專利名稱：基于工頻載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于工頻載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)及其檢測方法，屬于電 力系統(tǒng)自動化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
所謂孤島是指當(dāng)電網(wǎng)因事故或停電維修時，用戶端分布式發(fā)電系統(tǒng)未將自身切離 所并網(wǎng)的電網(wǎng)，而形成分布發(fā)電和周圍的負(fù)載組成的一個自給供電的系統(tǒng)。孤島包括計劃 孤島與非計劃孤島，其中計劃孤島在主網(wǎng)斷電后分布式發(fā)電可以繼續(xù)運行，對一部分重要 負(fù)載供電，而非計劃孤島則必須在主網(wǎng)斷電后，停止向負(fù)載供電。孤島檢測是解決分布式發(fā) 電“并網(wǎng)難”的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，其檢測的準(zhǔn)確性是分布式發(fā)電并網(wǎng)運行和孤島運行兩種 狀態(tài)平滑切換的前提，是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)的基本條件。目前，孤島檢測主要有基于本地電氣量特征(這些電氣量包括頻率、電壓、諧波、 阻抗等)的本地檢測方法和基于通信技術(shù)的遠(yuǎn)程檢測兩種方法。其中，本地檢測又分為被 動檢測和主動檢測方法。被動檢測方法在分布式發(fā)電和存在不可避免的檢測盲區(qū)，而主動 檢測方法存在可靠性和干擾問題，兩者綜合又會拉高檢測成本。基于通信的孤島檢測，必 須監(jiān)控配網(wǎng)上開關(guān)的通斷狀態(tài)，實時監(jiān)測跳閘信號，這種方法依賴于通信網(wǎng)的支撐，通信網(wǎng) 建設(shè)成本也是一個關(guān)鍵障礙，同時配電網(wǎng)拓?fù)涞碾S機(jī)變化也是基于通信孤島檢測的一個難 點οZL200810034105. 3，基于M序列調(diào)制和方差判斷的并網(wǎng)主動式孤島檢測系統(tǒng)和方 法，根據(jù)并網(wǎng)時，由于并網(wǎng)公用連接點電壓受控于電網(wǎng)，隨機(jī)性小，所獲得的隨機(jī)序列方差 值很小，而孤島時，并網(wǎng)公用連接點電壓受控于逆變器輸出，而逆變器輸出受數(shù)字信號處理 器調(diào)制具有隨機(jī)信號的特點，因此方差值將大大增大。主要缺點是存在孤島檢測盲區(qū)。ZL201010109828. 2，施加脈沖電流干擾的頻率偏移孤島檢測方法，該方法能加快 故障檢測速度，縮小檢測盲區(qū)，對電網(wǎng)的影響較小。其主要缺點是存在孤島檢測盲區(qū)。并且 對電網(wǎng)造成一定干擾。ZL 201010210918. 0，基于阻抗測量的分布式電源孤島檢測方法，該原理利用了分 布式發(fā)電并網(wǎng)狀態(tài)與孤網(wǎng)狀態(tài)下，系統(tǒng)等效阻抗將出現(xiàn)極大變化的特點，在并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)點注 入高頻電壓信號，通過測量電壓變化，反映阻抗變化，就可以判斷出系統(tǒng)當(dāng)前是否與大電網(wǎng) 相連。但由于電網(wǎng)阻抗時變特征明顯，實現(xiàn)難度較大。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，配用電網(wǎng)中預(yù)計會有大量的分布式電源接入需求，未 來分布式發(fā)電和微電網(wǎng)將在國內(nèi)普及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了應(yīng)對分布式電源在中低壓配電網(wǎng)中的接入需求，提供一 種高效實用的分布式發(fā)電孤島檢測方法。為電力系統(tǒng)自動化、智能配用電發(fā)展解決一些關(guān) 鍵的技術(shù)問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明依據(jù)我國配電網(wǎng)的基本特征，采用工頻載波技術(shù)實現(xiàn)分 布式發(fā)電及微電網(wǎng)中的孤島檢測，系統(tǒng)中涉及到的裝置有工頻載波信號生成裝置和工頻載 波信號檢測裝置。本發(fā)明為分布式發(fā)電并網(wǎng)及微電網(wǎng)中的孤島信號檢測、反孤島保護(hù)提供 了一種有效的方法，在分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中滲透率高的情況下應(yīng)用具有非常高的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)性能。