分布式电源孤岛检测方法和系统与流程

本发明涉及孤岛检测技术领域，特别是涉及一种分布式电源孤岛检测方法和系统。

背景技术：

孤岛运行是指在主电网由于误操作、故障或自然因素等原因停止供电时，分布式电源未能检测出主网中断的状态而继续运行，从而形成了一个失去主网控制的供电网络。在能源互联网中，可再生分布式电源接入电网时防孤岛运行的保护就是关键问题之一。

传统的孤岛检测方法大体上可以分为两类：外部检测法和内部检测法。其中，内部检测法是通过公共耦合点的电压状态或注入有源信号的扰动引发系统状态偏离正常范围，从而实现孤岛检测；外部检测法是指在电网端通过监视开关状态或者投切负荷的方式，来判断是否发生孤岛。分布式电源中的噪声干扰重，需要能够尽可能快的检测出孤岛运行情况，但是传统孤岛检测方式在用于分布式电源孤岛检测时，检测时间较长，无法满足分布式电源孤岛检测的时间需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分布式电源孤岛检测方法和系统，可以满足分布式电源孤岛检测的时间需求。

本发明的目的通过如下方案实现：

一种分布式电源孤岛检测方法，包括：

在变电所10kV母线处周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输；

在分布式电源侧对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号；

根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的周期性同步检测信息和能量时间分布信息；

结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测。

一种分布式电源孤岛检测系统，包括安装在变电所10kV母线处的工频通信信号发生器、设置在分布式电源侧的信号接收装置以及与所述信号接收装置连接的信号处理装置；

所述工频通信信号发生器用于周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输；

所述信号接收装置用于对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号，并实时将获得的电压接收信号传输给所述信号处理装置；

所述信号处理装置根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的周期性同步检测信息和能量时间分布信息，结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测。

根据上述本发明的方案，其是在变电所10kV母线处周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输，在分布式电源侧对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号，根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的周期性同步检测信息和能量时间分布信息，结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测，采用本发明方案，可以在分布式电源发生孤岛运行两秒内检测出对应分布式电源的发生孤岛运行，满足了分布式电源孤岛检测的时间需求。

附图说明

图1为本发明实施例一的分布式电源孤岛检测方法的实现流程示意图；

图2为本发明实施例二的分布式电源孤岛检测系统的组成结构示意图；

图3为上行调制电路及波形图；

图4为本发明的分布式电源孤岛检测系统的应用示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例一

本发明实施例一提供一种分布式电源孤岛检测方法，参见图1所示，为本发明实施例一的分布式电源孤岛检测方法的实现流程示意图。如图1所示，本实施例一的分布式电源孤岛检测方法包括如下步骤：

步骤S101：在变电所10kV母线处周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输；

这里，工频调制信号一般为电力线过零工频通信信号，可以通过伪随机序列编码对电压过零信号进行调制得到所述工频调制信号。

步骤S102：在分布式电源侧对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号；

其中，在主电网正常运行时，所述传输信号既有调制信号成份又有噪声信号成份。

步骤S103：根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的同步检测信息和能量时间分布信息；

具体地，可以通过对所述电压接收信号进行时频分析获得同步检测信息和能量时间分布信息；

步骤S104：结合所述同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测；

具体地，可以首先对所述的周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息采用现有的信息融合方式进行信息融合，再基于信息融合结果对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测，其中，较为简单的信息融合是加权系数信息融合。

根据上述本发明的方案，其是在变电所10kV母线处周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输，在分布式电源侧对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号，根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的周期性同步检测信息和能量时间分布信息，结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测，采用本发明方案，可以在分布式电源发生孤岛运行两秒内检测出对应分布式电源的发生孤岛运行，满足了分布式电源孤岛检测的时间需求。

考虑到，当主网正常供电时，在分布式电源侧能够检测到所述工频调制信号，因此电压接收信号的能量值会按照所述当前工频周期出现周期性变化规律，而在发生孤岛运行时，在分布式电源侧不能够检测到所述工频调制信号，电压接收信号的能量值呈现无规律变化。因此，在其中一个实施例中，所述结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测可以包括：在所述能量时间分布信息表明所述电压接收信号的能量值未按照所述周期性同步检测信息出现周期性变化规律时，判定所述分布式电源侧出现孤岛运行。

