交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控保護(hù)的設(shè)計(jì)

林小峰，王江偉，劉　斌，宋春寧，宋紹劍，黃　曾

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控保護(hù)的設(shè)計(jì)

林小峰，王江偉，劉斌，宋春寧，宋紹劍，黃曾

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

微電網(wǎng)作為有效整合了分布式發(fā)電、能量變換器、綜合負(fù)載和測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)的小型發(fā)配電系統(tǒng)，具有運(yùn)行方式靈活、環(huán)保、能量效率高的優(yōu)點(diǎn)。為了能對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性及保護(hù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)低壓交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)，使用LABVIEW軟件編寫(xiě)監(jiān)控系統(tǒng)。平臺(tái)具有用電信息的自動(dòng)采集和開(kāi)關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的功能，改良傳統(tǒng)繼電保護(hù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源、儲(chǔ)能與傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全可靠的混合運(yùn)行。

三相交流微電網(wǎng)；分布式電源；并網(wǎng)運(yùn)行；孤島試驗(yàn)；孤島運(yùn)行

電能是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基石，傳統(tǒng)能源枯竭與環(huán)境問(wèn)題，綠色低碳排能源成為關(guān)注焦點(diǎn)，極大促進(jìn)了可再生能源的發(fā)展。為了充分利用新能源的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上電網(wǎng)具有可再生能源集中式和分布式發(fā)電配合、智能配電網(wǎng)與微電網(wǎng)配合的發(fā)展趨勢(shì)，微電網(wǎng)成為電力領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一［1］。

微電網(wǎng)可以有效整合可再生能源發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，具有運(yùn)行方式靈活、操作界面友好、環(huán)保、線損小等優(yōu)點(diǎn)。微電網(wǎng)可運(yùn)行于并網(wǎng)模式，提高可再生能源的利用效率和經(jīng)濟(jì)性；也可運(yùn)行于孤島模式，作為一個(gè)有效的互補(bǔ)電網(wǎng)，保障用戶供電可靠性和滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)電力需求［2-5］。分布式電源的間歇性與隨機(jī)性，微電網(wǎng)潮流方向與傳統(tǒng)輻射型配電網(wǎng)有較大區(qū)別，使得微電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活多變，同時(shí)影響傳統(tǒng)保護(hù)的靈敏度［5-7］。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)380 V三相交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)，具有自動(dòng)采集監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)控，并提供系統(tǒng)層和設(shè)備層保護(hù)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1　交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1電氣主接線及配置

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用三相四線制單母線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行電壓為380 V，頻率50 Hz，由交流微電網(wǎng)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)、電源及負(fù)載支路構(gòu)成。各支路配置如下：

（1）并網(wǎng)隔離變壓器支路，通過(guò)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)QF1實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，隔離變壓器容量為50 kVA，YNyn0，380 V/380 V.

（2）可編程電源支路，額定功率18 kW，輸出三相電壓大小相位均可調(diào)，可作為不平衡、欠壓和頻率過(guò)低等孤島試驗(yàn)的主電源。

（3）負(fù)載支路，分為三相可編程負(fù)載與三相負(fù)載支路。三相可編程負(fù)載為微電網(wǎng)三相主負(fù)載，采用電阻、RLC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有功功率額定33 kW，額定感性無(wú)功功率33 kvar，額定容性無(wú)功功率33 kvar，支路最大視在功率為46.67 kVA.三相負(fù)載支路為實(shí)際負(fù)載，可靈活接入。

（4）單相支路，用于不平衡負(fù)載實(shí)驗(yàn)，A相與單相RLC負(fù)載連接，C相與電動(dòng)車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接，B相位備用。

（5）單相光伏支路，A相為單晶硅光伏逆變器，B相為多晶硅光伏逆變器，C相為薄膜電池光伏逆變器，用于不平衡光伏發(fā)電能量?jī)?yōu)化配置實(shí)驗(yàn)。

（6）儲(chǔ)能電池支路，微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要的儲(chǔ)能單元，三相DC/AC逆變器通過(guò)隔離變壓器并聯(lián)至微電網(wǎng)母線，隔離變壓器為8 kVA，YNyn0，175 V/380 V.

