王劍飛1，胡 東2，胡 政1，顧 婷1，唐 超2
（1. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司萬(wàn)州供電分公司，重慶404000；2. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)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(duì)優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)有著非常重要意義。小水電接入配電網(wǎng)后能提高局部電網(wǎng)的供電可靠性，也具有投資小、建設(shè)周期短、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。小水電的快速發(fā)展給配電網(wǎng)帶來(lái)諸多好處的同時(shí)，也改變著傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功率流向，給配網(wǎng)的規(guī)劃與管理工作帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。本文介紹了一種結(jié)合地區(qū)配網(wǎng)實(shí)際，采用n層體系結(jié)構(gòu)，基于小水電運(yùn)行參數(shù)分析所開發(fā)出的“山區(qū)分布小水式電源運(yùn)行分析管理系統(tǒng)”，分析了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響，研究了系統(tǒng)開發(fā)所涉及的潮流計(jì)算方法，闡述了該系統(tǒng)的系統(tǒng)主要功能及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。
關(guān)鍵詞： 小水電；潮流計(jì)算；運(yùn)行；管理系統(tǒng)
0 引言
近年來(lái)，人民的物質(zhì)生活水平隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展而得到了顯著的提高，但同時(shí)，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(shí)也最便利的二次能源，保證著世界人民生產(chǎn)生活的有序進(jìn)行。生產(chǎn)生活環(huán)境的惡化以及不可再生資源的大量消耗都使得人們對(duì)發(fā)展“低碳”社會(huì)和節(jié)能減排的呼聲日益高漲，而對(duì)清潔、環(huán)保的新能源的深入開發(fā)已經(jīng)成為能源領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。分布式發(fā)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(guò)配電網(wǎng)末端上網(wǎng)發(fā)電，作為分布式電源的一種，近年來(lái)發(fā)展很快。加大對(duì)山區(qū)分布式小水電源的運(yùn)行分析與管理是對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保障。這就需要結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式小水電方面技術(shù)的研究，以及小水電對(duì)配網(wǎng)的影響模型，設(shè)計(jì)出一套關(guān)于分布式電源運(yùn)行分析的管理系統(tǒng)，從而更好地利用和管理小水電，更合理地利用山區(qū)豐富的水資源，緩解我們國(guó)家的用電緊張，有效地避免由小水電入網(wǎng)而造成的配網(wǎng)故障。
有鑒于此，本文開發(fā)了一套“山區(qū)分布小水式電源運(yùn)行分析管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)選用windows 7，32位系統(tǒng)和SQL Server 2005，是在對(duì)潮流計(jì)算進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域小水電的具體參數(shù)、接線方式和運(yùn)行條件而設(shè)計(jì)的一套實(shí)時(shí)記錄、分析重慶某區(qū)縣小水電運(yùn)行狀態(tài)的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的上線運(yùn)行有效地對(duì)加強(qiáng)了對(duì)區(qū)域小水電的科學(xué)管理。
1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響
分布式供電較之傳統(tǒng)的供電方式具有靈活、便捷的優(yōu)勢(shì)，但其接入電網(wǎng)的同時(shí)也改變了電網(wǎng)的潮流結(jié)構(gòu)，其對(duì)配電網(wǎng)的影響主要集中在電壓、無(wú)功、損耗、繼電保護(hù)等幾個(gè)方面。
目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要是分布式電源電壓無(wú)功的合理控制對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響方面。文獻(xiàn)[1]研究了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下分布式電源在容量不同、位置不同以及功率因數(shù)不同的情況下對(duì)配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的影響，但故障狀態(tài)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(tài)的影響；文獻(xiàn)[2]主要針對(duì)小水電無(wú)功出力受封鎖的問(wèn)題和較長(zhǎng)線路無(wú)功功率受限作了較為深入的研究；文獻(xiàn)[3]給出了相應(yīng)的解決方案；小水電接入配網(wǎng)之后，會(huì)給配網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)帶來(lái)問(wèn)題，文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)數(shù)據(jù)分析以及建模試驗(yàn)驗(yàn)證，提出通過(guò)選用并聯(lián)電抗器的接入來(lái)限制節(jié)點(diǎn)電壓的過(guò)高問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]提出選用串聯(lián)電容器來(lái)補(bǔ)償由于配網(wǎng)缺乏無(wú)功而導(dǎo)致的電壓偏低問(wèn)題。
分布式電源對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的影響主要有以下幾方面：