具体地，可以根据所述能量时间分布信息获取当前峰值对应的时刻，获取当前峰值对应的时刻与上一峰值对应的时刻之间的时间差值是否为一个当前工频周期，若否，则判定所述电压接收信号的能量值未按照所述当前工频周期出现周期性变化规律。

考虑到双级性M序列编码具有尖锐的自相关特性，这样可以在分布式电源侧利用该双级性M序列编码自相关性强的特点检测工频调制信号的周期，即上述的当前工频周期。为此，在其中一个实施例中，可以通过双级性M序列编码对过零电压信号调制获得所述工频调制信号。

其中，双级性M序列编码的每个前导信息通过N个序列码片来表示，每个码片用两个工频电压周期中的畸变信号位置的前后来代表。根据在配电网大量工频通信试验的情况以及孤岛检测对时间的要求，较佳的序列长度为7，即前导信息通过7个序列码片来表示。

为了能够对分布式电源进行准确性检测，往往需要实现工频调制信号的同步检测，而为了能够实现工频调制信号的同步检测，在其中一个实施例中，还包括编码起始时刻的确定过程。所述编码起始时刻的确定过程包括：根据所述电压接收信号获取多个合成信号；比较各所述合成信号中的调制信号成分的能量值，将具有最大能量值的合成信号对应时刻确定为编码起始时刻。

其中，获取合成信号的过程可以包括：将所述电压接收信号中的2N个工频周期的电压采样信号分为N组，每组包括两个相邻工频周期的电压采样信号，其中，N为正整数；分别根据各组的两个工频周期的电压采样信号获取对应的电压差分信号；将N个电压差分信号通过所述伪随机序列编码加权获得一个合成信号。

采用本实施例中的方案，是考虑到合成信号中既有调制信号也有噪声，当完全同步时，合成信号中调制信号成份能够得到N倍的增强，当相差1个工频周期时，调制信号成份得到-N/2倍的增强，而其余情况调制信号成份不能得到增强；因此，通过比较各所述合成信号中的调制信号成分的能量值就能判断出编码起始时刻，从而实现周期性连续的工频调制信号的同步检测。

考虑到，工频调制信号的频谱在200Hz(赫兹)到600Hz之间，考虑到工业电网中奇次谐波的干扰较强的特点，而且下行工频通信畸变信号波形接近300Hz的情况，具体地，可以通过分析312.5Hz频率成份有效值来反映合成信号中电压畸变信号的能量。在其中一个实施例中，可以通过调制信号成分的幅频参数表示调制信号成分的能量值，所述幅频参数为312.5Hz频率成份有效值。

在电力线工频中，畸变信号至出现在发送端电压过零时刻附近的部分时间，通过傅里叶变换能够获得信号中的频率分布情况，但并不能准确地反映信号中某个频率成分出现的具体时间，为了克服传统傅里叶变换这一不足，最直接的处理方法是对信号采用分段处理，利用分段信号的傅里叶变换，实现对信号的时频局域性分析，这种分段傅里叶变换方法称为短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)。因此，在其中一个实施例中，可以通过短时短时傅里叶变换获取312.5Hz频率成份有效值。

实施例二

根据上述实施例中的分布式电源孤岛检测方法，本发明还提供一种分布式电源孤岛检测装置。图2为本发明实施例二的分布式电源孤岛检测装置的组成结构示意图。如图2所示，实施例二的分布式电源孤岛检测装置包括安装在变电所10kV母线处的工频通信信号发生器201、设置在分布式电源侧的信号接收装置202以及与所述信号接收装置连接的信号处理装置203；

工频通信信号发生器201用于周期性的发送工频调制信号，所述工频调制信号通过电力线向分布式电源侧传输；

信号接收装置202用于对所述电力线中的传输信号进行采样获得电压接收信号，并实时将获得的电压接收信号传输给所述信号处理装置；

信号处理装置203根据所述电压接收信号获取所述电压接收信号的周期性同步检测信息和能量时间分布信息，结合所述周期性同步检测信息和所述能量时间分布信息对所述分布式电源侧进行孤岛运行检测。

