CN112650891A - 能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，步骤为：采用分布式代理的方式，利用智能电子终端设备构建分布式孤岛信息系统，利用图搜索算法对配电网拓扑图中的分布式电源节点与源节点之间都进行路径查询，确定每个分布式电源节点所对应的同级源节点和路径检测范围，并得到分布式电源节点所对应的决定孤岛路径数据库；再将其存储至分布式孤岛信息系统中；实时验证路径数据库来快速获得孤岛检测结果；在故障线路跳闸时，借助联络线使得该分布式电源继续保持连通性，阻止了孤岛效应的产生。本发明提出了离线路径查询与在线验证结合的通信类孤岛检测方法，实现了更快速得到检测结果；能够实现阻止孤岛效应产生这一尚未解决的问题。

Description

能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法
技术领域
本发明属于分布式电源反孤岛保护技术领域，特别涉及一种能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法。
背景技术
分布式电源的孤岛效应是指电网由于故障原因导致某些线路断开或跳闸，而使得并网运行的新能源发电系统不受大电网控制，仍然对负荷与相连线路持续供电的情形。它会对配电网的稳定性，设备的正常使用造成影响还会危害工作人员的人身安全。因此对于配电网来说准确快速的实现对孤岛效应的检测并及时切除新能源系统与电网的连接，这是一项非常关键的技术。
在分布式电源孤岛效应检测技术中，分布式电源的孤岛检测技术从大类上分为本地式与通信式两种类型。本地式又可以具体分为被动法与主动法两种。随着当前及未来分布式电源的不断并网，本地式方法面临着严峻的挑战。被动方法的原理是利用孤岛效应产生后分布式电源与本地负载之间功率不平衡引起的电气量变化来进行孤岛检测，但是存在着检测盲区，阀值设定会增大误判可能性，对多类型配电网适用性不强等问题。主动方法的原理是通过定期向配电网注入扰动信号根据引起的响应变化来进行孤岛检测，但是会影响电能质量，面对配电网上出现的双向功率流动准确度会降低。
通信式方法具有原理简单，准确度高，适用性强等优点，能够解决上述本地式方法出现的问题，但是在过去由于配电网基础设施不完善，通信技术可靠性差等原因，相关研究较少，方法比较落后。但当前随着通信，计算机技术的发展以及智能电网的建设完善，配电网逐步被赋予了实现故障定位、隔离和电源恢复等功能，特别是采用分布式控制的配电网系统能够实现配网现代化，提高分布式电源的整体利用率。而传统主站集中式处理系统在实现配电网各项功能时需要保证主站与每一个终端的时刻联系。终端需要先将信息传递给主站，待所有终端信息传递完毕后由主站进行判断，再将指令传达给终端，其实时性与可靠性均不够强。
从能否实现阻止孤岛效应产生的角度来看，本地式孤岛检测方法的原理均是在孤岛发生后通过配电网的特征变化来判断孤岛是否发生，再进行分布式电源脱网，是被迫性的操作。即使是在规定的时间内完成检测，孤岛效应的产生和其带来的后续操作仍然会给配电网及负载的稳定性带来干扰，例如出现的甩负荷过电压会对配电网中的避雷器等设备造成危害。从原理上无法实现阻止孤岛效应产生的这一目标。而通信式孤岛检测方法在原理上存在这种可能性，但当前也并没有方法能够实现阻止孤岛效应的产生，来从根本上解决孤岛效应问题。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，提出了离线路径查询与在线验证结合的通信类孤岛检测方法，实现了更快速得到检测结果；并且更进一步解决了当前无法避免孤岛效应产生的问题，制定了有效的消岛方法，提高了配电网运行的运行。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，包括如下步骤：
S1：采用分布式代理的方式，利用若干智能电子终端设备构建分布式孤岛信息系统，所述的分布式孤岛信息系统用于实时监测控制整个配电网，将配电网中的所有线路以均分的形式分配给各个智能电子终端设备，并存储包括配电网拓扑信息；
