基于虛擬儀器的分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)平臺(tái)研究

張全成，張永明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200072）

近年來，分布式電源發(fā)展迅速，已成為不少發(fā)達(dá)國家極力推動(dòng)的重要發(fā)電技術(shù)，主要用于工業(yè)園區(qū)、公共設(shè)施、商業(yè)設(shè)施和住宅建筑等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國分布式發(fā)電總裝機(jī)容量有8 000萬千瓦，占全國總發(fā)電容量的7.8%；日本分布式發(fā)電總裝機(jī)容量有3 600萬千瓦，占全國總發(fā)電容量的13.4%；德國分布式發(fā)電總裝機(jī)容量有2 200萬千瓦，占全國總發(fā)電容量的19.8%。英國的分布式發(fā)電站有1 000多座，丹麥的分布式發(fā)電量更是超過全部發(fā)電量的50%[1]。

我國分布式發(fā)電發(fā)展較晚，目前仍處于起步階段。2010年8月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，并已上報(bào)能源局，批準(zhǔn)后將成為國家標(biāo)準(zhǔn)。2011年4月30日，國家能源局完成了《分布式電源管理辦法》（征求意見稿）的征求意見工作，其主要內(nèi)容包括分布式發(fā)電的建設(shè)規(guī)劃、項(xiàng)目建設(shè)、接入電網(wǎng)、運(yùn)行管理、政策保障和措施等。標(biāo)準(zhǔn)及管理辦法的出臺(tái)，將為分布式電源高速發(fā)展提供技術(shù)和政策上的保障。為順應(yīng)分布式電源的蓬勃發(fā)展，確保分布式電源安全穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行，建立分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)裝置非常有必要；同時(shí)由于分布式電源標(biāo)準(zhǔn)仍需要不斷完善，所以建立基于虛擬儀器的分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)裝置，以適應(yīng)不斷升級(jí)需求也非常必要[2]。

本文首先簡(jiǎn)述分布式電源的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求詳細(xì)設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)裝置。

1 分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

分布式電源并網(wǎng)與低壓電網(wǎng)和傳統(tǒng)的大水電、大火電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定既有類似的地方，也有自己獨(dú)特的要求。為了保證低壓電網(wǎng)電能質(zhì)量要求和安全穩(wěn)定要求，清潔能源發(fā)展迅速的國家已經(jīng)制定了相應(yīng)的分布式電源并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比如美國有IEEE1547《分布式電源并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、德國有《中壓網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》，這些標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)各種類型的分布式電源并網(wǎng)，對(duì)其并入電網(wǎng)提出了各類技術(shù)指標(biāo)的要求。我國針對(duì)大型風(fēng)電和光伏電站已制定了相應(yīng)的國標(biāo)、行標(biāo)和企標(biāo)，然而針對(duì)并入低壓電網(wǎng)的小型分布式風(fēng)電、光伏發(fā)電，以及其他形式的分布式電源，如生物質(zhì)（農(nóng)業(yè)生物質(zhì)、林業(yè)生物質(zhì)、沼氣、垃圾）、瓦斯、天然氣、煤層氣、廢氣、工業(yè)余熱、工業(yè)余壓、地?zé)?、海洋能等發(fā)電以及蓄電池、燃料電池等電源尚缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2010年8月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，這是我國第一部專門針對(duì)分布式電源的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，約束力有限。預(yù)計(jì)我國在近兩年內(nèi)，將出臺(tái)分布式電源的國家標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)IEEE1547和國家電網(wǎng)公司的《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，本文設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，該裝置主要包括：基于虛擬儀器的測(cè)控裝置、模擬電網(wǎng)、防孤島檢測(cè)裝置、遠(yuǎn)端負(fù)載、電源切換裝置和繼電保護(hù)裝置。

系統(tǒng)電源由兩部分提供，一路為市電，一路為模擬電網(wǎng)。設(shè)計(jì)兩路電源有兩個(gè)目的，對(duì)于容量小于模擬電網(wǎng)容量的待測(cè)設(shè)備，可以在模擬電網(wǎng)環(huán)境下完成所有測(cè)試，而對(duì)于容量大于模擬電網(wǎng)容量的待測(cè)設(shè)備，由市電進(jìn)行有功無功輸出特性測(cè)試、孤島保護(hù)測(cè)試、電源起停對(duì)電網(wǎng)影響測(cè)試和電能質(zhì)量測(cè)試；由模擬電網(wǎng)完成電壓電流和頻率響應(yīng)特性測(cè)試以及除孤島保護(hù)外的其他保護(hù)測(cè)試。這樣可以減小對(duì)模擬電網(wǎng)容量的要求，降低系統(tǒng)成本。模擬電網(wǎng)可以輸出相電壓0～150 V和0～300 V，步距0.1 V的高精度調(diào)節(jié)，輸出頻率45～120 Hz，步距0.1 Hz；具有9組記憶，可以將常用的參數(shù)存儲(chǔ)，以便使用時(shí)調(diào)用；具有RS232C、RS485、GPIB通訊接口，指令執(zhí)行時(shí)間小于1 ms；具有過壓、過流、過載、短路、限流等保護(hù)功能；穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在20 ms以內(nèi)，超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的3倍。

