CC BY
67
УДК 621.311
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.В. Ершов, С.Ю. Шефер
Рассматривается вопрос анализа методик определения нагрузок потребителей, возникающих при использовании автономных систем электроснабжения. Исследование и анализ вероятностных нагрузок потребителей позволяет избежать весомых затрат при проектировании автономных систем электроснабжения и дальнейших потерь электроэнергии при их эксплуатации.
Ключевые слова: Автономное электроснабжение, ветро-дизельная установка, нагрузка потребителей.
В зависимости от используемых функций, которые требуется от исполнения потребителями, а также с учетом особенностей применяемой схемы питания от энергосистемы, величины и режимов потребления электрической энергии, потребители электроэнергии, условно можно подразделить на следующие основные группы:
- промышленные и аналогичные ним;
- производственные и сельскохозяйственные;
- бытовые;
- общественно-коммунальные (учреждения, организации, предприятия торговли и общественного питания и др.).
Рассмотренные группы потребителей могут характеризоваться определенным режимом работы. Так, например, электрическая нагрузка, которая создается коммунально-бытовыми потребителями, имеет преимущественно осветительный характер. Данный тип электрической нагрузки может отличаться большой неравномерностью в различное время суток. Для подобной нагрузки характерны незначительные величины в дневное время суток. В то же время к вечеру нагрузка может возрастать до максимума. В ночное время она резко идет вниз и к утру снова возрастает. Электрическая нагрузка промышленных предприятий характеризуется более равномерным характером в течение дня. Электрическая нагрузка промышленных предприятий находится в зависимости главным образом от вида производства, а также режима рабочего дня и количества смен.
Характер изменения электрических нагрузок за определенный период времени может быть выражен посредством графиков нагрузок. По продолжительности данные графики могут быть условно разделены на суточные (рис. 1), либо годовые.
В том случае, если число электроприемников, которые входит в группу, достигает значительных величин, то в данном случае суточный график приобретает устойчивый характер. Длительные наблюдения за дей-
ствующими объектами позволяют сформировать характерные графики, которые отражают определенные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства, а также большинство нагрузок городов и поселков.
250
200 н 150
<3
100
50
0
0 5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Суточный график Р(1) электрических нагрузок:
Рс — среднесуточная нагрузка;
Ртт — минимальная нагрузка;
Ртах.у — максимальная нагрузка в утренние часы; Ртах,в — максимальная
нагрузка в вечерние часы
Данные виды графиков считают типовыми. Чаще всего они строятся в относительных единицах. При данном подходе нагрузка в разные часы суток, как правило выражается в процентах от максимальной нагрузки и принимается равной 100 %.
Опыт проектирования свидетельствует о том, что в большинстве случаев применяют несколько методов построения суточных графиков нагрузки:
- для получения графиков на ближайший период в случае незначительного изменения структуры потребления электроэнергии можно воспользоваться методом аналогий. Данный метод заключается в использовании отчетного графика с необходимыми уточнениями;
- чтобы составить график с более далекой перспективой, а также для новых стремительно развивающихся систем электроснабжения может быть использован интегральный либо синтезированный метод, в том числе и метод обобщенных характеристик. Основной принцип интегрального метода заключается в суммировании типовых суточных графиков электрической нагрузки отраслей (подотраслей) промышленности, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта, коммунально-бытового хозяйства. При использовании данного метода графики строятся в шкале измерений МВт. В этом случае используются значения максимальных электрических нагрузок для зимнего (декабря, нормального рабочего) и летнего (июня - июля, нормального рабочего) дня. Чтобы получить типовые графики, задействуют значения получаемых отчетных графиков предприятий, а также принимают значения, полученные в результате учета прогнозируемых изменений в технологии, производственном режиме и т.п. Еще од-
178
ним методом составления графика нагрузки является синтезированный метод. Принцип синтезированного метода состоит в том, что за основу берется суточный график нагрузки, осуществляется его суммирование с типовыми графиками нагрузки систем освещения объектов, коммунально-бытового хозяйства, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта.
В тех случаях, когда выбирается использование метода обобщенных характеристик, принимается допущение, которое предполагает следующее допущение, заключающееся в том, что максимумы нагрузки различных групп промышленности, транспорта, предприятий сельского хозяйства сходны по времени.
Сущность алгоритма определения зимнего и летнего максимума нагрузки автономной системы электроснабжения и построения суточных графиков нагрузки в случае использования метода обобщенных характеристик состоит в следующем: определяется электропотребление каждым отдельным потребителем и каждой из групп потребителей, и при этом учитываются известные объемы производства и (заданного) известного удельного электропотребления. После выполнения данной процедуры рассчитывается суммарное значение промышленно-транспортного, сельскохозяйственного электропотребления и перетока электроэнергии свойственное в целом всему участку сети.