（1）保護(hù)拒動(dòng)：當(dāng)出現(xiàn)配網(wǎng)線路故障的時(shí)候，分布式電源提供的故障電流將會(huì)一定程度地降低保護(hù)裝置所檢測(cè)到的電流值，造成保護(hù)裝置的檢測(cè)值未達(dá)到整定值從而引起保護(hù)拒動(dòng)。
（2）保護(hù)誤動(dòng)：當(dāng)故障點(diǎn)位于分布式電源的相鄰線路時(shí)，分布式電源的反向電流將增大其所在的正常運(yùn)行線路的保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流，一旦故障電流大于整定值則會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致其所在線路跳閘。
（3）故障水平變化：由于新增電源點(diǎn)的容量不同，會(huì)引起故障電流增加或減小，這就需要調(diào)整相應(yīng)的斷路器容量，同時(shí)升級(jí)改造相關(guān)保護(hù)裝置。
（4）電壓調(diào)節(jié)難度加大。
2 潮流計(jì)算
潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)中最基本的同時(shí)也是最重要的計(jì)算。所謂的潮流計(jì)算，就是在已知電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)、接線方式和運(yùn)行時(shí)的條件來(lái)計(jì)算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是各母線的電壓、各支路的電流與網(wǎng)損及功率。對(duì)于正處于運(yùn)行的電力系統(tǒng)，通過(guò)正確的潮流計(jì)算可以有效的判斷電網(wǎng)支路電流、母線電壓以及功率是否越限，當(dāng)出現(xiàn)越限的情況時(shí)，就需要采取相應(yīng)措施，調(diào)整運(yùn)行方式。通過(guò)潮流計(jì)算可以為正處于規(guī)劃的電力系統(tǒng)提供選擇電網(wǎng)供電方案和電氣設(shè)備的依據(jù)。繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置定整計(jì)算、電力系統(tǒng)故障計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算還可以通過(guò)潮流計(jì)算來(lái)提供原始數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所采用的牛頓-拉夫遜法是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的常用算法之一，它有著收斂性好，迭代次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。
2.1 牛頓-拉夫遜算法潮流計(jì)算
牛頓-拉夫遜算法是求解非線性代數(shù)方程有效的迭代計(jì)算方法。它的重點(diǎn)是把非線性方程的求解過(guò)程轉(zhuǎn)換為對(duì)相應(yīng)的線性方程的求解過(guò)程，即漸進(jìn)線性化。先從一維的線性方程式的解來(lái)闡明它的意義和推導(dǎo)過(guò)程，然后推廣到n維變量的情況。
采用直角坐標(biāo)形式的牛頓-拉夫遜法潮流計(jì)算是求各節(jié)點(diǎn)電壓的實(shí)部和虛部?jī)蓚€(gè)分量e1，f1，e2，f2，……，fn，由于平衡節(jié)點(diǎn)的電壓向量是給定的，因此待求2(n-1)個(gè)變量，因此需要2(n-1)個(gè)方程式。事實(shí)上，除了平衡節(jié)點(diǎn)的功率方程式在迭代過(guò)程中沒有約束作用以外，其余每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以列出兩個(gè)方程式。
對(duì)PQ節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)， Pis和Qis是給定的，因而可以寫出：
對(duì)于PV節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，給定量是Pis和Vis，因而可以列出：
求解過(guò)程大致可以分為以下步驟：
（1）形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；
（2）將各節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)初值U；
（3）將節(jié)點(diǎn)初值代入相關(guān)求式，求出修正方程式的常數(shù)項(xiàng)向量；
（4）將節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)電壓的新值；
（7）檢查是否收斂，如不收斂，則以各節(jié)點(diǎn)電壓的新值作為初值自第3步重新開始進(jìn)行狹義次迭代，否則轉(zhuǎn)入下一步。
可以推導(dǎo)的修正方程式其中有n-1個(gè)有功方程，有m個(gè)無(wú)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(jí)數(shù)展開并忽略去ΔUi和Δδi二次以上各個(gè)高次項(xiàng)可得修正方程式：
可以求出雅克比矩陣各個(gè)元素：
i≠j（非對(duì)角元素）時(shí)：
把這樣的新解帶入式子中，反復(fù)計(jì)算直到求得節(jié)點(diǎn)滿足誤差要求為止。
2.2 牛頓-拉夫遜算法潮流計(jì)算實(shí)例
以圖1所示16節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)的10 kV電力網(wǎng)絡(luò)為實(shí)例，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)及支路參數(shù)如圖表1及表2所示。
統(tǒng)一假定小水電的有功與無(wú)功為：0.500 MW、0.300 MVar并分三種情況來(lái)討論：
（1）未接入小水電；
（2）將小水電接入節(jié)點(diǎn)8；
（3）將小水電接入節(jié)點(diǎn)15
用Matlab仿真結(jié)果如圖2所示。
數(shù)據(jù)結(jié)果分析：
（1）未接入小水電結(jié)果，如圖3、圖4所示。
（2）接入小水電位置為節(jié)點(diǎn)8位置，結(jié)果如圖5、圖6所示。
（3）接入小水電位置為15，結(jié)果如圖7、圖8所示。
3 系統(tǒng)主要功能及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行
3.1 系統(tǒng)總體框架
