電網連接的電力系統的島化檢測方法

2023-05-13 18:28:51

專利名稱：電網連接的電力系統的島化檢測方法
技術領域：
本公開涉及檢測電網斷開的方法和裝置。更具體而言，本公開涉及其島化(islanding)和預防。
背景技術：
電網連接分布式發電機(DG)的島化是在包含有該DG的電網的一部分與主設備斷開時發生的，但該DG仍繼續向被隔離部分中的網線(稱為島)供電。
例如，考慮一個經變壓器連接到饋電線的DG系統。負載(不是DG業主所擁有的)經另一變壓器也與同一饋電線相連。假如電網斷開設備(斷路器，自動開關，保險絲或分段隔離開關)啟動，則該DG可能繼續向該電網中的被隔離部分供給電流。這就是島化，由該DG系統供電的該電網的隔離部分被稱為島。
因此，對於預防島化的方法和控制器有著始終不斷的需求。

發明內容
在本發明的方法實施方案中，預防電力系統中的島化，該電力系統包括具有在電路中和分布式發電機及至少一個負載相連接的饋電線的電網。該方法確定該分布式發電機的輸出端的電壓的相移。將該相移與表示由於電網從饋電線斷開而產生的相移的閾值相移加以比較。假如該相移大於閾值相移，則發出命令將分布式發電機從饋電線斷開。
在本發明的另一種方法實施方案中，預防電力系統中的島化，該電力系統包括具有在電路中和分布式發電機及至少一個負載相連接的饋電線的電網。當該分布式發電機和該負載之間的功率失配超出閾值時該方法通過相移程序確定電網從饋電線的斷開。當任何功率失配均未超出閾值時，該方法通過欠/過頻(under/over frequency)程序和欠/過壓(under/over voltage)程序中的任一個或二者進一步確定該斷開。
在本發明的一種控制器實施方案中，預防電力系統中的島化，該電力系統包括具有在電路中和分布式發電機及至少一個負載相連接的饋電線的電網。該控制器包括處理器，存儲器和輸入/輸出單元。該存儲器包括電網斷開程序，該程序可使處理器確定分布式發電機的輸出端的電壓的相移。該程序還可使處理器將該相移同表示由於電網從饋電線斷開而產生的相移的閾值相移加以比較。假如該相移大於閾值相移，則該處理器發出命令將分布式發電機從該饋電線斷開。


圖1為一種電網斷開檢測裝置的實施方案的方框圖。
圖2為圖1裝置的數據發生器的輸出電壓的波形圖。
圖3為圖1裝置的控制器的方框圖。
圖4和圖5是圖3控制器的電網斷開檢測程序的流程圖。
具體實施例方式
參照圖1，電網20與饋電線22相連，該饋電線在電路中和負載24及DG 26相連。電網20和公共設施(未示出)相連接。在饋電線22中置放有斷開設備28，其目的在於，當電網20中出現異常擾動時將電網20從饋電線22斷開。在饋電線22中置放了另一個斷開設備30，其目的是將DG 26從饋電線26斷開。本領域的技術人員將清楚一個以上的負載可以連接到饋電線22，並且DG 26和負載24可以經變壓器(未示出)連接到饋電線22。
斷開設備28和30可以是任何合適的斷開設備，如斷路器，自動開關，保險絲，分段隔離開關等。DG 28可以是任何分布式發電機或一組分布式發電機，如光電系統，燃料電池，微型渦輪機，小型發動機等。
假如斷開設備28開啟，DG 26可能繼續向饋電線22供給電流，其將由於開啟的斷開設備28而與電網20隔離。這就是島化，並且電網的被隔離部分(饋電線22和與之連接的電路)被稱為島。
電壓測量設備36監測DG 26輸出端的電壓。電壓測量設備36將監測到的電壓採樣提供給控制器40。然後控制器40對電壓採樣進行處理以檢測當電網20因斷開設備28的動作而斷開時發生的相位躍變。
在正常條件下，DG 26的輸出電壓由電網20調節。當電網20由於斷開設備28的打開而被斷開時，DG 26變成被島化的。假如在DG 26和負載24之間存在著功率失配，則由於歐姆定律電壓矢量將移動其相位以達到平衡無功功率的目的。這種相移通常在電網20斷開後即刻出現。
在本發明的第一種實施方案中，相位躍變檢測試圖依據電壓測量在第一個或少數幾個周期內捕俘電壓矢量的相位改變，然後向斷開設備30發送跳閘信號，該斷開設備開啟。該動作使DG 26從饋電線22斷開，因而預防了島化。
功率失配和相位躍變θ之間的關係可以推導如下 此處ΔP和ΔQ為功率失配，θ閾值為相位躍變設定閾值。
假如相移θ大於閾值相移θ閾值，則該相位躍變(即電網20斷開)被檢測到。假如相移θ等於或小於閾值相移θ閾值，則認為任何相移都是由於正常擾動所致。
閾值相移θ閾值是根據在使用該設備的系統中的最大可能擾動而選定的。閾值應當大於(在一定容限下)由擾動所引起的相移以避免在正常的電網連接操作期間的錯誤跳閘。
