CN103675562A - 检测孤岛效应的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测孤岛效应的方法及装置，方法包括：根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时输出端产生的多次谐波。上述方法无需通过电压和频率变化判断电网是否发生孤岛效应，从而解决了现有检测孤岛效应的方法存在的误判和无法检出的问题，提高了孤岛效应的检测准确性。

Description

检测孤岛效应的方法及装置

技术领域

本发明涉及电源技术，尤其涉及一种检测孤岛效应的方法及装置。

背景技术

光伏发电、风力发电、燃料电池发电等并网发电系统中，当电网供电过程中因故障事故或停电维修而跳脱时，未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛，即孤岛效应。

由于孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全，影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置等，因此对于一个并网系统必须能够进行孤岛效应检测。

孤岛效应检测方法主要分为被动式和主动式两种。

现有的被动式孤岛检测方法，通过检测逆变器的输出是否偏离并网标准规定的电压、频率或相位变化范围，判断孤岛效应是否发生。其中，并网标准规定的电压、频率或相位变化范围即现有的被动式孤岛检测方法中的阈值，一旦超过阈值，便认为有孤岛效应发生。

但是，一方面，由于电网正常的波动也会使电压和频率的变化超过阈值，如果采用上述现有的被动式孤岛检测方法，就会导致误判；另一方面，当孤岛效应发生时，逆变器公用接入点（PCC）的电压和频率的变化可能达不到上述阈值，如果采用上述现有的被动式孤岛检测方法，则无法检测出孤岛效应。

发明内容

本发明的目的在于提出一种检测孤岛效应的方法及装置，以解决现有检测孤岛效应的方法存在的误判和无法检出的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种检测孤岛效应的方法，包括：

根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；

根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时输出端产生的多次谐波。

一种检测孤岛效应的装置，包括：

阻抗检测单元，用于根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；

判断单元，用于根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波。

上述检测孤岛效应的方法及装置通过根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应而无需通过电压和频率变化判断电网是否发生孤岛效应，从而解决了现有检测孤岛效应的方法存在的误判和无法检出的问题，提高了孤岛效应的检测准确性.并且，采用本发明上述方案可以缩短检测时间，提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种检测孤岛效应的方法的流程图；

图2

为本发明实施例提供的检测孤岛效应的方法应用的电路仿真图；

图3为本发明实施例提供的检测孤岛效应的方法中电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端的电流电压波形图；

图4为本发明实施例提供的检测孤岛效应的方法应用的电路的孤岛发生信号仿真图；

图5为本发明实施例提供的检测孤岛效应的方法应用的电路仿真中孤岛检测模块输出的孤岛检测信号图；

图6为本发明实施例提供的一种检测孤岛效应的装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种检测孤岛效应的装置的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明实施例提供的一种检测孤岛效应的方法的流程图。如图1所示，检测孤岛效应的方法包括：步骤11至步骤13。

在步骤11中，根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗，以作为被测电网是否发生孤岛效应的依据。

例如，根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到2次谐波的阻抗至11次谐波的阻抗，共10个阻抗。再例如，根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到2次谐波至12次谐波中的偶次谐波的阻抗，共6个阻抗。

又如，根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗，可包括：

根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多个奇次谐波的阻抗。

例如，根据当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到3次谐波至13次谐波中的奇次谐波的阻抗，共6个阻抗。

在步骤12中，根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波。

其中，预设的第一组谐波中各谐波的阻抗范围，可以预先通过对逆变器和电网模型进行模拟，搭建被测电网的仿真平台。在仿真平台中模拟电网发生孤岛效应的情况下对多组RLC负载进行训练，得到每组RLC负载下的多次谐波的阻抗，从而得到每个谐波对应的一组阻抗值，也就得到了每个谐波的阻抗范围。例如，有5组RLC负载R1L1C1、R2L2C2、R3L3C3、R4L4C4和R5L5C5，通过搭建的仿真平台得到表1所示的各次谐波的阻抗。

表1

可以看出，在负载R1L1C1下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗R131、5次谐波的阻抗R151，7次谐波的阻抗R171；在负载R2L2C2下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗R231、5次谐波的阻抗R251，7次谐波的阻抗R271；在负载R3L3C3下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗R331、5次谐波的阻抗R351，7次谐波的阻抗R371；在负载R4L4C4下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗R431、5次谐波的阻抗R451，7次谐波的阻抗R471；在负载R5L5C5下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗R531、5次谐波的阻抗R551，7次谐波的阻抗R571。

