本發(fā)明涉及孤島檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種分布式電源孤島檢測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

孤島運行是指在主電網(wǎng)由于誤操作、故障或自然因素等原因停止供電時，分布式電源未能檢測出主網(wǎng)中斷的狀態(tài)而繼續(xù)運行，從而形成了一個失去主網(wǎng)控制的供電網(wǎng)絡(luò)。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，可再生分布式電源接入電網(wǎng)時防孤島運行的保護就是關(guān)鍵問題之一。

傳統(tǒng)的孤島檢測方法大體上可以分為兩類：外部檢測法和內(nèi)部檢測法。其中，內(nèi)部檢測法是通過公共耦合點的電壓狀態(tài)或注入有源信號的擾動引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)偏離正常范圍，從而實現(xiàn)孤島檢測；外部檢測法是指在電網(wǎng)端通過監(jiān)視開關(guān)狀態(tài)或者投切負荷的方式，來判斷是否發(fā)生孤島。分布式電源中的噪聲干擾重，需要能夠盡可能快的檢測出孤島運行情況，但是傳統(tǒng)孤島檢測方式在用于分布式電源孤島檢測時，檢測時間較長，無法滿足分布式電源孤島檢測的時間需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種分布式電源孤島檢測方法和系統(tǒng)，可以滿足分布式電源孤島檢測的時間需求。

本發(fā)明的目的通過如下方案實現(xiàn)：

一種分布式電源孤島檢測方法，包括：

在變電所10kV母線處周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸；

在分布式電源側(cè)對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號；

根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的周期性同步檢測信息和能量時間分布信息；

結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測。

一種分布式電源孤島檢測系統(tǒng)，包括安裝在變電所10kV母線處的工頻通信信號發(fā)生器、設(shè)置在分布式電源側(cè)的信號接收裝置以及與所述信號接收裝置連接的信號處理裝置；

所述工頻通信信號發(fā)生器用于周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸；

所述信號接收裝置用于對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號，并實時將獲得的電壓接收信號傳輸給所述信號處理裝置；

所述信號處理裝置根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的周期性同步檢測信息和能量時間分布信息，結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測。

根據(jù)上述本發(fā)明的方案，其是在變電所10kV母線處周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸，在分布式電源側(cè)對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號，根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的周期性同步檢測信息和能量時間分布信息，結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測，采用本發(fā)明方案，可以在分布式電源發(fā)生孤島運行兩秒內(nèi)檢測出對應(yīng)分布式電源的發(fā)生孤島運行，滿足了分布式電源孤島檢測的時間需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的分布式電源孤島檢測方法的實現(xiàn)流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例二的分布式電源孤島檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為上行調(diào)制電路及波形圖；

圖4為本發(fā)明的分布式電源孤島檢測系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

實施例一

本發(fā)明實施例一提供一種分布式電源孤島檢測方法，參見圖1所示，為本發(fā)明實施例一的分布式電源孤島檢測方法的實現(xiàn)流程示意圖。如圖1所示，本實施例一的分布式電源孤島檢測方法包括如下步驟：

步驟S101：在變電所10kV母線處周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸；

這里，工頻調(diào)制信號一般為電力線過零工頻通信信號，可以通過偽隨機序列編碼對電壓過零信號進行調(diào)制得到所述工頻調(diào)制信號。

步驟S102：在分布式電源側(cè)對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號；

其中，在主電網(wǎng)正常運行時，所述傳輸信號既有調(diào)制信號成份又有噪聲信號成份。

步驟S103：根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的同步檢測信息和能量時間分布信息；

具體地，可以通過對所述電壓接收信號進行時頻分析獲得同步檢測信息和能量時間分布信息；

步驟S104：結(jié)合所述同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測；

具體地，可以首先對所述的周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息采用現(xiàn)有的信息融合方式進行信息融合，再基于信息融合結(jié)果對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測，其中，較為簡單的信息融合是加權(quán)系數(shù)信息融合。

