因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究---子計畫三：因應分散型發電之配電系統保護協調研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究--子計畫三：

因應分散型發電之配電系統保護協調研究(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-208-MY2

執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系

計 畫 主 持 人 ： 辜志承

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳建宇 碩士班研究生-兼任助理人員：葉建呈 碩士班研究生-兼任助理人員：林宇翔 博士班研究生-兼任助理人員：廖文彬

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 97 年 10 月 23 日

因應分散型發電之配電系統保護協調研究 因應分散型發電之配電系統保護協調研究 因應分散型發電之配電系統保護協調研究 因應分散型發電之配電系統保護協調研究

A Study of the Protective Device Coordination for Distribution Systems with Distributed Generation.

計劃編號：NSC 95-2221-E-011-208-MY2 執行期限：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

摘要 摘要摘要

摘要：本計畫擬開發一套專為分散式電源併聯(1)幅射型(2)常閉環路型(3)其他常見型態配電系統 運轉所需之保護電驛，特別是風力發電系統。電驛利用追蹤電壓及頻率之變動、結合模糊理論 運算方式，來檢測系統孤島運轉，亦提供短路保護，過載保護、高低電壓保護、高低頻保護、

復歸時之同步保護，而對設備因停機後重新投入時之暫態現象，也有相關的對應機制。本計畫 使用一套快速原型機開發系統，做為分散式電源保護電驛之開發工具，此開發系統包含了 NI CompactRIO 開發模組與 Matlab、ETAP 等電力系統模擬軟體。首先利用電力系統模擬軟體 Matlab/Simulink 建立所欲執行保護之配電網路的模擬系統，並將設計完成之虛擬電驛型加入此 模擬系統，模擬各種故障及非故障狀況，虛擬電驛的信號處理演算法及保護決策之參數經測試 無誤後，再利用 NI CompactRIO 軟體載入相關硬體模組，即完成電驛原型機之開發，然後此電 驛原型機將經由電驛測試平台測試電驛之效能。本計畫屬三年期計畫，本報告將呈現三年執行 之成果報告。

關鍵字 關鍵字關鍵字

關鍵字：保護電驛、孤島運轉、保護協調、分散型電源

Abstract: This project is proposed to develop a protective relay for (1) radial type (2) closed-loop type (3) other normal type of distribution systems embeded with a distributed wind generation system.

The relay must be provided for dispersed storage and generation unit installations to protect personnel utility facilities, and equipment of other customers from the abnormal voltage and frequency that may occur when the DSG is operating as an island. Specifically, relays must operate for short circuits, overload, how or high voltage, and low or high frequency, and must prevent out-of-phase reclosing and energizing of a dead supply line by the dispersed storage and generation unit. Relays are designed and implemented on a low-cost rapid-prototyping system. The rapid prototyping system connects the NI CompactRIO development software Matlab/Simulink and ETAP with Evaluation Module. It provides an automatic and seamless implementation of MATLAB and Simulink graphical signal processing of the relay protection algorithm. The transient simulator Matlab/Simulink configured to investigate the effect or a simulated relay of faults on the desired protections networks with distributed generator. The simulated relay accurately models the operating behavior of the actual relay and has proved to be a valuable tool in its design and evaluation.

Keywords: Relay, Islanding, Protection Coordination, Distributed Generation

一 一 一

一、、、前言、前言前言 前言

隨著電力需求日漸增加，而能源又短缺的情況下，擁有綠色能源優勢的分散型發電機逐漸 發展成形，所以電力網路日益複雜，傳統的保護方式必須作修正才能符合再生能源的保護規範；

而在現階段再生能源發電也是政府大力提倡的重點之一，相關的技術問題更是國內外學者研討 的熱門話題。依照發電廠與系統連接狀況可以分成四種併聯型式:

(1) 不與系統連接之獨立型發電裝置，獨立供應負載，沒有與市電供電網相連結。

(2) 與市電供電網併聯發電但不逆送電力之電網，平時與電力網併聯，電力供應以分散型電 源為主，若用戶負載大於分散型電力時由市電供給補足，通常為容量容量較小的家用太陽能發

電系統或小型風力發電機。

(3) 併聯發電裝置為電力網發電裝置之一，有逆送電力至市電網，當用戶負載少於分散型發 電裝置之電力時，剩餘電力轉售電力公司，若用戶負載大於分散型電力時則由市電網供給不足 之電力，如麥寮風力發電廠。

(4) 併聯發電機視為電力系統重要機組，因為其容量較大直接併聯於輸電系統，非一般的家 用或工業用分散型電源。

由於第四種併聯方式對於市電網的衝擊較大所以大多數仍以前三種為主，但不管以何種方 式併聯，及所併入之系統型態為幅射式、閉環路式、或其他型式，為了確保電力系統的供電品 質及保障電廠維修人員的安全，完善的保護電驛裝設是系統運轉所不可或缺的。

二二

二二、、、、研究目的研究目的研究目的 研究目的

本計畫研究目的是建立一套含分散型電源配電網路之保護電驛原型機之快速開發系統，電 驛設計者可以利用此開發系統，針對各種不同配電系統型式，輕易地設計且製作出適用於含分 散式電源配電網路之保護電驛原型機，且利用電驛測試平台驗證其效能，並建立此原型機之實 際電驛模型，然後利用此電驛模型及模擬平台求得電驛最佳保護協調參數，本研究目的主要可 以細分成四大目標：

(1) 藉由電力即時模擬軟體建構含分散型電源配電系統網路暫態之模擬平台,用以模擬各種 不同型式之配電系統事故, 分析電驛裝設點之電壓電流波形。

(2) 完成分散型電源電驛之各項保護演算法則，且利用 MATLAB 完成可供模擬平台模擬之 虛擬電驛模型。

(3) 利用 NI CompactRIO 將虛擬電驛製作成電驛之原機型，且利用電驛測試平台驗證其效 能，並建立此原型機之實際電驛模型。

(4) 利用實際電驛模型及模擬平台，模擬且求得電驛保護協調之適當參數。

三 三三

三、、、文獻探討、文獻探討文獻探討 文獻探討

1. 國內方面國內方面國內方面國內方面

配電系統主要結構方式有輻射型(Radial)、常開環路型(Normally Open-Loop)、常閉環路型 (Normally Closed-Loop)、一次選擇型(Primary Selective)、二次選擇型(Secondary Selective)、網狀 網路型(Mesh Networks)及重點網路型(Spot Networks)等，且其配電系統型態之供電可靠度比較 如表 1 所示。目前台灣電力公司(以下簡稱台電)現行配電系統之配置方式，係依用戶的性質不 同與負載密度之高低，採取適當的配電系統型態。一般鄉村或偏遠地區以放射型或放射連絡型 系統之架空線路為主，都會區則採用常開環路型系統之地下電纜為主，至於負載密度較高的商 業區、工業區及行政區等則可加採用一次選擇系統或二次選擇系統。

