基于光伏并網(wǎng)點孤島保護監(jiān)控運維平臺的研究

董恩智，王研，常少聰，張靖晗，賈春賀

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

隨著國家政策的大力推動，光伏發(fā)電呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢，改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)從電源端到負(fù)荷端的單向潮流供電模式。從光伏并網(wǎng)點的電壓、線路流向、線路電流、電能質(zhì)量、繼電保護以及網(wǎng)絡(luò)可靠性等都產(chǎn)生了重大影響,尤其是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生孤島故障時，由于該區(qū)域的電網(wǎng)不受電網(wǎng)系統(tǒng)控制，對整個系統(tǒng)和用戶設(shè)備的安全造成很大的威脅。例如，對電力維修人員生命安全造成威脅、影響配電系統(tǒng)上的保護開關(guān)動作、對用電設(shè)備帶來破壞等。

基于光伏系統(tǒng)對人員及配電網(wǎng)絡(luò)的影響，且并網(wǎng)點數(shù)量龐大、地理位置分散，致使監(jiān)控運維非常困難。監(jiān)控運維平臺通過研究并網(wǎng)集群測控技術(shù)，解決了海量光伏數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲問題。通過研究互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，為運維人員提供了方便快捷的監(jiān)控運維手段。

1 監(jiān)控運維平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 孤島保護概述

孤島故障：在電網(wǎng)遭遇天氣變化、線路短路的情況下，整個電網(wǎng)系統(tǒng)停電，但是部分區(qū)域因為不受電網(wǎng)系統(tǒng)控制而出現(xiàn)局域供電的現(xiàn)象。

孤島故障帶來的問題：孤島運行不受電網(wǎng)控制，電網(wǎng)恢復(fù)運行時，孤島區(qū)域的電壓瞬間超額，致使用電設(shè)備損壞，甚至影響到維修人員的安全。

孤島故障的檢測方法：主要分為主動檢測法和被動檢測法。其中主動檢測法包括AFD檢測法、SMS檢測法、ACD檢測法、FJ檢測法等。被動檢測法包括過壓和過頻檢測法、欠壓和欠頻檢測法、電壓諧波檢測法、PJD檢測法等。下面對幾種方法進行簡要介紹。

1.2 主動式孤島檢測方法

（1）頻率偏移檢測法(AFD)：是通過輸出頻率失真的電流沖擊電壓和電流的保護界限值，使孤島區(qū)域的電網(wǎng)不能正常運行，出現(xiàn)反孤島效應(yīng)。

（2）滑模頻漂檢測法(SMS)：是將輸出的電流與電網(wǎng)之間的電壓拉開差距，以使得電網(wǎng)在發(fā)生故障時，能夠通過電壓的頻率判斷出孤島現(xiàn)象的區(qū)域。這種方法操作簡單，成本較低，但當(dāng)用電設(shè)備數(shù)量較多時，很容易失效。

（3）周期電流干擾檢測法（ACD）：是在電網(wǎng)正常運行時，改變輸出電流，觀察電壓的變化。當(dāng)電網(wǎng)斷電時，輸出電壓取決于負(fù)載，當(dāng)?shù)搅烁淖冸娏鞯奈恢茫妷汉碗娏鞫及l(fā)生變化。電網(wǎng)欠電壓時即可得到檢測結(jié)果。

（4）頻率突變檢測法(FJ)：是在AFD基礎(chǔ)上進行變動，通過將電流波形輸入死區(qū)， 頻率設(shè)定為振動模式，觀察逆變器的電壓頻率是否和預(yù)先設(shè)定好的頻率相同來判斷孤島現(xiàn)象。這種方法在逆變器較少時，能夠有效防止孤島現(xiàn)象，但是逆變器較多時，檢測方法的有效性會降低。

1.2.1 被動式孤島檢測方法

此方法是根據(jù)發(fā)生故障時，對電網(wǎng)逆變器的電流指標(biāo)進行判斷，是否發(fā)生了孤島故障。

（1）過/欠壓和過/欠頻檢測法：這種方法是指一旦電網(wǎng)中的電壓的幅值和頻率出現(xiàn)異常，就將逆變器停止運行，這種方法雖然成本較低，但是非檢測區(qū)的范圍較廣，效率不高，存在局限性。

（2）電壓諧波檢測法：電壓諧波檢測法則是通過觀察電壓的諧波失真度來檢測孤島故障。但是由于許多不確定性因素，這一方法實施起來難度較高。

（3）電壓相位突變檢測法(PJD)：電壓相位突變檢測法（PJD）是根據(jù)光伏發(fā)電網(wǎng)的電流電壓的變化來檢測孤島現(xiàn)象。這種方法容易實現(xiàn)，操作簡單，但在負(fù)載阻抗角極小時，用電設(shè)備呈阻性，這種方法就不再適用。

1.2.2 其他方法

除了較為常見的幾種方法，網(wǎng)側(cè)阻抗插值法也是孤島故障檢測方法的一種，這種方法是在電網(wǎng)的終端加入一個較大的電阻，使孤島區(qū)域的電壓電流發(fā)生變化，不能正常運行。另一種是故障信號控制法，即一旦發(fā)生故障，電網(wǎng)發(fā)出故障信號，以切斷分布式能源系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接。

