含分布式电源的配电网保护与控制实验平台的开发

仉志华， 薛永端， 冯兴田， 康忠健

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

含分布式电源的配电网保护与控制实验平台的开发

仉志华， 薛永端， 冯兴田， 康忠健

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

本文介绍了一种含分布式电源的配电网保护与控制实验平台实现方法，分析了一次与二次系统实现架构，并以孤岛保护功能实现为例，分析了实验设计思路，实践效果良好。

电气工程；分布式电源；保护与控制；实验平台

0 引言

随着能源危机和环境问题的日益突出，可再生能源发电技术近年来发展迅速，且大多数分布式电源将通过配电网接入系统，传统潮流和短路电流单向流动的无源网络，变为二者双向的有源网络，而且可再生能源发电普遍具有出力随机性与间歇性特点。原有配电网保护与控制方法将无法适用，这已成为国内外业界普遍关注的焦点[1-3]。

为适应形势发展并及时跟踪专业发展，很多高校电气工程及其自动化专业的教学大纲中都增设了“新能源发电”、“微电网保护与控制”、“智能电网技术”、“配电网及其自动化”等相关课程。而且有些高校已建成了分布式发电、微电网保护与控制、有源配电网物理模拟仿真等专业实验室，但主要用于科研[4-7]，专门适用于本科生实验教学的装置很少。

为满足传统电力系统自动化专业课程需要，多数高校都购置或者自主研发了电力系统自动化实验平台，但该装置集成化程度普遍较高，不利于学生动手能力的培养；所开发出的内容仅能满足传统验证性实验，无法适应创新性、前瞻性实验项目的开设要求[8]。

本文介绍了一种适用于含分布式电源配电网保护与控制实验要求的平台设计方法，详细给出了一次系统结构与二次系统设计思路，并以孤岛保护为例分析了实验内容设计思路。该平台融合了传统实验与综合性、创新性实验内容开设要求；能够满足不同层次学生的实验需求，有利于培养学生分析与解决问题的能力。

1 实验平台设计

1.1 一次系统构成

该实验平台的一次单线图如图1所示，主要包括同步发电机、模拟负载、双回等效线路、与系统连接的自耦变压器等四大部分[9]。模拟分布式电源的同步发电机由直流电动机作为原动机驱动，并通过隔离变压器T和开关QF0接入系统母线BUS1；光伏、微型燃气轮机等分布式电源也可按同样方式接入系统。采用异步电动机与大功率电阻箱模拟系统负荷，通过BUS1接入系统，每一路负荷均可独立控制。线路由分段电抗XL1-XL4等值，能够模拟多个位置上设置不同类型故障；分布式电源或负荷，也可通过等效线路上的每段阻抗节点处接入，增强实验开设的灵活性。整个实验平台通过自耦变压器AT 经QF7与系统连接，该实验平台可脱网运行也可联网运行。

根据实验内容设置需要，在发电机出口、线路首端与末端、负荷侧以及联络线开关处均配置了保护用及测量用电压和电流互感器，为开设测量、保护、控制与调节实验内容奠定基础。

图1 含分布式电源的配电网实验平台一次系统

1.2 二次系统构成

通过实验环节，学生可加深对所学基础理论知识的理解，直观了解实际系统的运行特性与物理现象；二次系统作为电力系统保护与控制的基础，其工作于强电磁场环境中，必须具有良好的电磁兼容性；且电力系统继电保护的接口必须符合严格的标准要求；若基于实验室原有的51系列单片机，无法满足相关性能要求，不利于学生了解现场，同时对于实现过程中的安全性无法保障。为此，我们与电力系统保护设备生产厂家合作，基于其现场应用的保护单元硬件框架，专门设计了为学生实验用的保护终端，其硬件结构如图2所示。

图2 智能终端硬件电路结构框图

以DSP BF536、FPGA为核心，采用16位ADC构成数据采集系统，每周波采样128点；配置了16路模拟量输入，开关量输入与输出各32路，接口标准与现场要求完全一致；保留了以太网、CAN总线等各种通信接口，可支持就地与分布式智能控制应用，能够满足含分布式电源配电网保护与控制相关实验要求；且具有与现场设备相同的抗电磁干扰能力。该二次开发平台，为确保实验过程中设备的安全、可靠运行奠定基础。

