防止分布式光伏10 kV并網(wǎng)點倒送電安措技術(shù)研究

張穎璐 ，諸葛萱 ，石 浩，陳新崛

(1.常州供電公司，江蘇常州213003；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，不僅能夠有效地提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題[1，2]。2014年12月，國家能源局發(fā)布了三項與光伏建設(shè)相關(guān)的文件，具體為《國家能源局關(guān)于推進分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)建設(shè)的通知》、《國家能源局綜合司關(guān)于做好太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃編制工作的通知》、《國家能源局綜合司關(guān)于做好2014年光伏發(fā)電項目接網(wǎng)工作的通知》，要求做好光伏發(fā)電項目接網(wǎng)工作、推進分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)建設(shè)、做好太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃編制工作。2013年，常州供電公司實現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)容量10.4MW，并網(wǎng)點82個；截至2014年11月份并網(wǎng)容量276MW，并網(wǎng)點達297個。

目前，采用10 kV并網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電數(shù)量多，部分光伏發(fā)電采用多點接入，且大多未納入電力調(diào)度部門的實時監(jiān)控，在配電設(shè)備檢修時，存在倒送電引發(fā)檢修安全可能。目前，分布式光伏并網(wǎng)開關(guān)采用常規(guī)開關(guān)設(shè)備，缺乏有效的保護檢測環(huán)節(jié)，防“孤島”及“檢有壓合閘”等功能主要由并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)，配電網(wǎng)側(cè)缺乏保護措施[3-5]。因此有必要開展光伏電站10 kV并網(wǎng)點倒送電反措技術(shù)研究，解決光伏倒送電可能產(chǎn)生的檢修人員人身安全隱患，提升分布式光伏運行安全水平。

1 光伏并網(wǎng)點倒送電解決方案

1.1 解決思路

針對分布式光伏并網(wǎng)可能出現(xiàn)的倒送電問題，提出一種在10 kV并網(wǎng)開關(guān)處電網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)合閘閉鎖的反孤島技術(shù)措施，并研發(fā)一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備在配電網(wǎng)停電后及時切斷分布式光伏電站與配電網(wǎng)之間的連接，并進行合閘閉鎖控制，重新啟動分布式光伏發(fā)電站需要配電網(wǎng)側(cè)直接解鎖或者授權(quán)于用戶側(cè)對合閘閉鎖觸點進行解鎖，能夠有效防止配網(wǎng)檢修時分布式光伏倒送電可能引發(fā)人員傷亡或設(shè)備損壞等事故，確保檢查人員安全和設(shè)備穩(wěn)定可靠地運行。

1.2 系統(tǒng)功能

本文提出并研發(fā)的適用于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)，具備在配電網(wǎng)停電后及時切斷分布式光伏電站與配電網(wǎng)之間的連接，并進行合閘閉鎖控制功能；重新啟動分布式光伏發(fā)電站時，需要配電網(wǎng)側(cè)直接解鎖或者授權(quán)于用戶側(cè)對合閘閉鎖觸點進行解鎖。系統(tǒng)主要功能：（1）系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有良好的易用性，將繁瑣復(fù)雜的通信過程用通俗易讀、符合習(xí)慣的方式進行展示，測試診斷以及操作控制過程中的關(guān)鍵信息應(yīng)給予清晰的解釋；（2）利用合閘線圈、分閘線圈、觸點等常用元器件設(shè)計成簡單巧妙的合閘、分閘控制回路，達到對分布式光伏發(fā)電站的合閘、分閘可靠控制；（3）用戶側(cè)對分閘、合閘操作，可由手動或按鍵輸入等方式操作，指令也可通過服務(wù)器遠程傳輸給微處理器，并通過微處理器接受并控制相應(yīng)的觸點、線圈；（4）在服務(wù)器、微處理器和客戶端通訊中斷后再次建立聯(lián)系時，微處理器實時將開關(guān)柜內(nèi)的監(jiān)測狀態(tài)同步至服務(wù)器和客戶端，保證了狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 并網(wǎng)開關(guān)柜改造

