CN103081274B - 检测电力网络中的孤岛状况 - Google Patents

Abstract

用于检测低压（LV）电力网络中孤岛状况的方法，其中该电力网络包括多个子网络。这些子网络包括至少一个电力电单元并且可由开关装置彼此分开和与供应该网络的主电网分开。该方法包括确定感兴趣的至少一个子网络的拓扑信息，通过对感兴趣的每个子网络使用单独的检测部件根据拓扑信息来检测感兴趣的至少一个子网络中的孤岛状况，以及根据通过使用检测部件检测的孤岛状况，发送断开信号给感兴趣的至少一个子网络中的至少一个电力电单元。

Description

检测电力网络中的孤岛状况

技术领域

本发明涉及能量分布，并且特别地涉及检测电力网络中的孤岛状况。

背景技术

近来，基于可再生能源的分布式发电（DG）已示出显著的增长，其由政策制定者、关于气候变化的全球关注、可负担得起的能量短缺技术的可用性、对清洁能量生成的兴趣等促进。使用基于化石燃料（煤、天然气等）的发电站的能量供应商也投资于通过例如风力涡轮机和光电系统的可再生备选的能量发电组合的扩展。

然而，可以存在要在这样的系统可以连接到公用事业电网之前满足的若干要求。这些要求典型地由例如IEC和IEEE的标准化机构并且由本地主管机关公布。这些要求中的一个（在世界的许多地方强制性的）是分布式发电机（尤其是连接到低压配电网的那些）应该能够检测孤岛状况。

孤岛指的是分布式发电机的状况，其中该发电机继续向配电网络的一部分供电即使来自电业的电力不再存在。图1a和1b示出电网-连接模式和孤岛模式之间的不同。

在图1a中，例如断路器或熔断器的开关装置1闭合，并且分布式发电机采用电网-连接模式操作。

在图1b中，开关装置1关断，并且网络的下部2不再连接到主电网。如果由分布式发电机产生的电力精密匹配由负载要求的电力，网络可以继续采用孤岛模式操作。如果电力不精密匹配，分布式发电机的欠/过电压和欠/过频率继电器典型地停止发电。因此，具有孤岛状况的可能性可以是非常小的。

然而，无意的孤岛对于公用事业工作人员可以是危险的，所述公用事业工作人员可能没有认识到即使没有来自主电网的电力，他们对其工作的网络的特定部分仍然被供电。同样，孤岛可以引起对客户设备的损坏，尤其是在重新闭合成岛的情况下。由于这些原因，分布式发电机可能必须能够检测孤岛并且立即停止电力生成。

对从主电网去耦合的微电网（即可以在可控有意的孤岛状况中操作的配电网）已有很大兴趣。在这样的电网中，孤岛检测也可以是重要的问题。可要求孤岛状况的检测以便在断开期间将分布式发电机的控制模式从电力注入切换到电压和频率控制，并且在重新连接到主电网期间反之亦然。

对与分布式发电工业的发展组合的可靠孤岛检测的需要已引起用于识别孤岛状况的方法的集中研究和发展。这些方法可以归类成三个主要的组：被动、主动和基于通信的方法。

被动方法典型地监测一个或多个电网变量，并且根据所述变量与允许阈值的偏离，可以作出断开的决定（孤岛的检测）。被动方法可寻找例如频率、电压或相位角中并且一些特别的谐波或总谐波失真（THD）中的异常变化。如果监测算法检测到这些变量的大或突然的变化，该方法可确定孤岛状况是存在的。孤岛状况可根据被动方法和多准则决策的组合来确定。

被动方法可例如由在分布式发电机的控制器内或在专用外部装置中的算法实现。被动方法典型地容易实现并且在电网中可能发生的大多数情况下是相当有效的。

然而，被动方法的非检测区域（NDZ）是相当大的。在其中由负载吸收的电力精密匹配由分布式发电机产生的电力的情况下，因为网络保持平衡即使已经失去与主电网的连接，电压、频率或相位角中的变化可低于在标准中规定的那些。在这样的情况下，当岛已经形成时，分布式发电机可不跳闸。被动方法一般认为是用于防孤岛保护的不足手段。

