专利名称：基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统及其检测方法，属于电 力系统自动化技术领域。
背景技术：
所谓孤岛是指当电网因事故或停电维修时，用户端分布式发电系统未将自身切离 所并网的电网，而形成分布发电和周围的负载组成的一个自给供电的系统。孤岛包括计划 孤岛与非计划孤岛，其中计划孤岛在主网断电后分布式发电可以继续运行，对一部分重要 负载供电，而非计划孤岛则必须在主网断电后，停止向负载供电。孤岛检测是解决分布式发 电“并网难”的关键技术问题之一，其检测的准确性是分布式发电并网运行和孤岛运行两种 状态平滑切换的前提，是微电网能量管理系统实现的基本条件。目前，孤岛检测主要有基于本地电气量特征(这些电气量包括频率、电压、谐波、 阻抗等)的本地检测方法和基于通信技术的远程检测两种方法。其中，本地检测又分为被 动检测和主动检测方法。被动检测方法在分布式发电和存在不可避免的检测盲区，而主动 检测方法存在可靠性和干扰问题，两者综合又会拉高检测成本。基于通信的孤岛检测，必 须监控配网上开关的通断状态，实时监测跳闸信号，这种方法依赖于通信网的支撑，通信网 建设成本也是一个关键障碍，同时配电网拓扑的随机变化也是基于通信孤岛检测的一个难 点οZL200810034105. 3，基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统和方 法，根据并网时，由于并网公用连接点电压受控于电网，随机性小，所获得的随机序列方差 值很小，而孤岛时，并网公用连接点电压受控于逆变器输出，而逆变器输出受数字信号处理 器调制具有随机信号的特点，因此方差值将大大增大。主要缺点是存在孤岛检测盲区。ZL201010109828. 2，施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，该方法能加快 故障检测速度，缩小检测盲区，对电网的影响较小。其主要缺点是存在孤岛检测盲区。并且 对电网造成一定干扰。ZL 201010210918. 0，基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法，该原理利用了分 布式发电并网状态与孤网状态下，系统等效阻抗将出现极大变化的特点，在并网联络点注 入高频电压信号，通过测量电压变化，反映阻抗变化，就可以判断出系统当前是否与大电网 相连。但由于电网阻抗时变特征明显，实现难度较大。随着智能电网建设的推进，配用电网中预计会有大量的分布式电源接入需求，未 来分布式发电和微电网将在国内普及应用。
发明内容
本发明的目的在于为了应对分布式电源在中低压配电网中的接入需求，提供一 种高效实用的分布式发电孤岛检测方法。为电力系统自动化、智能配用电发展解决一些关 键的技术问题。
为实现上述目的，本发明依据我国配电网的基本特征，采用工频载波技术实现分 布式发电及微电网中的孤岛检测，系统中涉及到的装置有工频载波信号生成装置和工频载 波信号检测装置。本发明为分布式发电并网及微电网中的孤岛信号检测、反孤岛保护提供 了一种有效的方法，在分布式发电在配电网中渗透率高的情况下应用具有非常高的技术经 济性能。本发明提出的一种基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统，该系统包括工频载 波信号生成装置、工频载波信号检测装置、信号耦合变压器、变电站母线、分布式发电电源 和安全隔离断路器，所述工频信号生成装置内置电压电流监测电路，所述工频信号生成装 置通过三相四线的四根电力电缆和信号耦合变压器相连，所述信号耦合变压器和通过3根 电力电缆和变电站母线相连，变电站母线通过馈线与10kV/400V变压器和安全隔离断路器 相连接，工频载波信号信号检测装置安装在安全隔离断路器和分布式发电电源之间，工频 载波信号检测装置通过A相、B相、C相火线和N中线接到低压电网上以检测信号，或者通过 A相、B相、C相火线中一相和N中线接到低压电网上以检测信号，工频载波信号检测装置内 置信号硬件合成电路，工频载波信号生成装置在每个工频周期发送一次信号，如果工频载 波信号检测装置在连续5个工频周期没有检测到信号，则判断变电站母线到分布式电源之 间的连接电网断开，工频载波信号检测装置立即发送跳闸信号使分布式发电并网安全隔离 断路器跳闸，从而使得分布式发电电源从主网切离。