一種柔性直流配電網絡線路差動保護系統及差動保護實現方法
【專利摘要】一種柔性直流配電網絡的線路電流差動保護系統及差動保護實現方法，由基于FPGA的保護裝置向數據采集器發送采樣脈沖，為實現同步采樣和數據窗同步，線路雙端保護裝置分別設置為參考端和跟隨端，跟隨端首先發送包括采樣編號及該采樣相對應時間的同步請求命令，參考端在收到跟隨端發來的命令后返回包括參考端的采樣編號及該采樣相對應的時間等信息。跟隨端收到參考端的相應數據報文后，計算出通信傳輸延時和兩側采樣時刻偏差，通過補償通信傳輸延時和二次插值采樣同步方法，實現跟隨端與參考端的同步采樣。通過計算直流線路雙端的差動電流，判斷是否滿足差動電流保護判據，實現直流線路的差動保護，可靠保證區內故障正確動作，區外故障正確不動作。
【專利說明】
-種柔性直流配電網絡線路差動保護系統及差動保護實現 方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統繼電保護和安全控制技術領域，特別設及柔性直流配電網絡 的線路電流差動保護方法的實現，尤其在柔性直流線路通過兩側數據高速通訊及同步處理 后進行電流差動保護中的應用。
【背景技術】
[0002] 近年來，柔性直流輸電技術得到了非常快速的發展。柔性直流輸電能夠實現多電 源供電、多落點受電，無需考慮各個電源之間的頻率和相位同步問題;并能有效地隔離交流 系統中的各類電壓擾動，提高用戶側的電能質量；同時電壓源換流器本身就是一個優秀的 無功、暫態電壓跌落和諧波的補償設備;可W輕松實現潮流翻轉，向電網反送電能等。
[0003] 與此同時，隨著城市的發展和用電負荷的快速增加，對配電網絡輸送容量的要求 也日益增加，需要在有限的配電網走廊上輸送更大的容量。在用電密集的城市電網中采用 柔性直流技術，將可W占用更少的輸電走廊，并可利用它的快速可控性等特點，解決城市供 電中存在的供電困難、成本高W及潮流難W控制等問題，維持城市電網的安全可靠經濟運 行。
[0004] 現代配電網中的負荷情況也在發生改變，消費類電子（如計算機、手機、平板電 腦）、LED、數據中屯、和電動汽車等所占比例越來越多，越來越多的負荷需要使用直流供電方 式。
[0005] 此外，與傳統配電網主要成分為用電負荷運一特點不同，隨著可再生能源技術和 儲能技術的發展，在現代配電網中將包含越來越多的分布式電源和儲能，同樣需要使用直 流電網方式連接。
[0006] 因此對柔性直流配電網的應用研究顯得尤為重要。其中直流配電網的保護是直流 配電網安全運行的關鍵問題。直流網絡主要包括直流線路和直流匯流母線，除了直流雙極 短路故障之外，直流網絡故障的電氣特性與系統接地方式和拓撲有密切關系，當直流系統 中（聯接變直流側到直流網絡)采用經高阻接地時，直流網絡發生單點接地(最常見的故障） 時，直流系統的電氣量不會出現劇烈的變化，甚至變化相當微小。而當采用金屬性接地方式 發生接地故障、或是直流系統不接地而發生某些兩點接地故障時，電氣量的變化可能相當 劇烈。
[0007] 在柔性直流配電網中，通過合理配置直流斷路器，利用其快速切斷故障電流的能 力，直流保護系統在判明故障后可W快速隔離故障設備，配合控制系統的控制策略，在一次 設備的耐受能力范圍之內，保證配電網的可用率。
[000引目前在高壓直流線路保護中，主要應用的是過流保護和行波保護，運對于直流線 路尚未構成直流網絡的運行情況基本能夠滿足要求。而當形成直流網絡時為了保證保護動 作的選擇性時，差動保護提供了一個新的選擇。
[0009]電流差動保護要求參與差動電流計算的各端電流必須是同一時刻采樣的。線路差 動保護參與計算的兩側電流是由線路兩端的電流互感器采集的，由于雙端電流的二次采樣 不是在一個裝置內完成的，因此需要將采樣值進行同步處理。