主动方法由于最小化孤岛检测方法的非检测区域的需要而出现。主动方法故意扰乱电网，并且根据电网对该扰乱的响应（电网电量的变化），决定孤岛是否已发生。

例如，在从正常操作值偏移到电网电压幅度、频率或相位角方面的扰乱可以由分布式发电机添加，并且在电网连接的情况下，这些扰乱应该由电网通过电压和频率控制来校正。

然而，如果电压幅度、频率或相位角遵循由分布式发电机引入的偏移，可确定电网已经被断开，因此已经形成岛。

主动方法可例如使用分布式发电机的控制器中的正反馈实现。该控制器尝试变更例如频率、相位或电压幅度的电网变量，以便获得例如频率跃变或相位跃变或频率偏置。如果电网遵循由分布式发电机产生的变化，电网电压将超过强加的操作范围，并且导致孤岛状况的检测。例如，如果电网频率遵循逆变器电流，已经形成岛并且应该断开分布式发电机。备选地，也可形成在公共耦合点处变更电压幅度的正电压反馈。

备选地，非特性谐波可由分布式发电机注入并且可登记电网响应。非特性间谐波电流的注入可以用于得出以该特定频率的电网阻抗。

阻抗检测可用作另一个主动方法研究。该研究由德国标准中的要求推动。电流尖峰可例如由并网电力转换器在公共耦合点周期注入。电网阻抗值使用傅立叶变换根据对该扰乱的电压响应来确定。用于产生对电流控制器的参考的相位角信号也可以稍稍变更以能够根据对产生的电流的电网反应来估计电网阻抗。高频信号也可以在零交叉注入以便确定电网阻抗的值，并且有功和无功功率振荡可用于识别电网阻抗的值。

尽管主动方法可导致更可靠的孤岛识别，它们也可能通过检测孤岛状况而使传输的电力失真。当多于一个分布式发电机连接在相同馈电线上时，电力系统扰乱可处于不可接受的水平。

因为相对于间谐波注入的同步是可能的，每个分布式发电机可注入独特的间谐波以便能够实现多于一个相似发电单元在相同电网上的连接。然而，仅有限数量的分布式发电机可以连接在相同的馈电线上。分布式发电机的数量直接取决于关于断开时间的标准需求和获得准确的阻抗识别所必要的注入的数量。

使用主动方法的大量的分布式发电机可不仅降低电网中电力的质量，而且增加所有主动方法的非检测区域。

基于通信的方法利用通信部件（例如由配电系统运营商所有），其将开关设备的操作状态用信号发送给分布式发电机。

电力线可用作例如分布式发电机和公用事业电网之间的通信的载体。连续信号由公用事业网络经由该电力线传送。接收器可放置在分布式发电机内部以便检测该信号的丢失，并且因此检测孤岛。

当公用事业重接器配备有当关断时与DG通信的传送器时，信号可备选地在断开时生成。

再另一个方式是基于SCADA（监控与数据采集）的方法。例如，电压传感器可放置在连接分布式发电机的位置，并且那些传感器可集成在SCADA系统中。SCADA系统然后可监测孤岛状况，并且在孤岛的情况下警告分布式发电机来断开。

基于通信的方法的缺点是它们典型地要求公用事业提供商参与实现孤岛检测方案，从而使这些方法对于实际实现较不受喜爱。因为实现通信还增加分布式发电机和电网基础设施两者的成本，现今通常不使用这些方法。

基于SCADA的方式的另一个缺点可以是相对慢的响应时间。典型地，SCADA系统的响应时间在孤岛状况的事件中是大约5至10秒。这远落后于由规章强加的典型要求的断开时间，即2秒。

