含源配電系統孤島運行狀態特征識別與診斷

(國網德陽供電公司，四川 德陽 618000)

1 形成孤島的原因和影響

1.1 孤島形成的原因

(1)頻率或電壓越限。當系統頻率或者電壓超過上下邊界條件時，將引起聯網電氣保護裝置的動作。如果是線路和變壓器的后備保護裝置動作，將使得電網與分布式電源斷開連接，形成孤島。

(2)并網設備故障。電力系統的設備均是通過線路與分布式電源連接于并網耦合點(point of common coupling,PCC)。如果并網設備故障，將引起線路保護裝置動作，跳開故障線路。如果連接于PCC所有電網線路均斷開，分布式電源與系統電網隔離開來，形成孤島。

(3)失步保護動作。在配電網中，分布式電源與主系統之間的聯系很微弱，如果包含分布式旋轉電源的配電網與主電網失步時，失步保護裝置將動作，斷開并網線，形成孤島。

1.2 孤島形成的影響

(1)孤島情況使得電壓和頻率失去控制，如果分布式發電裝置沒有電壓調節能力和頻率調節能力，并且也沒有電壓和頻率保護繼電器來限制電壓和頻率的偏移，孤島部分的電壓和頻率可能發生大的波動，這可能將對用戶設備造成危害。

(2)孤島部分重新接入電網時，可能由于失步問題對電網中的斷路器等設備造成損壞，并可能產生很大的沖擊電流，產生的沖擊電流可能損壞孤島部分的分布式發電設備，甚至引起電網的再次跳閘。

(3)孤島情況可能導致不能清除接地故障或相間短路故障，可能對電網設備造成損壞，并且干擾電網的正常供電的自動和手動恢復。

(4)孤島情況使得一些被認為與電網斷開連接的電路帶點，這使得運行檢修人員誤將孤島帶電部分作為斷電部分，如果此時不正規的操作，可能危及檢修人員的人身安全。

2 孤島檢測方法

目前對于孤島研究的方法多種多樣。基本可以分為3類：有源孤島檢測方法、無源孤島檢測方法和基于通信的孤島檢測方法。

有源孤島檢測方法通常是對系統施加一定的擾動量，這種擾動量可以是正序電流或負序電流幅值、電流相位、輸出有功功率、輸出無功功率等。然后觀察這些擾動量對系統的影響。如果受擾后的系統能保持頻率和電壓幅值在規定范圍內的穩定運行，那么可以判定系統處于分布式電源與電網并列運行的正常狀態；如果受擾后負荷側的頻率或電壓幅值超過其上下邊界，可以判定分布式電源與電網已經斷開連接。

無源檢測方法就是通過監測系統的實際運行時的參數，并與規定的對應參數的上下邊界相比較，來判定系統參數在監測的時候是否越界，進而通過比較分析來判定分布式電源是否與電網隔離開來。

基于通信的孤島檢測方法的不可檢測區小到可以忽略，但是這種方法比前兩種方法更昂貴，雖然可靠卻不經濟，也沒能得到最廣泛的應用。

3 OVP/UVP孤島檢測法

采用大電網經過斷路器與分布式電源和負荷接于并網耦合點PCC。圖1所示的系統由一個具有阻抗的大電源，用并聯RLC支路表示的負荷和一個基于逆變器的輸出有功功率為100 kW的分布式發電裝置組成。

圖1 待研究的系統結構

3.1 孤島檢測方法

下面重點研究了OVP/UVP孤島檢測方法下的不可檢測區問題。所以著重討論負荷的P-V特性曲線。負荷和分布式電源的P-V曲線如圖2所示。

圖2 負荷和分布式電源的P-V曲線

分布式電源輸出恒定有功功率100 kW，它與129 kW和82 kW的負荷分別交與點A和點B，點A和點B稱作孤島運行點。從圖2上可以看到，點A對應的電壓為0.88Vp.u.，點B對應的電壓為1.1Vp.u.，其中Vp.u.為額定電壓標幺值1。根據IEEE Std 1547的標準規定，電壓為額定電壓的88%～110%均為正常范圍。所以，如果OVP/UVP方法測量得到的電壓在額定電壓的88%到110%之間時，將無法檢測出孤島情況，也就是說如果負荷的P-V曲線處于上述129 kW和82 kW的P-V特性曲線之間時，那么該負荷處于不可檢測區。