综上可以得到，被测电网发生孤岛效应时，3次谐波的阻抗范围为[min{R131、R231、R331、R431、R531}，max{R131、R231、R331、R431、R531}]，5次谐波的阻抗范围为[min{R151、R251、R351、R451、R551}，max{R151、R251、R351、R451、R551}]，7次谐波的阻抗范围为[min{R171、R271、R371、R471、R571}，max{R171、R271、R371、R471、R571}]。

假设步骤11中，得到3次谐波的阻抗R3、5次谐波的阻抗R5和7次谐波的阻抗R7，则根据步骤11中得到的3次谐波的阻抗R3与预先得到的3次谐波的阻抗范围[min{R131、R231、R331、R431、R531}，max{R131、R231、R331、R431、R531}]之间的关联程度，5次谐波的阻抗R5与预先得到的5次谐波的阻抗范围[min{R151、R251、R351、R451、R551}，max{R151、R251、R351、R451、R551}]之间的关联程度，7次谐波的阻抗R7与预先得到的7次谐波的阻抗范围[min{R171、R271、R371、R471、R571}，max{R171、R271、R371、R471、R571}]之间的关联程度，判断当前被测电网是否发生孤岛效应。

例如，当被测电网孤岛模式下3次谐波的阻抗范围与未发生孤岛模式下3次谐波的阻抗范围不存在重叠，被测电网孤岛模式下5次谐波的阻抗范围与未发生孤岛模式下5次谐波的阻抗范围不存在重叠，且被测电网孤岛模式下7次谐波的阻抗范围与未发生孤岛模式下7次谐波的阻抗范围不存在重叠时，而步骤11中得到的3次谐波的阻抗R3在预先得到的3次谐波的阻抗范围[min{R131、R231、R331、R431、R531}，max{R131、R231、R331、R431、R531}]之内，5次谐波的阻抗R5在预先得到的5次谐波的阻抗范围[min{R151、R251、R351、R451、R551}，max{R151、R251、R351、R451、R551}]之内，且7次谐波的阻抗R7在预先得到的7次谐波的阻抗范围[min{R171、R271、R371、R471、R571}，max{R171、R271、R371、R471、R571}]之内时，说明当前测得的多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度最高，可判定被测电网发生孤岛效应。

上述根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，也可以通过可拓模式识别方法识别被测电网是否发生孤岛效应。

例如，根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，可包括：

将得到的所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围进行关联，得到第一关联集合，所述第一关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

将得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第二组谐波的阻抗范围进行关联，得到第二关联集合，所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；所述第二关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第二组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应。

具体地，可首先建立电网特征的物元模型。其中，物元是指以给定事物的名称、特征c和关于特征的量值v组成有序三元组作为描述事物R＝(N,c,v)的基本元。其中，v由N和c确定，记作v＝c(N)。

一般来说，一个事物有多个特征，如果事物N以n个特征c_k(k＝1,2...n)和相应的量值v_k(k＝1,2...n)描述，则表示为：

$R=\left[\begin{array}{ccc}N& c_1& v_1\\ & c_2& v_2\\ & ...& \\ & c_n& v_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}N& c_1& c_1\left(N\right)\\ & c_2& c_2\left(N\right)\\ & ...& \\ & c_n& c_n\left(N\right)\end{array}\right]$

在本发明的实施例中，n个特征c_k(k＝1,2...n)对应n个谐波的阻抗。假设本发明实施例中要通过3次谐波的阻抗、5次谐波的阻抗和7次谐波的阻抗检测电网是否发生孤岛效应，则上述矩阵中，有3个特征c1、c2和c3分别对应3次谐波的阻抗、5次谐波的阻抗和7次谐波的阻抗。其中，特征c1量值为3次谐波的阻抗值，特征c2量值为5次谐波的阻抗值，特征c3量值为7次谐波的阻抗值。

然后建立经典域物元。经典域物元对应m种模式特征量值v的范围，表示为：

$R_j=\left[\begin{array}{ccc}{N}_j& c_{j1}& <a_{j1},b_{j1}>\\ & ...& \\ & c_{\mathrm{jk}}& <a_{\mathrm{jk}},b_{\mathrm{jk}}>\\ & ...& \\ & c_{\mathrm{jn}}& <a_{\mathrm{jn}},b_{\mathrm{jn}}>\end{array}\right],k=\mathrm{1,2}...n,;j=\mathrm{1,2}...m$

