分布式电源防孤岛效应继电保护方法与流程

本发明涉及一种电力系统继电保护方法，特别是一种含分布式电源的配电网继电保护方法。

背景技术：

分布式电源DG(distributed generation)是一种新兴的电力能源，包括光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机发电系统等。分布式发电具有环保、经济的一系列优点，能够很好地满足人们对电力安全稳定和经济环保的要求，已引起广泛关注，并逐渐得到推广和发展。然而，DG接入电网也给电网的保护和控制带来了新的问题和挑战。分布式电源孤岛(孤岛)是指电网主网故障，保护动作，主网失去主供电电源，分布式电源仍然向主网侧馈送电量，分布式电源和它所带的负荷构成一个小的电力系统，形成分布式电源孤岛，但是由于这种情形下负荷容量一般远大于分布式电源的容量，负荷将很难达到平衡，孤岛的电压和频率失去稳定。

电力系统中形成孤岛有下列不利影响：1)电网失压后分布式电源继续运行、并且向主电网送电，可能会危及到电网线路维护人员和用户的生命安全；2)电网失压后分布式电源继续运行、并且向主电网送电，可能导致主电网配置的重合闸等功能失效，损失主电网的供电可靠性；3)形成的孤岛电压和频率不受控制，可能对电网设备和用户设备造成损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分布式电源防孤岛效应继电保护方法，解决的技术问题是防止分布式电源孤岛为电力系统带来的不利影响。

本发明采用以下技术方案:一种分布式电源防孤岛效应继电保护方法，包括以下步骤：

一、变电站通过输电线路与主电网连接，输电线路配置有线路保护装置，变电站母线带有至少一个分布式电源，分布式电源与变电站母线之间连接有断路器，变电站母线连接防孤岛保护装置，防孤岛保护装置控制断路器的通断；

二、在防孤岛保护装置中设有过压防孤岛保护功能元件、低压防孤岛保护功能元件、低频防孤岛保护功能元件、高频防孤岛保护功能元件、逆功率保护功能元件、频率滑差防孤岛保护功能元件和开入联跳防孤岛保护功能元件；

三、防孤岛保护装置采集母线的电压、频率、功率、频率滑差和开入联跳信号,进行逻辑判断：

(1)过压防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)过压防孤岛保护投入，2)相电压的最小值大于过压防孤岛保护定值，经过过压防孤岛时限定值，判断有分布式电源孤岛；

(2)低压防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)低压防孤岛保护投入，2)母线曾经电压均大于30V且持续1s，3)相电压的最小值小于低压防孤岛保护定值，4)母线电压互感器无断线，经过低压防孤岛时限定值，判断有分布式电源孤岛；

(3)低频防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)低频防孤岛保护投入，2)变电站母线的频率小于低频防孤岛保护定值，3)滑差闭锁投入，与单位时间内变电站母线的频率变化率大于滑差闭锁定值的与非门输出,4)任一母线电压小于低电压闭锁定值，与变电站母线的频率测量超限的或非门输出，经过低频防孤岛时限定值，判断有分布式电源孤岛；

(4)高频防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)高频孤岛保护投入，2)变电站母线的频率大于高频防孤岛保护定值，经过高频防孤岛时限定值，判断有分布式电源孤岛；

(5)逆功率保护功能元件判断逻辑为：1)逆功率保护投入输出，2)逆功率保护投入输出，逆功率小于逆功率防孤岛保护定值,逆功率方向定值未投入，形成与门2输出，3)逆功率保护投入输出，逆功率方向定值投入，逆功率大于逆功率防孤岛保护定值,形成与门3输出，4)与门2输出、与门3输出分别经过逆功率防孤岛时限定值后的或门输出值，判断有分布式电源孤岛；

(6)频率滑差防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)频率滑差防孤岛保护投入，2)频率滑差的绝对值大于频率滑差防孤岛保护定值，经过频率滑差防孤岛时限定值，判断有分布式电源孤岛；

(7)开入联跳防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下条件：1)联跳防孤岛保护投入，2)输电线路的线路保护装置联跳开入，经过开入联跳防孤岛保护时限定值，判断有分布式电源孤岛；

四、向分布式电源并网断路器输出出口信号。

本发明的步骤三(1)过压防孤岛保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入；(2)低压防孤岛保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入；(3)低频防孤岛保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入；(4)高频孤岛保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入；(5)逆功率保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入；(6)频率滑差防孤岛保护投入为硬压板投入、软压板投入和控制字投入。