常规的电力网络系统可能具有应对日益增加的电力需求的困难和减少二氧化碳排放物的需要。因此，可以采用可持续、可靠并且经济的方式处理这些挑战的新形式的电力网络系统正在显现。这些网络可例如利用与现今相同的基本电基础设施，但还将动用先进的监测、控制和通信技术。

结果例如可以是在很大程度上自动化的智能电网，其应用更高的智慧来操作、监测甚至治愈自身。该智能电网可以更灵活、更可靠并且能够更好地服务于数字经济的需要。

与由主动方法带来的电力质量问题组合的智能电网基础设施中的双向通信的可用性（尤其当在电网中安装大量分布式发电机时）可有利于用于孤岛检测的基于通信的方法。

在另一方面，基于通信的方法的实现可取决于与公用事业提供商的合作。这些公用事业提供商可能不愿采用集中保护方案，因为它可能从他们的部分要求显著的投资。

另外，在智能电网中，电力可具有多于一个路径来流动，并且电力的方向可变化。这可具有对上文列出的基于通信的方法的负面影响。例如，如果电力线用作信号的载体，电力的多个路径可引起信号干扰并且引起分布式发电机中的一些的误跳闸。信号可以设置有不同的频率，但确保位于馈电线上的分布式发电机中的全部收听使用频率中的全部可能是必要的。

电力的多个路径还可对其中在断开时生成信号的方法具有影响。在常规径向网络中，一旦开关装置关断，它可发送出跳闸信号给网络中的所有发电机。然而，当多个流动路径存在时，孤岛状况可取决于电力在这些路径中的方向。开关可能必须在任一方向上发送出跳闸信号。这可以引起发电机从网络的适当工作部分不期望的断开。

图2图示其中电力电单元的网络由主电网通过两个变电站1和2供应的情况的一示例。变电站1和2通过开关5和6互连。

如果第一变电站1的开关3是关断的并且第二变电站2的开关4是闭合的，电力从第二变电站2和网络中的本地发电机供应给电力电单元。当开关5关断时，它应该仅发送跳闸信号给位于第一变电站1的方向上的发电机。

然而，如果第一变电站1的开关3和开关6闭合并且第二变电站2的开关4关断，开关5应该在断开时仅发送跳闸信号给位于第二变电站2的方向上的发电机。从而，对于开关5决定要发送跳闸信号给哪些发电机可能是非常困难的。

在智能电网中，高很多的采样率可能是必要的以便SCADA方式变得有效并且与标准兼容。大规模的配电网络可能要求SCADA数据库中的更大空间和更快的数据处理。此外，由于配电系统运营商的典型大量的客户，发送给SCADA系统的数据一般在二次变电站等级被聚集。从而，关于特定客户（例如，分布式发电机）的具体信息可能是不存在的。该情况可随着智能仪表在整个配电网上的安装而变化。然而，如果所有数据在控制中心等级被存储，智能仪表的安装可对通信带宽和速度与数据存储提出挑战。

发明内容

本公开的目的是要减轻上文的缺点。本发明的目的通过特征在于在独立权利要求中陈述的方法和通过自动化和控制系统来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

本公开提出用于检测由主电网供应的电力网络中的孤岛状况的新方法。该电力网络分成多个子网络，其中这些子网络包括至少一个电力电单元。这些子网络可由开关装置彼此分开和与供应该网络的主电网分开。

在子网络中的一些或全部内的孤岛状况可采用分散化方式确定。可首先确定子网络的拓扑信息。子网络中的孤岛状况然后可根据该拓扑信息来确定。可对每个子网络使用单独的检测部件。最后，导致断开或控制模式变化的信号可根据通过使用检测部件确定的孤岛状况来发送给子网络中的岛的电力电单元。

位于相邻开关装置中间的电力电单元可形成防孤岛组（AIG）。AIG的电力电单元可共享来自孤岛状况检测部件的断开或模式变化信号，其减少孤岛状况的检测后的响应时间。

在检测孤岛状况中分散化的方式由于它减少在检测孤岛状况中使用的拓扑中的复杂性而可以减少响应时间。指派给网络中的小部分的检测部件可以几乎实时地操作，从而满足由典型标准强加的两秒内断开的要求。

