电力载波与无线通讯相结合抑制光伏并网发电孤岛运行的研究

作者：卢一民 王刚 杨英歌 黄国华 李立一    2012年2月刊    点击：191    关键词：电力载波 无线通讯 并网 发电 孤岛

Solarbe(索比)光伏太阳能网讯：摘要：本文叙述一种我们研究的避免光伏并网发电出现孤岛运行的方法。其主要是利用载波通讯与无线通讯结合方式监测并控制住宅小区分散安装的光伏并网发电系统可能发生脱离电网形成孤岛运行的故障。主要方法是在小区变电站安装监测主机，监测电网状态。另外主机同时发送载波信号至各并网发电分机以鉴别电网连接是否正常。分机收不到载波信号，则说明电网线路发生异常，分机即刻命令逆变器进入等待状态停止向电网输电。主机若若监测出电网处于异常状态，则主机与分机通过无线通讯实现命令传输，迫使各分机关闭发电逆变器与电网联络令逆变器进入待机状态。从而确保小区内不会发生孤岛运行状态。

0．前言： 太阳能光伏电池的制造在我国已迅猛发展，但我国的光伏应用并没有跟上光伏电池发展的形势。95%以上的光伏电池销售依赖国际市场。我国内销市场份额很小。其主要原因是我国光伏并网发电这一重要市场没有得到开放，尤其在如，新农村住宅，别墅小区等民间住宅方面，更没有像欧美等发达国家那样开放。在这方面除了国家政策因素之外，电网公司没建立相应技术管理规范。在技术上主要担心如住宅区分散型的无人值守的光伏并网发电体系没有理想的控制管理手段。其中主要难于解决的问题是在新能源供电小区多种供电方式共存条件下供电与负载功率接近衡时如何可靠解决避免孤岛运行的发生。所谓孤岛运行是指区域局部电网由于某种故障与主电网脱离，但局部电网内部发电设备仍向该局部电网输入电能，造成局部电网孤立运行的现象。本文即针对多体系光伏并网状态分析孤岛运行发生特点，有针对性的利用电力载波与无线通讯并存方式判断并控制孤岛运行现象的发生。

1. 问题的提出与分析：

1.1. 故障表现。首先分析小区内可能造成故障孤岛运行的几种主要条件与表现：

情况1，电网突然停电，但小区内光伏逆变器还在运行向电网输电。

情况2，小区变电站由于线路故障跳闸或断路。但区内光伏逆变器仍有可能还在运行向小区内电网输电，造成区内电网孤岛运行。

情况3，小区内局部电网断路，该局部区域内光伏逆变器仍有可能还在运行向电网输电，造成局部区域内电网孤岛运行。

情况4，小区内局部电网短路造成停电，这种情况下逆变器可判断电压过低自动停机。但短路过程可以造成其它区域断路而脱离主电网，形成孤岛运行。

1.2. 分析判断孤岛的难度。下面根据上述几种情况，就不同逆变器抗孤岛运行的方式与状况来分析目前如果群体分散安装的光伏发电逆变器在小区负载功率接近光伏发电总功率时逆变器自行判断孤岛运行存在那些难度。

目前逆变器判断孤岛效应的方法主要分两类。

第一类是被动式监测。这种方式主要是监测电网电压变化判断电网运行状态，如电网电压突然大幅度降低而判断电网发生故障，此时逆变器立刻停止向电网送电。此种方式可对故障表现中情况1作出快速判断。因为由于电网停电，小区太阳能发电系统继续向电网输送电能，但由于无法提供足够功率推动电网整体负载运行，因此电网电压突然降低，逆变器可以判断电网发生故障而停止供电。对情况4有部分作用。但对第2，3种情况仅判断电压是不够的了，由于断路后处于孤岛区域的光伏发电系统是分散的群体安装，所以很多都在继续向电网输电，如果此时该区域内用电负载较低（特别是白天住宅用电更少），电网电压将无明显降低属正常值范围，因而被动式监测判断孤岛状态可能失效。因此逆变器可能无法判断电网是否发生故障而不会停止供电，既无法避免孤岛运行状态发生。由此可见被动式有明显缺陷。

第二类为主动式监测，主要方式是逆变器采用在正常运行状态下始终跟随电网功频频率(50Hz)，但是在电网停电后逆变器自动逐渐改变频率，增加或减小原先跟踪的电网功频频率，当该逆变器工作频率高于或低于某一频率时，逆变器认为电网固有50Hz频率不存在，进而判断电网可能停电，因此逆变器停止向电网供电，以此达到避免孤岛运行事故。此种类型在一定条件下可解决上述被动式不能解决的问题。但是它仍存有缺陷。即当小区内各类新能源发电设备并存，而各生产厂商内部设备特性会有所不同：如有些逆变器或发电设备始终保持50Hz功频频率。并且电网供电功率与负载基本平衡，那么第二类增减频率的企图将受其它发电设备影响频率无法改变，因而无法判断孤岛状态的发生。所以主动式逆变器在某些情况下也无法实现抗孤岛运行事故的发生。

