小水電上網對配電網的影響

李世偉

（甘南供電公司，甘肅合作747000）

1 引言

小水電［1] ［2]（SHP，Small Hydro Power）是農村可再生能源項目和農村基礎設施項目，大力發展農村小水電具有良好的經濟效益、社會效益和顯著的生態效益。據統計，甘南州轄區內各河流（段）水能資源理論蘊藏量為458.76萬kW，其中可開發量為302.26萬kW，約占甘肅省水能資源的1／4。目前，全州已建成水電站136座，裝機總容量為7.74萬kW。這些小水電站的建設，既緩解了全州農牧民生活用電的供需矛盾，又為保護生態環境，增加農牧民收入，促進州域經濟發展起到了重要作用。

甘南電網位于甘肅電網的末端，目前有洛大和多合2座330kV輸變電工程，通過330kV線路與甘肅主電網連接，可有效滿足當地用電增長的需求，解決小水電上網的困難。由于小水電的上網，配電系統將發生根本性的變化：從一個輻射式的網絡變為一個遍布電源和用戶負荷互聯的網絡，潮流也不再單向地從變電站母線流向用戶負荷，且配電系統的控制和管理將變得更加復雜。小水電并網對地方配電系統的安全、穩定、經濟運行和電能質量會帶來一定影響。

2 對配電系統的影響

2.1 對發電、輸電系統的影響［3]

小水電上網后，對新建集中式發電廠和遠距離輸電線的需求將減少［4]。首先，新增負荷相當大的部分將由小水電來供電；其次，由于小水電的削峰填谷、平衡負荷作用，現有發電、輸電設施的利用率將大大提高，那些利用率極低、僅為滿足高峰負荷需要的發輸電設施將不再有建設的必要。

2.2 對配電系統可靠性的評估

配電系統直接聯系用戶，電力系統對用戶的供電能力和質量都必須通過配電系統來體現，配電可靠性指標則是整個電力系統結構和運行特性的集中反映。小水電上網必須進行評估，以確定其對配電系統供電安全和質量的不利影響。

配電網可靠性的評估方法很多，針對小水電上網情況，常采用蒙特卡羅模擬法［5]（MCS，Monte-Carlo Simulation，元件狀態持續時間抽樣法），此方法假定元件工作時間和故障狀態下修復時間服從某種概率分布，通常電力系統可靠性評估常用指數分布，然后根據元件的故障率和修復率確定該元件在給定時間段內的狀態和狀態持續時間。當給定時間段內所有元件的狀態和狀態持續時間確定后，就可以獲得系統的狀態序列和持續時間。有分析表明［5]，小水電的接入能提高系統的可靠性水平，且隨負荷點在網絡中位置的不同，小水電的接入對其可靠性的影響程度會不同，越接近小水電的負荷點，可靠性指標的提升幅度就越大。

2.3 對電能質量的影響

并網小水電引起配電網的各種擾動會對系統電能質量［6，7]產生影響：

（1）易造成系統的電壓閃變；小水電的啟停與氣候條件等眾多因素有關，其不確定性易造成配電網明顯的電壓閃變；

（2）對系統穩態電壓的影響；集中供電配電網一般呈輻射狀，穩態運行狀態下沿饋線潮流方向電壓逐漸降低。接入小水電后由于饋線上的傳輸功率減少或功率上送，以及小水電輸出無功的支持，使沿饋線的各負荷節點處電壓被抬高，導致一些負荷節點的電壓偏移超標。其電壓被抬高的值與接入小水電的位置及總容量大小密切關聯。

（3）對系統電壓波動的影響；傳統配電網中有功、無功負荷隨著時間變化會引起系統電壓波動。并網小水電對配電網電壓波動的影響要視其具體情況：當小水電與當地負荷協調運行時（負荷與小水電輸出量同步變化）小水電將抑制系統電壓的波動；若小水電與當地負荷不協調運行時系統的電壓波動將更嚴重。