本發(fā)明提出的一種基于工頻載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括工頻載 波信號生成裝置、工頻載波信號檢測裝置、信號耦合變壓器、變電站母線、分布式發(fā)電電源 和安全隔離斷路器，所述工頻信號生成裝置內(nèi)置電壓電流監(jiān)測電路，所述工頻信號生成裝 置通過三相四線的四根電力電纜和信號耦合變壓器相連，所述信號耦合變壓器和通過3根 電力電纜和變電站母線相連，變電站母線通過饋線與10kV/400V變壓器和安全隔離斷路器 相連接，工頻載波信號信號檢測裝置安裝在安全隔離斷路器和分布式發(fā)電電源之間，工頻 載波信號檢測裝置通過A相、B相、C相火線和N中線接到低壓電網(wǎng)上以檢測信號，或者通過 A相、B相、C相火線中一相和N中線接到低壓電網(wǎng)上以檢測信號，工頻載波信號檢測裝置內(nèi) 置信號硬件合成電路，工頻載波信號生成裝置在每個工頻周期發(fā)送一次信號，如果工頻載 波信號檢測裝置在連續(xù)5個工頻周期沒有檢測到信號，則判斷變電站母線到分布式電源之 間的連接電網(wǎng)斷開，工頻載波信號檢測裝置立即發(fā)送跳閘信號使分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離 斷路器跳閘，從而使得分布式發(fā)電電源從主網(wǎng)切離。其中，工頻載波信號生成裝置通過A相、B相、C相火線和N中線接到信號耦合變壓 器上，信號發(fā)送可以實現(xiàn)任意單相發(fā)送、任意兩相并行發(fā)送和三相并行發(fā)送。其中，工頻載波信號檢測裝置通過A相、B相、C相火線和N中線接到低壓電網(wǎng)上， 或者通過A相、B相、C相火線中一相和N中線接到低壓電網(wǎng)上。其中，工頻載波信號檢測裝置內(nèi)部設(shè)計有硬件信號合成電路，硬件信號合成電路 由3個電壓互感器第一電壓互感器、第二電壓互感器和第三電壓互感器完成信號強(qiáng)弱變 換，其中第一電壓互感器和第二電壓互感器的變比相同，而第三電壓互感器的變比為第一 電壓互感器變比的1.732倍。其中，信號耦合變壓器高壓側(cè)即IOkV側(cè)通過三個高壓熔斷器連接到變電站母線 上，信號耦合變壓器低壓側(cè)即400V側(cè)通過三個塑殼斷路器連接到工頻載波信號生成裝置， 工頻載波信號生成裝置通過通信接口與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)交換信息。本發(fā)明還提出了一種使用上述檢測系統(tǒng)的檢測方法，工頻載波信號由工頻載波信 號生成裝置發(fā)出并經(jīng)過信號耦合變壓器耦合到變電站母線，信號經(jīng)過中壓電網(wǎng)、配電變壓 器和低壓電網(wǎng)傳輸，通過安裝在分布式發(fā)電并網(wǎng)處的工頻載波信號檢測裝置實時監(jiān)測這一 工頻載波信號。其中，采用發(fā)送功率自監(jiān)測方法，控制工頻載波信號的發(fā)送電流峰值大于300A，小 于 600A。其中，工頻載波信號生成裝置通過信號耦合變壓器把工頻載波信號發(fā)送到變電站 母線上，信號耦合變壓器容量大于200kVA，小于600kVA，以40ms為一次信號檢測周期，信號 有效范圍為6ms。其中，工頻載波信號檢測裝置安裝在分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路器分布式發(fā)電 一側(cè)，信號檢測裝置以40ms為一次信號檢測周期，如果連續(xù)200ms內(nèi)均沒有檢測到信號，則往并網(wǎng)安全隔離斷路器發(fā)送跳閘信號。其中，工頻載波信號生成裝置能監(jiān)測信號發(fā)送電壓和電流，自動調(diào)整發(fā)送功率，使 信號驅(qū)動點不超過工頻電壓由正到負(fù)過零點前30度電角度，即3. 33ms。其中，工頻載波信號檢測裝置內(nèi)置信號硬件合成電路，電路采用RC全橋全通濾波 電路，不損失信號的有效頻段，同時使信號接收能量加強(qiáng)了一倍。其中，工頻載波信號檢測裝置通過輸出跳閘信號使分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路 器跳閘。跳閘驅(qū)動信號線距離短時，小于IOm時可采用脈沖輸出，當(dāng)距離大于IOm時則采用 總線通信。其中，分布式發(fā)電是光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電、或儲能并網(wǎng)發(fā)電。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于以下幾點1.