其中，工频载波信号生成装置通过A相、B相、C相火线和N中线接到信号耦合变压 器上，信号发送可以实现任意单相发送、任意两相并行发送和三相并行发送。其中，工频载波信号检测装置通过A相、B相、C相火线和N中线接到低压电网上， 或者通过A相、B相、C相火线中一相和N中线接到低压电网上。其中，工频载波信号检测装置内部设计有硬件信号合成电路，硬件信号合成电路 由3个电压互感器第一电压互感器、第二电压互感器和第三电压互感器完成信号强弱变 换，其中第一电压互感器和第二电压互感器的变比相同，而第三电压互感器的变比为第一 电压互感器变比的1.732倍。其中，信号耦合变压器高压侧即IOkV侧通过三个高压熔断器连接到变电站母线 上，信号耦合变压器低压侧即400V侧通过三个塑壳断路器连接到工频载波信号生成装置， 工频载波信号生成装置通过通信接口与远程控制系统交换信息。本发明还提出了一种使用上述检测系统的检测方法，工频载波信号由工频载波信 号生成装置发出并经过信号耦合变压器耦合到变电站母线，信号经过中压电网、配电变压 器和低压电网传输，通过安装在分布式发电并网处的工频载波信号检测装置实时监测这一 工频载波信号。其中，采用发送功率自监测方法，控制工频载波信号的发送电流峰值大于300A，小 于 600A。其中，工频载波信号生成装置通过信号耦合变压器把工频载波信号发送到变电站 母线上，信号耦合变压器容量大于200kVA，小于600kVA，以40ms为一次信号检测周期，信号 有效范围为6ms。其中，工频载波信号检测装置安装在分布式发电并网安全隔离断路器分布式发电 一侧，信号检测装置以40ms为一次信号检测周期，如果连续200ms内均没有检测到信号，则往并网安全隔离断路器发送跳闸信号。其中，工频载波信号生成装置能监测信号发送电压和电流，自动调整发送功率，使 信号驱动点不超过工频电压由正到负过零点前30度电角度，即3. 33ms。其中，工频载波信号检测装置内置信号硬件合成电路，电路采用RC全桥全通滤波 电路，不损失信号的有效频段，同时使信号接收能量加强了一倍。其中，工频载波信号检测装置通过输出跳闸信号使分布式发电并网安全隔离断路 器跳闸。跳闸驱动信号线距离短时，小于IOm时可采用脉冲输出，当距离大于IOm时则采用 总线通信。其中，分布式发电是光伏发电、小型风力发电、或储能并网发电。与现有技术相比，本发明的有益效果在于以下几点1.本发明的系统及其检测方法无孤岛检测盲区；2.本发明的系统及其检测方法不受并网能源装换技术制约，适用于逆变器并网和 感应电机并网等多种方式；3.本发明的系统及其检测方法分布式发电渗透率愈高，本发明经济性能愈好，具 有非常大的应用前景。
图1是依据本发明的系统及其检测方法系统构成示意图。图2是工频载波信号发送波形示意图。图3是工频载波信号生成装置及信号耦合变压器连接示意图。图4是电压电流检测电路示意图。图5是工频载波信号检测装置连接示意图。图6是工频载波信号发送电流波形。图7是工频载波信号检测装置信号硬件信号合成电路示意图。图8是信号硬件信号合成电路前的原始信号。
具体实施例方式如图1所示系统构成示意图，本发明涉及一种基于工频载波信号传输的分布式发 电及微电网孤岛检测系统及其检测方法。系统主要包括一个放置在终端配电变电站附近的 一台工频载波信号生成装置1，一台放置在分布式电源并网处的工频载波信号检测装置2。 其中工频载波信号生成装置通1过一台信号耦合变压器3连接到变电站母线4上。工频载 波信号生成装置每一个工频周期40ms发送一次信号，有效信号持续时间在6ms以内。工频 载波信号检测装置2以40ms为周期检测信号，如果连续5个工频周期及200ms没有检测到 信号，则可以判断变电站母线4到分布式发电5之间的连接电网断开。信号检测装置2立 即发送跳闸信号使分布式发电并网安全隔离断路器6跳闸，分布式电源5从主网切离。如图2为工频载波信号发送波形示意图。图中总共有4个电压周波，以两个电压 周波即40ms为一次信号调制周期，每隔一个电压周波单相晶闸管电压由正到负的过零点 前30度范围内导通一次，图中11和13位置调制，12和14位置不调制。信号检测装置在分 布式发电并网变压器低压侧检测信号畸变。信号检测时前后两个周波相减，即信号经过模
