专利名称：一种基于等效负序阻抗的分布式电源孤岛保护方法
技术领域：
本发明属于分布式发电领域的电源保护技术领域，适用于各种形式的分布式电源
孤岛保护。
背景技术：
目前，在并网联络线路因发生故障或其他原因断开时，分布式电源与配电系统之 间将会失去联系，形成一个电气上的孤岛。 一般来说，与主系统分开以后，孤岛内的功率是 不平衡的。如果孤岛中的电源总容量远小于孤岛内的总负荷，那么孤岛不可能稳定运行，经 过较短时间后孤岛崩溃。而如果孤岛中的电源总容量大于或等于本地负荷，就可能出现较 长时间的孤岛运行。 由于故障跳闸等原因造成的范围不确定的、偶然形成的孤岛运行，称为非计划孤
岛运行。这种孤岛的形成具有偶然性和不确定性，会带来一系列的问题 ①电能质量下降。孤岛小系统内的功率不平衡，会引起频率、电压都发生变化，降
低了供电安全和电能质量。 ②威胁公众及运行人员的安全。由于非计划孤岛的范围不确定性，不能确定系统 元件、线路是否带电，造成了对维修人员、运行人员和公众的安全威胁。
③改变流经保护的电流大小，影响了继电保护的正确动作。
④可能会失去接地点，威胁绝缘安全。 ⑤影响自动重合闸。形成孤岛后，分布式电源(Distributed Generator)即DG可 能仍对跳闸线路的另一端供电，造成检无压重合闸失败，或因孤岛与主系统失步，检同期合 闸失败，从而引起不必要的停电及对DG、系统设备的损害。 为避免非计划孤岛运行带来的不利影响，对于无法形成计划孤岛的分布式发电设 备，一般都要求系统配置防孤岛保护，在因系统故障等原因导致与主配电系统失去联系后， 尽快地将分布式电源断开。 现有的孤岛检测原理主要为被动检测、主动检测及基于通信的联锁跳闸方法。被 动检测就是通过检测孤岛形成前后的频率、电压、功率输出等电气量变化，来判断是否与主 电网断开。主要包括低频低压、高频高压、频率变化率法；优点是原理简单、实现方便，但由 于仅反映频率及电压的大小，容易受重负荷切换或大电源跳闸等原因引起的频率、电压变 化的影响，误动率较高。 主动检测通过控制分布式电源DG并网逆变器对系统施加一个外部干扰，然后监
视系统的响应来判断是否形成孤岛，一般是通过调制DG并网逆变器的有功或无功输出，检
测电压和频率的响应变化。有的主动检测还可以构成正反馈，加快孤岛的瓦解。优点是即
使是功率完全平衡的孤岛，也可以通过主动干扰来破坏功率平衡，从而被可靠地检测出来。
缺点是外部干扰会影响供电质量，检测的时间也会比被动检测长；且当系统中包含多个分
布式电源时，各电源主动检测装置发出的干扰信号可能互相影响，降低检测效果。 基于通信的联锁跳闸方法的基本思想是监控电路中所有可能导致孤岛形成的断路器或开关的状态。当某个开关动作导致并网线断开时，该开关处的监测装置将发送跳闸 信号，中止并网线下级所有分布式电源DG的运行。优点是原理简单；缺点是实现复杂，当系 统拓扑结构复杂或馈线拓扑结构不固定时，联锁跳闸的逻辑关系将变得相当复杂。首先需 要监测每个分布式电源与变电站之间的所有开关状态，另外拓扑变化的时候，还需要重新 配置所有的跳闸逻辑。联锁跳闸可以可靠地避免所有的非计划孤岛，对具有固定拓扑结构 的系统简单有效，但其成本高、操作复杂。
发明内容
为了解决现有技术中存在分布式电源孤岛状态检测的技术问题，本发明提出了一 种基于等效负序阻抗的分布式电源孤岛保护方法。该方法利用了分布式电源DG并网状态 与孤网状态下，系统等效负序阻抗将出现极大变化的特点，
本发明的具体方案如下 —种基于等效负序阻抗的分布式电源的孤岛保护方法，该方法用于检测分布式电 源是否与主电网存在电气联系，在所述孤岛保护方法中，将保护装置安装在分布式电源组 成的微网上的任意一条馈线支路上；本方法包括如下步骤 (1)在保护装置安装处，实时计算该馈线所连接所述微网上的母线三相电压，通过 序分量计算，求得负序电压分量《； (2)在保护装置安装处，实时计算所述馈线支路的三相电流，通过序分量计算，求 得负序电流分量/2 (3)按照下式实时计算等效负序阻抗值
;=， 其中，Z^/为保护装置实时计算的等效负序阻抗； (4)在保护装置调试期间，手动使得分布式电源并网运行一段时间，保护装置计算 分布式电源并网运行下的等效负序阻抗值Zuc'并自动"记忆"该等效负序阻抗值ZKc';