本发明的步骤三(7)联跳防孤岛保护投入为软压板投入和控制字投入。

本发明的步骤三(5)逆功率方向定值为变电站并网处电流互感器接入极性指向输电线路时逆功率方向投退定值设置为退出，变电站并网处电流互感器接入极性指向母线时逆功率方向投退定值设置为投入。

本发明的步骤三判断有分布式电源孤岛，在变电站监控系统的液晶显示界面发出防孤岛动作数字信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

本发明的步骤四，400ms后向分布式电源并网断路器输出出口信号。

本发明的步骤三(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)判断逻辑，同时投入。

本发明的步骤三(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)判断逻辑，分别独立投退。

本发明的步骤三(1)判断逻辑，过压防孤岛保护定值为系统正常运行母线相电压上限值；所述(2)判断逻辑，低压防孤岛保护定值为系统正常运行母线相电压下限值；所述步骤三(3)判断逻辑，低频防孤岛保护定值为系统正常运行母线频率下限值；(4)判断逻辑，高频防孤岛保护定值为系统正常运行母线频率上限值；所述步骤三(5)判断逻辑，逆功率防孤岛保护定值为变电站并网处反向功率上限值；所述步骤三(6)判断逻辑，频率滑差防孤岛保护定值为系统正常运行时母线频率滑差上限值。

本发明的分布式电源防孤岛效应继电保护方法，用于110kV及以下电压等级、有分布式电源DG接入的配电网系统。

本发明与现有技术相比,针对分布式电源孤岛电压、频率、功率不稳定的特点，变电站母线连接防孤岛保护装置，监测变电站母线，获得电压、频率、功率、频率滑差和开入联跳信号,进行逻辑判断,满足过压、低压、低频、高频、逆功率、频率滑差和开入联跳逻辑条件,判断为分布式电源孤岛,在变电站监控系统的液晶显示界面发出防孤岛动作数字信号，向分布式电源并网断路器输出出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号，能快速地检测出分布式电源孤岛，立即断开与主电网连接，保护主电网设备和用户设备。

附图说明

图1是本发明实施例1配电网拓扑图。

图2是本发明的过压防孤岛保护元件逻辑框图。

图3是本发明的低压防孤岛保护元件逻辑框图。

图4是本发明的低频防孤岛保护元件逻辑框图。

图5是本发明的高频防孤岛保护元件逻辑框图。

图6是本发明的逆功率保护元件逻辑框图。

图7是本发明的滑差防孤岛保护元件逻辑框图。

图8是本发明的开入联跳防孤岛保护元件逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的分布式电源防孤岛效应继电保护方法，适用于110kV及以下电压等级、有分布式电源DG接入的配电网系统(电网，系统)。包括以下步骤：

一、如图1所示，变电站母线带有两个分布式电源DG和负荷运行，分布式电源和负荷与变电站母线之间连接有第三断路器3DL、第四4断路器4DL和第五断路器5DL，变电站母线连接有防孤岛保护装置，防孤岛保护装置控制3DL、4DL和5DL的通断。变电站通过输电线路与主电网连接，输电线路配置有第一线路保护装置1DL和第二线路保护装置2DL。

二、以被动式孤岛检测判据为要素，在防孤岛保护装置中设有过压防孤岛保护功能元件、低压防孤岛保护功能元件、低频防孤岛保护功能元件、高频防孤岛保护功能元件、逆功率保护功能元件、频率滑差防孤岛保护功能元件和开入联跳防孤岛保护功能元件,用以监测变电站母线，获得过压、低压、低频、高频、逆功率、频率滑差和开入联跳信号。

针对孤岛电压、频率、功率不稳定的特点，过压防孤岛、低压防孤岛、低频防孤岛、高频防孤岛、逆功率、频率滑差防孤岛和开入联跳防孤岛保护功能元件获取电压、频率、功率信号。各个保护功能元件设置有投退软、硬压板，使得各个保护功能元件之间可同时投入，可分别独立投退，远方遥控投退，具备快速监测孤岛且监测到孤岛后立即断开与电网连接的能力。保护功能元件采用长园深瑞继保自动化有限公司的ISA-300G嵌入式实时操作系统，用C33程序语言实现，设置在长园深瑞继保自动化有限公司的ISA-338GB型防孤岛保护装置内，该防孤岛保护装置能与电网侧线路保护、重合闸、备用自动投切装置连接。