近年來亦有專家學者投入分散型供電相關課題的研究，其中與本研究計畫較相關者有「與市 電並聯系統之模擬研究」、「孤島運轉檢測法之研究」、「分散型電源於常閉環路的保護電驛之衝 擊分析」、「太陽能發電保護研究」，以及台電所訂之「互聯基準」等相關研究[1-11]，這些現有 的相關研究結果，對本計畫進行電驛模型開發及保護協調策略訂定，均俱參考價值。

2. 國外方面國外方面國外方面國外方面

國外分析研究， Alshamali 等曾針對分散式電源機組加入配電饋線所造成之衝擊進行研究 [10-23]，主要針對於配電饋線發生非對稱短路故障時，在(Distributed Generation, DG)與系統並 聯端所造成之電壓降，其值端視其距故障點的遠近而定，嚴重時有可能造成 DG 的誤動作。

Haslam 等曾經設計風力發電機之保護設備[24]，Borle 等曾經開發太陽能供電之配電系統之 保護設備及其孤島運轉偵測之研究[28], Jang 等對風力機並聯電網之保護協調做過個案分析, 而 IEEE 亦成立工作小組且提出分散式發電機與市電網並聯所需之保護設備[29] 。

另外有許多相關於孤島運轉檢測法之研究[18-27]，Kim 等提出”電壓幅度變動法”，其原理 係利用 DG 與系統並聯時與 DG 孤島運轉時，因負載潮流於並聯點所造成之電壓變動幅度會明 顯不同，Salman 等則提出除利用電壓變動法之外，另外加入功率因數變動之偵測，會有較好之 效果，Guillot 等利用”頻率變動法”亦可用於孤島運轉之偵測。

表 1 各種配電系統供電可靠度比較表

配電系統型態 斷電次數/年(次) 平均斷電持續時間(分) 瞬時斷電/年(次) 幅射型 0.3~1.3 90 5~10

常開環路型 0.4~0.7 60 4~8 一次選擇型 0.1~0.5 180 4~8 二次選擇型 0.1~0.5 180 2~4 網狀網路型 0.005~0.02 135 0 重點網路型 0.01~0.1 180 0~1

四 四 四

四、、、、研究方法研究方法研究方法 研究方法

本計畫將依『分散型電源供電系統保護電驛之規劃』及『分散型發電之配電系統保護電驛 製作與協調』二階段執行，其研究方法與進行步驟分述如下：

A. 分散型分散型分散型分散型電源供電系統保護電驛之規劃電源供電系統保護電驛之規劃電源供電系統保護電驛之規劃電源供電系統保護電驛之規劃

風力發電機併入電力系統運轉後，在同一條饋線上有二處或二處以上的電源，系統中的電力潮 流勢必重新分配，而電壓和頻率也會跟著有所變動，所以配電系統原有的設定、運轉方式及保 護電驛之參數將需適度調整。以下分別對風力發電機併入電力系統運轉後的頻率變動、電壓驟 降、保護協調及保護電驛之規劃做說明。

(a) 頻率變動

在 IEEE P1547 互聯標準中指出風力發電和配電系統互聯後，頻率變動應控制在 59.3Hz~60.5Hz 範圍內(以 60Hz 為基準值)，頻率量測點為共同耦合點(Point of Common Coupling, PCC)或互聯點 (Point of Interconnection, PI)。若風力發電機容量≤30kW，頻率變動在 59.3Hz~60.5Hz 範圍之外，

則風力發電機應在 0.16 秒內和電力系統解聯；若風力發電機容量>30kW，且頻率超過 60.5Hz，

解聯時間需小於 0.16 秒，若頻率變動在 57Hz~59.8Hz 範圍內，則解聯時間為 0.16 秒~300 秒之 間，跳脫時間業者可視情況調整；當頻率低於 57Hz，則清除時間亦需小於 0.16 秒，如表 2 所 示。

表 2 互聯系統頻率變動與對應之解聯時間[26]

風機容量大小 頻率的範圍(HZ) 最大清除時間(秒)

>60.5 0.16

≤30kW

<59.3 0.16

>60.5 0.16

57~59.8 0.16~300

>30kW

<57 0.16

註：本表為風機容量＜30kW 之最大清除時間；風機容量＞30kW 沒有定義清除時間。

(b) 電壓驟降

在 IEEE P1547 互聯標準內提到互聯系統電壓驟降的量測點應為 PCC 點或 PI 點，量測相對地之 間的電壓有效值。電壓驟降程度與對應之解聯時間要求如表 3 所示，在風力發電機容量≤30kW 時，則解聯時間為固定或可調。固定的方式依表 3 之建議，可調方式則依機組的容量大小和電 壓等級來決定解聯時間，若風力發電機容量>30kW 則解聯時間業者可視情況調整。

表 3 互聯系統電壓驟降與對應之解聯時間[26]

電壓範圍(%電壓基準值) 最大清除時間(秒)

V<50 0.16

50≤V<88 2

110<V<120 1

V≥120 0.16

註：1.依 ANSI C84.1 規定，電壓基準值為標稱系統電壓狀態。

2.本表為風機容量＜30kW 之最大清除時間；風機容量＞30kW 沒有定義清除時間。

(c) 保護協調

圖 1 為風力發電系統單線圖及其保護協調關係曲線圖，在風力發電機(Wind Generator, WG)未加 入時，過電流電驛 CO4 必須與 CO1 及 CO2 互相協調，當 WG 併聯加入系統後，CO3 和 CO4 亦必須協調。假設 WG 未加入前，在 F2 點發生短路故障，則系統及鄰近饋線的 WG 會對故障 點提供短路電流，對此故障應由 CO4 為主保護，CO2 則為後衛保護。當 WG 加入後，若原有 的保護規劃不重新調整，則 F2 點之故障可能致使 CO3 誤動作。因此當 WG 加入後必須重新計 算與評估 F1 和 F2 故障所可能產生之短路電流大小與方向，並妥善規劃其保護協調[27]。

圖 1 風力發電機系統及其保護協調關係示意圖

(d) 保護電驛之規劃

在美國的全國農村電氣合作協會(The National Rural Electric Cooperative Association, NRECA)與 台灣 電 力 公 司 的 再 生 能 源 發 電 系 統 併 聯 技 術 要 點 等 都 有 提 到 分 散 式 (Di st ri but ed G e n e r a t i o n , DG) 與市電系統併網運轉後的保護方式[3,4,28~30]，如圖 2 所示。