公开的方法非常适合智能电网。智能电网典型地使用通信基础设施，例如用于计量、馈电线自动化等，其可以在检测孤岛状况中利用。可以实现公开的方法而没有在通信基础设施中的显著投资。从而，公开的方法可以与主动方法成本竞争而没有它们的弱点。

根据本发明，低或中压电力网络的自动化和控制系统包括通信系统，其将位于或指派给该网络的变电站的变电站控制装置连接到该网络的分布式发电（DG）单元（例如光电板、风力涡轮机或充电电池）和开关装置。该系统检测电力网络中的岛，岛包括负载和DG单元，其在电力网络的相同电压水平上互相互连并且从经由变电站供应电力网络的主电网断开。该变电站控制装置适应于：-接收拓扑信息，即变电站间连接线和下游馈电线中的开关装置的动态开关状态，其代表电力网络的子网络，

-从拓扑信息识别子网络内的岛，

-发送信号给所识别的岛的所有DG单元，而不依赖于是否连接单独的DG，这些信号断开DG单元，或在准许所述识别的岛的情况下将DG单元的控制模式从电力注入改变到电压和频率控制。

自动化和控制系统进一步适应于从开关装置接收拓扑信息，以识别岛并且发送信号给DG单元，使得后者在开关装置的发起关断/闭合动作后小于两秒的延迟内被接收。

在自动化和控制系统中，位于两个或更多相邻开关装置中间的DG单元形成防孤岛组（AIG）作为所有可想到的岛的原子构件。变电站控制装置适应于发送单个信号给所述AIG，所述AIG代表它的所有构成DG单元。

附图说明

在下面，将参考附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中

图1a和1b图示电网-连接模式和孤岛模式之间的不同；

图2图示其中两个变电站通过开关互连的情况的一示例；以及

图3图示包括设备和用于检测电力网络中孤岛状况的一示范性布置。

具体实施方式

本公开提出用于检测电力网络中孤岛状况的方法，其中该电力网络包括多个子网络。这些子网络可由开关装置与供应该网络的主电网分开并且彼此分开。每个子网络包括至少一个电力电单元。电力电单元可例如是分布式发电单元（DG），诸如光电板、风力涡轮机或诸如电池的能量存储装置。这些子网络可例如是由主电网经由变电站供应的低压（LV）电网，其中主电网是中压（MV）电网，并且该变电站包括MV/LV变压器。备选地，这些子网络可处于高于10kV的中压水平，其中连接的DG单元包括适合的升压变压器。

该方法包括确定感兴趣的至少一个子网络的拓扑信息。确定该拓扑信息可例如通过确定至少一个开关装置的操作状态来执行。此外，该拓扑信息可公开电力网络和/或所讨论的子网络的结构的细节。该结构可例如由真值表表示。该真值表可告知开关装置操作状态的哪些组合在特定子网络内生成孤岛状况。

当拓扑信息已知时，感兴趣的至少一个子网络中的孤岛状况通过对感兴趣的每个子网络使用单独的检测部件根据拓扑信息来检测。换句话说，本地、彼此独立地计算感兴趣的每个子网络的孤岛状况。子网络中的一些或全部的孤岛状况可采用分散化方式确定。因为该方法局限于网络中的仅一部分，它可以实际上实时地操作，从而满足由标准强加的断开的要求。从而，确定孤岛状况可以在自拓扑变化的两秒内执行，如在典型标准中规定的。

检测部件可例如在网络变电站计算机上实现。这些变电站计算机可例如从上级（例如配电控制中心）得到网络拓扑。网络变电站计算机然后可监测沿馈电线和与相邻变电站的互连线的开关装置的状态，并且在来自开关装置的断开信号上，执行逻辑操作以用于决定在孤岛的情况下它应该发送断开信号给哪些分布式发电机。

