胡文平,雷勝華,王 雪,賈靜然
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大型移動式光伏電站防孤島能力檢測平臺的研究與開發(fā)
胡文平1,雷勝華2,王 雪2,賈靜然1
(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,河北 保定 071003)
根據(jù)近年來我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及光伏電站并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,針對開展防孤島能力試驗需要考慮的逆變器容量、并網(wǎng)點電壓等級、負(fù)荷加載、地理環(huán)境等實際問題,開發(fā)了一套具有380 V/ 10 kV/35 kV多電壓等級接入、最大容量為1.5 MW的移動式光伏電站防孤島能力檢測平臺。該平臺能夠滿足不同類型光伏電源防孤島能力試驗的需要。選定曲陽縣某光伏電站開展現(xiàn)場防孤島能力檢測試驗。試驗結(jié)果證明該檢測平臺能快速、準(zhǔn)確地檢測到并網(wǎng)逆變器是否具有防孤島能力。
光伏電站;防孤島能力;孤島檢測;移動檢測平臺;多電壓等級
世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展依靠能源的供給,傳統(tǒng)的化石能源不僅儲量有限,而且還會惡化生態(tài)環(huán)境,大力發(fā)展可再生的清潔能源顯得迫在眉睫。太陽能作為全球最豐富的清潔能源,以其不受地域限制、便于采集、無須開采和運輸?shù)葍?yōu)點,引起了世界各國的廣泛關(guān)注。美國、德國、西班牙、丹麥、捷克等歐美發(fā)達(dá)國家開展光伏發(fā)電技術(shù)的研究較早,在相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定、檢測機構(gòu)的建設(shè)等方面已經(jīng)取得了較大的成功,為其整個國家光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展提供了良好的技術(shù)支撐。我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較晚,制造技術(shù)參差不齊,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢測機構(gòu)還不完善。而隨著我國光伏發(fā)電裝機容量在地區(qū)電網(wǎng)的比重逐年增大,其并網(wǎng)運行將給電力系統(tǒng)帶來巨大的挑戰(zhàn)。其中,并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)適應(yīng)性、低電壓穿越能力、孤島檢測能力等成為了制約光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。相繼頒布的Q/GDW 617-2011《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[1]、Q/GDW 618-2011《光伏電站接入電網(wǎng)測試規(guī)程》[2]和GB/T 19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[3]規(guī)定,光伏電站應(yīng)配置獨立的防孤島保護(hù)裝置。
即使光伏逆變器在投入運行之前已經(jīng)通過了廠家嚴(yán)格的出廠試驗和型式試驗[4],但在實踐工程中,由于多臺逆變器并聯(lián)運行的稀釋效應(yīng)[5-6]或者周圍的隨機干擾[7],仍然可能造成逆變器的孤島檢測失敗或者孤島誤動作。另外,非計劃的孤島運行將會給電力設(shè)備和線路檢修員工帶來安全隱患。根據(jù)光伏并網(wǎng)測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院研制開發(fā)了一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型移動式多電壓等級光伏電站防孤島能力檢測系統(tǒng)。該檢測平臺至多可以同時對3臺并聯(lián)運行的額定容量為0.5 MW的逆變器集群系統(tǒng)[8]進(jìn)行防孤島能力檢測,并網(wǎng)電壓等級兼容380 V/10 kV /35 kV。
