)備狀態(tài)的采集，有利于柔性直流輸電系統(tǒng)的擴展，可靠性和可擴展性較高。

附圖說明

圖1為本申請柔性直流系統(tǒng)的快速保護裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為柔性直流輸電系統(tǒng)的一次架構(gòu)及模擬量測點布置示意圖；

圖3為本申請柔性直流系統(tǒng)快速保護方法流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本申請的技術(shù)方案做進一步詳細介紹。

本申請公開的柔性直流系統(tǒng)的快速保護裝置包括兩個現(xiàn)場可編程門陣列、兩個數(shù)據(jù)采集模塊、一個光纖接口插件；首先由所述數(shù)據(jù)采集模塊通過ADC或光纖進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)分別傳遞給兩個現(xiàn)場可編程門陣列；其次兩個現(xiàn)場可編程門陣列進行快速保護的邏輯判別，并將判別結(jié)果通過內(nèi)部總線傳送到光纖接口插件；最后光纖接口插件對兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行綜合判別，通過光纖將保護的出口命令傳遞給換流器控制單元或直流斷路器。其中上述快速保護包括但不限于橋臂電抗器保護、橋臂差動保護、直流低壓過流保護等。

具體參見附圖1，所述柔性直流系統(tǒng)的快速保護裝置包括第一數(shù)據(jù)采集模塊、第二數(shù)據(jù)采集模塊、第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和光纖接口插件。所述第一數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸入端相連；所述第二數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸入端相連；所述光纖接口插件通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線分別與第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的輸出端相連；第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA分別配置橋臂電抗器差動保護元件、橋臂差動保護元件、直流低壓過流保護元件；所述第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊各自獨立采集直流系統(tǒng)保護數(shù)據(jù)，并分別上傳至第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，其中，所采集的保護數(shù)據(jù)分別為換流器閥側(cè)三相電流、換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流以及直流母線電流和電壓(參見附圖2所示)。

第一現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA基于接收到的保護數(shù)據(jù)分別進行換流器橋臂電抗器差動保護、換流器橋臂差動保護、直流低壓過流保護的邏輯運算，當(dāng)邏輯運算結(jié)果滿足所設(shè)置保護元件動作閾值時該保護元件動作，可編程門陣列FPGA發(fā)出相應(yīng)保護元件的動作出口指令即保護判別結(jié)果，并將該保護判別結(jié)果上傳至光纖接口插件；所述光纖接口插件兩個現(xiàn)場可編程門陣列的判別結(jié)果進行綜合判別，然后通過光纖將保護的出口命令下發(fā)給柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流器控制單元或直流斷路器。

參見附圖2，第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC或通過光纖同步采集換流器閥側(cè)三相電流、換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流、直流母線電流和電壓信號。當(dāng)所述快速保護裝置用于高壓直流輸電系統(tǒng)中時，所述光纖接口插件對于第一和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果采用“與門”出口方式，即只有兩個可編程邏輯門陣列中相同的保護元件動作后，光纖接口插件才將動作出口命令通過光纖傳遞給換流器控制單元或直流斷路器；當(dāng)所述快速保護裝置用于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中時，所述光纖接口插件對于第一和第二現(xiàn)場可編程門陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果采用“或門”出口方式，即兩個可編程邏輯門陣列中任何一個保護元件動作后，光纖接口插件就將動作出口命令通過光纖傳遞給換流器控制單元或直流斷路器。

參照圖3，本申請還提供了一種基于前述快速保護裝置的柔性直流輸電系統(tǒng)的快速保護方法，包括：

步驟1：第一數(shù)據(jù)采集模塊和第二數(shù)據(jù)采集模塊同時采集柔性直流系統(tǒng)中的各個互感器上的電流、電壓信息，然后對采樣數(shù)據(jù)進行同步處理。并將同步后的采樣數(shù)據(jù)傳遞給與之相連的可編程邏輯陣列FPGA中；

步驟2：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收的換流器閥側(cè)三相電流以及換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流數(shù)據(jù)計算橋臂電抗器差動保護的差流，并判斷差流是否大于設(shè)定的橋臂電抗器差動電流閾值，如果大于則橋臂電抗器差動保護元件動作，可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即橋臂電抗器差動保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；；

步驟3：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收的換流器上橋臂三相電流、換流器下橋臂三相電流以及直流母線電流數(shù)據(jù)計算橋臂差動保護的差流，并判斷橋臂差動保護的差流是否大于設(shè)定的橋臂差動電流閾值；如果大于則橋臂差動保護元件動作，相應(yīng)的可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即橋臂差動保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；

步驟4：第一、第二可編程邏輯陣列FPGA根據(jù)各自接收直流母線電壓、直流母線電流數(shù)據(jù)判斷是否出現(xiàn)直流低電壓且過電流；如果出現(xiàn)則直流低壓過流保護元件動作，相應(yīng)的可編程邏輯陣列FPGA將保護判別結(jié)果即直流低壓過流保護元件動作出口指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上傳至光纖接口插件；；

步驟5：所述光纖接口插件通過內(nèi)部總線數(shù)據(jù)接收第一或第二可編程邏輯陣列FPGA上傳的保護判別結(jié)果即可編程邏輯陣列FPGA分別計算的各保護元件動作出口指令；

步驟6：光纖接口插件判斷采用“與門”出口方式還是“或門”出口方式，當(dāng)采用“與門”出口方式時，進入步驟7；當(dāng)采用“或門”出口方式時，進入步驟8；

步驟7：只有第一和第二可編程邏輯陣列FPGA中相同的保護元件動作時，光纖接口插件才開放快速保護裝置的動作出口指令進入步驟9，否則閉鎖快速保護裝置的動作出口指令返回步驟1；

步驟8：第一和第二可編程邏輯陣列FPGA中任一保護元件動作，光纖接口插件均開放快速保護裝置的動作出口指令進入步驟9，否則返回步驟1；

步驟9：光纖接口插件通過光纖將快速保護裝置的動作出口指令傳遞給換流器控制單元或直流斷路器，換流器控制單元或直流斷路器實現(xiàn)直流系統(tǒng)的停運和故障的隔離。

上述各實施例僅用于說明本申請的實現(xiàn)方案，各部件之間的連接和拓撲都是可以有所變化的，凡根據(jù)本申請的技術(shù)原理對個別部件的連接和拓撲進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本申請的保護范圍之外。