CN107039998B - 基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，涉及电力系统及其自动化技术领域。本发明实施例不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应，并且能在严重的背景谐波情况下快速有效地检测出孤岛效应，适用于各种类型的断路情况，具有检测精准度高的特点；还缩小了传统被动检测法存在的检测盲区，检测盲区较小的特点，有良好的实用性。对提高复杂配电网安全稳定运行和改善系统电能质量具有重要意义。本发明实施例能够综合考虑了正常并网运行和孤岛情况下分布电源和电网系统引起的谐波电压偶然变化，具有检测精准度高，检测盲区比较小的特点，且易于工程实现。

Description

基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及于电力系统及其自动化技术领域，尤其涉及一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法。

背景技术

随着全球能源危机及环境问题日益恶化，世界各国都大力发展新能源发电技术，我国扶持新能源建设国家政策的力度逐步增大，光伏、风电等新能源发电已初具规模。随着太阳能等新能源的广泛使用，逆变型电站在电网输配电中也变得越来越普遍。建设清洁、安全、自愈、经济、优质和互动的含分布式电源的坚强智能电网是电网发展的必然趋势。孤岛是指当新能源分布式发电系统与电网脱离时，分布式电源仍然向本地负载供电的现象。孤岛分为计划性孤岛和非计划性孤岛，计划性孤岛是指在构建电网之初就已经预料到可能发生的孤岛，并且已为其配备了相应的稳定运行措施，非计划性孤岛是指在电网构建之初没有预料到的孤岛，并未配备任何防护措施。非计划性孤岛一旦出现，会造成很大的危害，为保障电网的安全运行、运检人员的安全及降低非计划孤岛对电能质量的影响，在电力系统中非计划性的孤岛是不允许出现的。因此，DG必须具备孤岛检测的能力，要求孤岛发生时，必须快速、准确地切除并网逆变器。孤岛检测已成为目前国内外电工研究领域的重要课题之一。

发明内容

本发明的实施例提供一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，能够综合考虑了正常并网运行和孤岛情况下分布电源和电网系统引起的谐波电压偶然变化，具有检测精准度高，检测盲区比较小的特点，且易于工程实现。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，包括：

S101、小波S离散变换计算同步采集的分布并网发电系统送出线路的三相电流的各次谐波电流，和所述分布并网发电系统所接母线三相电压的各次谐波电压及其对应幅值和相位，；

S102、计算各次谐波功率，根据所述各次谐波功率的正负判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，所述谐波源方向包括正向谐波和负向谐波；

S103、根据所述正向谐波功率最大值配置为系统侧方向特征谐波源频次n1，根据所述负向谐波功率最小值配置为分布并网发电侧方向谐波特征谐波源频次 n2；

S104、利用滑动加窗傅里叶变换计算所述特征谐波源频次n1和所述特征谐波源频次n2的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，并计算分析时窗T前与时窗T 后2个频次谐波电压变化量ΔU_n1(T)、ΔU_n2(T)；

S105、将所述2个频次谐波电压变化量ΔU_n1(T)、ΔU_n2(T)分别与所述分布并网系统侧方向谐波源的电压减小量阈值ΔU_n1max和分布并网发电侧谐波的电压增加量阈值ΔU_n2max进行大小和正负性对比；

S106、若大小和正负均没有超出阈值，则判定为非孤岛，返回S105；若均超出阈值则判定为发生孤岛并采取应对措施；若只有单个指标超出阈值则进行报警，返回S105。

作为一个优选实施例，S101还包括：

对同步采集的电压和电流信号x(t)进行S离散变换：

获取x(t)的复时频变换结果S[m,n]；其中，m,n为S矩阵的行列号，分别对应时域、频域；检测出电压和电流信号的复杂时域、频域参数，并取分析时窗宽度N＝128点；

将电压信号的S复时频矩阵S_U[m,n]和电流信号的S复时频矩阵S_I[m,n]中的频率变量设为n次谐波频率n*N₀,其中N₀为基波频率；

得到同步的n次谐波电压瞬时幅度和瞬时初相位、n次谐波电流瞬时幅度和瞬时初相位：

其中m＝0,1,2,…,63。

作为一个优选实施例，S102所述计算谐波功率，包括：

根据动态同步的n次谐波电压量和电流量的瞬时幅度和瞬时初相位、n次谐波电流瞬时幅度和电压瞬时初相位得到m时刻的n次谐波实时功率：

其中

通过时间变量m的滑动和改变频率变量n可得到不同时刻、不同频次的谐波功率。

作为一个优选实施例，S103所述判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，包括：

若P_n[m]>0，则判定在m时刻附近n次谐波源位于分布并网系统侧，为正向；如果P_n[m]<0则判定n次谐波源位于分布并网发电侧，为负向；改变n值得到不同次谐波源的方向。