為盡量減少對并網(wǎng)開關(guān)柜本體及面板的改動，提高該安措技術(shù)的廣泛適用性[6]，考慮對開關(guān)柜的分合閘控制回路進行改造，如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜分合閘控制回路示意圖

改造方案：第一常開觸點HJ1與第一常閉觸點FJ2串聯(lián)后分別與遙控合閘觸點K1和手動合閘按鈕AH并聯(lián)，并且一端接第一電源端KM+，合閘閉鎖觸點BS與第三常開觸點FJ1串聯(lián)后并聯(lián)在第二常開觸點HJ2的兩端，并且一端與第一常閉觸點FJ2、手動合閘按鈕AH和遙控合閘觸點K1的另外一端連接，合閘線圈HJ的線圈兩端分別與第二常開觸點HJ2和第三常開觸點FJ1的另外一端和第二電源端KM-連接，從而形成合閘控制回路；第二常閉觸點HJ3分別與遙控分閘觸點K2和手動分閘按鈕AF并聯(lián)后一端接第一電源端KM+，另外一端與分閘線圈FJ線圈一端連接，分閘線圈FJ線圈另一端接第二電源端KM-，從而形成分閘控制回路；第一電源端KM+、合閘提示燈HD、第四常開觸點HJ4和第二電源端KM-依次串聯(lián)形成合閘提示回路，第一電源端KM+、分閘提示燈LD、第五常開觸點FJ3和第二電源端KM-依次串聯(lián)形成分閘提示回路。

常閉接點BS，用于對光伏電站處于“孤島”運行狀態(tài)下閉鎖并網(wǎng)開關(guān)合閘操作，即不允許并網(wǎng)開關(guān)合閘。

2.2 控制箱的設(shè)計

2.2.1微處理器

控制箱內(nèi)設(shè)置有內(nèi)置系統(tǒng)程序的微處理器，對合閘閉鎖觸點BS的閉合操作進行了加密，在同時獲得操作口令和合閘解鎖指令時控制合閘閉鎖觸點BS失電閉合，如此合閘閉鎖觸點BS的閉合控制權(quán)完全掌握在配電網(wǎng)側(cè)，用戶的解鎖意圖受到了限制，進一步確保了在配電網(wǎng)停電時光伏發(fā)電站始終處于分閘狀態(tài)，杜絕了因為用戶側(cè)的誤操作或誤判而進行合閘動作，造成電流倒送至檢修線路，嚴(yán)重威脅檢修人員的生命安全的情況，操作口令的形式有很多種，例如隨機密碼，利用隨機密碼在增加可靠性的同時提高了控制合閘閉鎖觸點BS的靈活性，當(dāng)配電網(wǎng)側(cè)的工作人員無法進行合閘解鎖操作時只要將掌握的隨機密碼告知用戶，授權(quán)用戶進行合閘解鎖操作，微處理器與合閘控制回路、分閘控制回路和分閘提示回路連接，微處理器具有：（1）合閘輸入端。連接遙控合閘觸點K1，微處理器接收合閘指令，控制遙控合閘觸點K1閉合；（2）分閘輸入端。連接遙控分閘觸點K2，微處理器接收分閘指令，控制遙控分閘觸點K2閉合；（3）合閘閉鎖輸入端。連接合閘閉鎖觸點BS，微處理器接收合閘閉鎖指令或合閘解鎖指令，控制合閘閉鎖觸點BS斷開或閉合。

2.2.2顯示模塊與按鍵電路的設(shè)置

為方便用戶對合閘控制回路、分閘控制回路、分閘提示回路和合閘閉鎖觸點BS的實時狀態(tài)的掌握以及對它們進行操作，微處理器還連接有：（1）顯示模塊。顯示合閘控制回路、分閘控制回路、分閘提示回路和合閘閉鎖觸點BS的實時狀態(tài)，顯示合閘、分閘和合閘閉鎖的操作界面，在進行合閘操作時，顯示操作口令輸入界面；（2）按鍵電路。用于在合閘控制回路、分閘控制回路、分閘提示回路、合閘閉鎖觸點BS的實時狀態(tài)的顯示界面、合閘、分閘和合閘閉鎖的操作界面之間進行切換操作，和將合閘、分閘、合閘解鎖和合閘閉鎖指令鍵入到微處理器中，在進行合閘解鎖操作時，用于向微處理器輸入操作口令。

