基于虚拟仪器的分布式电源并网检测平台研究

张全成，张永明

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 200072）

近年来，分布式电源发展迅速，已成为不少发达国家极力推动的重要发电技术，主要用于工业园区、公共设施、商业设施和住宅建筑等领域。据统计，美国分布式发电总装机容量有8 000万千瓦，占全国总发电容量的7.8%；日本分布式发电总装机容量有3 600万千瓦，占全国总发电容量的13.4%；德国分布式发电总装机容量有2 200万千瓦，占全国总发电容量的19.8%。英国的分布式发电站有1 000多座，丹麦的分布式发电量更是超过全部发电量的50%[1]。

我国分布式发电发展较晚，目前仍处于起步阶段。2010年8月，国家电网公司发布《分布式电源接入电网技术规定》，并已上报能源局，批准后将成为国家标准。2011年4月30日，国家能源局完成了《分布式电源管理办法》（征求意见稿）的征求意见工作，其主要内容包括分布式发电的建设规划、项目建设、接入电网、运行管理、政策保障和措施等。标准及管理办法的出台，将为分布式电源高速发展提供技术和政策上的保障。为顺应分布式电源的蓬勃发展，确保分布式电源安全稳定并网运行，建立分布式电源并网检测装置非常有必要；同时由于分布式电源标准仍需要不断完善，所以建立基于虚拟仪器的分布式电源并网检测装置，以适应不断升级需求也非常必要[2]。

本文首先简述分布式电源的并网标准，然后根据标准要求详细设计基于虚拟仪器的分布式电源并网检测装置。

1 分布式电源并网标准

分布式电源并网与低压电网和传统的大水电、大火电并网技术规定既有类似的地方，也有自己独特的要求。为了保证低压电网电能质量要求和安全稳定要求，清洁能源发展迅速的国家已经制定了相应的分布式电源并网技术标准，比如美国有IEEE1547《分布式电源并网技术标准》、德国有《中压网并网技术导则》，这些标准主要针对各种类型的分布式电源并网，对其并入电网提出了各类技术指标的要求。我国针对大型风电和光伏电站已制定了相应的国标、行标和企标，然而针对并入低压电网的小型分布式风电、光伏发电，以及其他形式的分布式电源，如生物质（农业生物质、林业生物质、沼气、垃圾）、瓦斯、天然气、煤层气、废气、工业余热、工业余压、地热、海洋能等发电以及蓄电池、燃料电池等电源尚缺少统一的技术标准。2010年8月，国家电网公司发布《分布式电源接入电网技术规定》，这是我国第一部专门针对分布式电源的技术标准，但由于是企业标准，约束力有限。预计我国在近两年内，将出台分布式电源的国家标准[3-4]。

2 系统结构设计

根据IEEE1547和国家电网公司的《分布式电源接入电网技术规定》，本文设计了一套基于虚拟仪器的分布式电源并网检测装置，其系统结构如图1所示。

如图1所示，该装置主要包括：基于虚拟仪器的测控装置、模拟电网、防孤岛检测装置、远端负载、电源切换装置和继电保护装置。

系统电源由两部分提供，一路为市电，一路为模拟电网。设计两路电源有两个目的，对于容量小于模拟电网容量的待测设备，可以在模拟电网环境下完成所有测试，而对于容量大于模拟电网容量的待测设备，由市电进行有功无功输出特性测试、孤岛保护测试、电源起停对电网影响测试和电能质量测试；由模拟电网完成电压电流和频率响应特性测试以及除孤岛保护外的其他保护测试。这样可以减小对模拟电网容量的要求，降低系统成本。模拟电网可以输出相电压0～150 V和0～300 V，步距0.1 V的高精度调节，输出频率45～120 Hz，步距0.1 Hz；具有9组记忆，可以将常用的参数存储，以便使用时调用；具有RS232C、RS485、GPIB通讯接口，指令执行时间小于1 ms；具有过压、过流、过载、短路、限流等保护功能；稳压反应时间在20 ms以内，超载能力强，瞬间电流能承受额定电流的3倍。

