王劍飛1，胡 東2，胡 政1，顧 婷1，唐 超2
（1. 國網重慶市電力公司萬州供電分公司，重慶404000；2. 西南大學工程技術學院，重慶 400715）
摘 要： 作為一種清潔的可再生能源，分布式小水電對優化我國的能源結構有著非常重要意義。小水電接入配電網后能提高局部電網的供電可靠性，也具有投資小、建設周期短、可循環利用等優點。小水電的快速發展給配電網帶來諸多好處的同時，也改變著傳統配電網的結構和功率流向，給配網的規劃與管理工作帶來了新的挑戰。本文介紹了一種結合地區配網實際，采用n層體系結構，基于小水電運行參數分析所開發出的“山區分布小水式電源運行分析管理系統”，分析了分布式電源對配電網的影響，研究了系統開發所涉及的潮流計算方法，闡述了該系統的系統主要功能及現場運行情況。
關鍵詞： 小水電；潮流計算；運行；管理系統
0 引言
近年來，人民的物質生活水平隨著社會經濟的不斷發展而得到了顯著的提高，但同時，能源消耗也與日俱增。電能作為世界上迄今為止使用最為廣泛，同時也最便利的二次能源，保證著世界人民生產生活的有序進行。生產生活環境的惡化以及不可再生資源的大量消耗都使得人們對發展“低碳”社會和節能減排的呼聲日益高漲，而對清潔、環保的新能源的深入開發已經成為能源領域的必然發展趨勢。分布式發電憑借其靈活性和便捷性已然成為了新的可替代能源的重要組成部分。
小水電則是典型的可再生清潔能源，它通常通過配電網末端上網發電，作為分布式電源的一種，近年來發展很快。加大對山區分布式小水電源的運行分析與管理是對電網安全運行的重要保障。這就需要結合國內外對分布式小水電方面技術的研究，以及小水電對配網的影響模型，設計出一套關于分布式電源運行分析的管理系統，從而更好地利用和管理小水電，更合理地利用山區豐富的水資源，緩解我們國家的用電緊張，有效地避免由小水電入網而造成的配網故障。
有鑒于此，本文開發了一套“山區分布小水式電源運行分析管理系統”，該系統選用windows 7，32位系統和SQL Server 2005，是在對潮流計算進行分析研究的基礎上結合區域小水電的具體參數、接線方式和運行條件而設計的一套實時記錄、分析重慶某區縣小水電運行狀態的管理系統。該系統的上線運行有效地對加強了對區域小水電的科學管理。
1 分布式電源對配電網的影響
分布式供電較之傳統的供電方式具有靈活、便捷的優勢，但其接入電網的同時也改變了電網的潮流結構，其對配電網的影響主要集中在電壓、無功、損耗、繼電保護等幾個方面。
目前，國內外的研究主要是分布式電源電壓無功的合理控制對配電網的電能質量影響方面。文獻[1]研究了正常狀態和故障狀態下分布式電源在容量不同、位置不同以及功率因數不同的情況下對配電網電壓產生的影響，但故障狀態下的研究所涉及到的故障只考慮到了永久性故障，沒有考慮到電壓暫態的影響；文獻[2]主要針對小水電無功出力受封鎖的問題和較長線路無功功率受限作了較為深入的研究；文獻[3]給出了相應的解決方案；小水電接入配網之后，會給配網電壓的調節帶來問題，文獻[4-6]通過數據分析以及建模試驗驗證，提出通過選用并聯電抗器的接入來限制節點電壓的過高問題；文獻[7]提出選用串聯電容器來補償由于配網缺乏無功而導致的電壓偏低問題。
分布式電源對電網保護的影響主要有以下幾方面：
?。?）保護拒動：當出現配網線路故障的時候，分布式電源提供的故障電流將會一定程度地降低保護裝置所檢測到的電流值，造成保護裝置的檢測值未達到整定值從而引起保護拒動。
（2）保護誤動：當故障點位于分布式電源的相鄰線路時，分布式電源的反向電流將增大其所在的正常運行線路的保護裝置檢測到的故障電流，一旦故障電流大于整定值則會引起保護誤動進而導致其所在線路跳閘。