本发明实施例提供的分布式电源孤岛检测系统，需要指出的是：以上对于分布式电源孤岛检测系统的描述，与上述分布式电源孤岛检测方法的描述是类似的，并且具有上述分布式电源孤岛检测方法的有益效果，为节约篇幅，不再赘述；因此，以上对本发明实施例提供的分布式电源孤岛检测系统中未披露的技术细节，请参照上述提供的分布式电源孤岛检测方法的描述。

为了便于理解本发明实施例中的方案，以下对本发明方案进行详细阐述。

从变电所至各分布式电源的信号成为出站信号或下行信号，其调制电路和波形如图3所示，电压过零点附近，可控硅开关S关断一小段时间ΔT，此时在电感L上产生一个瞬时电流I_p。当该瞬时电流的值小于0时，可控硅开关S自动断开，调制电流I_p加在电压过零区域对应的电流波形上，完成一次调制过程。

如图4所示，为本发明的分布式电源孤岛检测系统的应用示意图。工频通信信号发生器位于变电所的10KV母线处，可将所用变作为调制变压器，通过电压附近的微弱畸变信号代表信息。位于分布式电源处的信号接收装置包括电压互感器和模数转换器，电压互感器和模数转换器采集到电压信号后，传输给信号处理装置进行处理，信号处理装置可以为微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)。

变电所的工频通信信号发生器连续发送周期性的工频调制信号，这样有利于在分布式电源侧进行同步检测，以准确判断数据信息的起始时刻。可以结合伪随机M序列进行周期性检测信号的调制，这样分布式电源侧可以利用伪随机自相关性强的特点检测电压过零调制信号的周期，具体地，可以通过对周期性连续的出站信号(即上述的在在变电所10kV母线处周期性的发送工频调制信号)的幅频参数分布出现峰值的时间间隔确定电压过零调制信号的周期。确定是否存在主网检测信号，从而判断主网供电状态。

设p(k)为双级性M序列编码，每个前导信息通过N个序列码片来表示，每个码片用两个工频电压周期中畸变信号位置的前后来代表，这样每个同步信息的电压调制成份表示为：

式中，T为工频周期；p(k)决定了畸变信号所在周期；v(t)为电压畸变信号。根据在配电网大量工频通信试验的情况以及孤岛检测对时间的要求，序列长度设为7。

在分布式电源侧的进行信号检测时，将2N个工频周期的电压采样信号分为N组，每组2个工频周期的信号，这样共有N个相邻周期电压差分信号；然后将这N个差分信号通过M序列编码加权产生合成信号为：

其中，p(k)为双级性M序列编码，U(t-2kT)和U(t-2kT)为相邻两个工频周期的电压采样信号，X_U(t-2kT)和X_U(t-2kT-T)为相邻两个工频周期的经过调制的畸变信号，n_k(t)是在传输中产生的噪声信号。

由于M序列具有尖锐的自相关特性，其合成信号S(t)和当前工频周期与同步信息码元起始时间的相差周期数q之间的关系可以表示为如下的公式(3)，公式(3)表征了合成信号S(t)和周期数q之间的关系。

其中，v(t)为电压调制畸变信号，β为畸变信号的权值，n_k(t)为噪声信号。

可见，合成信号中既有调制信号也有噪声，当完全同步时，合成信号中调制信号成份能够得到N倍的增强，当相差1个工频周期时，调制信号成份得到倍的增强，而其余情况调制信号不能得到增强。

根据式(3)可得，编码起始时刻的合成信号中调制成份最强，因此通过比较各合成信号在相应时段符合调制信号频率范围的幅频参数就能够判断编码的起始时刻，从而实现周期性连续工频通信信号的同步检测。

工频通信下行调制信号的频谱在200Hz到600Hz之间，考虑到工业电网中奇次谐波干扰较强的特点，而且下行工频通信畸变信号波形接近300Hz的情况，本专利通过分析312.5Hz频率成份有效值来反映合成信号中电压畸变信号的能量。