針對目前光伏電源接入系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀,移動式光伏并網(wǎng)逆變器防孤島檢測系統(tǒng)的研制需要考慮以下因素[9-16]:
(1) 光伏電站并網(wǎng)點電壓等級與其容量有關(guān),具體如表1所示。為了適應(yīng)多電壓等級測試的要求,降低測試成本,提高裝置利用率,防孤島檢測系統(tǒng)必須同時滿足400?V/10?kV/35?kV光伏電站防孤島檢測的需求。
表1 不同類型光伏電源的
Table 1 of different types’ PV
表1 不同類型光伏電源的
光伏電源并網(wǎng)點電壓 200 kW以下的電站400 V 廠區(qū)光伏、自發(fā)自用型光伏電站10 kV 大型光伏專用電站35 kV
(2) 防孤島檢測系統(tǒng)必須具有可移動性,能夠方便運輸和組裝,以便于對不同地理位置的光伏電站開展防孤島檢測試驗。
(3) 防孤島檢測系統(tǒng)所含模擬負(fù)載的容量能適應(yīng)光伏逆變器向兆瓦級容量發(fā)展的趨勢。
(4) 在防孤島試驗中為了實現(xiàn)逆變器輸出功率與虛擬本地RLC負(fù)載的精確匹配,需要對RLC負(fù)載進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)。為了避免手工接線帶來的繁瑣操作和人為誤差,測試系統(tǒng)應(yīng)具備自動加載負(fù)載的功能。
因此,遵循多電壓等級、移動式、大容量、自動負(fù)荷控制的技術(shù)路線,開展移動式光伏并網(wǎng)逆變器防孤島檢測系統(tǒng)的研制,檢測系統(tǒng)的框架如圖1所示。整個系統(tǒng)由RLC孤島負(fù)載集裝箱和變壓器/集控室集裝箱組成,高度集成化,方便運輸和組裝。檢測系統(tǒng)主要包含RLC功率模塊、變壓器、散熱系統(tǒng)、絕緣設(shè)計、保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機界面、存儲設(shè)備、控制電腦等功能模塊。各個功能模塊的功能作用分別如下。
圖1 檢測系統(tǒng)框架圖
RLC功率模塊:用以模擬與逆變器輸出功率匹配的本地負(fù)載。
變壓器:實現(xiàn)10 kV/35 kV高壓到400 V低壓的轉(zhuǎn)換,滿足多電壓等級測試的要求,同時低壓負(fù)載技術(shù)相對成熟,為以后擴(kuò)容及其他性能測試奠定了基礎(chǔ)。
散熱系統(tǒng):由多個大型軸流式風(fēng)機和自動保護(hù)裝置組成,可將功率模塊轉(zhuǎn)化出的熱量迅速吹散,保持箱體內(nèi)溫度適宜。
絕緣設(shè)計:包括防孤島檢測系統(tǒng)在制造過程中的中間試驗、產(chǎn)品的定型及出廠試驗,在進(jìn)行防孤島檢測試驗現(xiàn)場的交接試驗,使用中為維護(hù)運行安全而進(jìn)行的絕緣預(yù)防性試驗等。
保護(hù)系統(tǒng):包括過流、過壓、過溫、煙霧、門禁、風(fēng)機過載保護(hù)等。
控制系統(tǒng):通過內(nèi)置試驗條件的自動控制軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程計算機控制,控制模式分為手動加載和預(yù)置曲線加載,可以精確模擬逆變器并網(wǎng)的孤島工況。
設(shè)計方案中檢測系統(tǒng)負(fù)載按低壓400 V電壓等級設(shè)計,光伏電站10 kV/35 kV高壓先經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)變成400 V低壓,然后連接到400 V電壓等級負(fù)載箱。RLC負(fù)載消耗的最大有功功率為1 593.3 kW,最大無功功率為1 593.3 kvar,可以滿足3臺500 kW并聯(lián)運行情況下的逆變器防孤島檢測試驗。變壓器/集控室集裝箱中的變壓器容量為1 600 kVA,該接線方式可以實現(xiàn)10 kV/35 kV電壓等級光伏電站的防孤島檢測。另外,400 V光伏電站直接與負(fù)載箱連接則可實現(xiàn)400 V電壓等級光伏電站防孤島檢測。
