一种直流配电网的防孤岛检测方法、系统及其控制方法与流程

1.本发明属于直流配电网技术领域，尤其涉及一种直流配电网的防孤岛检测方法、系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着传统化石能源日渐枯竭，全球气候变化和环境污染问题日益严重。为了满足人类社会日益增长的能源需求，减轻环境负担，亟待开发清洁、低碳、可持续的绿色能源。因此，分布式电源中的分布式光伏发电是太阳能利用的有效形式转化效率高，有利于资源充分利用，并提高能源供应可靠性。
3.直流配电网是未来配电网发展新方向之一，近年来受到学术界的广泛关注，并有示范工程投入应用。直流配电网的优势之一是灵活开放，取消了光伏发电等直流电源接入的逆变环节，大幅降低分布式发电入网成本，能够适应分布式电源大量接入。但与交流接入类似，分布式光伏发电接入直流配电网存在防孤岛效应的技术问题。
4.直流配电网孤岛是指：直流配电网因故障或维修原因跳闸后，用户端的dg 系统未能即时检测出停电状态而将自身切离主系统，形成由dg(distributedgeneration，简称dg)系统和周围的直流负荷组成的一个自给供电的孤岛。孤岛运行可分为非计划孤岛运行和计划孤岛运行。非计划孤岛是指在电网失电的情况下，分布式电源作为唯一电源对负载供电这一状态。计划孤岛运行是人为的孤岛运行，可以减少因停电而带来的损失，提髙可靠性。而非计划孤岛其不可预测的特性，会严重影响电力系统的安全运行。
5.孤岛效应带来的危害包括：孤岛内供电稳定性和电能质量无法保证，孤岛带电影响低压重合闸，检修时孤岛带电威胁人身、设备安全，供电权责易发纠纷等。直流配电网防孤岛与交流电网防孤岛不同，无法实现频率异常检测，也无法实施主动频移避免盲区，使其防孤岛更加困难。
6.直流配电网中的电压、电流等物理量为直流信号，其不包含频率和相位信息，基于交流信号相位、频率、无功功率等参数变化的交流系统检测方法在直流配电网内无法应用。
7.因此，提供一种能够解决上述技术问题的一种直流配电网的防孤岛方法及其控制方法，能够及时准确地检测出分布式电源是否发生孤岛现象，当发生孤岛现象时，及时控制分布式电源停止运行，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是提供一种直流配电网的防孤岛检测方法、系统及其控制方法，能够及时准确地检测出分布式电源是否发生孤岛现象，当发生孤岛现象时，及时控制分布式电源停止运行。
9.本发明所采用的技术方案是：
10.一种直流配电网的防孤岛检测方法，其包括：采样逆变器输出电流和pcc 点处的电压；将pcc点的电压与设定的第一阈值进行比较：若pcc点的电压满足第一阈值，则判定供
电模式是孤岛供电模式，否则，根据逆变器输出电流和 pcc点处的电压信号利用小波包能量熵和bp神经网络进行检测；若判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；否则，向ac/dc接口换流器输出端注入交流电压分量，采样dc/dc换流器输出端的电压信号，得到交流信号有效值；将交流信号有效值与第三阈值进行比较：若交流信号有效值小于预设电压值，则判定供电模式是孤岛供电模式；否则，则判定孤岛未发生。
11.进一步的，所述第一阈值包括电压上限u
max
和电压下限u
min
；若pcc点的电压u满足：u＞u
max
或u＜u
min
，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；u
min
≤u≤u
max
，则通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量。
12.进一步的，所述第三阈值为预设电压值u
set
，若交流信号有效值u’满足：u
’ꢀ
《u
set
，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若u’》uset，则判定孤岛未发生，供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略。
13.进一步的，根据逆变器输出电流和pcc点处的电压信号利用小波包能量熵和bp神经网络的孤岛检测步骤包括：小波包分解和信息熵结合的算法对其进行控制，通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量；将特征向量进行归一化处理，得到一个6维向量作为bp神经网络的输入量，在隐含层中进行训练学习，最终通过输出层进行孤岛判断；若判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若判定孤岛未发生，供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略。
