CN115986702A - 基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法及装置，属于光伏发电领域，基于光伏并网智能微断实现，所述方法包括：A1、实时采集光伏逆变器和电网的参数；A2、光伏发电系统并网逻辑判断；A3、监控逆功率；A4、被动式孤岛判断；所述装置包括信息获取模块、并网逻辑判断模块、逆功率监控模块、被动式孤岛判断模块、相序选择模块和电压自调节模块。本发明将光伏并网智能微断安装在光伏发电系统的并网点，采集电网和光伏发电系统的参数，判断电能质量，及时调节光伏发电系统的输出，满足供电质量要求；在用电环境复杂的农村地区，根据多个影响因子判断孤岛的发生，判据科学合理，减少误判，保证光伏发电系统的正常使用。

Description

基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法及装置

技术领域

本发明属于紧急保护电路领域，涉及光伏发电，具体涉及基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法及装置。

背景技术

目前分布式光伏接入存在的主要问题：

1、孤岛效应。孤岛效应是指电网由于各种原因造成中断供电时，光伏发电系统未能及时脱离电网，仍然向公共电网送电，使光伏发电系统和周围的负载组成了一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。光伏发电系统并网运行时如果处于孤岛状态将会对设备造成损坏，影响电力系统安全正常运行，严重时甚至可能威胁线路检修人员的人身安全。因此，在光伏并网发电系统的应用中必须防止孤岛效应。

2、光伏发电系统的电压不满足入网要求，不经调节入网会减低电网的供电质量与电网的稳定性。

3、对于自发自用的光伏电站，光伏发电不允许流入电网；反之，上网的项目，要防止电网侧向光伏侧反送电，发电侧也需要光伏逆功率保护。

现状：

1、电网检修安全风险增加。目前对于10KV分布式光伏和380/220V分布式光伏及台区防孤岛装置配置并未做强制要求，各地区配置情况差异较大，运维缺失，装置误动作、不动作概率大幅增加，检修过程中极易发生反送电触电事故，严重危及作业人员人身安全。

2、检修工作复杂度提升。当对低压电网进行停电检修或故障停电抢修时，除对台区配电变压器侧进行停电、验电、接地相关保证安全的技术措施外，还需逐一断开接入低压电网的分布式光伏电源并网点的隔离开关，并采取接地、绝缘遮蔽或在断开点加锁、悬挂标示牌等措施防止反送电，增加了抢修时长。

3、光伏设备运维管理缺位。光伏设备均为用户资产，无法纳入电力公司设备的统一管理中，主要由所属单位/个人或第三方公司承担主体运维责任。

4、缺少主动监测预控手段。分布式光伏接入点分散，目前做的较好的地区是在用户侧安装防孤岛装置、闸刀或空气开关等开断设备，不支持远方操作，无法接入统一平台。运维人员处理并网过压等问题时，缺少实时监测、分析和预警控制等手段。存在用户误动作和盲目送电的安全隐患。

以上现状亟需改善，并且在光伏发电系统广泛应用的农村地区，用电环境复杂，使用单一的孤岛判断方式很容易造成误判，进而发生断网，影响光伏发电系统的有效使用。

智能微断是在微型断路器的外型、安装形式和标准体系下，实现异常自动分断保护、正常能通信控制闭合/分断操作，故障检测和主动报警，通信读取电力监测参数/用电量计量度数/开关状态，支持485现场总线联网等。

智能微断广泛应用于企业、校园、路灯控制、智能家居等领域，但在光伏发电系统中未见应用。

发明内容

本发明将智能微断应用在光伏发电系统中，实现并网逻辑判断、孤岛判断保护等功能。

本发明采用的技术方案：基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，基于紧急保护电路装置实现，所述紧急保护电路装置为光伏并网智能微断，所述光伏并网智能微断包括主模块、电源模块和智能断路器模块，所述主模块一端连接电网，另一端通过智能断路器模块连接光伏发电系统的光伏逆变器，所述方法包括：

A1、实时采集光伏逆变器和电网的参数；

A2、光伏发电系统并网逻辑判断；

A3、监控逆功率；

A4、被动式孤岛判断；

所述A2包括：如果满足电网侧有电压、光伏逆变器无电压输出，主模块控制智能断路器模块合闸；

所述A3包括：所述A3包括：对于自发自用且不是余电上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为光伏逆变器侧到电网侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警；

