CN103683491A - 一种多电源接入变电站防孤岛运行系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电源接入变电站防孤岛运行系统，包括光伏变电站、电网、并网开关，所述光伏变电站与电网之间连接并网开关；还包括防孤岛运行监控装置，所述防孤岛运行监控装置分别与光伏变电站、并网开关、电网连接；所述防孤岛运行监控装置包括光纤电流差动保护模块、方向过流保护模块、安全自动切换模块，所述光纤电流差动保护模块与电网连接，所述方向过流保护模块串联在光伏变电站输出线与电网进线之间，安全自动切换装置与并网开关连接。系统发生线路故障、主变故障以及母线故障时能快速准确的通过判断开关位置切断并网的小电源，避免发生孤岛运行，损坏用户电气设备以及系统不稳定运行。更好的维护用户供电，降低用户的损失。

Description

一种多电源接入变电站防孤岛运行系统

技术领域

本发明公开了一种多电源接入变电站防孤岛运行系统，尤其涉及一种分布式电源并网发电的变电所的防孤岛运行装置，属于电力辅助设备领域。

背景技术

光伏电厂和秸秆电厂越来越多的在电网中接入，小电源的接入会给电网造成非计划性孤岛现象发生，非计划性孤岛现象发生时，由于系统供电状态未知，将造成以下不利影响：①可能危及电网设施维护人员和用户的人身安全；②干扰电网的正常合闸；③电网不能控制孤岛中的电压和频率，从而损坏配电设备和用户设备。按照《国家电网公司光伏变电站接入电网技术规定》第8.2条要求：光伏变电站必须具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力，其防孤岛保护应与电网侧线路保护相配合。非计划性孤岛现象的发生是严格禁止的。根据此要求需要研究符合要求的能与主网备自投、线路保护及主变保护配合的安全方案。该种安全方案主要依靠安全自动装置的研发，根据不同的电网一次主接线和保护配置而选择不同或者说更加合适的安全方案。该科技项目随着分布式电源的越来越多而具有广阔的应用前景。

孤岛运行和孤岛运行的危害：当包含DG的配电系统由于某种原因引起跳闸，使得包含有一个或多个DG的一部分配网与主系统分开，形成一个独立的区域，称之为孤岛。

孤岛运行的危害：孤岛中的电压和频率无法控制，造成用户设备损坏；孤岛中的线路仍然带电，威胁检修人员人身安全；非同期合闸时，对逆变电源和其他设备冲击大。

目前，国外的防孤岛保护是利用输出功率扰动法原理生产出的光伏并网逆变器实现的，安装于并网的光伏站内，而非光伏变电站的防孤岛保护主要靠低频低压解列装置实现，而国内现有的防孤岛保护装置也均是主要是靠频率电压检测来判断来实现的。

国内外的分布式电源的防孤岛保护均主要安装于并网的分布式电源电厂内，而非安装于并网的系统变电站内，对于系统变电站的保护配置以及运行方式带来很大麻烦，随着分布式电源越来越多，需要在系统变电站内采取防孤岛运行的安全方案，因此需要研究一种能根据实际的电网一次主接线和保护配置来采取更加合适的安全方案实现快速跳开并网开关的安全自动装置来实现分布电源的安全稳定运行。

国外的光伏并网逆变器安装于光伏站内不受电力系统的控制，运行维护和管理水平都不可控，需要有一种可靠的能安装在变电所快速跳开并网开关，维护电力系统的安全稳定。

国内的南瑞继保的PCS9658故障解列装置也是作为分布式电源防孤岛保护的装置，它的工作原理是利用频率检测方法和电压检测方法，通过对高频低频和频率变化率以及过电压、低电压和电压相位突变等电气量进行与定值判比较来判断断电力系统是否发生故障决定是否联切电源并网开关。该技术主要存在问题是：频率和电压的定值不好整定，而且根据负荷情况，如果小电源正好能维持负荷平衡，则电压与频率与正常时的变化不大，不好界定，定值灵敏度太高，容易在系统受扰动时也发生误动，灵敏度太低容易发生故障时拒动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多电源接入变电站防孤岛运行系统，通过在电网与光伏变电站之间设置防孤岛运行装置，解决了现有技术中形成独立的孤岛时，不能快速准确跳开小电源与系统连接点的断路器的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种多电源接入变电站防孤岛运行系统，包括光伏变电站、电网、并网开关，所述光伏变电站与电网之间连接并网开关；还包括防孤岛运行监控装置，所述防孤岛运行监控装置分别与光伏变电站、并网开关、电网连接；所述防孤岛运行监控装置包括光纤电流差动保护模块、方向过流保护模块、安全自动切换模块，所述光纤电流差动保护模块与电网连接，所述方向过流保护模块串联在光伏变电站输出线与电网进线之间，安全自动切换装置与并网开关连接。