其中，j表示第j种模式。

由于本发明实施例主要是为了检测电网中是否发生孤岛效应，因此，对于电网来说，可设定两种模式，一种是正常供电模式，也即非孤岛模式，另一种是孤岛模式。也就是说，对于电网来说，j只取1或2，R₁表示正常供电模式，R₂表示孤岛模式；c_jk表示用于孤岛判断第j种模式下第k类特征，即第k个谐波的阻抗，a_jk和b_jk分别表示第j种模式下第k类特征的上下限。

另外，还要建立节域物元。节域是指关于某特征值所有模式下所取的量值范围，表示形式为：

$R_p=\left[\begin{array}{ccc}{N}_p& c_{p1}& <c_{p1},d_{p1}>\\ & ...& \\ & c_{\mathrm{pk}}& <c_{\mathrm{pk}},d_{\mathrm{pk}}>\\ & ...& \\ & c_{\mathrm{pn}}& <c_{\mathrm{pn}},d_{\mathrm{pn}}>\end{array}\right],k=\mathrm{1,2}...n,$

其中，c_pk和d_pk分别表示第k类特征在所有模式下的上下限。显然， $<a_{\mathrm{jk}},b_{\mathrm{jk}}>\&SubsetEqual;<c_{\mathrm{pk}},d_{\mathrm{pk}}>.$

上述这些矩阵在实时检测电网是否发生孤岛效应之前预先设定好。具体可以通过仿真平台在被测电网未发生孤岛效应及发生孤岛效应时分别对多组负载进行检测得到。

实时检测时，建立待识别物元。将一组待识别的特征用物元的形式表示，具体形式为：

$R_x=\left[\begin{array}{ccc}{N}_x& c_1& x_1\\ & ...& \\ & c_k& x_k\\ & ...& \\ & c_n& x_n\end{array}\right],k=\mathrm{1,2}...,n$

其中，x_k为测得的第k类特征的大小。

本发明实施例中，一组待识别的特征为多次谐波的阻抗，如为3次谐波的阻抗、5次谐波的阻抗和7次谐波的阻抗。x_k为测得的第k个谐波的阻抗值。

然后，通过关联函数计算待识别物元与不同模式下的物元之间的关联值。其中，关联函数如公式（1）或（2）所示，是用来描述事物属于哪个模或是属于该模式程度的函数。本实施例中，关联函数用来描述电网属于哪个模式的函数，关联值是测得的阻抗值与不同模式下的阻抗之间的关联值。

$K(x,X_0,X)=\frac{\mathrm{\&rho;}(x,X_0)}{D(x,X_0,X)}---\left(1\right)$

其中，X₀和X为两区间，且

无公共端点，ρ(x,X₀)为点x到X₀的距离，D(x,X₀,X)为点x与X₀、X的位值。

若X₀＝＜a,b＞，则

$\mathrm{\&rho;}(x,X_0)=|x-\frac{1}{2}(a+b)|-\frac{1}{2}(b-a)---\left(2\right)$

$D(x,X_0,X)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&rho;}(x,X)-\mathrm{\&rho;}(x,X_0),x\&NotElement;X_0\\ -1,x\&Element;X_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

若X₀与X有公共端点x_z，则对任意x≠x_z，关联函数为：

$K(x,X_0,X)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&rho;}(x,X_0)}{D(x,X_0,X)},& D(x,X_0,X)\&NotEqual;0\\ -\mathrm{\&rho;}(x,X_0)-1,& D(x,X_0,X)=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，X＝＜c,d＞

根据计算上述关联函数，可以得到关联矩阵：

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_{11}& k_{12}& ...& k_{1n}\\ k_{21}& k_{22}& ...& k_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ k_{m1}& k_{m2}& ...& k_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，K_jk表示x_k与＜a_jk，b_jk＞的关联值。

本发明实施例中，由于只有两种模式，因此，得到关联矩阵为：

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_{11}& k_{12}& ...& k_{1n}\\ k_{21}& k_{22}& ...& k_{2n}\end{array}\right]$

其中，k_1k为x_k与＜a_1k,b_1k＞之间的关联值，k_2k为x_k与＜a_2k,b_2k＞之间的关联值。

所述多次谐波的阻抗的权重基于区间重叠度。不同的特征用于模式判断时的权重是不一样的，例如，如果某一特征在两种模式下的区间或量值范围完全重叠，那么这个特征就不能作为模式识别的特征，其权重为0。因此，不同特征的权重反映了不同特征在判断模式中所占的分量。本发明实施例中，多次谐波的阻抗的权重即不同谐波的阻抗的权重反映了不同谐波的阻抗在判断模式中所占的分量。

