基于光伏并網點孤島保護監控運維平臺的研究

董恩智，王研，常少聰，張靖晗，賈春賀

（國網吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

隨著國家政策的大力推動，光伏發電呈現逐年上升的態勢，改變了傳統電網從電源端到負荷端的單向潮流供電模式。從光伏并網點的電壓、線路流向、線路電流、電能質量、繼電保護以及網絡可靠性等都產生了重大影響,尤其是當電網發生孤島故障時，由于該區域的電網不受電網系統控制，對整個系統和用戶設備的安全造成很大的威脅。例如，對電力維修人員生命安全造成威脅、影響配電系統上的保護開關動作、對用電設備帶來破壞等。

基于光伏系統對人員及配電網絡的影響，且并網點數量龐大、地理位置分散，致使監控運維非常困難。監控運維平臺通過研究并網集群測控技術，解決了海量光伏數據的采集、處理、存儲問題。通過研究互聯網+技術，為運維人員提供了方便快捷的監控運維手段。

1 監控運維平臺的系統架構

1.1 孤島保護概述

孤島故障：在電網遭遇天氣變化、線路短路的情況下，整個電網系統停電，但是部分區域因為不受電網系統控制而出現局域供電的現象。

孤島故障帶來的問題：孤島運行不受電網控制，電網恢復運行時，孤島區域的電壓瞬間超額，致使用電設備損壞，甚至影響到維修人員的安全。

孤島故障的檢測方法：主要分為主動檢測法和被動檢測法。其中主動檢測法包括AFD檢測法、SMS檢測法、ACD檢測法、FJ檢測法等。被動檢測法包括過壓和過頻檢測法、欠壓和欠頻檢測法、電壓諧波檢測法、PJD檢測法等。下面對幾種方法進行簡要介紹。

1.2 主動式孤島檢測方法

（1）頻率偏移檢測法(AFD)：是通過輸出頻率失真的電流沖擊電壓和電流的保護界限值，使孤島區域的電網不能正常運行，出現反孤島效應。

（2）滑模頻漂檢測法(SMS)：是將輸出的電流與電網之間的電壓拉開差距，以使得電網在發生故障時，能夠通過電壓的頻率判斷出孤島現象的區域。這種方法操作簡單，成本較低，但當用電設備數量較多時，很容易失效。

（3）周期電流干擾檢測法（ACD）：是在電網正常運行時，改變輸出電流，觀察電壓的變化。當電網斷電時，輸出電壓取決于負載，當到了改變電流的位置，電壓和電流都發生變化。電網欠電壓時即可得到檢測結果。

（4）頻率突變檢測法(FJ)：是在AFD基礎上進行變動，通過將電流波形輸入死區， 頻率設定為振動模式，觀察逆變器的電壓頻率是否和預先設定好的頻率相同來判斷孤島現象。這種方法在逆變器較少時，能夠有效防止孤島現象，但是逆變器較多時，檢測方法的有效性會降低。

1.2.1 被動式孤島檢測方法

此方法是根據發生故障時，對電網逆變器的電流指標進行判斷，是否發生了孤島故障。

（1）過/欠壓和過/欠頻檢測法：這種方法是指一旦電網中的電壓的幅值和頻率出現異常，就將逆變器停止運行，這種方法雖然成本較低，但是非檢測區的范圍較廣，效率不高，存在局限性。

（2）電壓諧波檢測法：電壓諧波檢測法則是通過觀察電壓的諧波失真度來檢測孤島故障。但是由于許多不確定性因素，這一方法實施起來難度較高。

（3）電壓相位突變檢測法(PJD)：電壓相位突變檢測法（PJD）是根據光伏發電網的電流電壓的變化來檢測孤島現象。這種方法容易實現，操作簡單，但在負載阻抗角極小時，用電設備呈阻性，這種方法就不再適用。

1.2.2 其他方法

除了較為常見的幾種方法，網側阻抗插值法也是孤島故障檢測方法的一種，這種方法是在電網的終端加入一個較大的電阻，使孤島區域的電壓電流發生變化，不能正常運行。另一種是故障信號控制法，即一旦發生故障，電網發出故障信號，以切斷分布式能源系統和電網的連接。

