基于光伏并网点孤岛保护监控运维平台的研究

董恩智，王研，常少聪，张靖晗，贾春贺

（国网吉林省电力有限公司白山供电公司，吉林 白山 134300）

随着国家政策的大力推动，光伏发电呈现逐年上升的态势，改变了传统电网从电源端到负荷端的单向潮流供电模式。从光伏并网点的电压、线路流向、线路电流、电能质量、继电保护以及网络可靠性等都产生了重大影响,尤其是当电网发生孤岛故障时，由于该区域的电网不受电网系统控制，对整个系统和用户设备的安全造成很大的威胁。例如，对电力维修人员生命安全造成威胁、影响配电系统上的保护开关动作、对用电设备带来破坏等。

基于光伏系统对人员及配电网络的影响，且并网点数量庞大、地理位置分散，致使监控运维非常困难。监控运维平台通过研究并网集群测控技术，解决了海量光伏数据的采集、处理、存储问题。通过研究互联网+技术，为运维人员提供了方便快捷的监控运维手段。

1 监控运维平台的系统架构

1.1 孤岛保护概述

孤岛故障：在电网遭遇天气变化、线路短路的情况下，整个电网系统停电，但是部分区域因为不受电网系统控制而出现局域供电的现象。

孤岛故障带来的问题：孤岛运行不受电网控制，电网恢复运行时，孤岛区域的电压瞬间超额，致使用电设备损坏，甚至影响到维修人员的安全。

孤岛故障的检测方法：主要分为主动检测法和被动检测法。其中主动检测法包括AFD检测法、SMS检测法、ACD检测法、FJ检测法等。被动检测法包括过压和过频检测法、欠压和欠频检测法、电压谐波检测法、PJD检测法等。下面对几种方法进行简要介绍。

1.2 主动式孤岛检测方法

（1）频率偏移检测法(AFD)：是通过输出频率失真的电流冲击电压和电流的保护界限值，使孤岛区域的电网不能正常运行，出现反孤岛效应。

（2）滑模频漂检测法(SMS)：是将输出的电流与电网之间的电压拉开差距，以使得电网在发生故障时，能够通过电压的频率判断出孤岛现象的区域。这种方法操作简单，成本较低，但当用电设备数量较多时，很容易失效。

（3）周期电流干扰检测法（ACD）：是在电网正常运行时，改变输出电流，观察电压的变化。当电网断电时，输出电压取决于负载，当到了改变电流的位置，电压和电流都发生变化。电网欠电压时即可得到检测结果。

（4）频率突变检测法(FJ)：是在AFD基础上进行变动，通过将电流波形输入死区， 频率设定为振动模式，观察逆变器的电压频率是否和预先设定好的频率相同来判断孤岛现象。这种方法在逆变器较少时，能够有效防止孤岛现象，但是逆变器较多时，检测方法的有效性会降低。

1.2.1 被动式孤岛检测方法

此方法是根据发生故障时，对电网逆变器的电流指标进行判断，是否发生了孤岛故障。

（1）过/欠压和过/欠频检测法：这种方法是指一旦电网中的电压的幅值和频率出现异常，就将逆变器停止运行，这种方法虽然成本较低，但是非检测区的范围较广，效率不高，存在局限性。

（2）电压谐波检测法：电压谐波检测法则是通过观察电压的谐波失真度来检测孤岛故障。但是由于许多不确定性因素，这一方法实施起来难度较高。

（3）电压相位突变检测法(PJD)：电压相位突变检测法（PJD）是根据光伏发电网的电流电压的变化来检测孤岛现象。这种方法容易实现，操作简单，但在负载阻抗角极小时，用电设备呈阻性，这种方法就不再适用。

1.2.2 其他方法

除了较为常见的几种方法，网侧阻抗插值法也是孤岛故障检测方法的一种，这种方法是在电网的终端加入一个较大的电阻，使孤岛区域的电压电流发生变化，不能正常运行。另一种是故障信号控制法，即一旦发生故障，电网发出故障信号，以切断分布式能源系统和电网的连接。