对于全额上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为电网侧到光伏逆变器侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警

所述阈值为1A；

所述A4包括：

对电网侧的采集参数判断以下条件：

条件1：如果频率超出50Hz±Δf，A置1，否则A置0；Δf为频率摆动值，取值范围：0.5Hz到5.5Hz；

条件2：如果5次电压谐波畸变率的变化率超过定值R5或7次电压谐波畸变率的变化率超过定值R7，B置1，否则B置0；R5的取值范围：2-3，R7的取值范围：1-2；

条件3：如果电压与电流间的夹角大于相角摆动值Δa，C置1，否则C置0；Δa的取值范围：1度到60度；

条件4：如果电压超出220V±ΔV，D置1，否则D置0；ΔV为电压摆动值，取值范围：22V到198V；

计算判断条件X：

X= 40% *A+ 20*% B+20%*C+20%*D；

如果X≥0.4且持续时间大于t，主模块控制智能断路器模块跳闸。

本发明还提出了实现上述方法的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控装置，所述装置包括信息获取模块、并网逻辑判断模块、逆功率监控模块和被动式孤岛判断模块，所述信息获取模块完成实时采集光伏逆变器和电网的参数，所述并网逻辑判断模块完成光伏发电系统并网逻辑判断，所述逆功率监控模块完成监控逆功率，所述被动式孤岛判断模块完成被动式孤岛判断。

有益效果：本发明将光伏并网智能微断安装在光伏发电系统的并网点，采集电网和光伏发电系统的参数，判断电能质量，及时调节光伏发电系统的输出，满足供电质量要求；在用电环境复杂的农村地区，根据多个影响因子判断孤岛的发生，判据科学合理，减少误判，保证光伏发电系统的正常使用。

附图说明

图1是光伏并网智能微断的组成图及在并网点的电连接示意图；

图2是主模块与各功能模块的通信连接示意图；

图3是系统结构示意图；

图4是基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控装置的组成示意图。

具体实施方式

基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，基于紧急保护电路装置实现，所述紧急保护电路装置为光伏并网智能微断，所述光伏并网智能微断包括主模块、电源模块和智能断路器模块，主模块完成采样、逻辑判断，智能断路器模块接受主模块指令，执行动作，主模块包括MCU及周边电路。

所述主模块一端连接电网，另一端通过智能断路器模块连接光伏发电系统的光伏逆变器，电连接方式如图1所示。

主模块一端连接电网的A、B、C、N相，另一端通过A、B、C、N连接智能断路器模块，智能断路器模块连接光伏逆变器的A、B、C、N端。

参看图2，主模块与网关机通信连接，通信连接方式为宽带载波HPLC方式或微功率RF方式或宽带载波HPLC＋微功率RF方式，网关机可以是台区智能融合终端、能源控制器或国网I型集中器，也可以是系统平台。

主模块可配置4G/5G模块，直接与系统平台通信。

所述方法包括：

A1、实时采集光伏逆变器和电网的参数。

主模块通过AD采样连接电网的各相，直接采集电网的参数。

主模块通过RS485+电力线方式与智能断路器模块连接，RS485建立通信连接；主模块与光伏逆变器通过RS485连接。

并网点源侧（即光伏逆变器侧）电压电流等参数，主模块可通过以下几种方式获取：

1、主模块通过自身的AD采样直接获取光伏逆变器交流侧的参数，此方式采样速度比较快，能达到ms级，采集的数据是光伏逆变器经过智能断路器模块后的信息。

2、主模块通过RS485与智能断路器模块通信连接，通过智能断路器间接获取光伏逆变器交流侧的参数。

3、主模块通过RS485与光伏逆变器通信连接，通过RS485通信方式从光伏逆变器获取交流和直流侧的参数，此方式采样速度相对慢一些，能达到秒级。

上述获取的参数包括但不限于电网侧和光伏逆变器侧的电压、电流、功率、频率、谐波、电压电流夹角，电能量以及光伏逆变器的孤岛状态。

正常情况下，在电网侧和光伏逆变器侧采集的信息一致。

在上述采集的信息基础上，进行以下判断：

A2、光伏发电系统并网逻辑判断。

如果满足电网侧有电压、光伏逆变器无电压输出，主模块控制智能断路器模块合闸。

逆变器并网的前提条件是，光伏并网智能微断检测到电网侧有电压，此时光伏发电系统不是处于孤岛状态，不会对电网造成影响，且源侧无电压(智能断路器模块没有合闸送电送)，另外，还要保证此时电网侧电压不能超过设定的并网过电压阈值：判断电网侧电压不能小于设定的并网下限阈值，且不能大于设定的并网上限电压阈值，所述并网下限阈值为光伏逆变器额定电压的70%，所述并网上限电压阈值为光伏逆变器额定电压的120%。

