含分布式電源的配電網(wǎng)保護與控制實驗平臺的開發(fā)

仉志華， 薛永端， 馮興田， 康忠健

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

含分布式電源的配電網(wǎng)保護與控制實驗平臺的開發(fā)

仉志華， 薛永端， 馮興田， 康忠健

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

本文介紹了一種含分布式電源的配電網(wǎng)保護與控制實驗平臺實現(xiàn)方法，分析了一次與二次系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)，并以孤島保護功能實現(xiàn)為例，分析了實驗設計思路，實踐效果良好。

電氣工程；分布式電源；保護與控制；實驗平臺

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益突出，可再生能源發(fā)電技術(shù)近年來發(fā)展迅速，且大多數(shù)分布式電源將通過配電網(wǎng)接入系統(tǒng)，傳統(tǒng)潮流和短路電流單向流動的無源網(wǎng)絡，變?yōu)槎唠p向的有源網(wǎng)絡，而且可再生能源發(fā)電普遍具有出力隨機性與間歇性特點。原有配電網(wǎng)保護與控制方法將無法適用，這已成為國內(nèi)外業(yè)界普遍關(guān)注的焦點[1-3]。

為適應形勢發(fā)展并及時跟蹤專業(yè)發(fā)展，很多高校電氣工程及其自動化專業(yè)的教學大綱中都增設了“新能源發(fā)電”、“微電網(wǎng)保護與控制”、“智能電網(wǎng)技術(shù)”、“配電網(wǎng)及其自動化”等相關(guān)課程。而且有些高校已建成了分布式發(fā)電、微電網(wǎng)保護與控制、有源配電網(wǎng)物理模擬仿真等專業(yè)實驗室，但主要用于科研[4-7]，專門適用于本科生實驗教學的裝置很少。

為滿足傳統(tǒng)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)課程需要，多數(shù)高校都購置或者自主研發(fā)了電力系統(tǒng)自動化實驗平臺，但該裝置集成化程度普遍較高，不利于學生動手能力的培養(yǎng)；所開發(fā)出的內(nèi)容僅能滿足傳統(tǒng)驗證性實驗，無法適應創(chuàng)新性、前瞻性實驗項目的開設要求[8]。

本文介紹了一種適用于含分布式電源配電網(wǎng)保護與控制實驗要求的平臺設計方法，詳細給出了一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與二次系統(tǒng)設計思路，并以孤島保護為例分析了實驗內(nèi)容設計思路。該平臺融合了傳統(tǒng)實驗與綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容開設要求；能夠滿足不同層次學生的實驗需求，有利于培養(yǎng)學生分析與解決問題的能力。

1 實驗平臺設計

1.1 一次系統(tǒng)構(gòu)成

該實驗平臺的一次單線圖如圖1所示，主要包括同步發(fā)電機、模擬負載、雙回等效線路、與系統(tǒng)連接的自耦變壓器等四大部分[9]。模擬分布式電源的同步發(fā)電機由直流電動機作為原動機驅(qū)動，并通過隔離變壓器T和開關(guān)QF0接入系統(tǒng)母線BUS1；光伏、微型燃氣輪機等分布式電源也可按同樣方式接入系統(tǒng)。采用異步電動機與大功率電阻箱模擬系統(tǒng)負荷，通過BUS1接入系統(tǒng)，每一路負荷均可獨立控制。線路由分段電抗XL1-XL4等值，能夠模擬多個位置上設置不同類型故障；分布式電源或負荷，也可通過等效線路上的每段阻抗節(jié)點處接入，增強實驗開設的靈活性。整個實驗平臺通過自耦變壓器AT 經(jīng)QF7與系統(tǒng)連接，該實驗平臺可脫網(wǎng)運行也可聯(lián)網(wǎng)運行。

根據(jù)實驗內(nèi)容設置需要，在發(fā)電機出口、線路首端與末端、負荷側(cè)以及聯(lián)絡線開關(guān)處均配置了保護用及測量用電壓和電流互感器，為開設測量、保護、控制與調(diào)節(jié)實驗內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)實驗平臺一次系統(tǒng)

1.2 二次系統(tǒng)構(gòu)成

通過實驗環(huán)節(jié)，學生可加深對所學基礎(chǔ)理論知識的理解，直觀了解實際系統(tǒng)的運行特性與物理現(xiàn)象；二次系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)保護與控制的基礎(chǔ)，其工作于強電磁場環(huán)境中，必須具有良好的電磁兼容性；且電力系統(tǒng)繼電保護的接口必須符合嚴格的標準要求；若基于實驗室原有的51系列單片機，無法滿足相關(guān)性能要求，不利于學生了解現(xiàn)場，同時對于實現(xiàn)過程中的安全性無法保障。為此，我們與電力系統(tǒng)保護設備生產(chǎn)廠家合作，基于其現(xiàn)場應用的保護單元硬件框架，專門設計了為學生實驗用的保護終端，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能終端硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