圖 2 分散型電源之保護接線圖[27]

圖 2 中 PCC 點為電力公司和用戶的責任分界點，此分散式電源經由 Y-delta 變壓器與系統 併聯運轉，為抑制接地故障時之零序電流，變壓器 Y 側中性點經由限流電抗接地，而在 delta

側接過電流電驛(51)、欠壓電驛/過壓電驛(27/59) 及過/欠頻率電驛(81H/L)，另外加裝一抑制鐵 磁共振之電阻器 R，可避免因共振所引起的電驛誤動作，但本文不對鐵磁共振加以探討。若再 生能源不可逆送電力回系統，則需再加裝一逆電力電驛(32)。在互聯點裝上一同步儀(25)，可確 保分散式電源與電力系統同步運轉。

(d) 孤島運轉研究

而近來相關於孤島運轉之檢測方法之論文則有許多學者發表，玆將各種方法整理如下。孤 島運轉之檢測技術可以分成遠端技術法及區域技術法兩大類，其中遠端技術法是利用通訊的方 式將電網開關的狀態傳送至分散式電源端，執行方式包括電力線載波及 SCADA 系統兩種，此 類方法的偵知效果最佳，但由於成本的考量及斷路器監測的複雜度較高，遠端技術法較少被討 論。多數的研究方法均集中於區域技術法，而此類方法又分成主動型及被動型兩種，其中主動 型檢測法又包括輸出功率變動法、主動頻率偏移法、滑動模式頻率偏移法、阻抗量測法及電壓 或電流擾動法等，主動型的無法檢知之區域較小，但由於必須控制分散式電源的頻率、發電量 或注入擾動源，執行時較為複雜，通常使用於換流器併聯型之分散式電源，且其檢測功能亦和 換流器合併設計。而利用保護電驛來做孤島運轉檢知者則是屬於被動型，常被使用者包括相位 偏移法、電壓變動法、頻率變動法、實功變動法、虛功變動法及電壓諧波檢測法。由於系統允 許電壓及頻率在一定範圍內變動，所以用單一參數指標的方法均存在不小的無法檢知區域，或 易受貞載變動、電力變壓器激磁及非線性負載而產生誤判。要增加有效的檢知效能，結合電壓、

相位、頻率、波形失真等多項參敷指標研究，以經驗法則為基礎的智慧型電驛應是可行的方法。

B. 分散型分散型分散型分散型發電之配電系統保護電驛製作與協調發電之配電系統保護電驛製作與協調發電之配電系統保護電驛製作與協調發電之配電系統保護電驛製作與協調

針對電驛原型機作測試，主要依循的是 IEEE Std. 1547 的標準，其測試電路如圖 3 所示，

建立的模擬平台輸入資料則是以先前的 Matlab 範例系統所得之三相電壓電流及頻率信號，分別 將其所得的值轉成波形重現模擬器所能接受的 IEEE COMTRADE 格式，再將欲測試的數值送進 試驗器，再由試驗器送出電驛原型機可以接受的電壓電流訊號，觀察相關的動作情形並記錄數 值，測試步驟如圖 4 所示。利用測試結果與虛擬電驛之間的差異，修改虛擬電驛之模型，使虛 擬電驛之行為更接近真實電驛如圖 5 所示。再將上述所得之真實電驛模型置入 Matlab 所建立模 擬平台，執行事故模擬，找出各電驛之適當協調參數。

圖 3 孤島運轉測試電路

圖 4 測試流程圖

圖 5 電驛模型之建立

以往在設計數位電路時，都是依電路圖在麵包版上接線並作測試驗證，但此種方式在所設 計之電路邏輯閘數目太大時就會造成很多困難，尤其是在複雜的積體電路設計中甚為不可能，

因此就必須藉由電腦輔助軟體(CAD)來幫助設計電路。在 FPGA 的設計上也相同，使用 CAD 的 方式來設計，在創建 LabVIEW FPGA VI 程序後，可以將程式編譯成為可以在 NI RIO 硬體設備 上運行的程序。與其它的 FPGA 開發工具相似，FPGA 虛擬儀器的編譯可能從幾分鐘到幾個小 時不等，這取決於程式的複雜度以及所開發系統的特性。為了提高最大開發效率，可以使用 R 系列 RIO 設備，在 bit 精度的摸擬情況下，驗証所設計的邏輯功能是否正確，在驗証無誤之後，

再進行編譯。

程式編譯完畢之後，可以創建一個 LabVIEW 主機的 VI 程序，將 NI RIO 硬體設備整至待 測控制系統中，圖 6 為建立一個 FPGA 應用程序所經歷的開發過程，且包括 NI RIO 設備驅動之 函數，用這些驅動開發與 FPGA 之間的通信介面程序。

圖 6 應用開發流程圖

建構主機 VI 的第一步是打開一個 FPGA VI 程序和 RIO 設備的參考對象。如圖 7 所示，打 開 FPGA VI 程序引用函數，在執行時也會將編譯之後的 FPGA 程式下載至 FPGA 上進行運行。

打開了引用之後，可使用讀寫控制函數，對 FPGA 上的控制和指示器暫存器進行讀寫。將 FPGA 引用連線到該函數後，選擇想要進行讀寫的控制物件和指示器。還可將 FPGA 讀寫函數放在一 個 while 廻圈中，連續對 FPGA 進行讀寫。圖 7 中主機 VI 的最後一個函數是關閉 FPGA VI 程 序引用函數。它將停止 FPGA VI 程序的執行，並關閉設備。故可以將其它經過編譯的 FPGA VI 程序下載到設備中，修改設備的各種功能。

圖 7 FPGA 和主機應用程序說明圖

LabVIEW 主機 VI 程序可用於執行浮點運算；數據記錄、網路以及其它不適合 FPGA 實現 的功能。使用 LabVIEW 即時模組讓主機應用程序在即時操作系統下運行，增加系統正確性和 可靠度，LabVIEW 即時系統為 FPGA 中執行的同步或非同步函數提供正確性的處理引擎，例如：

浮點算術、包括快速傅立葉轉換與 PID 計算等，通常都在 LabVIEW 即時環境下執行。相關的 數據可以儲存在 LabVIEW 即時系統中，或是傳輸至個人 PC 主機上，以用於離線分析數據記錄

