Формализуемые методы расчета электрических нагрузок

В соответствии с теорией расчета электрических нагрузок, основы которой сложились в 1930-е годы, был определен набор формул, дающих однозначное решение при заданных электроприемниках и графиках (показателях) электрических нагрузок. В целом практика показала ограниченность подхода «снизу вверх», опирающегося на исходные данные по отдельным электроприемникам и их группам. Эта теория сохранила свое значение при расчете режимов работы небольшого числа электроприемников с известными данными, при сложении ограниченного числа графиков, при расчетах для 2УР.

В 1950–1960-е годы нагрузки описывали с помощью случайных величин, определяемых аппаратом математической статистики, восходящей к гауссовым (нормальным) распределениям и использующим следующие понятия: математическое ожидание электрической нагрузки МРt (среднее значение); дисперсия DP_t (среднеквадратическое отклонение – стандарт нагрузки σ_p=√DP; корреляционная R_t(τ) и автокорреляционные функции (см. (3.3) и (3.4). Для нормального закона распределения вероятность выхода расчетной нагрузки P_р за пределы MP_t ± 3σ_р равна 0,003, что дает основание пренебрегать значениями, выходящими за 3σ_р. Отдельные работы, ставящие пределы (1,5–2,0) σ_р , распространения не получили.

В 1980–1990-е годы в теории расчета электрических нагрузок наибольшее распространение получили неформализованные методы, в частности комплексный метод расчета электрических нагрузок, элементы которого вошли в Указания по расчету электрических нагрузок систем электроснабжения (РТМ 36.18.32.02–89). Вероятно, работа с информационными базами данных по электрическим и технологическим показателям, кластер-анализ и теория распознавания образов, построение вероятностных и ценологических распределений для экспертной и профессионально-логической оценки может решить окончательно проблему расчета электрических нагрузок на всех уровнях системы электроснабжения и на всех стадиях принятия технического или инвестиционного решения.

Формализация расчета электрических нагрузок развивалась в нескольких направлениях, в настоящее время используют следующие из них: 1) эмпирические методы (коэффициента спроса, двухчленных эмпирических выражений, удельного расхода электроэнергии и удельных плотностей нагрузки, технологического графика); 2) метод упорядоченных диаграмм (расчет по коэффициенту расчетной активной мощности); 3) собственно статистические методы; 4) метод вероятностного моделирования графиков нагрузки.

Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен, с него начинают расчет нагрузок; по известной (задаваемой) величине Pу и табличным значениям K_с, приводимым в справочной литературе, определяют:

P_p=P_max=K_cP_y; Q_max=P_maxtgφ. (3.8)

Метод удельных плотностей нагрузок близок к предыдущему. Задается удельная мощность (плотность нагрузки) γ, и определяется площадь здания F, сооружения или участка, отделения, цеха. Например, для машиностроительных и металлообрабатывающих цехов γ = 0,12–0,25 кВт/м², для кислородноконвертерных цехов γ=0,16–0,32 кВт/м². Нагрузка, превышающая 0,4 кВт/м², возможна для некоторых участков, в частности, где имеются единичные электроприемники единичной мощности 1,0–30 МВт. Расчетная нагрузка

P_max=γF (3.9)

Метод технологического графика опирается на график работы агрегата, линии или группы машин. Например, график работы дуговой сталеплавильной печи конкретизируется: указывается время расплавления, составляющее 27–50 мин, время окисления (20–80 мин), число плавок, технологическая увязка с работой других сталеплавильных агрегатов. График позволяет определить общий расход электроэнергии за плавку, средний за цикл (с учетом времени до начала следующей плавки) и максимальную (в данном случае – 3-минутный максимум на участки до 4 ч 02 мин) нагрузку для расчета питающей сети.

