一种基于电气量判别的反孤岛装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于电气量判别的反孤岛装置，包括母板模块、二次电压电流采集转换模块、开入量信号采集模块、控制处理模块、开出量驱动模块、报警信号输出模块、显示模块和电源模块；电压电流采集转换模块、开入量信号采集模块、开出量驱动模块、报警信号输出模块以及显示模块均分别与控制处理模块信号电连接；控制处理模块包括AD转换芯片、FPGA芯片、CPU和光纤通信接口。本实用新型结构简单、成本较低、适用性强，使用时能迅速可靠地判出孤岛现象并实现快速断开小型分布式电源，从而有效地保证检修人员和相关设备的安全；同时能够解决现有被动式检测法存在的当系统交换功率较轻时的检测盲区。
【专利说明】—种基于电气量判别的反孤岛装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于电气量的反孤岛装置，属于电力【技术领域】。
【背景技术】
[0002]孤岛效应是并网发电系统特有的现象。孤岛效应是指分布式发电系统中，当电网供电因故障、事故或停电维修而跳闸后，各个用户端的分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态从而将自身切离市电网络，最终形成由分布式电站并网发电系统和其相连负载组成的一个自给供电的孤岛发电系统。孤岛效应包括两种:计划孤岛和非计划孤岛。计划孤岛在电网故障或维修而造成供电中断时，有计划地发生孤岛效应，由分布式发电装置继续向周围负载供电，从而减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性。而非计划孤岛的供电状态是未知的，会造成一系列的不利影响和安全隐患，包括:(I)孤岛效应使电压和频率失去控制，孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动，从而对电网和用户设备造成损坏；(2)孤岛系统被重新接入电网时，由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步而使电路断路器装置受到损坏，并且可能产生很高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导致电网重现跳闸；(3)孤岛效应可能导致故障不能清除，从而导致电网设备的损害，并且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复；(4)孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给相关人员带来电击的危险。
[0003]目前，分布式电源日趋增长，尤其是分布式太阳能发电系统的发展十分迅速。当有许多光伏并网系统同时向公共电网供电时,发生孤岛效应的机率也随之增加。因此解决孤岛问题显得尤为重要，应当寻求行之有效的方法来防止孤岛效应的发生，即反孤岛技术。目前的反孤岛技术主要有被动检测法和主动检测法。常见的被动检测法主要是采集本地电气量，通过高频/低频，过压/低压等电气量判据来决定是否跳闸，其不足之处在于存在很大的检测盲区，容易漏检。主动式检测法是通过在光伏电站的逆变器侧产生扰动，然后在电网侧检测是否有扰动或者是利用正反馈来迅速累积脱网时的电气量(如频率)，从而采取反孤岛保护动作，但这样一来必然使得光伏电站送出的电能质量无法得到保证。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本较低、适用性强、使用时能迅速可靠地判出孤岛现象而快速断开小型分布式电源且无检测盲区的基于电气量判别的反孤岛装置。
[0005]本实用新型的技术方案是:本实用新型的基于电气量判别的反孤岛装置，其结构特点是:包括母板模块、二次电压电流采集转换模块、开入量信号采集模块、控制处理模块、开出量驱动模块、报警信号输出模块、显示模块和电源模块；
[0006]上述的二次电压电流采集转换模块、开入量信号采集模块、控制处理模块、开出量驱动模块和报警信号输出模块均设置在母板模块上；