6数转换后做差分运算，则可提取出调制的暂态信号，一次信号识别需要两个工频周波，这样 完成一次工频畸变信号识别至少需要40ms。图3是工频载波信号生成装置及信号耦合变压器连接示意图。信号耦合变压器3 高压侧即IOkV侧通过三个高压熔断器21、22和23连接到变电站母线4上，信号耦合变压器 3低压侧即400V侧通过三个塑壳断路器24、25和26连接到工频载波信号生成装置1。工 频载波信号生成装置通过通信接口 27与远程控制系统交换信息，这些信息包括系统启动、 停止、生成装置异常告警等信号。远程控制通信通道可选择各种通信方式，但要求通信延迟 大小不变。工频载波信号生成装置1通过A相、B相、C相火线和N中线接到信号耦合变压 器3上，信号发送可以实现任意单相发送、任意两相并行发送和三相并行发送。工频载波信号生成装置1中内置有电压电流监测电路，如图4所示，调制电流回路 接到电流互感器CTl原边，CTl变比为1 1，电流互感器CTl副边接电容Cl和电阻R1，电 容Cl和电阻Rl并联后一端接信号地，另一端通过滤波电路直接连接到A/D采样电路，用于 监测工频载波信号生成装置1的信号调制电流；电压互感器PTl原边一端接到220V零线、 另一端通过电阻R2与220V火线连接，电压互感器PTl副边一端接到信号地，另一端通过滤 波电路后直接连接到A/D采样电路，用于监测工频载波信号生成装置1的信号调制电压。 该监测电路中的滤波电路采用通用有源低通滤波电路，其截止频率为5kHz ；A/D采样电路 为集成到微处理器的A/D转换器，其电阻R2值为110k、电阻Rl值为51欧姆、电容Cl值为 0. Oluf0此监测电路的特点是元器件少，可靠性高，能有效控制工频信号生成装置的信号调 制功率。图5是工频载波信号检测装置连接示意图。工频载波信号检测装置通过A相、B 相、C相火线和N中线接到信号耦合变压器上，其中每根相线上分别串联31、32和33三个 低压熔断器，或者通过A相、B相、C相火线中一相和N中线接到低压电网上以检测信号。工 频载波信号检测装置通过输出跳闸信号使分布式发电并网安全隔离断路器跳闸。跳闸驱动 信号线距离短时，小于IOm时可采用脉冲输出，当距离大于IOm时则采用总线通信。图6是工频载波信号发送电流波形。其中电流峰值在420A，大于300A，小于600A。 持续时间小于6ms。 图7是工频载波信号检测装置信号硬件信号合成电路示意图。硬件信号合成电路 由3个电压互感器41、42和43完成信号强弱变换，其中电压互感器41和42变比相同，而 电压互感器43的变比为电压互感器41变比的1. 732倍。图中45为两个容量大小相等的 电容C和电阻值大小相等的电阻R组成全桥滤波电路。其中电阻和电容温度系数小，电路 工作稳定。设计时满足RC= 1/w= 1/314时，经过硬件加法器44后，工频载波信号检测装 置检测到的信号强度增强了 一倍。图8是信号硬件信号合成电路前的原始信号。图中为工频信号在A相上调制时， 分布式电源并网变压器低压侧电压波动时域波形，信号为工频载波信号检测装置信号处理 前的原始波形，其中A相、B相、C相三相上均有信号出现。波形为前后两个电压周波差分之 后的电压波动值。电压波动(电压缺口)峰值为6V，小于相电压峰值的2%，不会造成电压 闪变，及装置工作时不影响配电网电能质量。上面已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来 说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
权利要求
1.一种基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统，其特征在于该系统包括工频载波 信号生成装置(1)、工频载波信号检测装置(2)、信号耦合变压器(3)、变电站母线(4)、分布 式发电电源(5)和安全隔离断路器(6)，所述工频信号生成装置内置电压电流监测电路，所 述工频信号生成装置(1)通过三相四线的四根电力电缆和信号耦合变压器(3)相连，所述 信号耦合变压器(3)和通过3根电力电缆和变电站母线(4)相连，变电站母线(4)通过馈 线与10kV/400V变压器和安全隔离断路器(6)相连接，工频载波信号信号检测装置(2)安 装在安全隔离断路器(6)和分布式发电电源(5)之间，工频载波信号检测装置(2)通过A 相、B相、C相火线和N中线接到低压电网上，或者通过A相、B相、C相火线中一相和N中线 接到低压电网上以检测信号，工频载波信号检测装置(2)内置信号硬件合成电路，工频载 波信号生成装置(1)在每个工频周期发送一次信号，如果工频载波信号检测装置(2)在连 续5个工频周期没有检测到信号，则判断变电站母线(4)到分布式电源(5)之间的连接电 网断开，工频载波信号检测装置(2)立即发送跳闸信号使分布式发电并网安全隔离断路器 (6)跳闸，从而使得分布式发电电源(5)从主网切离。