孤島檢測被動法中存在的技術問題。在孤島檢測被動法中面對的技術問題是：利用采集到的電壓頻率基本電氣量進行過壓、低壓、過頻、低頻孤島的判定，這種判定方法由于負載種類不同和負載變化，可能躲過判定條件，形成檢測盲區。被動檢測法中的諧波檢測法，傳統的快速傅里葉變換算法不能準確的判斷諧波發生的時刻、持續的時間，由于諧波含量很小，計算準確度低，閾值設定無法很精確，單獨使用快速傅里葉變換有可能因為突變的時間過短，快速傅里葉變換的積分作用，使計算突變的時間不準確，諧波含量計算有積分誤差，判決門檻的不靈活，導致進入孤島的檢測盲區。

1.3 監控運維平臺

各光伏電站的并網點保護測控設備通過GPRS網絡通訊方式，即插即用與光伏并網點孤島保護監控運維平臺建立起通信通道，并實時發送并網點的運行數據（功率、電壓、電流）等，并網點保護測控設備同時接收監控運維平臺下發的控制命令（斷網控制命令等），實現了電站遠程控制。將孤島保護與物聯網結合起來，大大加快了孤島故障的預警及時性，也方便了人們的生活。

光伏并網點孤島保護監控運維平臺通過建立云數據中心，采用云計算、物聯網、網絡通信等技術，實現了光伏電站并網點的零維護接入, 從而實現了光伏電站的在線狀態監測與控制；通過對綜合數據進行分析評估，深入數據挖掘，實現了智能分析告警，保證光伏電站安全、平穩的并/離網運行；平臺監測信息均通過互聯網實時發布，用戶可通過電腦/手機等隨時隨地關注電站的運行狀況。

2 服務集群技術

監控運維平臺需要同時接入區域內所有光伏電站的并網點保護測控設備，自動采集電站并網點的信息，實現電站信息的分析處理，因此一臺服務器節點已經遠遠不能滿足應用需求，并且監控運維平臺的建設是需要逐步推進來完成，隨著光伏電站數量的增長而逐步增長。結合以上應用需求，監控運維平臺很有必要采用集群技術，通過利用一組相互獨立、高速網絡互聯的服務器節點來共同完成各種任務，這樣就可以根據業務需要逐漸增加服務器節點，來滿足日益增長的信息需求，從而有效的降低系統平臺成本。

如圖1所示，采用了采集服務集群的各采集服務器功能完全對等，每臺采集服務器均與成千上萬臺并網點保護測控設備進行24小時不間斷通訊，某臺采集服務器節點實效后，通過采用負載均衡技術使通訊功能自動切換到其它采集服務器上，提高了系統的高效性和可擴展性。

數據的起始字符采用了電力系統常用的十六進制字符68H,數據包長度Len表示整個數據包的長度大小，電站編碼ID表示各電站并網點的唯一編碼，驗證密鑰Key表示本數據包的驗證密鑰,用于驗證本數據包的正確性，用戶數據Data表示本數據包傳輸的具體數據，數據項可以根據實際需要自由定義，檢驗字符CS表示除本字符之外的數據包的所有字符的邏輯運算。

圖1 光伏并網點孤島保護監控運維平臺

3 結語

本文簡要描述了光伏電網的孤島故障問題，并列舉了相應的檢測方法，在此基礎上將孤島檢測方法和物聯網相結合，研究了基于物聯網架構下的光伏并網點孤島保護的監控運維平臺，系統通過基于并網點保護測控設備的GPRS網絡對光伏并網點進行監控，經過實踐證明，通過采用集群技術，提高了系統的并行計算能力，使不同硬件產品可以在同一平臺下運行，提高了硬件資源的利用率，通過任務的動態分配，保證了服務器故障不影響系統運行，提高了系統的穩定性。通過采用互聯網的發布手段，充分實現了海量光伏電站的監視與控制，大大提高了光伏并網系統的運維水平。

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