为了描述区间的重叠程度，将两区间重叠部分与这两个区间的比值的均值定义为区间重叠度y，即：

若两互相重叠区间分别为x₁＝＜m,n＞,x₂＝＜p,q＞，ov(x₁,x₂)为x₁、x₂的重叠区间长度，则区间重叠度

$y=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(x_1,x_2)}{\left|x_1\right|}+\frac{\mathrm{ov}(x_1,x_2)}{\left|x_2\right|}),y\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]---\left(5\right)$

若识别对象有m种模式，则关于某一特征的区间有m个，两两重叠度为y_st(s＝1,2...m；t＝1,2...m;s＜t)，共

个，则特征c_k的区间重叠度为：

${\mathrm{ov}}_k=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{y}_{\mathrm{st}}}{N}=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{y}_{\mathrm{st}}}{C_m^2}---\left(6\right)$

同理，可算出其他特征的区间重叠度ov_k(k＝1,2...n)

将区间重叠度构成特征权重向量w'。

w′＝[w′₁,w′₂,...,w′_n]

$w_k^{\&prime;}=\frac{1}{{\mathrm{ov}}_k},(k=\mathrm{1,2}...n)---\left(7\right)$

为了便于计算，再进行归一化处理。

w_k＝w′_k/Σw′_k,(k＝1,2...n)

最后得到基于区间重叠度的特征权重向量w＝[w₁,w₂...w_n]

本发明实施例中，电网有两种模式，因此，关于某一个特征c_k有两个区间（即取值范围）＜a_1k,b_1k＞和＜a_2k,b_2k＞，这两个区间的重叠度为

$y_k=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<a_{1k},b_{1k}>,<a_{2k},b_{2k}>)}{|<a_{1k},b_{1k}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<a_{1k},b_{1k}>,<a_{2k},b_{2k}>)}{|<a_{2k},b_{2k}>|}),y\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]---\left(8\right)$

则特征c_k的区间重叠度为

ov_k＝y_k(k＝1,2,...n)   （9）

将区间重叠度构成特征权重向量w'。

w′＝[w′₁,w′₂,...,w′_n]

$w_k^{\&prime;}=\frac{1}{{\mathrm{ov}}_k},(k=\mathrm{1,2}...n)---\left(10\right)$

为了便于计算，再进行归一化处理。

w_k＝w′_k/Σw′_k,(k＝1,2...n)    （11）

最后得到基于区间重叠度的阻抗权重向量w＝[w₁,w₂...w_n]。

示例性的，根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，可包括：

将所述多次谐波的阻抗的权重分别与所述第一关联集合和所述第二关联集合相乘，得到第一乘积集合和第二乘积集合，所述第一乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第一关联集合相乘之后得到的乘积的集合，所述第二乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第二关联集合相乘之后得到的乘积的集合；

当所述第一乘积集合中的所有乘积之和大于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；当所述第一乘积集合中的所有乘积之和小于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

具体地，可通过判断矩阵K_o判断电网属于哪个模式。

对于有m种模式的事物来说，判断矩阵为

K_o＝w*K^T＝[K_o1,K_o2,...K_om]    （12）

其中，w为特征权重向量，K为关联矩阵，K_oj(j∈[1,m])为模式j的竞争值，该值越大说明待识别的事物越接近该模式。

若K_oj(j∈[1,m])最大，则确定待识别的事物为第j类模式。

本发明实施例中，m等于2，假设模式1为孤岛模式，模式2为非孤岛模式，那么，若k_o1>k_o2，则确定电网属于第1种模式，说明电网发生孤岛效应；反之，则确定电网属于第2种模式，说明电网正常供电。

示例性的，根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，可包括：

当第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之内时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应，所述第一谐波的阻抗为所述多次谐波中的一个谐波，所述预设阻抗范围为所述预设的第一组谐波中与所述第一谐波对应的阻抗范围；所述第一谐波的预设阻抗范围与预设的第二组谐波中所述第一谐波对应的阻抗范围的重叠度为0；所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；

当所述第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之外时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

假设被测电网在孤岛模式下，逆变器交流输出端的3次谐波的阻抗范围为＜R131,R531＞，非孤岛模式下，3次谐波的阻抗范围为＜R132,R532＞，且R531＜R132，则说明3次谐波的阻抗在孤岛模式和非孤岛模式的区间范围没有重叠，即重叠度为0，此时，只需判断上述步骤11中得到的3次谐波的阻抗是否在＜R131,R531＞之内，如果步骤11中得到的3次谐波的阻抗在＜R131,R531＞之内，则说明被测电网此时处于孤岛模式，即发生了孤岛效应；否则，说明被测电网未发生孤岛效应，处于正常供电状态。