2.1 變壓器/集控室集裝箱研制
由圖1可知,變壓器/集控室集裝箱由變壓器箱體和集控室箱體兩大部分組成。變壓器箱體為一臺額定容量為1600 kVA,高中低電壓等級為 35 kV/ 10 kV/400 V的三繞組變壓器。根據(jù)GB6450及國際電工IEC726標(biāo)準(zhǔn)中對變壓器的空載損耗、噪聲、局部放電量、機械強度、電氣強度、耐熱強度等技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定,選擇符合各項指標(biāo)的變壓器型號。
為了能夠分別采集高低壓側(cè)電壓電流信號,在變壓器箱體支撐梁上分別安裝了PT和CT。高低壓側(cè)另外配備帶MC計量標(biāo)注的電量參數(shù)分析表,用于測試高低壓側(cè)兩端電壓、電流、有功、無功、功率因素、三相電壓不平衡等參數(shù)。
為了滿足測試人員的操作需求,集控室里必須具備:(1) 緊急停機按鈕,用以面對突發(fā)事件;(2)逆變器高低壓側(cè)電壓電流信號、斷路器分?jǐn)嘈盘柕牟杉涌冢?3) 直接控制RLC負(fù)載自動精確加載的控制軟件;(4) 為了適應(yīng)全天候的試驗任務(wù),集控室必須采用保溫設(shè)計。為此,可以在集控室內(nèi)設(shè)置一個由各種采集信號接口、緊急按鈕、指示燈等組成的控制臺??刂婆_內(nèi)嵌入一臺控制電腦用以安裝RLC負(fù)載控制軟件,控制臺內(nèi)安裝一臺3 kVA UPS不間斷電源為控制電腦提供臨時電源。此外,集控室的保溫設(shè)計可以通過加裝一臺空調(diào)來解決。
2.2 RLC負(fù)載集裝箱的設(shè)計
根據(jù)《防孤島效應(yīng)試驗裝置技術(shù)規(guī)范》(NB/T 42053-2015)對防孤島檢測裝置的規(guī)定,RLC負(fù)載必須具有以下功能[17]:
(a) 具有高精度,在RLC加載過程中不會發(fā)生漂移;
(b) 具有分相獨立控制功能,保證在三相負(fù)載不平衡的情況下,孤島諧振試驗時每一相的負(fù)載都能精確調(diào)整到位;
(c) 具有寄生量補償功能,保證負(fù)載諧振頻率能夠穩(wěn)定到基頻,而不至于觸發(fā)過/欠頻保護(hù);
(d) 遠(yuǎn)程自動加載功能,避免手工接線帶來的繁瑣操作和人為誤差,提高檢測效率;
(e) 為了保證測量結(jié)果準(zhǔn)確,要求RLC負(fù)載本身的諧波量要小于。
據(jù)此,從以下幾個方面對RLC負(fù)載的設(shè)計作具體介紹:
(1) RLC元器件選型
電阻模塊選用新型合金電阻功耗組件,具有功率密度高、無紅熱現(xiàn)象的特點,在防孤島檢測過程不會由于長時間加載引起阻抗值的熱漂移,配合溫度監(jiān)控裝置及智能風(fēng)冷裝置,可以保證溫度保持在75℃以下。
容性負(fù)載模塊采用CBB電容,具有無極性、絕緣阻抗高、頻率響應(yīng)寬廣、介質(zhì)損失小等特點;感性負(fù)載模塊采用磁路式電感器件,具有磁性強、材質(zhì)優(yōu)、精度高等特點。
(2) 三相RLC負(fù)載分相獨立控制
在實際工程中,可能出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的情況,為了保證在孤島諧振試驗時每一相的負(fù)載都能精確調(diào)整到位,因此,用于防孤島試驗的RLC三相負(fù)載必須分相獨立控制。分相獨立控制的技術(shù)路線是:負(fù)載低壓側(cè)回路按AN、BN、CN三個單相回路獨立控制設(shè)計,各相通過一個接觸器控制RLC負(fù)載的加載過程,如圖2所示。
圖2 RLC負(fù)載分相獨立控制原理
電感、電容、電阻陣列分別設(shè)計為兩層,第一層的元器件并聯(lián)到線路中三相共同控制,第二層元器件并聯(lián)到線路中分相獨立控制。
(3) 寄生量補償算法
電阻、電感、電容等元器件由于其工藝的原因,不可避免地存在寄生量。寄生量會影響RLC的諧振頻率,因此在加載過程中必須考慮補償電阻、電感、電容的寄生量。通常情況下,電阻元件存在寄生電感和寄生電容,但在低頻情況下,寄生電容可以忽略,所以低頻時只考慮電阻的寄生電感;電感元件存在寄生電阻和寄生電容,但其本身的部分電感與寄生電容抵消,對外表現(xiàn)為阻感特性,所以認(rèn)為電感只存在寄生電阻;同理,電容只存在寄生電阻。
