王剑飞1，胡  东2，胡  政1，顾  婷1，唐  超2

　　（1. 国网重庆市电力公司万州供电分公司，重庆404000；2. 西南大学工程技术学院，重庆 400715）

　　摘  要： 作为一种清洁的可再生能源，分布式小水电对优化我国的能源结构有着非常重要意义。小水电接入配电网后能提高局部电网的供电可靠性，也具有投资小、建设周期短、可循环利用等优点。小水电的快速发展给配电网带来诸多好处的同时，也改变着传统配电网的结构和功率流向，给配网的规划与管理工作带来了新的挑战。本文介绍了一种结合地区配网实际，采用n层体系结构，基于小水电运行参数分析所开发出的“山区分布小水式电源运行分析管理系统”，分析了分布式电源对配电网的影响，研究了系统开发所涉及的潮流计算方法，阐述了该系统的系统主要功能及现场运行情况。

　　关键词： 小水电；潮流计算；运行；管理系统

0 引言

　　近年来，人民的物质生活水平随着社会经济的不断发展而得到了显著的提高，但同时，能源消耗也与日俱增。电能作为世界上迄今为止使用最为广泛，同时也最便利的二次能源，保证着世界人民生产生活的有序进行。生产生活环境的恶化以及不可再生资源的大量消耗都使得人们对发展“低碳”社会和节能减排的呼声日益高涨，而对清洁、环保的新能源的深入开发已经成为能源领域的必然发展趋势。分布式发电凭借其灵活性和便捷性已然成为了新的可替代能源的重要组成部分。

　　小水电则是典型的可再生清洁能源，它通常通过配电网末端上网发电，作为分布式电源的一种，近年来发展很快。加大对山区分布式小水电源的运行分析与管理是对电网安全运行的重要保障。这就需要结合国内外对分布式小水电方面技术的研究，以及小水电对配网的影响模型，设计出一套关于分布式电源运行分析的管理系统，从而更好地利用和管理小水电，更合理地利用山区丰富的水资源，缓解我们国家的用电紧张，有效地避免由小水电入网而造成的配网故障。

　　有鉴于此，本文开发了一套“山区分布小水式电源运行分析管理系统”，该系统选用windows 7，32位系统和SQL Server 2005，是在对潮流计算进行分析研究的基础上结合区域小水电的具体参数、接线方式和运行条件而设计的一套实时记录、分析重庆某区县小水电运行状态的管理系统。该系统的上线运行有效地对加强了对区域小水电的科学管理。

1 分布式电源对配电网的影响

　　分布式供电较之传统的供电方式具有灵活、便捷的优势，但其接入电网的同时也改变了电网的潮流结构，其对配电网的影响主要集中在电压、无功、损耗、继电保护等几个方面。

　　目前，国内外的研究主要是分布式电源电压无功的合理控制对配电网的电能质量影响方面。文献[1]研究了正常状态和故障状态下分布式电源在容量不同、位置不同以及功率因数不同的情况下对配电网电压产生的影响，但故障状态下的研究所涉及到的故障只考虑到了永久性故障，没有考虑到电压暂态的影响；文献[2]主要针对小水电无功出力受封锁的问题和较长线路无功功率受限作了较为深入的研究；文献[3]给出了相应的解决方案；小水电接入配网之后，会给配网电压的调节带来问题，文献[4-6]通过数据分析以及建模试验验证，提出通过选用并联电抗器的接入来限制节点电压的过高问题；文献[7]提出选用串联电容器来补偿由于配网缺乏无功而导致的电压偏低问题。

　　分布式电源对电网保护的影响主要有以下几方面：

　　（1）保护拒动：当出现配网线路故障的时候，分布式电源提供的故障电流将会一定程度地降低保护装置所检测到的电流值，造成保护装置的检测值未达到整定值从而引起保护拒动。

　　（2）保护误动：当故障点位于分布式电源的相邻线路时，分布式电源的反向电流将增大其所在的正常运行线路的保护装置检测到的故障电流，一旦故障电流大于整定值则会引起保护误动进而导致其所在线路跳闸。