14.进一步的，当所直流配电网为两端配电网时，包括两个所述ac/dc接口换流器，分别为第一ac/dc接口换流器和第二ac/dc接口换流器；第一交流系统通过所述第一ac/dc接口换流器连接直流配电网，第二交流系统通过所述第二ac/dc接口换流器连接直流配电网。
15.进一步的，向接口换流器的输出端注入交流电压分量，具体包括：判断两个接口换流器均正常工作，则向其中任意一个ac/dc接口换流器的输出端注入交流电压分量；判断两个所述接口换流器中的一个出现故障，则向正常工作的一个 ac/dc接口换流器的输出端注入交流电压分量。
16.进一步的，判断ac/dc接口换流器出现故障的方法为：采样ac/dc接口换流器的输出端的第二电压信号；提取第二电压信号中的交流信号的第二有效值；将第二有效值与第二预设电压值进行比较；判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该ac/dc接口换流器出现故障。
17.进一步的，注入的交流电压分量u
ac*
的表达式如下：u
ac*
＝ku
dc
sin(2πf
ac
t)；其中，u
dc
是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比；f
ac
是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2～5％；f
ac
是所述工频频率的10～60％；所述第一预设电压值和第二预设电压值相同均为uset，uset 的取值范围为kudc的5～20％。
18.一种直流配电网的防孤岛检测系统，其包括市电网络子系统、其他电源、分布式电源1、分布式电源2、和负荷；所述市电网络子系统包括第1市电电网系统和第2市电电网系统，所述第1市电电网系统包括通过配电线路依次连接的第 1供电电源g1、第1交流电源断路器cb11、第1交流变压器t1、第1交流线路断路器cb12、第1电压源换流器以及第1直流线路断路器cb13；所述第2 市电电网系统包括通过配电线路依次连接的第2备用供电电源g2、第
2交流电源断路器cb21、第2交流变压器t2、第2交流线路断路器cb22、第2电压源换流器以及第2直流线路断路器cb23；
19.所述第1交流电源断路器cb11的输出端与第2交流电源断路器cb21的输出端通过直流断路器cb7连接，所述第1交流变压器t1的输出端与第2交流变压器t2的输出端通过直流断路器cb8连接；所述第1直流线路断路器cb13分别与其他电源、分布式电源1、分布式电源2和负荷连接；所述第2直流线路断路器cb23分别与其他电源、分布式电源1、分布式电源2和负荷连接；所述负荷还分别与所述其他电源、分布式电源1、分布式电源2连接；
20.所述其他电源包括通过配电线路依次连接的第1支路直流断路器cb1；所述第1支路直流断路器cb1的另一端分别与第1直流线路断路器cb13、第2直流线路断路器cb23以及第2支路直流断路器cb2连接；所述分布式电源1包括第4支路直流变换器和第4支路直流断路器cb4；所述第4支路直流断路器cb4 的一端通过配电线路连接第4支路直流变换器以及第3支路直流断路器cb3，所述第4支路直流断路器cb4的另一端分别与第1直流线路断路器cb13以及第2 直流线路断路器cb23连接；所述分布式电源2包括第6支路直流断路器cb6 和第6支路直流变换器；所述第6支路直流断路器cb6的一端通过配电线路连接第6支路直流变换器以及第5支路直流断路器cb5；所述第6支路直流断路器 cb6的另一端分别与第1直流线路断路器cb13以及第2直流线路断路器cb23 连接；所述负荷包括直流其他负载、本地直流负载1和本地直流负载2，所述直流其他负载包括第2支路直流断路器cb2；所述第2支路直流断路器cb2的一端通过配电线路连接直流其他负载；所述第2支路直流断路器cb2的另一端分别与第1直流线路断路器cb13、第2直流线路断路器cb23以及第1支路直流断路器cb1连接；所述本地直流负载1包括第3支路直流断路器cb3；所述第 3支路直流断路器cb3的一端通过配电线路连接本地直流负载1，所述第3支路直流断路器cb3的另一端分别与第4支路直流断路器cb4以及第4支路直流变换器连接；所述本地直流负载2包括第5支路直流断路器cb5；所述第5支路直流断路器cb5的一端通过配电线路连接本地直流负载2，所述第5支路直流断路器cb5的另一端分别与第6支路直流断路器cb6以及第6支路直流变换器连接。
21.一种直流配电网的防孤岛控制方法，其包括如下步骤：
22.步骤1判断孤岛是否发生；
23.步骤2如果判定孤岛未发生，所述供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略；
24.步骤3如果判定孤岛发生，所述供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；