（7）三相光伏支路，分為多晶硅光伏支路和薄膜電池光伏支路，隔離變壓器為5 kVA，YNyn0，175 V /380 V，用于不同類(lèi)型光伏能量合理分配研究。

1.2測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)

測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)由電氣二次回路、通信和監(jiān)控系統(tǒng)組成，電氣二次回路主要由測(cè)量及計(jì)量回路、斷路器及單相接觸器控制和狀態(tài)指示回路組成。

監(jiān)控系統(tǒng)使用LABVIEW軟件編寫(xiě)程序，通過(guò)RS485通信以及開(kāi)關(guān)信號(hào)的發(fā)送與接收，完成電參數(shù)的采集和系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視，通過(guò)設(shè)置保護(hù)整定值實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)層的保護(hù)，對(duì)不同模式下的微電網(wǎng)安全運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。

1.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行模式

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可運(yùn)行于并網(wǎng)模式、孤島試驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒐聧u運(yùn)行模式和不平衡運(yùn)行模式：

（1）并網(wǎng)運(yùn)行模式：QF1合位、QF2分位、微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，以外電網(wǎng)的電壓V和頻率f為參考，三相DC/AC逆變器處于恒功率PQ控制模式，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定逆變器輸出有功功率P和無(wú)功功率Q.單相光伏支路以MPPT模式運(yùn)行，RLC單相負(fù)載和電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)以設(shè)定值運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，外電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送功率，微電網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以負(fù)載方式運(yùn)行；當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)功率過(guò)剩時(shí)，微電網(wǎng)向外電網(wǎng)發(fā)出功率，微電網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以電源方式運(yùn)行。

（2）孤島試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑篞F1分位、QF2合位、微電網(wǎng)以可編程交流電源為主電源，可進(jìn)行孤島檢測(cè)試驗(yàn)。

（3）孤島運(yùn)行模式：QF1分位、微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)處于孤島運(yùn)行模式，三個(gè)逆變器孤島并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)儲(chǔ)能電池DC/AC作為主電源以恒壓恒頻V/f工作模式運(yùn)行，為光伏DC/AC提供電壓V和頻率f為參考，光伏逆變器作為從電源運(yùn)行于恒功率PQ控制模式。

（4）不平衡模式：在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下，都可以進(jìn)行三相不平衡實(shí)驗(yàn)。單相電源、單相負(fù)載可組合接入微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)可編程交流負(fù)載和可編程交流電源均設(shè)定不平衡參數(shù)，研究不平衡電源、負(fù)載條件下的微電網(wǎng)運(yùn)行狀況。

2　電氣部分設(shè)計(jì)

交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)母線為鍍鋅銅排，三相四線制，各支路電氣部分包含開(kāi)關(guān)器件和測(cè)量元件。

2.1開(kāi)關(guān)設(shè)備控制回路

斷路器QF1-QF9選用正泰電器NM8系列塑料外殼式斷路器，型號(hào)為NM8-100S；C1-C6為單相接觸器，型號(hào)為正泰電器NCH8-40/40.斷路器及接觸器二次回路與控制狀態(tài)繼電器連接，具有遠(yuǎn)控和狀態(tài)顯示功能。斷路器控制及狀態(tài)回路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2.

圖2　斷路器控制及狀態(tài)回路圖

斷路器電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)用于分合閘控制，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)接線板卡ADAM-3962，發(fā)送開(kāi)關(guān)信號(hào)至斷路器合閘控制繼電器KA和合閘控制繼電器KB，繼電器勵(lì)磁后相應(yīng)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)斷路器遠(yuǎn)控分合閘操作。輔助和故障觸點(diǎn)用于反應(yīng)斷路器運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)斷路器處于合位時(shí)，狀態(tài)繼電器KC勵(lì)磁，監(jiān)控系統(tǒng)接收合閘狀態(tài)信號(hào)并顯示斷路器合位；當(dāng)短路或過(guò)載引起斷路器脫扣時(shí)，故障繼電器KD勵(lì)磁，監(jiān)控系統(tǒng)顯示電氣故障報(bào)警。

2.2測(cè)量及計(jì)量回路

測(cè)量及計(jì)量回路主要由多功能電力儀表PT1-PT9和電網(wǎng)電壓相位采集模塊完成各電參數(shù)采集與測(cè)量。

PT1和PT2型號(hào)為正泰電器PD7777-8SK4，PT3-PT9型號(hào)為PD666-8S4.多功能電力儀表具有可編程測(cè)量、顯示、數(shù)字通訊等多種功能，主要用于對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析，然后通過(guò)RS485數(shù)據(jù)接口與監(jiān)控系統(tǒng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的顯示與遠(yuǎn)程傳輸。

儀表與電流互感器CT1-CT9串聯(lián)測(cè)量電流參數(shù)，電壓參數(shù)可用多功能儀表直接測(cè)量。電流互感器選用的BH-0.66型塑料殼電流互感器，為保證測(cè)量精度，各支路電流互感器配置如表1所示。

表1　電流互感器配置

電網(wǎng)電壓相位采集模塊主要檢測(cè)外部電網(wǎng)參數(shù)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供外電網(wǎng)電壓、頻率和相位參考量，用于并網(wǎng)和孤島模式切換的控制。

3　測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)

微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)整合測(cè)量、控制、保護(hù)和故障分析功能，具有測(cè)量精度高、可靠性高和界面友好的特點(diǎn)。

測(cè)量功能由母線各出線多功能電力儀表、電網(wǎng)電壓相位采集模塊、逆變器和負(fù)載自身的采集單元構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485通信實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本信息。

