分布式电源接入装置的研究和设计

分布式电源接入装置的研究和设计

彭明智1，张 维2，熊泽群1

（1.安徽省电力公司超高压公司，安徽 合肥 230601；2.珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519060）

摘要：阐述了分布式电源和微网结构体系，在微网架构下研究了0.4 kV级和10 kV级两种分布式电源接入系统。提出一种采用ARMTDMI（-S）芯片的分布式电源通用接入装置，分别设计了该装置的两大模块：功率传输模块和控制信息模块。该接入装置具有并网同期检测功能；采用结合各种主动式和被动式检测方法的随机性、周期性检测方案的孤岛效应检测功能；兼容以太网、串口和MODEM三种通信方式，能满足主网、微网各DG三级之间的通信；具有功率控制管理功能和继电保护功能。针对含有微网的配电网，提出一种纵联（比相式）保护结合工频突变量原理的保护思路。 关键词：分布式电源（DG）；微网；功率传输模块；控制信息模块；保护

Research and design of the grid-connected equipment of DG

PENG Ming-zhi1，ZHANG Wei2，XIONG Ze-qun1

（1. Ultrahigh Voltage Power Company，Hefei 230601，China；2. XJ Electric Distribution Automation Co，Zhuhai 519060，China） Abstract：This paper elaborates the distributed generation and the micro-grid structure system, studies two kinds of accessing system of 0.4 kV level and 10 kV level distributional power source under the micro-grid construction. One kind of distributed generation grid-connected equipment using the ARM7TDMI(-S) chip is proposed, and the power transmission module and the control information module of this device is designed. The device has the function of grid-connected synchronization detection; the island effect detection function of random and periodic detection scheme which combined various kinds of active and passive detection methods. This equipment is compatible with three means of communication, including Ethernet, serial port and MODEM, which can satisfy communication among the main network, micro-grid, and the distributed generation. In view of micro-network for the distribution network, a protection approach combining pilot protection (ratio-phase) with power frequency variation principle is proposed. Key words：distributed generation；micro-grid；power transmission module；control information module；relaying 中图分类号： TM61；TM93 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)14-0058-06

0 引言

随着各种新型发电技术的发展，大规模分布式电源（Distributed Generation，DG）接入电网是实现智能电网的必然趋势，但是大规模DG的渗透必将给电网的电能质量特别是保护带来较多的负面影响[1-4]。应用微网技术解决分布式电源并网问题是目前有效途径之一[5-8]，微网技术的实现关键在于控制和保护：即怎样控制微网并入配电网；并网后的电压、功率如何调节；并网后系统侧和微网（或DG）侧发生故障时如何保护。

基于上述情况，本文分析研究微网（DG）的接入系统，提出一种新型接入装置的模型理念：（1）于微网和主网（或DG）；（2）具有可靠服从的即插即用功能。最后针对含DG的配电网，以往的保护大

都仅仅聚焦于通信方式保护[9-10]或是无通道保护[11-12]的某一方面，显然这种保护思路不适合含有微网的配电网保护。本文提出一种纵联（比相式）保护结合工频突变量原理的保护思路。

1 分布式电源和微电网

分布式电源是指区别于集中发电、远距离传输、大联网系统的传统发电形式。它的功率较小（一般在50 MW以下），属于模块式、分布位置灵活，与主电网互为备用共同对用户供电。大量分布式电源接入电网，使得电网运行的灵活性大大提高，产生巨大的社会经济效益；但是其缺点也是显而易见的，即给电力网系统的安全稳定运行带来了新的挑战和困难，一旦所接入DG超过一定比例，将会使得该电网的保护和控制过于复杂，信息的缺失或者不及

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时将给故障时系统拓扑重构带来灾难。

早期的DG并网运行规程[13]大多是基于考虑DG并网并不影响原有的配电网继电保护控制系统正常运行的原则上提出的，并没有有效实现DC的积极辅助作用，仅仅采用隔离、的策略。这显然不符合DG发电技术的发展，也损害了厂商们的积极性。

近年来计算机技术和通信技术的快速发展使得基于广域信息的分布式保护系统的实现成为了可能；与此同时，国内外专家提出了微网并将其应用于解决DG并网问题，如图1所示为微网和主网联络图。

图1 微网和主网联络图 Fig.1 Structure of microgrid

从图1中可以看出微网架构下的DG接入应该满足以下两大方面：（1） 可靠服从的即插即用功能，满足DG孤岛运行和并网运行的频繁切换，类似于计算机的USB接口；（2）强大的通信功能，以满足基于广域信息的分布式保护系统、控制系统的要求。

管理功能，能控制实现整个微网的功率平衡以及在

运行时保证敏感性负荷供电的可靠性。

2 分布式电源接入装置的设计方案

2.1 分布式电源接入装置的硬件组成和功能规划 控制层次的不同和并网电压等级的不同，各DG接入系统的硬件组成和功能也有所不同，图2和图3分别对应图1中0.4 kV级和10 kV级接入系统的硬件结构和相应功能规划。