[0010] 相對常規直流采用晶閩管器件而言，柔性直流采用了更高頻的電力電子開關，因 此需要更高頻的采樣速率，目前通常采用50kHz。因此，對于柔性直流配電網的線路差動保 護而言，數據通信和數據同步都是迫切需要解決的問題。
【發明內容】
[0011] 針對柔性直流配電網對線路差動保護功能的需求，W及線路差動保護實現過程中 高速數據通信和數據同步實現所面臨的難題，本申請提供了一種用于直流配電網的直流線 路電流差動保護系統及差動保護實現方法，本申請具有線路兩側高速采樣同步功能，快速、 準確地實現柔性直流配電網絡線路的保護。
[0012]為實現上述目的，本申請采用如下技術方案：
[0013] -種柔性直流配電網絡線路差動保護系統，包括數據采集裝置和保護裝置，其特 征在于：
[0014] 所述數據采集裝置W及保護裝置均為兩套且結構相同，分別配置在直流線路的兩 側；
[0015] 直流線路兩側的保護裝置間采用FT3光纖數據通信方式，直流線路兩側數據采集 裝置實現線路兩端電流信號的同步采集；
[0016] 直流線路兩端的保護裝置根據同步采集的電流數據，判斷是否滿足差動電流保護 判據，若滿足判據條件則將保護出口命令傳遞給本端的直流斷路器，實現直流線路的差動 保護。
[0017] 本發明（即柔性直流配電網絡線路差動保護系統)還進一步包括W下優選方案：
[0018] 所述數據采集裝置包括DC傳感器模塊、數據采集模塊，DC傳感器模塊將感測的直 流線路本端直流電流經數據采集模塊上傳至本端的保護裝置;數據采集模塊是將DC傳感器 采集的直流電流轉換FPGA(現場可編程口陣列)可接收的光信號。
[0019] 所述保護裝置包括延時及偏差計算模塊、同步插值模塊、差動保護模塊和通信接 收模塊：
[0020] 延時及偏差計算模塊接收本端數據采集裝置上傳的本端直流電流采樣數據W及 通過光纖通信傳輸的對端直流采樣數據，并根據兩端保護裝置之間的通信傳輸延時對兩端 采樣數據進行延時補償后傳遞給同步插值模塊；
[0021] 所述同步插值模塊則根據兩端數據采集裝置的采樣時刻偏差，對采樣電流數據進 行采樣插值，并經過多次迭代達到預定的兩端采樣時刻允許偏差范圍后，將插值后的兩端 直流電流采樣數據上傳至本端的差動保護模塊；
[0022] 所述差動保護模塊則根據同步插值模塊上傳的兩端直流采樣數據，判斷是否滿足 差動電流保護判據，若滿足判據條件則跳開本端的直流斷路器，實現直流線路的差動保護。
[0023] 所述通信接收模塊則是接收線路本端和對端傳來的光信號并將其轉換為保護計 算用的二次電流信號，W實現直流線路差動保護的相關計算。
[0024] 所述保護裝置采用現場可編程口陣列FPGA實現。
[0025] 本申請還同時公開了一種柔性直流配電網絡線路差動保護實現方法，其特征在 于，所述實現方法包括W下步驟：
[0026] 步驟1:直流線路兩側分別配備數據采集裝置和保護裝置，直流線路兩側所配備的 數據采集裝置W及保護裝置結構相同，數據采集裝置用于采集直流線路本側數據并上傳給 保護裝置，直流線路兩側保護裝置間采用FT3光纖數據通信方式傳輸兩側數據;步驟2:實現 直流線路兩側數據的同步采集；
[0027] 步驟3:直流線路兩端保護裝置根據直流線路兩端的同步采集數據進行差動保護 的邏輯判別，當滿足差動電流保護判據條件時，則通過光纖將保護的出口命令傳遞給本端 的直流斷路器，實現直流線路的差動保護。
[0028] 本發明（即一種柔性直流配電網絡線路差動保護實現方法)優選包括W下方案：
[0029] 在步驟2中具體包括W下步驟：