下面通过单相逆变器并网的仿真模型，对检测孤岛效应的方法做进一步详细说明。

如图2所示，用matlab/simulink建立单相逆变器并网的仿真模型。逆变器用电流峰值为40A的恒流源来代替，其中叠加谐波，使输出电流的THD=1.76%；电网模型用一220V、50Hz的交流电压源模拟，并叠加谐波，使电网的THD=0.71%；逆变器仿真模型Inverter和电网模型Grid1，并联一个RLC负载，R=7.7782Ω，L=0.009H，C=0.001μF，

在该RLC负载下，逆变器输出的功率和负载完全匹配。而逆变器输出的功率和负载完全匹配的情况下，电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端的电流电压波形如图3所示，电压和频率的变化为0。如果采用传统的检测孤岛效应的方法，利用PCC的电压和频率的变化及预先设定的一个电压和频率变化的阈值来进行检测，那么，若预先设定的阈值过大，可能即使孤岛发生，电压和频率的变化也达不到阈值，造成检测的失败；如果阈值过小，可能电网正常的波动也会使电压和频率的变化超过阈值，这样会造成误判。因此，对于图3所示的电压和频率，采用传统的检测孤岛效应的方法根本无法检测出来电网发生了孤岛效应。

首先，预先在上述搭建的matlab/simulink仿真平台上对多组负载进行训练，获得在两种模式下3-13次奇次谐波的阻抗的数据，如表2所示。

根据表2中的数据，建立起节域物元R_j和经典域物元R_p。

具体地，模式1的节域物元：

$R_1=\left[\begin{array}{ccc}{N}_1& c_{11}& <\mathrm{0.01,1.31}>\\ & c_{12}& <\mathrm{0.022,6.2}>\\ & c_{13}& <\mathrm{0.009,5.08}>\\ & c_{14}& <\mathrm{0.005,9.68}>\\ & c_{15}& <\mathrm{0.014,46.3}>\\ & c_{16}& <\mathrm{0.006,86.5}>\end{array}\right]$

模式2的节域物元：

$R_2=\left[\begin{array}{ccc}{N}_2& c_{21}& <\mathrm{3.2,82.1}>\\ & c_{22}& <\mathrm{8.3,224.1}>\\ & c_{23}& <\mathrm{2.75,128.2}>\\ & c_{24}& <\mathrm{1.56,80.3}>\\ & c_{25}& <\mathrm{5.5,330.2}>\\ & c_{26}& <\mathrm{2.5,163.2}>\end{array}\right]$

经典域物元：

$R_p=\left[\begin{array}{ccc}{N}_P& c_{p1}& <\mathrm{0.01,82.1}>\\ & c_{p2}& <\mathrm{0.022,224.1}>\\ & c_{p3}& <\mathrm{0.009,128.2}>\\ & c_{p4}& <\mathrm{0.005,80.3}>\\ & c_{p5}& <\mathrm{0.014,330.2}>\\ & c_{p6}& <\mathrm{0.006,163.2}>\end{array}\right]$

根据上述公式（5）可以得到各个特征的区间重叠度。

对于特征c₁，其模式1的区间和模式2的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_1=y_1\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.01,1.31}>,<\mathrm{3.2,82.1}>)}{|<\mathrm{0.01,1.31}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.01,1.31}>,<\mathrm{3.2,82.1}>)}{|<\mathrm{3.2,82}.1>|})\\ =0\end{array}$

特征c₂的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_2=y_2\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.022,6.2}>),<\mathrm{8.3,224}.1>}{|<\mathrm{0.022,6.2}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.022,6.2}>,<\mathrm{8.3,224.1}>)}{|<\mathrm{8.3,224.1}>|})\\ =0\end{array}$

特征c₃的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_3=y_3\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.009,5.08}>,<\mathrm{2.75,128.2}>)}{|<\mathrm{0.009,5.08}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.009,5.08}>,<\mathrm{2.75,128.2}>)}{|<2.75,,128.2>|})\\ =\frac{1}{2}(\frac{5.08-2.75}{5.08-0.009}+\frac{5.08-2.75}{128.2-2.75})\\ =(\frac{2.33}{5.071}+\frac{2.33}{125.45})=0.239\end{array}$