变电站计算机可还具有其他功能，例如馈电线重新配置、恢复、保护和控制、能量使用的最优化。此外，在智能电网中，公开的方法可能够使用在该智能电网中部署的通信基础设施，例如用于计量、馈电线自动化等。从而，可以减少实现公开的方法的成本。

变电站计算机只是检测部件的一个示例。可使用能够根据拓扑信息来计算子网络的孤岛状况的任何部件。

最后，可根据通过使用检测部件确定的孤岛状况将断开信号发送给感兴趣的至少一个子网络中的至少一个电力电单元。根据所述信号，电力电单元从网络断开。

电力电单元可形成防孤岛组（AIG）。换句话说，感兴趣的至少一个子网络包括形成防孤岛组的相同LV水平上互连的至少两个电力电单元。当检测到孤岛状况时，相同的断开信号发送给防孤岛组中的所有电单元。

这些组在径向馈电线的情况下可例如包括位于两个连续开关装置之间的所有分布式发电机。在具有多个电力路径的网状电网的情况下，AIG可以限定在具有直接连接的两个或更多开关之间，即没有任何另外的细分开关。防孤岛组的目的是加速检测孤岛中的处理时间。例如，一旦馈电线的一部分由于开关的关断而断开，连接到网络的该部分的分布式发电机的组（建模为一个AIG）可从变电站计算机接收共同断开信号。

图3图示包括用于检测电力网络12中孤岛状况的设备10和11的一示范性布置。网络12可例如是低压（LV）网络。在图3中，网络12包括两个子网络13和14。子网络13和14由主电网15经由变电站16和17供应。主电网可例如是中压（MV）电网，并且变电站16和17可包括MV/LV变压器。子网络的数量不限于两个。它可包括任意多个子网络。具有通信网络（虚线）的通信系统能够实现子网络的装置和设备10、11之间的消息的交换。

子网络13和14可由开关装置18、19和20彼此分开和与供应网络的主电网15分开。子网络13和14包括至少一个电力电单元。电力电单元可例如是负载或分布式发电机。在图3中，电力电单元在相同的LV水平上互相互连。

在图3中，子网络13和14可以进一步分成可由开关装置分开的组。第一子网络13分成可由开关装置24和25分开的三个组21、22和23。第二子网络14包括组26。

根据本公开的设备包括用于确定感兴趣的至少一个子网络的拓扑信息的部件。在图3中，用于确定拓扑信息的部件在变电站计算机10和11中实现。这些变电站计算机分别是变电站16和17的部分。变电站计算机10和11可例如从上级（例如配电控制中心27）接收关于网络结构的信息。此外，变电站计算机10和11接收电力网络12的部分的开关装置的操作状态的信息。变电站计算机10和11还可具有与网络12有关的其他功能。

由于孤岛状况应该典型地在拓扑变化的两秒内检测到，要求的最大响应时间可对网络的规模强加一些限制。因此，去中心化的方式允许响应时间的减少。根据本公开的设备包括根据拓扑信息确定感兴趣的子网络中的孤岛状况的感兴趣的每个子网络的单独检测部件。检测感兴趣的每个子网络的孤岛状况局限于网络的小部分。从而，检测部件可以实际上实时地操作，满足标准的要求。

在图3中，变电站计算机10和11作为检测部件操作并且执行用于决定在孤岛的情况下它们应该发送断开信号给哪些电力电单元的逻辑操作。拓扑信息可例如由真值表表示。表1图示组23中的电力电单元的孤岛状况的一示范性真值表。在表1中，孤岛状况根据开关18、19、20和25的操作状态来确定。‘1’代表闭合开关并且‘0’代表关断开关。开关24对组23的孤岛状况不具有影响。

表1

开关18	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1
																	开关19	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1
开关20	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1
																	开关25	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1
孤岛状况	y	y	y	y	y	y	n	n	y	n	y	n	y	n	n	n