[0007]母板模块上设有IO总线；二次电压电流采集转换模块、开入量信号采集模块、开出量驱动模块和报警信号输出模块均设有信号输入端、信号输出端和电源端；控制处理模块设有二次电压电流信号输入端、开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端、显示信号输出端和电源端；显示模块设有信号输入端和电源端；电源模块设有电源输出端；
[0008]上述的二次电压电流采集转换模块的信号输出端通过母板模块的IO总线与控制处理模块的二次电压电流信号输入端双向信号电连接；开入量信号采集模块的信号输出端通过母板模块的IO总线与控制处理模块的开入量信号输入端双向信号电连接；开出量驱动模块的信号输入端通过母板模块的IO总线与控制处理模块的开出量驱动信号输出端信号电连接；报警信号输出模块的信号输入端通过母板模块的IO总线与控制处理模块的报警信号输出端信号电连接；显示模块的信号输入端与控制处理模块的显示信号输出端信号电连接；二次电压电流采集转换模块的电源端、开入量信号采集模块的电源端、控制处理模块的电源端、开出量驱动模块的电源端、报警信号输出模块的电源端以及显示模块的电源端均与电源模块的电源输出端电连接；
[0009]上述的控制处理模块包括AD转换芯片、FPGA芯片、CPU和光纤通信接口 ；FPGA芯片、CPU均分别与AD转换芯片双向信号电连接；FPGA芯片、光纤通信接口均分别与CPU双向信号电连接；AD转换芯片设有信号输入端；FPGA芯片设有同步时钟信号输入端；AD转换芯片的信号输入端即为上述的控制处理模块的二次电压电流信号输入端；上述的控制处理模块的开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端和显示信号输出端均由CPU的IO端口构成。
[0010]进一步的方案是:上述的控制处理模块的FPGA芯片为工业级FPGA芯片；CPU为32位带浮点寄存器的 CPU，CPU 外扩有 32MB NOR FLASH、256MB NAND FLASH 和 64MB SDRAM。
[0011]进一步的方案是:上述的显示模块为采用阻容式触摸屏和工业级宽温液晶屏的显示器。
[0012]本实用新型具有积极的效果:(1)本实用新型的基于电气量判别的反孤岛装置，结构简单、成本较低、现场接线方便、适用性强。(2)本实用新型的基于电气量判别的反孤岛装置，其使用时采用基于公网侧变电站出线的电气量故障跳闸判据，能迅速可靠地判出孤岛现象而快速断开小型分布式电源，从而有效地保证检修人员和相关设备的安全。(3)本实用新型的基于电气量判别的反孤岛装置，其使用时通过采集公网侧变电站和分布式电源两侧的电气量，采用基于两侧的频差能量积分法，能有效消除现有技术中被动式检测法存在的当系统交换功率较轻时的检测盲区。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的电路结构示意图；
[0014]图2为本实用新型的一种应用例的电连接关系不意图；
[0015]图3为本实用新型应用时的工作方法的流程图。
[0016]上述附图中的附图标记如下:
[0017]母板模块1，二次电压电流采集转换模块2，开入量信号采集模块3，
[0018]控制处理模块4，FPGA芯片41，AD转换芯片42，CPU43，光纤通信接口 44，
[0019]开出量驱动模块5,报警信号输出模块6,显不模块7,电源模块8。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例及应用例对本实用新型作进一步详细的说明。
[0021](实施例1)
[0022]见图1，本实施例的基于电气量判别的反孤岛装置，主要由母板模块1、二次电压电流采集转换模块2、开入量信号采集模块3、控制处理模块4、开出量驱动模块5、报警信号输出模块6、显不模块7和电源模块8组成。
[0023]二次电压电流采集转换模块2、开入量信号采集模块3、控制处理模块4、开出量驱动模块5和报警信号输出模块6均设置在母板模块I上。
[0024]母板模块I上设有IO总线；二次电压电流采集转换模块2、开入量信号采集模块
3、开出量驱动模块5和报警信号输出模块6均设有信号输入端、信号输出端和电源端；控制处理模块4设有二次电压电流信号输入端、开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端、显示信号输出端和电源端；显示模块7设有信号输入端和电源端；电源模块8设有电源输出端；