國內小水電大部分是涇流電站，其發電量受季節影響較大，易造成系統電壓波動，影響電能質量；在豐水期小水電機組大量發電會造成系統電壓過高，枯水期則系統電壓較低，甚至過低。

2.4 對網絡損耗的影響

小水電可能增大或減少網損［8]，這與小水電的位置、容量、負荷量的相對大小以及網絡拓撲結構等因素有關。

有分析表明：當小水電出力小于線路負荷時，不但不會增加并網線損，而且還會降低線損；只有當小水電出力大于線路負荷，水電站向系統倒送潮流時，才會引起并網線損上升；當小水電無功出力不足甚至從系統吸收無功時，并網線損最大。因此，為了降低并網小水電對線路損耗影響，可從以下方面采取措施：①控制小水電的出力，盡可能的讓小水電的出力能夠就近平衡，盡量減少向系統輸送潮流，對有調節能力的小水電可采取限制低谷時段發電的措施；②嚴格控制小水電的無功出力，禁止小水電從系統吸取無功；③做好小水電的并網規劃，盡可能的選取一定的基本負荷點并網，以最大限度地保證小水電的出力；④若小水電的出力較大，可采用專線綜合考慮在并網母線上的功率平衡，這樣可以減少系統內的過網線損。

2.5 對發電機組無功出力的影響［9]

一般系統電壓和發電機空載電勢是一定的，對于采用同步發電機發電的小水電，根據Eo＝UN+IZN，如果輸電線路越長，導線截面積越小，即阻抗ZN越大，則發電機輸出電流越小。如果發電機原動力不變，電流中有功電流分量IP基本不變，減少的主要是無功電流分量IQ，故發電機向電網輸送的無功功率減少。另一方面，當線路輸送有功功率越大，有功電流分量自然變大，相應無功電流分量減少越多，此時發電機發出的無功功率減少越多。另外，當小水電并網處的系統電壓較高時，為了與系統電壓一致，必然要求發電機的端電壓在較高電壓下運行，導致發電機功率因數也隨之上升，高于發電機銘牌上額定功率因數，若輸出有功功率不變，必然是欠發無功功率，即“欠勵磁”狀態運行。

采用改造勵磁設備，增大勵磁電流；投入發電設備，枯水期調相運行；增設電力電容等措施，一定程度上改善無功上網電量和提高電網供電質量。

2.6 對并網變壓器的影響

由于種種原因，并網小水電可能選用配電的降壓變壓器作為升壓變壓器［9] ［10]，通過較長線路與大電網并聯。此時與并網小水電相聯的配電變壓器高壓側電壓UTN既要與大電網潮流電壓平衡，又必須克服線路阻抗產生的壓降ΔU，故UTN常常要高于大電網運行電壓1.05UN（UN為線路電壓等級），即 UTN≥1.05UN+ΔU，ΔU 的大小取決于并網線路的導線截面積、輸電線路長度及輸送負荷的大小。如出現低壓機組處于超額定電壓運行的極限狀態，將嚴重影響發電機和變壓器的絕緣水平。另外，當小水電通過變壓器、線路、開關等與配電網相連時，配電網發生故障切斷小水電，若此時并網變壓器空載運行，變壓器一次繞組的線路電抗與線路對地電容可能發生鐵磁諧振，產生不規則的過電壓、大電流，嚴重威脅線路中的電力器件，還可能引起大的電磁力，使變壓器發生噪聲或損壞。

2.7 對電網調度和實時監控的影響

甘南州地區小水電的現狀是點多、面廣，部分小水電通訊聯系薄弱，不易采集小水電發電過程中產生的實時電流、電壓、有功功率、無功功率等信息，不利于調度員的正確決策，調度命令難以及時到達，監控難度較大，易造成小水電無序發電，難以發揮相應資源優勢和帶動地方經濟增長，甚至會增加電網壓力和發電行業整體成本［10]。

2.8 對系統繼電保護的影響［11] ［12]