基于上述原理,寄生量補償功能按照如下算法實現(xiàn):
寄生量補償算法具體流程如圖3所示。
(4) 熱設(shè)計
負(fù)載散熱系統(tǒng)由多個大型軸流式風(fēng)機和自動保護(hù)裝置組成,可將功率模塊轉(zhuǎn)化出的熱量迅速吹散,保持箱體內(nèi)溫度適宜,具體如圖4所示。RLC負(fù)載集裝箱中考慮到電阻元器件的散熱問題、電感的體積重量問題以及接線便捷、布局合理等問題,對元器件的擺放位置進(jìn)行規(guī)劃,將電感元器件安裝在底部、電容安裝在中部、電阻安裝在頂部,中間留有維修通道,方便設(shè)備維護(hù)與元器件散熱。
風(fēng)機配備了海上專用節(jié)能管道軸流風(fēng)機及可調(diào)式耐腐蝕葉輪,通過多臺風(fēng)機的組合,可充分滿足大功率負(fù)載的散熱需求。風(fēng)機配有風(fēng)量檢測傳感器和電機過載保護(hù)器,異常狀態(tài)下能自動切斷負(fù)載并報警。負(fù)載部分與出風(fēng)口位置還裝有多個溫度傳感器,當(dāng)溫度達(dá)到警戒值時也能自動切斷負(fù)載,保證負(fù)載不會因溫度過高而損壞。風(fēng)道采用側(cè)面進(jìn)風(fēng),上出風(fēng)的方式。
圖3 寄生量補償算法流程圖
圖4 散熱系統(tǒng)示意圖
2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計
(1) 通信連接
負(fù)載內(nèi)部采用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口通信方式,最高傳輸速率可達(dá)1 Mbps。負(fù)載與工控機、參數(shù)采集模塊通過RS-485通信方式實現(xiàn),上位機軟件通過RJ45實現(xiàn)控制,具體連接情況如圖5所示。
圖5 通信連接示意圖
(2) 控制軟件
設(shè)備遠(yuǎn)程計算機采用以太網(wǎng)通信,系統(tǒng)響應(yīng)時間100 ms。系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)管理軟件安裝于控制電腦,裝置通信接口與控制電腦通信接口兼容,在增加控制距離的同時,滿足實時顯示和智能控制的要求,配合功率分析儀和示波器完成光伏電站性能測試。軟件可實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能,包括加載、數(shù)據(jù)采集、儲存、管理。軟件的主界面如圖6所示。
圖6 軟件主界面
光伏電站逆變器防孤島檢測電路圖如圖7所示,防孤島能力試驗具體步驟[18]如下。
圖7 光伏電站逆變器防孤島檢測電路圖
(1) 防孤島能力測試應(yīng)選擇輻照度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)輻照度70%及以上的良好時段進(jìn)行。
(2) 在光伏電站或單元發(fā)電模塊并網(wǎng)點處,通過功率測試裝置測量被測光伏電站的有功功率和無功功率輸出。
(3) 依次投入防孤島檢測裝置的電感L、電容C、電阻R,使得RLC上消耗的功率滿足和;RLC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為;流過K2的基波電流小于被測光伏電站輸出電流的5%。
(4) 斷開K2,即斷開變壓器/集控室集裝箱斷路器,通過數(shù)字示波器查看分?jǐn)嘈盘?,記錄被測光伏電站運行情況。讀取數(shù)字示波器電流信號和功率測試裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
測試過程中記錄逆變器輸出電流和逆變器并網(wǎng)電流,斷開并網(wǎng)開關(guān)時間和逆變器停止輸出電流的時間差為測逆變器孤島保護(hù)時間,查看逆變器是否在2 s或電網(wǎng)企業(yè)規(guī)定的時間內(nèi)停止運行。
光伏電站移動式防孤島能力檢測平臺所有測量設(shè)備經(jīng)第三方計量認(rèn)證,并于2014年10月~11月對曲陽某光伏電站完成光伏并網(wǎng)逆變器防孤島能力試驗,具體接線如圖8。試驗分兩次進(jìn)行,均在高壓側(cè)35 kV側(cè)測試。為了驗證防孤島檢測平臺能夠精確設(shè)置本地負(fù)載,孤島發(fā)生后孤島保護(hù)在規(guī)定時間內(nèi)動作,而不是因為負(fù)載精度不夠?qū)е鹿聧u發(fā)生后并網(wǎng)點諧振頻率超出過欠頻保護(hù)的整定范圍,引起過欠頻保護(hù)動作,測試試驗1中增加逆變器未投主動孤島保護(hù)情況下的試驗結(jié)果作對照。
