CN103296643B - 一种基于广域信息电压相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于广域信息电压相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。含风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源的配网系统并网运行过程中，由电网中的馈线自动化终端对系统各处电压相位进行实时同步监测。若检测到分布式电源出口处电压相位的突变量超过某一门槛值时，经一定延时比较分析该处电压相位与公共耦合点处电压相位之差，将此相位差与所设阈值进行比较来检测判断系统是否发生了孤岛运行，并及时启动防孤岛保护，将处于孤岛运行状态的分布式电源退出系统。本发明是基于广域信息所进行的孤岛检测及孤岛保护，侧重于广域信息的利用和安全功能的实现，效果明显，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于广域信息电压相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
含DG（分布式电源，Distributed Generator，简称DG）的分布式发电系统并网运行过程中，在与主电网分开以后，非计划孤岛内的功率是不平衡的，必然会导致孤岛系统中电压和频率的严重偏离，则可能造成一系列人身和运行隐患。为了保证分布式发电系统的安全正常运行，现行的DG并网运行规程一般都要求采用防孤岛检测及保护，并要求及时地将出现孤岛运行的DG设备退出。
孤岛检测是防孤岛保护的前提。目前，基于传统电气量变化的孤岛检测法所存在的可靠性问题，仅靠检测DG出口处与主网连接的开关两侧的相位突变来判断孤岛太依赖于局部信息量，且直接检测两侧的相位突变，电气距离太近，可能效果不够明显，动作判据难以确定，可靠性欠佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服传统电压相位突变孤岛检测法仅靠检测DG出口处与主网连接的开关两侧的相位突变来判断孤岛太依赖于局部信息量，且直接检测两侧的相位突变，电气距离太近，可能效果不够明显，动作判据难以确定，可靠性欠佳的不足。
本发明的技术方案是：一种基于广域信息电压相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法，含DG的分布式发电系统并网运行过程中，各DG出口处FTU检测其电压相位在系统运行过程中的突变量，并与所设门槛值比较，决定是否申请获取PCC节点处电压相位信息。各DG出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，若其相位差超过设定的阈值，则判断此DG处于孤岛运行状态，即启动防孤岛保护，将该DG退出系统。
该基于广域信息电压相位差比较式的孤岛检测及孤岛保护方法的具体步骤是：
（1）基于广域信息的同步采集：系统中的 FTU实时监测各分布式电源出口处电压相位与PCC处电压相位，并将各相位信息存储在各自的存储单元中。
（2）各DG出口处FTU检测其电压相位在系统运行过程中的突变量，并与其门槛值相比较，决定是否申请获取PCC节点处电压相位信息：
若<，则该FTU继续上述监测工作；
若，则该FTU申请获取PCC节点处同步电压相位信息。
（3）各DG出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，其相位差与阈值比较判断该DG是否处于孤岛运行状态：
若 ，则判断DG i 处于孤岛运行状态；
若 ，则判断DG i 处于并网运行状态。
（4）对于判断已出现孤岛运行的DG，即启动防孤岛保护，将此DG退出系统。
其中，门槛值的设定根据系统工况运行条件下的可靠性一般取2。。
延时的整定需要考虑授时设备的误差及精度要求，根据有关规程动作出口一般可取0.5s的延时。
阈值的设定可根据DG的实际运行情况，并躲过所有可能的各类系统扰动、区内外故障等非孤岛情形确定一个可靠的动作值。在系统扰动所引起的相位差比发生孤岛所引起的相位差小的情形下，按以下公式可基本满足孤岛保护的跳闸要求：
k
1
k
2
式中是系统可能发生的各类负荷扰动及投切DG或负荷等非孤岛情形下电压相位差的最大值；是考虑到分布式电源渗透率、负荷特性等条件下DG发生孤岛运行时可能出现的电压相位差最小值。
k 1、k 2为可靠系数，一般需要考虑同步授时设备的对时误差及精度等因素来选取适当的可靠系数以满足其灵敏度要求。为考虑到测量及算法所带来的误差。
广域信息是充分利用系统中采集的多点信息量主要完成安全监视、控制、稳定边界计算及状态评估等功能。