2.2.3模塊設(shè)置

微處理器連接USB通訊模塊，用于在微處理器中錄入或者更新系統(tǒng)程序，根據(jù)具體的使用情況，及時調(diào)整修改系統(tǒng)程序，提高裝置的性能和穩(wěn)定性。微處理器連接GPRS通訊模塊，用于遠程獲取合閘、分閘、合閘解鎖、合閘閉鎖指令和操作口令，并將合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)發(fā)出，GPSR網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，相關(guān)配套設(shè)備技術(shù)成熟，使用率高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，也便于實施和設(shè)置，當(dāng)然也不局限于GPRS網(wǎng)絡(luò)，只要能達到遠程傳輸?shù)哪康?，均可用于此，例如W iFi無線網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)中常用的W IA無線網(wǎng)絡(luò)。微處理器連接用于供電的不間斷電源。

2.3 服務(wù)器與客戶端的設(shè)計

服務(wù)器和與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)客戶端，服務(wù)器與微處理器遠程通訊，客戶端內(nèi)置控制軟件，用于通過訪問服務(wù)器將合閘、分閘、合閘解鎖、合閘閉鎖指令和操作口令遠程傳輸于微處理器以及獲取合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)并顯示。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)控制步驟及方法

基于本文研發(fā)的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)，且可以通過手動/遠程分合閘方式來解決分布式光伏發(fā)電的倒送電問題，進而可以提升分布式光伏檢修安全。

3.1 分閘操作

3.1.1用戶側(cè)通過手動分閘按鈕進行分閘操作

（1）按下手動分閘按鈕后松開，分閘線圈FJ的線圈得電進行分閘動作，第一常閉觸點FJ1斷開，從而使合閘控制回路斷開，合閘線圈HJ的線圈失電，第一常開觸點HJ1、第二常開觸點HJ2均斷開，合閘控制回路斷電，第二常閉觸點HJ2閉合，分閘線圈FJ的線圈持續(xù)得電，第四常開觸點HJ4斷開，合閘提示燈HD熄滅，第五常開觸點FJ3閉合，分閘提示燈LD亮起；

（2）微處理器將分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)在顯示模塊上實時顯示，如果合閘閉鎖觸點BS仍然處于閉合狀態(tài)，則通過按鍵電路輸入合閘閉鎖指令，微處理器接到合閘閉鎖指令后控制合閘閉鎖觸點BS得電斷開，成功合閘閉鎖時按鍵電路無法輸入合閘閉鎖指令；

（3）微處理器通過GPRS通訊模塊將分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)遠程傳輸給服務(wù)器，客戶端訪問服務(wù)器來獲得分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)，如合閘閉鎖觸點BS仍處于閉合狀態(tài)，客戶端將合閘閉鎖指令通過服務(wù)器遠程傳輸給微處理器，微處理器控制合閘閉鎖觸點BS得電斷開，成功合閘閉鎖時客戶端無法輸入合閘閉鎖指令。