(5)当保护装置根据步骤3所得到等效负序阻抗值满足以下动作方程时，孤岛保 护动作跳闸，即跳开由分布式电源组成的微网与电力系统的联络线开关
Z2SA' >KZ2GC' 其中，Zkc'为"记忆"下的并网状态的等效负序阻抗值；Z^/为保护装置实时计 算的等效负序阻抗；K为可靠系数，按照2倍整定。 由于本发明公开的等效负序阻抗保护方法只需要保护安装处的电流电压信息就 可以正确判断出孤岛状态，因此很容易实现。
图1所示孤岛区域示意图； 图2为含DG的配网等效阻抗示意具体实施例方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
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分布式电源DG与系统并网运行时，由于DG和本地负荷的匹配程度不同，并网线的 潮流方向不是单一的。这部分配电网可能会从系统中吸收有功(无功)，也可能向系统送入 有功(无功)。所以与系统分开以后，孤岛内部就出现了功率不平衡。以图1中区域Zonel 为例，当系统发生故障时，断路器CB2跳开，Zonel与主系统断开，形成孤岛。Zonel内出现 了功率不平衡，引起了一个暂态响应过程。如果分布式电源DG1的调节裕量和调节速度足 够，就可以在较短时间内达到一个新的稳态。内部功率达到平衡，频率、电压也在允许范围 内，孤岛可以持续较长时间的稳定运行。而如果DG1的调节能力不足，孤岛只能持续较短的 时间，并逐渐崩溃。如果预先规划好解列点，构造一个功率基本平衡的区域，则孤岛可以持 续运行。 按是否经过预先规划，可将孤岛运行分为计划孤岛运行和非计划孤岛运行。由于 故障跳闸等原因造成的范围不确定的、偶然形成的孤岛运行，称为非计划孤岛运行；根据分 布式电源容量和本地负荷的大小，确定合理的孤岛区域，与主系统断开后，仍保证小系统的 稳定运行，称为计划孤岛运行。 对于接入380V的配电系统的DG， 一般有两个特点存在 l)DG的容量和电网的容量相比较小；常规的DG容量在几百kW到丽级，与10kV系 统相比，非常小； 2)380V配电负荷的三相不对称程度比较高；配电380V出线的负荷往往是单相负 荷，总体来说各相阻抗并不对称； 基于以上假设，假设如附图2的系统，存在多条电源支路和负荷支路，在其中某一 处负荷点(例如回路Z1)，观测到的等效负序阻抗表达式为Z2'= ZV/Zs2〃Zm2〃Zn2，其中，Zm2、Zn2为负荷支路的负序阻抗；Zsl 、 Zs2为电源回路
1、2的负序阻抗；Edg为分布式电源的电动势；ES为电力系统的等效电动势； 考虑到"分布式电源的容量一般远小于系统容量"，则DG支路的负序阻抗(其实就 是正序阻抗) 一般远大于系统回路的负序阻抗。微网系统与电网联结或者断开时，从某个 负荷支路感受到的等效负序阻抗会有显著区别，如 1)当微网与电力系统并网运行时，则Z2V = Zsl〃Zs2〃Zm2〃Zn2 ;其中，Z2.c'为装 置在并网状态下计算出的等效负序阻抗； 2)当微网孤岛运行时，则Z^' = Zsl〃Zm2〃Zn2 ;其中，Z2.s'为装置在孤岛状态下 计算出的等效负序阻抗； 3)如果￡紐<<￡3，则231 >>232，孤岛运行时，有45' >>Z2.e'，由此构成继电 保护装置的判据； 4)仿真表明，孤岛和并网状态间的阻抗至少差十几倍，因此不需要整定并网状态 时的具体阻抗，仅依靠装置自动测量并"记忆"为定值即可。 5)本方法不受分布式电源并网逆变器的影响，仅根据电网的电压和电流，就可以 实现孤岛判断； 6)无论系统中分布式电源的数量有多少，只要多个分布式电源组成的微网与电力
系统存在明显的联络线或者断开点，则本方法就可以准确判断出孤岛的存在； 7)无论电力系统的拓扑结构如何变化，对应的等效负序阻抗均会相应变化，因此，
无需知道上一级供电回路的开关状态，也不用知道电网的拓扑。
从以上分析可以得出本发明的技术方案具体包括如下步骤 (1)在保护装置安装处(将保护装置安装在分布式电源组成的微网上的任意一条