25.所述市电网络系统供电控制策略包括：当执行市电网络系统供电控制策略时，判断所述第1市电网络子系统是否正常运行；在第1市电电网系统正常运行状态下，控制第1市电电网系统进行供电；若所述第1市电电网系统发生故障，则检测故障部位，根据故障部位调整供电路径，以避开所述故障部位进行供电，包括： (1)若检测到故障部位位于第1供电电源g1到第1交流电源断路器cb11，则触发第1交流电源断路器cb11断开，第7支路直流断路器cb7接通，控制第2 备用供电电源g2连接到第1市电电网系统进行供电；(2)若检测到故障部位位于第1交流电源断路器cb11到第1交流线路断路器cb12之间，则触发第1交流线路断路器cb12断开，触发第8支路直流断路器cb8接通，控制第1供电电源g1连接到第2市电电网系统进行供电；(3)若检测到故障部位位于第1交流电源断路器cb11到第1交流线路断路器
cb12之间，则触发第1交流电源断路器断开cb11，控制第2市电电网系统进行供电；(4)若检测到故障部位位于第1交流线路断路器cb12到第1直流线路断路器cb13，则触发第1交流线路断路器cb12断开，第8支路直流断路器cb8接通，控制第1供电电源g1连接到第2市电电网系统进行供电；
26.所述市电网络系统供电控制策略还包括：若所述第1市电电网系统发生故障，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为负荷进行供电，直至完成供电路径的调整；
27.所述孤岛供电控制策略包括：检测分布式电源1、分布式电源2和其他电源的总电能是否满足负荷需求，若满足，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为负荷进行供电，若不满足，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为满足的负荷进行供电。
28.本发明的积极效果为：本发检测方法一共采用了三级判别来判断直流配电网是否处于孤岛运行状态，并根据设定阈值启动防孤岛保护，具有检测时间短，检测结果准确率和可靠性高的特点，能快速启动防孤岛保护动。检测系统包括市电网络子系统、其他电源、分布式电源1、分布式电源2、和负荷；所述负荷还分别与所述其他电源、分布式电源1、分布式电源2连接；而且配套提供的配电系统克服了传统单一电网供电方式和转换环节多、效率低、故障率高的缺点，线路选择多样，信号传输可靠，能减少设备数量和传输损耗，节省成本。
附图说明
29.图1为本发明方法流程图；
30.图2为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
31.实施例1
32.如附图2所示，是一种直流配电网的防孤岛的系统结构示意图，孤岛未发生状态下，直流配电网的直流电压在第1市电电网系统的ac/dc换流器和dc/dc 变换器的控制下，电压非常稳定，波动相对很小，pcc点电压基本维持稳定。一旦发生孤岛，电压幅值、变化率、波动情况等将出现变化，此时存在两种孤岛情况：
33.1)情况一，发电和负荷达到新的平衡点，形成一个相对稳定的孤岛状态，新状态下pcc点的直流电压值会明显高于或低于正常电压范围，可根据电压值的高低判断是否处于孤岛运行状态；
34.2)情况二，在孤岛内的分布式电源与负荷功率匹配度较高的情况下，pcc 点的电压幅值处于正常电压范围，但是由于分布式电源的位置分散性、功率随机性等特点，pcc点的电压波动幅度也将超过正常范围。此时通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量；将特征向量进行归一化处理，得到一个6 维向量作为bp神经网络的输入量，在隐含层中进行训练学习，最终通过输出层进行孤岛判断。
35.情况三，若前两种情况以外出现孤岛依然识别不出来，可以通过向ac/dc 接口换流器输出端注入交流电压分量(频率小于工频)，然后采样dc/dc换流器输出端的电压信号，得到交流信号有效值；将交流信号有效值与第三阈值(预设电压值)进行比较：若交流信号
有效值小于预设电压值，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若交流信号有效值大于预设电压值，则判定孤岛未发生。
36.实施例2