Метод упорядоченных диаграмм, который в 1960–1970-е годы директивно применяли для всех уровней системы электроснабжения и на всех стадиях проектирования, в 1980-е годы трансформировался в расчет нагрузок по коэффициенту расчетной активной мощности. При наличии данных о числе электроприемников, их мощности, режимах работы его рекомендуют применять для расчета элементов системы электроснабжения 2УР, 3УР (провод, кабель, шинопровод, низковольтная аппаратура), питающих силовую нагрузку до 1 кВ (упрощенно для эффективного числа приемников всего цеха, т. е. для сети 6–10 кВ 4УР). Различие метода упорядоченных диаграмм и расчета по коэффициенту расчетной активной мощности заключается в замене коэффициента максимума K_м, всегда понимаемого однозначно как отношение Р_max/Р_с, коэффициентом расчетной активной мощности K_р. Порядок расчета для элемента узла следующий:

Составляется перечень (число) силовых электроприемников с указанием их номинальной P_ном(i) (установленной) мощности.

Определяется рабочая смена с наибольшим потреблением электроэнергии, и выделяются характерные сутки.

Описываются особенности технологического процесса, влияющие на электропотребление, выделяются электроприемники с высокой неравномерностью нагрузки (которые рассчитывают по максимуму эффективной нагрузки).

Исключаются из расчета (перечня): а) электроприемники малой мощности; б) резервные по условиям расчета электрических нагрузок; в) включаемые эпизодически.

Определяются группы т электроприемников, имеющих одинаковый тип (режим) работы, и выделяются из них j-е подгруппы, j = 1, ... m, имеющие одинаковую величину индивидуального коэффициента использования K_и(i).

Выделяются электроприемники одинакового режима работы, и определяется их средняя мощность:

P_cp(j)=∑K_и(i)∙P_ном(i), (3.10)

где Р_ном(i) – номинальная мощность отдельного электроприемника.

7. Вычисляется средняя реактивная нагрузка:

Qcp(j)=∑ Kи(i)∙Pном(i)∙tgφi, (3.11)

где tgϕ – коэффициент реактивной мощности, соответствующий средневзвешенному коэффициенту мощности соsϕ, характерному для i-го электроприемника.

8. Находится групповой коэффициент использования K_и активной мощности:

m

∑ P_cp(j)

j=1

K_и=——— , (3.12)

m

∑ P_ном(j)

j=1

где P_{ном (j)} – установленная мощность подгруппы.

9. Рассчитывается эффективное число электроприемников в группе из n

электроприемников:

(∑P_ном(i))²

n_э=————— , (3.13)

∑(P_ном(i))²

где n_э – число однородных по режиму работы электроприемников одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума P_max, что и группа электроприемников, различных по мощности и режиму работы. При числе электроприемников в группе четыре и более допускается принимать n_э равным n (действительному числу электроприемников) при условии, что отношение номинальной мощности наибольшего электроприемника Р_ном(max) номинальной мощности, меньшего Р_ном(min), меньше трех. При этом при определении значения n допускается исключать мелкие электроприемники, суммарная мощность которых не превышает 5 % номинальной мощности всей группы.

10. По справочным данным в зависимости от (3.12), (3.13) и постоянной времени нагрева Т₀ принимается величина расчетного коэффициента K_р.

11. Определяется расчетный максимум нагрузки:

m

P_p=P_max=K_p∑ P_cp(j). (3.14)

j=1

Значение расчетного коэффициента активной мощности K_р для Т₀ = 10 мин – сетей напряжением до 1 кВ, питающих 2УР, берут из таблиц. Для ЗУР постоянная нагрева Т₀ = 2,5 ч и при n_э > 50 и K_и ≤ 0,5 K_р = 0,7; K_и > 0,5; K_р = 0,8. Для кабелей, образующих высоковольтные сети 6–10 кВ потребителей, K_р = 1.

Упрощенно эффективное число приемников для цеха

2∑ P_ном(i)

n_э=————— , (3.15)

P_ном(max)

где Р_ном(max) – номинальная мощность наиболее мощного электроприемника цеха.

Электрические нагрузки отдельных узлов системы электроснабжения в сетях напряжением выше 1 кВ (находящиеся на 4УР, 5УР) рекомендуется определять аналогично с включением потерь в трансформаторах.

Результаты расчетов нагрузок по коэффициенту расчетной активной мощности сводят в таблицу.

Кроме перечисленных выше существуют статистические методы определения электрических нагрузок; метод вероятностного моделирования графиков нагрузки.