（3）故障水平變化：由于新增電源點的容量不同，會引起故障電流增加或減小，這就需要調整相應的斷路器容量，同時升級改造相關保護裝置。
（4）電壓調節難度加大。
2 潮流計算
潮流計算是電力系統中最基本的同時也是最重要的計算。所謂的潮流計算，就是在已知電網的相關參數、接線方式和運行時的條件來計算電力系統穩態運行是各母線的電壓、各支路的電流與網損及功率。對于正處于運行的電力系統，通過正確的潮流計算可以有效的判斷電網支路電流、母線電壓以及功率是否越限，當出現越限的情況時，就需要采取相應措施，調整運行方式。通過潮流計算可以為正處于規劃的電力系統提供選擇電網供電方案和電氣設備的依據。繼電保護和自動裝置定整計算、電力系統故障計算和穩定計算還可以通過潮流計算來提供原始數據。本系統所采用的牛頓-拉夫遜法是電力系統潮流計算的常用算法之一，它有著收斂性好，迭代次數少等優點。
2.1 牛頓-拉夫遜算法潮流計算
牛頓-拉夫遜算法是求解非線性代數方程有效的迭代計算方法。它的重點是把非線性方程的求解過程轉換為對相應的線性方程的求解過程，即漸進線性化。先從一維的線性方程式的解來闡明它的意義和推導過程，然后推廣到n維變量的情況。
采用直角坐標形式的牛頓-拉夫遜法潮流計算是求各節點電壓的實部和虛部兩個分量e1，f1，e2，f2，……，fn，由于平衡節點的電壓向量是給定的，因此待求2(n-1)個變量，因此需要2(n-1)個方程式。事實上，除了平衡節點的功率方程式在迭代過程中沒有約束作用以外，其余每個節點都可以列出兩個方程式。
對PQ節點來說， Pis和Qis是給定的，因而可以寫出：
對于PV節點來說，給定量是Pis和Vis，因而可以列出：
求解過程大致可以分為以下步驟：
（1）形成節點導納矩陣；
?。?）將各節點電壓設初值U；
?。?）將節點初值代入相關求式，求出修正方程式的常數項向量；
?。?）將節點電壓初值代入求式，求出雅可比矩陣元素；
（5）求解修正方程，求修正向量；
（6）求取節點電壓的新值；
?。?）檢查是否收斂，如不收斂，則以各節點電壓的新值作為初值自第3步重新開始進行狹義次迭代，否則轉入下一步。
可以推導的修正方程式其中有n-1個有功方程，有m個無功方程：
給定Ui0,δi0，將Ui(0)-ΔUi(0)δi(0)-Δδi(0)帶入上面的式子中，再按泰勒級數展開并忽略去ΔUi和Δδi二次以上各個高次項可得修正方程式：
可以求出雅克比矩陣各個元素：
i≠j（非對角元素）時：
把這樣的新解帶入式子中，反復計算直到求得節點滿足誤差要求為止。
2.2 牛頓-拉夫遜算法潮流計算實例
以圖1所示16節點標號的10 kV電力網絡為實例，網絡節點參數及支路參數如圖表1及表2所示。
統一假定小水電的有功與無功為：0.500 MW、0.300 MVar并分三種情況來討論：
?。?）未接入小水電；
?。?）將小水電接入節點8；
?。?）將小水電接入節點15
用Matlab仿真結果如圖2所示。
數據結果分析：
（1）未接入小水電結果，如圖3、圖4所示。
?。?）接入小水電位置為節點8位置，結果如圖5、圖6所示。
（3）接入小水電位置為15，結果如圖7、圖8所示。
3 系統主要功能及現場運行
3.1 系統總體框架
小水電運行分析管理系統主要是由電力接線圖管理、電力線路參數、數據分析和用戶管理四大部分組成?？傮w實現小水電運行管理和小水電運行相關數據分析的功能，更好的探索分布式小水電源季節性發電負荷對配網首末端電壓影響的規律，建立數學模型，用于指導調度編制調度運行方案，保證配網安全穩定運行，系統總體框圖如圖9所示。