作为一个优选实施例，S104所述利用滑动加窗傅里叶变换计算所述特征谐波源频次n1次和特n2次的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，包括：

ΔU_n1＝U_n1[m+N0]-U_n1[m]

ΔU_n2＝U_n2[m+N0]-U_n2[m]

其中U_n1[m+N0],U_n1[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n1次谐波电压有效值；

U_n2[m+N0],U_n2[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n2次谐波电压有效值。

作为一个优选实施例，S104所述滑动加窗傅里叶变换，其特征在于，其滑动数据窗的长度为20毫秒。

作为一个优选实施例，S106还包括：

若ΔU_n1≥0.005U1且ΔU_n2<-0.005U1，其中，U1是基波电压值，则判定为发生孤岛，即分布并网发电侧谐波源产生的谐波电压增加0.5％和分布并网系统侧谐波源产生的谐波电压减小0.5％，则判定为发生孤岛；若ΔU_n1≥0.005U1或则报警示；其它情况则判定为非孤岛。

本发明实施例提供的一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应，并且能在严重的背景谐波情况下快速有效地检测出孤岛效应，适用于各种类型的断路情况，具有检测精准度高的特点；还缩小了传统被动检测法存在的检测盲区，检测盲区较小的特点，有良好的实用性。对提高复杂配电网安全稳定运行和改善系统电能质量具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为双源谐波电压突变量孤岛检测法的基本原理图；

图2为本发明实施例提供的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的孤岛检测系统的原理框图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的实施例提供一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，能够综合考虑了正常并网运行和孤岛情况下分布电源和电网系统引起的谐波电压偶然变化，具有检测精准度高，检测盲区比较小的特点，且易于工程实现。

本发明实施例技术原理如下：

目前，根据孤岛检测的方法不同，一般分为两种：本地检测法和远程检测法。远程检测法主要利用通信手段，检测断路器的开断状态或者在电网侧发出载波信号，而安装在DG侧的接收器将根据这些信号的变化来确定是否发生了孤岛。电力载波线通信法(PLCC)利用电力载波信号的有无即可检验线路的连接性，载波发送器通过电力线发送信号给接收机，接收机安装在载波线通信系统的用户侧，当PLCC信号丢失，接收机命令逆变器停止运行，或开断逆变器和当地负载脱离电网。该法在正常范围内没有检测盲区，非常有效，对DG逆变器输出质量和暂态没有影响，对已存在的电网载波系统易实现，但对本身无电网载波成本较高，且还可能会产生各种谐波分量，当负荷谐波与电力载波信号频带接近时会导致误检。断路器状态监测法利用电网断路器上的通信发送器，当断路器打开时以微波、电话线等通讯方式发送孤岛信号给分布式电源。该方法能允许电网对分布式电源的附加控制，提升系统的启动特性，有利于黑启动。其缺点是花费高、设计复杂，且需要许多认证以及通信许可。而Referm等提出了基于SCADA系统的孤岛检测方法，利用SCADA系统将DG与配电网之间连接的断路器状态传输到DG，孤岛时将DG退出运行。此方法可消除检测盲区，但同时也需要许多通信装置及通信许可，对于小型的系统不实用。本地检测法主要有被动检测法和主动检测法这两类。被动检测法又称内部无源法，孤岛形成前后公共耦合点(PCC点)的电气量会发生变化，该方法主要就是通过观察电网的电压、频率的变化来判断有无孤岛产生，主要有电压或频率检测、电压相位突变检测、谐波检测、功频变化率检测等几种方法。当DG供电量与孤岛负载需求相差较大时，在孤岛产生后负载的电压及频率会产生很大的变动，此时被动检测法较适用。

主动检测法又称内部有源法，该方法控制向逆变器中主动注入一个电气量扰动，并监测系统的响应来判断非计划孤岛是否发生。主动检测法主要有幅值偏移法、频率偏移法、相位偏移法等三种方法。主动检测法的优点是检测盲区小，检测速度快，但缺点也一样明显，就是对电能质量有一定的影响。