本發(fā)明的系統(tǒng)及其檢測方法無孤島檢測盲區(qū)；2.本發(fā)明的系統(tǒng)及其檢測方法不受并網(wǎng)能源裝換技術(shù)制約，適用于逆變器并網(wǎng)和 感應(yīng)電機(jī)并網(wǎng)等多種方式；3.本發(fā)明的系統(tǒng)及其檢測方法分布式發(fā)電滲透率愈高，本發(fā)明經(jīng)濟(jì)性能愈好，具 有非常大的應(yīng)用前景。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)及其檢測方法系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖2是工頻載波信號發(fā)送波形示意圖。圖3是工頻載波信號生成裝置及信號耦合變壓器連接示意圖。圖4是電壓電流檢測電路示意圖。圖5是工頻載波信號檢測裝置連接示意圖。圖6是工頻載波信號發(fā)送電流波形。圖7是工頻載波信號檢測裝置信號硬件信號合成電路示意圖。圖8是信號硬件信號合成電路前的原始信號。
具體實施例方式如圖1所示系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，本發(fā)明涉及一種基于工頻載波信號傳輸?shù)姆植际桨l(fā) 電及微電網(wǎng)孤島檢測系統(tǒng)及其檢測方法。系統(tǒng)主要包括一個放置在終端配電變電站附近的 一臺工頻載波信號生成裝置1，一臺放置在分布式電源并網(wǎng)處的工頻載波信號檢測裝置2。 其中工頻載波信號生成裝置通1過一臺信號耦合變壓器3連接到變電站母線4上。工頻載 波信號生成裝置每一個工頻周期40ms發(fā)送一次信號，有效信號持續(xù)時間在6ms以內(nèi)。工頻 載波信號檢測裝置2以40ms為周期檢測信號，如果連續(xù)5個工頻周期及200ms沒有檢測到 信號，則可以判斷變電站母線4到分布式發(fā)電5之間的連接電網(wǎng)斷開。信號檢測裝置2立 即發(fā)送跳閘信號使分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路器6跳閘，分布式電源5從主網(wǎng)切離。如圖2為工頻載波信號發(fā)送波形示意圖。圖中總共有4個電壓周波，以兩個電壓 周波即40ms為一次信號調(diào)制周期，每隔一個電壓周波單相晶閘管電壓由正到負(fù)的過零點 前30度范圍內(nèi)導(dǎo)通一次，圖中11和13位置調(diào)制，12和14位置不調(diào)制。信號檢測裝置在分 布式發(fā)電并網(wǎng)變壓器低壓側(cè)檢測信號畸變。信號檢測時前后兩個周波相減，即信號經(jīng)過模
6數(shù)轉(zhuǎn)換后做差分運算，則可提取出調(diào)制的暫態(tài)信號，一次信號識別需要兩個工頻周波，這樣 完成一次工頻畸變信號識別至少需要40ms。圖3是工頻載波信號生成裝置及信號耦合變壓器連接示意圖。信號耦合變壓器3 高壓側(cè)即IOkV側(cè)通過三個高壓熔斷器21、22和23連接到變電站母線4上，信號耦合變壓器 3低壓側(cè)即400V側(cè)通過三個塑殼斷路器24、25和26連接到工頻載波信號生成裝置1。工 頻載波信號生成裝置通過通信接口 27與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)交換信息，這些信息包括系統(tǒng)啟動、 停止、生成裝置異常告警等信號。遠(yuǎn)程控制通信通道可選擇各種通信方式，但要求通信延遲 大小不變。工頻載波信號生成裝置1通過A相、B相、C相火線和N中線接到信號耦合變壓 器3上，信號發(fā)送可以實現(xiàn)任意單相發(fā)送、任意兩相并行發(fā)送和三相并行發(fā)送。工頻載波信號生成裝置1中內(nèi)置有電壓電流監(jiān)測電路，如圖4所示，調(diào)制電流回路 接到電流互感器CTl原邊，CTl變比為1 1，電流互感器CTl副邊接電容Cl和電阻R1，電 容Cl和電阻Rl并聯(lián)后一端接信號地，另一端通過濾波電路直接連接到A/D采樣電路，用于 監(jiān)測工頻載波信號生成裝置1的信號調(diào)制電流；電壓互感器PTl原邊一端接到220V零線、 另一端通過電阻R2與220V火線連接，電壓互感器PTl副邊一端接到信號地，另一端通過濾 波電路后直接連接到A/D采樣電路，用于監(jiān)測工頻載波信號生成裝置1的信號調(diào)制電壓。 該監(jiān)測電路中的濾波電路采用通用有源低通濾波電路，其截止頻率為5kHz ；A/D采樣電路 為集成到微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器，其電阻R2值為110k、電阻Rl值為51歐姆、電容Cl值為 0. Oluf0此監(jiān)測電路的特點是元器件少，可靠性高，能有效控制工頻信號生成裝置的信號調(diào) 制功率。