还包括线路单相PT；所述线路单相PT分别与电网、光伏变电站的输出线连接。

还包括LED指示灯，显示模块；所述LED指示灯指示用于指示系统运行状态；所述显示模块用于显示系统运行状态及数据。

所述光伏变电站包括逆变器、升压变压器、断路器、UPS交流电源、关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置、直流电源、电能量终端服务器、交换机；所述逆变器的输出端与升压变压器的输入端连接，所述升压变压器的输出端与防孤岛运行装置的输入端连接；所述断路器与并网开关连接；所述关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置分别与防孤岛运行装置、升压变压器的输出端连接；所述直流电源分别与电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置连接；所述UPS交流电源分别与关口电能表、电能量终端服务器、交换机连接。 

还包括时间同步装置，所述时间同步装置分别与电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置连接。

还包括频率电压异常紧急控制装置，所述频率电压异常紧急控制装置与所述光伏变电站连接；所述频率电压异常紧急控制装置具备滑差闭锁功能、判断短路功能。

所述UPS交流电源、关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置、直流电源、电能量终端服。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）系统发生线路故障、主变故障以及母线故障时能快速准确的通过判断开关位置切断并网的小电源，避免发生孤岛运行，损坏用户电气设备以及系统不稳定运行。

（2）由于该系统中安全自动装置的快速切除故障使得设备自投、主变电站保护以及重合闸等配置简单，保护动作准确率提高，更好的维护系统的安全可靠运行。

（3）使设备自投动作准确率提高，确保变电所的持续可靠供电。

（4）该系统可应用于所有分布式电源并网发电的变电所，可在变电所集中控制室根据实际情况配置安全自动装置，实现维护电网的安全稳定可靠运行。

（5）该系统所带来的直接经济效益是提高设备自投装置动作的成功率，维护设备的可靠持续供电，有效的保护发电设备的安全运行；所带来的间接效益是维护用户的供电，降低用户的损失。

附图说明

图1为本发明的系统安装示意图。

图2为本发明的系统运行逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例一，如图1所示，以110kV杨店变为例，110kV杨店变有两个光伏变电站并网发电，安装防孤岛运行装置来简化备自投和主变保护配置，防止孤岛运行，确保电网安全稳定。

杨店变新接入的光伏变电站配置如下：光伏变电站升压站以10kV电压等级专线接入杨店变10kVⅣ母线新建间隔。 新建1回光伏变电站至110kV杨店变的10kV线路，新建架空线路长度约1km。线路保护配置考虑以下两个方案： 

方案一：为保障光伏变电站并网线路的安全稳定运行，本线路配置全线速动保护，在线路两侧配置光纤电流差动主保护，采用四段式零序方向过流保护作为其后备保护。光伏变电站线路发生各种类型短路故障时，光纤电流差动保护能快速动作，瞬时跳开断路器。可满足全线故障时快速可靠切除故障的要求。 

方案二：在光伏变电站侧及杨店变侧均配置单套带方向的电流保护；光伏变电站线路发生各种类型短路故障时，保护装置动作，跳开断路器；光伏变电站内，过流与短路保护动作，关断逆变器；但该电流保护受电网运行方式影响较大，整定比较困难。

方案一、方案二均能在光伏变电站线路发生各种类型短路故障时，跳开断路器，切除故障线路。

依据《国家电网公司光伏变电站接入电网技术规定》和《江苏省电力公司光伏变电站接入系统导则（2010版）》要求，考虑到光纤电流差动保护能快速可靠切除全线故障，并且光纤通道可与通信专业共用，不需额外增加光缆费用，以及运行方便等因素，推荐方案一。采用10kV光纤电流差动保护装置，并要求带有三相一次重合闸功能。