根據(jù)上述本發(fā)明的方案，其是在變電所10kV母線處周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸，在分布式電源側(cè)對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號，根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的周期性同步檢測信息和能量時間分布信息，結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測，采用本發(fā)明方案，可以在分布式電源發(fā)生孤島運行兩秒內(nèi)檢測出對應(yīng)分布式電源的發(fā)生孤島運行，滿足了分布式電源孤島檢測的時間需求。

考慮到，當主網(wǎng)正常供電時，在分布式電源側(cè)能夠檢測到所述工頻調(diào)制信號，因此電壓接收信號的能量值會按照所述當前工頻周期出現(xiàn)周期性變化規(guī)律，而在發(fā)生孤島運行時，在分布式電源側(cè)不能夠檢測到所述工頻調(diào)制信號，電壓接收信號的能量值呈現(xiàn)無規(guī)律變化。因此，在其中一個實施例中，所述結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測可以包括：在所述能量時間分布信息表明所述電壓接收信號的能量值未按照所述周期性同步檢測信息出現(xiàn)周期性變化規(guī)律時，判定所述分布式電源側(cè)出現(xiàn)孤島運行。

具體地，可以根據(jù)所述能量時間分布信息獲取當前峰值對應(yīng)的時刻，獲取當前峰值對應(yīng)的時刻與上一峰值對應(yīng)的時刻之間的時間差值是否為一個當前工頻周期，若否，則判定所述電壓接收信號的能量值未按照所述當前工頻周期出現(xiàn)周期性變化規(guī)律。

考慮到雙級性M序列編碼具有尖銳的自相關(guān)特性，這樣可以在分布式電源側(cè)利用該雙級性M序列編碼自相關(guān)性強的特點檢測工頻調(diào)制信號的周期，即上述的當前工頻周期。為此，在其中一個實施例中，可以通過雙級性M序列編碼對過零電壓信號調(diào)制獲得所述工頻調(diào)制信號。

其中，雙級性M序列編碼的每個前導(dǎo)信息通過N個序列碼片來表示，每個碼片用兩個工頻電壓周期中的畸變信號位置的前后來代表。根據(jù)在配電網(wǎng)大量工頻通信試驗的情況以及孤島檢測對時間的要求，較佳的序列長度為7，即前導(dǎo)信息通過7個序列碼片來表示。

為了能夠?qū)Ψ植际诫娫催M行準確性檢測，往往需要實現(xiàn)工頻調(diào)制信號的同步檢測，而為了能夠?qū)崿F(xiàn)工頻調(diào)制信號的同步檢測，在其中一個實施例中，還包括編碼起始時刻的確定過程。所述編碼起始時刻的確定過程包括：根據(jù)所述電壓接收信號獲取多個合成信號；比較各所述合成信號中的調(diào)制信號成分的能量值，將具有最大能量值的合成信號對應(yīng)時刻確定為編碼起始時刻。

其中，獲取合成信號的過程可以包括：將所述電壓接收信號中的2N個工頻周期的電壓采樣信號分為N組，每組包括兩個相鄰工頻周期的電壓采樣信號，其中，N為正整數(shù)；分別根據(jù)各組的兩個工頻周期的電壓采樣信號獲取對應(yīng)的電壓差分信號；將N個電壓差分信號通過所述偽隨機序列編碼加權(quán)獲得一個合成信號。

采用本實施例中的方案，是考慮到合成信號中既有調(diào)制信號也有噪聲，當完全同步時，合成信號中調(diào)制信號成份能夠得到N倍的增強，當相差1個工頻周期時，調(diào)制信號成份得到-N/2倍的增強，而其余情況調(diào)制信號成份不能得到增強；因此，通過比較各所述合成信號中的調(diào)制信號成分的能量值就能判斷出編碼起始時刻，從而實現(xiàn)周期性連續(xù)的工頻調(diào)制信號的同步檢測。

考慮到，工頻調(diào)制信號的頻譜在200Hz(赫茲)到600Hz之間，考慮到工業(yè)電網(wǎng)中奇次諧波的干擾較強的特點，而且下行工頻通信畸變信號波形接近300Hz的情況，具體地，可以通過分析312.5Hz頻率成份有效值來反映合成信號中電壓畸變信號的能量。在其中一個實施例中，可以通過調(diào)制信號成分的幅頻參數(shù)表示調(diào)制信號成分的能量值，所述幅頻參數(shù)為312.5Hz頻率成份有效值。