等，圖 8 說明此配置架構。

Windows

Host VI 普通優先VI

CompactRIO system Windows PC

網路傳輸 內部傳輸

精密時間介面

VI FPGA

介面

LabVIEW FPGA VI Reconfigurable

FPGA

資料儲存

LabVIEW for Windows

LabVIEW FPGA LabVIEW

Real-Time 輸入參數

圖 8 LabVIEW FPGA, LabVIEW RT 模組及主機 PC 之完整應用架構

在 NI CompactRIO 設備和 LabVIEW 主機應用程序之間有很多方法可以傳遞數據，在單點 數據傳輸時，可以透過 FPGA 向主機發出一物理中斷，表示有數據需要傳輸，從而實現數據的 同步傳輸，之後讓 FPGA 應用程序在中斷處等待，或是繼續取樣和處理數據。LabVIEW FPGA 還針對大量數據的傳輸，配置了三個 DMA 通道，可以用此功能從 FPGA 傳輸數據至 Host 端進 行相關分析。

五 五 五

五、、、、結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論

本計畫三年來執行相當順利，包括文獻蒐集與整理；建立「含分散型電源輻射式配電系統」

與「含分散型電源閉環路式配電系統」之故障分析模擬平台，完成「保護電驛原型機之製作與 性能測試」及建立「含原型機電驛模型之分散型電源之配電網路」之保護系統模擬平台等，其 成果報告如下：

1. 文獻蒐集與整理文獻蒐集與整理 文獻蒐集與整理文獻蒐集與整理

於風場大多位於地理位置較偏僻的地方，因此大部分的風力發電機都就近與鄰近的配電系 統併網運轉；但是早期配電系統在規劃設計時，並未將風力發電機併網運轉的可能納入考量，

使得衝擊問題更加複雜，因此風力發電機併網運轉對配電系統既有保護協調之衝擊與相關因應 措施為近年來國內外許多學者專家所關心之議題，以下為相關研究之摘要。

Hartmann 與 Dalke 指出當分散型電源併入配電系統後，分散式電源之擁有者必須安裝過流 電驛、欠/過電壓電驛、頻率與逆電力等電驛作為分散式電源之保護，以減少併網運轉後所造成 的衝擊[31,32]。Pradhan 則以相序電路的觀念來說明當配電系統發生不同型式之故障時，分散型 電源併網所用變壓器之接線方式，對配電系統短路故障特性與系統保護的影響[33]。Girgis 首 先分析風力發電機併入以熔絲為主要保護的配電系統之後，由於系統故障點與風力發電機併網 位置的不同將可能引起熔絲的誤動作破壞既有的保護協調，之後再針對裝設有過流電驛之配電 系統，探討多部風力發電機於不同的位置併網時，對過流電驛間保護協調之衝擊[34]。Jäger 根 據故障時風力發電所貢獻之故障電流，提出一套方法來改善與提升風力發電機倂網運轉之後閉 環路與輻射式配電系統發生故障後的清除時間[35]。Chaitusaney 和 Pregelj 等人探討風力發電機 併入配電系統後，對配電系統對既有保護協調進行衝擊分析，主要在說明風力發電機併網後對 系統之過電流電驛、熔絲與自動復閉器保護協調上所造成的影響[36,37]。Wan 提到在風力發電 機併網配電系統運轉後宜在風力發電機側與配電系統中各饋線之保護電驛間加入通訊功能，因 此在故障發生後立即跳脫故障點之保護電驛並藉由電驛間的通訊功能亦跳脫風力發電機之保護 電驛以減少事故發生後風力發電機對配電系統所造成的衝擊[38]。

目前孤島運轉偵測技術分為遙控與本地偵測，遙控偵測為在市電系統端作孤島偵測保護，

例如：電力監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)偵測，監控市電系統與 DG 所有相關斷路器與隔離開關的狀態，當市電系統之斷路器打開即市電電網切離時，SCADA 系統可立即跳脫 DG，避免發生孤島運轉，此方法 DG 和市電系電間的影響相當嚴僅，需要監 測 DG 端大量的斷路器，相對系統複雜度亦提升，導致市電系統和 DG 端需要耗費大量資金；

電力載波通訊偵測(Power Line Carrier Communications, PLCC)，市電系統與 DG 可透過電力載波 通訊系統得知雙方是否存在，當市電系統切離時，電力載波通訊系統經由電力線傳輸低能量信 號告知 DG 與系統解聯，防止孤島運轉產生，此方法會降低 DG 發電品質，且可以有效利用於 多重 DG 系統，亦不會干擾市電系統一般功能。本地偵測為在 DG 端作孤島偵測保護，其又可 分為主動式偵測法與被動式偵測法[39]。

主動式偵測方面，其電力系統中注入一微量變化之特定擾動，並監視 PCC 點上由此擾動所 導致的系統響應，藉由此響應進而判斷發孤島運轉而停止分散型發電設備供電。曾有學者提出 功率變動法(Output Power Variation)，其為注入一週期的擾動於 DG，觀察其實功率輸出的電壓 變化，當孤島運轉發生時，會因功率不平衡導致電壓有明顯的變化，由此電壓變化可判斷孤島 運轉發生，其主要缺點為當有數個 DG 非同步運轉時，此偵測方法將失效[40]。主動式頻率飄 移法(Active Frequency Drift, AFD)，其主要是控制 DG 輸出電流頻率變化，當市電切離時，電流 頻率會被強制往上或往下偏移至負載共振頻率，導致負載端電壓頻率落在頻率電驛的設內值

內，觸發電驛送出跳脫訊號，以防孤島運轉發生[41,42]；另一種電壓脈波擾動擾動偵測法，其 是利用電力調節器輸出電壓中的擾動成分對負載所造成的干擾現象，此時電力調節器輸出頻率 與市電系統頻率相同，當負載端電壓所受電壓擾動影響，其電壓大小會超出一般正常範圍值，

因為可以判斷出孤島運轉發生[43]。

被動式偵測方面，主要是量測 DG 端的電壓和電流訊號做為參數，再進行後續的判斷與運 算，被動式偵測法是較常用於現有的分散型發電，而目前風力發電系統常配置過/欠頻及過/欠電 壓之保護電驛來做為基本保護，由於偵測不感帶(Nondetection-Zone, NDZ)過大，造成保護上之 盲點[39-42]。為了提供更有效率且精確的方法，學者提出相位跳躍(Vector Shift, VS)偵測法與頻 率變化率(Rate of Change of Frequency, ROCOF)偵測法[44-46]，其分別是用相位變化量與電壓頻 率變化率來判斷孤島運轉，唯一缺點是設定值不易設定，雖然可以減少 NDZ 現象，但通常風機 輸出功率與負載接近時，則會失效。為了改善此缺點，故有學者提出電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion of Current)與功率變化率(Rate of Change of Power, ROCOP)偵測法[47]，由文 獻可知，其 NDZ 比前者兩種方法還小，但同樣有共同缺點，即跳脫設定值不易設定。

