一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统及配置运行方法

摘要

本发明公开了主被动结合的配电网智能反孤岛系统及配置运行方法，其中，该系统包括基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，其配置在配电网台区侧；基于可变扰动负载的主动反孤岛装置用于在配电网处于进行线路检修状态时采集配电网台区侧的电压和电流信号，计算和控制并网可变扰动负载参数，当可变扰动负载并入配电网后发出反孤岛干扰信号；被动防孤岛检测隔离装置，其一端与用户侧配电网相连，另一端与分布式发电系统相连；被动防孤岛检测隔离装置用于全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号，进而提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，并根据与设定的稳态工作阈值比较来控制并网开关断开或合闸恢复，从而实现反孤岛功能。

说明书

技术领域

本发明属于配电网检修防孤岛领域，尤其涉及一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统及配置运行方法。

背景技术

随着分布式发电系统快速发展和大规模应用铺开，农村或城区低压配电网中风光新能源分布式发电系统在此类电网中渗透率不断提高。其中，农村或城区配电网中大量并网的中小型分布式发电系统容易形成局部孤岛效应。单纯依赖质量不一的并网逆变器进行防孤岛，不仅可靠性不高，且影响本地负荷和自组网运行。此类分布式发电系统设备种类多样、数量众多并网检测困难，又因靠近负荷端，极易容易形成局部的电能供用平衡，造成孤岛效应。而复杂的用户群体，操作方法不一，加之无法预知系统应用情景，容易发生大量并网逆变器多时空尺度的并联使用，导致互相干扰和故障，大大降低并网逆变器防孤岛功能的可靠性。

因此当维修人员对线路进行断电检修时，配电网局部可能处于孤岛运行状态，危及检修人员及设备安全。而依赖并网逆变器进行孤岛检测和分断的传统反孤岛装置或系统，无法保证配电网失电后本地负荷或自组网运行，也难以在配电网恢复供电后自动合闸并网发电。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统，其采用主动反孤岛和被动防孤岛两种方式优势互补结合，能可靠安全的完成配电网的智能反孤岛功能和并网恢复功能。

本发明的一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统，包括：

基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，其配置在配电网台区侧；所述基于可变扰动负载的主动反孤岛装置用于在配电网处于进行线路检修状态时，采集配电网台区侧的电压和电流信号，进而根据设定的反孤岛运行阈值范围来计算和控制并网可变扰动负载参数，当可变扰动负载并入配电网后发出反孤岛干扰信号；及

被动防孤岛检测隔离装置，其一端与用户侧配电网相连，另一端与分布式发电系统相连；所述被动防孤岛检测隔离装置用于全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号，进而提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，并根据与设定的稳态工作阈值比较来控制并网开关断开或合闸恢复，从而实现反孤岛功能。

进一步的，所述基于可变扰动负载的主动反孤岛装置包括主动反孤岛检测模块、主动反孤岛计算处理模块、投切模块和可变扰动负载；

所述主动反孤岛检测模块，用于在配电网处于进行线路检修状态时采集配电网台区侧的电压和电流信号并传送至主动反孤岛计算处理模块；

所述主动反孤岛计算处理模块，用于将接收到的电压和电流信号与设定的反孤岛运行阈值范围比较，进而优化可变扰动负载参数，并向投切模块发出控制信号；

所述投切模块，用于接收到控制信号后，进行对应开关的控制投切，使可变扰动负载并入配电网，进而发出反孤岛干扰信号。

本发明在配电台区使用基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，可根据采样的配电网电压和电流信号，智能计算和控制并网可变扰动负载参数，既能够发送有效的反孤岛干扰信号，又不对电能质量造成巨大影响。