特征c₄的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_4=y_4\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(\mathrm{0.005,9.68}>,<\mathrm{1.56,80.3}>)}{|<\mathrm{0.005,9.68}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.005,9.68}>,<\mathrm{1.56,80.3})}{|<\mathrm{1.56,80.3}>|})\\ =\frac{1}{2}(\frac{9.68-1.56}{9.68-0.005}+\frac{9.68-1.56}{80.3-1.56})\\ =\frac{1}{2}(\frac{8.12}{9.63}+\frac{8.12}{78.74})=0.473\end{array}$

特征c₅的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_5=y_6\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.014,46}.3>,<\mathrm{5.5,330.2}>)}{|<\mathrm{0.014,46.3}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.014,46.3}>,<\mathrm{5.5,330.2}>)}{|<\mathrm{5.5,330.2}>|})\\ =\frac{1}{2}(\frac{46.3-5.5}{46.3-0.014}+\frac{46.3-5.5}{330.2-5.5})\\ =\frac{1}{2}(\frac{40.8}{46.286}+\frac{40.8}{324.7})=0.503\end{array}$

特征c₆的区间重叠度

$\begin{array}{c}{\mathrm{ov}}_6=y_6\\ =\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.006,86.5}>,<\mathrm{2.5,163.2}>)}{|<\mathrm{0.006,86.5}>|}+\frac{\mathrm{ov}(<\mathrm{0.006,86.5}>,<\mathrm{2.5,163.2}>)}{|<\mathrm{2.5,163.2}>|})\\ =\frac{86.5-2.5}{2}(\frac{1}{86.5-0.006}+\frac{1}{163.2-2.5})\\ =\frac{84}{2}(\frac{1}{86.494}+\frac{1}{160.7})=0.7469\end{array}$

其中，特征c₁和c₂的区间重叠度为0，其余特征的区间重叠度都大于0。

通过上述公式（10），可以得到特征c₁和c₂的权重均为无穷大，这样，其余特征的权重相对来说可以忽略不计。那么假设所有特征的权重之和为1，则得到特征c1和c2的权重均为0.5000，其余特征的权重均为0。即得到特征权重向量也即多谐波的阻抗权重向量：

w＝[0.5000 0.5000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000]

然后，根据上述物元对电网是否发生孤岛效应进行实时检测。

其中，检测电网是否发生孤岛效应由孤岛检测模块来实现。从图2中可以看出，孤岛检测模块的输入为逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，即孤岛检测模块实时检测的是逆变器交流输出端的电压值和电流值。孤岛检测模块得到逆变器输出的电压值和电流值后，可以得出各次谐波的阻抗。本实施例中，孤岛检测模块得到阻抗与已建立的物元中的特征相对应，得到3-13次中奇次谐波的阻抗。然后利用得到的奇次谐波的阻抗建立待识别物元。

仿真时，如图4所示，在0.12s时通过step给电网断路器（Grid Breaker）一个脱网的信号后，孤岛检测模块检测逆变器交流输出端的电压值和电流值，并根据测得的电压值和电流值，得到3次谐波的阻抗15.16、5次谐波的阻抗38.0、7次谐波的阻抗19.0、9次谐波的阻抗14.5、11次谐波的阻抗59.5和13次谐波的阻抗31.5。

由于特征c₁和c₂的区间重叠度为0，因此，孤岛检测模块可以直接通过判断3次谐波的阻抗15.16是否在模式2的3次谐波的阻抗范围＜3.2,82.1＞之内，以及判断5次谐波的阻抗38.0是否在模式2的5次谐波的阻抗范围＜8.3,224.1＞之内，来识别被测电网是否发生孤岛效应。本实施例中，3次谐波的阻抗15.16在模式2的3次谐波的阻抗范围＜3.2,82.1＞之内，并且5次谐波的阻抗38.0在模式2的5次谐波的阻抗范围＜8.3,224.1＞之内，因此，确定被测电网发生了孤岛效应。

或者，孤岛检测模块也可以通过上述公式（1）-（12）来进行检测。

具体地，可利用得到的奇次谐波的阻抗，建立待识别物元：

$R_x=\left[\begin{array}{ccc}{N}_x& c_{x1}& 15.16\\ & c_{x2}& 38.0\\ & c_{x3}& 19.0\\ & c_{x4}& 14.5\\ & c_{x5}& 59.5\\ & c_{x6}& 31.5\end{array}\right]$

然后，孤岛检测模块计算关联矩阵中的k₁₁。

k₁₁表示第1类特征的测量值与第1种模式的第1类特征的经典域的关联值，从模式训练建立起来的数据中可知，第1类特征大小x₁＝15.16，其经典域的区间X₁＝＜c_p1,d_p1＞＝＜0.01,82.1＞，其第1种模式的节域区间X₀＝X₁₁＝＜a₁₁,b₁₁＞＝＜0.01,1.31＞。

