2.4.4. Графики электрических нагрузок

В разделе 2.4.3 были рассмотрены модельные описания нагрузки, позволяющие учесть зависимость активной P и реактивной Q составляющей мощности от режимных параметров сети – напряжения и частоты в узле подключения нагрузки. В общем случае мощности нагрузок электрических сетей изменяются еще и во времени, и, соответственно, с учетом всех параметров, представляют собой функции вида:

(36)

Анализ процесса изменения нагрузок в условиях изменения всех параметров модели вида (36) является сложным и оправдан только отдельных эксплуатационных расчетах: при автоматическом управлении режимами в реальном времени, в том числе послеаварийными режимами ЭЭС, дефицитной по активной мощности.

При решении большинства задач проектирования и эксплуатации ЭЭС достаточно вместо четырехмерных зависимостей вида (36) оперировать двухмерными зависимостями изменения нагрузок во времени и уже рассмотренными статическими характеристиками (см. Error: Reference source not found и Error: Reference source not found.)

Изменение нагрузок потребителей, групп электроприемников и отдельных электроприемников во времени отображают графики нагрузок P(t) и Q(t).

На Error: Reference source not found показан пример суточных графиков активной мощности P(t) нагрузки жилого дома. Для их построения используют различные способы: обычно с помощью показаний счетчиков электроэнергии, взятых через равные промежутки времени, реже – с использованием регистрирующих (самопишущих) приборов, непрерывно фиксирующих измеряемый параметр. Полученный с использованием самопишущих приборов непрерывный график (график 1 на Error: Reference source not found) наиболее точен. Точность графика, снятого по показаниям счетчика (график 2 на Error: Reference source not found) зависит от интервала отсчета t, в пределах которого измеряемую составляющую нагрузки считают неизменной.

График Q(t) также можно получить по результатам непосредственного контроля, но чаще, после получения графика P(t) зависимости прочих режимных параметров, в предположении постоянства напряжения и коэффициента мощности, получают расчетно:

При задании режима энергопотребления непрерывным плавным графиком вида 1 на Error: Reference source not found в абсолютных значениях электроэнергия , кВт·ч, получаемая потребителем за интервал времени t, определяется интегрирование функции P(t):

.

(37)

где подынтегральная функция P(t) является аналитическим выражением графика нагрузки на интервале времени t. Возможность и трудоемкость непосредственного вычисления потребления электроэнергии по формуле (37) зависит от вида функции.

При задании режима энергопотребления ступенчатым графиком вида 2 на Error: Reference source not found в абсолютных значениях электроэнергия, кВт·ч, получаемая потребителем за интервал времени t, определяется в виде:

.

(38)

Чем больше число интервалов разбиения n, тем точнее результат приближенного расчета по формуле (38) по отношению к действительному, получаемому по формуле (37).

Для примера на Error: Reference source not found потребление электроэнергии по формуле (38) на интервале времени t от 8 до 24 часов составит:

При анализе процессов изменения нагрузок во времени используют ряд показателей, характеризующих режим работы (электропотребления) нагрузок. Обычно рассматривают некоторые характерные режимы работы: наибольших, наименьших и средних нагрузок, нагрузки в часы дневного минимума и др., наиболее существенными и информативными из которых являются наибольшие и средние нагрузки.

Отношение наименьшей нагрузки к наибольшей называется коэффициентом неравномерности и в первом приближении характеризует неравномерность электропотребления:

.

(39)

Коэффициент неравномерности малоинформативен: можно привести множество графиков нагрузок с одинаковыми значениями k_нр, но очень различных по характеру электропотребления. Более емким показателем электропотребления является средняя нагрузка за некоторый интервал времени t. Для графиков P(t) и Q(t) средние нагрузки рассчитывают как:

(40)

Для ступенчатых графиков нагрузок в формулу (40) вместо интеграла следует подставлять сумму вида (38) для активной мощности и аналогичную для реактивной. Средняя величина нагрузки за время t зависит от конфигурации графика и собственно величины интервала наблюдения t. Средний ток за это же время:

,

где U_н – номинальное напряжение; cos _срвз – средневзвешенное значение коэффициента мощности за время t, определяемое по формуле:

.

Среднеквадратичный ток, рассчитываемый для непрерывного и ступенчатого графика соответственно:

и

позволяет рассчитать действительные потери электроэнергии на нагрев за время t:

.

Среднеквадратичная нагрузка за интервал времени t рассчитывается для непрерывного и ступенчатого графика соответственно:

и .