系统的负载有两套，一套是进行孤岛检测的RLC负载，一套用于模拟馈线上其他负载的远端负载，其属性为阻感性。这样设置可以完成对有逆功率保护情况下的逆功率保护特性测试。孤岛检测设备内置阻性负载、感性负载及容性负载，最小标准功率为0.01 kW，步进幅度0.01 kW，负荷功率连续可调；阻性负载采用合金电阻元件，阻值热漂移小；内置电感采用磁路可控式电感，长时间加载电感阻抗不变化；内置电容采用标准CBB电容元件，长时间加载电容阻抗不变化。

系统中设置了多个断路器，并在两处设置了继电保护器，这一方面可以增强系统的灵活性和适应性，另一方面可以增强系统的安全性。继电保护系统具有多重保护模式的编程功能，可根据测试对象的不同进行设置，增强系统的安全性。

系统采取基于虚拟仪器的核心架构，由软件完成所有参数的采集、计算、结果分析及解释，自动记录检测全过程，自动生成检测报告。这样做的目的是为了适应分布式电源并网标准各国不统一且不断修订的需要。

为方便系统安装和操作，本装置采用模块化结构设计，将整个系统分为6个测试柜，各测试柜根据功能进行划分，分别是模拟电网柜、电源切换开关柜、远端负载柜、孤岛检测柜、负载开关柜和监控柜。图2给出了系统的柜体功能划分图，图中未示出监控柜。

系统的监控功能由两部分组成，一部分是基于虚拟仪器的工控机系统，一部分是分散于各柜的分布式电量采集和指示仪表。这样做的目的一方面是对系统采集的数据进行冗余校验，一方面是增强结果显示的直观性，也更符合检测人员的一般操作习惯。

3 系统软件设计

系统软件是基于Labview平台开发的，其组成包括：环境设置软件、模拟电网设定软件、防孤岛检测软件、保护设置软件、信号采集软件、数据分析软件、结果分析软件、报告生成软件。其功能框图如图3所示。

图3中，环境设置软件可对互感器变比及待测设备容量进行设定；模拟电网设定软件可对测试过程中电压的变化曲线和频率的变化曲线进行设定；防孤岛检测软件可对孤岛检测装置的电感、电阻和电容值进行设定或自动设定；保护设置软件可对系统的电流保护特性、电压保护特性和频率保护特性进行设定；信号采集软件可启动自动信号采集、触发采集装置、自动对非有效数据进行去除、完成未加工数据的初步存储；数据分析软件可完成各种标准要求的特征参数的求取，如电能质量等；结果分析软件根据数据分析结果对检测项目的合格性进行评判，并对检测数据库进行管理；报告生成软件完成检测报告的自动生成。

4 结论

为满足分布式电源蓬勃发展、确保分布式电源安全稳定并网运行的需要，设计了基于虚拟仪器的分布式电源并网检测装置，其硬件系统包括基于虚拟仪器的测控装置、模拟电网、防孤岛检测装置、远端负载、电源切换装置和继电保护装置。其软件系统是基于Labview平台开发的，其组成包括：环境设置软件、模拟电网设定软件、防孤岛检测软件、保护设置软件、信号采集软件、数据分析软件、结果分析软件、报告生成软件。该装置能够完成基于逆变器、同步发电机和异步发电机等多种分布式电源的并网检测，且能够适应不同检测标准要求。

[1]彭明智，张维，熊泽群.分布式电源接入装置的研究和设计[J].电力系统保护与控制，2011，39(14)：59-61.

[2]任碧莹，钟彦儒，孙向东，等.基于周期交替电流扰动的孤岛检测方法[J].电力系统自动化，2008，32(19)：81-84.

[3]王玉梅，郭浩，王恩.含分布式电源配电网多重故障定位的研究[J].电源技术，2008，34(12)：1280-1282.

[4]侯国屏，王珅，叶齐鑫.LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.