在满足上述条件下，主模块控制智能断路器模块合闸送电。

A3、监控逆功率。

对于自发自用的光伏电站，光伏发电是不允许流入电网，当并网点检测到有功率逆向流入时，跳开光伏开关，反之，上网的项目，光伏发电系统不带负载，要防止电网侧向光伏侧反送电，发电侧也需要光伏逆功率保护，具体情况由项目来定。

理想情况下，电流值为0，但在实际应用中，很难保证。

针对上述情况，本实施例中，对于自发自用且不是余电上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为光伏逆变器侧到电网侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警。

对于全额上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为电网侧到光伏逆变器侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警。

所述阈值为1A。

上述两种情况发生后，跳闸后不自动合闸，并上传系统平台报警，由系统平台工作人员确认故障后，手工从系统平台下发合闸命令。

A4、被动式孤岛判断。

本实施例中，被动式孤岛判断包括以下步骤：

1、对电网侧的采集参数判断以下条件：

条件1：如果频率超出50Hz±Δf，A置1，否则A置0；Δf为频率摆动值，默认值为0.5Hz，取值范围：0.5Hz到5.5Hz。

条件2：如果5次电压谐波畸变率的变化率超过定值R5，或者或7次电压谐波畸变率的变化率超过定值R7，B置1，否则B置0；R5的默认值为2.5，取值范围：2-3，R7的默认值为1.5，取值范围：1-2。

条件3：如果电压与电流间的夹角大于相角摆动值Δa，C置1，否则C置0；Δa的默认值为1度，取值范围：1度到60度。

条件4：如果电压超出220V±ΔV，D置1，否则D置0；ΔV为电压摆动值，默认值为22V，取值范围：22V到198V。

以上的条件判断是以单相为例。如果是三相，则三相单独判断，任一相满足上述条件都认为条件成立。

2、计算判断条件X：X= 40% *A+ 20*% B+20%*C+20%*D。

3、进行孤岛判断：如果X>=0.4且持续时间大于t，主模块控制智能断路器模块跳闸。t可根据实际情况设定1-10秒，本实施例中，t=2秒。

有些光伏逆变器可以主动判断孤岛状态，主模块可以通过RS485采集得到光伏逆变器的状态判断遥信。

本实施例中，在判断孤岛时，也参考光伏逆变器的状态判断：

判断条件5：采集光伏逆变器的孤岛状态遥信，如果光伏逆变器以主动防孤岛方式判断为孤岛状态，E置1，否则E置0；

计算判断条件X：

X= 40% *A+ 20*% B+20%*C+20%*D+20%*E；

如果X≥0.4且条件1-条件4持续时间大于t，主模块控制智能断路器模块跳闸；如果光伏逆变器没有将孤岛状态遥信E置1，则产生报警并上报。

如果主模块判定发生孤岛，而逆变器没有判断出来，则发出报警，后台工作人员可得知两者判断结果的差异，为技术的改进提供依据。

另外，如果光伏逆变器以主动防孤岛方式判断为孤岛状态，而主模块判断孤岛不成立，也发出报警，便于技术人员分析两者判断不同的原因。

在广大农村地区，用电环境复杂，采用单一的判断模式容易出现误判，给光伏发电系统的经营者带来损失，影响积极性。

本实施例中，对产生孤岛的多种影响因子进行综合加权判断，减少了误判，提高了准确性。根据统计，单一因素判断的准确性理论上为30%，采用本发明提出的方法，准确率高达90%。

为了保证电网电压的稳定，本发明还提出了A5、光伏发电系统并网时的相序选择。

光伏发电系统在夜间或光照不足时会停止发发电，在恢复光照后，开始发电、并网送电。光伏逆变器有两种类型，一种是三相逆变器，一种是单相逆变器，如图3所示。三相逆变器并网时，直接输出到电网，单相逆变器并网时，需要选择并网相别。由于光伏发电系统的并网，会提高并网相别的电压。