可以看到，造成不可檢測區的原因之一就是恒功率輸出曲線。不可檢測區的大小與分布式發電的參考功率設置有關。下面分別討論斜率正或為負的情況。

3.2 參考有功功率曲線斜率為正的情況

假設參考有功功率斜率為正，例如a=0.05,b=0.05。參考有功功率Pref的表達式為

Pref=0.05Vp.u.+0.05

圖3 斜率為正時的DG和負荷P-V特性曲線

如圖3所示，100 kW的負荷與DG的有功功率曲線交于點E，此時輸出有功功率100 kW，電壓的標幺值為1.82 kW和129 kW的負荷分別與恒DG參考有功輸出曲線(Pref=0.1)交于點A和點B，與修正后的DG參考有功功率曲線(Pref=0.05Vp.u.+0.05)交于點C和點D。從圖上可以看出，點A和點B正好處于電壓的邊界條件上；點C的電壓小于0.88 p.u.，小于電壓邊界的下限；點D的電壓大于1.1 p.u.，大于電壓邊界的上限。此時，運用OVP/UVP方法將很容易地檢測出電壓越限，判斷出孤島情況的發生。如果DG參考有功功率的曲線為恒定的直線0.1 MW，對于82 kW和129 kW負荷所對應的電壓正好位于電壓的邊界條件上，即點A和點B，將無法檢測出孤島情況。所以，通過修正使DG參考有功功率曲線的斜率a為正，在一定程度上減小了OVP/UVP方法的不可檢測區。

3.3 參考有功功率曲線斜率為負的情況

下面討論當DG的參考有功功率曲線斜率為負的情況。具體方法同上，假設a=-0.06,b=0.16。參考有功功率Pref的表達式為

Pref=0.06Vp.u.+0.16

圖4 斜率為負時的DG和負荷P-V特性曲線

圖4表示了3種負荷狀態和DG的P-V特性曲線。類似的，100 kW負荷曲線與DG的修正后的參考有功功率曲線交于點M，點M的有功功率輸出為0.1 MW，電壓為1 p.u.。82 kW和129 kW的負荷曲線與修正后的DG輸出功率曲線分別交與點C′和點D′。點C′的電壓在0.9 p.u.到1 p.u.之間，點D′的電壓在1 p.u.到1.1 p.u.之間，均在電壓的允許范圍內。此時，情況比恒有功功率輸出時更加糟糕，運用OVP/UVP方法將不能檢測出孤島情況。當斜率為負時，使運行點的電壓更加接近于1 p.u.，這使得不可檢測區不但沒有減小，反而擴大了。假如負荷是接近于邊界負荷的某個值，例如130 kW和80 kW，如果是恒定的有功輸出曲線，交點應該超過了電壓的邊界條件，用OVP/UVP方法能測出孤島狀態。但是由于修正后的DG參考有功功率曲線使得交點電壓將更加接近于額定值，即原本運用OVP/UVP孤島檢測方法能測到的負荷情況變得不能檢測到，擴大了不可檢測區。所以，通過修正DG參考有功功率曲線為負斜率的方法不可行。

3.4 尋找減小不可檢測區的最優斜率

比較圖3和圖4，可以看出用正斜率的P-V特性曲線能減小不可檢測區，用負斜率的P-V特性曲線反而會增大不可檢測區。為了更好地減小不可檢測區，所選擇的P-V特性斜率必然為正，不妨考慮斜率為正時的極限情況，即將DG參考有功功率曲線的斜率設置為點C的切線。