圖5是工頻載波信號檢測裝置連接示意圖。工頻載波信號檢測裝置通過A相、B 相、C相火線和N中線接到信號耦合變壓器上，其中每根相線上分別串聯(lián)31、32和33三個 低壓熔斷器，或者通過A相、B相、C相火線中一相和N中線接到低壓電網(wǎng)上以檢測信號。工 頻載波信號檢測裝置通過輸出跳閘信號使分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路器跳閘。跳閘驅(qū)動 信號線距離短時，小于IOm時可采用脈沖輸出，當(dāng)距離大于IOm時則采用總線通信。圖6是工頻載波信號發(fā)送電流波形。其中電流峰值在420A，大于300A，小于600A。 持續(xù)時間小于6ms。 圖7是工頻載波信號檢測裝置信號硬件信號合成電路示意圖。硬件信號合成電路 由3個電壓互感器41、42和43完成信號強(qiáng)弱變換，其中電壓互感器41和42變比相同，而 電壓互感器43的變比為電壓互感器41變比的1. 732倍。圖中45為兩個容量大小相等的 電容C和電阻值大小相等的電阻R組成全橋濾波電路。其中電阻和電容溫度系數(shù)小，電路 工作穩(wěn)定。設(shè)計時滿足RC= 1/w= 1/314時，經(jīng)過硬件加法器44后，工頻載波信號檢測裝 置檢測到的信號強(qiáng)度增強(qiáng)了 一倍。圖8是信號硬件信號合成電路前的原始信號。圖中為工頻信號在A相上調(diào)制時， 分布式電源并網(wǎng)變壓器低壓側(cè)電壓波動時域波形，信號為工頻載波信號檢測裝置信號處理 前的原始波形，其中A相、B相、C相三相上均有信號出現(xiàn)。波形為前后兩個電壓周波差分之 后的電壓波動值。電壓波動(電壓缺口)峰值為6V，小于相電壓峰值的2%，不會造成電壓 閃變，及裝置工作時不影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量。上面已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種基于工頻載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括工頻載波 信號生成裝置(1)、工頻載波信號檢測裝置(2)、信號耦合變壓器(3)、變電站母線(4)、分布 式發(fā)電電源(5)和安全隔離斷路器(6)，所述工頻信號生成裝置內(nèi)置電壓電流監(jiān)測電路，所 述工頻信號生成裝置(1)通過三相四線的四根電力電纜和信號耦合變壓器(3)相連，所述 信號耦合變壓器(3)和通過3根電力電纜和變電站母線(4)相連，變電站母線(4)通過饋 線與10kV/400V變壓器和安全隔離斷路器(6)相連接，工頻載波信號信號檢測裝置(2)安 裝在安全隔離斷路器(6)和分布式發(fā)電電源(5)之間，工頻載波信號檢測裝置(2)通過A 相、B相、C相火線和N中線接到低壓電網(wǎng)上，或者通過A相、B相、C相火線中一相和N中線 接到低壓電網(wǎng)上以檢測信號，工頻載波信號檢測裝置(2)內(nèi)置信號硬件合成電路，工頻載 波信號生成裝置(1)在每個工頻周期發(fā)送一次信號，如果工頻載波信號檢測裝置(2)在連 續(xù)5個工頻周期沒有檢測到信號，則判斷變電站母線(4)到分布式電源(5)之間的連接電 網(wǎng)斷開，工頻載波信號檢測裝置(2)立即發(fā)送跳閘信號使分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路器 (6)跳閘，從而使得分布式發(fā)電電源(5)從主網(wǎng)切離。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于工頻載波信號生成裝置通過A相、B相、C相火線 和N中線接到信號耦合變壓器上，信號發(fā)送可以實現(xiàn)任意單相發(fā)送、任意兩相并行發(fā)送和 三相并行發(fā)送。
3.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于工頻載波信號檢測裝置通過A相、B相、C相火線 和N中線接到低壓電網(wǎng)上，或者通過A相、B相、C相火線中一相和N中線接到低壓電網(wǎng)上。
4.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于工頻載波信號檢測裝置內(nèi)部設(shè)計有硬件信號合 成電路，硬件信號合成電路由3個電壓互感器第一電壓互感器(41)、第二電壓互感器(42) 和第三電壓互感器(43)完成信號強(qiáng)弱變換，其中第一電壓互感器(41)和第二電壓互感器 (42)的變比相同，而第三電壓互感器(43)的變比為第一電壓互感器(41)變比的1. 732倍。