孤島檢測被動法中存在的技術(shù)問題。在孤島檢測被動法中面對的技術(shù)問題是：利用采集到的電壓頻率基本電氣量進行過壓、低壓、過頻、低頻孤島的判定，這種判定方法由于負(fù)載種類不同和負(fù)載變化，可能躲過判定條件，形成檢測盲區(qū)。被動檢測法中的諧波檢測法，傳統(tǒng)的快速傅里葉變換算法不能準(zhǔn)確的判斷諧波發(fā)生的時刻、持續(xù)的時間，由于諧波含量很小，計算準(zhǔn)確度低，閾值設(shè)定無法很精確，單獨使用快速傅里葉變換有可能因為突變的時間過短，快速傅里葉變換的積分作用，使計算突變的時間不準(zhǔn)確，諧波含量計算有積分誤差，判決門檻的不靈活，導(dǎo)致進入孤島的檢測盲區(qū)。

1.3 監(jiān)控運維平臺

各光伏電站的并網(wǎng)點保護測控設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊方式，即插即用與光伏并網(wǎng)點孤島保護監(jiān)控運維平臺建立起通信通道，并實時發(fā)送并網(wǎng)點的運行數(shù)據(jù)（功率、電壓、電流）等，并網(wǎng)點保護測控設(shè)備同時接收監(jiān)控運維平臺下發(fā)的控制命令（斷網(wǎng)控制命令等），實現(xiàn)了電站遠(yuǎn)程控制。將孤島保護與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，大大加快了孤島故障的預(yù)警及時性，也方便了人們的生活。

光伏并網(wǎng)點孤島保護監(jiān)控運維平臺通過建立云數(shù)據(jù)中心，采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，實現(xiàn)了光伏電站并網(wǎng)點的零維護接入, 從而實現(xiàn)了光伏電站的在線狀態(tài)監(jiān)測與控制；通過對綜合數(shù)據(jù)進行分析評估，深入數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)了智能分析告警，保證光伏電站安全、平穩(wěn)的并/離網(wǎng)運行；平臺監(jiān)測信息均通過互聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)布，用戶可通過電腦/手機等隨時隨地關(guān)注電站的運行狀況。

2 服務(wù)集群技術(shù)

監(jiān)控運維平臺需要同時接入?yún)^(qū)域內(nèi)所有光伏電站的并網(wǎng)點保護測控設(shè)備，自動采集電站并網(wǎng)點的信息，實現(xiàn)電站信息的分析處理，因此一臺服務(wù)器節(jié)點已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求，并且監(jiān)控運維平臺的建設(shè)是需要逐步推進來完成，隨著光伏電站數(shù)量的增長而逐步增長。結(jié)合以上應(yīng)用需求，監(jiān)控運維平臺很有必要采用集群技術(shù)，通過利用一組相互獨立、高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的服務(wù)器節(jié)點來共同完成各種任務(wù)，這樣就可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要逐漸增加服務(wù)器節(jié)點，來滿足日益增長的信息需求，從而有效的降低系統(tǒng)平臺成本。

如圖1所示，采用了采集服務(wù)集群的各采集服務(wù)器功能完全對等，每臺采集服務(wù)器均與成千上萬臺并網(wǎng)點保護測控設(shè)備進行24小時不間斷通訊，某臺采集服務(wù)器節(jié)點實效后，通過采用負(fù)載均衡技術(shù)使通訊功能自動切換到其它采集服務(wù)器上，提高了系統(tǒng)的高效性和可擴展性。

數(shù)據(jù)的起始字符采用了電力系統(tǒng)常用的十六進制字符68H,數(shù)據(jù)包長度Len表示整個數(shù)據(jù)包的長度大小，電站編碼ID表示各電站并網(wǎng)點的唯一編碼，驗證密鑰Key表示本數(shù)據(jù)包的驗證密鑰,用于驗證本數(shù)據(jù)包的正確性，用戶數(shù)據(jù)Data表示本數(shù)據(jù)包傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)項可以根據(jù)實際需要自由定義，檢驗字符CS表示除本字符之外的數(shù)據(jù)包的所有字符的邏輯運算。

圖1 光伏并網(wǎng)點孤島保護監(jiān)控運維平臺

3 結(jié)語

本文簡要描述了光伏電網(wǎng)的孤島故障問題，并列舉了相應(yīng)的檢測方法，在此基礎(chǔ)上將孤島檢測方法和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的光伏并網(wǎng)點孤島保護的監(jiān)控運維平臺，系統(tǒng)通過基于并網(wǎng)點保護測控設(shè)備的GPRS網(wǎng)絡(luò)對光伏并網(wǎng)點進行監(jiān)控，經(jīng)過實踐證明，通過采用集群技術(shù)，提高了系統(tǒng)的并行計算能力，使不同硬件產(chǎn)品可以在同一平臺下運行，提高了硬件資源的利用率，通過任務(wù)的動態(tài)分配，保證了服務(wù)器故障不影響系統(tǒng)運行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過采用互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)布手段，充分實現(xiàn)了海量光伏電站的監(jiān)視與控制，大大提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運維水平。

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