根据《江苏电网统调小发电机组并网管理规定》对安全自动装置的要求，需在光伏变电站并网点装设一套频率电压异常紧急控制装置，频率电压异常紧急控制装置应具备滑差闭锁功能以及判断短路功能。光伏变电站新增设备布置在光伏变电站二次设备室内。

为满足10kV杨店变到沭阳光伏变电站之间线路以及杨店变进线线路的检无压重合闸的要求，在杨店变侧10kV进线配置线路单相PT。光伏变电站内需具备直流电源，供新配置的保护装置、测控装置、电能质量在线监测装置等设备使用。 光伏变电站内需配置UPS交流电源， 供关口电能表、 电能量终端服务器、交换机等设备使用。 

光伏变电站内需具备时间同步装置，供新配置的保护装置、测控装置等设备使用。

通过检查开关潮流和功率方向判断分布式电源是否在发电，然后根据主接线方式来确定需要检测的开关的位置，当开关位置有变化时进行有选择的切除并网开关。

通过安装防孤岛运行装置，检查开关潮流和功率方向判断分布式电源是否在发电，然后根据主接线方式来确定需要检测的开关的位置，当开关位置有变化时进行有选择的切除并网开关。因为需要根据不同的主接线方案和保护配置情况来确定自动切除并网开关的逻辑，所以需要根据实际情况说明，其逻辑框图如图2所示。

电网失压时，光伏变电站仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态称为孤岛现象。非计划性孤岛效应的发生，可能危及线路维护人员和用户的生命安全，干扰电网的正常合闸，以及使得孤岛中的频率和电压失去控制。要求光伏变电站须具备防孤岛保护功能。 当杨店变进线电源及#2主变故障、失电时，光伏变电站将会发生非计划性孤岛。杨店变系统配置图如下， 当发生以下情况时光伏变电站可能引起孤岛： 1） 内桥开关在分位，当杨万线对侧开关跳开或本侧开关跳开 2） 内桥开关在合位，当内桥开关跳开或者杨童线对侧开关跳开或本侧开关跳开 3） #2 变低开关跳开，处于分位。 分段开关、杨万线本侧进线开关、杨童线本侧进线开关在站内，可以获得，而杨万线对侧出线开关、杨童线对侧出线开关需通过光纤通讯传到杨店变。

为防止光伏变电站孤岛运行，有两种解决方案：

方案1：杨店变与杨万线、杨童线对侧变电站具倍光纤通讯条件（SDH），通过远传将开关位置送过来。

方案2：杨店变与杨万线、杨童线对侧变电站不具备光纤通讯条件，通过本地电气量来判断对侧开关已经跳开。

根据开关潮流和功率方向判断分布式电源是否在发电，然后根据主接线方式来确定需要检测的开关的位置，当开关位置有变化时进行有选择的切除并网开关。然后需要根据不同的主接线方案和保护配置情况来确定自动切除并网开关的逻辑。

防孤岛运行装置的逻辑方案：

（1）每个变电站的主接线方式都不同，电源点的接入点也不同，需要根据现场的实际接线进行方案的设计和逻辑的配置。

（2）现场的逻辑方案制定后逻辑验证比较复杂，有一点疏忽或考虑不周就容易造成误动，甚至有隐藏的暂时电网没有发生过的现象即未预见的发生会有一定的隐患。

取对侧开关的位置接点： 

（1）如果线路上有光纤通道且有备用芯，现场的保护装置还要具备远传开关位置信号功能，具体要看现场的保护装置的配置情况。 

（2）如果现场配置的保护装置不具备远传开关位置信号功能，要根据现场情况可能要采取增加其它装置利用GOOSE远传。

（3）防孤岛运行装置的动作信号也要能远传并进行调试。

防孤岛运行装置所具备的基本功能：

1、保护信息功能

1） 装置描述的远方查看。 

2） 设备参数定值的远方查看。 

3） 保护定值和区号的远方查看、修改功能。 

4） 软压板状态的远方查看、遥控和就地投退功能。 

5） 装置保护开入状态的远方查看。 

6） 装置运行状态（包括保护动作元件的状态和自检报警信息等）的远方查看。 

7） 远方对装置信号复归。 

8） 故障录波上送功能

2、基本原理

1）主程序按给定的采样周期接受采样中断进入采样程序，在采样程序中进行模拟量采集与滤波，开关量的采集、装置硬件自检、外部异常情况检查和启动判据的计算，根据是否满足启动条件而进入正常运行程序或故障计算程序。 