被动检测法原理简单、实现容易、成本低，但其精度对门槛值的设定密切相关，门槛值既要高于正常运行时的值，又要小于孤岛运行时的突变值。由于分布式电源本身输出会有波动，电网的电压幅值和频率、谐波等特性也有一定范围波动的，某些负载的突然起停也会对频率、电压、谐波等造成影响，这都给被动孤岛检测法带来很多新实际问题，因此如何减小检测盲区一直是该方法关注的主要问题。而对已有被动孤岛检方法都没有从分布式电源和电网两侧同时建立孤岛形成前后公共耦合点的电气量变换判据，另外方法对系统干扰、信号的时变性和暂态性缺少有效的处理，易引起信号的建模误差和信号处理的算法误差，从而导致相关判据参数的偏差，进而造成判据边界的出错。由于上述两种因素在已有方法中都均未考虑，因此孤岛检测仍需要研究新的方法。本发明针对以上问题提出解决措施，为孤岛检测问题带来新的方法，将大大拓其在分布电源及其继电保护等领域的应用。

具体在本实施例中，采用分布并网发电系统(DG)与大电网断开连接前后的并网母线电压的谐波电压变动来检测孤岛的状态。由于大电网系统中，DG因故障断路器断开与主电网连接后，系统中的谐波阻抗在孤岛前后产生很大的改变，即大容量主电网系统自身的谐波阻抗一般非常小，DG系统跟主电网相比，其容量远小于主电网，DG的谐波阻抗远大于主电网的谐波阻抗，因此在同样的谐波电流源条件下，孤岛后引起谐波电压将产生一个较大的增加突变量，进而判定孤岛，传统谐波电压突变量孤岛判定就是基于这种原理。但是，该传统孤岛检测方法具有较大的检测死区，正常运行的DG系统内部谐波电流源波动可能被误判是孤岛造成，进而造成孤岛保护误动作。另外，大电网侧谐波源电流增加，也可能造成谐波电压的增加突变量，造成孤岛误判。由于都没有从分布并网发电系统和电网两侧同时建立孤岛形成前后公共耦合点的电气量变换判据，已有其它很多数被动式孤岛检测方法也有类似的问题，分布并网发电系统本身输出波动、电网的一定范围波动、某些负载的突然起停等都对相关判据造成影响，这都给被动式孤岛检测方法带来很多新实际问题，因此如何减小检测盲区一直是该方法关注的主要问题。基于双源谐波电压突变量的孤岛检测新方法采用本地电气量信息，利用S变换同步采集计算分布并网发电送出线路电流及所接母线电压的谐波信息，由谐波功率区分谐波源方向，并得到来自分布并网系统侧背景谐波和分布并网发电侧谐波两个不同方向的2个主要频次谐波，最后根据这两个谐波电压变化量判定是否发生孤岛。双源谐波电压突变量孤岛检测法的基本原理如图1所示。

并网时公共点谐波阻抗计算如下：孤岛时公共点谐波阻抗计算如下：

Z_n孤岛＝Z_Ln

并网时n1次分布并网系统侧谐波电流源造成的公共点谐波电压计算如下：

并网时n2次DG谐波电流源造成的公共点谐波电压计算如下：

孤岛时n1次分布并网系统侧谐波电流源造成的公共点谐波电压计算如下：

U_n1并≈0

孤岛时n2次DG谐波电流源造成的公共点谐波电压计算如下：

U_n2并＝I_DG-n2Z_n孤岛＝I_DG-n2Z_Ln2

上述分析可知，由于大电网系统的容量很大，孤岛时谐波阻抗Z_Ln一般比并网谐波阻抗Z_n并网大的多，所以孤岛后n2次DG谐波电流源造成的公共点谐波电压比并网时大大增加；另外，孤岛后分布并网系统侧谐波电流源造成的公共点谐波电压将大大减小。综上两点，建立基于双源谐波分布并网发电孤岛检测方法。

本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，如图2所示，包括：

S101、小波S离散变换计算同步采集的分布并网发电系统送出线路的三相电流的各次谐波电流，和所述分布并网发电系统所接母线三相电压的各次谐波电压及其对应幅值和相位。

孤岛检测中由于负荷波动变化、系统扰动等各种原因，电压、电流信号实际上往往是由幅度和相位随时间发生一定的动态变化，同时还存在非周期的暂态分量和各种噪声，小波S变换能够有效处理信号中的暂态性、时变性及噪声，并减小信号处理误差。