为了准确获取相位差信息，必须采用同步授时设备北斗或GPS以便有效解决相位同步高精度获取的问题。利用时间同步网络对不同节点的电压相位进行同步获取是准确判断孤岛并进行可靠跳闸保护的基础。
各DG出口处FTU（馈线自动化终端，Feeder Terminal Unit简称FTU）检测其电压相位在系统运行过程中的突变量，并与所设门槛值比较，决定是否申请获取PCC（公共耦合点，Point of Common Coupling，简称PCC）节点处电压相位信息。
各DG出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，其结果与阈值比较判断该DG是否处于孤岛运行状态，进而发出指令启动对应DG的孤岛保护出口。检测的信息是两处的电压相位，并将其送至相应FTU进行相位作差分析。信息明确，动作判据有绝对的选择性和可靠性。
本发明的原理是：含DG的分布式发电系统并网运行过程中，在与主电网分开以后，非计划孤岛内的功率是不平衡的，必然会导致孤岛系统中电压相位的严重偏离，基于此本发明提出一种基于广域信息的相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法。
本发明从各DG出口处电压相位与PCC处的电压相位信息着手，通过电网中的馈线自动化终端FTU对各DG出口处电压相位与PCC处的电压相位进行实时同步监测并将其存储于各自的存储单元中。各DG出口处FTU检测其电压相位在系统运行过程中的突变量，并与所设门槛值比较，决定是否申请获取PCC节点处电压相位信息。各DG出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较 （），由事先设定的相位差阈值来判断该DG是否处于孤岛运行状态。
若 ，则判断DG i 处于孤岛运行状态；
若 ，则判断DG i 处于并网运行状态。
本发明的有益效果是：
（1）本方法是基于广域信息所进行的孤岛保护，可以方便地检测我们所需要的任何节点信息量（电气量信息或非电气量信息），不仅限于局部某处的电气量信息。与现有技术相比，本方法更加突出广域信息量的获取，充分利用系统中采集的多点信息量主要完成安全监视、控制、稳定边界计算及状态评估等功能，侧重于广域信息的利用和安全功能的实现。
（2）本方法是各DG出口处FTU实时监测其电压相位突变量，并决定是否申请获取PCC节点处电压相位信息，若申请有效，则该FTU经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，若其相位差超过设定的阈值，则判断该DG处于孤岛运行状态。与现有技术相比，本方法克服了传统电压相位突变孤岛检测法仅靠检测DG出口处与主网连接的开关两侧的相位突变来判断孤岛太依赖于局部信息量，且直接检测两侧的相位突变，电气距离太近，可能效果不够明显，动作判据难以确定，可靠性欠佳的不足。同时避免了各DG出口处电压相位与PCC节点处电压相位的实时不间断比较，而仅是在相关FTU提出申请获取PCC节点电压相位信息有效才启动相位差比较，极大减少了相关FTU的工作量。经验证本方法对发生孤岛运行的DG能做出准确判断，保护效果明显，可靠性高。
附图说明
图1为本发明分布式发电系统图：图中，DG1、DG2、DG3为三个分布式电源，B1、B2、B3分别为DG1 、DG2 、DG3出口处断路器，PCC为公共耦合点处断路器，BL1、BL2、BL3为DG1 、DG2 、DG3与PCC相连的联络断路器；
图2为孤岛保护逻辑流程图；
图3为实施例1的仿真结果图，即 DG1出口处电压相位的波形图；
图4为实施例2的仿真结果图，即 DG1出口处与PCC节点处电压相位差的波形图；图5为实施例2的仿真结果图，即 DG2出口处与PCC节点处电压相位差的波形图；
图6为实施例2的仿真结果图，即 DG3出口处与PCC节点处电压相位差的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：分布式发电系统如图1所示，在10kV的配网系统中有三处分布式电源DG1、DG2和DG3，DG1是一台容量为10kW的风力发电机， DG2是一台容量为55kW的微型燃气轮机，DG3是一组容量为10kW的光伏发电阵列。系统初始时刻，PCC开关为闭合，系统处于并网运行状态。1.2s时刻，DG1出口处所带负荷分支发生故障，负荷断路器跳闸。
针对DG1出口处所带负荷发生故障对孤岛保护的影响作相关分析。该基于广域信息相位差比较式的孤岛检测及孤岛保护方法的步骤是：
（1）基于广域信息的同步采集：FTU实时监测各DG出口处电压相位与PCC节点处电压相位，并将各相位信息存储于各自的存储单元中。
（2）各DG出口处FTU检测其电压相位在系统运行过程中的突变量，并与所设门槛值比较，决定是否申请获取PCC节点处电压相位信息。