在表1中，孤岛状况可以正确检测而不管网络12的电力线中的电力方向。

为对检测的孤岛状况作出反应，根据本公开的设备进一步包括用于根据通过使用检测部件确定的孤岛状况来发送断开信号给感兴趣的至少一个子网络中的至少一个电力电单元的部件。在图3中，变电站计算机10和11发送断开信号给电力电单元。

在相同LV水平上互连的电力电单元还可形成防孤岛组（AIG）。在径向馈电线的情况下，这些防孤岛组可例如包括位于两个连续开关装置之间的所有分布式发电机。在具有多个电力路径的电网的情况下，AIG可以限定在具有直接连接的开关之间，而没有在两个开关的任何组合之间阻断的可能性。

一旦检测到孤岛状况，电单元的防孤岛组从变电站计算机接收共享的断开信号。在图3中，组21、22、23和26可例如形成防孤岛组。由于分布式发电机被构造在组中的事实，可实现处理时间中的节省。共享的断开信号可以发送给防孤岛组中的所有电单元。组的电单元可接收信号而不管单独的电单元是否实际连接。

Claims (10)

1.一种低或中压电力网络（12）的自动化和控制系统，包括通信系统（28），其将位于所述网络的变电站（16；17）的变电站控制装置（10、11）连接到开关装置（18、19、20、24、25）和所述网络的分布式发电DG单元，以用于检测所述电力网络中的岛，岛包括负载和DG单元，其在所述电力网络的相同电压水平上互相互连并且从经由所述变电站供应所述电力网络的主电网断开，其特征在于，所述变电站控制装置适应于：

-接收代表所述电力网络的子网络（13；14）的拓扑信息，

-从所述拓扑信息识别所述子网络内的岛（22、23），以及

-发送信号给所识别的岛的所有所述DG单元，所述信号断开所述DG单元，或将所述DG单元的控制模式从电力注入改变到电压和频率控制。

2.如权利要求1所述的自动化和控制系统，其特征在于，它适应于接收所述拓扑信息，以识别所述岛并且在开关装置的关断/闭合后小于两秒的延迟内发送所述信号给所述DG单元。

3.如权利要求1所述的自动化和控制系统，其特征在于，位于相邻开关装置中间的DG单元形成防孤岛组AIG，并且所述变电站控制装置适应于发送信号给所述AIG，所述AIG代表它的所有构成DG单元。

4.如权利要求1至3中的一项所述的自动化和控制系统，其中所述子网络是低压（LV）电力网络，并且其中所述主电网是中压（MV）电网。

5.一种用于检测低或中压电力网络中孤岛状况的方法，所述低或中压电力网络包括多个子网络，其中所述子网络包括至少一个电力电单元并且可由开关装置彼此分开和与供应所述网络的主电网分开，所述方法包括

确定感兴趣的至少一个子网络的拓扑信息，

通过对感兴趣的每个子网络使用单独的检测部件根据所述拓扑信息来检测感兴趣的至少一个子网络中的孤岛状况，以及

根据通过使用所述检测部件检测的所述孤岛状况，发送信号给感兴趣的至少一个子网络中的至少一个电力电单元，所述信号导致从所述电力网络断开所述电力电单元，或导致将所述电力电单元的控制模式从电力注入改变到电压和频率控制。

6.如权利要求5所述的方法，其中确定所述拓扑信息包括

确定至少一个开关装置的操作状态。

7.如权利要求5所述的方法，其中感兴趣的至少一个子网络包括在相同的低或中压水平上互连的至少两个电力电单元并且形成防孤岛组，并且发送所述断开信号包括发送所述断开信号给所述防孤岛组中的所有电单元。

8.如权利要求5所述的方法，其中至少一个子网络由所述主电网经由变电站供应。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述子网络是低压（LV）电力网络，并且其中所述主电网是中压（MV）电网并且所述变电站包括MV/LV变压器。

10.如权利要求5至9中任一项所述的方法，其中发送给所述至少一个电力电单元的所述信号在自拓扑变化的两秒内被接收。