基于虛擬儀器的分布式電源并網檢測平臺研究

張全成，張永明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200072）

近年來，分布式電源發展迅速，已成為不少發達國家極力推動的重要發電技術，主要用于工業園區、公共設施、商業設施和住宅建筑等領域。據統計，美國分布式發電總裝機容量有8 000萬千瓦，占全國總發電容量的7.8%；日本分布式發電總裝機容量有3 600萬千瓦，占全國總發電容量的13.4%；德國分布式發電總裝機容量有2 200萬千瓦，占全國總發電容量的19.8%。英國的分布式發電站有1 000多座，丹麥的分布式發電量更是超過全部發電量的50%[1]。

我國分布式發電發展較晚，目前仍處于起步階段。2010年8月，國家電網公司發布《分布式電源接入電網技術規定》，并已上報能源局，批準后將成為國家標準。2011年4月30日，國家能源局完成了《分布式電源管理辦法》（征求意見稿）的征求意見工作，其主要內容包括分布式發電的建設規劃、項目建設、接入電網、運行管理、政策保障和措施等。標準及管理辦法的出臺，將為分布式電源高速發展提供技術和政策上的保障。為順應分布式電源的蓬勃發展，確保分布式電源安全穩定并網運行，建立分布式電源并網檢測裝置非常有必要；同時由于分布式電源標準仍需要不斷完善，所以建立基于虛擬儀器的分布式電源并網檢測裝置，以適應不斷升級需求也非常必要[2]。

本文首先簡述分布式電源的并網標準，然后根據標準要求詳細設計基于虛擬儀器的分布式電源并網檢測裝置。

1 分布式電源并網標準

分布式電源并網與低壓電網和傳統的大水電、大火電并網技術規定既有類似的地方，也有自己獨特的要求。為了保證低壓電網電能質量要求和安全穩定要求，清潔能源發展迅速的國家已經制定了相應的分布式電源并網技術標準，比如美國有IEEE1547《分布式電源并網技術標準》、德國有《中壓網并網技術導則》，這些標準主要針對各種類型的分布式電源并網，對其并入電網提出了各類技術指標的要求。我國針對大型風電和光伏電站已制定了相應的國標、行標和企標，然而針對并入低壓電網的小型分布式風電、光伏發電，以及其他形式的分布式電源，如生物質（農業生物質、林業生物質、沼氣、垃圾）、瓦斯、天然氣、煤層氣、廢氣、工業余熱、工業余壓、地熱、海洋能等發電以及蓄電池、燃料電池等電源尚缺少統一的技術標準。2010年8月，國家電網公司發布《分布式電源接入電網技術規定》，這是我國第一部專門針對分布式電源的技術標準，但由于是企業標準，約束力有限。預計我國在近兩年內，將出臺分布式電源的國家標準[3-4]。

2 系統結構設計

根據IEEE1547和國家電網公司的《分布式電源接入電網技術規定》，本文設計了一套基于虛擬儀器的分布式電源并網檢測裝置，其系統結構如圖1所示。

如圖1所示，該裝置主要包括：基于虛擬儀器的測控裝置、模擬電網、防孤島檢測裝置、遠端負載、電源切換裝置和繼電保護裝置。

系統電源由兩部分提供，一路為市電，一路為模擬電網。設計兩路電源有兩個目的，對于容量小于模擬電網容量的待測設備，可以在模擬電網環境下完成所有測試，而對于容量大于模擬電網容量的待測設備，由市電進行有功無功輸出特性測試、孤島保護測試、電源起停對電網影響測試和電能質量測試；由模擬電網完成電壓電流和頻率響應特性測試以及除孤島保護外的其他保護測試。這樣可以減小對模擬電網容量的要求，降低系統成本。模擬電網可以輸出相電壓0～150 V和0～300 V，步距0.1 V的高精度調節，輸出頻率45～120 Hz，步距0.1 Hz；具有9組記憶，可以將常用的參數存儲，以便使用時調用；具有RS232C、RS485、GPIB通訊接口，指令執行時間小于1 ms；具有過壓、過流、過載、短路、限流等保護功能；穩壓反應時間在20 ms以內，超載能力強，瞬間電流能承受額定電流的3倍。

