小水电上网对配电网的影响

李世伟

（甘南供电公司，甘肃合作747000）

1 引言

小水电［1] ［2]（SHP，Small Hydro Power）是农村可再生能源项目和农村基础设施项目，大力发展农村小水电具有良好的经济效益、社会效益和显著的生态效益。据统计，甘南州辖区内各河流（段）水能资源理论蕴藏量为458.76万kW，其中可开发量为302.26万kW，约占甘肃省水能资源的1／4。目前，全州已建成水电站136座，装机总容量为7.74万kW。这些小水电站的建设，既缓解了全州农牧民生活用电的供需矛盾，又为保护生态环境，增加农牧民收入，促进州域经济发展起到了重要作用。

甘南电网位于甘肃电网的末端，目前有洛大和多合2座330kV输变电工程，通过330kV线路与甘肃主电网连接，可有效满足当地用电增长的需求，解决小水电上网的困难。由于小水电的上网，配电系统将发生根本性的变化：从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户负荷互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向用户负荷，且配电系统的控制和管理将变得更加复杂。小水电并网对地方配电系统的安全、稳定、经济运行和电能质量会带来一定影响。

2 对配电系统的影响

2.1 对发电、输电系统的影响［3]

小水电上网后，对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少［4]。首先，新增负荷相当大的部分将由小水电来供电；其次，由于小水电的削峰填谷、平衡负荷作用，现有发电、输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必要。

2.2 对配电系统可靠性的评估

配电系统直接联系用户，电力系统对用户的供电能力和质量都必须通过配电系统来体现，配电可靠性指标则是整个电力系统结构和运行特性的集中反映。小水电上网必须进行评估，以确定其对配电系统供电安全和质量的不利影响。

配电网可靠性的评估方法很多，针对小水电上网情况，常采用蒙特卡罗模拟法［5]（MCS，Monte-Carlo Simulation，元件状态持续时间抽样法），此方法假定元件工作时间和故障状态下修复时间服从某种概率分布，通常电力系统可靠性评估常用指数分布，然后根据元件的故障率和修复率确定该元件在给定时间段内的状态和状态持续时间。当给定时间段内所有元件的状态和状态持续时间确定后，就可以获得系统的状态序列和持续时间。有分析表明［5]，小水电的接入能提高系统的可靠性水平，且随负荷点在网络中位置的不同，小水电的接入对其可靠性的影响程度会不同，越接近小水电的负荷点，可靠性指标的提升幅度就越大。

2.3 对电能质量的影响

并网小水电引起配电网的各种扰动会对系统电能质量［6，7]产生影响：

（1）易造成系统的电压闪变；小水电的启停与气候条件等众多因素有关，其不确定性易造成配电网明显的电压闪变；

（2）对系统稳态电压的影响；集中供电配电网一般呈辐射状，稳态运行状态下沿馈线潮流方向电压逐渐降低。接入小水电后由于馈线上的传输功率减少或功率上送，以及小水电输出无功的支持，使沿馈线的各负荷节点处电压被抬高，导致一些负荷节点的电压偏移超标。其电压被抬高的值与接入小水电的位置及总容量大小密切关联。

（3）对系统电压波动的影响；传统配电网中有功、无功负荷随着时间变化会引起系统电压波动。并网小水电对配电网电压波动的影响要视其具体情况：当小水电与当地负荷协调运行时（负荷与小水电输出量同步变化）小水电将抑制系统电压的波动；若小水电与当地负荷不协调运行时系统的电压波动将更严重。

国内小水电大部分是泾流电站，其发电量受季节影响较大，易造成系统电压波动，影响电能质量；在丰水期小水电机组大量发电会造成系统电压过高，枯水期则系统电压较低，甚至过低。

2.4 对网络损耗的影响

小水电可能增大或减少网损［8]，这与小水电的位置、容量、负荷量的相对大小以及网络拓扑结构等因素有关。

有分析表明：当小水电出力小于线路负荷时，不但不会增加并网线损，而且还会降低线损；只有当小水电出力大于线路负荷，水电站向系统倒送潮流时，才会引起并网线损上升；当小水电无功出力不足甚至从系统吸收无功时，并网线损最大。因此，为了降低并网小水电对线路损耗影响，可从以下方面采取措施：①控制小水电的出力，尽可能的让小水电的出力能够就近平衡，尽量减少向系统输送潮流，对有调节能力的小水电可采取限制低谷时段发电的措施；②严格控制小水电的无功出力，禁止小水电从系统吸取无功；③做好小水电的并网规划，尽可能的选取一定的基本负荷点并网，以最大限度地保证小水电的出力；④若小水电的出力较大，可采用专线综合考虑在并网母线上的功率平衡，这样可以减少系统内的过网线损。

2.5 对发电机组无功出力的影响［9]

一般系统电压和发电机空载电势是一定的，对于采用同步发电机发电的小水电，根据Eo＝UN+IZN，如果输电线路越长，导线截面积越小，即阻抗ZN越大，则发电机输出电流越小。如果发电机原动力不变，电流中有功电流分量IP基本不变，减少的主要是无功电流分量IQ，故发电机向电网输送的无功功率减少。另一方面，当线路输送有功功率越大，有功电流分量自然变大，相应无功电流分量减少越多，此时发电机发出的无功功率减少越多。另外，当小水电并网处的系统电压较高时，为了与系统电压一致，必然要求发电机的端电压在较高电压下运行，导致发电机功率因数也随之上升，高于发电机铭牌上额定功率因数，若输出有功功率不变，必然是欠发无功功率，即“欠励磁”状态运行。