本实施例中，光伏发电系统并网时，执行以下步骤：

步骤A5-1：依据档案判断光伏逆变器是否为单相逆变器，如果是则进入步骤A5-2，否则进入步骤A5-5。

步骤A5-2：主模块计算最近7日内电网侧A、B、C各相尖峰和锋时段的平均电压，判断出最低值，并将最低值对应的相作为并网相别X_NEW，进入步骤A5-3。

在判断电压时，除了满足最低值要求，还要满首先足电压在合理范围内，所述合理范围为额定电压*70% ~额定电压*120% ，如果具有最低平均电压的相不满足电压的合理范围，选择具有合理范围电压的相作为并网相别X_NEW。电压采样的周期在1秒-15分钟，默认为1分钟，选择在用电尖峰和高峰时段的采样值。

步骤A5-3：主模块判断上次并网相别X_OLD与 X_NEW是否一致，如果不一致，则进入步骤A5-4；如果一致则进入步骤A5-5。

如果一致，不需要换相操作。

步骤A5-4：主模块控制智能断路器模块合闸，合闸5秒后，主模块通过RS485通知光伏逆变器离网；如果光伏逆变器离网不成功则重试3次，每次延时5秒，如果三次不成功，则进入步骤A5-6；光伏逆变器离网成功后，延时1秒，主模块通过RS485或者遥控开出量通知切换装置动作，切换并网相别为X_NEW，进入步骤A5-6；

步骤A5-5：主模块控制智能断路器模块合闸，如果为单相逆变器，则进入步骤A5-6，否则结束；

步骤A5-6：主模块通知光伏逆变器并网。

为了提高供电质量，本发明还提出了A6、并网点电压自调节：

如果逆变器并网点电压（光伏逆变器的电压输出）超过阈值Vmax，根据光伏逆变器的剩余容量，在功率因数不小于0.75的条件下，主模块每隔T秒步进控制光伏逆变器增加无功功率。

如果光伏发电系统的无功达到最大值，主模块每隔T秒步进控制光伏逆变器调小有功功率。

所述步进值为光伏逆变器最大功率的10%；调节周期T可依据光伏逆变器的反应速度而设定，从1秒-60秒。

本发明还提出了基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控装置的实施例，参看图4，所述装置设置在光伏并网智能微断的主模块中，包括信息获取模块、并网逻辑判断模块、逆功率监控模块、被动式孤岛判断模块、相序选择模块和电压自调节模块，用来实现基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法。

信息获取模块完成A1、实时采集光伏逆变器和电网的参数，其他模块根据信息获取模块获得的参数完成保护和监控：并网逻辑判断模块完成A2、光伏发电系统并网逻辑判断，逆功率监控模块完成A3、监控逆功率，被动式孤岛判断模块完成A4、被动式孤岛判断，相序选择模块完成A5、光伏发电系统并网时的相序选择，电压自调节模块完成A6、并网点电压自调节。

Claims (10)

1.基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，基于紧急保护电路装置实现，所述紧急保护电路装置为光伏并网智能微断，所述光伏并网智能微断包括主模块、电源模块和智能断路器模块，所述主模块一端连接电网，另一端通过智能断路器模块连接光伏发电系统的光伏逆变器，其特征在于，所述方法包括：

A1、实时采集光伏逆变器和电网的参数；

A2、光伏发电系统并网逻辑判断；

A3、监控逆功率；

A4、被动式孤岛判断；

所述A2包括：如果满足电网侧有电压、光伏逆变器无电压输出，主模块控制智能断路器模块合闸；

所述A3包括：对于自发自用且不是余电上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为光伏逆变器侧到电网侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警；

