本发明涉及一种基于工频载波的分布式发电孤 岛检测系统及其检测方法， 属于电力 系统自动化技术领域。

背景技术

所谓孤岛是指当电网因事故或停电维修时， 用户端分布式发电系统未将自身切离所 并网的电网， 而形成分布发电和周围的负载组成的一个自给 供电的系统。 孤岛包括计划 孤岛与非计划孤岛， 其中计划孤岛在主网断电后分布式发电可以继 续运行， 对一部分重 要负载供电， 而非计划孤岛则必须在主网断电后， 停止向负载供电。 孤岛检测是解决分 布式发电 "并网难"的关键技术问题之一， 其检测的准确性是分布式发电并网运行和孤 岛运行两种状态平滑切换的前提， 是微电网能量管理系统实现的基本条件。

目前， 孤岛检测主要有基于本地电气量特征 （这些电气量包括频率、 电压、 谐波、 阻抗等） 的本地检测方法和基于通信技术的远程检测两 种方法。 其中， 本地检测又分为 被动检测和主动检测方法。 被动检测方法在分布式发电和存在不可避免的 检测盲区， 而 主动检测方法存在可靠性和干扰问题， 两者综合又会拉高检测成本。 基于通信的孤岛检 测， 必须监控配网上开关的通断状态， 实时监测跳闸信号， 这种方法依赖于通信网的支 撑， 通信网建设成本也是一个关键障碍， 同时配电网拓扑的随机变化也是基于通信孤岛 检测的一个难点。

ZL200810034105. 3，基于 M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测� �统和方法， 根据并网时， 由于并网公用连接点电压受控于电网， 随机性小， 所获得的随机序列方差 值很小， 而孤岛时， 并网公用连接点电压受控于逆变器输出， 而逆变器输出受数字信号 处理器调制具有随机信号的特点， 因此方差值将大大增大。 主要缺点是存在孤岛检测盲 区。

ZL201010109828. 2, 施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法， 该方法能加快故 障检测速度， 縮小检测盲区， 对电网的影响较小。 其主要缺点是存在孤岛检测盲区。 并 且对电网造成一定千扰。

ZL 201010210918. 0, 基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法， 该原理利用了分布 式发电并网状态与孤网状态下， 系统等效阻抗将出现极大变化的特点， 在并网联络点注 入高频电压信号， 通过测量电压变化， 反映阻抗变化， 就可以判断出系统当前是否与大 电网相连。 但由于电网阻抗时变特征明显， 实现难度较大。

随着智能电网建设的推进， 配用电网中预计会有大量的分布式电源接入需 求， 未来 分布式发电和微电网将在国内普及应用。

发明内容

本发明的目的在于： 为了应对分布式电源在中低压配电网中的接入 需求， 提供一种 高效实用的分布式发电孤岛检测方法。 为电力系统自动化、 智能配用电发展解决一些关 键的技术问题。

为实现上述目的， 本发明依据我国配电网的基本特征， 采用工频载波技术实现分布 式发电及微电网中的孤岛检测， 系统中涉及到的装置有工频载波信号生成装置 和工频载 波信号检测装置。 本发明为分布式发电并网及微电网中的孤岛信 号检测、 反孤岛保护提 供了一种有效的方法，在分布式发电在配电网 中渗透率高的情况下应用具有非常高的技 术经济性能。

本发明提出的一种基于工频载波的分布式发电 孤岛检测系统， 该系统包括工频载波 信号生成装置、 工频载波信号检测装置、 信号耦合变压器、 变电站母线、 分布式发电电 源和安全隔离断路器， 所述工频信号生成装置内置电压电流监测电路 ， 所述工频信号生 成装置通过三相四线的四根电力电缆和信号耦 合变压器相连，所述信号耦合变压器和通 过 3根电力电缆和变电站母线相连，变电站母线� �过馈线与 10kV/400V变压器和安全隔 离断路器相连接，工频载波信号信号检测装置 安装在安全隔离断路器和分布式发电电源 之间， 工频载波信号检测装置通过 A相、 B相、 C相火线和 N中线接到低压电网上以检 测信号， 或者通过 A相、 B相、 C相火线中一相和 N中线接到低压电网上以检测信号， 工频载波信号检测装置内置信号硬件合成电路 ，工频载波信号生成装置在每个工频周期 发送一次信号， 如果工频载波信号检测装置在连续 5个工频周期没有检测到信号， 则判 断变电站母线到分布式电源之间的连接电网断 开，工频载波信号检测装置立即发送跳闸 信号使分布式发电并网安全隔离断路器跳闸， 从而使得分布式发电电源从主网切离。