采用改造励磁设备，增大励磁电流；投入发电设备，枯水期调相运行；增设电力电容等措施，一定程度上改善无功上网电量和提高电网供电质量。

2.6 对并网变压器的影响

由于种种原因，并网小水电可能选用配电的降压变压器作为升压变压器［9] ［10]，通过较长线路与大电网并联。此时与并网小水电相联的配电变压器高压侧电压UTN既要与大电网潮流电压平衡，又必须克服线路阻抗产生的压降ΔU，故UTN常常要高于大电网运行电压1.05UN（UN为线路电压等级），即 UTN≥1.05UN+ΔU，ΔU 的大小取决于并网线路的导线截面积、输电线路长度及输送负荷的大小。如出现低压机组处于超额定电压运行的极限状态，将严重影响发电机和变压器的绝缘水平。另外，当小水电通过变压器、线路、开关等与配电网相连时，配电网发生故障切断小水电，若此时并网变压器空载运行，变压器一次绕组的线路电抗与线路对地电容可能发生铁磁谐振，产生不规则的过电压、大电流，严重威胁线路中的电力器件，还可能引起大的电磁力，使变压器发生噪声或损坏。

2.7 对电网调度和实时监控的影响

甘南州地区小水电的现状是点多、面广，部分小水电通讯联系薄弱，不易采集小水电发电过程中产生的实时电流、电压、有功功率、无功功率等信息，不利于调度员的正确决策，调度命令难以及时到达，监控难度较大，易造成小水电无序发电，难以发挥相应资源优势和带动地方经济增长，甚至会增加电网压力和发电行业整体成本［10]。

2.8 对系统继电保护的影响［11] ［12]

由于辐射状配电网的潮流是单向的，从电源到用户，考虑到配电网上80%的故障是瞬时的，传统配电网的保护设计通常是在变电站处安装三段式电流保护或反时限电流保护，主馈线上装设三相一次自动重合闸装置，分支线上装设熔断器。根据“仅断开故障支路，对瞬时故障进行重合闸”的原则，使自动重合闸装置与各侧支路上的熔断器相互协调，每个熔断器又分别与其直接相连的上一级和／或下一级支路上的熔断器相互协调，以实现配电网线路的保护，此种保护不具有方向性。

小水电并入时，配电网发生了根本性变化，辐射式配电网将变为遍布电源和用户互联的网络，配电网成为一个多电源系统，这将对原配置的不具有方向性的保护设备造成一定的影响。

（1）小水电上网对三段式电流保护的影响

小水电上网后系统的潮流将重新分布。小水电上网对三段式过流保护（瞬时、短延时和长延时）的影响与小水电的容量大小及接入配电系统的位置有关，并入系统的小水电容量不宜过大，在小水电容量一定的情况下，并入线路末端时，对保护的影响较小，在小水电容量较大时，可以事先校验各极端情况下的电流保护定值及灵敏度，必要时还可以考虑为电流保护加设方向元件。

（2）小水电上网对反时限电流保护的影响

配电系统中并入小水电后，对反时限过流保护的影响主要有以下两点：①增大保护动作时限，不利于故障的快速切除；②导致非故障线路保护误动，从而使保护失去选择性，扩大事故影响范围。

同时，小水电上网对反时限过流保护的影响也与小水电的容量大小及接入配电系统的位置有关，情况与（1）相同。

（3）小水电上网对熔断器保护的影响

小水电的引入要求其保护装置都具备方向性，此要求对于配电网中的熔断器来说是根本无法实现的，需要增加方向继电器。

（4）小水电上网对自动重合闸的影响

在小水电引入前，配电网为辐射式结构，自动重合闸在恢复瞬时性故障线路的供电时，不会对配电系统产生任何冲击和破坏。小水电引入后，一旦线路因故障而跳闸，故障部分不再与电网相连而失去系统电源。而小水电很有可能在故障后没有脱离线路，与配电网相连继续工作，则在电网中形成由小水电单独供电的电力孤岛。

电力孤岛保持功率和电压在额定值附近运行。一方面，在系统电源跳开至自动重合闸动作期间内，小水电很有可能加速或者减速运转，以至于自动重合闸动作时，电力孤岛与电网不能保持同步，出现很大的相角差，导致非同期重合闸，产生很大的冲击电流，线路保护很可能再次动作，发生误动，致使重合闸失去其迅速恢复瞬时故障的职能。同时，冲击环流也很有可能对电网及小水电单元中的设备带来致命的冲击。另一方面，在失去系统电源以后，小水电可能继续维持对故障点的供电，重合闸发生时，小水电所提供的故障电流妨碍了故障点电弧的熄灭，引起故障点持续电弧。此时，原本的瞬时故障变成了永久性故障。长期的电弧存在会给设备的寿命及维护带来很大的困难。

因此，小水电侧需装设低周、低压解裂装置；同时为避免非同期重合闸给电网和小水电带来的冲击，系统侧重合闸继电器需检测线路电压，小水电侧检测同期；为避免故障点持续电弧的影响，重合闸的动作时限应适当延长。

3 结束语

小水电与电网并网运行后，有效降低电力峰荷、缓解电压骤降、消除过负荷和堵塞、增加输电裕度，使供电可靠性明显提高。但并网的小水电群在电能质量、网损、继电保护、无功电压等方面也会对电网造成一定的影响，本文从发输电系统、电网可靠性、电能质量、网损、无功电压、并网变压器、电网调度和实时监控、系统继电保护等方面，分析了小水电上网所带来问题的原因，这些问题可采取适当的措施、控制方法得到解决，其实束缚小水电发展的主要问题是选址征地难、发电效率低、并网电价低等。

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