3.1.2用戶側(cè)通過按鍵電路進行分閘操作

（1）處于合閘狀態(tài)時，無法通過按鍵電路鍵入合閘指令、合閘閉鎖指令和進行合閘解鎖操作，根據(jù)分閘和合閘閉鎖的操作界面，通過按鍵電路向微處理器鍵入分閘指令，微處理器控制遙控分閘觸點K2短暫閉合后斷開，成功分閘后按鍵電路再輸入合閘閉鎖指令，微處理器控制合閘閉鎖觸點BS得電斷開，成功合閘閉鎖后按鍵電路無法再次輸入合閘閉鎖指令，分閘線圈FJ的線圈得電進行分閘動作，第一常閉觸點FJ1斷開，從而使合閘控制回路斷開，合閘線圈HJ的線圈失電，第一常開觸點HJ1、第二常開觸點HJ2均斷開，合閘控制回路斷電，第二常閉觸點HJ2閉合，分閘線圈FJ的線圈持續(xù)得電，第四常開觸點HJ4斷開，合閘提示燈HD熄滅，第五常開觸點FJ3閉合，分閘提示燈LD亮起。

（2）與用戶側(cè)通過手動分閘按鈕進行分閘操作的第（3）步一樣。

3.1.3遠程分閘操作

處于合閘狀態(tài)時，客戶端無法輸入合閘指令、合閘閉鎖指令和合閘解鎖指令，客戶端將分閘指令通過服務(wù)器遠程傳輸給微處理器，微處理器通過GPRS通訊模塊接收并控制遙控分閘觸點K2短暫閉合后斷開，成功分閘后客戶端再將合閘閉鎖指令傳輸給微處理器，合閘閉鎖觸點BS得電斷開，成功合閘閉鎖后客戶端無法再次輸入合閘閉鎖指令，分閘線圈FJ的線圈得電進行分閘動作，第一常閉觸點FJ1斷開，從而使合閘控制回路斷電，合閘線圈HJ的線圈失電，第一常開觸點HJ1、第二常開觸點HJ2均斷開，合閘控制回路斷電，第二常閉觸點HJ2閉合，分閘線圈FJ的線圈持續(xù)得電，第四常開觸點HJ4斷開，合閘提示燈HD熄滅，第五常開觸點FJ3閉合，分閘提示燈LD亮起。

3.2 合閘操作

3.2.1用戶側(cè)通過按鍵電路進行合閘操作

（1）處于分閘狀態(tài)時，無法通過按鍵電路鍵入分閘指令，用戶獲取操作口令后，顯示模塊彈出操作口令輸入界面，根據(jù)操作口令輸入界面通過按鍵電路輸入操作口令進行解鎖,微處理器控制合閘閉鎖觸點BS失電閉合，成功解鎖后按鍵電路無法再次進行合閘解鎖操作。

（2）通過按鍵電路鍵入合閘指令，微處理器控制遙控合閘觸點K1閉合后斷開，或者按下手動合閘按鈕AH后松開,第三常開觸點FJ1處于閉合狀態(tài)，合閘控制回路導(dǎo)通，合閘線圈HJ的線圈得電進行合閘動作，第二常閉觸點HJ3斷開，分閘線圈FJ的線圈失電，第一常閉觸點FJ2閉合，第一常開觸點HJ1和第二常開觸點HJ2閉合并自保持，使合閘控制回路持續(xù)導(dǎo)通，而合閘提示燈HD亮起，分閘提示燈LD熄滅。

3.2.2遠程合閘操作

處于分閘狀態(tài)時，客戶端無法輸入分閘指令，客戶端上彈出操作口令輸入對話框，用戶將操作口令輸入客戶端，客戶端將操作口令、合閘解鎖指令和合閘指令通過服務(wù)器遠程傳輸給微處理器，微處理器接收并控制合閘閉鎖觸點BS失電閉合以及遙控合閘觸點K1短暫閉合后斷開，成功解鎖后客戶端無法再次進行合閘解鎖操作，第三常開觸點FJ1處于閉合狀態(tài)，合閘控制回路導(dǎo)通，合閘線圈HJ的線圈得電進行合閘動作，第二常閉觸點HJ3斷開，分閘線圈FJ的線圈失電，第一常閉觸點FJ2閉合，第一常開觸點HJ1和第二常開觸點HJ2閉合并自保持，使合閘控制回路持續(xù)導(dǎo)通，而合閘提示燈HD亮起，分閘提示燈LD熄滅。