进一步的，所述可变扰动负载由有源滤波器、SVG或由多个电力电子开关和电阻、电容和电感这些电子器件构成，由这些电子器件串并联组合关系得到的可变的负载阵列。

进一步的，所述被动防孤岛检测隔离装置包括被动防孤岛检测模块、被动防孤岛计算处理模块和保护控制模块；

所述被动防孤岛检测模块，用于全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号并传送至被动防孤岛计算处理模块；

所述被动防孤岛计算处理模块，用于从接收到的电压和电流信号中提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，对比设定的稳态工作阈值，根据对比结果向保护控制模块发出并网开关控制信号；

所述保护控制模块，用于根据并网开关控制信号来控制并网开关做出相应动作。

本发明的被动防孤岛检测隔离装置随分布式发电系统灵活配置于用户侧的并网逆变器和配电网之间，可以灵活分断隔离用户侧分布式发电系统和配电网，因此在进行孤岛隔离时，不影响自组网和用户本地负荷用电。

进一步的，所述被动防孤岛计算处理模块，还用于在提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号之前，还包括：对接收到的电压和电流信号进行去噪声处理，之后再采用基于小波奇异熵算法来提取反孤岛干扰信号。

本发明在提取主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号之前，对接收到的电压和电流信号进行去噪声处理，保证了后续提取反孤岛干扰信号的准确性，本发明应用小波奇异熵算法，能够准确提取用户侧配电网上主动反孤岛装置发出的扰动，一旦检测到扰动立即控制切除并网开关，让本地分布式发电系统和电网侧脱离，既保证低压配电网已不存在孤岛，保障电网侧检修人员进行安全作业，又不影响用户本地负荷或自组网在配电网失电的情况下正常运行。

进一步的，所述被动防孤岛计算处理模块，还用于在将提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号与设定的稳态工作阈值比对的过程中，若前者超出稳态工作阈值范围，则立即发出隔离控制信号，由保护控制模块断开并网开关，隔离分布式发电系统和配电网；

如果前者未超出稳态工作阈值范围，则进行连续稳态工作周期计数，当计数超过设定值，则发出恢复合闸控制信号，由保护控制模块合闸恢复并网供电。

在被动防孤岛计算处理模块中，如果检测到的扰动导致配电网运行特性超过设定安全运行的阈值，被动防孤岛计算处理模块发出控制信号，切断开并网开关，将分布式发电系统和配电网分断隔离，实现配电网防孤岛，保障检修安全；

如果扰动信息未超过阈值，没有触发防孤岛保护功能，则记录配电网连续正常工作周期数，如果计数超出设定的安全值，则控制并网开关自动合闸配恢复用户供电；如果连续安全工作周期的累计数量不满足设定要求，则计数清零，重复检测。

本发明的用户侧的被动防孤岛检测隔离装置无需通信设备，可快速准确检测主动反孤岛装置的扰动信号，及时可靠隔离分布式发现系统和配电网而不影响本地负荷和自组网运行，待配电网恢复供电后还可安全的自动恢复并网发电。

本发明还提供了一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统的配置运行方法。该方法消除了检修人员和设备的安全隐患，既不影响自组网和用户本地负荷用电，又可准确检测和隔离孤岛。

本发明的主被动结合的配电网智能反孤岛系统的配置运行方法，包括：

基于可变扰动负载的主动反孤岛装置配置在配电网台区侧，在配电网处于进行线路检修状态时实时采集配电网台区侧的电压和电流信号，进而根据设定的反孤岛运行阈值范围来计算和控制并网可变扰动负载参数，当可变扰动负载并入配电网后发出反孤岛干扰信号；

被动防孤岛检测隔离装置串联与用户侧配电网与分布式发电系统之间，全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号，进而提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，并根据与设定的稳态工作阈值比较来控制并网开关断开或合闸恢复，从而实现反孤岛功能。

进一步的，该方法还包括：

主动反孤岛装置采用闭环反馈控制，每间隔一个工频周期自动将可变扰动负载切换为最优目标并投入配电网运行，发出反孤岛干扰信号；每两个工频周期或两个以上工频周期针对配电网状态反馈，调节可变扰动负载的参数，循环投切运行，直至确保配电网彻底失电。