在电力线工频中，畸变信号至出现在发送端电压过零时刻附近的部分时间，通过傅里叶变换能够获得信号中的频率分布情况，但并不能准确地反映信号中某个频率成分出现的具体时间，为了克服传统傅里叶变换这一不足，最直接的处理方法是对信号采用分段处理，利用分段信号的傅里叶变换，实现对信号的时频局域性分析，这种分段傅里叶变换方法称为短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)。

STFT是最直接的频谱分析方法，对于合成信号S(t)，离散化短时傅立叶变换实部和虚部如下：

式中，n为离散序列；k为计算数据窗口内该频率的周期数；M为数据窗口的长度，M的值可以取48，在数据窗口时长；在M的值取48，当对312.5Hz频率进行计算时，周期数k是1.5。

考虑到Dy11型变压器的一、二次绕组之间会出现大约30°的相位差，采用以电压过零为中心，其时间前后偏移16个采样点，设置3个取样时间窗函数，每个窗函数时间长度为48个采样点，每个工频周期在计算合成信号的能量参数时，分别按照3个时间窗函数基于短时傅里叶变换计算频域能量参数，将这3个能量参数中的最大值作为该周期的频域能量参数。

设s_q(n)为在第q周期获得的离散化的电压合成信号，每个工频周期采样200点，g(n)为以接收端电压过零为中心的矩形时间窗函数，其时间长度为48个采样点。这样，3个时窗内的合成信号取样数据为：

对于上行合成信号取样数组，按照312.5Hz频率计算其幅频参数时，某频率分量ω_i的有效值为：

其中，s_qk，l(n)为上行合成信号取样数组，和分别是合成信号相位的实部和虚部。这样，便可到该数组的幅频参数，由于调制信号的主要成份只在其中的1个数据组，所以可将W_qk中的最大值作为该周期合成信号的能量参数W_q，其中，W_qk是三个时间窗内的合成信号的频域能量参数，W_q是这三个频域能量参数中的最大值。

在接收端未检测到工频调制信号时，幅频参数分布的峰值呈现无规律变化。在接收端检测到工频调制信号时，幅频参数分布出现周期呈规律变化的峰值电压，出现峰值电压的工频周期就是前导信息的编码起始时刻，实现同步检测。通过现场实际测试表明，该干扰能够在干扰严重的电网中保证同步检测性能。

编码起始时刻的合成信号可称为同步合成信号，由于调制成份得到大大增强，这样就为通过时频分析确定信号调制时域、判断所包含的数据信息提供了基础，由于同步合成信号是有限长度的取样值，实际进行的是离散化的伪维格纳分布计算，离散维格纳分布的运算量很大，难以对合成信号的所有频率成份进行实时分析。

设S₀(t)为同步周期时刻的合成信息，其中，调制信号的成份得到了7倍的增强，可简单表示为：

y_u(t)＝f_u(t)βv(t+Δ-δ)+n_u(t) (7)

在y_u(t)中，噪声n_u(t)是随机的，畸变信号的方向取决于数据信息，根据工频通信信号传输特性的分析的情况，畸变信号幅度衰减和传输时延很小，β接近1，而δ接近0，信号的调制时域主要由收发端电压过零点时差Δ决定。λ为相关时延，根据电压畸变信号主要成份的持续时间情况，相关运算时间μ选择为3ms；这样，S₀(t)与参考信号Kv(t+λ)的互相关输出为：

其中，p为序列信号的长度，s(n)为同步合成信号序列，T₀为参考信号周期。

接收端同步合成信号会出现比较明显的能量集中区域，这样就能够确定出站信号的调制时域，主要由变电所10kV出线与分布式电源电压过零点时差决定。在获得来自变电所连续周期性工频通信信号的基础上，通过时频分析手段获取了能量随时间分布情况，周期性同步检测信息，数据信息，这些信息单独都难以在很短的时间内实现，必须融合这些信息，来准确反映主网供电状态。

可以根据电力线工频通信现场测试的经验，结合出站信号检测过程中的各种信息综合判断供电线路中是否存在工频通信信号，从而实现分布式电源的孤岛检测。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。