孤島檢測保護的專利技術分析

李爽 崔嬌

摘要：孤島運行會給電力系統帶來嚴重的危害，孤島的檢測保護問題是微電網保護的重要問題之一。本文主要針對孤島檢測保護的技術發展線路，通過檢索、統計、分析該領域的專利申請，統計了申請趨勢、重要申請人等信息，同時闡述了重點專利的技術發展脈絡。

關鍵詞：電網;孤島;專利分析

一、前言

近年來，以可再生能源和清潔能源為代表的分布式發電技術以其清潔環保、經濟高效、供電可靠的優勢在全世界迅速發展。微電網是在分布式發電基礎上形成的新型供電方式，其主要組成單元包括分布式電源、電力負荷、儲能裝置以及控制系統，通過電力電子裝置和儲能設備實現功率變換和靈活控制。微電網充分發揮了分布式電源的優勢，解決分布式電源大規模并網的問題，是電力系統新的發展方向。微電網有孤島模式和并網運行模式兩種供電形式;孤島運行是指并網系統中主電網由于故障或停電檢修等原因停止供電時，分布式發電系統或微電網沒有及時與主電網分離，形成了一個由分布式發電系統或微電網單獨給本地負載供電的系統，該系統就是孤島。

孤島運行時，孤島內電源與負荷的功率必須是平衡的，若不平衡則孤島內電壓和頻率將不穩定，孤島無法持續運行。孤島運行可分為計劃性孤島和非計劃性孤島。計劃性孤島是事先劃定的孤島區域，是對大電網的有力補充，可作為重要用戶的一種緊急供電手段，減少因停電帶來的損失并提高了供電質量和可靠性;而非計劃性孤島是因主配電系統側故障跳閘且造成分布式電源給不匹配的負載供電的情況，由于非計劃性孤島內的功率不平衡，長時間運行會造成孤島系統內電壓和頻率的偏離、故障不能排除，造成分布式電源和負載用電設備的損壞，給電力系統的安全穩定運行帶來嚴重的問題。因此，配置孤島保護，在非計劃性孤島時控制分布式電源退出運行是重要的保護手段。隨著分布式電源的快速發展，孤島檢測保護是當今研究的熱點。

二、孤島檢測保護發展情況及分析

1、專利歷年申請量分析

孤島保護作為含分布式電源的微電網的重要保護之一。隨著分布式發電技術的不斷發展，以及對電力系統保護方法的不斷研究，孤島保護技術也在不斷更新發展和創新，關于孤島保護的專利申請也在逐年增加。具體的，早在1999年就有關于孤島檢測保護的專利申請，此后關于孤島檢測保護的專利申請逐年緩慢增加;到了2010年左右，隨著我國電網規模不斷增加、科學技術的不斷進步，對于微電網孤島檢測保護的研究也更加重視，相關專利爆發式增長，在2015年達到了最大的申請量。

2、主要專利申請國家

全球關于孤島檢測保護的專利申請有一多半在中國，中國是關于孤島檢測保護的申請量最大的國家;美國的相關專利申請量則排在第二位。之所以如此，離不開國家大力發展科學技術，重視知識產權保護;并且，隨著新能源技術的快速發展，新能源電力并網量的急劇增加也促進了孤島檢測保護的相關研究。

3、主要專利申請人分析

在中國專利的統計過程中，國家電網是申請量最多的申請人，其次分別是中國電力科學研究院和美國的通用電氣公司。申請量排名前十名的申請人里有三個外國公司，說明孤島檢測保護在全球都是熱門的技術研究方向。排名前十名的申請人有七個中國的單位，說明中國在該項技術上進行了大量的研究并取得了一定的研究成果，以國家電網公司、國電南瑞科技股份有限公司、南方電網科學研究院有限責任公司為代表的企業和中國電力科學研究院、東南大學、天津大學為代表的高校、科研單位，成為該技術的主要研究者;以上都說明中國在孤島檢測保護技術上投入了大量的研究并取得了一定的研究成果。

三、孤島檢測保護技術的專利發展趨勢

孤島檢測方法可分為電網端和逆變器端兩大類檢測法，其中逆變器端的檢測法又分為被動和主動兩類檢測法。電網端的檢測法（也稱遠程檢測法或外部法）主要是采用無線通信手段來檢測斷路器的開斷狀態，并在電網側發出載波信號，而安裝在DG側的接收器將根據這些信號的變化來確定是否發生了孤島，在電網斷電時發送孤島狀態信號給并網逆變器使其斷開與電網的連接。逆變器端的檢測法（也稱本地檢測法或內部法）主要是依靠逆變器自身來判斷是否發生孤島狀態，不需要增加額外的互感器和測量設備，一般是通過檢測輸出端電壓的幅值和頻率來判斷是否發生了孤島效應。

目前，孤島檢測保護方面的專利申請，多集中于通過優化孤島檢測的方法提高孤島檢測的準確性和速度等;對孤島檢測裝置的研究則比較少。對傳統孤島檢測保護方法的優化，有以下幾種主要的研究方向：1、由于現有的孤島檢測方法各有有缺點和使用范圍，通過結合不同的孤島檢測方法提高孤島檢測的性能，例如：有專利通過負載功率與預設逆變器輸出功率選擇主檢測或被動模式以減少孤島檢測盲區，保證孤島檢測效率;有專利通過并網點功率不匹配程度的判斷，與過/欠壓、過/欠頻孤島檢測相結合，只在功率不匹配程度小于設定閾值時才向系統注入擾動，減少了擾動對電能質量的影響;2、通過對現有單一的孤島檢測方法進行優化提高孤島檢測的準確率：例如，有專利將多分辨率分析和多分辨率奇異譜熵融合，經驗模態分解將信號按不同分辨率進行頻域分層分解，信息熵對信息按頻域分層后得到的特性量化，得到最為簡潔清晰的信息性質描述，提高了特征提取的速度和精度，降低非孤島狀態時的誤判;有專利通過對傳統的AFDPF算法進行改進，結合了閉環控制理論、主動移頻技術及反饋增強原理的優點，能夠快速檢測出微電網孤島，縮短了檢測時間，減小了檢測盲區，提高了檢測效率。孤島檢測保護的相關研究是研究的熱點，未來的研究中，檢測速度更快、準確率更高、效果更好的孤島檢測保護方法將是孤島檢測保護發展的方向。

參考文獻

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（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心）