S2：利用图搜索算法对配电网拓扑图中每个分布式电源节点与所有源节点之间都进行查询，确定每个分布式电源节点所对应的同级源节点，确定后续检测的路径范围，并得到每一个分布式电源节点所对应的决定孤岛路径数据库；再将其存储至分布式孤岛信息系统中；
S3：采用平行系统的方式将孤岛检测分为离线部分和在线部分进行执行；其中，离线部分使用步骤S2中的方法，来建立配电网拓扑图中每一个分布式电源的决定孤岛路径数据库并存储至分布式孤岛信息系统中；同时当配电网拓扑信息改变时进行系统信息的更新；在线部分当配电网运行时有线路断开，则分管该线路的智能电子终端设备根据步骤S2方法进行实时验证决定孤岛路径数据库来快速获得孤岛检测结果；
S4：得到孤岛检测结果后，由检测的智能电子终端设备执行基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法，在配电网拓扑图中选择合适的联络线；再由该智能电子终端设备通过邻域通信方式告知联络线所在的智能电子终端设备；约定时间通过同步断开故障线路开关和闭合联络线开关的方式，实现当某分布式电源即将产生孤岛效应时，借助联络线使得该分布式电源继续保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
优选的方案中，所述的在步骤S1中，各个智能电子终端设备之间构建星型或环形的通信构架，通信方式采用工业以太网或光纤，并采用IEC61850通信协议。
优选的方案中，所述的智能电子终端设备用于实现包括对任务目标的保护、测控和计量功能。
优选的方案中，待检测的配电网拓扑图中，分布式电源被视为路径查询中的起点，而配电网的源节点被视为查询的终点。
优选的方案中，所述的在步骤S2中，利用双向BFS图搜索算法对配电网中的每一个分布式电源与源节点之间进行路径查询，根据获得的路径与决定孤岛路径的概念，建立配电网中每一个分布式电源所对应的决定孤岛路径数据库；并将配电网的相关拓扑信息和决定孤岛路径数据库存储到分布式孤岛信息系统中。
优选的方案中，所述的在步骤S2中，由于配电网具有闭环设计开环运行和呈辐射状的结构特征，则配电网拓扑图中每个分布式电源到任意一个连通的源节点之间的可达路径是唯一的；配电网源节点与分布式电源节点之间的连通性决定了孤岛效应是否发生；根据上述孤岛效应形成原理，建立决定孤岛路径数据库的方法为：
将配电网拓扑图中所有分布式电源节点和源节点之间的关系进行以下分类：
1）若分布式电源节点与配电网某一源节点之间没有可达路径，则源节点为该分布式电源节点的无关源节点；
2）若存在可达路径，且路径中仅包含一个源节点，则该源节点称为同级源节点；
3）若包含两个及以上的源节点，则离分布式电源节点最近的为同级源节点，其余的为该分布式电源节点的高级源节点；
根据上述定义，当进行路径查询时，只需获得同级源节点与分布式电源节点之间的可达性关系即可判断孤岛效应是否发生；其中当拓扑图中同级源节点与分布式电源节点之间的可达路径满足路径个数与路径重叠数相等时，此时重叠路径满足只要该路径中有线路断开，就必然会导致所对应的分布式电源发生孤岛效应，该重叠路径被称为决定孤岛路径。
优选的方案中，所述的在步骤S4中，由于配电网采用闭环设计开环运行的方式，因此具有多个联络线；配电网正常运行时，这些联络线开关均保持断开状态来满足拓扑结构辐射状的要求；当配电网某条线路因为故障原因导致出现线路保护动作，此时分布式孤岛信息系统中的智能电子终端设备接收到该信息后，暂缓执行开关跳闸保护操作，迅速执行孤岛检测；若判定该跳闸会导致配电网中有分布式电源产生孤岛效应，则立即执行阻止孤岛效应的消岛方案，即利用基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法对配电网全闭合拓扑图进行查询，选择能够保证分布式电源连通性的合适联络线，利用分布式孤岛信息系统使分管二者的智能电子终端设备在相同时刻，同步执行故障线路跳闸保护动作与闭合联络线动作，使分布式电源仍然与配电网保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