[0030] 步驟2.1，若柔直配電網為雙端系統，預先將直流線路兩側保護裝置中的一側設置 成參考端，另一側設置為跟隨端;若柔直配電網直流母線內包括多條直流線路，可設定該直 流母線端為參考端，待差動保護的直流線路的另一端為跟隨端;若直流線路處于兩直流母 線之間，則預先設定將一側直流母線設置成參考端，另一側直流母線設置為跟隨端；
[0031] 步驟2.2,跟隨端保護裝置首先向參考端保護裝置發一帖同步請求命令，其中包括 跟隨端采樣數據的編號及該端數據采樣所對應的時刻;參考端保護裝置在收到跟隨端保護 裝置發來的同步請求命令后返回一帖數據，其中包參考端的采樣數據編號及該端數據采樣 所對應的時刻；
[0032] 步驟2.3,跟隨端保護裝置自發出同步請求命令時刻起至收到返回數據為止，所用 的時間減去參考端的固有處理時間Tp,即為直流線路兩端通信傳輸延時的兩倍即2Td;跟隨 端保護裝置收到參考端保護裝置返回的數據報文后，對比同一采樣數據編號下參考端和跟 隨端的采樣時刻是否一致，若不一致則該時間偏差即為直流線路兩側采樣時刻偏差A Ts;
[0033] 步驟2.4,跟隨端保護裝置首先通過當前采樣時刻減去通信傳輸延時Td的方法補 償通信的傳輸延時;然后針對兩端采樣時刻偏差A Ts,通過二次插值的方法對采樣數據進 行插值，插值取跟隨端與參考端采樣時刻的中間值，經過多次迭代后當偏差值達到事先確 定的允許范圍內時，即認為已實現跟隨端與參考端的采樣同步。
[0034] 在步驟1中，數據采集裝置將采樣數據通過IEC60044-8標準中定義的FT3鏈路層數 據傳輸格式上傳至本側保護裝置，并由本側保護裝置傳輸給對側保護裝置，數據傳輸的通 用帖的標準傳輸速度為lOMbit/s，采集裝置和保護裝置之間的通信格式為FT3格式，采樣數 據間隔為20ys，雙端保護裝置之間的數據通信報文發送間隔為20ys。
[0035] 本申請具有W下有益的技術效果：
[0036] 本申請公開的直流線路差動保護系統及差動保護實現方法，具有較高的采樣頻 率、直流線路兩端數據時間同步性高，可準確捕捉線路故障時的暫態分量，能夠保證直流線 路區內故障快速可靠動作，區外故障可靠不動作。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本申請的直流線路差動保護系統結構示意圖；
[0038] 圖2為本直流線路差動保護系統數據采樣同步原理示意圖；
[0039] 圖3為采樣時鐘差異示意圖；
[0040]圖4為本申請的采樣數據二次插值同步法示意圖；
[0041 ]圖5為本申請技術方案應用于某IOkV柔性直流配網拓撲圖；
[0042] 圖6為柔性直流配網中線路故障時線路兩端的故障電流波形；
[0043] 圖7為本柔性直流配網中線路故障時差動電流波形。
【具體實施方式】
[0044] 下面根據說明書附圖對本發明的技術方案作進一步詳細說明。圖1所示本發明的 直流線路差動系統結構示意圖，直流線路差動系統包括數據采集裝置和保護裝置。數據采 集裝置W及保護裝置均為兩套且結構相同，分別配置在直流線路的兩側;直流線路兩側的 保護裝置間采用光纖進行數據通信，直流線路兩側數據采集裝置實現線路兩端電流信號的 同步采集。直流線路兩端的保護裝置根據同步采集的電流數據，判斷是否滿足差動電流保 護判據，若滿足判據條件則將保護出口命令傳遞給本端的直流斷路器，實現直流線路的差 動保護。
[0045] 所述數據采集裝置包括DC傳感器模塊、數據采集模塊，DC傳感器模塊將感測的直 流線路本端直流電流傳送給數據采集模塊，數據采集模塊將直流電流轉換成光信號傳輸給 保護裝置。