S102、计算各次谐波功率，根据所述各次谐波功率的正负判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，所述谐波源方向包括正向谐波和负向谐波。

S103、根据所述正向谐波功率最大值配置为分布并网系统侧方向特征谐波源频次n1，根据所述负向谐波功率最小值配置为分布并网发电侧方向谐波特征谐波源频次n2。

S104、利用滑动加窗傅里叶变换计算所述特征谐波源频次n1次和n2次的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，并计算分析时窗T前与时窗T后2个频次谐波电压变化量ΔU_n1(T)、ΔU_n2(T)；

S105、将所述2个频次谐波电压变化量ΔU_n1(T)、ΔU_n2(T)分别与所述分布并网系统侧方向谐波源的电压减小量阈值ΔU_n1max和分布并网发电侧谐波的电压增加量阈值ΔU_n2max进行大小和正负性对比；

S106、若大小和正负均没有超出阈值，则判定为非孤岛，返回S105；若均超出阈值则判定为发生孤岛并采取应对措施；若只有单个指标超出阈值则进行报警，返回S105。

作为一个优选实施例，S101还包括：

对同步采集的电压和电流信号x(t)进行S离散变换：

获取x(t)的复时频变换结果S[m,n]；其中，m,n为S矩阵的行列号，分别对应时域、频域；检测出电压和电流信号的复杂时域、频域参数，并取分析时窗宽度N＝128点；

将电压信号的S复时频矩阵S_U[m,n]和电流信号的S复时频矩阵S_I[m,n]中的频率变量设为n次谐波频率n*N₀,其中N₀为基波频率；

得到同步的n次谐波电压瞬时幅度和瞬时初相位、n次谐波电流瞬时幅度和瞬时初相位：

其中m＝0,1,2,…,63。

作为一个优选实施例，S102所述计算谐波功率，包括：

根据动态同步的n次谐波电压量和电流量的瞬时幅度和瞬时初相位、n次谐波电流瞬时幅度和电压瞬时初相位得到m时刻的n次谐波实时功率：

其中

通过时间变量m的滑动和改变频率变量n可得到不同时刻、不同频次的谐波功率。

作为一个优选实施例，S103所述判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，包括：

若P_n[m]>0，则判定在m时刻附近n次谐波源位于分布并网系统侧，为正向；如果P_n[m]<0则判定n次谐波源位于分布并网发电侧，为负向；改变n值得到不同次谐波源的方向。

具体地，代表性双向谐波源的频次选择是由分布并网发电送出线路谐波功率P_n[m]的正、负最大值来确定，最大正谐波功率及频率为分布并网系统侧谐波源，最小负谐波功率及频率为分布并网发电侧谐波源，步骤如下:

1)取初始谐波次数n＝2；

2)时间变量m取正常并网运行时段m0，P_n∑＝0；

3)P_n∑＝P_n∑+P_n[m]，m＝m+1；

4)若m<m0+5T0(T0为基波周期)则返回步骤3)，否则进入下一步

5)计算得到n次谐波平均功率P_n∑＝P_n∑/5N₀；

6)n＝n+1；

7)若n<31，则返回步骤2)，否则进入下一步；

8)在n＝2～31之间，分别找出P_n∑(n)的正、负最大值P_max+,P_max-及其对应的频次n₁,n₂；

9)选择设置n₁为分布并网系统侧的特征谐波源频次，设置n₂为分布并网发电侧的主要特征谐波源频次。

作为一个优选实施例，S104所述利用滑动加窗傅里叶变换计算特征谐波源频次n1次和n2次的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，包括：

ΔU_n1＝U_n1[m+N0]-U_n1[m]

ΔU_n2＝U_n2[m+N0]-U_n2[m]

其中U_n1[m+N0],U_n1[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n1次谐波电压有效值； U_n2[m+N0],U_n2[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n2次谐波电压有效值。

