基于电气量判别的反孤岛装置及其工作方法
【专利摘要】本发明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。本发明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；采用频差能量积分法解决了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；结构简单，成本较低、适用性强。
【专利说明】基于电气量判别的反孤岛装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单、适用性强、无检测盲区的基于电气量判别的反孤岛装置，以及该装置判断孤岛现象发生并相应快速断开小型分布式电源的工作方法。
[0005]本发明的技术方案是:本发明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；
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；
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；
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；
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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]上述的基于电气量判别的反孤岛装置，其在使用时，采用2台上述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；其工作方法主要包括以下步骤:
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的控制处理模块的FPGA芯片接收同步时钟信号控制其AD转换芯片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将采集的信号处理后分别传输给各自的控制处理模块；
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的控制处理模块将其自身计算的频率值与调用的装置2的控制处理模块计算的频率值进行比较得出频率差值Df ;装置I的控制处理模块将该频率差值Df与装置I的控制处理模块的CPU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；
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的FPGA芯片控制AD转换芯片同步采样并完成DFT变换计算；控制处理模块的CPU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:
判据I，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。
4.一种根据权利要求1所述的基于电气量判别的反孤岛装置的工作方法，其特征在于:其在使用时，采用2台所述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: 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)； 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CPU (43)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； 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CPU (43)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: 判据I，突变量启动: <img/ >电流采样值,Ιφ ξ? - 为T时刻前电流采样值，?φ访- 2Τ、为2?时刻前电流采样值；Pi为当前功率，P1-Q2S为0.2秒前的功率；Isst为电流突变量启动门槛，Psetl为功率突变量启动门槛； 判据2，事故前有功功率应大于或等于设定阈值:> J^2 ;式中，Pset2为设定的设定阈值；Pt~Q2S为0.2秒ill的功率； 判据3，事故后有功功率应小于设定阈值:Pt < Ps2 ;式中，Pt为事故后有功功率Ps2为设定阈值； 判据4，跳闸后电流小于投运电流设定阈值:I Ii I< Jseil ，式中，Isetl为投运电流定值；It为当前电流幅值； 判据5，电流幅值变化量大于设定阈值=Iif;式中，Isrt2为设定阈值；It为当前电流幅值；为20毫秒前电流幅值；判据6，满足判据I至判据5所用时间大于延时设定阈值.Λ >1^ ;式中，tsl为延时设定阈值，t为判据I至判据5都满足后开始计算的时间； 若同时满足上述判据I至判据6时，进入步骤⑤；否则返回步骤①； ④装置I的控制处理模块(4)对公网变电站出线侧和分布式电源出线侧的电气量的频率偏差通过下式进行积分运算:
TK^=\Df*dt ;式中，Df为两侧频率差值；若计算结果Kdf的值大于装置I的CPU模
O块3内设的频差能量积分设定阈值，进入步骤⑤；否则返回步骤①； ⑤装置I的控制处理模块(4)向装置2的控制处理模块(4)发出跳闸命令；装置2的控制处理模块(4)通过其开出量驱动模块(5)控制切断分布式电源的供电；装置I和装置2的报警信号输出 模块(6)同时发出报警信号；装置I和装置2的显示模块(7)对相应信息同步显示。
【文档编号】H02J3/38GK103730914SQ201410024897
【公开日】2014年4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