以上论述说明两类逆变器在群体分散并网发电体系仅靠自身测试电网孤岛运行现象是存有缺陷的，需要改善。

本论文研究一种利用电力载波及电网测试判断相结合的判断孤岛现象的方法，并可自动遥控统一管理区域内各逆变发电系统。

2. 设计思想与方法：首先我们考虑别墅小区各户独立安装新能源并网发电系统，形成群体分散并网发电体系。我们设计的判断孤岛现象不是完全由逆变器自身测试判断，而首先是在进入光伏发电小区电网入口变电站的变压器输入输出端接入监测传感器，监测电网是否有跳闸现象发生，及电网电压，电流，相位等数据变化，用来判断主网与局部网是否发生断路造成孤岛现象发生，另外一重要的内容是在变压器端安装电力载波信号发射与无线信号收发装置，在逆变发电系统端安装相应的电力载波接受器与无线信号收发装置。通过电力载波通讯的通断状态判断各区域线路到逆变器发电设备是否连接正常。

该设计试验分两部分内容进行：

2.1. 载波通讯判断孤岛故障方法：首先在变电站变压器低压端安装“监测，载波及遥控主机”（见图1），其中包括变压器端工作状态监测系统，电力载波发射及无线信号发射与接受装置。在各逆变器端安装“收发分机”（图1），其中包括电力载波接收及无线信号收发装置称之为分机。图1 给出设备分布图。其工作原理为在电网工作状态下，主机不断发射电力载波信号，各分机可接收固定载波信号（锁定代码），电网如果没有发生断路条件下这些分机可以接收到该代码信号，那么分机可以判断该发电系统至变电站之间线路连接正常，分机将由无线发射装置发射无故障信号通知主机。否则，分机收不到载波信号，说明线路出现断路等故障。此时分机做出两个指令，1 将发出指令迫使逆变器停止向电网供电使其处于待机状态，避免孤岛运行发生。2 分机无线发射装置发射信号通知主机该分机目前状态，主机将记录故障内容，时间及分机编号地址代码等信息。由于主机群发载波信号，而将不断轮流循环接收各分机发回的无线信号信息。这种方式可以判断小区内任何断路引起电网孤岛运行现象，即使，局部负载功率接近光伏发电总功率状态下，依然可无遗漏检测并停止处于孤岛状态逆变器的运行的故障`。

图1 分散型光伏并网体系抗孤岛遥控管理系统分布示意图，叉点表示可能会出现的断路点。

2.2. 变电站变压器状态判断孤岛现象。安装在变压器处的“载波，监测及遥控主机”的监测系统通过传感器实时监测变压器两端电网变化状态（见图2）以判断孤岛故障状态。首先由于某种情况小区变压器发生跳闸使小区脱离电网，此时主机由传感器测出电网跳闸，并通过测试监测处理单元提供信号通知使无线通讯单元发射无线遥控信号命令各分机控制逆变器停止向电网输电。其次变压器两端的电压，电流有较大突变，或电压电流相位发生较大突变时，主机可做出判断通过无线信号发射指令至各分机去控制逆变器停止输电。图2 是主机监测原框图。每天故障信息记录在主机存储单元，并根据要求发射记录数据提供至有关监测管理单位。

图2监测，载波及遥控主机示意图

3．实用系统设计

本系统分为两部分，一部分是载波通讯监控，另一部分是无线通讯，用来传输载波通讯状况数据，并且实现无线通讯状况监视。以下就实现其功能分为硬件与软件讨论。

3.1 硬件电路。硬件电路分载波部分与无线通讯部分，

3.1.1载波部分

载波部分由载波通讯功放，载波主控器及载波状态输出组成（见图3），其中载波通讯由PL3105模块产生128KHz的载波基频，加载数字信号后在PSK引脚输出载波信号送入载波功放电路，连接到电力线上，把信号发送出去。主机发送载波广播信号，不断在电力线上传播，分机接收到这个特定载波信号，经载波主控器解析后确认收到信号，使载波状态输出引脚置0，否则输出1。无线通讯部分可根据引脚状态判断发出相应指令信号。

图3 载波通讯装置功能示意图

3.1.2无线通讯部分

图4给出无线通讯工作及功能原理示意图。在实际应用中我们分别设立无线通道1与无线通道2。其作用功能如下叙述。

图4无线通讯工作原理框图

在工作过程中各设备要不断监督电网故障保持主机与子机联络通畅不可有瞬时间断，但我们又有可能随时让主机向上级管理部门报告电网及各逆变器工作状态与必要数据信息。因此为了避免数据信息传输过程影响故障监测与命令传输，我们在此设计了两个无线通道。

