直流微电网实验平台监测系统

直流微电网实验平台监测系统

洪涛 刘艺多

国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 210000

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的电力行业的发展也有了前所未有的进步。直流微电网故障的快速检测与切除是提高其运行可靠性的关键，电流差动保护可快速有选择地切除故障，但受短路阻抗影响较大，在高阻抗短路时可能拒动，从而无法切除故障。文中以环形直流微电网为研究对象，提出基于母线功率变化率的差动保护，由母线两侧功率变化率作为差动量，在区内故障时，母线功率变化率差动值大于动作值，保护动作切除故障线路。所提方法与短路电流的平方和短路阻抗成正比，可提高故障识别速度与保护灵敏度。仿真结果验证了所提保护方案具有更好的速动性、灵敏性，提高了环形直流微电网的可靠性和稳定性。

关键词：直流微电网；实验平台；监测系统

1 引言

能源紧缺和环境保护等问题推动着分布式可再生能源微电网技术的不断进步。微电网作为一个能够独立产生、消耗、存储及控制电能的运行在中低压网络的小功率发电系统，主要由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、交直流负荷等单元组成，与大电网之间通过静态开关可以实现并网运行或者孤岛运行。微电网一般分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。其中，直流微电网作为新的能源结网形式成为新的研究热点。结构性能上，直流微电网与交流微电网相比，无相位同步、集肤效应、交流损耗、频率稳定性等问题，更加便于与光伏电池、蓄电池、电动汽车等直流电源或直流负载的连接。运行控制上，直流微电网中只存在有功功率的平衡，无需额外考虑微电网系统的频率、相位、无功功率等问题，不仅降低了微电网的控制复杂程度，而且提高了供电电能质量。

2 监测系统功能需求目标

本实验平台主要提供光伏发电监测、风力发电监测、储能（磷酸铁锂、超级电容）监测、电动汽车充放电实时监测、负载监测以及实验平台的整体监测等功能，能够让微电网既能在并网情况下正常运行，也能以“孤岛模式”运行。

2.1 光伏发电监测模块

光伏发电监测模块可以对单个微型逆变器进行启停控制，从而实现光伏发电系统的调控。主要监测对象为光照强度，环境温度，光伏电池板的输出电流、输出电压及输出功率，电池板温度和出力曲线及光伏阵列总出力曲线等。

2.2 风力发电监测模块

风力发电监测模块用于监视风力发电系统的采集信息，主要监测对象为风机的转速、风速，整流器后的电流、电压、输出功率、功率因数、风机出力曲线及主要的运行状态等；并对风力发电系统做出调控。

2.3 储能监测模块

储能监测模块主要是记录监测磷酸铁锂电池组和超级电容的实时运行信息，同时也可以控制双向逆变器的启停和工作模式的切换。具体监测的参数包括直流侧母线电压、电流，双向逆变器整流、逆变时的工作状态，电池输出侧电压、电流、温度、荷电状态，开关状态，保护状态等。

2.4 电动汽车充放电监测模块

该模块的主要功能是全面监视电池组的实时运行信息。具体监测参数包括电池充电电压上限值，电池放电电压下限值，电池出口处直流母线电压，电池N、A、B、C相电流平均值，电池A、B、C相有功输出值，电池总有功功率输出值，电池电压平均值等；此外还可显示电池母线出口处电压和电池充电功率。

2.5 负荷监测模块

当微电网的实际运行时，分布式电源模块的出力会随环境的变化而发生波动。同时，负荷也会根据用户的使用习惯等因素发生波动，如果这些波动超出了储能单元的补偿能力，将引起系统的频率波动和电压跌落。此时为了保证系统稳定运行，可以切除部分不重要的负荷。负荷单元的监测量主要包括负载侧电压、电流，各负荷消耗的功率、用电时间，相应静态开关的状态及功率因数等。负载按照用电性质可分为直流负载和交流负载。根据实验需求，本实验平台采用异步电机作为交流负载，采用可编程直流电子负载来模拟直流负载。电动汽车比较特殊，充电时可看作是直流负载，放电时可看作是储能设备。