[0046] 所述保護裝置采用現場可編程口陣列FPGA實現，包括延時及偏差計算模塊、同步 插值模塊、差動保護模塊和通信模塊。所述通信模塊接收線路本端和對端傳來的光信號并 將其轉換為保護計算用的直流電流信號。延時及偏差計算模塊接收本端數據采集裝置上傳 的本端直流電流采樣數據W及通過光纖通信傳輸的對端直流采樣數據，并根據兩端保護裝 置之間的通信傳輸延時對兩端采樣數據進行延時補償后傳遞給同步插值模塊。所述同步插 值模塊則根據兩端數據采集裝置的采樣時刻偏差，對采樣電流數據進行采樣插值，并經過 多次迭代達到預定的兩端采樣時刻允許偏差范圍后，將插值后的兩端直流電流采樣數據上 傳至本端的差動保護模塊。所述差動保護模塊則根據同步插值模塊上傳的兩端直流電流采 樣數據，判斷是否滿足差動電流保護判據，若滿足判據條件則跳開本端的直流斷路器，實現 直流線路的差動保護。
[0047] 圖2所示為本發明的數據采樣同步原理示意圖，設定M端為跟隨端、N端為參考端， tml時刻M端發送同步指令時刻N端接受到該指令并經Tp的處理時間后，在tn3時刻返回一 同步指令，M端在4*時刻受到N端的返回指令。如圖所示Td為直流線路傳輸通信延時，有：
[004引圖3所示為本發明采樣時鐘差異示意圖，Td為直流線路傳輸通信延時，A Ts為參考 端和跟隨端的采樣時間偏差，當該偏差趨于零時認為直流線路兩端的直流電流采樣信號同 步。
[0049]圖4所示為本發明的采樣數據二次插值同步法示意圖，通過二次插值的方法進行 采樣插值迭代，具體公式為：
[(K)加 ]
(1)
[0051]其中，T為采樣間隔；ti為第i時刻對應的電流值;利用二次差值法經多次迭代后可 使時間偏差趨于零，即認為直流線路兩端的采樣時間同步。
[0052] 圖5所示為某南方電網IOkv柔性直流配電網絡拓撲結構圖，下面進一步W直流線 路2為例詳細說明本發明的技術方案。
[0053] 步驟一、本實施例中，在直流線路2的兩端母線處，即#2母線和#3母線處分別分別 配備數據采集裝置和保護裝置。由于柔性直流采用了高頻的電力電子開關，因此需要更高 頻的采樣速率，目前通常采用50kHz，此時采樣間隔為20ys。為了實現對直流線路的快速保 護功能，需要對該采樣數據在直流線路雙端之間進行高速通信，報文發送間隔同樣采用20y S。基于FPGA的差動保護裝置可實現雙端數據通信的高速接口和快速的保護相關計算。
[0054] 步驟二、實現直流線路兩端采樣數據的同步。為實現同步采樣和數據窗同步，在線 路兩端分別設置參考端和跟隨端，由差動保護控制位設置："跟隨端"和"跟參考端"。且必須 一側設置為參考端，另一側設為跟隨端。
[0055] 步驟2.1，差動功能啟動前可根據需要預先分別設置成參考方式(參考端)或跟隨 方式(跟隨端）。
[0056] 本實施例中，對于直流線路2可將#3母線端差動保護設備設置為參考端，#2母線端 差動保護設備設置為跟隨端。
[0057] 步驟2.2,為保證兩側數據采樣同步，跟隨端首先發一帖同步請求命令，其中包括 采樣標號及該采樣相對應的時間，參考端在收到跟隨端發來的命令后返回一帖數據，其中 包括參考端的采樣標號及該采樣相對應的時間等信息。
[0058] 本實施例中，柔性直流配網的兩個直流換流站啟動后#2母線端向#3母線端開始發 送帶采樣標號和時間的同步請求，#3母線端收到請求后返回一帖帶采樣標號和時間的數 據。
[0059] 步驟2.3，#2母線端收到#3母線端的相應數據報文后，利用圖2、圖3所示的方法計 算出通信傳輸延時Td和兩側采樣時刻偏差A Ts。