在電力線工頻中，畸變信號至出現(xiàn)在發(fā)送端電壓過零時刻附近的部分時間，通過傅里葉變換能夠獲得信號中的頻率分布情況，但并不能準確地反映信號中某個頻率成分出現(xiàn)的具體時間，為了克服傳統(tǒng)傅里葉變換這一不足，最直接的處理方法是對信號采用分段處理，利用分段信號的傅里葉變換，實現(xiàn)對信號的時頻局域性分析，這種分段傅里葉變換方法稱為短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)。因此，在其中一個實施例中，可以通過短時短時傅里葉變換獲取312.5Hz頻率成份有效值。

實施例二

根據(jù)上述實施例中的分布式電源孤島檢測方法，本發(fā)明還提供一種分布式電源孤島檢測裝置。圖2為本發(fā)明實施例二的分布式電源孤島檢測裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，實施例二的分布式電源孤島檢測裝置包括安裝在變電所10kV母線處的工頻通信信號發(fā)生器201、設(shè)置在分布式電源側(cè)的信號接收裝置202以及與所述信號接收裝置連接的信號處理裝置203；

工頻通信信號發(fā)生器201用于周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號，所述工頻調(diào)制信號通過電力線向分布式電源側(cè)傳輸；

信號接收裝置202用于對所述電力線中的傳輸信號進行采樣獲得電壓接收信號，并實時將獲得的電壓接收信號傳輸給所述信號處理裝置；

信號處理裝置203根據(jù)所述電壓接收信號獲取所述電壓接收信號的周期性同步檢測信息和能量時間分布信息，結(jié)合所述周期性同步檢測信息和所述能量時間分布信息對所述分布式電源側(cè)進行孤島運行檢測。

本發(fā)明實施例提供的分布式電源孤島檢測系統(tǒng)，需要指出的是：以上對于分布式電源孤島檢測系統(tǒng)的描述，與上述分布式電源孤島檢測方法的描述是類似的，并且具有上述分布式電源孤島檢測方法的有益效果，為節(jié)約篇幅，不再贅述；因此，以上對本發(fā)明實施例提供的分布式電源孤島檢測系統(tǒng)中未披露的技術(shù)細節(jié)，請參照上述提供的分布式電源孤島檢測方法的描述。

為了便于理解本發(fā)明實施例中的方案，以下對本發(fā)明方案進行詳細闡述。

從變電所至各分布式電源的信號成為出站信號或下行信號，其調(diào)制電路和波形如圖3所示，電壓過零點附近，可控硅開關(guān)S關(guān)斷一小段時間ΔT，此時在電感L上產(chǎn)生一個瞬時電流I_p。當該瞬時電流的值小于0時，可控硅開關(guān)S自動斷開，調(diào)制電流I_p加在電壓過零區(qū)域?qū)?yīng)的電流波形上，完成一次調(diào)制過程。

如圖4所示，為本發(fā)明的分布式電源孤島檢測系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。工頻通信信號發(fā)生器位于變電所的10KV母線處，可將所用變作為調(diào)制變壓器，通過電壓附近的微弱畸變信號代表信息。位于分布式電源處的信號接收裝置包括電壓互感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電壓互感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到電壓信號后，傳輸給信號處理裝置進行處理，信號處理裝置可以為微控制單元(Microcontroller Unit；MCU)。

變電所的工頻通信信號發(fā)生器連續(xù)發(fā)送周期性的工頻調(diào)制信號，這樣有利于在分布式電源側(cè)進行同步檢測，以準確判斷數(shù)據(jù)信息的起始時刻?？梢越Y(jié)合偽隨機M序列進行周期性檢測信號的調(diào)制，這樣分布式電源側(cè)可以利用偽隨機自相關(guān)性強的特點檢測電壓過零調(diào)制信號的周期，具體地，可以通過對周期性連續(xù)的出站信號(即上述的在在變電所10kV母線處周期性的發(fā)送工頻調(diào)制信號)的幅頻參數(shù)分布出現(xiàn)峰值的時間間隔確定電壓過零調(diào)制信號的周期。確定是否存在主網(wǎng)檢測信號，從而判斷主網(wǎng)供電狀態(tài)。