孤岛检测被动法中存在的技术问题。在孤岛检测被动法中面对的技术问题是：利用采集到的电压频率基本电气量进行过压、低压、过频、低频孤岛的判定，这种判定方法由于负载种类不同和负载变化，可能躲过判定条件，形成检测盲区。被动检测法中的谐波检测法，传统的快速傅里叶变换算法不能准确的判断谐波发生的时刻、持续的时间，由于谐波含量很小，计算准确度低，阈值设定无法很精确，单独使用快速傅里叶变换有可能因为突变的时间过短，快速傅里叶变换的积分作用，使计算突变的时间不准确，谐波含量计算有积分误差，判决门槛的不灵活，导致进入孤岛的检测盲区。

1.3 监控运维平台

各光伏电站的并网点保护测控设备通过GPRS网络通讯方式，即插即用与光伏并网点孤岛保护监控运维平台建立起通信通道，并实时发送并网点的运行数据（功率、电压、电流）等，并网点保护测控设备同时接收监控运维平台下发的控制命令（断网控制命令等），实现了电站远程控制。将孤岛保护与物联网结合起来，大大加快了孤岛故障的预警及时性，也方便了人们的生活。

光伏并网点孤岛保护监控运维平台通过建立云数据中心，采用云计算、物联网、网络通信等技术，实现了光伏电站并网点的零维护接入, 从而实现了光伏电站的在线状态监测与控制；通过对综合数据进行分析评估，深入数据挖掘，实现了智能分析告警，保证光伏电站安全、平稳的并/离网运行；平台监测信息均通过互联网实时发布，用户可通过电脑/手机等随时随地关注电站的运行状况。

2 服务集群技术

监控运维平台需要同时接入区域内所有光伏电站的并网点保护测控设备，自动采集电站并网点的信息，实现电站信息的分析处理，因此一台服务器节点已经远远不能满足应用需求，并且监控运维平台的建设是需要逐步推进来完成，随着光伏电站数量的增长而逐步增长。结合以上应用需求，监控运维平台很有必要采用集群技术，通过利用一组相互独立、高速网络互联的服务器节点来共同完成各种任务，这样就可以根据业务需要逐渐增加服务器节点，来满足日益增长的信息需求，从而有效的降低系统平台成本。

如图1所示，采用了采集服务集群的各采集服务器功能完全对等，每台采集服务器均与成千上万台并网点保护测控设备进行24小时不间断通讯，某台采集服务器节点实效后，通过采用负载均衡技术使通讯功能自动切换到其它采集服务器上，提高了系统的高效性和可扩展性。

数据的起始字符采用了电力系统常用的十六进制字符68H,数据包长度Len表示整个数据包的长度大小，电站编码ID表示各电站并网点的唯一编码，验证密钥Key表示本数据包的验证密钥,用于验证本数据包的正确性，用户数据Data表示本数据包传输的具体数据，数据项可以根据实际需要自由定义，检验字符CS表示除本字符之外的数据包的所有字符的逻辑运算。

图1 光伏并网点孤岛保护监控运维平台

3 结语

本文简要描述了光伏电网的孤岛故障问题，并列举了相应的检测方法，在此基础上将孤岛检测方法和物联网相结合，研究了基于物联网架构下的光伏并网点孤岛保护的监控运维平台，系统通过基于并网点保护测控设备的GPRS网络对光伏并网点进行监控，经过实践证明，通过采用集群技术，提高了系统的并行计算能力，使不同硬件产品可以在同一平台下运行，提高了硬件资源的利用率，通过任务的动态分配，保证了服务器故障不影响系统运行，提高了系统的稳定性。通过采用互联网的发布手段，充分实现了海量光伏电站的监视与控制，大大提高了光伏并网系统的运维水平。

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