无线通道1 主要负责故障监测信息传输。子机主控器通过IO输入状态判断载波状态并通过通道1向主机发送载波状态值，其中包含自己的地址码和载波状态值。并且子机随时等待接受主机通过无线通道1传输的停机命令。主机发送采集指令，按地址分别采集各个分机数据，如果子机正常返回数据（其中包括载波传输正常与非正常代码）则说明无线通道正常，反之判断无线通讯发生故障。另外主机主控器通过监测变压器故障状态通过IO输入可随时指令无线通道1发布停机命令以控制孤岛运行状态发生。

无线通道2 负责报告电网及各逆变器工作状态与必要电表数据信息。

这样两个通道各行其职在传输数据信息过程中不会干扰通道1快速监测快速命令发布的程序。

无线通讯其它部分电路见图5. 使用485芯片实现与电度表通讯，软件编写645规约，电表通讯接口可以读取电表中的有功功率值，电流值，电压值，功率因数，总功电能值等参数。

图5 分别给出 (a) 无线通道 (b) 电表通讯接口 (c) 通讯接口扩展电路 (d)设备地址电路

3.2 载波软件实现

图6 (a) 给出载波主机软件框图。该逻辑图要求

主机不断发射载波广播信号，使各分机不间断接收该信号。

图6(b) 给出分机载波软件框图。该逻辑显示当分机如未能收到载波信号，就判断为电网发生故障，立刻在分机输出口呈现高电平1状态，并推动继电器关断，是逆变器停止向电网输电，避免孤岛运行。

前面本文已介绍载波通讯与无线通讯相结合在系统中的重要性。由于无线通讯软件逻辑关系属较为通用，本文不作详细叙述。在此仅就系统逻辑功能进行论述。该文主要考虑载波通讯正常与否可以判断各分机逆变发电系统与小区电网入口即变电站处线路是否连接正常，如有不正常通讯发生，分机将迫使逆变器停止输电，避免孤岛运行。无线通讯将有线载波中断故障的信息及该分机系统地址发送主机并按要求发送管理部门。这种方式可以判断小区内各逆变器与变电站之间线路是否良好。如果小区以外发生断电或小区变电站跳闸断电等故障，那么主机将通过安置在变压器两端的电压，电流及相位等传感器测得的突变信息判断小区是否已孤立于主电网之外，届时主机无线通讯系统发出指令命令各分机的输出端口处于高电平迫使连接逆变器的继电器关断使其停止电能输出，实现孤岛运行故障保护。由于在小区变电站变压器处，即小区电网门户，安装测试主控系统，同时又通过载波通讯涵盖区域内各发电设备线路之间测试，因此可实现无遗漏监测，使各类孤岛运行现象控制能力得到很大提高。这种系统设计目前是可靠可行的抗孤岛运行方法。

4. 实验结果与讨论

4.1 试验1：模拟小区跳闸，测试群体关断时间。首先将我们将具有测试电网工作状态及载波与无线通讯功能的主机安装在变压器旁，并将互感测试端子连接到相应变压器高低压断，用以测试变压器两端模拟故障状态。模拟状态1 低压端断开闸刀以模拟变压器低端跳闸。主机立刻群发发无线信号，各分机收到信号后立即使逆变器连接电网继电器动作切断逆变器与电网的连接，从而迫使逆变器停止向电网输电，逆变器处于待机状态。实验结果达到预期效果。另外故障发生到各逆变器关断时间也是我们测试的主要内容之一 我们测试显示当电路在接到故障发生后在0.5---0.8秒之间即可切断电网与逆变器联络的继电器开关，也达到预想效果。

4.2 试验2：局部发电系统所在电网区域线路断裂故障发生，测试其区域内各单机停止发电时间。当局部断电时变电站主机所在区域并未监测到故障发生，但此时无线主机将不断受到部分子机发回载波通讯中断的信息并记录故障信息。但当分机在收不到载波信号时既判断线路发生故障自动输出高电平信号使逆变器连接电网的继电器动作切断逆变器与电网的连接，同时逆变器自动转入待机状态停止发电，直至电网恢复正常。我们的试验测试出当电网故障发生后在0.5---1秒之间即可切断电网与逆变器联络的继电器开关，，而主机巡回接受各分机报错时间有所不同，有的长达1.8秒，这是由于要逐个联系分机通讯因此之后关断时间。但其不影响切断电网与逆变器联络的时间。试验结果可以说达到电网公司关断时间小于1秒的预期要求。

载波信号对电网影响测试：载波信号强度对传播距离及电网质量的有着重要影响，我们选用载波信号强度电压幅值平均600mV, 对电网质量影响甚微。且直线传播距离大于1000米。如果小区控制范围过大，那将需要提高载波信号强度。

4. 结论：试验结果显示我们设计利用载波通讯与无线通讯相结合，监测管理分散型光伏发电系统是较为合理的方案。载波通讯判断线路断路故障，无线通讯发布指挥命令，对各类孤岛运行带来的风险是有较完善的判断与消除手段。如果继续改进利用工业互联网与无线通讯并存模式，将可大大提高该方案的可靠性。在提供更好软件支持下，将来可以为电网公司直接监督管理控制光伏并网设备带来可行的方法。

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