两者的区别：（1）逆变和升压环节不同，0.4 kV级采用0.4 kV级逆变器，10 kV级的组成有三种：采用10 kV级逆变器；采用AC/DC/AC电力电子换流器；采用0.4 kV级逆变器和升压变压器组合。（2）与电网联络的开关不同，0.4 kV级大多使用负荷开关（或电力电子开关），DG的开关可由DG控制单元和负荷开关（或电力电子开关）实施；而10 kV级使用断路器和隔离开关，微网和主网的开关由微网控制中心和断路器实施。（3）功能规划不同，除具有并网接入功能、孤岛效应检测功能、通信功能、电能质量监测功能、继电保护功能、电能计量外，主接口（微网控制中心）具有对各DG单元的控制

图2 0.4 kV级接入系统示意图

Fig.2 0.4 kV plug system

图3 10 kV级接入系统示意图 Fig.3 10 kV plug system

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遵循第1节所述的即插即用要求，结合本节所阐述的两个接入系统，本文提出一种灵活可靠的互联接入方案：即将分布式电源接入装置从各分布式发电系统中剥离出来，将图1中的微网控制中心和主接口集合在一起设计成接入装置，将DG控制单

元和电力电子接口集合在一起设计成接入装置。这样，上述两个电压等级的分布式电源接入装置可统一划分为两大模块：功率传输模块和控制信息模块，如图4所示。

图4 分布式电源接入装置通用模型

Fig.4 Plug module

2.2 接入装置电路设计

接入装置的功率传输模块是指各DG发出的功率输入电网的实际途径，这一部分由逆变器（变换器）接口、断路器接口/负荷开关接口、继电器（接触控制器）接口、电量传感器等硬件接口组成，是用来连接（断开）微网和分布式电源，或者连接（开断）微网和主网的，如图5所示，对应接入的不同电压等级，比如说0.4 kV和10 kV级在线路开关、电流互感器等硬件接口和相应的硬件配置上将会不同。

串口和MODEM，能满足主网主站和微网主控制中

心以及各DG单元间的三级通信。

3 分布式电源接入装置的功能应用

3.1 装置功能的实现

DG接入装置的各功能模块通过ARM编程实现。这些主要的功能有：

（1）同步并网功能，装置通过检测主电网和微网的电压、电流以及相位频率等，在一定的偏移容许条件下完成并网动作。当出现不符合并网条件时如频率偏差大、相位不符合，装置可以通过控制功能模块对微网中的可调单元如光伏电源的逆变器等进行频率、电压等因素的，从而满足并网条件。

（2）频率、电量、功率因数等数据显示、计算、传输。

（3）继电保护功能，低压（过压）保护，低频（过频）保护、过流保护等。

（4）孤岛效应检测，目前孤岛效应检测有两大类方式：主动式和被动式，但是由于电网故障瞬间和配网的复杂性以及研究时日较短，孤岛效应检测方法难免不尽人意[14-15]。本文提出一种结合各种主动式和被动式检测方法的随机性、周期性检测方案。利用ARM芯片内存大的特点，将各种式检测方法编写功能函数代码写入，在不同的周期内，通过程序随机选择一种检测方案，控制硬件输出然后完成检测；最后将前后两个周期的检测结果进行与逻辑后判断孤岛效应。

图5 功率传输模块设计 Fig.5 Power transmission module

控制信息模块是指微网控制中心和各DG控制单元，是构建统一调度体系的主要载体，实现对各分布式电源并网、切除、发电调度、故障检测等的统一管理，协调整个微网的运行。根据接入装置所在控制等级规划相应的功能，按照控制等级可分为：微网主控制中心级和DG控制单元级。图6是以Philips公司的ARM系列芯片为核心的控制信息模块设计。该接入装置具有三种通信方式：以太网、

彭明智，等 分布式电源接入装置的研究和设计 - 61 -

LCD显示键盘电压电流互感器开关量输入信号调理电路光电隔离电能测量电源AD转换模块ARM光电隔离输出控制以太网/RJ45MO-DEMRS232/485

图6 控制信息模块设计 Fig.6 Control information module

（5）控制功能，各DG单元的接入装置设定好相关功率控制方式，如PQ下垂特性控制、最大功率输出跟踪控制等，主接口接入装置通过两级通信控制DG的运行模式以及相关储能单元的投切，从而保证整个微网的安全稳定运行。