圖8 35 kV光伏電站檢測接線示意圖
測試試驗1:單臺逆變器單獨運行,逆變器正常并網(wǎng)運行時,其三相輸出數(shù)據(jù)如表2所示,加入模擬本地RLC負(fù)載裝置,負(fù)載處于諧振點時逆變器三相輸出數(shù)據(jù)如表3所示。由表2、表3中測量得到的K2點輸出電流值可知,加載RLC負(fù)載后,流過K2點電流值略大于測試方案的要求,由于大電網(wǎng)參數(shù)的影響[19],K2點輸出的無功功率無法進(jìn)一步減小,此處可以認(rèn)為已經(jīng)滿足測試方案中(3)的要求。其中,RLC負(fù)載加載實時數(shù)據(jù)如表4所示。
斷開集裝箱斷路器K2,孤島發(fā)生,防孤島保護(hù)時間實測值如圖9所示。圖中2通道波形為逆變器輸出端電流信號,3通道為逆變器并網(wǎng)開關(guān)開斷信號,由該圖可知逆變器斷網(wǎng)開關(guān)斷開時間為-35.6 ms,逆變器輸出電流截止時間為232 ms,兩者時間差為268 ms<2 s,滿足測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的孤島保護(hù)時間要求。
表2 逆變器三相輸出數(shù)據(jù)
表3 諧振時K2點三相輸出數(shù)據(jù)
表4 RLC負(fù)載加載實時數(shù)據(jù)
圖9 防孤島保護(hù)信號
逆變器未投入主動孤島保護(hù)時,防孤島試驗結(jié)果如圖10所示。圖中2通道波形為逆變器輸出端電流信號,1通道為逆變器并網(wǎng)開關(guān)開斷信號,由圖可知逆變器斷網(wǎng)開關(guān)斷開時間為-3.92 s,逆變器輸出電流截止時間為3.96 s,兩者時間差為7.88 s>2 s,超過測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的孤島保護(hù)時間2 s。由此可知,孤島發(fā)生后,本地負(fù)載諧振頻率在2 s內(nèi)一直處于過欠頻保護(hù)規(guī)定的范圍內(nèi),防孤島檢測系統(tǒng)中RLC負(fù)載精度滿足防孤島測試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
圖10 防孤島保護(hù)信號
測試試驗2:2臺逆變器并列運行,逆變器正常并網(wǎng)運行時,其三相輸出數(shù)據(jù)如表5所示,加入模擬本地RLC負(fù)載裝置,負(fù)載處于諧振點時逆變器三相輸出數(shù)據(jù)如表6所示。由表5、表6中測量得到的K2點輸出電流值可知,加載RLC負(fù)載后,流過K2點的電流值滿足測試方案的要求。
表5 逆變器三相輸出數(shù)據(jù)
表6 諧振時K2點三相輸出數(shù)據(jù)
斷開集裝箱斷路器K2,孤島發(fā)生,防孤島保護(hù)時間實測值如圖11所示。由圖11可知,逆變器斷網(wǎng)開關(guān)斷開時間為-456 ms,逆變器輸出電流截止時間為179.2 ms,兩者時間差為635.2 ms<2 s,滿足測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的孤島保護(hù)時間要求。
兩次試驗對比結(jié)果如表7所示,兩臺逆變器并聯(lián)運行時,其輸出的總的有功和無功功率是單臺逆變器的兩倍,但孤島檢測時間增大,雖然檢測時間仍然小于2 s,但逆變器的孤島檢測能力因為受稀釋效應(yīng)[6-7]的影響而減弱。可以預(yù)見隨著并聯(lián)運行的逆變器臺數(shù)增多,當(dāng)臺數(shù)超過某一個定值時,會導(dǎo)致孤島檢測失敗。
圖11 防孤島保護(hù)信號
表7 防孤島檢測結(jié)果對比