进一步的，在提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号之前，该方法还包括：

对接收到的电压和电流信号进行去噪声处理，之后再采用基于小波奇异熵算法来提取反孤岛干扰信号。

进一步的，在将提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号与设定的稳态工作阈值比对的过程中，若前者超出稳态工作阈值范围，则被动防孤岛检测隔离装置立即发出隔离控制信号，断开并网开关，隔离分布式发电系统和配电网；

如果前者未超出稳态工作阈值范围，则进行连续稳态工作周期计数，当计数超过设定值，则被动防孤岛检测隔离装置发出恢复合闸控制信号，合闸恢复并网供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用主动反孤岛和被动防孤岛两种方式优势互补结合，在配电台区使用基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，可根据采样的配电网电压和电流信号，智能计算和控制并网可变扰动负载参数，既能够发送有效的反孤岛干扰信号，又不对电能质量造成巨大影响。

(2)本发明的用户侧的被动防孤岛检测隔离装置采用小波奇异熵算法，无需通信设备，可快速准确检测主动反孤岛装置的扰动信号，及时可靠隔离分布式发现系统和配电网而不影响本地负荷和自组网运行，待配电网恢复供电后还可安全的自动恢复并网发电。

(3)本发明可有效解决高分布式发电系统渗透率，多并网逆变器联合运行下的配电网在检修时，存在孤岛难消除，供电难安全恢复的问题，消除了检修人员和设备的安全隐患，既不影响自组网和用户本地负荷用电，又可准确检测和隔离孤岛。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是主被动结合的配电网智能反孤岛系统结构示意图；

图2是主被动结合的配电网智能反孤岛系统的配置运行方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是主被动结合的配电网智能反孤岛系统结构示意图。

其中，配电网以星型辐射状网络分布，连接有若干分布式发电系统1和负载3，分布式发电系统1可以按照典型配置，即本地负荷通过用户自组网接到配电网用户侧4上。

如图1所示，本发明的一种主被动结合的配电网智能反孤岛系统，包括：基于可变扰动负载的主动反孤岛装置和被动防孤岛检测隔离装置。

(1)基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，其配置在配电网台区侧；所述基于可变扰动负载的主动反孤岛装置用于在配电网处于进行线路检修状态时，采集配电网台区侧的电压和电流信号，进而根据设定的反孤岛运行阈值范围来计算和控制并网可变扰动负载参数，当可变扰动负载并入配电网后发出反孤岛干扰信号。

在具体实施过程中，在配电台区侧14处，基于可变扰动负载的主动反孤岛装置15接在配电网4上，配电网4和主电网12通过配电变压器13连接。

基于可变扰动负载的主动反孤岛装置包括主动反孤岛检测模块17、主动反孤岛计算处理模块19、投切模块18和可变扰动负载16。

(1.1)主动反孤岛检测模块17，用于在配电网处于进行线路检修状态时采集配电网台区侧的电压和电流信号并传送至主动反孤岛计算处理模块；

(1.2)主动反孤岛计算处理模块19，用于将接收到的电压和电流信号与设定的反孤岛运行阈值范围比较，进而优化可变扰动负载参数，并向投切模块发出控制信号；

(1.3)投切模块18，用于接收到控制信号后，进行对应开关的控制投切，使可变扰动负载16并入配电网，进而发出反孤岛干扰信号。

其中，主动反孤岛装置的配置方式是：配置在配电台区侧，靠近配电网络的辐射中心，可变扰动负载16由有源滤波器、SVG或由多个电力电子开关和电阻、电容和电感这些电子器件构成，由这些电子器件串并联组合关系得到的可变的负载阵列。