小水電運(yùn)行分析管理系統(tǒng)主要是由電力接線圖管理、電力線路參數(shù)、數(shù)據(jù)分析和用戶管理四大部分組成。總體實(shí)現(xiàn)小水電運(yùn)行管理和小水電運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析的功能，更好的探索分布式小水電源季節(jié)性發(fā)電負(fù)荷對(duì)配網(wǎng)首末端電壓影響的規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，用于指導(dǎo)調(diào)度編制調(diào)度運(yùn)行方案，保證配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)總體框圖如圖9所示。
系統(tǒng)的登陸界面美觀，人性化強(qiáng)，易于操作，其主登錄界面如下圖10所示，登錄后系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)位置信息和電力接線圖兩個(gè)方面的內(nèi)容。是將城口縣相關(guān)電力節(jié)點(diǎn)的位置信息以及整個(gè)電力線路信息加以整理，存入系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)置默認(rèn)顯示高厚線，需要轉(zhuǎn)換時(shí)可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的線路即可，如圖12所示。用戶點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)位置信息時(shí)，界面將出現(xiàn)相關(guān)詳細(xì)信息，如圖13所示。
3.3 電力線路參數(shù)功能模塊
電力線路參數(shù)功能模塊主要涉及了線路參數(shù)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)和從Excle文件導(dǎo)入這四個(gè)方面的內(nèi)容。其中線路參數(shù)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)這三個(gè)功能都主要用于記錄線路及相關(guān)節(jié)點(diǎn)的具體實(shí)際參數(shù)。線路參數(shù)包括支路端點(diǎn)號(hào)、支路終點(diǎn)號(hào)、線路型號(hào)、之路長(zhǎng)度、電阻、電抗、電納、長(zhǎng)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(fā)電機(jī)機(jī)電參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)輸出有功、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)輸出無(wú)功、該節(jié)點(diǎn)能接受最大無(wú)功、該節(jié)點(diǎn)能接受最小無(wú)功、該節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)容量、運(yùn)行狀態(tài)允許最大有功、允許最小有功和線路名稱等；節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括支路端點(diǎn)號(hào)、支路終點(diǎn)號(hào)、支路電阻、支路電抗、支路電納、長(zhǎng)距離輸電線路允許容量、短距離輸電線路允許容量、運(yùn)行狀態(tài)、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(dǎo)入這項(xiàng)功能主要是用于方便數(shù)據(jù)導(dǎo)入的作用。試運(yùn)行中節(jié)點(diǎn)參數(shù)記錄如圖14所示。
3.4 數(shù)據(jù)分析功能模塊
數(shù)據(jù)分析模塊包括了潮流計(jì)算和結(jié)果分析兩個(gè)功能，系統(tǒng)通過(guò)選擇線路名稱、需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)/支路/發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行潮流計(jì)算并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。再通過(guò)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果分析功能自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)的圖表信息。試運(yùn)行結(jié)果如圖15所示。
3.5 用戶管理模塊
用戶管理模塊只要是實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)和用戶信息管理功能，用來(lái)管理用戶的基本信息，保障系統(tǒng)使用層面的安全性。防止一些非相關(guān)人員自由使用該系統(tǒng)。本系統(tǒng)中注冊(cè)用戶和用戶管理功能模塊界面如圖16、17所示。
4 總結(jié)
本文介紹了一套“山區(qū)分布小水式電源運(yùn)行分析管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)選用的是windows 7, 32位系統(tǒng)和SQL Server 2005（32）作為開發(fā)工具，采用了n層體系結(jié)構(gòu)和可重用組件技術(shù)，充分結(jié)合地區(qū)小水電運(yùn)行特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)山區(qū)分布小水式電源的運(yùn)行管理和運(yùn)行相關(guān)參數(shù)的分析。更便捷的為城口縣供電有限責(zé)任公司對(duì)小水電運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)的支持。
試運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：
（1）是具有大容量、可擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)支持的，具備電源、電力線路參數(shù)分析、數(shù)據(jù)匯總、圖表繪制等多功能、多用途的區(qū)分布小水式電源運(yùn)行分析管理研究平臺(tái)；
（2）支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)操作方式，支持大容量數(shù)據(jù)的高速調(diào)用、計(jì)算；
（3）山區(qū)分布小水式電源運(yùn)行分析管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析有效的為探索分布式小水電源季節(jié)性發(fā)電負(fù)荷對(duì)配網(wǎng)首末端電壓影響的規(guī)律的總結(jié)提供了幫助，利于指導(dǎo)調(diào)度編制調(diào)度運(yùn)行方案，保證配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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