開發(fā)的大型光伏電站移動式防孤島能力檢測平臺具有移動性、大容量、多電壓等級接入、自動負(fù)荷控制的特點,有利于開展光伏電站防孤島能力檢測,能夠解決大規(guī)模并網(wǎng)運行的光伏電站給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來的潛在威脅,保證并網(wǎng)機組滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過現(xiàn)場試驗,發(fā)現(xiàn)光伏電站的防孤島能力受稀釋效應(yīng)的影響較大,隨著光伏電站容量增大,并網(wǎng)運行逆變器臺數(shù)增多,可能出現(xiàn)孤島檢測失敗的風(fēng)險,因此有必要開發(fā)出更大容量的防孤島檢測裝置,確保受稀釋效應(yīng)影響的逆變器集群系統(tǒng)仍具有足夠的防孤島能力。
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(編輯 葛艷娜)
Design and development of the mobile platform to test the ability of anti-islanding for large-scale PV power station
HU Wenping1, LEI Shenghua2, WANG Xue2, JIA Jingran1
(1. Electric Power Research Institute, State Grid Electric Power Company of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China; 2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
According to the current development of photovoltaic industry and the relevant provisions of thestandards for PV power station connected to power grid in recent years,a testing platform to detect the ability of anti-islanding is developed and designed. The mobile an-islanding detection platform can be accessed to a set of multi-voltage, such as 380 V, 10 kV, 35 kV, with the maximum capacity of PV power station being 1.5 MW, considering the capacity of the inverter, power grid’s voltage level, load loaded, geographical environment and so on. Field tests have been conducted successfully on a PV power station in Quyang. The results show that whether the inverter connected to power grid owes the ability of an-islanding can be detected quickly and accurately by the test platform.
photovoltaic power station;ability of anti-islanding; islanding detection; mobile testing platform; multi- voltage rating
10.7667/PSPC151472
國網(wǎng)河北省電力公司科技項目(KJ2014-052)
2015-08-20;
2016-04-07
胡文平(1968-),男,博士,高工,主要研究領(lǐng)域為電網(wǎng)分析與計算、電能質(zhì)量和分布式能源;雷勝華(1990-),男,通信作者,碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制;E-mail: leishenghua1014@ qq.com 王 雪(1978-),男,博士,講師,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制。