（6）电能质量监测功能，接入装置对两侧的电能质量进行检测，当电能质量不符合相关标准要求时，接入装置发出命令控制开关进行切换。

（7）电能计量功能，该功能主要是完成微网和主网间的潮流调度的数据统计，特别是在主网负荷高峰期间。

3.2 含微网和分布式电源的配网保护

如图7所示，（1）本线路保护的灵敏度降低甚至拒动。以图中Fl点发生故障时为例，在DG接入之前，故障点短路电流仅由系统提供，但是当DG接入后，故障点短路电流则由DG和系统共同提供，而此时保护1感受到的短路电流仍然是仅由系统提供，假定其他条件都不发生变化，该电流将会因DG的助增作用而减小，所以在保护整定值不变的情况下，该线路保护1的灵敏度将会降低，严重时甚至会出现拒动。

（2）本线路保护误动。在接入DG之前，该电网的拓扑结构是辐射状，短路电流方向都是由电源指向线路，所以该电网下的保护无需增设方向元件。DG未接入时，相邻线路L2的F2发生故障，保护2感受不到故障电流；DG接入后，F2故障时，保护2将有故障电流，该电流由DG提供，如果该电

流足够大，保护2将误动。

（3）相邻线路的瞬时速断保护误动。DG未接入时，F3处发生故障，短路电流是由系统侧流向故障点；DG接入后，F3处发生故障，DG和系统都会对故障点提供短路电流，此时保护2也感受到故障电流，速断保护很可能误动，从而失去选择性。 （4）瞬时故障重合闸不成功，当瞬时故障消除时由于DG仍在持续供电，则重合器检测到电流的存在误认为永久性故障而跳开。

图7 含有分布式电源的系统示意图 Fig.7 Chart of the power system including distributed

generation

针对保护问题，以往主要是根据DG接入点和整个电网拓扑结构计算得到各级短路电流后主要采取如下措施：（1）规划DG容量；（2）DG侧串联电抗器；（3）修改保护装置的定值。第一种方案未能充分有效发挥新能源的利用率；第二种方案，

- 62 - 电力系统保护与控制

由于电抗器的电热损耗使得电网运行不够经济；第三种方案对于以后的DG扩建和后续规划不甚理想。

在微网的体系架构下，利用本文所设计的接入装置强大的通信功能以及本身继电保护功能模块，对含有微网和DG的配电网系统，本文提出一种新的保护思路：如图8所示，设想各分支开关安装主保护即为工频突变量联合方向元件的保护方案，将纵联比相式保护作为各分支后备保护并集中到变电站级。

图8 工频突变量和纵联比相式保护方案示意图

Fig.8 Diagram of the protection based on power frequency variation and transmission

在被保护区域的变电站中设置一个站级保护主机（MPD），而在不同的断路开关处设置从机（SPU），主机通过通信网络与各从机通信。

当外部区域故障时，检测出电气突变量大于门槛值且方向逻辑为真，该处从机发出指令立刻跳闸。若故障切除不成功，该SPU发出信号给主机，主机收到信号后，利用各从机上的故障信息，通过纵联比相式原理判断出故障区段，进而对相应的断路器发出跳闸命令。

当微网内部某DG侧故障时，故障DG由本身接入装置控制开关进行隔离，同时将故障信息发往主接口接入装置，主接口接入装置收到故障DG单元的信息后，控制主接口开关脱离主网运行。随后，主接口接入装置协制剩余DG功率输出或者投入储能装置，以最大限度保证负荷线路电压稳定，当无法满足要求时切除一部分非敏感性负荷，待微网重新并网后再投入运行。

功能采用模块化，通过功能的选配和简化可应用在不同的场合，且便于维护和升级。另外当实时性和数据处理能力要求更高时，本接入装置可采用ARM+DSP为控制信息模块的核心，ARM专门实现通信、管理控制功能，而DSP专门用于数据处理。

同时利用该接入装置强大的通信能力和继电保护模块，针对含微网（和DG）的配电网提出了一种基于纵联比相式结合工频突变量保护原理的思路。应该说本文所提出的设计方案和保护思路都还是比较粗糙的，在实际产品开发过程中还需要大量的仿真论证和工程实践。下一步工作重点有两个：（1）完善硬件开发，特别是电磁兼容（EMC）；（2）完成整机软件的开发以及系统联调；同时搭建EMTP-ATP仿真模型，对本文所提保护思路进一步仿真验证。 参考文献

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4 结论

本文详细阐述了微网体系结构，在此体系结构

下设计了一种采用ARMTDMI（-S）芯片的分布式

电源通用接入装置。该接入装置模型构建统一、各

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收稿日期：2010-05-13； 修回日期：2011-05-16 作者简介：

彭明智（1984-），男，硕士研究生，主要从事电力系统继电保护及自动化方面的工作；E-mail: pmz1019@163.com

张 维（1984-），男，硕士研究生，主要从事电力系统继电保护和配网自动化等方面的技术研究；

熊泽群（1980-），男，本科，主要从事电力系统继电保护及相关工作。