根据上述公式（2）得到

$\begin{array}{c}\mathrm{\&rho;}(x_1,X_{11})\\ =|x_1-\frac{1}{2}(a_{11}+b_{11})|-\frac{1}{2}(b_{11}-a_{11})\\ =|15.16-\frac{1}{2}*(0.01+1.31)|-\frac{1}{2}*(1.31-0.01)\\ =13.85\end{array}$

$\begin{array}{c}\mathrm{\&rho;}(x_1,X_1)\\ =|x_1-\frac{1}{2}(c_{p1}+d_{p1})|-\frac{1}{2}(d_{p1}-c_{p1})\\ =|15.16-\frac{1}{2}*(0.01+82.1)|-\frac{1}{2}*(82.1-0.01)\\ =-15.15\end{array}$

根据上述公式（3），得到

D(x₁,X₁₁,X₁)＝ρ(x₁,X₁)-ρ(x₁,X₁₁)＝-15.15-13.85＝-29

根据上述公式（4），得到

$K_{11}=K(x_1,X_{11},X_1)=\frac{\mathrm{\&rho;}(x_1,X_{11})}{D(x_1,X_{11},X_1)}=\frac{13.85}{-29}=0.4776$

同理，可以逐一算得关联矩阵的其他元素k₁₂,...k_1n,k₂₁,k₂₂,...k_2n的值，进而得到关联矩阵：

$K=\left[\begin{array}{cccccc}-0.4776& -0.4557& -0.4230& -0.2495& -0.1816& 31.4940\\ 11.9600& 29.7000& 16.2500& 12.9400& 54.0000& 29.0000\end{array}\right]$

最后，通过上述公式（12）得到判断矩阵：

K_o＝[-0.4666 20.8300]

可以看到K_o2＞K_o1，即，当前电网处于第二种模式，也就是孤岛模式，因此可以确定当前电网发生了孤岛效应。

孤岛检测模块将上述得到的结果通过岛（island）端子输出，其输出的仿真信号如图5所示。可以看出，在孤岛效应发生的20ms后，孤岛检测模块通过上述实施例提供的检测孤岛效应的方法识别出孤岛的状态。相对于传统检测方法需要秒级以上的时间，本发明实施例提供的方法还进一步提高了孤岛效应的检测效率。

图6为本发明实施例提供的一种检测孤岛效应的装置的结构示意图。本实施例提供的装置用于实现图2所示的方法，相关术语及具体的操作详见上市方法实施例中的说明，这里不再赘述。如图6所示，检测孤岛效应的装置包括：阻抗检测单元61和识别单元62。

阻抗检测单元61用于根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；

识别单元62用于根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波。

示例性的，所述识别单元62可包括：

第一关联子单元，用于将所述阻抗检测单元得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第一组谐波的阻抗范围进行关联，得到第一关联集合，所述第一关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

第二关联子单元，用于将所述阻抗检测单元得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第二组谐波的阻抗范围进行关联，得到第二关联集合，所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；所述第二关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第二组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

判断子单元，用于根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应。

其中，预设的第一组谐波和第二组谐波的阻抗范围可保存在检测孤岛效应的装置中，也可存在检测孤岛效应的装置之外的存储装置中。

示例性的，所述判断子单元可具体用于：

将所述多次谐波的阻抗的权重分别与所述第一关联集合和所述第二关联集合相乘，得到第一乘积集合和第二乘积集合，所述第一乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第一关联集合相乘之后得到的乘积的集合，所述第二乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第二关联集合相乘之后得到的乘积的集合；

当所述第一乘积集合中的所有乘积之和大于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；当所述第一乘积集合中的所有乘积之和小于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

示例性的，所述识别单元62可具体用于：

当第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之内时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应，所述第一谐波的阻抗为所述多次谐波中的一个谐波，所述预设阻抗范围为所述预设的第一组谐波中与所述第一谐波对应的阻抗范围；所述第一谐波的预设阻抗范围与预设的第二组谐波中所述第一谐波对应的阻抗范围的重叠度为0；所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；

当所述第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之外时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

示例性的，所述阻抗检测单元61可具体用于：

根据逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多个奇次谐波的阻抗。

上述实施例提供的装置通过识别单元根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，解决了在电网中逆变器的输出功率与负载完全匹配的情况下，传统的被动式检测孤岛效应的方法失效，或是存在阈值难以确定引起误判断的问题，并且，有效地提高了检测效率。