其中， 工频载波信号生成装置通过 A相、 B相、 C相火线和 N中线接到信号耦合变 压器上， 信号发送可以实现任意单相发送、 任意两相并行发送和三相并行发送。

其中， 工频载波信号检测装置通过 A相、 B相、 C相火线和 N中线接到低压电网上， 或者通过 A相、 B相、 C相火线中一相和 N中线接到低压电网上。

其中， 工频载波信号检测装置内部设计有硬件信号合 成电路， 硬件信号合成电路由 3个电压互感器： 第一电压互感器、 第二电压互感器和第三电压互感器完成信号强 弱变 换， 其中第一电压互感器和第二电压互感器的变比 相同， 而第三电压互感器的变比为第 一电压互感器变比的 1. 732倍。

其中，信号耦合变压器高压侧即 10kV侧通过三个高压熔断器连接到变电站母线� �， 信号耦合变压器低压侧即 400V侧通过三个塑壳断路器连接到工频载波信� �生成装置， 工频载波信号生成装置通过通信接口与远程控 制系统交换信息。

本发明还提出了一种使用上述检测系统的检测 方法，工频载波信号由工频载波信号 生成装置发出并经过信号耦合变压器耦合到变 电站母线， 信号经过中压电网、 配电变压 器和低压电网传输，通过安装在分布式发电并 网处的工频载波信号检测装置实时监测这 一工频载波信号。

其中， 采用发送功率自监测方法， 控制工频载波信号的发送电流峰值大于 300A, 小 于 600A。

其中， 工频载波信号生成装置通过信号耦合变压器把 工频载波信号发送到变电站母 线上， 信号耦合变压器容量大于 200kVA， 小于 600kVA， 以 40ms为一次信号检测周期， 信号有效范围为 6ms。

其中， 工频载波信号检测装置安装在分布式发电并网 安全隔离断路器分布式发电一 侧， 信号检测装置以 40ms为一次信号检测周期， 如果连续 200ms内均没有检测到信号， 则往并网安全隔离断路器发送跳闸信号。

其中， 工频载波信号生成装置能监测信号发送电压和 电流， 自动调整发送功率， 使 信号驱动点不超过工频电压由正到负过零点前 30度电角度， 即 3. 33mS o

其中， 工频载波信号检测装置内置信号硬件合成电路 ， 电路采用 RC全桥全通滤波 电路， 不损失信号的有效频段， 同时使信号接收能量加强了一倍。

其中， 工频载波信号检测装置通过输出跳闸信号使分 布式发电并网安全隔离断路器 跳闸。 跳闸驱动信号线距离短时， 小于 10m时可采用脉冲输出， 当距离大于 10m时则采 用总线通信。

其中， 分布式发电是光伏发电、 小型风力发电、 或储能并网发电。

与现有技术相比， 本发明的有益效果在于以下几点-

1.本发明的系统及其检测方法无孤岛检测盲� ��；

2. 本发明的系统及其检测方法不受并网能源装换 技术制约， 适用于逆变器并网和 感应电机并网等多种方式；

3. 本发明的系统及其检测方法分布式发电渗透率 愈高， 本发明经济性能愈好， 具 有非常大的应用前景。

附图说明 图 1是依据本发明的系统及其检测方法系统构成� �意图。

图 2是工频载波信号发送波形示意图。

图 3是工频载波信号生成装置及信号耦合变压器� �接示意图。

图 4是电压电流检测电路示意图。

图 5是工频载波信号检测装置连接示意图。

图 6是工频载波信号发送电流波形。

图 7是工频载波信号检测装置信号硬件信号合成� �路示意图。

图 8是信号硬件信号合成电路前的原始信号。

具体实施方式

如图 1所示系统构成示意图，本发明涉及一种基于� �频载波信号传输的分布式发电 及微电网孤岛检测系统及其检测方法。系统主 要包括一个放置在终端配电变电站附近的 一台工频载波信号生成装置 1， 一台放置在分布式电源并网处的工频载波信号 检测装置 2。 其中工频载波信号生成装置通 1过一台信号耦合变压器 3连接到变电站母线 4上。 工频载波信号生成装置每一个工频周期 40ms发送一次信号， 有效信号持续时间在 6ms 以内。工频载波信号检测装置 2以 40ms为周期检测信号，如果连续 5个工频周期及 200ms 没有检测到信号， 则可以判断变电站母线 4到分布式发电 5之间的连接电网断开。 信号 检测装置 2立即发送跳闸信号使分布式发电并网安全隔� �断路器 6跳闸， 分布式电源 5 从主网切离。