系統(tǒng)的負(fù)載有兩套，一套是進(jìn)行孤島檢測(cè)的RLC負(fù)載，一套用于模擬饋線上其他負(fù)載的遠(yuǎn)端負(fù)載，其屬性為阻感性。這樣設(shè)置可以完成對(duì)有逆功率保護(hù)情況下的逆功率保護(hù)特性測(cè)試。孤島檢測(cè)設(shè)備內(nèi)置阻性負(fù)載、感性負(fù)載及容性負(fù)載，最小標(biāo)準(zhǔn)功率為0.01 kW，步進(jìn)幅度0.01 kW，負(fù)荷功率連續(xù)可調(diào)；阻性負(fù)載采用合金電阻元件，阻值熱漂移??；內(nèi)置電感采用磁路可控式電感，長(zhǎng)時(shí)間加載電感阻抗不變化；內(nèi)置電容采用標(biāo)準(zhǔn)CBB電容元件，長(zhǎng)時(shí)間加載電容阻抗不變化。

系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)斷路器，并在兩處設(shè)置了繼電保護(hù)器，這一方面可以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，另一方面可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。繼電保護(hù)系統(tǒng)具有多重保護(hù)模式的編程功能，可根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同進(jìn)行設(shè)置，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

系統(tǒng)采取基于虛擬儀器的核心架構(gòu)，由軟件完成所有參數(shù)的采集、計(jì)算、結(jié)果分析及解釋，自動(dòng)記錄檢測(cè)全過程，自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告。這樣做的目的是為了適應(yīng)分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)各國不統(tǒng)一且不斷修訂的需要。

為方便系統(tǒng)安裝和操作，本裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)分為6個(gè)測(cè)試柜，各測(cè)試柜根據(jù)功能進(jìn)行劃分，分別是模擬電網(wǎng)柜、電源切換開關(guān)柜、遠(yuǎn)端負(fù)載柜、孤島檢測(cè)柜、負(fù)載開關(guān)柜和監(jiān)控柜。圖2給出了系統(tǒng)的柜體功能劃分圖，圖中未示出監(jiān)控柜。

系統(tǒng)的監(jiān)控功能由兩部分組成，一部分是基于虛擬儀器的工控機(jī)系統(tǒng)，一部分是分散于各柜的分布式電量采集和指示儀表。這樣做的目的一方面是對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余校驗(yàn)，一方面是增強(qiáng)結(jié)果顯示的直觀性，也更符合檢測(cè)人員的一般操作習(xí)慣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于Labview平臺(tái)開發(fā)的，其組成包括：環(huán)境設(shè)置軟件、模擬電網(wǎng)設(shè)定軟件、防孤島檢測(cè)軟件、保護(hù)設(shè)置軟件、信號(hào)采集軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、結(jié)果分析軟件、報(bào)告生成軟件。其功能框圖如圖3所示。

圖3中，環(huán)境設(shè)置軟件可對(duì)互感器變比及待測(cè)設(shè)備容量進(jìn)行設(shè)定；模擬電網(wǎng)設(shè)定軟件可對(duì)測(cè)試過程中電壓的變化曲線和頻率的變化曲線進(jìn)行設(shè)定；防孤島檢測(cè)軟件可對(duì)孤島檢測(cè)裝置的電感、電阻和電容值進(jìn)行設(shè)定或自動(dòng)設(shè)定；保護(hù)設(shè)置軟件可對(duì)系統(tǒng)的電流保護(hù)特性、電壓保護(hù)特性和頻率保護(hù)特性進(jìn)行設(shè)定；信號(hào)采集軟件可啟動(dòng)自動(dòng)信號(hào)采集、觸發(fā)采集裝置、自動(dòng)對(duì)非有效數(shù)據(jù)進(jìn)行去除、完成未加工數(shù)據(jù)的初步存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)分析軟件可完成各種標(biāo)準(zhǔn)要求的特征參數(shù)的求取，如電能質(zhì)量等；結(jié)果分析軟件根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目的合格性進(jìn)行評(píng)判，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理；報(bào)告生成軟件完成檢測(cè)報(bào)告的自動(dòng)生成。

4 結(jié)論

為滿足分布式電源蓬勃發(fā)展、確保分布式電源安全穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的分布式電源并網(wǎng)檢測(cè)裝置，其硬件系統(tǒng)包括基于虛擬儀器的測(cè)控裝置、模擬電網(wǎng)、防孤島檢測(cè)裝置、遠(yuǎn)端負(fù)載、電源切換裝置和繼電保護(hù)裝置。其軟件系統(tǒng)是基于Labview平臺(tái)開發(fā)的，其組成包括：環(huán)境設(shè)置軟件、模擬電網(wǎng)設(shè)定軟件、防孤島檢測(cè)軟件、保護(hù)設(shè)置軟件、信號(hào)采集軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、結(jié)果分析軟件、報(bào)告生成軟件。該裝置能夠完成基于逆變器、同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)等多種分布式電源的并網(wǎng)檢測(cè)，且能夠適應(yīng)不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]彭明智，張維，熊澤群.分布式電源接入裝置的研究和設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(14)：59-61.

[2]任碧瑩，鐘彥儒，孫向東，等.基于周期交替電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(19)：81-84.

[3]王玉梅，郭浩，王恩.含分布式電源配電網(wǎng)多重故障定位的研究[J].電源技術(shù)，2008，34(12)：1280-1282.

[4]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.