2）正常运行程序完成系统无故障情况下的状态监视、数据预处理等辅助功能，故障计算程序中进行各种保护的算法计算，跳闸逻辑判断等。当装置硬件自检出错，发装置闭锁信号同时闭锁装置，保护退出。

3、插件布置：装置采用内部高速总线和智能 I/O，因此智能插件的插槽位置可以灵活配置。为了使不同型号装置的插件排列具备统一的风格，方便扩展与维护，固定 CPU 板、电源/开出 PWR 等必配插件及常用可选插件的插槽位置，其他可选插件可根据装置的剩余插槽位置进行灵活配置。

4、操作回路配置说明：断路器跳闸位置监视（跳闸位置和跳位） 跳闸位置继电器（TWJ）用于监视断路器的分位状态。 将端子经断路器常闭辅助接点连接到控制电源的负端，或将端子HQ 和端子TWJ- 短接后连接到合闸回路，都可以用来监视断路器的跳闸位置状态。 

（1）装置“跳位”指示灯常亮用来指示断路器在跳闸位置状态。 

断路器合闸位置监视合闸位置继电器（HWJ）用于监视断路器的合位状态。

将端子 HWJ 经断路器常开辅助接点连接到控制电源的负端，或把端子HWJ- 和端子 TQ 短接后连接到跳闸回路，都可以用来监视断路器的合闸位置状态。

装置“合位”指示灯常亮用来指示断路器在合闸位置状态。

控制回路断线监视 合闸位置继电器（HWJ）的常闭接点和跳闸位置继电器（TWJ）的常闭接点串联起来，用以输出控制回路断线报警信号输出。

合闸回路 ：保护合闸信号从端子 08 输入，手动合闸信号或遥控合闸信号从端子 09 输入。端子 08 连接到断路器的合闸回路。 

合闸保持继电器 （HBJ） 在合闸操作时启动， 断路器合闸成功后返回， 其工作电流在 0.5A～4.0A范围内自适应。合闸过程中即使合闸接点返回，合闸保持继电器（HBJ）常开接点将保持闭合到断路器合闸成功。

（2）跳闸回路 

保护跳闸信号从端子 02 输入，而手动跳闸信号和遥控跳闸信号从端子 03 输入。端子 02 连接到断路器的跳闸操作回路。 

跳闸保持继电器（TBJ）在跳闸操作时启动，断路器跳闸成功后返回，其工作电流在 0.5A～4.0A范围内自适应。 跳闸过程中即使跳闸接点返回，跳闸保持继电器（TBJ）常开接点将保持闭合到断路器跳闸成功。 

（3）合后位置继电器（KKJ） 

合后位置继电器（KKJ）为双位置继电器。当断路器手动合闸或遥控合闸时，KKJ 动作并且保持；当断路器手动跳闸或遥控跳闸时，KKJ 将返回；当由于保护动作跳开断路器时，KKJ 不返回。KKJ 的常开接点和 TWJ 常开接点一起用来作为启动重合闸的条件，即不一致启动重合闸。断路器在合位的正常状态时，KKJ为 1，TWJ为 0；当保护动作或开关偷跳时，KKJ 为 1，TWJ也为 1，此时保护装置启动重合闸。