本专利可达到以下有益效果：
1、本发明所要解决的问题在于建立了性能更好，适用于高渗透率配电网的分布式孤岛信息系统，在此基础上提出了离线路径查询与在线验证结合的通信类孤岛检测方法，实现了更快速得到检测结果；并且更进一步解决了当前无法避免孤岛效应产生的问题，制定了有效的消岛方法，提高了配电网运行的运行。
2、本方法首先对配电网进行拓扑化处理，从而将配电网中分布式电源的孤岛检测问题转化为对配电网拓扑图连通性的查询问题。只要图中代表分布式电源的节点与源节点之间存在可达路径，就不会产生孤岛效应。为了提高本方法的实时性，解决主站式系统存在的通信压力与不可靠性大的问题，本发明采用分布式系统来实现，将主站集中决策的功能以分层，分散的形式交给配电网中的智能电子终端设备来进行直接处理，同层代理智能电子终端设备之间通过通信协作而完成上层下达或本层自定的任务目标。各个智能电子终端设备以均等的分配方式分管配电网中的线路；智能电子终端设备中含有CPU可以实现对任务目标的保护、测控、计量等功能，与本方法相关的操作均由其进行实现。由于现场智能电子终端设备之间的数据传输量远小于主站与设备之间的传输量，因此本方法建立的分布式孤岛信息系统，采用先进的通信方式与通信协议，可以有效的降低通信延迟并且提高了可靠性与灵活性。
3、本发明针对目前孤岛检测方法的研究现状，结合未来配电网和新能源的发展趋势，提出基于配电网拓扑图路径查询的孤岛检测与阻止孤岛效应产生的方法及系统。构建了分布式孤岛信息系统具有比传统集中处理方式更高的实时性与灵活性，更适用于高渗透率的配电网。利用智能电子终端设备进行边缘计算，实现了更快速的孤岛检测方法。在检测基础上，本发明提出了一种新思路。利用选择适当的联络线，实现在孤岛即将产生的情况下通过同步闭合联络线开关确保配电网的连通性来消除孤岛效应的产生，打破了传统上只在孤岛发生后进行检测的研究思路，有效的避免了由孤岛效应产生带来的危害，实现了配电网更加稳定的运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明分布式孤岛信息系统示意图；
图2为本发明孤岛检测方法的流程图;
图3为本发明阻止孤岛产生方法流程图；
图4为本发明作为示例进行方法应用的IEEE123节点系统图。
具体实施方式
优选的方案如图1至图4所示，一种能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，包括如下步骤：
S1：采用分布式代理的方式，利用若干智能电子终端设备构建分布式孤岛信息系统，所述的分布式孤岛信息系统用于实时监测控制整个配电网，将配电网中的所有线路以均分的形式分配给各个智能电子终端设备，并存储包括配电网拓扑信息；
与本发明方法相关的操作与信息均由该系统中的智能电子终端设备负责实现与存储，该系统是执行与孤岛效应相关操作的平台。系统中的智能电子终端设备之间采用星型或环形的通信构架，采用工业以太网或光纤的通信方式，采用IEC61850通信协议。凡是仅改变智能电子终端设备的型号；仅改变通信架构、通信方式或通信协议的系统，均属于本发明的权利要求范围内。
S2：由于当配电网拓扑图中的分布式电源与源节点之间的没有连通路径时会产生孤岛效应，因此分布式电源存在一种路径，满足当配电网断开线路的位置位于该路径中时，必定会导致该分布式电源产生孤岛效应，故将其称为决定孤岛路径。
利用图搜索算法对配电网拓扑图中每个分布式电源节点与所有源节点之间都进行查询，确定每个分布式电源节点所对应的同级源节点，确定后续检测的路径范围，并得到每一个分布式电源节点所对应的决定孤岛路径数据库；再将其存储至分布式孤岛信息系统中；
通过该数据库可以实现仅需在线验证配电网断开线路是否在该数据库中即可快速得到孤岛检测的结果。凡是使用其他不同图搜索算法来建立决定孤岛路径数据库，或者使用与本方法所提概念相同的方法来进行孤岛检测的，均属于本发明的权利要求范围内。