2.如权利要求1的系统，其特征在于工频载波信号生成装置通过A相、B相、C相火线 和N中线接到信号耦合变压器上，信号发送可以实现任意单相发送、任意两相并行发送和 三相并行发送。
3.如权利要求2的系统，其特征在于工频载波信号检测装置通过A相、B相、C相火线 和N中线接到低压电网上，或者通过A相、B相、C相火线中一相和N中线接到低压电网上。
4.如权利要求3的系统，其特征在于工频载波信号检测装置内部设计有硬件信号合 成电路，硬件信号合成电路由3个电压互感器第一电压互感器(41)、第二电压互感器(42) 和第三电压互感器(43)完成信号强弱变换，其中第一电压互感器(41)和第二电压互感器 (42)的变比相同，而第三电压互感器(43)的变比为第一电压互感器(41)变比的1. 732倍。
5.如权利要求4的系统，其特征在于信号耦合变压器(3)高压侧即IOkV侧通过三个 高压熔断器(21、22、23)连接到变电站母线上，信号耦合变压器(3)低压侧即400V侧通过 三个塑壳断路器(24、25、26)连接到工频载波信号生成装置，工频载波信号生成装置通过 通信接口(27)与远程控制系统交换信息。
6.一种使用权利要求1所述的检测系统的检测方法，其特征在于工频载波信号由工 频载波信号生成装置发出并经过信号耦合变压器耦合到变电站母线，信号经过中压电网、 配电变压器和低压电网传输，通过安装在分布式发电并网处的工频载波信号检测装置实时 监测这一工频载波信号。
7.如权利要求6的方法，其特征在于采用发送功率自监测方法，控制工频载波信号的 发送电流峰值大于300A，小于600A。
8.如权利要求7的方法，其特征在于工频载波信号生成装置通过信号耦合变压器 把工频载波信号发送到变电站母线上，信号耦合变压器容量大于200kVA，小于600kVA，以 40ms为一次信号检测周期，信号有效范围为6ms。
9.如权利要求8的方法，其特征在于工频载波信号检测装置安装在分布式发电并网 安全隔离断路器分布式发电一侧，信号检测装置以40ms为一次信号检测周期，如果连续 200ms内均没有检测到信号，则往并网安全隔离断路器发送跳闸信号。
10.如权利要求9的方法，其特征在于工频载波信号生成装置能监测信号发送电压和电流，自动调整发送功率，使信号驱动点不超过工频电压由正到负过零点前30度电角度，即 3. 33ms。
11.如权利要求10的方法，其特征在于工频载波信号检测装置内置信号硬件合成电 路，电路采用RC全桥全通滤波电路，不损失信号的有效频段，同时使信号接收能量加强了一倍。
12.如权利要求11的方法，其特征在于工频载波信号检测装置通过输出跳闸信号使 分布式发电并网安全隔离断路器跳闸。跳闸驱动信号线距离短时，小于IOm时可采用脉冲 输出，当距离大于IOm时则采用总线通信。
13.如权利要求12的方法，其特征在于分布式发电是光伏发电、小型风力发电、或储 能并网发电。
全文摘要
本发明涉及一种基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统及其检测方法，该系统包括配置在终端配电变电站附近的工频载波信号生成装置，配置在分布式电源并网处的工频载波信号检测装置；工频载波信号生成装置通过一台信号耦合变压器连接到变电站母线上；工频载波信号生成装置通过A相、B相、C相火线和N中线接到信号耦合变压器上，信号发送可以实现任意单相发送、任意两相并行发送和三相并行发送；工频载波信号检测装置通过A相、B相、C相火线和N中线接到低压电网上。基于工频载波的分布式发电孤岛检测系统实施成本低，检测方法满足相关标准要求。本发明为分布式发电并网及为电网中的孤岛信号检测、反孤岛保护提供了一种有效的方法，在分布式发电在配电网中渗透率高的情况下应用具有非常高的技术经济性能。
文档编号H02H7/26GK102005742SQ20101054745
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者刘国军, 权楠, 李建岐, 渠晓峰, 王智慧, 王立诚, 赵涛, 黄毕尧 申请人:中国电力科学研究院