（3）各DG出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，根据比较结果与所设阈值之间的关系判断该DG是否处于孤岛运行状态。
（4）对于判断已出现孤岛运行的DG，即启动防孤岛保护，将此DG退出系统。
通过仿真分析得到： DG1出口处FTU检测其电压相位波形如图3所示。在1.2s时刻相位波形发生了突变，其突变量为=0.5。，但很快就稳定下来并保持一定值。由于在所设门槛值范围内，故DG1出口处FTU继续上述监测工作，即可认为DG1没有发生孤岛，仍为并网运行状态。
实施方式二：某DG与PCC之间的联络线或联络短路器发生故障而断开，或PCC节点处的断路器发生故障而断开，系统将局部或全部发生孤岛运行。在这种情况下分析各DG出口电压相位与PCC处电压相位之间的相位差关系。仿真的配网系统同实施例1，系统初始时刻仍为并网运行状态。本系统设置的动作相位差阈值为3。。3s时刻，DG1出口处的联络断路器BL1发生故障断开；6s时刻，DG2出口处的联络断路器BL2发生故障断开；9s时刻，DG3出口处的联络断路器BL3发生故障断开。
同理，该基于广域信息相位差比较式的孤岛检测及孤岛保护方法的步骤与实施例1一致。
通过仿真分析得到：
在3s时刻，DG1出口处FTU检测其电压相位发生突变，且突变量超出所设门槛值范围，于是DG1申请经0.5s延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，波形如图4所示，3.5s时刻相位差为=18.2。；
在6s时刻，DG2出口处FTU检测其电压相位发生突变，且突变量超出所设门槛值范围，于是DG2申请经0.5s延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，波形如图5所示，6.5s时刻相位差为=51.6。；
在9s时刻，DG3出口处FTU检测其电压相位发生突变，且突变量超出所设门槛值范围，于是DG3申请经0.5s延时获取PCC处电压相位，并与自身电压相位作差比较，波形如图6所示，9.5s时刻相位差为=5.7。。
与所设阈值=3。相比较可知：DG1在3s时刻发生孤岛，3.5s时刻DG1出口保护动作跳闸；DG2在6s时刻发生孤岛，6.5s时刻DG2出口保护动作跳闸；DG3在9s时刻发生孤岛，9.5s时刻DG3出口保护动作跳闸。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种基于广域信息电压相位差比较式孤岛检测及孤岛保护方法，其特征在于：含分布式电源DG的配网系统并网运行过程中，由电网中的馈线自动化终端FTU对系统各处电压相位进行实时同步监测，若检测到分布式电源DG出口处电压相位突变量超过其门槛值，则比较分析该处电压相位与公共耦合点PCC结点处电压相位之差，并根据其与所设阈值的大小关系来检测判断系统是否发生了孤岛运行；
具体步骤如下：
(1)基于广域信息的同步采集：系统中的FTU实时监测各分布式电源出口处电压相位θi与公共耦合点PCC结点处电压相位θs，并将各相位信息存储在各自的存储单元中；
(2)各分布式电源出口处FTU检测其电压相位θi在系统运行过程中的突变量|Δθi|，并与其门槛值相比较，决定是否申请获取公共耦合点PCC结点处同步电压相位信息：
若则该FTU继续上述监测工作；
若则该FTU申请获取公共耦合点PCC结点处同步电压相位信息；
(3)各分布式电源出口处FTU根据申请要求，经一定延时获取公共耦合点PCC结点处电压相位θs，并与自身电压相位θi作差比较，其相位差与阈值Δθ比较判断该DG是否处于孤岛运行状态：
若则判断DG处于孤岛运行状态；
若则判断DG处于并网运行状态；
(4)对于判断已出现孤岛运行的DG，即启动防孤岛保护，将此DG退出系统；
其中，门槛值的设定根据系统工况运行条件下的可靠性取2；
延时的整定需要考虑同步授时设备的误差及精度要求，根据有关规程动作出口可取0.5s的延时；
阈值Δθ的设定可根据DG的实际运行情况，并躲过所有的各类系统扰动、区内外故障非孤岛情形确定一个动作值；在系统扰动所引起的相位差比发生孤岛所引起的相位差小的情形下，按以下公式可满足孤岛保护的跳闸要求：
k1Δθa+ε≤Δθ≤k2Δθb-ε (1)
式中Δθa是系统发生的各类负荷扰动及投切DG或负荷非孤岛情形下电压相位差的最大值；Δθb是考虑到分布式电源渗透率、负荷特性条件下DG发生孤岛运行时出现的电压相位差最小值；
k1、k2为可靠系数，需要考虑同步授时设备的对时误差及精度因素来选取适当的可靠系数以满足其灵敏度要求，ε为考虑到测量及算法所带来的误差。
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