　　（3）故障水平变化：由于新增电源点的容量不同，会引起故障电流增加或减小，这就需要调整相应的断路器容量，同时升级改造相关保护装置。

　　（4）电压调节难度加大。

2 潮流计算

　　潮流计算是电力系统中最基本的同时也是最重要的计算。所谓的潮流计算，就是在已知电网的相关参数、接线方式和运行时的条件来计算电力系统稳态运行是各母线的电压、各支路的电流与网损及功率。对于正处于运行的电力系统，通过正确的潮流计算可以有效的判断电网支路电流、母线电压以及功率是否越限，当出现越限的情况时，就需要采取相应措施，调整运行方式。通过潮流计算可以为正处于规划的电力系统提供选择电网供电方案和电气设备的依据。继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算还可以通过潮流计算来提供原始数据。本系统所采用的牛顿-拉夫逊法是电力系统潮流计算的常用算法之一，它有着收敛性好，迭代次数少等优点。

　　2.1 牛顿-拉夫逊算法潮流计算

　　牛顿-拉夫逊算法是求解非线性代数方程有效的迭代计算方法。它的重点是把非线性方程的求解过程转换为对相应的线性方程的求解过程，即渐进线性化。先从一维的线性方程式的解来阐明它的意义和推导过程，然后推广到n维变量的情况。

　　采用直角坐标形式的牛顿-拉夫逊法潮流计算是求各节点电压的实部和虚部两个分量e1，f1，e2，f2，……，fn，由于平衡节点的电压向量是给定的，因此待求2(n-1)个变量，因此需要2(n-1)个方程式。事实上，除了平衡节点的功率方程式在迭代过程中没有约束作用以外，其余每个节点都可以列出两个方程式。

　　对PQ节点来说， Pis和Qis是给定的，因而可以写出：

　　对于PV节点来说，给定量是Pis和Vis，因而可以列出：

　　求解过程大致可以分为以下步骤：

　　（1）形成节点导纳矩阵；

　　（2）将各节点电压设初值U；

　　（3）将节点初值代入相关求式，求出修正方程式的常数项向量；

　　（4）将节点电压初值代入求式，求出雅可比矩阵元素；

　　（5）求解修正方程，求修正向量；

　　（6）求取节点电压的新值；

　　（7）检查是否收敛，如不收敛，则以各节点电压的新值作为初值自第3步重新开始进行狭义次迭代，否则转入下一步。

　　可以推导的修正方程式其中有n-1个有功方程，有m个无功方程：

　　给定Ui0,δi0，将Ui(0)-ΔUi(0)δi(0)-Δδi(0)带入上面的式子中，再按泰勒级数展开并忽略去ΔUi和Δδi二次以上各个高次项可得修正方程式：

　　可以求出雅克比矩阵各个元素：

　　i≠j（非对角元素）时：

　　把这样的新解带入式子中，反复计算直到求得节点满足误差要求为止。

　　2.2 牛顿-拉夫逊算法潮流计算实例

　　以图1所示16节点标号的10 kV电力网络为实例，网络节点参数及支路参数如图表1及表2所示。

　　统一假定小水电的有功与无功为：0.500 MW、0.300 MVar并分三种情况来讨论：

　　（1）未接入小水电；

　　（2）将小水电接入节点8；

　　（3）将小水电接入节点15

　　用Matlab仿真结果如图2所示。

　　数据结果分析：

　　（1）未接入小水电结果，如图3、图4所示。

　　（2）接入小水电位置为节点8位置，结果如图5、图6所示。

　　（3）接入小水电位置为15，结果如图7、图8所示。

3 系统主要功能及现场运行

　　3.1 系统总体框架

　　小水电运行分析管理系统主要是由电力接线图管理、电力线路参数、数据分析和用户管理四大部分组成。总体实现小水电运行管理和小水电运行相关数据分析的功能，更好的探索分布式小水电源季节性发电负荷对配网首末端电压影响的规律，建立数学模型，用于指导调度编制调度运行方案，保证配网安全稳定运行，系统总体框图如图9所示。