被動式偵測擁有共同的缺點就是偵測不感帶 ( NDZ)，為了將 NDZ 降至最小並減少電驛誤 動作的情形，有學者提出混合式孤島偵測技術，其利用風機輸出電壓不平衡和頻率設定來做為 判斷[48,49]，其偵測演算法較嚴謹且不易因為系統的擾動而導致電驛發生誤動作。

2. 建構建構建構建構「「「「含分散型電源含分散型電源含分散型電源含分散型電源配電系統配電系統配電系統」配電系統」」之故障分析模擬平台」之故障分析模擬平台之故障分析模擬平台 之故障分析模擬平台

輻射式範例系統主要包含饋供主變、範例饋線及其相關負載如圖 9 所示，該系統主變一次 側短路容量約為 810MVA，主變壓器額定容量為 25MVA，額定電壓為 69/11.4kV，阻抗百分比 值為 15.14%，X/R 值為 20。範例饋線之主饋線主要採用 100mm²銅質導線架空佈設，部份則採 25kV 500 MCM 電纜地下佈設；分歧線則視負載量分別採用 100、60 及 22 mm²等三種型式之 銅質導線架空佈設，饋線之配置方式及長度如表 4 所示。

為簡化系統的複雜度及利於後續分析探討的便利性，範例饋線中分歧線之負載均假設成三 相平衡，並以等效集總模型直接掛接於主饋線上。另外，主變二次側除範例饋線外之其他饋線 負載量，將以等效集總模型掛接於該主變壓器二次側，由於一般配電變電所或二次變電所都裝 設有虛功補償之電力電容器組，使得主變壓器之功率因數近乎 0.98 ~ 1.0，因此其他饋線負載量 都僅考慮其實功率負載量，僅範例饋線的負載功率因數假設為 0.85，範例系統之各匯流排負載 資料如表 5 所示。在範例系統中，將二部額定輸出功率為 1.5 MW 之風機各自經 575 V/11.4 kV 變壓器升壓後，與範例饋線併網。本章模擬所用之風機為 Matlab/Simulink 內建之恆速運轉感應 型風機，採可變旋翼控制以穩定輸出功率，感應發電機為鼠籠式，其運轉額定電壓為 575 V，

當風速達 9 m/s 時，風機將輸出 1.5 MW 之額定功率，且於額定功率輸出時須吸收約 700 kVAR 之虛功率，因此將以外加虛功補償電容器組的方式，提供風機運轉時所須之虛功率。

B1

其他饋線之等效 負載 69 kV

25 MVA ZT= 15.14 %

11.4 kV

0.99 km 1.4 km

0.58 km

0.12 km

0.14 km

0.31 km

0.24 km

0.63 km

0.62 km

0.62 km

1.06 km

1.55 km

0.53 km

0.24 km

0.8 km

0.11 km

1.41 km

0.23 km

1.3 km

0.32 km

0.49 km

1.57 km 0.46 km

0.13 km 0.15 km

0.11 km

0.16 km

0.12 km 0.09 km 0.56 km

0.25 km 0.15 km

0.11 km 0.12 km 0.89 km

0.54 km B2

B3

B9 B4

B5

B6

B7

B8

B10

B11

B12

B13

B14

B15

B16

B17

B18

B19 B20 B21 B22

B23 B24

B25

B26 B27

B28 B30

B29

B31 B32 B33

B34 B35

B36

B37

B38

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

F9

F10

F11

F12

F13

F14

F15

F16

F17 F18 F19 F20

F21 F22

F23

F24

F25

F26 F27

F28

F29 F30 F31

F32 F33

F34

F35

F36

WG WG

WG WG

WG WG

810 MVAsc

圖 9 範例系統單線圖

表 4 實際系統導線資料

導線編號 起迄匯流排編號 導線代碼 配線方式 長度(km)

F1 B2 B3 1 UG 1.40

F2 B3 B4 2 OH 0.58

F3 B4 B5 1 UG 0.12

F4 B5 B6 2 OH 0.14

F5 B6 B7 1 UG 0.31

F6 B7 B8 2 OH 0.24

F7 B8 B9 2 OH 0.63

F8 B9 B10 2 OH 0.62

F9 B10 B11 2 OH 0.62

F10 B11 B12 2 OH 1.06

F11 B12 B13 2 OH 1.55

F12 B13 B14 2 OH 0.53

F13 B14 B15 2 OH 0.24

F14 B15 B16 2 OH 0.80

F15 B16 B17 2 OH 0.11

F16 B8 B18 3 OH 0.99

F17 B9 B19 3 OH 0.46

F18 B19 B20 3 OH 0.15

F19 B20 B21 3 OH 0.16

F20 B21 B22 3 OH 0.56

F21 B19 B23 4 OH 0.13

F22 B20 B24 4 OH 0.12

F23 B20 B25 4 OH 0.11

F24 B21 B26 4 OH 0.09

F25 B10 B27 3 OH 1.41

F26 B12 B28 2 OH 0.23

F27 B28 B29 2 OH 1.57

F28 B28 B30 4 OH 0.49

F29 B13 B31 3 OH 0.25

F30 B31 B32 3 OH 0.15

F31 B32 B33 3 OH 0.89

F32 B31 B34 4 OH 0.11

F33 B32 B35 4 OH 0.12

F34 B14 B36 3 OH 1.30

F35 B15 B37 4 OH 0.54

F36 B16 B38 4 OH 0.32

註：

導線代碼：

1：25 kV 500 MCM 導線，阻抗值為 0.1075+j0.1437 (Ω/km)。

2：銅線 100 mm²導線，阻抗值為 0.195+j0.404 (Ω/km)。

3：銅線 60 mm²導線，阻抗值為 0.330+j0.424 (Ω/km)。

4：銅線 22 mm²導線，阻抗值為 0.896+j0.465 (Ω/km)。

配線方式：

UG：地下電纜。

OH：架空線。

表 5 實際系統匯流排負載資料

匯流排 負載量

編號 匯流排形式 匯流排電壓

等級(kV)

P(kW) Q(kVAR)