为在有限的实验时间内完成实验内容，提高整体时效性，在平台中设定了应用程序接口，学生只需要在所提供的软件接口基础上进行编程、实现对应功能即可；既满足了学生实验安全性的要求，又避免了一切从零开始的重复性实验内容。该平台软件设计采用的层次化、模块化结构，如图3所示共包括硬件接口层、支撑软件层以及应用软件层。采用linux2.6实时多任务操作系统、SQLite数据库，并开放接口驱动程序、数据采集与处理、通信等软件模块在内的应用程序支撑软件，应用程序通过API(应用程序访问接口)访问底层资源和数据，实现数据与应用的分离。学生只需设计对应的保护与控制算法，根据所提供的各种软件接口，采用C语言专注于应用程序的开发即可。同时为帮助学生了解该平台的软硬件结构，将单独设置一次实验课程专门用于讲解和熟悉该平台，有效避免了每次重复的初始化、数据采集、接口逻辑电路设计等工作，提高整个实验过程的实效性。

可见，本实验平台的一二次系统均提供开放的实验环境。按照课程理论内容体系和学生的不同需求，分为必做和选做实验两类。必做内容为课程基础内容服务，选做主要为学生提供创新性和综合性实验提供平台；普适教育的学生以必做内容为主，选做内容为辅；卓越工程师班的学生在完成必做内容基础上，加大对选做内容数量和质量的要求，锻炼创新和实践意识，提高学生的自主学习和实际动手能力。而且，该实验平台也为毕业设计、大学生创新项目提供实验环境，具有较高利用率。

图3 终端平台软件框架

2 实验案例

在原有发电机励磁控制、准同期操作、线路过流保护、重合闸等常规实验开设基础上，基于该平台又开发出孤岛保护、微电网转换控制、低压低频自动减载、发电机不同控制模式转换等多项实验内容。下面以孤岛保护实验内容为例，予以说明。

孤岛运行是指当电网由于电器故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，分布式电源未能及时检测出停电状态并脱离电网，使分布式电源和周围的负载组成一个电力公司无法控制的自供给系统[10]。孤岛运行分为计划孤岛与非计划孤岛两种。按照预先设置的控制策略而有计划的孤岛运行现象称为计划孤岛；非计划、不受控地发生的孤岛现象为非计划性孤岛。分布式电源普遍具有随机性与间歇性出力的特点，无法对其实施有效的调度；因此，当系统发生故障后部分区域会转入孤岛运行，这不仅会危及到电网维护人员和用户的安全，干扰电网的正常合闸，而且由于功率不平衡难以保证局部区域的电压及频率指标。微电网就是将相对集中分布的负荷与分布式电源统一纳入管理，形成一个相对独立的小电网，并通过电力电子装置连接到电网运行；由于其可以自行管理内部能量供求关系，因此微电网还可以脱离电网而独立运行。微电网可视为计划孤岛的一种特殊实现形式。总之，只有区域内部功率平衡的计划孤岛才有能维持稳定运行现象，而且孤岛保护成为分布式电源接入系统以及微电网必须配置的保护之一，其检测原理主要分为基于就地信息量与远方直接跳闸式两种。前者是基于分布式电源或者微电网接入点处的电压变化、相位偏移、频率变化等信息，易于实现但存在着保护“死区”；后者通过检测馈线出口处断路器的状态判断是否发生孤岛，但是当馈线分段之后，此判据可能会失效。因此，将上述两种原理相结合，建立基于广域信息的孤岛保护方式较为完善。本实验系统可以针对上述三种原理进行测试对比，使学生加深对于孤岛保护监测原理的理解。在实验系统内负荷与分布式电源出力基本均衡时(设定的发电机出力为2 kW，负荷为1.9 kW)，断开馈线与系统之间的开关，此时发电机并网点出的电压波形为图4所示，电压大小、相位以及频率偏差均非常小，均在设定的阈值之内，孤岛保护不动作。而基于广域信息的孤岛保护方法，如图5所示，在孤岛发生后，1个周波之后孤岛保护动作，馈线失压，孤岛保护可靠动作。