对于全额上网的光伏发电系统，当监视到电流的方向为电网侧到光伏逆变器侧且电流值超过阈值时，主模块控制智能断路器模块跳闸并报警；

所述阈值为1A；

所述A4包括：

对电网侧的采集参数判断以下条件：

条件1：如果频率超出50Hz±Δf，A置1，否则A置0；Δf为频率摆动值，取值范围：0.5Hz到5.5Hz；

条件2：如果5次电压谐波畸变率的变化率超过定值R5或7次电压谐波畸变率的变化率超过定值R7，B置1，否则B置0；R5的取值范围：2-3，R7的取值范围：1-2；

条件3：如果电压与电流间的夹角大于相角摆动值Δa，C置1，否则C置0；Δa的取值范围：1度到60度；

条件4：如果电压超出220V±ΔV，D置1，否则D置0；ΔV为电压摆动值，取值范围：22V到198V；

计算判断条件X：

X= 40% *A+ 20*% B+20%*C+20%*D；

如果X≥0.4且持续时间大于t，主模块控制智能断路器模块跳闸。

2.根据权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述A4中还包括：

判断条件5：采集光伏逆变器的孤岛状态遥信，如果光伏逆变器以主动防孤岛方式判断为孤岛状态，E置1，否则E置0；

计算判断条件X：X= 40% *A+ 20*% B+20%*C+20%*D+20%*E；

如果X≥0.4且条件1-条件4持续时间大于t，主模块控制智能断路器模块跳闸；如果光伏逆变器没有将孤岛状态遥信E置1，则产生报警并上报。

3.根据权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述方法还包括：

A5、光伏发电系统并网时的相序选择，包括以下步骤：

步骤A5-1：依据档案判断光伏逆变器是否为单相逆变器，如果是则进入步骤A5-2，否则进入步骤A5-5；

步骤A5-2：主模块计算最近7日内电网侧A、B、C各相尖峰和锋时段的平均电压，判断出最低值，并将最低值对应的相作为并网相别X_NEW，进入步骤A5-3；步骤A5-3：主模块判断上次并网相别X_OLD 与 X_NEW是否一致，如果不一致，则进入步骤A5-4；如果一致则进入步骤A5-5；

步骤A5-4：主模块控制智能断路器模块合闸，合闸5秒后，主模块通知光伏逆变器离网；如果光伏逆变器离网不成功则重试3次，每次延时5秒，如果三次不成功，则进入步骤A5-6；光伏逆变器离网成功后，延时1秒，主模块通知切换装置动作，切换并网相别为X_NEW，进入步骤A5-6；

步骤A5-5：主模块控制智能断路器模块合闸，如果为单相逆变器，则进入步骤A5-6，否则结束；

步骤A5-6：主模块通知光伏逆变器并网。

4.根据权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述方法还包括：

A6、并网点电压自调节：

如果光伏逆变器的电压输出超过阈值Vmax，根据光伏逆变器的剩余容量，在功率因数不小于0.75的条件下，主模块每隔T秒步进控制光伏逆变器增加无功功率；

如果光伏发电系统的无功达到最大值，主模块每隔T秒步进控制光伏逆变器调小有功功率；

所述Vmax为光伏逆变器额定电压的1.2倍，所述步进值为光伏逆变器最大功率的10%，调节周期T的取值范围：1秒-60秒。

5.根据权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，

所述A2还包括：判断电网侧电压不能小于设定的并网下限阈值，且不能大于设定的并网上限电压阈值，所述并网下限阈值为光伏逆变器额定电压的70%，所述并网上限电压阈值为光伏逆变器额定电压的120%。

6.根据权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述光伏并网智能微断与网关机通信连接，通信连接方式为宽带载波HPLC方式或微功率RF方式或宽带载波HPLC＋微功率RF方式；所述主模块通过RS485加电力线方式与智能断路器模块连接，所述主模块与光伏逆变器通过RS485连接。

7.根据权利要求6所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述A1中，主模块通过自身的AD采样获取光伏逆变器交流侧的参数。

8.根据权利要求6所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述A1中，主模块与智能断路器模块通信获取光伏逆变器交流侧的参数，或者主模块通过与光伏逆变器通信获取光伏逆变器交流侧和直流侧的参数。

9.基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控装置，实现权利要求1所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述装置包括信息获取模块、并网逻辑判断模块、逆功率监控模块和被动式孤岛判断模块，所述信息获取模块完成实时采集光伏逆变器和电网的参数，所述并网逻辑判断模块完成光伏发电系统并网逻辑判断，所述逆功率监控模块完成监控逆功率，所述被动式孤岛判断模块完成被动式孤岛判断。

10.根据权利要求9所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控装置，实现权利要求1-8任一所述的基于分布式能源并网点多因子影响的保护监控方法，其特征在于，所述装置还包括相序选择模块和电压自调节模块，所述相序选择模块完成光伏发电系统并网时的相序选择，所述电压自调节模块完成并网点电压自调节。

Images