B1 Swing 69.0 0.00 0.00

B2 PQ 11.4 8760.00 0.00

B3 PQ 11.4 0.00 0.00

B4 PQ 11.4 15.00 9.30

B5 PQ 11.4 0.00 0.00

B6 PQ 11.4 0.00 0.00

B7 PQ 11.4 0.00 0.00

B8 PQ 11.4 0.00 0.00

B9 PQ 11.4 35.00 21.69

B10 PQ 11.4 5.00 3.10

B11 PQ 11.4 5.00 3.10

B12 PQ 11.4 0.00 0.00

B13 PQ 11.4 45.00 25-90

B14 PQ 11.4 30.00 18.60

B15 PQ 11.4 3.00 1.860

B16 PQ 11.4 15.00 9.30

B17 PQ 11.4 0.00 0.00

B18 PQ 11.4 90.00 55.78

B19 PQ 11.4 45.00 25-90

B20 PQ 11.4 0.00 0.00

B21 PQ 11.4 5.00 3.10

B22 PQ 11.4 40.00 24.80

B23 PQ 11.4 5.00 3.10

B24 PQ 11.4 5.00 3.10

B25 PQ 11.4 15.00 9.30

B26 PQ 11.4 5.00 3.10

B27 PQ 11.4 135.00 83.70

B28 PQ 11.4 0.00 0.00

B29 PQ 11.4 65.00 40.30

B30 PQ 11.4 20.00 12.40

B31 PQ 11.4 0.00 0.00

B32 PQ 11.4 0.00 0.00

B33 PQ 11.4 35.00 21.70

B34 PQ 11.4 10.00 6.20

B35 PQ 11.4 5.00 3.10

B36 PQ 11.4 85-00 53.94

B37 PQ 11.4 15.00 9.30

B38 PQ 11.4 5.00 3.10

註：

1、Swing：搖擺匯流排(Swing bus)或無限匯流排(Infinite bus)。

2、PQ：負載匯流排(Load bus)。

3、負載均假設為靜態負載，功率因數均假設為 0.85 落後。

圖 10 所示，是含分散型電源常閉環路型配電系統的供電架構以同一變電所同一主變下之兩 條幅射式饋線互連而成，環路上共有 5 個配電站，每個配電站各有一組 4 路開關及一套相關驛 保護設備。主變壓器採用三相 60 MVA，額定電壓 161/22.8 kV、標么阻抗值 Zs = 10%。變電所 饋線出口端之主斷路器(MCB1)額定電流為 600 A，額定啟斷容量為 12 kA，啟斷時間為 5 個週 波。為了後續模擬閉環路系統。

圖 10 常閉環路系統架構圖[8]

3. 虛擬保護電驛之製作虛擬保護電驛之製作虛擬保護電驛之製作虛擬保護電驛之製作

圖 11 所示為保護電驛建構處理方塊圖，保護電驛首先經由比壓器和比流器將一次側高電 壓、大電流轉換成低電壓、小電流訊號，再利用類比濾波器將高階諧波及雜訊濾除。此訊號包 含基本波、低階諧波及直流成份的電壓、電流，透過遞迴式快速傅立葉轉換演算法，求出各相 電壓、電流基本頻率幅值及其相角，利用所求出的幅值與相角來計算複數功率、功率因數、零 序相電流、零序相電壓、正序相電壓訊號基本頻率成份等之物理量，以做為各種不同電驛執行 保護功能之依據。對於一個不含有雜訊但包含 n 次諧波量及直流成份之電壓及電流訊號可表示 成(1)式，利用傅立葉轉換演算法求出各相電壓、相電流基本頻率幅值及其相角，使用在以下電 驛的建構。

0

( ) 1 cos( ) sin( )

2 ^{n n n}

f t =a +

∑

0

1 cos( )

2 ^{n n n}

a ^∞₌ A n tω θ

= +

∑

n ：諧波階次

a ：訊號之直流成份 0

2 2

n n n

A = a + b ：第 n 次諧波幅值 tan (1 ⁿ)

n

n

b

θ = ⁻ a ：第 n 次諧波相角

正序相電壓計算

81 87B

複數功率計算 及功率因數 方向判斷

67 32 相電流計算

50/51 50N/51N

零序相電流計算 零序相電壓計算

59Vo

利用傅立葉 轉換計算相 電壓及相電流 基本頻率成份 PT與CT二次側訊號

相電壓計算

27/59

依據 ANSI C35-112-1996，其時間-動作電流特性曲線依反時特性分為極度反時型(Extermely Inverse)、超反時型(Very Inverse)、反時型(Normally Inverse)及適度反時型(Moderately Inverse)等 四大種，皆使用統一公式，如式(2)所示，但不同反時特性使用不同電驛保護係數，如表 6 所示。

14 TDS 5

I 9

( ) 1

Tap

P

T A B

 

   × − 

 

= + × 

 

 − 

 

 

(2)

其中

T ：跳脫時間(秒) TDS ：延時標置值 I ：輸入電流 Tap ：電流始動值 A,B,P ：電驛係數

表 6 ANSI 時間-動作電流曲線之電驛係數 電驛係數 ANSI 曲線形狀

編號 A B P

短反時型 CO-2 0.00172 0.0037 0.02 長反時型 CO-5 0.086 0.185 0.02

反時型 CO-8 0.0086 0.185 0.02

超反時型 CO-9 2.855 0.0712 2.0 極度反時型 CO-11 6.407 0.025 2.0

一般而言，相間故障過電流延時電驛的 Tap 值可由(2)關係式決定。若是考量接地故障延時 過電流電驛的設定時，除以(2)式不適宜外，其餘均可依相間故障延時過電流保護的原則處理，

電流的動作量採用零序電流，此時接地保護電驛的 Tap 值可標置於比流器二次側額定值的

10~30 %，即 0.5~1.5 安培。TDS 的範圍為 0.5~11，由於曲線數位化的因素，其解析度可輕易 達到 0.1 的設定。在調整 TDS 的過程中，其值越大，則所需的動作時間就越久。

1/2(最低故障電流值) ≧ Tap ≧ 2(最高負載電流值) (3) 其次再考慮延時過電流電驛中加入瞬時跳脫元件(high set)，一般瞬跳設定的範圍在 10~15 倍的始動電流值，亦可因系統保護架構的特殊考量，瞬時跳脫以快速隔離故障源，其動作速度 可在 1.5 週波以內，此時瞬時過電流元件可設定於 1.15~1.3 倍的遠方母線最大故障電流值。當 故障電流倍數大於 I>>時，跳脫時間為 t>>秒。圖 3-4 為過電流電驛之建構流程圖，開始為過電 流電驛的初始設定，包括 Type、Tap、TDS、I>>及 t>>等，並利用比流器二次側流入電驛之電 流，經由傅立葉轉換取出基本波之電流有效值，結合瞬跳設定元件的啟動與否，判斷是否過流，

