含源配电系统孤岛运行状态特征识别与诊断

(国网德阳供电公司，四川 德阳 618000)

1 形成孤岛的原因和影响

1.1 孤岛形成的原因

(1)频率或电压越限。当系统频率或者电压超过上下边界条件时，将引起联网电气保护装置的动作。如果是线路和变压器的后备保护装置动作，将使得电网与分布式电源断开连接，形成孤岛。

(2)并网设备故障。电力系统的设备均是通过线路与分布式电源连接于并网耦合点(point of common coupling,PCC)。如果并网设备故障，将引起线路保护装置动作，跳开故障线路。如果连接于PCC所有电网线路均断开，分布式电源与系统电网隔离开来，形成孤岛。

(3)失步保护动作。在配电网中，分布式电源与主系统之间的联系很微弱，如果包含分布式旋转电源的配电网与主电网失步时，失步保护装置将动作，断开并网线，形成孤岛。

1.2 孤岛形成的影响

(1)孤岛情况使得电压和频率失去控制，如果分布式发电装置没有电压调节能力和频率调节能力，并且也没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移，孤岛部分的电压和频率可能发生大的波动，这可能将对用户设备造成危害。

(2)孤岛部分重新接入电网时，可能由于失步问题对电网中的断路器等设备造成损坏，并可能产生很大的冲击电流，产生的冲击电流可能损坏孤岛部分的分布式发电设备，甚至引起电网的再次跳闸。

(3)孤岛情况可能导致不能清除接地故障或相间短路故障，可能对电网设备造成损坏，并且干扰电网的正常供电的自动和手动恢复。

(4)孤岛情况使得一些被认为与电网断开连接的电路带点，这使得运行检修人员误将孤岛带电部分作为断电部分，如果此时不正规的操作，可能危及检修人员的人身安全。

2 孤岛检测方法

目前对于孤岛研究的方法多种多样。基本可以分为3类：有源孤岛检测方法、无源孤岛检测方法和基于通信的孤岛检测方法。

有源孤岛检测方法通常是对系统施加一定的扰动量，这种扰动量可以是正序电流或负序电流幅值、电流相位、输出有功功率、输出无功功率等。然后观察这些扰动量对系统的影响。如果受扰后的系统能保持频率和电压幅值在规定范围内的稳定运行，那么可以判定系统处于分布式电源与电网并列运行的正常状态；如果受扰后负荷侧的频率或电压幅值超过其上下边界，可以判定分布式电源与电网已经断开连接。

无源检测方法就是通过监测系统的实际运行时的参数，并与规定的对应参数的上下边界相比较，来判定系统参数在监测的时候是否越界，进而通过比较分析来判定分布式电源是否与电网隔离开来。

基于通信的孤岛检测方法的不可检测区小到可以忽略，但是这种方法比前两种方法更昂贵，虽然可靠却不经济，也没能得到最广泛的应用。

3 OVP/UVP孤岛检测法

采用大电网经过断路器与分布式电源和负荷接于并网耦合点PCC。图1所示的系统由一个具有阻抗的大电源，用并联RLC支路表示的负荷和一个基于逆变器的输出有功功率为100 kW的分布式发电装置组成。

图1 待研究的系统结构

3.1 孤岛检测方法

下面重点研究了OVP/UVP孤岛检测方法下的不可检测区问题。所以着重讨论负荷的P-V特性曲线。负荷和分布式电源的P-V曲线如图2所示。

图2 负荷和分布式电源的P-V曲线

分布式电源输出恒定有功功率100 kW，它与129 kW和82 kW的负荷分别交与点A和点B，点A和点B称作孤岛运行点。从图2上可以看到，点A对应的电压为0.88Vp.u.，点B对应的电压为1.1Vp.u.，其中Vp.u.为额定电压标幺值1。根据IEEE Std 1547的标准规定，电压为额定电压的88%～110%均为正常范围。所以，如果OVP/UVP方法测量得到的电压在额定电压的88%到110%之间时，将无法检测出孤岛情况，也就是说如果负荷的P-V曲线处于上述129 kW和82 kW的P-V特性曲线之间时，那么该负荷处于不可检测区。

可以看到，造成不可检测区的原因之一就是恒功率输出曲线。不可检测区的大小与分布式发电的参考功率设置有关。下面分别讨论斜率正或为负的情况。

3.2 参考有功功率曲线斜率为正的情况

假设参考有功功率斜率为正，例如a=0.05,b=0.05。参考有功功率Pref的表达式为

Pref=0.05Vp.u.+0.05

图3 斜率为正时的DG和负荷P-V特性曲线

如图3所示，100 kW的负荷与DG的有功功率曲线交于点E，此时输出有功功率100 kW，电压的标幺值为1.82 kW和129 kW的负荷分别与恒DG参考有功输出曲线(Pref=0.1)交于点A和点B，与修正后的DG参考有功功率曲线(Pref=0.05Vp.u.+0.05)交于点C和点D。从图上可以看出，点A和点B正好处于电压的边界条件上；点C的电压小于0.88 p.u.，小于电压边界的下限；点D的电压大于1.1 p.u.，大于电压边界的上限。此时，运用OVP/UVP方法将很容易地检测出电压越限，判断出孤岛情况的发生。如果DG参考有功功率的曲线为恒定的直线0.1 MW，对于82 kW和129 kW负荷所对应的电压正好位于电压的边界条件上，即点A和点B，将无法检测出孤岛情况。所以，通过修正使DG参考有功功率曲线的斜率a为正，在一定程度上减小了OVP/UVP方法的不可检测区。