以DSP BF536、FPGA為核心，采用16位ADC構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每周波采樣128點；配置了16路模擬量輸入，開關(guān)量輸入與輸出各32路，接口標準與現(xiàn)場要求完全一致；保留了以太網(wǎng)、CAN總線等各種通信接口，可支持就地與分布式智能控制應用，能夠滿足含分布式電源配電網(wǎng)保護與控制相關(guān)實驗要求；且具有與現(xiàn)場設備相同的抗電磁干擾能力。該二次開發(fā)平臺，為確保實驗過程中設備的安全、可靠運行奠定基礎(chǔ)。

為在有限的實驗時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容，提高整體時效性，在平臺中設定了應用程序接口，學生只需要在所提供的軟件接口基礎(chǔ)上進行編程、實現(xiàn)對應功能即可；既滿足了學生實驗安全性的要求，又避免了一切從零開始的重復性實驗內(nèi)容。該平臺軟件設計采用的層次化、模塊化結(jié)構(gòu)，如圖3所示共包括硬件接口層、支撐軟件層以及應用軟件層。采用linux2.6實時多任務操作系統(tǒng)、SQLite數(shù)據(jù)庫，并開放接口驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集與處理、通信等軟件模塊在內(nèi)的應用程序支撐軟件，應用程序通過API(應用程序訪問接口)訪問底層資源和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與應用的分離。學生只需設計對應的保護與控制算法，根據(jù)所提供的各種軟件接口，采用C語言專注于應用程序的開發(fā)即可。同時為幫助學生了解該平臺的軟硬件結(jié)構(gòu)，將單獨設置一次實驗課程專門用于講解和熟悉該平臺，有效避免了每次重復的初始化、數(shù)據(jù)采集、接口邏輯電路設計等工作，提高整個實驗過程的實效性。

可見，本實驗平臺的一二次系統(tǒng)均提供開放的實驗環(huán)境。按照課程理論內(nèi)容體系和學生的不同需求，分為必做和選做實驗兩類。必做內(nèi)容為課程基礎(chǔ)內(nèi)容服務，選做主要為學生提供創(chuàng)新性和綜合性實驗提供平臺；普適教育的學生以必做內(nèi)容為主，選做內(nèi)容為輔；卓越工程師班的學生在完成必做內(nèi)容基礎(chǔ)上，加大對選做內(nèi)容數(shù)量和質(zhì)量的要求，鍛煉創(chuàng)新和實踐意識，提高學生的自主學習和實際動手能力。而且，該實驗平臺也為畢業(yè)設計、大學生創(chuàng)新項目提供實驗環(huán)境，具有較高利用率。

圖3 終端平臺軟件框架

2 實驗案例

在原有發(fā)電機勵磁控制、準同期操作、線路過流保護、重合閘等常規(guī)實驗開設基礎(chǔ)上，基于該平臺又開發(fā)出孤島保護、微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換控制、低壓低頻自動減載、發(fā)電機不同控制模式轉(zhuǎn)換等多項實驗內(nèi)容。下面以孤島保護實驗內(nèi)容為例，予以說明。

孤島運行是指當電網(wǎng)由于電器故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，分布式電源未能及時檢測出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)，使分布式電源和周圍的負載組成一個電力公司無法控制的自供給系統(tǒng)[10]。孤島運行分為計劃孤島與非計劃孤島兩種。按照預先設置的控制策略而有計劃的孤島運行現(xiàn)象稱為計劃孤島；非計劃、不受控地發(fā)生的孤島現(xiàn)象為非計劃性孤島。分布式電源普遍具有隨機性與間歇性出力的特點，無法對其實施有效的調(diào)度；因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障后部分區(qū)域會轉(zhuǎn)入孤島運行，這不僅會危及到電網(wǎng)維護人員和用戶的安全，干擾電網(wǎng)的正常合閘，而且由于功率不平衡難以保證局部區(qū)域的電壓及頻率指標。微電網(wǎng)就是將相對集中分布的負荷與分布式電源統(tǒng)一納入管理，形成一個相對獨立的小電網(wǎng)，并通過電力電子裝置連接到電網(wǎng)運行；由于其可以自行管理內(nèi)部能量供求關(guān)系，因此微電網(wǎng)還可以脫離電網(wǎng)而獨立運行。微電網(wǎng)可視為計劃孤島的一種特殊實現(xiàn)形式?？傊挥袇^(qū)域內(nèi)部功率平衡的計劃孤島才有能維持穩(wěn)定運行現(xiàn)象，而且孤島保護成為分布式電源接入系統(tǒng)以及微電網(wǎng)必須配置的保護之一，其檢測原理主要分為基于就地信息量與遠方直接跳閘式兩種。前者是基于分布式電源或者微電網(wǎng)接入點處的電壓變化、相位偏移、頻率變化等信息，易于實現(xiàn)但存在著保護“死區(qū)”；后者通過檢測饋線出口處斷路器的狀態(tài)判斷是否發(fā)生孤島，但是當饋線分段之后，此判據(jù)可能會失效。因此，將上述兩種原理相結(jié)合，建立基于廣域信息的孤島保護方式較為完善。本實驗系統(tǒng)可以針對上述三種原理進行測試對比，使學生加深對于孤島保護監(jiān)測原理的理解。在實驗系統(tǒng)內(nèi)負荷與分布式電源出力基本均衡時(設定的發(fā)電機出力為2 kW，負荷為1.9 kW)，斷開饋線與系統(tǒng)之間的開關(guān)，此時發(fā)電機并網(wǎng)點出的電壓波形為圖4所示，電壓大小、相位以及頻率偏差均非常小，均在設定的閾值之內(nèi)，孤島保護不動作。而基于廣域信息的孤島保護方法，如圖5所示，在孤島發(fā)生后，1個周波之后孤島保護動作，饋線失壓，孤島保護可靠動作。