3 系统的数据存储与处理

直流微电网监测系统需要时刻采集和存储各子模块的运行状态数据，并且建立专门的数据库。Windows系统本身自带的标准化数据库MicrosoftAccess具有简单、实用、数据类型广泛的优点，因此本文使用MicrosoftAccess存储监测数据。首先，在实验平台监测系统初始化时就应建立相应的数据库表格，主要是根据自身系统的需求，设置子程序中包含存储的位置和存储的周期。例如，设定存储位置为“E:\直流微电网试验平台数据库”，数据库存储周期为2000ms。系统运行时，系统会自动创建数据库.mdb格式文件存储在文件夹中。系统运行的关键测量数据、状态数据以及报警数据等信息均存储为历史数据，可以通过特定界面调取。系统可以选定参数生成并显示报表，自动生成实时、历史模拟量连续变化趋势图如电压波动曲线、功率符合曲线等。直流微电网监测系统的界面主要包括监测主界面和各子模块控制界面等，监测主界面作为终端用户与系统的交互界面，可以向用户展现实时的系统工作状态和数据，同时用于底层驱动软件和应用程序之间的通信和数据采集处理，是硬件之间相互交流信息的桥梁。可以采用一次主接线模拟各子模块控制界面用来设置参数、监测波形与数据、故障检测，主要包括风力发电监测、电动汽车充放电监测、储能监测、光伏发电监测、负荷监测等界面。微电网内仅由分布式电源、储能装置、负载三者共同运行。由于自身电源容量的限制、分布式电源出力的不确定性以及缺少电网的实时功率补充，直流微电网的孤岛运行增加了系统内实时功率平衡的难度，需通过发电单元侧、负荷用电侧共同调度维持系统内供需功率的平衡。

4 基于功率变化率的差动保护

考虑保护配置的可靠性即不误动、不拒动，且在保证选择性情况下，以最快速度切除故障，并具有良好的灵敏性，其整定值应能够识别正常运行时，分布式电源及负载投切引起的最大功率变化率，同时也能够识别最小故障电流时引起的功率变化率。负载由零增至满载为分布式电源及负载的投切引起的最大功率变化率，功率变化率的差动保护整定值需大于负载由零增至满载引起的功率变化率，即不误动。直流微电网短路主要分为直流接地故障和直流极间故障，在同等工况下，直流极间故障电流更大、破坏力更强，为保证保护不拒动、识别所有故障，保护需能识别最小故障引起的功率变化率，即高阻抗直流接地故障，因此本文后续针对直流接地故障进行了可靠性、灵敏性、速动性和选择性的校验。直流微电网保护不仅要满足速动性，还需有一定的容错能力和故障辨识能力。仿真分析得到了环形直流微电网电流差动保护和基于功率变化率的差动保护的灵敏度随短路电阻的变化曲线，基于功率变化率的差动保护灵敏度高于电流差动保护，在短路电阻Rf>0.5Ω后电流差动保护灵敏度小于1.3，已不能满足系统灵敏性要求；基于功率变化率的差动保护在Rf=20Ω时，灵敏度仍大于1.3，其灵敏性优于电流差动保护，更适应直流微电网不同短路阻抗的工况。

5 结语

本文针对环形直流微电网，提出一种基于母线功率变化率的差动保护，可在直流母线电容放电初始切除故障，相比电流差动保护其切除故障速度更快，避免烧毁电力电子器件且具有更高的灵敏度，阻抗短路在0~20Ω内皆可识别并切除故障，解决了直流微电网在高阻抗短路保护拒动的问题。兼顾速动性和灵敏性的同时仍保证了选择性，不受故障类型及故障地点影响，仅切除故障部分，缩小了停电范围，提高了供电可靠性。

参考文献：

[1]王成山,李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化,2010,34(2):10-14,23.

[2]王成山,王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化,2008,32(20):1-4,31.