三、按分布式电源形成孤岛后，变电站母线过压、低压、低频、高频、逆功率、频率滑差和开入联跳任意一项出现，防孤岛保护装置对电网内的孤岛进行逻辑判断，输出保护信号，并向分布式电源并网断路器3DL、4DL输出出口。

(1)过压防孤岛保护功能元件针对孤岛运行时电网电压可能升高的特征，对变电站母线电压进行监测。过压防孤岛保护功能元件分别设置有投退软、硬压板，控制字，可进行独立投退，可远方遥控投退。过压防孤岛保护控制字决定过压防孤岛保护逻辑功能是否投入，过压防孤岛保护整定值(定值)和过压防孤岛时限定值可依据系统运行工况整定。过压防孤岛保护定值为系统正常运行母线相电压上限值，过压防孤岛时限定值为系统母线相电压越过正常运行母线相电压上限值的延时。

过压防孤岛保护功能元件采集母线的线电压。

如图2所示，过压防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下4个条件：1)过压防孤岛保护硬压板投入，2)过压防孤岛保护软压板投入，3)过压防孤岛保护控制字投入d1102＝on，4)相电压的最小值大于过压防孤岛保护定值Min_Uab,Ubc,Uca>d1103。经过过压防孤岛时限定值d1104，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出过压防孤岛动作数字信号F586，400ms后向分布式电源并网断路器输出F586出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(2)低压防孤岛保护功能元件针对孤岛运行时电网电压可能降低的特征，对变电站母线电压进行监测。低压防孤岛保护功能元件分别设置投退软、硬压板，控制字，可独立投退，可远方遥控投退。低压防孤岛控制字决定低压防孤岛保护逻辑功能是否投入，低压防孤岛保护定值和低压防孤岛时限定值可独立整定。低压防孤岛保护定值为系统正常运行母线相电压下限值。低压防孤岛时限定值为系统母线相电压低于正常运行母线相电压下限值的延时。

低压防孤岛保护功能元件可按现场实际情况，设置中性点接地投退定值，中性点不接地时，采集线电压，中性点接地时，采集相电压，这样可以提高判断的灵敏度。

低压防孤岛保护功能元件动作必须先经有压判断，在低压防孤岛保护功能元件动作返回后，也要经有压判断，方可再次判断、动作。低压防孤岛保护功能元件的有压判断为：三相线电压均大于30V且持续1s。

如图3所示，低压防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下4个条件：1)低压防孤岛保护FGD硬压板投入、低压防孤岛保护FGD软压板投入、低压防孤岛保护控制字投入d1106＝on的与门输出，2)母线曾经有压，即母线电压均大于30V且持续1s，3)相电压的最小值小于低压防孤岛保护定值Min_Uab,Ubc,Uca＜d1107，4)母线电压互感器PT无断线。经过低压防孤岛时限定值d1108，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出低压防孤岛动作数字信号F582，400ms后向分布式电源并网断路器输出F582出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(3)低频防孤岛保护功能元件针对孤岛运行时频率可能降低的特征，对变电站母线频率进行监测。低频防孤岛保护功能元件分别设置投退软、硬压板，控制字，独立投退，可远方遥控投退。低频防孤岛保护控制字决定低频防孤岛保护逻辑功能是否投入，低频防孤岛保护定值和低频防孤岛时限定值可独立整定。低频防孤岛保护定值为系统正常运行母线频率下限值。低频防孤岛时限定值为系统母线频率低于正常运行母线频率下限值的延时。

低频防孤岛保护功能元件均设有可投退的滑差闭锁、低电压闭锁、频率测量超限闭锁判断逻辑。滑差闭锁定值可以依据系统运行工况设定。低电压闭锁定值为任一母线电压Ua、Ub、Uc小于15V。频率测量超限闭锁的频率范围为45～55Hz。