圖4 孤島保護未有效動作時饋線電壓變化

圖5 孤島保護有效動作之后饋線電壓變化

此實驗過程中，要求學生基于一次實驗平臺搭建實驗系統(tǒng)，基于二次平臺編程實現(xiàn)三種孤島保護方法，通過設置不同的分布式電源出力與負荷組合、以及不同位置處開關(guān)變位情況，分別測試三種方法的適應性，從而加深對于孤島保護的理解。對于學有余力的學生，還可以增加實驗廣度與深度，要求學生研究基于就地信息的孤島保護閾值設置原則，分析不同分布式電源出力以及負荷大小對于電壓幅值、相位變化率及其時間窗口等參數(shù)擾動的影響，進而確定合理的閾值。

3 結(jié)語

本文結(jié)合課題組近幾年科研項目與體會，借鑒國內(nèi)其他高校實驗室微電網(wǎng)保護與控制、分布式發(fā)電等實驗室建設與規(guī)劃思路，在電力系統(tǒng)自動化實驗平臺基礎(chǔ)上進行了一次系統(tǒng)完善，并開發(fā)了與現(xiàn)場實際接口標準完全一致的二次系統(tǒng)，形成了完整的含分布式電源配電網(wǎng)保護與控制實驗平臺。

實驗平臺上開設的實驗內(nèi)容緊密跟蹤學科發(fā)展方向和研究熱點，理論聯(lián)系實際，激發(fā)學生的學習興趣。同時，課題組成員先后承擔多項相關(guān)的科研課題，將相關(guān)科研成果與科研體會引入到實驗教學中，實現(xiàn)了產(chǎn)學研有機結(jié)合。該實驗平臺可滿足普適教育與精英教育的需要，為后續(xù)卓越工程師班開設實驗奠定基礎(chǔ)；也為畢業(yè)設計、研究生實訓以及大學生創(chuàng)新項目，提供實驗環(huán)境，具有較高的實驗設備利用率。

實驗平臺與實驗內(nèi)容的設置，充分體現(xiàn)了前瞻性、繼承性、綜合性與創(chuàng)新性的特點，且實踐效果明顯，能夠很好滿足多層次電氣專業(yè)學生培養(yǎng)的實驗要求，為提高學生分析與解決問題的能力、強化動手能力尤其跟蹤學科前沿能力提供了靈活的開放實驗平臺。

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Experimental Platform Development for Distribution System Protection and Control with Distributed Generators

ZHANG Zhi-hua, XUE Yong-duan, FENG Xing-tian, KANG Zhong-jian

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580 ,China)

A designing method for the protection and control experiment platform of distribution network with distributed generators is presented in this paper. It introduces the primary system and secondary system structure. As an experimental design example, the island protective relaying experiment is analyzed. Its effectivity has been proved.

electrical engineering； distributed generator； protective relaying and control； experimental platform

2016-06-04;

2016-11- 07

校級教學實驗技術(shù)改革類重點項目(SY-A201409),(SY-B201423),(JY-A201401)

仉志華(1977-)，男，博士，副教授，主要從事有源配電網(wǎng)故障自愈及主動電壓控制技術(shù)、微電網(wǎng)保護與控制技術(shù)等相關(guān)教學與科研工作。E-mail：zzh-upc@163.com

A

1008-0686(2017)02-0120-04

中文分類號：TM771