[0060] 步驟2.4，#2母線端首先通過當前采樣時刻減去通信傳輸延時Td的方法補償通信 傳輸延時的影響，然后通過圖4所示的二次插值的方法進行采樣插值，其中線路雙端均采用 相同的采樣間隔20ys，通過迭代使兩端采樣時刻偏差A Ts小于事先確定的允許范圍內時， 即認為已實現跟隨端與參考端的采樣同步。在本申請實施例中，事先確定的允許偏差范圍 為 f5]is。
[0061] 步驟=、通過計算直流線路2雙端的差動電流Im、In，判斷是否滿足差動電流保護判 據，實現直流線路的差動保護。
[0062] 通過直流線路兩側的電流互感器采樣線路電流，取母線流向線路的電流為正，采 用如下判據：
[006；3] |lm_i+In_i|>maX(Ir_set，Kres*Ires) (2)
[0064] 其中1。_1、1。_功1時刻直流線路兩端正極或負極的電流;Ir_set為動作電流;Kres為制 動系數;審喊電流取Ires=max( Im_i，In_i)。
[0065] 本實施例中，當完成步驟二的采樣同步后，開啟差動保護功能，啟動差動保護算 法，計算線路兩側電流插值。在線路2上設置接地故障時，故障開始時刻1.3s，持續時間 1 OOms，直流輸送功率1OMVA;
[0066] 圖6和圖7中是直流線路2故障時，兩側電流及差電流波形。其中Im與In是線路2兩端 2#母線流向線路和3#母線流向線路的端電流。從圖中可W看出，直流線路故障期間，線路端 電流波動增大，差動電流迅速增大到原電流值的3倍W上，差動保護能夠快速、可靠動作。當 發生區外故障時，通過差動電流計算結果可靠判斷不動作。
[0067] 綜上，通過直流線路差動保護算法，保證區內故障時可靠動作，區外故障時可靠不 動作。
[0068]
【申請人】結合說明書附圖對本發明的實施例做了詳細的說明與描述，但是本領域技 術人員應該理解，W上實施例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者 更好地理解本發明精神，而并非對本發明保護范圍的限制，相反，任何基于本發明的發明精 神所作的任何改進或修飾都應當落在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種柔性直流配電網絡線路差動保護系統，包括數據采集裝置和保護裝置，其特征 在于： 所述數據采集裝置以及保護裝置均為兩套且結構相同，分別配置在直流線路的兩側； 直流線路兩側的保護裝置間采用光纖進行數據通信，直流線路兩側數據采集裝置實現 線路兩端電流信號的同步采集； 直流線路兩端的保護裝置根據同步采集的電流數據，判斷是否滿足差動電流保護判 據，若滿足判據條件則將保護出口命令傳遞給本端的直流斷路器，實現直流線路的差動保 護。2. 根據權利要求1所述的柔性直流配電網絡線路差動保護系統，其特征在于： 所述數據采集裝置包括DC傳感器模塊、數據采集模塊，D C傳感器模塊將感測的直流線 路本端直流電流傳送給數據采集模塊，數據采集模塊將直流電流轉換成光信號傳輸給保護 裝置。3. 根據權利要求2所述的柔性直流配電網絡線路差動保護系統，其特征在于： 所述保護裝置包括延時及偏差計算模塊、同步插值模塊、差動保護模塊和通信模塊； 所述通信模塊接收線路本端和對端傳來的光信號并將其轉換為保護計算用的直流電 流ig號； 延時及偏差計算模塊接收本端數據采集裝置上傳的本端直流電流采樣數據以及通過 光纖通信傳輸的對端直流采樣數據，并根據兩端保護裝置之間的通信傳輸延時對兩端采樣 數據進行延時補償后傳遞給同步插值模塊； 所述同步插值模塊則根據兩端數據采集裝置的采樣時刻偏差，對采樣電流數據進行采 樣插值，并經過多次迭代達到預定的兩端采樣時刻允許偏差范圍后，將插值后的兩端直流 電流采樣數據上傳至本端的差動保護模塊； 所述差動保護模塊則根據同步插值模塊上傳的兩端直流電流采樣數據，判斷是否滿足 差動電流保護判據，若滿足判據條件則跳開本端的直流斷路器，實現直流線路的差動保護。