低频防孤岛保护功能元件采集变电站母线频率Fr。

如图4所示，低频防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下4个条件：1)低频防孤岛保护FGD硬压板投入、低频方孤岛保护FGD软压板投入、低频防孤岛保护控制字投入d1193＝on的与门输出，2)变电站母线的频率小于低频防孤岛保护定值Fr＜d892，3)滑差闭锁投入d075＝on，与单位时间内变电站母线的频率变化率大于滑差闭锁定值df/dt>d215的与非门输出,4)任一母线电压小于低电压闭锁定值(Ua,Ub,Uc)＜d076，与变电站母线的频率测量超限的或非门输出。经过低频防孤岛时限定值d1194，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出低频防孤岛动作数字信号F584，400ms后向分布式电源并网断路器输出F584出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(4)高频防孤岛保护功能元件针对孤岛运行时频率可能升高的特征，对变电站母线频率进行监测。高频防孤岛保护功能元件分别设置投退软、硬压板，控制字，可独立投退，可远方遥控投退。高频防孤岛保护控制字决定高频防孤岛保护逻辑功能是否投入，高频防孤岛保护定值和高频防孤岛时限定值可独立整定。高频防孤岛保护定值为系统正常运行母线频率上限值。高频防孤岛时限定值为系统母线频率越过正常运行母线频率上限值的延时。

高频防孤岛保护功能元件采集变电站母线频率Fr。

如图5所示，高频防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下4个条件：1)高频孤岛保护硬压板投入，2)高频防孤岛保护软压板投入，3)高频防孤岛保护控制字投入d1203＝on，4)变电站母线的频率大于高频防孤岛保护定值f>d890。经过高频防孤岛时限定值d1204，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出高频防孤岛动作数字信号F580，400ms后向分布式电源并网断路器输出F580出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(5)自发自用的分布式电源不允许上送功率到主电网，逆功率保护功能元件针对该特征，对变电站并网处功率进行监测。逆功率保护功能元件分别设置投退软、硬压板，控制字，可独立投退，可远方遥控投退。逆功率防孤岛保护控制字决定逆功率防孤岛保护逻辑功能是否投入，逆功率防孤岛保护定值和逆功率防孤岛时限定值可独立整定。逆功率防孤岛保护定值为变电站并网处反向功率上限值。逆功率防孤岛时限定值为变电站并网处反向功率越过上限值的延时。

逆功率保护功能元件采集变电站并网处功率。

考虑到现场电流互感器CT接入极性，导致变电站并网处的功率方向相反的情况，设有逆功率方向投退定值，可通过投入逆功率方向定值，改变变电站并网处的功率反相。当变电站并网处CT极性指向输电线路时逆功率方向投退定值设置为退出，当变电站并网处CT极性指向母线时逆功率方向投退定值设置为投入。

如图6所示,逆功率保护功能元件判断逻辑为：1)逆功率保护硬压板投入,逆功率保护软压板投入,逆功率保护控制字投入d1212，形成与门1输出，2)与门1输出，逆功率小于逆功率防孤岛保护定值P＜-d1213,逆功率方向投退未投入d1211≠投入，形成与门2输出，3)与门1输出，逆功率方向投退投入d1211＝投入，逆功率大于逆功率防孤岛保护定值P＞d1213,形成与门3输出，4)与门2输出、与门3输出分别经过逆功率防孤岛时限定值d1214后的或门输出值，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出逆功率防孤岛动作数字信号F571，向分布式电源并网断路器输出F571出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(6)频率滑差防孤岛保护功能元件针对孤岛运行时频率滑差的特征，对变电站母线频率进行监测。频率滑差防孤岛保护功能元件设置投退软、硬压板，控制字，可独立投退，并且可远方遥控投退。频率滑差防孤岛保护控制字决定频率滑差防孤岛保护逻辑功能是否投入，频率滑差防孤岛保护定值和频率滑差防孤岛时限定值可独立整定。频率滑差防孤岛保护定值为系统正常运行时母线频率滑差上限值。频率滑差防孤岛时限定值为系统母线频率滑差值越过正常运行时频率滑差上限值的延时。考虑到频率滑差df/dt存在负数的情况，df/dt采用绝对值。

如图7所示，频率滑差防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下4个条件：1)频率滑差防孤岛保护硬压板投入，2)频率滑差防孤岛保护软压板投入，3)频率滑差防孤岛保护控制字投入d1218＝on，4)频率滑差的绝对值大于频率滑差防孤岛保护定值df/dt>d1220。经过频率滑差防孤岛时限定值d1221，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出频率滑差防孤岛动作数字信号F573，400ms后向分布式电源并网断路器输出F573出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