由于輻射狀配電網的潮流是單向的，從電源到用戶，考慮到配電網上80%的故障是瞬時的，傳統配電網的保護設計通常是在變電站處安裝三段式電流保護或反時限電流保護，主饋線上裝設三相一次自動重合閘裝置，分支線上裝設熔斷器。根據“僅斷開故障支路，對瞬時故障進行重合閘”的原則，使自動重合閘裝置與各側支路上的熔斷器相互協調，每個熔斷器又分別與其直接相連的上一級和／或下一級支路上的熔斷器相互協調，以實現配電網線路的保護，此種保護不具有方向性。

小水電并入時，配電網發生了根本性變化，輻射式配電網將變為遍布電源和用戶互聯的網絡，配電網成為一個多電源系統，這將對原配置的不具有方向性的保護設備造成一定的影響。

（1）小水電上網對三段式電流保護的影響

小水電上網后系統的潮流將重新分布。小水電上網對三段式過流保護（瞬時、短延時和長延時）的影響與小水電的容量大小及接入配電系統的位置有關，并入系統的小水電容量不宜過大，在小水電容量一定的情況下，并入線路末端時，對保護的影響較小，在小水電容量較大時，可以事先校驗各極端情況下的電流保護定值及靈敏度，必要時還可以考慮為電流保護加設方向元件。

（2）小水電上網對反時限電流保護的影響

配電系統中并入小水電后，對反時限過流保護的影響主要有以下兩點：①增大保護動作時限，不利于故障的快速切除；②導致非故障線路保護誤動，從而使保護失去選擇性，擴大事故影響范圍。

同時，小水電上網對反時限過流保護的影響也與小水電的容量大小及接入配電系統的位置有關，情況與（1）相同。

（3）小水電上網對熔斷器保護的影響

小水電的引入要求其保護裝置都具備方向性，此要求對于配電網中的熔斷器來說是根本無法實現的，需要增加方向繼電器。

（4）小水電上網對自動重合閘的影響

在小水電引入前，配電網為輻射式結構，自動重合閘在恢復瞬時性故障線路的供電時，不會對配電系統產生任何沖擊和破壞。小水電引入后，一旦線路因故障而跳閘，故障部分不再與電網相連而失去系統電源。而小水電很有可能在故障后沒有脫離線路，與配電網相連繼續工作，則在電網中形成由小水電單獨供電的電力孤島。

電力孤島保持功率和電壓在額定值附近運行。一方面，在系統電源跳開至自動重合閘動作期間內，小水電很有可能加速或者減速運轉，以至于自動重合閘動作時，電力孤島與電網不能保持同步，出現很大的相角差，導致非同期重合閘，產生很大的沖擊電流，線路保護很可能再次動作，發生誤動，致使重合閘失去其迅速恢復瞬時故障的職能。同時，沖擊環流也很有可能對電網及小水電單元中的設備帶來致命的沖擊。另一方面，在失去系統電源以后，小水電可能繼續維持對故障點的供電，重合閘發生時，小水電所提供的故障電流妨礙了故障點電弧的熄滅，引起故障點持續電弧。此時，原本的瞬時故障變成了永久性故障。長期的電弧存在會給設備的壽命及維護帶來很大的困難。

因此，小水電側需裝設低周、低壓解裂裝置；同時為避免非同期重合閘給電網和小水電帶來的沖擊，系統側重合閘繼電器需檢測線路電壓，小水電側檢測同期；為避免故障點持續電弧的影響，重合閘的動作時限應適當延長。

3 結束語

小水電與電網并網運行后，有效降低電力峰荷、緩解電壓驟降、消除過負荷和堵塞、增加輸電裕度，使供電可靠性明顯提高。但并網的小水電群在電能質量、網損、繼電保護、無功電壓等方面也會對電網造成一定的影響，本文從發輸電系統、電網可靠性、電能質量、網損、無功電壓、并網變壓器、電網調度和實時監控、系統繼電保護等方面，分析了小水電上網所帶來問題的原因，這些問題可采取適當的措施、控制方法得到解決，其實束縛小水電發展的主要問題是選址征地難、發電效率低、并網電價低等。

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