本发明在配电台区使用基于可变扰动负载的主动反孤岛装置，可根据采样的配电网电压和电流信号，智能计算和控制并网可变扰动负载参数，既能够发送有效的反孤岛干扰信号，又不对电能质量造成巨大影响。

(2)被动防孤岛检测隔离装置，其一端与用户侧配电网相连，另一端与分布式发电系统相连；所述被动防孤岛检测隔离装置用于全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号，进而提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，并根据与设定的稳态工作阈值比较来控制并网开关断开或合闸恢复，从而实现反孤岛功能。

具体地，被动防孤岛检测隔离装置2串接在分布式发电系统1和低压配电网4的线路上。

被动防孤岛检测隔离装置2包括被动防孤岛检测模块6，被动防孤岛计算处理模块7，保护控制模块8，其中信号采集点的处的电压电流传感器5接在检测模块6上，保护控制模块8控制程控并网开关9。

(2.1)被动防孤岛检测模块7，用于全天候实时采集用户侧配电网的电压和电流信号并传送至被动防孤岛计算处理模块；

(2.2)被动防孤岛计算处理模块7，用于从接收到的电压和电流信号中提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号，对比设定的稳态工作阈值，根据对比结果向保护控制模块发出并网开关控制信号；

其中，被动防孤岛计算处理模块7，还用于在提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号之前，还包括：对接收到的电压和电流信号进行去噪声处理，之后再采用基于小波奇异熵算法来提取反孤岛干扰信号。

其中，小波奇异熵算法是小波变换、奇异值分解理论和信息熵原理的有机结合，最终能对被分析信号的突变程度给出确定的量度。因此，小波奇异熵能够直观区分具有不同时频分布的信号。

本发明在提取主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号之前，对接收到的电压和电流信号进行去噪声处理，保证了后续提取反孤岛干扰信号的准确性，本发明应用小波奇异熵算法，能够准确提取用户侧配电网上主动反孤岛装置发出的扰动，一旦检测到扰动立即控制切除并网开关，让本地分布式发电系统和电网侧脱离，既保证低压配电网已不存在孤岛，保障电网侧检修人员进行安全作业，又不影响用户本地负荷或自组网在配电网失电的情况下正常运行。

除此之外，被动防孤岛计算处理模块7，还用于在将提取所述主动反孤岛装置发出的反孤岛干扰信号与设定的稳态工作阈值比对的过程中，若前者超出稳态工作阈值范围，则立即发出隔离控制信号，由保护控制模块断开并网开关，隔离分布式发电系统和配电网；

如果前者未超出稳态工作阈值范围，则进行连续稳态工作周期计数，当计数超过设定值，则发出恢复合闸控制信号，由保护控制模块合闸恢复并网供电。

在被动防孤岛计算处理模块7中，如果检测到的扰动导致配电网运行特性超过设定安全运行的阈值，被动防孤岛计算处理模块发出控制信号，切断开并网开关，将分布式发电系统和配电网分断隔离，实现配电网防孤岛，保障检修安全；

如果扰动信息未超过阈值，没有触发防孤岛保护功能，则记录配电网连续正常工作周期数，如果计数超出设定的安全值，则控制并网开关自动合闸配恢复用户供电；如果连续安全工作周期的累计数量不满足设定要求，则计数清零，重复检测。

本发明的用户侧的被动防孤岛检测隔离装置无需通信设备，可快速准确检测主动反孤岛装置的扰动信号，及时可靠隔离分布式发现系统和配电网而不影响本地负荷和自组网运行，待配电网恢复供电后还可安全的自动恢复并网发电。

(2.3)保护控制模块，用于根据并网开关控制信号来控制并网开关做出相应动作。

本发明的被动防孤岛检测隔离装置随分布式发电系统灵活配置于用户侧的并网逆变器和配电网之间，可以灵活分断隔离用户侧分布式发电系统和配电网，因此在进行孤岛隔离时，不影响自组网和用户本地负荷用电。