(7)开入联跳防孤岛保护功能元件针对电网中孤岛形成时具有明显的开关断开特征，输电线路配置的线路保护装置为光纤线路差动保护装置，利用位于变电站并网线路的光纤线路差动保护装置的出口接点，光纤线路差动保护动作时出口接点闭合，将该对出口接点引入防孤岛保护装置的联跳开入，实现开入联跳分布式电源DG。开入联跳防孤岛保护功能元件设置投退软压板，控制字，可远方遥控投退。开入联跳防孤岛保护控制字决定开入联跳防孤岛保护逻辑功能是否投入，开入联跳防孤岛保护时限定值可独立整定，开入联跳防孤岛保护时限定值为收到开入到保护出口时间，开入联跳防孤岛保护时限定值依据系统运行工况设定。

如图8所示，开入联跳防孤岛保护功能元件判断逻辑为同时满足以下3个条件：1)联跳防孤岛保护软压板投入，2)联跳防孤岛保护控制字投入d1219＝on,3)联跳开入。经过开入联跳防孤岛保护时限定值d1222，判断有分布式电源孤岛。同时在变电站监控系统的液晶显示界面发出开入联跳防孤岛动作数字信号F574，400ms后向分布式电源并网断路器输出F580出口信号，向变电站监控系统输出硬接点信号。

实施例1，将输电线路2DL侧线路保护装置出口动作接点引入到防孤岛保护装置联跳开入，当输电线路发生故障时，光纤线路差动保护装置跳开输电线路断路器2DL，导致变电站母线所带分布式电源DG和负荷形成孤岛运行。此时防孤岛保护装置将启动开入联跳防孤岛保护逻辑，如图8所示，最终跳开分布式电源DG断路器3DL、4DL，实现快速断开分布式电源DG与主电网连接的能力。

实施例2，将变电站母线PT电压Ua、Ub、Uc电量信息引入防孤岛保护装置，当输电线路发生故障时，光纤线路差动保护装置跳开输电线路断路器1DL或2DL，导致变电站母线所带分布式电源DG和负荷形成孤岛运行，变电站母线电压、频率、功率电量会发生波动，防孤岛保护装置依据母线PT电压Ua、Ub、Uc计算出变电站相电压Uab、Ubc、Uca、频率Fr、功率P、频率滑差df/dt电量信息。如图2所示，当系统线电压(Uab、Ubc、Uca)大于过压防孤岛保护电压定值时，经防孤岛保护时限定值，过压防孤岛保护功能元件动作，出口继电器展宽400ms。如图3所示，当系统线电压(Uab、Ubc、Uca)低于低压防孤岛保护定值时，经防孤岛保护时限定值，低压防孤岛保护功能元件动作，出口继电器展宽400ms。如图4所示，当系统频率Fr低于低频防孤岛保护频率定值时，经防孤岛保护时限定值，低频防孤岛保护功能元件动作，出口继电器展宽400ms，低频防孤岛保护功能元件设置有频率滑差闭锁和低电压闭锁。如图5所示，当系统频率Fr高于高频防孤岛保护频率定值时，经防孤岛保护时限定值，高频防孤岛保护功能元件动作，出口继电器展宽400ms。如图6所示，当系统功率大于逆功率定值时，经防孤岛保护时限定值，逆功率保护动作，出口继电器展宽400ms，系统功率方向可以设定。如图7所示，当系统频率发生波动，频率滑差df/dt的绝对值大于频率滑差定值时，经防孤岛保护时限定值，频率滑差防孤岛保护功能元件动作，出口继电器展宽400ms。最终出口跳开分布式电源DG断路器3DL、4DL，实现快速断开分布式电源DG与主电网连接的能力。

本发明的具有以下优点：(1)防孤岛保护装置设置了开入联跳保护逻辑，将电量保护和非电量保护结合配置，开入联跳保护可用于光纤线路差动保护的公共连接点，保护动作时联跳分布式电源，能快速监测孤岛且监测到孤岛后立即断开与主电网连接。(2)利用孤岛频率波动速率高的特点，设置了频率滑差防孤岛保护逻辑，将频率波动滑差作为检查孤岛保护的判据，能快速地检测出孤岛。(3)设置逆功率保护逻辑，可独立投退，具备防逆流功能。