在分合閘操作過程中，服務(wù)器與微處理器和/或客戶端之間通訊中斷后在此建立連接時，微處理器立即將合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器實時將合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)和合閘閉鎖狀態(tài)同步至客戶端。

4 現(xiàn)場安裝案例

常州天成鋼管廠10 kV光伏系統(tǒng)于2014年7月13日并網(wǎng)投運，該系統(tǒng)配置光伏并網(wǎng)發(fā)電的電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)。為驗證開關(guān)柜分合閘系統(tǒng)有效性，開展了現(xiàn)場試驗工作，主要試驗設(shè)備包括：待測開關(guān)柜、測試臺、筆記本電腦（內(nèi)裝監(jiān)控后臺軟件）、GPRS串口卡、并網(wǎng)控制器等，通過測試開關(guān)柜的手動分合閘回路，結(jié)果表明開關(guān)柜能有效分合閘。

分布式光伏并網(wǎng)反孤島系統(tǒng)通過并網(wǎng)控制器接收監(jiān)控后臺通過GPRS無線方式傳輸過來的控制命令，控制串入開關(guān)合閘回路中的閉鎖節(jié)點，實現(xiàn)反孤島功能。在常州天成鋼管廠10 kV光伏并網(wǎng)反孤島現(xiàn)場試驗中，通過后臺下發(fā)控制命令。系統(tǒng)工作流程為：

（1） 10∶54∶39 下發(fā)分閘指令；

（2） 10∶54∶44 發(fā)送分閘指令成功（控制器接收到后臺發(fā)送的分閘指令）；

（3） 10∶54∶54 分閘成功（后臺收到控制器上傳的開關(guān)分閘成功的狀態(tài)信息，現(xiàn)場開關(guān)在44～54 s分閘）；

（4） 10∶55∶01 下發(fā)合閘閉鎖指令；

（5） 10∶55∶05 發(fā)送合閘閉鎖指令成功；

（6） 10∶55∶11 合閘閉鎖成功（后臺收到控制器上傳的開關(guān)合閘回路閉鎖成功的狀態(tài)信息，此時按下開關(guān)柜的合閘按鈕，開關(guān)無法合閘）；

（7） 10∶55∶19 下發(fā)合閘解鎖指令；

（8） 10∶55∶24 發(fā)送合閘解鎖指令成功；

（9） 10∶55∶46 合閘解鎖成功（后臺收到控制器上傳的開關(guān)合閘回路解鎖成功的狀態(tài)信息，此時按下開關(guān)柜的合閘按鈕，開關(guān)順利合閘）。

2014年7月13日天成鋼管廠10 kV光伏并網(wǎng)點倒送電安措系統(tǒng)現(xiàn)場測試和試運行正常，上述結(jié)果表明本文所提分布式光伏電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)及其控制方法的有效性。

5 結(jié)束語

本文提出一種用于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的電網(wǎng)側(cè)反孤島系統(tǒng)及其控制方法，利用合閘線圈、分閘線圈、觸點等常用元器件設(shè)計成簡單巧妙的合閘、分閘控制回路，達到對分布式光伏發(fā)電站的合閘、分閘可靠控制在配電網(wǎng)停電后，光伏并網(wǎng)開關(guān)原則上應(yīng)拉開，電網(wǎng)側(cè)工作人員可以及時通過客戶端遠程閉鎖合閘控制回路，防止并網(wǎng)開關(guān)再次合閘切斷分布式光伏電站與配電網(wǎng)之間的連接，確保不會有電流倒送至停電線路中，保證了檢修人員的安全。更重要的是由于合閘閉鎖觸點的存在，用戶側(cè)如要進行合閘，必須得到配電網(wǎng)側(cè)工作人員的授權(quán)才能對合閘閉鎖觸點進行解鎖，這樣使得在配電網(wǎng)重新供電之前，合閘控制完全由配電網(wǎng)工作人員掌控，防止用戶側(cè)的誤操作，分閘狀態(tài)得到可靠維持，從而進一步保證電流不會倒送至檢修線路。

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