方程式(1)揭示出，在電網斷開時如果功率失配ΔP和ΔQ滿足條件(θ≤θ閾值)，則不能檢測到島化，因為實際的相位躍變小於該閾值。
從方程式(1)還可以看出，該相位躍變方法的有效性並不受負載24的品質因數Qf的影響。對於較高品質因數負載而言，欠/過頻保護變得不太有效。
在本發明的第二種實施方案中，將該相移檢測方法同欠/過頻及欠/過壓保護相結合。這種結合減小了欠/過頻保護的非檢測區(在ΔP和ΔQ空間中所限定的，ΔP和ΔQ在用於檢測過程的區域內足夠小以進行響應)。另外可以看到，該相位躍變方法對於高有功功率失配並非十分有效，但欠/過壓保護對於高有功功率失配是靈敏的。因此，將相位躍變，欠/過頻和欠/過壓組合將導致減小的抗島化非檢測區。在這種實施方案中，假如DG 26和負載24之間的功率失配超出閾值則使用相移程序確定電網斷開，並且如果任何功率失配均未超出閾值則使用欠/過頻程序和欠/過壓程序中的任一個或兩者。該實施方案可採用任何常規的欠/過頻程序和欠/過壓程序。
電壓測量設備36連續監測DG 26的輸出端的電壓並將其採樣發送給控制器40。依據該測量電壓，基於零交叉，鎖相環，DQ(直接二次)鎖相環或其他頻率跟蹤程序可計算出頻率。
參照圖2，用電網20斷開後的電壓特徵波形42描述了零交叉技術的實例。在電網20斷開之前，可根據兩個連續的波形零交叉的時間周期，定義為Tn-1，測量其頻率。在電網20斷開之後，由於DG 26和負載功率失配將出現相移。接著兩個連續的零交叉的下一個時間周期，定義為Tn，將與Tn-1不同。此處Tn和Tn-1是兩個連續頻率測量的倒數fn＝(1/Tn)和fn-1＝(1/Tn-1)。根據先前測量的頻率fn-1，可以計算出沒有電網斷開情況下的下一零交叉時間。計算的零交叉和實際測量的零交叉之間的角度是由於電網斷開產生的相移θn，並根據下式得出n=2(1-fn-1fn)---(2)]]>為改善性能，本發明的替換實施方案使用三個周期來代替使用具有兩個連續測量的一個周期的相位改變。在此種情形下，雖然需要更多的存儲，但安全性和可靠性均得到明顯改善。該原因是由於電網的瞬態變化即使是沒有電網斷開也可以短暫地出現一些相位變化。控制器40可以獲得那些瞬態變化作為島化事件並引起錯誤跳閘。那些瞬態變化通常使頻率短暫上升和下降而不是在一個方向上漂移。因此，採用三個周期，短期的頻率振蕩將不會引起過多的相位改變。這種三周期測量的實現可以表述如下
參照圖3，控制器40包括處理器50，輸入/輸出(I/O)單元52，存儲器54和總線56。總線56將處理器50，I/O單元52和存儲器54互連。I/O單元52包括任意希望的I/O裝置，如鍵盤，顯示器，印表機，用於通過網絡進行通信的通信設備，用於接收信號(例如從電壓測量設備36接收電壓採樣)或用於發送信號(例如將跳閘信號發送給斷開設備30)的埠等。存儲器52包括作業系統58和控制器程序60。控制器程序60包括電網斷開檢測程序62。存儲介質64(例如盤)包括電網斷開程序62的拷貝，還可以包括作業系統58、控制器程序60、或其他軟體的拷貝，其可被載入存儲器54中。
作業系統58控制處理器50執行控制器程序60和電網斷開檢測程序62以檢測電網20從饋電線22的斷開。電網斷開程序62處理電壓採樣以確定當前零交叉和一個或多個先前的零交叉之間的相移θn。將該相移θn同相移閾值θ閾值進行比較，並且如果是大於，則相移θn表明電網斷開。然後發出使跳閘信號發送至斷開設備30的命令以將DG 26從饋電線22斷開。
參照圖4，在步驟70，電網斷開檢測程序62的第一實施方案測量DG 26的輸出電壓。步驟70接收該電壓採樣和確定零交叉時間。步驟72根據當前零交叉確定當前頻率fn。步驟74根據當前頻率fn和先前頻率fn-1確定相位變化θn。例如，步驟74利用方程式2。步驟76將當前相移θn同閾值相移θ閾值進行比較。假如當前相移θn較大，則步驟78發出命令以產生跳閘信號，該信號使斷開設備30跳閘，因而使DG 26從饋電線22斷開。如果當前相移θn等於或小於閾值相移θ閾值，則步驟80將當前頻率fn存儲以便在下一迭代期間使用。步驟70～76和80不斷地重複直至步驟76確定當前相移θn大於閾值相移θ閾值為止。然後步驟78發出跳閘信號命令並將程序52復位。