(41)

Коэффициент заполнения суточного графика:

(42)

и коэффициент формы:

(43)

более полно, чем k_нр, характеризуют равномерность и плотность энергопотребления, так как рассчитываются по параметрам, учитывающим все многообразие режимов в течение времени t.

Из анализа выражений (42) и (43) следует, что чем равномернее электропотребление, тем ближе эти коэффициенты к единице, соответствующей неизменной нагрузке. С ростом неравномерности, т.е. при пиковом характере графика, значение k_з уменьшается, а k_ф – возрастает.

Для предприятий с непрерывным технологическим процессом (цветная металлургия, химическая технология и нефтепереработка) характерно близкое к единице значение k_з. Для коммунально-бытовой сферы, легкой и деревообрабатывающей промышленности, и других потребителей с периодическими технологическими процессами (1–2 смены), значения k_з значительно меньше 1.

Коэффициент формы k_ф сравнительно устойчивая характеристика и для реальных графиков нагрузки сетей 6–110 кВ изменяется в пределах от 1,05 до 1,15.

Суточные графики нагрузки в разные времена года могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому для более полного представления о нагрузке пользуются сезонными суточными графиками нагрузки для двух-трех характерных условных периодов: летнего и зимнего, или летнего, зимнего и весеннее-осеннего.

Годовые графики нагрузки бывают двух видов – по месяцам и упорядоченные. Первые характеризуют сезонность работы предприятия. Вторые могут быть непрерывными и ступенчатыми. Ступенчатые представляют собой диаграмму постепенно убывающих значений нагрузок, каждому из которых соответствует время использования данной нагрузки в течение года (годовые графики по продолжительности). Такие графики могут быть построены по сезонным суточным графикам нагрузки.

На Error: Reference source not found приведен пример непрерывного упорядоченного годового графика, показывающего изменение активной мощности нагрузки в течении года (8760 часов). Упорядоченные графики также строят по полной или реактивной мощности, или по току.

Если упорядоченный график вида, показанного на Error: Reference source not found, построен в абсолютных значениях нагрузки, то площадь, ограниченная кривой P(t) и координатными осями представляет собой количество полученной потребителем электроэнергии:

.

(44)

Если заменить эту площадь равнозначной площадью прямоугольника со сторонами P_max и t_max, то (44) можно представить в виде (см. также Error: Reference source not found):

.

(45)

Параметром t_max из (45) удобно характеризовать годовой график нагрузки: он называется эквивалентным временем (продолжительностью) использования наибольшей нагрузки. Этот параметр определяет такое условное время t_max  8760 ч, в течение которого, работая с наибольшей неизменной нагрузкой P_max, потребитель получил бы из сети такое же количество электроэнергии, как и при работе по действительному, изменяющемуся в течение, года графику нагрузки.

Чем больше время t_max, тем равномернее, плотнее потребление электроэнергии в течение года. Величина t_max играет большую роль в расчетах электропотребления, при определении годового расхода и потерь электроэнергии, экономических нагрузок токоведущих элементов и др. Она имеет определенное характерное значение для каждой отрасли промышленности и отдельных видов предприятий и потребителей [2, 9, 21].

С учетом того, что формула (40) для годового электропотребления принимает вид:

,

(46)

то коэффициент заполнения годового графика, по аналогии с (42), с учетом (45) можно рассчитать как:

.

(47)

Графики нагрузок, характеризующие режимы работы отдельных потребителей, называют индивидуальными. Такие графики в условиях действующих электроустановок и электрических сетей снимают, как правило, для крупных электропотребителей (мощностью в десятки и сотни киловатт). Характер и форма индивидуального графика нагрузки электропотребителя определяются технологическим процессом, режимом работы потребителя.

При анализе режимов электрических сетей различного назначения чаще приходится иметь дело с групповыми графиками нагрузок – для всех потребителей одного узла нагрузки. Групповые графики представляют собой результат суммирования графиков отдельных потребителей, входящих в группу. При очень большом количестве электропотребителей, входящих в группу, например, в крупных цехах предприятий, в городском районе в целом, суточный график активной мощности приобретает устойчивый характер [9].

Длительные наблюдения за действующими предприятиями позволили составить характерные графики для различных отраслей промышленного и сельскохозяйственного производства, а также городов и поселков. Такие графики называют типовыми. Их строят в относительных единицах, выражая нагрузки в разные часы в процентах от максимальной, принимаемой за 100%. Для пересчета ординат таких графиков в абсолютные единицы, например в киловатты, необходимо лишь определить величину максимума. Для удобства пользования типовые графики строят ступенчатыми. Примеры типовых графиков приведены, например, в [9] и [18].