如图 2为工频载波信号发送波形示意图。 图中总共有 4个电压周波， 以两个电压周 波即 40ms为一次信号调制周期， 每隔一个电压周波单相晶闸管电压由正到负的 过零点 前 30度范围内导通一次， 图中 11和 13位置调制， 12和 14位置不调制。信号检测装置 在分布式发电并网变压器低压侧检测信号畸变 。 信号检测时前后两个周波相减， 即信号 经过模数转换后做差分运算， 则可提取出调制的暂态信号， 一次信号识别需要两个工频 周波， 这样完成一次工频畸变信号识别至少需要 40ms。

图 3是工频载波信号生成装置及信号耦合变压器� �接示意图。信号耦合变压器 3高 压侧即 10kV侧通过三个高压熔断器 21、 22和 23连接到变电站母线 4上， 信号耦合变 压器 3低压侧即 400V侧通过三个塑壳断路器 24、 25和 26连接到工频载波信号生成装 置 1。工频载波信号生成装置通过通信接口 27与远程控制系统交换信息，这些信息包括 系统启动、 停止、 生成装置异常告警等信号。 远程控制通信通道可选择各种通信方式， 但要求通信延迟大小不变。 工频载波信号生成装置 1通过 A相、 B相、 C相火线和 N中 线接到信号耦合变压器 3上， 信号发送可以实现任意单相发送、 任意两相并行发送和三 相并行发送。

工频载波信号生成装置 1中内置有电压电流监测电路， 如图 4所示， 调制电流回路 接到电流互感器 CT1原边， CT1变比为 1 : 1， 电流互感器 CT1副边接电容 C1和电阻 Rl， 电容 C1和电阻 R1并联后一端接信号地， 另一端通过滤波电路直接连接到 A/D采 样电路， 用于监测工频载波信号生成装置 1的信号调制电流； 电压互感器 PT1原边一端 接到 220V零线、 另一端通过电阻 R2与 220V火线连接， 电压互感器 PT1副边一端接到 信号地， 另一端通过滤波电路后直接连接到 A/D采样电路，用于监测工频载波信号生成 装置 1的信号调制电压。 该监测电路中的滤波电路采用通用有源低通滤 波电路， 其截止 频率为 5kHz; A/D采样电路为集成到微处理器的 A/D转换器， 其电阻 R2值为 110k、 电阻 R1值为 51欧姆、 电容 C1值为 0.01uf。 此监测电路的特点是元器件少， 可靠性高， 能有效控制工频信号生成装置的信号调制功率 。

图 5是工频载波信号检测装置连接示意图。工频� �波信号检测装置通过 A相、 B相、 C相火线和 N中线接到信号耦合变压器上， 其中每根相线上分别串联 31、 32和 33三个 低压熔断器， 或者通过 A相、 B相、 C相火线中一相和 N中线接到低压电网上以检测信 号。 工频载波信号检测装置通过输出跳闸信号使分 布式发电并网安全隔离断路器跳闸。 跳闸驱动信号线距离短时， 小于 10m时可采用脉冲输出， 当距离大于 10m时则采用总线 通信。

图 6是工频载波信号发送电流波形。其中电流峰� �在 420A, 大于 300A, 小于 600A。 持续时间小于 6ms。

图 7是工频载波信号检测装置信号硬件信号合成� �路示意图。硬件信号合成电路由 3个电压互感器 41、 42和 43完成信号强弱变换， 其中电压互感器 41和 42变比相同， 而电压互感器 43的变比为电压互感器 41变比的 1. 732倍。 图中 45为两个容量大小相 等的电容 C和电阻值大小相等的电阻 R组成全桥滤波电路。其中电阻和电容温度系� �小， 电路工作稳定。 设计时满足 C=l/w=l/ ³ l ⁴ 时， 经过硬件加法器 44后， 工频载波信号检 测装置检测到的信号强度增强了一倍。

图 8是信号硬件信号合成电路前的原始信号。 图中为工频信号在 A相上调制时， 分 布式电源并网变压器低压侧电压波动时域波形 ，信号为工频载波信号检测装置信号处理 前的原始波形， 其中 A相、 B相、 C相三相上均有信号出现。 波形为前后两个电压周波 差分之后的电压波动值。 电压波动 （电压缺口） 峰值为 6V,小于相电压峰值的 2%， 不会 造成电压闪变， 及装置工作时不影响配电网电能质量。 最后应当说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 对其限制， 尽管参照上述实 施例对本发明进行了详细的说明， 所属领域的普通技术人员应当理解： 技术人员阅读本申请说明书 后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改 或者等同替换， 但这些修改或变更均未脱离本发明申 请待批的权利要求保护范围之内。