並決定跳脫時間。圖 12 至圖 14 至為利用 Simulink 建構過電流電驛之內部電路方塊、等效電驛 模型及遮罩(mask)對話框。

圖 12 以 Simulink 建構過電流電驛之內部電路方塊圖

圖 13 以 Simulink 建構過電流電驛等效模型方塊

圖 14 過電流電驛對話框 (b) 接地過電流電驛

地過電流電驛(Ground overcurrent relay, GCR)，是高壓線路接地保護電驛的一種。在一般電 器事故中以線路接地的發生率最高，因此電力公司對高壓用戶，應要求加裝接地過電流電驛以 保護電力系統。接地過電流電驛之主要用途有(1)高電阻接地系統之接地過電流保護(2)發電機之 短路保護(3)發電機定部繞組之接地保護(4)接地變壓器之過熱保護。接地故障過電流保護在應用 時的一般原則，除(3)式不適宜應用外其餘均可依一般過電流保護的原則處理。一般高壓三相電 力系統，正常時不平衡負載所引起的零相電流較小，故接地過電流保護電驛的 Tap 可標置於比 流器二次側額定值的 10%：但線路換位不完全的超高壓線路，或正常負載不平衡相當嚴重的低 壓配電線路等，則應根據實際情況，考慮較高的 Tap 標置值，有時可能高達 30%，因此接地過 電流保護電驛的 Tap 值可標置於比流器二次側額定值的 10~30 %，即 0.5~1.5 安培。

風力發電與市電系統併網運轉中，接地瞬時與延時過電流電驛(50/51G)是在防止變壓器中 性點過電流而燒毀，另外使用在接地故障時，電力系統將提供接地故障電流，此時應快速跳脫 相關斷路器，以確保用戶及其相關設備之安全。圖 4-8 為接地過電流電驛之建構流程圖，開始 為接地過電流電驛的初始設定，包括 Type、Tap、TDS 等，並利用比流器二次側流入電驛之零 序電流，經由傅立葉轉換取出零序電流有效值，判斷是否為過電流，並計算跳脫時間。圖 15 至圖 17 為利用 Simulink 建構接地過電流電驛之內部電路方塊、等效電驛模型及遮罩(mask)對 話框。

圖 15 以 Simulink 建構接地過電流電驛之內部電路方塊圖

圖 16 以 Simulink 建構接地過電流電驛等效模型方塊

在風力發電與市電系統併網運轉中，欠電壓電驛(27)與過壓電驛(59)亦是不可缺少的，靠近 風力發電機的出口端，對於嚴重之電壓驟降利用瞬跳型欠壓電驛(27R)來快速跳脫風力發電機，

對於較不嚴重之電壓驟降與電壓突昇則利用具有反時特性之欠電壓與過電壓電驛來跳脫出口端 之斷路器，反時特性之設定主要是利用電壓等級來區分電壓變動範圍所需的跳脫時間，以下是 欠電壓及過電壓電驛反時特性和模型建構的介紹。設定反時特性主要是利用電壓等級來區分電 壓變動範圍所需跳脫的時間，在反時模式動作中，過電壓電驛的動作時間會因過壓的程度愈高 則動作時間愈快，同理，欠電壓電驛的動作時間亦會因欠壓程度愈嚴重而動作時間愈快，其時 間與電壓之關係如下。

過電壓公式：

rms p

a TDS

t = + c

V V >

(b - 0.5)

V >

×

× − (4)

欠電壓公式：

rms p

a TDS

t = + c

V < - V

(b - 0.5)

V <

×

×

(5)

其中

t ：跳脫時間(秒) V_rms ：額定電壓值(V) V> ：過電壓始動值(V) V< ：欠電壓始動值(V) TDS ：延時標置值 a,b,c,p ：電驛係數

圖 18 以 Simulink 建構欠電壓與過電壓電驛之內部電路方塊圖

圖 19 以 Simulink 建構欠電壓與過電壓電驛等效模型方塊

圖 20 欠電壓與過電壓電驛對話框

(d) 接地過電壓電驛

接地過電壓電驛(over voltage ground relay)簡稱 OVG 或簡稱 GR(ground alarm relay)[50]。其 構造與過電壓電驛雷同，使用於三相三線非接地系統，接於開 delta 接線之接地比壓器(GPT)上，

用以檢測零相電壓。接地過電壓電驛可分為圓盤型及靜止型兩種，一般 OVG 之額定電壓為

10~30Volt，當線路正常時，接地比壓器二次側開 delta 連接，電路之二次側電壓為零，假如有 一相發生單線接地時則 GPT 二次側電壓約為110× 3=190。利用比壓器降壓後取進二次側零序 電壓訊號(V⁰)給電驛使用，經由零序電壓與過電壓始動值 V>做比較，若 V⁰大於 V>則程式後下 執行，且讓計數器計數加

t

對話框依序輸入 V>、k>、p 等三個參數。

圖 22 以 Simulink 建構接地過電壓電驛等效模型方塊

(e) 頻率電驛

頻率電驛可分為過頻電驛(81H)及欠頻電驛(81L)二種，在風力發電與電力系統併聯後，

為確保系統穩定及供電可靠，於 PCC 點裝設頻率電驛，當系統頻率有劇烈變動時，可及時 跳脫相關之斷路器，與電力系統解聯。Yang [51]提出利用追蹤電力系統正序電壓之相角來估 測系統的頻率，其所得的結果較為準確。利用 Matlab/Simulink 來建構頻率電驛如圖 24 所示，

是以 Simulink 建構頻率電驛內部電路方塊圖，圖 25 所示是以 Simulink 建構頻率電驛等效模 型方塊。

圖 24 以 Simulink 建構頻率電驛內部電路方塊圖

圖 25 以 Simulink 建構頻率電驛等效模型方塊

(f) 逆電力電驛

多使用在非線路故障以外之特殊情形，主要在防止發電機變成電動機運轉及防止業者自備 發電設備的電力逆送給電力公司之系統。為了系統之供電安全，需防止逆送電力到電力公司，

否則將會影響電力公司及其它用戶之電力品質。若在 PCC 點裝設逆電力電驛，用戶向電力公司 買電時，即為正向電力，不論流過多少電力均不動作，但將電力逆送回電力公司時，則逆電力 電驛應立即動作，將相關斷路器啟斷。利用比壓器取得二次測電壓訊號，和比流器取得二次測 電流訊號；經由傅立葉轉換求得基本波電壓有效值、電流有效值、電壓相角及電流相角，再利 用