S3：采用平行系统的方式将孤岛检测分为离线部分和在线部分进行执行；其中，离线部分使用步骤S2中的方法，来建立配电网拓扑图中每一个分布式电源的决定孤岛路径数据库并存储至分布式孤岛信息系统中；同时当配电网拓扑信息改变时进行系统信息的更新；在线部分当配电网运行时有线路断开，则分管该线路的智能电子终端设备根据步骤S2方法进行实时验证决定孤岛路径数据库来快速获得孤岛检测结果；
凡是采用将孤岛检测中的耗时算法在离线部分进行，再由在线实时得到结果的方法，均属于本发明的权利要求范围内。
S4：得到孤岛检测结果后，由检测的智能电子终端设备执行基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法，在配电网拓扑图中选择合适的联络线；再由该智能电子终端设备通过邻域通信方式告知联络线所在的智能电子终端设备；约定时间通过同步断开故障线路开关和闭合联络线开关的方式，实现当某分布式电源即将产生孤岛效应时，借助联络线使得该分布式电源继续保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
凡是仅改变最短路径查询算法的消岛方案或者本质仍是通过同步断开故障线路开关和闭合所选的联络线开关这一方式阻止孤岛效应发生的，均属于本发明保护范围内。
进一步地，在步骤S1中，各个智能电子终端设备之间构建星型或环形的通信构架，通信方式采用工业以太网或光纤，并采用IEC61850通信协议。
进一步地，智能电子终端设备用于实现包括对任务目标的保护、测控和计量功能。
进一步地，待检测的配电网拓扑图中，分布式电源被视为路径查询中的起点，而配电网的源节点被视为查询的终点。
进一步地，在步骤S2中，利用双向BFS图搜索算法对配电网中的每一个分布式电源与源节点之间进行路径查询，根据获得的路径与决定孤岛路径的概念，建立配电网中每一个分布式电源所对应的决定孤岛路径数据库；并将配电网的相关拓扑信息和决定孤岛路径数据库存储到分布式孤岛信息系统中。
进一步地，在步骤S2中，由于配电网具有闭环设计开环运行和呈辐射状的结构特征，则配电网拓扑图中每个分布式电源到任意一个连通的源节点之间的可达路径是唯一的；配电网源节点与分布式电源节点之间的连通性决定了孤岛效应是否发生；根据上述孤岛效应形成原理，建立决定孤岛路径数据库的方法为：
将配电网拓扑图中所有分布式电源节点和源节点之间的关系进行以下分类：
1）若分布式电源节点与配电网某一源节点之间没有可达路径，则源节点为该分布式电源节点的无关源节点；
2）若存在可达路径，且路径中仅包含一个源节点，则该源节点称为同级源节点；
3）若包含两个及以上的源节点，则离分布式电源节点最近的为同级源节点，其余的为该分布式电源节点的高级源节点；
根据上述定义，当进行路径查询时，只需获得同级源节点与分布式电源节点之间的可达性关系即可判断孤岛效应是否发生；其中当拓扑图中同级源节点与分布式电源节点之间的可达路径满足路径个数与路径重叠数相等时，此时重叠路径满足只要该路径中有线路断开，就必然会导致所对应的分布式电源发生孤岛效应，该路径被称为决定孤岛路径。
进一步地，在步骤S4中，由于配电网采用闭环设计开环运行的方式，因此具有多个联络线；配电网正常运行时，这些联络线开关均保持断开状态来满足拓扑结构辐射状的要求；当配电网某条线路因为故障原因导致出现线路保护动作，此时分布式孤岛信息系统中的智能电子终端设备接收到该信息后，暂缓执行开关跳闸保护操作，迅速执行孤岛检测；若判定该跳闸会导致配电网中有分布式电源产生孤岛效应，则立即执行阻止孤岛效应的消岛方案，即利用基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法对配电网全闭合拓扑图进行查询，选择能够保证分布式电源连通性的合适联络线，利用分布式孤岛信息系统使分管二者的智能电子终端设备在相同时刻，同步执行故障线路跳闸保护动作与闭合联络线开关动作，使分布式电源仍然与配电网保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