5.如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于信號耦合變壓器(3)高壓側(cè)即IOkV側(cè)通過三個 高壓熔斷器(21、22、23)連接到變電站母線上，信號耦合變壓器(3)低壓側(cè)即400V側(cè)通過 三個塑殼斷路器(24、25、26)連接到工頻載波信號生成裝置，工頻載波信號生成裝置通過 通信接口(27)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)交換信息。
6.一種使用權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于工頻載波信號由工 頻載波信號生成裝置發(fā)出并經(jīng)過信號耦合變壓器耦合到變電站母線，信號經(jīng)過中壓電網(wǎng)、 配電變壓器和低壓電網(wǎng)傳輸，通過安裝在分布式發(fā)電并網(wǎng)處的工頻載波信號檢測裝置實時 監(jiān)測這一工頻載波信號。
7.如權(quán)利要求6的方法，其特征在于采用發(fā)送功率自監(jiān)測方法，控制工頻載波信號的 發(fā)送電流峰值大于300A，小于600A。
8.如權(quán)利要求7的方法，其特征在于工頻載波信號生成裝置通過信號耦合變壓器 把工頻載波信號發(fā)送到變電站母線上，信號耦合變壓器容量大于200kVA，小于600kVA，以 40ms為一次信號檢測周期，信號有效范圍為6ms。
9.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于工頻載波信號檢測裝置安裝在分布式發(fā)電并網(wǎng) 安全隔離斷路器分布式發(fā)電一側(cè)，信號檢測裝置以40ms為一次信號檢測周期，如果連續(xù) 200ms內(nèi)均沒有檢測到信號，則往并網(wǎng)安全隔離斷路器發(fā)送跳閘信號。
10.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于工頻載波信號生成裝置能監(jiān)測信號發(fā)送電壓和電流，自動調(diào)整發(fā)送功率，使信號驅(qū)動點不超過工頻電壓由正到負(fù)過零點前30度電角度，即 3. 33ms。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于工頻載波信號檢測裝置內(nèi)置信號硬件合成電 路，電路采用RC全橋全通濾波電路，不損失信號的有效頻段，同時使信號接收能量加強(qiáng)了一倍。
12.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于工頻載波信號檢測裝置通過輸出跳閘信號使 分布式發(fā)電并網(wǎng)安全隔離斷路器跳閘。跳閘驅(qū)動信號線距離短時，小于IOm時可采用脈沖 輸出，當(dāng)距離大于IOm時則采用總線通信。
13.如權(quán)利要求12的方法，其特征在于分布式發(fā)電是光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電、或儲 能并網(wǎng)發(fā)電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于工頻載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)及其檢測方法，該系統(tǒng)包括配置在終端配電變電站附近的工頻載波信號生成裝置，配置在分布式電源并網(wǎng)處的工頻載波信號檢測裝置；工頻載波信號生成裝置通過一臺信號耦合變壓器連接到變電站母線上；工頻載波信號生成裝置通過A相、B相、C相火線和N中線接到信號耦合變壓器上，信號發(fā)送可以實現(xiàn)任意單相發(fā)送、任意兩相并行發(fā)送和三相并行發(fā)送；工頻載波信號檢測裝置通過A相、B相、C相火線和N中線接到低壓電網(wǎng)上?；诠ゎl載波的分布式發(fā)電孤島檢測系統(tǒng)實施成本低，檢測方法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本發(fā)明為分布式發(fā)電并網(wǎng)及為電網(wǎng)中的孤島信號檢測、反孤島保護(hù)提供了一種有效的方法，在分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中滲透率高的情況下應(yīng)用具有非常高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。
文檔編號H02H7/26GK102005742SQ20101054745
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者劉國軍, 權(quán)楠, 李建岐, 渠曉峰, 王智慧, 王立誠, 趙濤, 黃畢堯 申請人:中國電力科學(xué)研究院