控制是測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)重要功能，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485通信和開(kāi)關(guān)信號(hào)，完成各支路投切操作，同時(shí)電源負(fù)載按指定方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行模式、孤島試驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒐聧u運(yùn)行模式和不平衡模式的協(xié)調(diào)控制與平滑切換。

保護(hù)和故障分析是安全可靠運(yùn)行的重要功能，系統(tǒng)保護(hù)分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號(hào)作為系統(tǒng)的軟件保護(hù)；硬件保護(hù)包括斷路器電磁脫扣單元、熱脫扣單元以及逆變器自身保護(hù)，監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓時(shí)硬件保護(hù)依然有效。微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)為負(fù)載保護(hù)、電源支路保護(hù)、母線保護(hù)和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)保護(hù)。微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)保護(hù)時(shí)序如圖3所示。

圖3　微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)保護(hù)時(shí)序圖

斷路器電磁脫扣可在1個(gè)周期內(nèi)完成跳閘，可作為電流保護(hù)I段，過(guò)熱脫扣作為電流保護(hù)III段，監(jiān)控系統(tǒng)整定電流保護(hù)II段可實(shí)現(xiàn)三段式電流保護(hù)。逆變器自身硬件保護(hù)可瞬間關(guān)斷，作為微電源主保護(hù)。母線后備保護(hù)由監(jiān)控系統(tǒng)整定，低壓保護(hù)整定值為0.3 Un，時(shí)限為500 ms；電能質(zhì)量整定值為0.7 Un，時(shí)限為1 s，以保護(hù)母線和設(shè)備安全。

孤島保護(hù)是微電網(wǎng)特有的保護(hù)方式，在并網(wǎng)模式時(shí)，逆變器均處于恒功率PQ模式。當(dāng)故障發(fā)生于微電網(wǎng)外部并且滿足孤島運(yùn)行要求時(shí)，孤島保護(hù)動(dòng)作，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)QF1跳閘，儲(chǔ)能電池逆變器從恒功率PQ模式切換為恒壓恒頻V/f工作模式，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，提高了供電的可靠性。

微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成品圖見(jiàn)圖4，監(jiān)控系統(tǒng)界面見(jiàn)圖5.

圖4　交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5　交流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)界面

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)交流380 V微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)，制定了不同類(lèi)型電源和負(fù)載靈活接入的多種運(yùn)行方案，完成電氣主接線、開(kāi)關(guān)控制及狀態(tài)回路、測(cè)量及計(jì)量回路的設(shè)計(jì)。使用LABVIEW軟件編寫(xiě)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合硬件保護(hù)和軟件保護(hù)的特點(diǎn)，改良傳統(tǒng)繼電保護(hù)，整定了一套保護(hù)方案，可提供微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在并網(wǎng)運(yùn)行模式、孤島試驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒐聧u運(yùn)行模式和不平衡模式的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遙信、遙控、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)等功能，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可再生能源、儲(chǔ)能與傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全可靠的混合運(yùn)行提供保證。

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The Design ofMonitor and Protection System For AC Three-phase Micro-grid Experiment Platform

LIN Xiao-feng，WANG Jiang-wei，LIU Bin，SONG Chun-ning，SONG Shao-jian，HUANG Zeng
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi530004，China）

Micro-grid as a small power system effective integration of the distributed generations，energy conversion devices，composite load，monitor and protection system，has advantages in flexible operation mode，environmental protection，high energy efficiency.Aiming at conduct theoretical and experimental research on the operating characteristic and protection of the micro-grids，in this paper，a protecting and control system for a 380V AC Three-phase micro-grid experiment platform provided with communication and remote sensing devices is designed.The monitoring system is programmed by the LABVIEW software.Through automatic electrical information acquisition and circuit-breaker remote control system，combined with improving traditional relay protection strategy，ensure renewable energy sources，energy storage and the traditional distribution network hybrid operation in a safe，reliable way.

three-phase micro-grid；distributed generation；grid-connected operation；islanded experiment；islanded operation

TM 727

A

1672-545X（2016）06-0060-04

2016-03-30

作者介紹：林小峰（1955-），男，廣西陸川人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉磽Q轉(zhuǎn)與控制，微電網(wǎng)控制與運(yùn)行；王江偉（1985-），男，廣西大化人，研究生，研究方向?yàn)樾履茉磽Q轉(zhuǎn)與控制；劉斌（1982-），男，湖南會(huì)同人，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c變流技術(shù)，新能源換轉(zhuǎn)與控制；宋紹劍（1970-），男，廣西象州人，碩士，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)能量換轉(zhuǎn)與控制；宋春寧（1969-），男，廣西隆安人，碩士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槎嘣獌?chǔ)能和能源管理系統(tǒng)；黃曾（1989-），男，廣西全州人，研究生，研究方向?yàn)樾履茉磽Q轉(zhuǎn)與控制。