4. 根據權利要求1或3所述的柔性直流配電網絡線路差動保護系統，其特征在于： 所述保護裝置采用現場可編程門陣列FPGA實現。5. -種柔性直流配電網絡線路差動保護實現方法，其特征在于，所述實現方法包括以 下步驟： 步驟1:直流線路兩側分別配備數據采集裝置和保護裝置，直流線路兩側所配備的數據 采集裝置以及保護裝置結構相同，數據采集裝置用于采集直流線路本側數據并上傳給保護 裝置，直流線路兩側保護裝置間采用FT3光纖數據通信方式傳輸兩側數據;步驟2:實現直流 線路兩側數據的同步采集； 步驟3:直流線路兩端保護裝置根據直流線路兩端的同步采集數據進行差動保護的邏 輯判別，當滿足差動電流保護判據條件時，則通過光纖將保護的出口命令傳遞給本端的直 流斷路器，實現直流線路的差動保護。6. 根據權利要求5所述的柔性直流配電網絡線路差動保護實現方法，其特征在于:在步 驟2中，具體包括以下內容： 步驟2.1，若柔性直流配電網為雙端系統，預先將直流線路兩側保護裝置中的一側設置 成參考端，另一側設置為跟隨端;若柔性直流配電網直流母線內包括多條直流線路，設定該 直流母線端為參考端，待差動保護的直流線路的另一端為跟隨端;若直流線路處于兩直流 母線之間，則預先設定將一側直流母線設置成參考端，另一側直流母線設置為跟隨端； 步驟2.2,跟隨端保護裝置首先向參考端保護裝置發一幀同步請求命令，其中包括跟隨 端采樣數據的編號及該端數據采樣所對應的時刻;參考端保護裝置在收到跟隨端保護裝置 發來的同步請求命令后返回一幀數據，其中包參考端的采樣數據編號及該端數據采樣所對 應的時刻； 步驟2.3,跟隨端保護裝置自發出同步請求命令時刻起至收到返回數據為止，所用的時 間減去參考端的固有處理時間TP，即為直流線路兩端通信傳輸延時的兩倍即2Td;跟隨端保 護裝置收到參考端保護裝置返回的數據報文后，對比同一采樣數據編號下參考端和跟隨端 的采樣時刻是否一致，若不一致則該時間偏差即為直流線路兩側采樣時刻偏差A Ts; 步驟2.4，跟隨端保護裝置首先通過當前采樣時刻減去通信傳輸延時Td的方法補償通信 的傳輸延時;然后針對兩端采樣時刻偏差A Ts，通過二次插值的方法對采樣數據進行插值， 插值取跟隨端與參考端采樣時刻的中間值，經過多次迭代后當偏差值達到事先確定的允許 范圍內時，即認為已實現跟隨端與參考端的采樣同步。7.根據權利要求6所述的柔性直流配網直流線路差動保護實現方法，其特征在于： 數據采集裝置將采樣數據通過IEC60044-8標準中定義的FT3鏈路層數據傳輸格式上傳 至本側保護裝置，并由本側保護裝置傳輸給對側保護裝置，數據傳輸的通用幀的標準傳輸 速度為lOMbit/s，采集裝置和保護裝置之間的通信格式為FT3格式，采樣數據間隔為20ys， 雙端保護裝置之間的數據通信報文發送間隔為20ys。
【文檔編號】H02H7/26GK106099879SQ201610645886
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610645886.4, CN 106099879 A, CN 106099879A, CN 201610645886, CN-A-106099879, CN106099879 A, CN106099879A, CN201610645886, CN201610645886.4
【發明人】時伯年, 趙宇明, 孫剛, 司喆, 胡子珩, 劉國偉, 李樹峰, 李漢明
【申請人】深圳供電局有限公司, 北京四方繼保自動化股份有限公司