图7为本发明实施例提供的另一种检测孤岛效应的装置的应用示意图。如图7所示，检测孤岛效应的装置71还包括采样单元72，通过采样单元72实时采样公共耦合点PCC处的电压和电流，通过阻抗检测单元61根据采样单元72实时采样的电压和电流计算出当前的阻抗，用计算的当前阻抗作为识别单元62的输入，识别单元62根据该输入，识别当前电网是否发生了孤岛效应。其中，开关左侧的输电网、配电网和配电负载在图2中被仿真为电网模型，DG（Distribute Generation，分布式发电）在图2中被仿真为逆变器，本地负载在图2中被仿真为RLC。识别单元62可执行上述模式识别算法，通过上述模式识别算法最终输出模式识别的结果，即输出当前是否发生了孤岛，也就是检测出图7中的开关断开，从而使DG与本地负载孤立于电网。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、计算机只读存储器、光盘或软盘等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种检测孤岛效应的方法，其特征在于，包括：

根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；

根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，，包括：

将得到的所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围进行关联，得到第一关联集合，所述第一关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

将得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第二组谐波的阻抗范围进行关联，得到第二关联集合，所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；所述第二关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第二组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，包括：

将所述多次谐波的阻抗的权重分别与所述第一关联集合和所述第二关联集合相乘，得到第一乘积集合和第二乘积集合，所述第一乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第一关联集合相乘之后得到的乘积的集合，所述第二乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第二关联集合相乘之后得到的乘积的集合；

当所述第一乘积集合中的所有乘积之和大于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；当所述第一乘积集合中的所有乘积之和小于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，包括：

当第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之内时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；所述第一谐波的阻抗为所述多次谐波中的一个谐波，所述预设阻抗范围为所述预设的第一组谐波中与所述第一谐波对应的阻抗范围；所述第一谐波的预设阻抗范围与预设的第二组谐波中所述第一谐波对应的阻抗范围的重叠度为0；所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；

当所述第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之外时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，根据逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗，包括：

根据逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多个奇次谐波的阻抗。

6.一种检测孤岛效应的装置，其特征在于，包括：

阻抗检测单元，用于根据被测电网当前逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多次谐波的阻抗；

识别单元，用于根据所述多次谐波的阻抗中各谐波的阻抗与预设的第一组谐波中对应的谐波的阻抗范围之间的关联程度，判断当前所述被测电网是否发生孤岛效应，所述预设的第一组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第一组谐波为所述被测电网发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述识别单元包括：

第一关联子单元，用于将所述阻抗检测单元得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第一组谐波的阻抗范围进行关联，得到第一关联集合，所述第一关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第一组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

第二关联子单元，用于将所述阻抗检测单元得到的所述多次谐波的阻抗与预设的第二组谐波的阻抗范围进行关联，得到第二关联集合，所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；所述第二关联集合为所述多次谐波的阻抗与所述预设的第二组谐波的阻抗范围之间的关联值的集合；

判断子单元，用于根据所述多次谐波的阻抗的权重及得到的所述第一关联集合和所述第二关联集合，判断所当前所述被测电网是否发生孤岛效应。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述判断子单元具体用于：

将所述多次谐波的阻抗的权重分别与所述第一关联集合和所述第二关联集合相乘，得到第一乘积集合和第二乘积集合，所述第一乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第一关联集合相乘之后得到的乘积的集合，所述第二乘积集合为所述多次谐波的阻抗的权重与所述第二关联集合相乘之后得到的乘积的集合；

当所述第一乘积集合中的所有乘积之和大于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；当所述第一乘积集合中的所有乘积之和小于所述第二乘积集合中的所有乘积之和时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述识别单元具体用于：

当第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之内时，判定当前所述被测电网发生孤岛效应；所述第一谐波的阻抗为所述多次谐波中的一个谐波，所述预设阻抗范围为所述预设的第一组谐波中与所述第一谐波对应的阻抗范围；所述第一谐波的预设阻抗范围与预设的第二组谐波中所述第一谐波对应的阻抗范围的重叠度为0；所述预设的第二组谐波与所述多次谐波相对应，所述预设的第二组谐波为所述被测电网未发生孤岛效应时逆变器交流输出端产生的多次谐波；

当所述第一谐波的阻抗的值在所述第一谐波的预设阻抗范围之外时，判定当前所述被测电网未发生孤岛效应。

10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述阻抗检测单元具体用于：

根据逆变器交流输出端输出的电压值和电流值，得到多个奇次谐波的阻抗。

Images