37.如附图1所示，本实施例提供一种直流配电网的防孤岛方法及其控制方法，包括：对逆变器输出电流和pcc点处的电压进行采样；将pcc点的电压与设定的第一阈值进行比较：若pcc点的电压满足第一阈值，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若pcc点的电压不满足第一阈值，通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量；将特征向量进行归一化处理，得到一个6维向量作为bp神经网络的输入量，在隐含层中进行训练学习，最终通过输出层进行孤岛判断；若判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若判定孤岛未发生，则向ac/dc接口换流器输出端注入交流电压分量(频率小于工频)，然后采样dc/dc换流器输出端的电压信号，得到交流信号有效值；将交流信号有效值与第三阈值(预设电压值)进行比较：若交流信号有效值小于预设电压值，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若交流信号有效值大于预设电压值，则判定孤岛未发生，供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略。通过采样逆变器输出电流和 pcc点处的电压信号并进行数据处理分析以及向ac/dc接口换流器输出端注入交流电压分量并检测换流器输出端是否存在该交流电压分量，从而判断分布式电源是否要停止运行。
38.第一阈值包括电压上限umax和电压下限umin；若pcc点的电压为u满足： u＞umax或u＜umin，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；umin≤u≤umax，则通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量。
39.第二阈值包括将特征向量进行归一化处理，得到一个6维向量作为bp神经网络的输入量，在隐含层中进行训练学习，最终通过输出层进行孤岛判断；若判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若判定孤岛未发生，则向ac/dc接口换流器输出端注入交流电压分量(频率小于工频)，然后采样 dc/dc换流器输出端的电压信号，得到交流信号有效值u’；将交流信号有效值u’与第三阈值(预设电压值uset)进行比较。
40.第三阈值包括预设电压值uset；若交流信号有效值u’满足：u’《uset，则判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若u’》uset，则判定孤岛未发生，供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略。
41.根据逆变器输出电流和pcc点处的电压信号提出了小波包能量熵和bp神经网络的孤岛检测法，包括：小波包分解和信息熵结合的算法对其进行控制，通过对逆变器输出电流和pcc点处的电压信号采集并进行分解，通过信息熵的概念引入，将信息熵和小波包分解结合得出特征向量。将特征向量进行归一化处理，得到一个6维向量作为bp神经网络的输入量，在隐含层中进行训练学习，最终通过输出层进行孤岛判断。若判定供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略；若判定孤岛未发生，供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略。
42.当直流配电网为两端配电网时，包括两个所述ac/dc接口换流器，分别为第一ac/dc接口换流器和第二ac/dc接口换流器；第一交流系统通过所述第一 ac/dc接口换流器连
接直流配电网，第二交流系统通过所述第二ac/dc接口换流器连接直流配电网；向所述接口换流器的输出端注入交流电压分量，具体包括：判断两个所述接口换流器均正常工作，则向其中任意一个ac/dc接口换流器的输出端注入交流电压分量；判断两个所述接口换流器中的一个出现故障，则向正常工作的一个所述ac/dc接口换流器的输出端注入交流电压分量。
43.判断ac/dc接口换流器出现故障，具体包括：采样所述ac/dc接口换流器的输出端的第二电压信号；提取所述第二电压信号中的交流信号的第二有效值；将所述第二有效值与第二预设电压值进行比较；判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该ac/dc接口换流器出现故障。
44.注入的交流电压分量u
ac*
的表达式如下：u
ac*
＝ku
dc
sin(2πf
ac
t)；其中，u
dc
是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比； f
ac
是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2～5％；f
ac
是所述工频频率的 10～60％。所述第一预设电压值和第二预设电压值相同均为uset，uset的取值范围为kudc的5～20％。