作为一个优选实施例，S104所述滑动加窗傅里叶变换，其特征在于，其滑动数据窗的长度为20毫秒。

作为一个优选实施例，S106还包括：

若ΔU_n1≥0.005U1且ΔU_n2<-0.005U1，其中，U1是基波电压值，则判定为发生孤岛，即分布并网发电侧谐波源产生的谐波电压增加0.5％和分布并网系统侧谐波源产生的谐波电压减小0.5％，则判定为发生孤岛；若ΔU_n1≥0.005U1或则报警示；其它情况则判定为非孤岛。

根据图3分布发电系统图，在Matlab/Simulnk中搭建本发明实施例的仿真。 5次为分布发电侧主要谐波源，11次为分布并网系统侧的主要背景谐波。孤岛检测仿真结果如下表：

表1 孤岛前后的谐波电压检测结果

Matlab仿真结果证明了本发明实施例针对分布并网发电系统提出的孤岛检测新方法的正确性，可以在保证高检测效率的前提下，缩小甚至消除了检测盲区，并确保了较高的电能质量。

本发明实施例提供的一种基于双源谐波电压突变量的分布并网发电岛检测方法，不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应，并且能在严重的背景谐波情况下快速有效地检测出孤岛效应，适用于各种类型的断路情况，具有检测精准度高的特点；还缩小了传统被动检测法存在的检测盲区，检测盲区较小的特点，有良好的实用性。对提高复杂配电网安全稳定运行和改善系统电能质量具有重要意义。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法，其特征在于，包括：

S101、小波S离散变换计算同步采集的分布并网发电系统送出线路的三相电流的各次谐波电流，和所述分布并网发电系统所接母线三相电压的各次谐波电压及其对应幅值和相位；

S102、计算各次谐波功率，根据所述各次谐波功率的正负判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，所述谐波功率方向包括正向谐波和负向谐波；

S103、根据所述正向谐波功率最大值配置为系统侧方向特征谐波源频次n1，根据所述负向谐波功率最小值配置为分布并网发电侧方向特征谐波源频次n2；

S104、利用滑动加窗傅里叶变换计算所述特征谐波源频次n1和所述特征谐波源频次n2的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，并计算分析时窗T前与时窗T后2个频次谐波电压变化量△U_n1(T)、△U_n2(T)；

S105、将所述2个频次谐波电压变化量△U_n1(T)、△U_n2(T)分别与所述分布并网系统侧方向谐波源的电压减小量阈值△U_n1max和分布并网发电侧谐波的电压增加量阈值△U_n2max进行大小和正负性对比；

S106、若大小和正负均没有超出阈值，则判定为非孤岛，返回S105；若均超出阈值则判定为发生孤岛并采取应对措施；若只有单个指标超出阈值则进行报警，返回S105。

2.根据权利要求1所述的基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法，其特征在于，S103所述判断正常并网运行时对应各次谐波源方向，包括：

若P_n[m]>0，则判定在m时刻附近n次谐波源位于系统侧，为正向；如果P_n[m]<0则判定n次谐波源位于分布并网发电侧，为负向；改变n值得到不同次谐波源的方向,其中，P_n[m]表示分布并网发电送出线路谐波功率。

3.根据权利要求1所述的基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法，其特征在于，S104所述利用滑动加窗傅里叶变换计算所述特征谐波源频次n1次和n2次的并网母线谐波电压动态幅值U_n1和U_n2，包括：

ΔU_n1＝U_n1[m+N0]-U_n1[m]

ΔU_n2＝U_n2[m+N0]-U_n2[m]

其中U_n1[m+N0],U_n1[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n1次谐波电压有效值；U_n2[m+N0],U_n2[m]分别为m+N0时刻和m时刻的n2次谐波电压有效值。

4.根据权利要求1所述的基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法，S104所述滑动加窗傅里叶变换，其特征在于，其滑动数据窗的长度为20毫秒。

5.根据权利要求1所述的基于双源谐波电压突变量的分布并网发电孤岛检测方法，其特征在于，S106还包括：

若ΔU_n1≥0.005U1且ΔU_n2＜-0.005U1，其中，U1是基波电压值，则判定为发生孤岛，即分布并网发电侧谐波源产生的谐波电压增加0.5％和系统侧谐波源产生的谐波电压减小0.5％，则判定为发生孤岛；若ΔU_n1≥0.005U1或ΔU_n2＜-0.005U1则报警示；其它情况则判定为非孤岛；

其中：ΔU_n1表示分布并网发电侧谐波源产生的谐波电压的改变量，ΔU_n2表示分布并网系统侧谐波源产生的谐波电压的改变量。