[0025]二次电压电流采集转换模块2的信号输出端通过母板模块I的IO总线与控制处理模块4的二次电压电流信号输入端双向信号电连接；开入量信号采集模块3的信号输出端通过母板模块I的IO总线与控制处理模块4的开入量信号输入端双向信号电连接；开出量驱动模块5的信号输入端通过母板模块I的IO总线与控制处理模块4的开出量驱动信号输出端信号电连接；报警信号输出模块6的信号输入端通过母板模块I的IO总线与控制处理模块4的报警信号输出端信号电连接；显示模块7的信号输入端与控制处理模块4的显示信号输出端信号电连接；二次电压电流采集转换模块2的电源端、开入量信号采集模块3的电源端、控制处理模块4的电源端、开出量驱动模块5的电源端、报警信号输出模块6的电源端以及显示模块7的电源端均与电源模块8的电源输出端电连接；
[0026]控制处理模块4包括AD转换芯片41、FPGA芯片42、CPU43和光纤通信接口 44 ；FPGA芯片42、CPU43均分别与AD转换芯片41双向信号电连接；FPGA芯片42、光纤通信接口 44分别与CPU43双向信号电连接；AD转换芯片41设有信号输入端；FPGA芯片42设有同步时钟信号输入端；AD转换芯片41的信号输入端即为所述的控制处理模块4的二次电压电流信号输入端；所述的控制处理模块4的开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端和显示信号输出端均由CPU43的IO端口构成。
[0027]前述的二次电压电流采集转换模块2包括保护级弱电互感器(PT/CT)和低通滤波器，用于实现强/弱电信号的转换。
[0028]控制处理模块4的FPGA芯片42为工业级FPGA芯片；CPU43为32位带浮点寄存器的 CPU，CPU43 外扩有 32MB NOR FLASH、256MB NAND FLASH 和 64MB SDRAM，能够满足工频信号每周波1024点的采样要求。
[0029]显示模块7优选采用具有阻容式触摸屏和工业级宽温液晶屏的显示器，以使其能适应各种恶劣环境。
[0030](应用例)
[0031]实施例1的基于电气量判别的反孤岛装置在使用时，接入的二次电压(额定为100V线电压)和电流(额定为IA或5A)通过二次电压电流采集转换模块2的弱电互感器后转换成为AD芯片能够测量的±5V信号，经过低通滤波器的低通滤波后将信号输出。
[0032]开入量信号采集模块3用于采集隔离刀闸位置、断路器节点等开入量信号，并将采集的信号经母板模块I的IO总线传输给控制处理模块4。
[0033]FPGA芯片42使用时接外部标准时钟(如GPS/北斗卫星标准同步时钟)的B码时间信号和IPPS秒脉冲信号接入FPGA芯片44，FPGA芯片42的采样脉冲同步于IPPS信号，并在每个采样点完成后打上精确至ns的时间信息，FPGA芯片42同步控制AD转换芯片41以实现全网的同步采样和计算并将信息传输给CPU43 ；CPU43接收FPGA芯片42同步采集到的电气量，利用内置的程序和判据进行处理。控制处理模块4的光纤通信接口 44用于通过光纤通信网络实现相互间的通信连接。所谓FPGA，指现场可编程门阵列。
[0034]开出量驱动模块5用于通过母板模块I的IO总线接受控制处理模块4的指令，驱动外设的开出继电器执行跳闸动作。
[0035]报警信号输出模块6用于通过母板模块I的IO总线接受控制处理模块4的信号指令，向外设发送告警信号。
[0036]显示模块7用于相关信息的显示。
[0037]参见图2和图3，实施例1的基于电气量判别的反孤岛装置，其在使用时，采用2台实施例1的基于电气量判别的反孤岛装置，分别称为装置I和装置2 ;装置I在需监测的公网变电站出线侧设置；装置2在需监测的分布式电源出线侧设置；装置I和装置2通过光纤通信网络通信连接；工作方法主要包括以下步骤:
[0038]①电气量采集:装置I采集变电站出线侧的电压、电流信号；装置2的控制处理模块4的FPGA芯片42接收同步时钟信号控制其AD转换芯片41同步采集分布式电源出线侧的电压、电流信号；装置I和装置2各自的二次电压电流采集转换模块2将采集的信号处理后分别传输给各自的控制处理模块4 ；