5、设备参数定值：基本参数包括 定值区号和被保护设备

CT 参数包括：

保护 CT 额定一次值； 

保护 CT 额定二次值； 

零序 CT 额定一次值；

零序 CT 额定二次值；

测量 CT 额定一次值；

测量 CT 额定二次值。

PT参数包括：

PT 额定一次值；

PT 额定二次值。

6、LED指示灯说明如下： 

1）“运行”灯为绿色，装置正常运行时点亮，熄灭表明装置不处于工作状态； 

2）“报警”灯为黄色，装置有报警信号时点亮； 

3）“跳闸”灯为红色，当保护动作并出口时点亮，在“信号复归”后熄灭； 

4）“合闸”灯为红色，当重合闸出口时点亮，在“信号复归”后熄灭； 

5）“跳位”灯为绿色，指示当前开关位置； 

6）“合位”灯为红色，指示当前开关位置； 

7）“充电”灯为绿色，当重合闸充电完成时点亮； 

8）“PT 断线”灯为黄色，当发生电压回路断线时点亮； 

9） 其它指示灯备用。

7、液晶显示说明：装置上电后，正常运行时液晶屏幕将显示主画面，如果不能在一屏内完全显示，所有的显示信息将从下向上以每次一行的速度自动滚动显示。

主画面报告显示：装置在运行过程中，硬件自检出错或检测到系统运行异常时，主画面将立即显示自检报警信息，当装置新增保护动作报告时，主画面将显示最新一次动作报告。动作报告界面显示动作报告的记录号，动作时间（格式为：年－月－日 时：分：秒：毫秒）及动作元件名称，并且在动作元件前显示保护动作的相对时间和相别，如果不能在一屏内完全显示，所有的显示信息将从下向上以每次一行的速度自动滚动显示。

如果动作报告和自检报告同时存在，则主画面上半部分显示动作报告，下半部分显示自检报告，如果不能在一屏内完全显示，动作报告和自检报告的显示信息将分别从下向上以每次一行的速度自动滚动显示。

8、运行工况及说明 

保护出口的投、退可以通过跳、合闸出口压板实现； 

保护功能可以通过屏上压板或内部压板、控制字单独投退。

9、装置闭锁与报警 

保护装置的硬件回路和软件工作条件始终在自检功能的监视下，一旦有任何异常情况发生，相应的报警信息将被显示。

某些异常报警可能会闭锁一些保护功能， 一些严重的硬件故障和异常报警可能会闭锁保护装置。此时“运行”灯将会熄灭，同时装置闭锁开出接点将会闭合，保护装置必须退出运行，检修以排除故障。

达到的目标一：在110kV杨店变，安装防孤岛运行装置后，能够检查开关潮流和功率方向判断分布式电源是否在发电，根据主接线方式来确定需要检测的开关的位置，当开关位置有变化时进行有选择的切除并网开关。简化备自投装置和主变保护等的配置，确保了电网的安全可靠。能够有效防止发生孤岛运行，确保系统可靠运行和保护正确动作。

达到的目标二：在童庄变电站安装简单的保护装置能实现开关位置的可靠远传

达到的目标三：能够自动判断上网电厂是否发电而进行有选择的切除。

实施例二，以110kV西南变为例，110kV西南变有热电厂通过2回35kV线路并网还有1个光伏变电站并网发电，安装防孤岛运行装置来防止发生线路故障时向故障点送短路电流导致备自投和主变间隙保护不能正确动作，确保电网安全运行。

Claims (7)

1.一种多电源接入变电站防孤岛运行系统，包括光伏变电站、电网、并网开关，所述光伏变电站与电网之间连接并网开关；其特征在于：还包括防孤岛运行监控装置，所述防孤岛运行监控装置分别与光伏变电站、并网开关、电网连接；所述防孤岛运行监控装置包括光纤电流差动保护模块、方向过流保护模块、安全自动切换模块，所述光纤电流差动保护模块与电网连接，所述方向过流保护模块串联在光伏变电站输出线与电网进线之间，安全自动切换装置与并网开关连接。

2.根据权利要求1所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：还包括线路单相PT；所述线路单相PT分别与电网、光伏变电站的输出线连接。

3.根据权利要求1所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：还包括LED指示灯，显示模块；所述LED指示灯指示用于指示系统运行状态；所述显示模块用于显示系统运行状态及数据。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：所述光伏变电站包括逆变器、升压变压器、断路器、UPS交流电源、关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置、直流电源、电能量终端服务器、交换机；所述逆变器的输出端与升压变压器的输入端连接，所述升压变压器的输出端与防孤岛运行装置的输入端连接；所述断路器与并网开关连接；所述关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置分别与防孤岛运行装置、升压变压器的输出端连接；所述直流电源分别与电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置连接；所述UPS交流电源分别与关口电能表、电能量终端服务器、交换机连接。

5.根据权利要求4所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：还包括时间同步装置，所述时间同步装置分别与电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置连接。

6.根据权利要求4所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：还包括频率电压异常紧急控制装置，所述频率电压异常紧急控制装置与所述光伏变电站连接；所述频率电压异常紧急控制装置具备滑差闭锁功能、判断短路功能。

7.根据权利要求4所述的多电源接入变电站防孤岛运行系统，其特征在于：所述UPS交流电源、关口电能表、电能质量在线监测装置、保护装置、测控装置、直流电源、电能量终端服。

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