本发明的主被动结合的配电网智能反孤岛系统运行方式是：

当配电网处于进行线路检修状态时，运行配电台区的主动反孤岛装置，根据配电网电压和电流信号，以电网电能质量影响最小为优化目标，在线计算可变扰动负载参数。主动反孤岛装置采用闭环反馈控制，每间隔一个工频周期自动将可变扰动负载切换为最优目标并投入配电网运行，发出破坏配电网侧的孤岛运行的电压、频率、谐波电流等扰动，每两个工频周期可针对配电网状态反馈，调节可变扰动负载的参数，循环投切运行，直至确保配电网彻底失电。

与此配合的是用户侧的被动防孤岛检测隔离装置，其随分布式发电系统灵活配置于用户侧的并网逆变器和配电网之间，其检测模块采集用户侧的配电网的电压和电流信号，应用小波奇异熵算法提取主动反孤岛装置施加在配电网中的扰动，一旦检测到扰动立即控制切除并网开关，让本地分布式发电系统和电网侧脱离，既保证低压配电网已不存在孤岛，保障电网侧检修人员进行安全作业，又不影响用户本地负荷或自组网在配电网失电的情况下正常运行。如果检修完毕，配电台区主动反孤岛装置切除，配电网恢复正常供电，待被动防孤岛检测隔离装置检测到配电网连续稳定正常工作的时间超出设定值后，自动控制并网开关合闸，分布式发电系统恢复正常并网发电工作。

参考附图2，本发明给出了主被动结合的配电网智能反孤岛系统的配置运行方法，具体配置和实施过程为：

步骤1：系统的配置方法为主动反孤岛装置优先配置于与配电台区，如果存在距离配电台区较远的配电网末端，也可增加设备增强反孤岛效果。被动防孤岛检测隔离装置配置在所有分布式发电系统与配电网之间，分布式发电系统即可以是并网逆变器直接挂在配电网上，也可以是各用户为本地负荷搭建的自组网。

步骤2：系统运行后，主动反孤岛装置判断当前是否处于进行线路检修状态，如果是则主动反孤岛装置启用，通过检测模块采集此时的配电网状态信息。

步骤11：主动反孤岛装置计算模块根据采集的信息，判断配电网状态是否满足安全要求，即是否可执行安全检修。如果否，则计算出扰动最小的最优负载参数，控制模块将可变扰动负载调整到目标参数后，投入配电网稳定运行一个工频周期。检测配电网状态反馈，形成闭环控制，此循环可以追踪投切效果，不断调整投切的扰动负载量。在最小电能质量干扰的情况下发出扰动信号

步骤12：如果低压配电网已满足配电网安全要求，则切除负载，重新判断检修状态，如果检修已完毕，则关闭主动反孤岛装置，检修结束，等待下次检修。

步骤3：在用户侧，被动防孤岛检测隔离装置全天候实时运行，不断检测用户测的配电网状态信息。

步骤31：被动防孤岛检测隔离装置的检测模块，根据采集到的配电网状态信息进行小波算法处理，准确提取用户侧配电网上主动反孤岛装置发出的扰动。

步骤32：如果检测到扰动，且此扰动导致配电网运行特性超过设定安全运行的阈值，控制模块发出控制信号，切断开并网开关，将分布式发电系统和配电网分断隔离，实现配电网防孤岛，保障检修安全。

步骤33：如果没有提取出扰动，或者扰动信息未超过阈值，没有触发防孤岛保护功能，则记录配电网连续正常工作周期数，如果计数超出设定的安全值，则控制并网开关自动合闸配恢复用户供电。

步骤34：如果连续安全工作周期的累计数量不满足设定要求，则计数清零，重复检测。

其中，本发明的主动反孤岛装置和被动防孤岛检测隔离装置配置中的判断阈值都可在安装时根据安装位置，配电网不同特点进行人工设定，并可根据调试运行情况实时改变。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。