　　系统的登陆界面美观，人性化强，易于操作，其主登录界面如下图10所示，登录后系统主界面如下图11所示。

　　3.2 电力接线图管理功能模块

　　电力接线图管理功能模块主要包含了节点位置信息和电力接线图两个方面的内容。是将城口县相关电力节点的位置信息以及整个电力线路信息加以整理，存入系统以供用户查询。

　　该功能中电力接线图又包括高厚线和东黄线，系统设置默认显示高厚线，需要转换时可以通过点击相应的线路即可，如图12所示。用户点击节点位置信息时，界面将出现相关详细信息，如图13所示。

　　3.3 电力线路参数功能模块

　　电力线路参数功能模块主要涉及了线路参数、发电机节点参数、节点参数和从Excle文件导入这四个方面的内容。其中线路参数、发电机节点参数和节点参数这三个功能都主要用于记录线路及相关节点的具体实际参数。线路参数包括支路端点号、支路终点号、线路型号、之路长度、电阻、电抗、电纳、长距离输电线允许容量、短距离输电线允许容量、紧急输电线允许容量和支路变化等；发电机机电参数包括节点编号、发电机节点输出有功、发电机节点输出无功、该节点能接受最大无功、该节点能接受最小无功、该节点电压、发电机容量、运行状态允许最大有功、允许最小有功和线路名称等；节点参数包括支路端点号、支路终点号、支路电阻、支路电抗、支路电纳、长距离输电线路允许容量、短距离输电线路允许容量、运行状态、紧急输电线路允许容量、支路变化、线路名称和变压器移相角度等；从Excle文件导入这项功能主要是用于方便数据导入的作用。试运行中节点参数记录如图14所示。

　　3.4  数据分析功能模块

　　数据分析模块包括了潮流计算和结果分析两个功能，系统通过选择线路名称、需要计算的节点/支路/发电机参数进行潮流计算并得出相应的数据。再通过数据分析的结果分析功能自动生成节点的图表信息。试运行结果如图15所示。

　　3.5 用户管理模块

　　用户管理模块只要是实现用户注册和用户信息管理功能，用来管理用户的基本信息，保障系统使用层面的安全性。防止一些非相关人员自由使用该系统。本系统中注册用户和用户管理功能模块界面如图16、17所示。

4  总结

　　本文介绍了一套“山区分布小水式电源运行分析管理系统”，该系统选用的是windows 7, 32位系统和SQL Server 2005（32）作为开发工具，采用了n层体系结构和可重用组件技术，充分结合地区小水电运行特性实现了对山区分布小水式电源的运行管理和运行相关参数的分析。更便捷的为城口县供电有限责任公司对小水电运行管理提供数据的支持。

　　试运行结果表明，该系统的优点主要有：

　　（1）是具有大容量、可扩展数据库支持的，具备电源、电力线路参数分析、数据汇总、图表绘制等多功能、多用途的区分布小水式电源运行分析管理研究平台；

　　（2）支持多种数据库操作方式，支持大容量数据的高速调用、计算；

　　（3）山区分布小水式电源运行分析管理系统的数据分析有效的为探索分布式小水电源季节性发电负荷对配网首末端电压影响的规律的总结提供了帮助，利于指导调度编制调度运行方案，保证配网安全稳定运行。

参考文献

　　[1]赵岩，胡学浩．分布式发电对配电网电压暂降的影响[J]．电网技术，2008，14(32)：5-9．

　　[2]袁智辉．浅析小型水电站采用配电变压器并网运行无功不足及改造措施[J]．中国农村水电及电气化，2006，11(8)：18-20．

　　[3]Tran-Quoc, T Praing. Improvement to voltage stability on the Vietnam power system[C]. IEEE Power engineering society winter meeting, 2000, 2:1513-1518.

　　[4]ZHU Y, TOMSOVICK. Adaptive power flow method for distribution systems with dispersed generation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2002, 17(3):822-827.

　　[5]GONZALEZ C, JUAN J, MIRA J, et al. Reliability analysis for systems with large hydro resources in a deregulated electric Power market[J]. IEEE Trans, Power Syst., 2005, 20(1):90-95.

　　[6]BRAHMA S M, GIRGIS A. Development to adaptive protection scheme for distribution systems with high Penetration of distributed generation[J]. IEEE Transactions on power Delivery, 2004, 19(1):56-63.

　　[7]尹延麒，彭棍，康红艳．加装并联电抗器解决电网电压过高问题[J]．电力系统及输变配电技术，2008，15(4)：148-15．