以IEEE 123节点配电网系统为例，本发明具体检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法为：
1.在正常运行的配电网中利用智能电子终端设备构建分布式孤岛信息系统，采用IEC61850的通信协议以及光纤环网的通信方式。由该系统实时监测控制整个配电网，并提前将该配电网的相关拓扑信息与其上并网的分布式电源对应的决定孤岛路径数据库存储到分布式孤岛信息系统中。
2.在本例中以采用三相运行，不对称跳闸保护下的IEEE123节点系统作为目标对象，如附图4所示，红色（150、450）的代表源节点，黄色（方形图标）的代表分布式电源，蓝色虚线代表联络线。在配电网正常运行过程中当图中A处的A相线路由于故障原因发生了跳闸，由于采用不对称跳闸保护因此该线路的B，C相线路会在60ms后同时断开，但在此60ms内该线路仍然保持与配电网的连通性，不会造成孤岛效应产生。此时分布式孤岛信息系统接收到A相跳闸信号，由分管该处线路的智能电子终端设备执行孤岛检测的在线部分，由于设备中已经存储有配电网中分布式电源的决定孤岛路径，例如分布式电源24的决定孤岛路径为：150-149-1-7-8-13-18-21-23-24。由于线路断开的位置为13-18，包含在分布式电源的决定孤岛路径数据库当中，因此可实时快速得到检测结果，该处线路断开会导致分布式电源24产生孤岛效应。完成检测的时间为0.000357s，具有很高的实时性。此时离线部分开始执行，利用双向BFS算法对配电网拓扑图进行路径查询，更新分布式孤岛信息系统中的拓扑和数据库信息。
3.当得到检测结果为分布式电源将会产生孤岛效应后，智能电子终端设备继续执行阻止孤岛效应的消岛算法，利用基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法选择合适的联络线，此过程时间为0.000466s，最终结果为13-125联络线被选中。因此分管断线处13-18的智能电子终端设备利用光纤环网通知分管13-125处的智能电子终端设备并约定时间执行同步操作，此过程的通信时延为0.2831ms。因此可以实现当不对称保护的60ms时限到达后，故障处的B,C两相线路按约定时间跳闸断开，与此同时13-125联络线的联络开关也同步闭合，使得分布式电源24与配电网源节点之间形成了：24-23-21-18-135-35-36-38-39-66-65-64-63-62-60-57-54-53-52-152-13-8-7-1-149-150新的连通路径，最终成功阻止了分布式电源24产生孤岛效应，实现了既定的目标。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：采用分布式代理的方式，利用若干智能电子终端设备构建分布式孤岛信息系统，所述的分布式孤岛信息系统用于实时监测控制整个配电网，将配电网中的所有线路以均分的形式分配给各个智能电子终端设备，并存储包括配电网拓扑信息；
S2：利用图搜索算法对配电网拓扑图中每个分布式电源节点与所有源节点之间都进行查询，确定每个分布式电源节点所对应的同级源节点，确定后续检测的路径范围，并得到每一个分布式电源节点所对应的决定孤岛路径数据库；再将其存储至分布式孤岛信息系统中；
S3：采用平行系统的方式将孤岛检测分为离线部分和在线部分进行执行；其中，离线部分使用步骤S2中的方法，来建立配电网拓扑图中每一个分布式电源的决定孤岛路径数据库并存储至分布式孤岛信息系统中；同时当配电网拓扑信息改变时进行系统信息的更新；在线部分当配电网运行时有线路断开，则分管该线路的智能电子终端设备根据步骤S2方法进行实时验证决定孤岛路径数据库来快速获得孤岛检测结果；