系統的登陸界面美觀，人性化強，易于操作，其主登錄界面如下圖10所示，登錄后系統主界面如下圖11所示。
3.2 電力接線圖管理功能模塊
電力接線圖管理功能模塊主要包含了節點位置信息和電力接線圖兩個方面的內容。是將城口縣相關電力節點的位置信息以及整個電力線路信息加以整理，存入系統以供用戶查詢。
該功能中電力接線圖又包括高厚線和東黃線，系統設置默認顯示高厚線，需要轉換時可以通過點擊相應的線路即可，如圖12所示。用戶點擊節點位置信息時，界面將出現相關詳細信息，如圖13所示。
3.3 電力線路參數功能模塊
電力線路參數功能模塊主要涉及了線路參數、發電機節點參數、節點參數和從Excle文件導入這四個方面的內容。其中線路參數、發電機節點參數和節點參數這三個功能都主要用于記錄線路及相關節點的具體實際參數。線路參數包括支路端點號、支路終點號、線路型號、之路長度、電阻、電抗、電納、長距離輸電線允許容量、短距離輸電線允許容量、緊急輸電線允許容量和支路變化等；發電機機電參數包括節點編號、發電機節點輸出有功、發電機節點輸出無功、該節點能接受最大無功、該節點能接受最小無功、該節點電壓、發電機容量、運行狀態允許最大有功、允許最小有功和線路名稱等；節點參數包括支路端點號、支路終點號、支路電阻、支路電抗、支路電納、長距離輸電線路允許容量、短距離輸電線路允許容量、運行狀態、緊急輸電線路允許容量、支路變化、線路名稱和變壓器移相角度等；從Excle文件導入這項功能主要是用于方便數據導入的作用。試運行中節點參數記錄如圖14所示。
3.4 數據分析功能模塊
數據分析模塊包括了潮流計算和結果分析兩個功能，系統通過選擇線路名稱、需要計算的節點/支路/發電機參數進行潮流計算并得出相應的數據。再通過數據分析的結果分析功能自動生成節點的圖表信息。試運行結果如圖15所示。
3.5 用戶管理模塊
用戶管理模塊只要是實現用戶注冊和用戶信息管理功能，用來管理用戶的基本信息，保障系統使用層面的安全性。防止一些非相關人員自由使用該系統。本系統中注冊用戶和用戶管理功能模塊界面如圖16、17所示。
4 總結
本文介紹了一套“山區分布小水式電源運行分析管理系統”，該系統選用的是windows 7, 32位系統和SQL Server 2005（32）作為開發工具，采用了n層體系結構和可重用組件技術，充分結合地區小水電運行特性實現了對山區分布小水式電源的運行管理和運行相關參數的分析。更便捷的為城口縣供電有限責任公司對小水電運行管理提供數據的支持。
試運行結果表明，該系統的優點主要有：
?。?）是具有大容量、可擴展數據庫支持的，具備電源、電力線路參數分析、數據匯總、圖表繪制等多功能、多用途的區分布小水式電源運行分析管理研究平臺；
?。?）支持多種數據庫操作方式，支持大容量數據的高速調用、計算；
（3）山區分布小水式電源運行分析管理系統的數據分析有效的為探索分布式小水電源季節性發電負荷對配網首末端電壓影響的規律的總結提供了幫助，利于指導調度編制調度運行方案，保證配網安全穩定運行。
參考文獻
[1]趙巖，胡學浩．分布式發電對配電網電壓暫降的影響[J]．電網技術，2008，14(32)：5-9．
[2]袁智輝．淺析小型水電站采用配電變壓器并網運行無功不足及改造措施[J]．中國農村水電及電氣化，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，康紅艷．加裝并聯電抗器解決電網電壓過高問題[J]．電力系統及輸變配電技術，2008，15(4)：148-15．