45.本发明的系统包括：市电网络子系统、其他电源、分布式电源1、分布式电源2、和负荷；所述市电网络子系统包括第1市电电网系统和第2市电电网系统，所述第1市电电网系统包括通过配电线路依次连接的第1供电电源g1、第1交流电源断路器cb11、第1交流变压器t1、第1交流线路断路器cb12、第1电压源换流器以及第1直流线路断路器cb13；所述第2市电电网系统包括通过配电线路依次连接的第2备用供电电源g2、第2交流电源断路器cb21、第2交流变压器t2、第2交流线路断路器cb22、第2电压源换流器以及第2直流线路断路器cb23；
46.第1交流电源断路器cb11的输出端与第2交流电源断路器cb21的输出端通过直流断路器cb7连接，所述第1交流变压器t1的输出端与第2交流变压器t2 的输出端通过直流断路器cb8连接；所述第1直流线路断路器cb13分别与其他电源、分布式电源1、分布式电源2和负荷连接；所述第2直流线路断路器cb23 分别与其他电源、分布式电源1、分布式电源2和负荷连接；所述负荷还分别与所述其他电源、分布式电源1、分布式电源2连接。
47.其他电源包括通过配电线路依次连接的第1支路直流断路器cb1；所述第1 支路直流断路器cb1的另一端分别与第1直流线路断路器cb13、第2直流线路断路器cb23以及第2支路直流断路器cb2连接；所述分布式电源1包括第4支路直流变换器和第4支路直流断路器cb4；所述第4支路直流断路器cb4的一端通过配电线路连接第4支路直流变换器以及第3支路直流断路器cb3，所述第4 支路直流断路器cb4的另一端分别与第1直流线路断路器cb13以及第2直流线路断路器cb23连接；所述分布式电源2包括第6支路直流断路器cb6和第6支路直流变换器；所述第6支路直流断路器cb6的一端通过配电线路连接第6支路直流变换器以及第5支路直流断路器cb5；所述第6支路直流断路器cb6的另一端分别与第1直流线路断路器cb13以及第2直流线路断路器cb23连接；所述负荷包括直流其他负载、本地直流负载1和本地直流负载2，所述直流其他负载包括第2支路直流断路器cb2；所述第2支路直流断路器cb2的一端通过配电线路连接直流其他负载；所述第2支路直流断路器cb2的另一端分别与第1直流线路断路器cb13、第2直流线路断路器cb23以及第1支路直流断路器cb1连接；所述本地直流负载1包括第3支路直流断路器cb3；所述第3支路直流断路器cb3 的一端通过配电线路连接本地直流负载1，所述第3支路直流断路器cb3的另一端分别与第4支路直流断路器cb4以及第4支路直流变换器连接；所述本地直流负载2包括第5支路直流断路器cb5；所述第5支路直流断路器cb5的一端通过配电线路连接本地直流负载2，所述第5支路直流断路器
cb5的另一端分别与第 6支路直流断路器cb6以及第6支路直流变换器连接；
48.实施例3
49.本发明的控制方法包括以下步骤：
50.步骤1判断孤岛是否发生；
51.步骤2如果判定孤岛未发生，所述供电模式是市电网络系统供电模式，选择执行市电网络系统供电控制策略；
52.步骤3如果判定孤岛发生，所述供电模式是孤岛供电模式，选择执行孤岛供电控制策略。
53.其特征在于，所述市电网络系统供电控制策略包括：当执行市电网络系统供电控制策略时，判断所述第1市电网络子系统是否正常运行；在第1市电电网系统正常运行状态下，控制第1市电电网系统进行供电；若所述第1市电电网系统发生故障，则检测故障部位，根据故障部位调整供电路径，以避开所述故障部位进行供电，包括：(1)若检测到故障部位位于第1供电电源g1到第1交流电源断路器cb11，则触发第1交流电源断路器cb11断开，第7支路直流断路器cb7 接通，控制第2备用供电电源g2连接到第1市电电网系统进行供电；(2)若检测到故障部位位于第1交流电源断路器cb11到第1交流线路断路器cb12之间，则触发第1交流线路断路器cb12断开，触发第8支路直流断路器cb8接通，控制第1供电电源g1连接到第2市电电网系统进行供电；(3)若检测到故障部位位于第1交流电源断路器cb11到第1交流线路断路器cb12之间，则触发第1 交流电源断路器断开cb11，控制第2市电电网系统进行供电；(4)若检测到故障部位位于第1交流线路断路器cb12到第1直流线路断路器cb13，则触发第1 交流线路断路器cb12断开，第8支路直流断路器cb8接通，控制第1供电电源 g1连接到第2市电电网系统进行供电。
54.市电网络系统供电控制策略还包括：若所述第1市电电网系统发生故障，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为负荷进行供电，直至完成供电路径的调整。
55.孤岛供电控制策略包括：检测分布式电源1、分布式电源2和其他电源的总电能是否满足负荷需求，若满足，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为负荷进行供电，若不满足，则控制分布式电源1、分布式电源2和其他电源为满足的负荷进行供电。
56.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。