系統的負載有兩套，一套是進行孤島檢測的RLC負載，一套用于模擬饋線上其他負載的遠端負載，其屬性為阻感性。這樣設置可以完成對有逆功率保護情況下的逆功率保護特性測試。孤島檢測設備內置阻性負載、感性負載及容性負載，最小標準功率為0.01 kW，步進幅度0.01 kW，負荷功率連續可調；阻性負載采用合金電阻元件，阻值熱漂移小；內置電感采用磁路可控式電感，長時間加載電感阻抗不變化；內置電容采用標準CBB電容元件，長時間加載電容阻抗不變化。

系統中設置了多個斷路器，并在兩處設置了繼電保護器，這一方面可以增強系統的靈活性和適應性，另一方面可以增強系統的安全性。繼電保護系統具有多重保護模式的編程功能，可根據測試對象的不同進行設置，增強系統的安全性。

系統采取基于虛擬儀器的核心架構，由軟件完成所有參數的采集、計算、結果分析及解釋，自動記錄檢測全過程，自動生成檢測報告。這樣做的目的是為了適應分布式電源并網標準各國不統一且不斷修訂的需要。

為方便系統安裝和操作，本裝置采用模塊化結構設計，將整個系統分為6個測試柜，各測試柜根據功能進行劃分，分別是模擬電網柜、電源切換開關柜、遠端負載柜、孤島檢測柜、負載開關柜和監控柜。圖2給出了系統的柜體功能劃分圖，圖中未示出監控柜。

系統的監控功能由兩部分組成，一部分是基于虛擬儀器的工控機系統，一部分是分散于各柜的分布式電量采集和指示儀表。這樣做的目的一方面是對系統采集的數據進行冗余校驗，一方面是增強結果顯示的直觀性，也更符合檢測人員的一般操作習慣。

3 系統軟件設計

系統軟件是基于Labview平臺開發的，其組成包括：環境設置軟件、模擬電網設定軟件、防孤島檢測軟件、保護設置軟件、信號采集軟件、數據分析軟件、結果分析軟件、報告生成軟件。其功能框圖如圖3所示。

圖3中，環境設置軟件可對互感器變比及待測設備容量進行設定；模擬電網設定軟件可對測試過程中電壓的變化曲線和頻率的變化曲線進行設定；防孤島檢測軟件可對孤島檢測裝置的電感、電阻和電容值進行設定或自動設定；保護設置軟件可對系統的電流保護特性、電壓保護特性和頻率保護特性進行設定；信號采集軟件可啟動自動信號采集、觸發采集裝置、自動對非有效數據進行去除、完成未加工數據的初步存儲；數據分析軟件可完成各種標準要求的特征參數的求取，如電能質量等；結果分析軟件根據數據分析結果對檢測項目的合格性進行評判，并對檢測數據庫進行管理；報告生成軟件完成檢測報告的自動生成。

4 結論

為滿足分布式電源蓬勃發展、確保分布式電源安全穩定并網運行的需要，設計了基于虛擬儀器的分布式電源并網檢測裝置，其硬件系統包括基于虛擬儀器的測控裝置、模擬電網、防孤島檢測裝置、遠端負載、電源切換裝置和繼電保護裝置。其軟件系統是基于Labview平臺開發的，其組成包括：環境設置軟件、模擬電網設定軟件、防孤島檢測軟件、保護設置軟件、信號采集軟件、數據分析軟件、結果分析軟件、報告生成軟件。該裝置能夠完成基于逆變器、同步發電機和異步發電機等多種分布式電源的并網檢測，且能夠適應不同檢測標準要求。

[1]彭明智，張維，熊澤群.分布式電源接入裝置的研究和設計[J].電力系統保護與控制，2011，39(14)：59-61.

[2]任碧瑩，鐘彥儒，孫向東，等.基于周期交替電流擾動的孤島檢測方法[J].電力系統自動化，2008，32(19)：81-84.

[3]王玉梅，郭浩，王恩.含分布式電源配電網多重故障定位的研究[J].電源技術，2008，34(12)：1280-1282.

[4]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.