設(shè)p(k)為雙級性M序列編碼，每個前導(dǎo)信息通過N個序列碼片來表示，每個碼片用兩個工頻電壓周期中畸變信號位置的前后來代表，這樣每個同步信息的電壓調(diào)制成份表示為：

式中，T為工頻周期；p(k)決定了畸變信號所在周期；v(t)為電壓畸變信號。根據(jù)在配電網(wǎng)大量工頻通信試驗的情況以及孤島檢測對時間的要求，序列長度設(shè)為7。

在分布式電源側(cè)的進行信號檢測時，將2N個工頻周期的電壓采樣信號分為N組，每組2個工頻周期的信號，這樣共有N個相鄰周期電壓差分信號；然后將這N個差分信號通過M序列編碼加權(quán)產(chǎn)生合成信號為：

其中，p(k)為雙級性M序列編碼，U(t-2kT)和U(t-2kT)為相鄰兩個工頻周期的電壓采樣信號，X_U(t-2kT)和X_U(t-2kT-T)為相鄰兩個工頻周期的經(jīng)過調(diào)制的畸變信號，n_k(t)是在傳輸中產(chǎn)生的噪聲信號。

由于M序列具有尖銳的自相關(guān)特性，其合成信號S(t)和當前工頻周期與同步信息碼元起始時間的相差周期數(shù)q之間的關(guān)系可以表示為如下的公式(3)，公式(3)表征了合成信號S(t)和周期數(shù)q之間的關(guān)系。

其中，v(t)為電壓調(diào)制畸變信號，β為畸變信號的權(quán)值，n_k(t)為噪聲信號。

可見，合成信號中既有調(diào)制信號也有噪聲，當完全同步時，合成信號中調(diào)制信號成份能夠得到N倍的增強，當相差1個工頻周期時，調(diào)制信號成份得到倍的增強，而其余情況調(diào)制信號不能得到增強。

根據(jù)式(3)可得，編碼起始時刻的合成信號中調(diào)制成份最強，因此通過比較各合成信號在相應(yīng)時段符合調(diào)制信號頻率范圍的幅頻參數(shù)就能夠判斷編碼的起始時刻，從而實現(xiàn)周期性連續(xù)工頻通信信號的同步檢測。

工頻通信下行調(diào)制信號的頻譜在200Hz到600Hz之間，考慮到工業(yè)電網(wǎng)中奇次諧波干擾較強的特點，而且下行工頻通信畸變信號波形接近300Hz的情況，本專利通過分析312.5Hz頻率成份有效值來反映合成信號中電壓畸變信號的能量。

在電力線工頻中，畸變信號至出現(xiàn)在發(fā)送端電壓過零時刻附近的部分時間，通過傅里葉變換能夠獲得信號中的頻率分布情況，但并不能準確地反映信號中某個頻率成分出現(xiàn)的具體時間，為了克服傳統(tǒng)傅里葉變換這一不足，最直接的處理方法是對信號采用分段處理，利用分段信號的傅里葉變換，實現(xiàn)對信號的時頻局域性分析，這種分段傅里葉變換方法稱為短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)。

STFT是最直接的頻譜分析方法，對于合成信號S(t)，離散化短時傅立葉變換實部和虛部如下：

式中，n為離散序列；k為計算數(shù)據(jù)窗口內(nèi)該頻率的周期數(shù)；M為數(shù)據(jù)窗口的長度，M的值可以取48，在數(shù)據(jù)窗口時長；在M的值取48，當對312.5Hz頻率進行計算時，周期數(shù)k是1.5。