Pref=0.2Vp.u.-0.1

圖5 斜率為點C的切線時DG和負荷P-V特性曲線

圖5表示了3種負荷狀態和上式中的DG的P-V特性曲線。100 kW負荷和DG的有功功率曲線相交于點C，C點的有功功率為100 kW，電壓為1 p.u.。對于大于100 kW的負荷，DG的參考有功功率曲線與負荷曲線不相交，即當負荷大于100 kW時，DG和負荷沒有交點，也就是說DG不能帶動大于100 kW的負荷穩定運行。對于82 kW負荷，DG的參考有功功率曲線與負荷曲線交于點D，另外一點不在框圖內。通過這樣的修正，最大程度地使孤島運行電壓偏離了額定值，這使得用OVP/UVP方法能很好地檢測出孤島情況，即最大程度地減小了不可檢測區。

3.5 建模與仿真

在PSCAD/EMTDC環境下完成了對系統的建模和仿真。對于圖1所示的待研究的系統結構，選擇一個恒定直流電壓源代替DG，取dcV=0.9 kV，Lf=2.1 mH，DG的輸出有功功率為100 kW。負荷參數R=2.304 Ω,L=3.395 mH，C=2.075 mF。電網參數頻率f=60 Hz,電抗Lg=0.305 6 mH，電阻Rg=0.012 Ω。控制器參數KI=0.000 8，Kp=2.5，KI′=0.1，Kp′=20。直流電壓源通過逆變電路逆變為三相交流電壓，然后經電抗Lf接于PCC，阻抗分別為Rg和Lg的大電網通過斷路器BRK接于PCC，負荷也接于PCC。斷路器BRK在t=3 s時斷開，在t=7 s時重新合上。

僅從理論上分析應該得到的仿真波形。對于82 kW的負荷，Pref設為100 kW恒定值，電壓穩定在1.1 p.u.附近，負荷的有功功率自動調節為100 kW。當采用正斜率時，電壓和有功功率將跳變比為1.1 p.u.和100 kW更大的值，對應的D點。當斜率為負時，電壓和有功功率將低于1.1 p.u.和100 kW，相當于對應的D′點。所以，DG的P-V特性斜率為正時能減小不可檢測區，斜率為負時將增大不可檢測區。

對于100 kW的負荷，3個DG的P-V特性曲線的電壓和有功功率穩定在1.1 p.u.和100 kW，相當于點E和點M。OVP/UVP方法在這樣的條件下將很難檢測出孤島情形。當采用正斜率時，電壓和有功功率將跳變比為0.88 p.u.和100 kW更小的值，對應的C點。當斜率為負時，電壓和有功功率將略大于0.88 p.u.和100 kW，相當于對應的C′點。同樣的，DG的P-V特性斜率為正時能減小不可檢測區，斜率為負時將增大不可檢測區。對于129 kW的負荷條件下也有同樣的結論。

所以，理想的仿真波形應該是能支持所提的改進后的OVP/UVP孤島檢測方法。調節DG的P-V特性曲線斜率為正能減小OVP/UVP孤島檢測方法的不可檢測區，調節DG的P-V特性曲線斜率為負將增大OVP/UVP孤島檢測方法的不可檢測區。

4 結 論

孤島情況可能會對電力系統和運行檢修人員產生極大的危害，因此，必須重視并逐步完善孤島檢測方法。首先分析了孤島形成的原因，目前孤島檢測方法的分類以及各種方法的原理和優缺點。所研究的方法主要對OVP/UVP方法進行了改進。通過修正DG的P-V特性曲線的斜率來減小OVP/UVP方法的不可檢測區。當DG的P-V特性曲線斜率為正時，能有效減小OVP/UVP方法的不可檢測區；當DG的P-V特性曲線斜率為負時，反而會增大OVP/UVP方法的不可檢測區。當斜率為額定運行點(電壓為1 p.u.，功率為額定功率100 kW)的切線時，不可檢測區可以控制到最小。

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