3.3 参考有功功率曲线斜率为负的情况

下面讨论当DG的参考有功功率曲线斜率为负的情况。具体方法同上，假设a=-0.06,b=0.16。参考有功功率Pref的表达式为

Pref=0.06Vp.u.+0.16

图4 斜率为负时的DG和负荷P-V特性曲线

图4表示了3种负荷状态和DG的P-V特性曲线。类似的，100 kW负荷曲线与DG的修正后的参考有功功率曲线交于点M，点M的有功功率输出为0.1 MW，电压为1 p.u.。82 kW和129 kW的负荷曲线与修正后的DG输出功率曲线分别交与点C′和点D′。点C′的电压在0.9 p.u.到1 p.u.之间，点D′的电压在1 p.u.到1.1 p.u.之间，均在电压的允许范围内。此时，情况比恒有功功率输出时更加糟糕，运用OVP/UVP方法将不能检测出孤岛情况。当斜率为负时，使运行点的电压更加接近于1 p.u.，这使得不可检测区不但没有减小，反而扩大了。假如负荷是接近于边界负荷的某个值，例如130 kW和80 kW，如果是恒定的有功输出曲线，交点应该超过了电压的边界条件，用OVP/UVP方法能测出孤岛状态。但是由于修正后的DG参考有功功率曲线使得交点电压将更加接近于额定值，即原本运用OVP/UVP孤岛检测方法能测到的负荷情况变得不能检测到，扩大了不可检测区。所以，通过修正DG参考有功功率曲线为负斜率的方法不可行。

3.4 寻找减小不可检测区的最优斜率

比较图3和图4，可以看出用正斜率的P-V特性曲线能减小不可检测区，用负斜率的P-V特性曲线反而会增大不可检测区。为了更好地减小不可检测区，所选择的P-V特性斜率必然为正，不妨考虑斜率为正时的极限情况，即将DG参考有功功率曲线的斜率设置为点C的切线。

Pref=0.2Vp.u.-0.1

图5 斜率为点C的切线时DG和负荷P-V特性曲线

图5表示了3种负荷状态和上式中的DG的P-V特性曲线。100 kW负荷和DG的有功功率曲线相交于点C，C点的有功功率为100 kW，电压为1 p.u.。对于大于100 kW的负荷，DG的参考有功功率曲线与负荷曲线不相交，即当负荷大于100 kW时，DG和负荷没有交点，也就是说DG不能带动大于100 kW的负荷稳定运行。对于82 kW负荷，DG的参考有功功率曲线与负荷曲线交于点D，另外一点不在框图内。通过这样的修正，最大程度地使孤岛运行电压偏离了额定值，这使得用OVP/UVP方法能很好地检测出孤岛情况，即最大程度地减小了不可检测区。

3.5 建模与仿真

在PSCAD/EMTDC环境下完成了对系统的建模和仿真。对于图1所示的待研究的系统结构，选择一个恒定直流电压源代替DG，取dcV=0.9 kV，Lf=2.1 mH，DG的输出有功功率为100 kW。负荷参数R=2.304 Ω,L=3.395 mH，C=2.075 mF。电网参数频率f=60 Hz,电抗Lg=0.305 6 mH，电阻Rg=0.012 Ω。控制器参数KI=0.000 8，Kp=2.5，KI′=0.1，Kp′=20。直流电压源通过逆变电路逆变为三相交流电压，然后经电抗Lf接于PCC，阻抗分别为Rg和Lg的大电网通过断路器BRK接于PCC，负荷也接于PCC。断路器BRK在t=3 s时断开，在t=7 s时重新合上。

仅从理论上分析应该得到的仿真波形。对于82 kW的负荷，Pref设为100 kW恒定值，电压稳定在1.1 p.u.附近，负荷的有功功率自动调节为100 kW。当采用正斜率时，电压和有功功率将跳变比为1.1 p.u.和100 kW更大的值，对应的D点。当斜率为负时，电压和有功功率将低于1.1 p.u.和100 kW，相当于对应的D′点。所以，DG的P-V特性斜率为正时能减小不可检测区，斜率为负时将增大不可检测区。

对于100 kW的负荷，3个DG的P-V特性曲线的电压和有功功率稳定在1.1 p.u.和100 kW，相当于点E和点M。OVP/UVP方法在这样的条件下将很难检测出孤岛情形。当采用正斜率时，电压和有功功率将跳变比为0.88 p.u.和100 kW更小的值，对应的C点。当斜率为负时，电压和有功功率将略大于0.88 p.u.和100 kW，相当于对应的C′点。同样的，DG的P-V特性斜率为正时能减小不可检测区，斜率为负时将增大不可检测区。对于129 kW的负荷条件下也有同样的结论。

所以，理想的仿真波形应该是能支持所提的改进后的OVP/UVP孤岛检测方法。调节DG的P-V特性曲线斜率为正能减小OVP/UVP孤岛检测方法的不可检测区，调节DG的P-V特性曲线斜率为负将增大OVP/UVP孤岛检测方法的不可检测区。

4 结 论

孤岛情况可能会对电力系统和运行检修人员产生极大的危害，因此，必须重视并逐步完善孤岛检测方法。首先分析了孤岛形成的原因，目前孤岛检测方法的分类以及各种方法的原理和优缺点。所研究的方法主要对OVP/UVP方法进行了改进。通过修正DG的P-V特性曲线的斜率来减小OVP/UVP方法的不可检测区。当DG的P-V特性曲线斜率为正时，能有效减小OVP/UVP方法的不可检测区；当DG的P-V特性曲线斜率为负时，反而会增大OVP/UVP方法的不可检测区。当斜率为额定运行点(电压为1 p.u.，功率为额定功率100 kW)的切线时，不可检测区可以控制到最小。

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