參照圖5，電網斷開程序62的另一種實施方案同圖4中所示的實施方案相同，除了當前相位改變θn是根據當前頻率fn和三個先前頻率fn-1-，fn-2和fn-3確定的。圖5中與圖4中所示的那些相同的步驟用相同的參考數字表示。圖4中的步驟74在圖5中被步驟84所取代，其依據當前頻率fn和三個先前頻率fn-1，fn-2和fn-3來進行相移確定。例如，步驟84可以使用方程式(3)。
不管用於程序步驟的指令儲存在何處，當它們被處理器執行時，它們都提供便於檢測電網從包括DG的線路斷開的技術效用。
還應當注意到，術語「第一」，「第二」，「第三」，「較高」，「較低」等可以用在此處修飾各種元件。這些修飾並不暗含對被修飾元件的空間的，先後的或層次的順序，除非特別說明。
儘管參照一個或多個示範性實施方案對本發明做了描述，但本領域技術人員應當懂得在不偏離本發明的範圍的情況下可以做出各種改變，也可以用等效物替代其相應元件。除此之外，在不偏離本發明的範圍的情況下，可以進行多種修改以使特定情形或材料適合本公開的教導。因此，本發明並不旨在受限於所公開的為完成本發明作為最佳模式考慮的具體實施方案，而是本發明將包括落入附屬權利要求範圍內的所有實施方案。
權利要求
1.一種用於預防電力系統中的島化的方法，該電力系統包括電網(20)，該電網(20)具有在電路中和分布式發電機(26)及至少一個負載(24)相連接的饋電線(22)，所述方法包括確定(74，84)所述分布式發電機輸出端的電壓的相移；將所述相移同表示由於所述電網從所述饋電線斷開產生的相移的閾值相移進行比較(76)；以及假如所述相移大於所述閾值相移，則發送(78)用於將所述分布式發電機從所述饋電線斷開的命令。
2.權利要求1的方法，其中所述相移是通過將所述電壓的當前零交叉同先前零交叉比較確定的。
3.權利要求2的方法，其中所述比較是基於所述當前零交叉的頻率fn和所述先前交叉的頻率fn-1的。
4.一種用於預防電力系統中的島化的控制器(40)，該電力系統包括電網(20)，該電網(20)具有在電路中和分布式發電機(26)及至少一個負載(24)相連接的饋電線(22)，所述控制器包括處理器(50)，存儲器(54)和輸入/輸出單元(52)，其中所述存儲器包括使所述處理器執行如下操作的電網斷開程序(62)確定(74、84)分布式發電機輸出端的電壓的相移；將所述相移同表示由於所述電網從所述饋電線斷開產生的相移的閾值相移進行比較(76)；假如所述相移大於所述閾值相移，則發送(78)用於將所述分布式發電機從所述饋電線斷開的命令。
5.權利要求4的控制器，其中所述相移是通過所述電壓的當前零交叉同先前零交叉比較確定的。
6.權利要求5的控制器，其中所述比較是基於所述當前零交叉的頻率fn和所述先前零交叉的頻率fn-1的。
7.權利要求4的控制器，其中所述相移是根據下式確定的n=2(1-fn-1fn)]]>其中θn為所述相移，以及fn和fn-1分別是所述電壓的當前零交叉和先前零交叉的頻率。
8.權利要求4的控制器，其中所述相移是根據下式確定的 其中θ總是所述相移，θn，θn-1和θn-2分別為當前，第一先前和第二先前的相移，以及fn，fn-1，fn-2，fn-3分別為所述電壓的當前，第一先前，第二先前和第三先前的零交叉的頻率。
9.一種用於預防電力系統中的島化的控制器(40)的存儲介質，該電力系統包括電網(20)，該電網具有在電路中和分布式發電機(26)及至少一個負載(24)相連接的饋電線(22)，所述控制器包括處理器(50)，存儲器(54)和輸入/輸出單元(52)，所述存儲介質包括使所述處理器執行如下操作的電網斷開檢測程序(62)確定所述分布式發電機輸出端的電壓的相移；將所述相移同表示由於所述電網從所述饋電線斷開產生的相移的閾值相移進行比較；以及假如所述相移大於所述閾值相移，則發送用於將所述分布式發電機從所述饋電線斷開的命令。
10.權利要求9的存儲介質，其中所述相移是通過將所述電壓的當前零交叉同先前零交叉進行比較確定的。
全文摘要
一種用於檢測電網(20)從饋電線(22)斷開的相移程序(62)，該饋電線與負載(24)和分布式發電機(26)相連。該相移程序比較(76)分布式發電機的輸出電壓的當前相移和預定閾值，並且如果是大於，則發送(78)命令以將分布式發電機從饋電線斷開。為擴展檢測範圍，當分布式發電機(26)和負載(24)之間的功率失配超出閾值時使用該相移程序，以及當任何功率失配均未超出閾值時使用欠/過頻程序和欠/過壓程序中的任一個或兩者。
文檔編號H02J3/38GK101019293SQ200480039902
公開日2007年8月15日 申請日期2004年11月12日 優先權日2003年11月14日
發明者Z·葉, P·杜 申請人:通用電氣公司