馈线支路上)，实时计算母线的三相电压，通过序分量计算，求得负序电压分量《； (2)在保护装置安装处，实时计算馈线支路的三相电流，通过序分量计算，求得负
序电流分量/2 (3)按照下式计算测量的等效负序阻抗值
Z2.s = t 其中，Z^'为保护装置计算的等效负序阻抗值； (4)在保护调试期间，手动使得DG并网运行一段时间，保护装置计算并自动"记 忆"DG并网状态下的等效负序阻抗值Zu'， (5)当保护装置根据步骤(3)所得到的等效负序阻抗值满足以下动作方程时，孤
岛保护动作跳闸，即跳开由分布式电源组成的微网与电力系统的联络线开关
Z2S' >KZ2G' 其中，4v为"记忆"下的并网状态的等效负序阻抗值；Z^'为保护装置实时计 算的等效负序阻抗；K为可靠系数，按照2倍整定。
权利要求
一种基于等效负序阻抗的分布式电源的孤岛保护方法，该方法用于检测分布式电源是否与主电网存在电气联系，在所述孤岛保护方法中，将保护装置安装在分布式电源组成的微网上的任意一条馈线上；其特征为，所述方法包括如下步骤(1)在保护装置安装处，实时计算该馈线所连接所述微网上的母线三相电压，通过序分量计算，求得负序电压分量(2)在保护装置安装处，实时计算所述馈线支路的三相电流，通过序分量计算，求得负序电流分量(3)保护装置按照下式实时计算等效负序阻抗值 <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mrow><mn>2</mn><mo>.</mo><mi>SA</mi> </mrow> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>U</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>I</mi><mn>2</mn> </msub></mfrac> </mrow>其中，Z2.SA′为保护装置实时计算的等效负序阻抗；(4)在保护调试期间，手动使得分布式电源并网运行一段时间，保护装置计算分布式电源并网运行下的等效负序阻抗值Z2.GC′并自动“记忆”该等效负序阻抗值Z2.GC′；(5)当保护装置根据步骤(3)所得到的等效负序阻抗值满足以下动作方程时，孤岛保护动作跳闸，即跳开由分布式电源组成的微网与电力系统的联络线开关Z2.SA′＞KZ2.GC′其中，Z2.GC′为“记忆”的并网状态下的等效负序阻抗值；Z2.SA′为保护装置实时计算的等效负序阻抗；K为可靠系数。F2009102419894C00011.tif,F2009102419894C00012.tif
2. 根据权利要求1所述的基于等效负序阻抗的分布式电源孤岛保护方法，其特征在 于所述可靠系数K优选为按2倍整定。
3. 根据权利要求1或2所述的基于等效负序阻抗的分布式电源孤岛保护方法，其特征 在于所述方法不受负荷的影响，与分布式电源的并网逆变器特性无关，与孤岛状态下岛内 存在的分布式电源个数无关，与电网的拓扑状态无关。
全文摘要
本发明公开基于等效负序阻抗的分布式电源(Distributed Generator)孤岛保护方法，该方法利用了DG并网状态与孤网状态下，系统等效负序阻抗将出现极大变化的特点，仅利用保护安装处的电流电压信息，就可以判断出系统当前是否与大电网相连。本发明公开的保护方法理论上不受负荷的影响，与DG的并网逆变器特性无关，与孤岛状态下岛内存在的DG个数无关，与电网的拓扑状态无关，且易于实现自适应整定，不需要配合关系。实验结果表明该发明具有很好的灵敏性、选择性、快速性。
文档编号H02H7/26GK101714756SQ200910241989
公开日2010年5月26日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者刘志超, 吴小辰, 徐振宇, 承文新, 王成山, 胡玉峰, 郭力 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司;中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心;天津大学