S4：得到孤岛检测结果后，由检测的智能电子终端设备执行基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法，在配电网拓扑图中选择合适的联络线；再由该智能电子终端设备通过邻域通信方式告知联络线所在的智能电子终端设备；约定时间通过同步断开故障线路开关和闭合联络线开关的方式，实现当某分布式电源即将产生孤岛效应时，借助联络线使得该分布式电源继续保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
2.根据权利要求1所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：在步骤S1中，各个智能电子终端设备之间构建星型或环形的通信构架，通信方式采用工业以太网或光纤，并采用IEC61850通信协议。
3.根据权利要求2所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：智能电子终端设备用于实现包括对任务目标的保护、测控和计量功能。
4.根据权利要求3所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：在待检测的配电网拓扑图中，分布式电源被视为路径查询中的起点，而配电网的源节点被视为查询的终点。
5.根据权利要求4所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：在步骤S2中，利用双向BFS图搜索算法对配电网中的每一个分布式电源与源节点之间进行路径查询，根据获得的路径与决定孤岛路径的概念，建立配电网中每一个分布式电源所对应的决定孤岛路径数据库；并将配电网相关拓扑信息和决定孤岛路径数据库存储到分布式孤岛信息系统中。
6.根据权利要求5所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：在步骤S2中，由于配电网具有闭环设计开环运行和呈辐射状的结构特征，则配电网拓扑图中每个分布式电源到任意一个连通的源节点之间的可达路径是唯一的；配电网源节点与分布式电源节点之间的连通性决定了孤岛效应是否发生；根据上述孤岛效应形成原理，建立决定孤岛路径数据库的方法为：
将配电网拓扑图中所有分布式电源节点和源节点之间的关系进行以下分类：
1）若分布式电源节点与配电网某一源节点之间没有可达路径，则源节点为该分布式电源节点的无关源节点；
2）若存在可达路径，且路径中仅包含一个源节点，则该源节点称为同级源节点；
3）若包含两个及以上的源节点，则离分布式电源节点最近的为同级源节点，其余的为该分布式电源节点的高级源节点；
根据上述定义，当进行路径查询时，只需获得同级源节点与分布式电源节点之间的可达性关系即可判断孤岛效应是否发生；其中当拓扑图中同级源节点与分布式电源节点之间的可达路径满足路径个数与路径重叠数相等时，该重叠路径就被称为决定孤岛路径；此时重叠路径满足只要该路径中有线路断开，就必然会导致所对应的分布式电源发生孤岛效应。
7.根据权利要求6所述的能够快速检测并阻止分布式电源孤岛效应产生的方法，其特征在于：在步骤S4中，由于配电网采用闭环设计开环运行的方式，因此具有多个联络线；配电网正常运行时，这些联络线开关均保持断开状态来满足拓扑结构辐射状的要求；当配电网某条线路因为故障原因导致出现线路保护动作，此时分布式孤岛信息系统中的智能电子终端设备接收到该信息后，暂缓执行开关跳闸保护操作，迅速执行孤岛检测；若判定该跳闸会导致配电网中有分布式电源产生孤岛效应，则立即执行阻止孤岛效应的消岛方案，即利用基于闭环约束的Dijkstra最短路径查询算法对配电网全闭合拓扑图进行查询，选择能够保证分布式电源连通性的合适联络线，利用分布式孤岛信息系统使分管二者的智能电子终端设备在相同时刻，同步执行故障线路跳闸保护动作与闭合联络线开关动作，使分布式电源仍然与配电网保持连通性，从而阻止了孤岛效应的产生。
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