[0039]②计算两侧电压、电流信号频率差值并比较判断:装置I和装置2分别计算各自侧的电压、电流信号频率；装置I的控制处理模块4将其自身计算的频率值与调用的装置2的控制处理模块4计算的频率值进行比较得出频率差值Df ;装置I的控制处理模块4将该频率差值Df与装置I的控制处理模块4的CPU43内置的判断阈值Ds进行比较:若Df≥Ds,则进入步骤③；若Df < Ds，则进入步骤④；
[0040]③计算电气量各相关参数，依设定的判据判定是否跳闸:装置I和装置2各自的控制处理模块4的FPGA芯片42控制AD转换芯片41同步采样并完成DFT变换计算；控制处理模块4的CPU43周期性从FPGA读出DFT递推运算的结果和原始采样值，同时生成正序、负序、零序分量后，利用下述判据对公网变电站线路是否发生故障跳闸进行判断:
[0041]判据1，突变量启动
【权利要求】
1.一种基于电气量判别的反孤岛装置，其特征在于:包括母板模块(I)、二次电压电流采集转换模块(2)、开入量信号采集模块(3)、控制处理模块(4)、开出量驱动模块(5)、报警信号输出模块(6)、显不模块(7)和电源模块(8)； 所述的二次电压电流采集转换模块(2)、开入量信号采集模块(3)、控制处理模块(4)、开出量驱动模块(5)和报警信号输出模块(6)均设置在母板模块(I)上； 母板模块(I)上设有IO总线；二次电压电流采集转换模块(2)、开入量信号采集模块(3)、开出量驱动模块(5)和报警信号输出模块(6)均设有信号输入端、信号输出端和电源端；控制处理模块(4)设有二次电压电流信号输入端、开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端、显不信号输出端和电源端；显不模块(7)设有信号输入端和电源端；电源模块(8)设有电源输出端； 所述的二次电压电流采集转换模块(2)的信号输出端通过母板模块(I)的IO总线与控制处理模块(4)的二次电压电流信号输入端双向信号电连接；开入量信号采集模块(3)的信号输出端通过母板模块(I)的IO总线与控制处理模块(4)的开入量信号输入端双向信号电连接；开出量驱动模块(5)的信号输入端通过母板模块(I)的IO总线与控制处理模块(4)的开出量驱动信号输出端信号电连接；报警信号输出模块(6)的信号输入端通过母板模块(I)的IO总线与控制处理模块(4)的报警信号输出端信号电连接；显示模块(7)的信号输入端与控制处理模块(4)的显示信号输出端信号电连接；二次电压电流采集转换模块(2)的电源端、开入量信号采集模块(3)的电源端、控制处理模块(4)的电源端、开出量驱动模块(5)的电源端、报警信号输出模块(6)的电源端以及显示模块(7)的电源端均与电源模块(8)的电源输出端电连接； 所述的控制处理模块(4)包括AD转换芯片(41)、FPGA芯片(42)、CPU (43)和光纤通信接口(44) ;FPGA芯片(42)、CPU (43)均分别与AD转换芯片(41)双向信号电连接；FPGA芯片(42)、光纤通信接口(44)均分别与CPU (43)双向信号电连接；AD转换芯片(41)设有信号输入端；FPGA芯片(42)设有同步时钟信号输入端；AD转换芯片(41)的信号输入端即为所述的控制处理模块(4)的二次电压电流信号输入端；所述的控制处理模块(4)的开入量信号输入端、开出量驱动信号输出端、报警信号输出端和显不信号输出端均由CPU (43)的IO端口构成。
2.根据权利要求1所述的基于电气量判别的反孤岛装置，其特征在于:所述的控制处理模块(4)的FPGA芯片(42)为工业级FPGA芯片；CPU (43)为32位带浮点寄存器的CPU，CPU (43)外扩有 32MB NOR FLASH、256MB NAND FLASH 和 64MB SDRAM。
3.根据权利要求1所述的基于电气量判别的反孤岛装置，其特征在于:所述的显示模块(7)为采用阻容式触摸屏和工业级宽温液晶屏的显示器。
【文档编号】G01R31/08GK203722252SQ201420034625
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】严以臻, 曹良, 何晓明, 尹雄 申请人:江苏省电力公司常州供电公司, 江苏省电力公司, 国家电网公司