图4 孤岛保护未有效动作时馈线电压变化

图5 孤岛保护有效动作之后馈线电压变化

此实验过程中，要求学生基于一次实验平台搭建实验系统，基于二次平台编程实现三种孤岛保护方法，通过设置不同的分布式电源出力与负荷组合、以及不同位置处开关变位情况，分别测试三种方法的适应性，从而加深对于孤岛保护的理解。对于学有余力的学生，还可以增加实验广度与深度，要求学生研究基于就地信息的孤岛保护阈值设置原则，分析不同分布式电源出力以及负荷大小对于电压幅值、相位变化率及其时间窗口等参数扰动的影响，进而确定合理的阈值。

3 结语

本文结合课题组近几年科研项目与体会，借鉴国内其他高校实验室微电网保护与控制、分布式发电等实验室建设与规划思路，在电力系统自动化实验平台基础上进行了一次系统完善，并开发了与现场实际接口标准完全一致的二次系统，形成了完整的含分布式电源配电网保护与控制实验平台。

实验平台上开设的实验内容紧密跟踪学科发展方向和研究热点，理论联系实际，激发学生的学习兴趣。同时，课题组成员先后承担多项相关的科研课题，将相关科研成果与科研体会引入到实验教学中，实现了产学研有机结合。该实验平台可满足普适教育与精英教育的需要，为后续卓越工程师班开设实验奠定基础；也为毕业设计、研究生实训以及大学生创新项目，提供实验环境，具有较高的实验设备利用率。

实验平台与实验内容的设置，充分体现了前瞻性、继承性、综合性与创新性的特点，且实践效果明显，能够很好满足多层次电气专业学生培养的实验要求，为提高学生分析与解决问题的能力、强化动手能力尤其跟踪学科前沿能力提供了灵活的开放实验平台。

[1] 余贻鑫,栾文鹏.智能电网评述[J].北京:中国电机工程学报,2009,28(34):1-8

[2] IEEE Std 1547.2 IEEE Application Guide for IEEE Std 1547,IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems.2008

[3] J．A．Pecas Lopes．Defining control strategies for microgrids islanded operation[J]．IEEE Transaction on Power Systems. 2006,21(2):916-924．

[4] 刘一欣, 郭 力, 李霞林, 王成山. 基于实时数字仿真的微电网数模混合仿真实验平台[J]. 北京：电工技术学报.2014,29(2):82-92

[5] 解 大, 顾羽洁, 徐 涛, 艾 芊, 等. 微电网仿真与实验系统-总体设计[J]. 上海: 实验室研究与探索. 2011,30(9):74-78

[6] 杨 为, 丁 明, 毕 锐, 高 研, 等.微电网实验平台的设计[J].合肥: 合肥工业大学学报(自然科学版). 2010,33(1):38-41

[7] 刘 霞.含多种分布式电源和储能的微电网控制技术[D].杭州：浙江大学硕士学位论文.2012,3

[8] 仉志华,康忠健,王艳松. 电力系统线路保护综合实验平台的开发[J].上海:实验室研究与探索. 2009,28(5):41-43

[9] THFMDZ-1型电力系统综合自动化仿真实训装置实验指导书(V1.0版本). 浙江天煌科技实业有限公司.

[10] 范淑娴. 信号注入法在有源配电网保护与控制中的应用[D].济南：山东大学博士学位论文.2011,5

Experimental Platform Development for Distribution System Protection and Control with Distributed Generators

ZHANG Zhi-hua, XUE Yong-duan, FENG Xing-tian, KANG Zhong-jian

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580 ,China)

A designing method for the protection and control experiment platform of distribution network with distributed generators is presented in this paper. It introduces the primary system and secondary system structure. As an experimental design example, the island protective relaying experiment is analyzed. Its effectivity has been proved.

electrical engineering； distributed generator； protective relaying and control； experimental platform

2016-06-04;

2016-11- 07

校级教学实验技术改革类重点项目(SY-A201409),(SY-B201423),(JY-A201401)

仉志华(1977-)，男，博士，副教授，主要从事有源配电网故障自愈及主动电压控制技术、微电网保护与控制技术等相关教学与科研工作。E-mail：zzh-upc@163.com

A

1008-0686(2017)02-0120-04

中文分类号：TM771