P = VI cos θ

圖 26 以 Simulink 建構逆電力電驛之內部電路方塊圖

圖 27 以 Simulink 建構逆電力電驛等效模型方塊

4. 保護電驛原型機之製作與性能測試保護電驛原型機之製作與性能測試保護電驛原型機之製作與性能測試保護電驛原型機之製作與性能測試

(a) 過/欠頻率電驛

過/欠頻率電驛模擬圖，如圖 28(a)、(b)及(c)所示，設定當輸入頻率≧60.50Hz 或≦59.50Hz 時，即發出跳脫信號，圖(a)為頻率正常測試，圖(b)為過頻測試，圖(c)欠頻測試。圖中，resource name 為選擇硬體項目，本論文使用 CompactRIO；Number of Channels 為輸入訊號通道；Number of Elements 為 Host 端所需讀取 FPGA 存入暫存器之資料數；Sample rate 為取樣時間；Sample per Channel 為取樣點數；Full 狀態指示燈，當 FPGA 暫存器被存滿時，此燈即會亮起；upper 與 down 是頻率設定值之上、下限；counter 按鈕，主要功能為啟動計數器；Elemenst Remaining 為暫存 器內部剩餘之資料數；error out 為當程式運行有錯誤發生時，即產生一 error code，可為偵錯用。

(a) 頻率正常測試

(b) 過頻測試

(c) 欠頻測試

圖 28 IED 孤島偵測頻率功能之(a)頻率正常測試 (b)過頻測試 (c)欠頻測試

(b) 相位跳躍電驛

VSR 電驛模擬圖，如圖 29(a)、(b)所示，設定跳脫值設定值為 2°，電驛發出跳脫信號，圖

(a)為相位正常測試，圖(b)為相位異常測試。圖中，resource name 為選擇硬體項目，本論文使用 CompactRIO；Number of Channels 為輸入訊號通道；Number of Elements 為 Host 端所需讀取 FPGA 存入暫存器之資料數；Sample rate 為取樣時間；Full 狀態指示燈，當 FPGA 暫存器被存滿時，

此燈即會亮起；VSR setting 為電驛設定值； counter 按鈕，主要功能為啟動計數器；Elemenst Remaining 為暫存器內部剩餘之資料數；error out 為當程式運行有錯誤發生時，即產生一 error code，可為偵錯用；Voltage 為有效值；waveform 所表示振幅大小為電壓之最大及最小值。

(a) 相位正常測試

(b) 相位異常測試

圖 29 IED 孤島偵測 VSR 功能之(a)為相位正常測試 (b)為相位異常測試。

(c) 頻率變化率電驛

頻率變化率電驛模擬圖，如圖 30(a)、(b)所示，假設跳脫設定值為 0.5Hz/sec，頻率經 Host 端算出之後，傳入 FPGA 的電驛模組後，算出平均頻率，當連續四週波頻率與平均頻率相減之 差值，圖(a)為正常測試，圖(b)為異常測試。圖中，resource name 為選擇硬體項目，本論文使用 CompactRIO；Number of Channels 為輸入訊號通道；Number of Elements 為 Host 端所需讀取 FPGA 存入暫存器之資料數；Sample rate 為取樣時間；Full 狀態指示燈，當 FPGA 暫存器被存滿時，

此燈即會亮起；ROCOF setting 為電驛設定值；counter 按鈕，主要功能為啟動計數器；Elemenst Remaining 為暫存器內部剩餘之資料數；error out 為當程式運行有錯誤發生時，即產生一 error code，可為偵錯用；Voltage 為有效值；waveform 所表示振幅大小為電壓之最大及最小值。

(a)

(b)

圖 30 IED 孤島偵測 ROCOF 功能之(a)正常測試 (b)異常測試 (d) 逆電力電驛

圖 31 中，resource name 為選擇硬體項目，本論文使用 CompactRIO；Number of Channels 為輸入訊號通道；Number of Elements 為 Host 端所需讀取 FPGA 存入暫存器之資料數；Sample rate 為取樣時間；Full 狀態指示燈，當 FPGA 暫存器被存滿時，此燈即會亮起；upper、down 為 設定值之上下限；counter 按鈕，主要功能為啟動計數器；Elemenst Remaining 為暫存器內部剩 餘之資料數；error out 為當程式運行有錯誤發生時，即產生一 error code，可為偵錯用；theta 為 相角差；Voltage、current 為有效值；waveform 所表示振幅大小為電壓、電流之最大及最小值。

(a)

(b)

圖 31 IED 孤島偵測逆電力功能之(a)相角正常測試 (b)相角異常測試

(e) 電壓變化率與功因變動電驛

ROCOV 與 PF 電驛模擬圖，如圖 32(a)、(b)所示，假設電壓設定跳脫值設定值為 0.1V/sec，

電壓變化率、功因變動率經 Host 端算出之後，傳入 FPGA 的電驛模組後，算出平均電壓，當連 續四筆電壓與平均電壓相減之差值，當電壓變化率超過設定值且功因變動率介於設定值範圍 內，電驛則發出跳脫信號，圖(a)為正常測試，圖(b)為異常測試。跳脫測試需要一電流信號，故 利用 R-C 串聯電路進行模擬，異常情況是利用一訊號產生器，變動頻率部份當成電壓訊號，和 原始電路的電流訊號產生一相角差，可改變功因，再變動電壓大小，促使電驛模組動作，發出 跳脫訊號。圖中，resource name 為選擇硬體項目，本論文使用 CompactRIO；Number of Channels 為輸入訊號通道；Number of Elements 為 Host 端所需讀取 FPGA 存入暫存器之資料數；Sample rate 為取樣時間；Full 狀態指示燈，當 FPGA 暫存器被存滿時，此燈即會亮起；counter 按鈕，

主要功能為啟動計數器；Elemenst Remaining 為暫存器內部剩餘之資料數；error out 為當程式運 行有錯誤發生時，即產生一 error code，可為偵錯用；PF 為功因角；Voltage 為有效值；waveform 所表示振幅大小為電壓之最大及最小值。

(a)

(b)

圖 32 IED 孤島偵測 ROCOV 與 PF 功能之(a)正常測試 (b)異常測試

(f) 頻率變化率與相位跳躍電驛

ROCOF 與 VSR 電驛模擬圖，如圖 33(a)、(b)所示，假設跳脫值設定為 0.51Hz/sec 和 0.13°，

頻率經 Host 端算出之後，傳入 FPGA 的電驛模組後，算出平均頻率，當連續四週波頻率與平均