考慮到Dy11型變壓器的一、二次繞組之間會出現(xiàn)大約30°的相位差，采用以電壓過零為中心，其時間前后偏移16個采樣點，設(shè)置3個取樣時間窗函數(shù)，每個窗函數(shù)時間長度為48個采樣點，每個工頻周期在計算合成信號的能量參數(shù)時，分別按照3個時間窗函數(shù)基于短時傅里葉變換計算頻域能量參數(shù)，將這3個能量參數(shù)中的最大值作為該周期的頻域能量參數(shù)。

設(shè)s_q(n)為在第q周期獲得的離散化的電壓合成信號，每個工頻周期采樣200點，g(n)為以接收端電壓過零為中心的矩形時間窗函數(shù)，其時間長度為48個采樣點。這樣，3個時窗內(nèi)的合成信號取樣數(shù)據(jù)為：

對于上行合成信號取樣數(shù)組，按照312.5Hz頻率計算其幅頻參數(shù)時，某頻率分量ω_i的有效值為：

其中，s_qk，l(n)為上行合成信號取樣數(shù)組，和分別是合成信號相位的實部和虛部。這樣，便可到該數(shù)組的幅頻參數(shù)，由于調(diào)制信號的主要成份只在其中的1個數(shù)據(jù)組，所以可將W_qk中的最大值作為該周期合成信號的能量參數(shù)W_q，其中，W_qk是三個時間窗內(nèi)的合成信號的頻域能量參數(shù)，W_q是這三個頻域能量參數(shù)中的最大值。

在接收端未檢測到工頻調(diào)制信號時，幅頻參數(shù)分布的峰值呈現(xiàn)無規(guī)律變化。在接收端檢測到工頻調(diào)制信號時，幅頻參數(shù)分布出現(xiàn)周期呈規(guī)律變化的峰值電壓，出現(xiàn)峰值電壓的工頻周期就是前導(dǎo)信息的編碼起始時刻，實現(xiàn)同步檢測。通過現(xiàn)場實際測試表明，該干擾能夠在干擾嚴重的電網(wǎng)中保證同步檢測性能。

編碼起始時刻的合成信號可稱為同步合成信號，由于調(diào)制成份得到大大增強，這樣就為通過時頻分析確定信號調(diào)制時域、判斷所包含的數(shù)據(jù)信息提供了基礎(chǔ)，由于同步合成信號是有限長度的取樣值，實際進行的是離散化的偽維格納分布計算，離散維格納分布的運算量很大，難以對合成信號的所有頻率成份進行實時分析。

設(shè)S₀(t)為同步周期時刻的合成信息，其中，調(diào)制信號的成份得到了7倍的增強，可簡單表示為：

y_u(t)＝f_u(t)βv(t+Δ-δ)+n_u(t) (7)

在y_u(t)中，噪聲n_u(t)是隨機的，畸變信號的方向取決于數(shù)據(jù)信息，根據(jù)工頻通信信號傳輸特性的分析的情況，畸變信號幅度衰減和傳輸時延很小，β接近1，而δ接近0，信號的調(diào)制時域主要由收發(fā)端電壓過零點時差Δ決定。λ為相關(guān)時延，根據(jù)電壓畸變信號主要成份的持續(xù)時間情況，相關(guān)運算時間μ選擇為3ms；這樣，S₀(t)與參考信號Kv(t+λ)的互相關(guān)輸出為：

其中，p為序列信號的長度，s(n)為同步合成信號序列，T₀為參考信號周期。

接收端同步合成信號會出現(xiàn)比較明顯的能量集中區(qū)域，這樣就能夠確定出站信號的調(diào)制時域，主要由變電所10kV出線與分布式電源電壓過零點時差決定。在獲得來自變電所連續(xù)周期性工頻通信信號的基礎(chǔ)上，通過時頻分析手段獲取了能量隨時間分布情況，周期性同步檢測信息，數(shù)據(jù)信息，這些信息單獨都難以在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)，必須融合這些信息，來準確反映主網(wǎng)供電狀態(tài)。

可以根據(jù)電力線工頻通信現(xiàn)場測試的經(jīng)驗，結(jié)合出站信號檢測過程中的各種信息綜合判斷供電線路中是否存在工頻通信信號，從而實現(xiàn)分布式電源的孤島檢測。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。