Далее осуществляется определение часовых значений нагрузок и построение суточных графиков для зимних и летних суток в мВт [4] с учетом значений типовых суточных графиков в относительных единицах и полученных значений Ртах для зимних и летних суток,
Методы построения суточных графиков электрической нагрузки, которые были рассмотрены выше имеют свои преимущества и недостатки. Из всех приведенных методов - интегральный является наиболее трудоемким. Для его реализации требуется большой объем информации, тем не менее этот метод дает возможность осуществления анализа влияния конфигураций графиков электрической нагрузки отдельных групп потребителей на суммарный график нагрузки исследуемого участка сети. Следующий рассматриваемый метод, так называемый метод «обобщенных характеристик» можно считать менее трудоемким. Основной недостаток данного метода состоит в том, что он не позволяет проводить анализ влияния режимов отдельных групп потребителей. Синтезированный метод в большинстве исследований относят к среднему уровню сложности.
Режимы электропотребления участка сети, который обеспечивается электроэнергией от автономной энергетической системы, определяется такими основными факторами как численность проживающих на рассматриваемом участке жителей, а также характером электрических нагрузок. Характер электрических нагрузок в целом может быть разделен на три вида:
- бытовой вид нагрузки - нагрузка, которая потребляется населением (жилые дома, общежития);
- социальный вид нагрузки - нагрузка, расходуемая на нужды объектов социального назначения (магазины, школы, кинотеатры и т.д.);
- производственный вид нагрузки - нагрузка, возникающая в результате потребления электрической энергии предприятиями. В добавок ко всему, значительное влияние на характер режима электропотребления могут оказывать географические, климатические и технические характеристики конкретного населенного пункта: среднегодовая температура воздуха, количество зимних и летних дней в году, уровень развития социальной и коммунально-бытовой сферы и т.п.
Осуществить учет всех факторов, которые были перечислены выше, достаточно затруднительно. Для выполнения данной задачи необходимо использовать вероятностно-статистические методы определения электрических нагрузок [6], а также нормативные документы, действующие в настоящий момент на территории Российской Федерации.
Одним из самых сложных случаев расчета с требуемым уровнем точности потребляемой автономным источником энергоснабжения нагрузки, является случай, когда проектирование ведется без наличия каких-либо конкретных данных об энергопотреблении проектируемой автономной энергетической системы, например, в том случае, когда в населенном пункте не были проведены энергетические обследования. Чтобы решить инженерную задачу с такими начальными условиями необходимо воспользоваться типовые графики электрических нагрузок для различных групп потребителей (рис. 2, 3). [5].
При определении нагрузок потребителей участка сети, для питания которых используется автономный источник, вероятностно-статистические графики нагрузок необходимо представить в виде математических ожиданий активных и реактивных мощностей в различные часы суток, выраженных в процентах от математического ожидания максимальной активной нагрузки каждого годового периода. Коэффициенты вариации для всех часов суток каждого сезона могут быть найдены как отношение среднеквадратического отклонения к соответствующему математическому ожиданию:
о °п
Ср=Р;=(1)
где Ср, Сд - коэффициенты вариации активной и реактивной нагрузки, соответственно; Р , Q - математическое ожидание максимальной
нагрузки; Ор, о д - среднеквадратическое отклонение максимальной
нагрузки.
Рис. 2. Типичные суточные графики коммунально-бытовой нагрузки для условий России
Зимний производственный суточный график нагрузки
Летний производственный суточный график нагрузки
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2 О
Р*у/.
д*
1
0.8 0.6
0.4
р* / \
У и
У
—О*' /
1
15 20
25
30
Рис. 3. Графики производственных нагрузок для условий России
В случае возникновения необходимости пересчета типового графика на нагрузку, имеющую другое значение, необходимо с помощью коэффициентов подобия X применить следующее выражение:
Р-Ср • Р
X:
1
Р-Ср • Р
100
+Р • Р
м
100
Р
(2)
где Рм - максимальная нагрузка; Р - коэффициент надежности расчета (при вероятности 0,975 (Р=2).
Количественные значения пересчитываемого графика Рц при определении нагрузки любого /-го часа и месяца, а также значения их средне-квадратического отклонения оРц могут быть определены согласно выражениям:
р.. =-Рч
р • Рцк • х2 • к
2 • Р • Ср1к ■ X2 • к
Ср/
РJ
(3)
100 ' _Р/у 100 ' где кр - коэффициент сезонности; Рц^ - математическое ожидание активной нагрузки /-го часа к-то сезона (может быть вычислено по статистическим графикам).
Максимальное значение активной нагрузки за /-й час
Ру = Р/к + ру . (4)
На основе использования соответствующего типового графика, а также выражений (1) - (4) может быть осуществлен расчёт вероятностного суточного графика электрических нагрузок для каждой группы потребителей, таких как бытовая, социальная и производственная нагрузка. А если, в добавок к этому воспользоваться теоремой сложения математических ожиданий и дисперсий, то достаточно легко можно получить суммарный график электрических нагрузок для всего населенного пункта.
тыс. кВтч Бытовая нагрузка
• I •
• • » ,—'
• л г""----• 4=595,0
♦
• ' •• •
чел.
О 200 400 600 800 1000
Рис. 4. Фактическая зависимость годового потребления электроэнергии (бытовая нагрузка) от численности населения автономных систем электроснабжения
Если провести анализ рис. 4, то можно сделать вывод о том, что между показателями численности населения и величиной электропотребления на бытовые нужды существует корреляционная связь, которая имеет установленную зависимость. Данная зависимость с большой степенью достоверности может быть аппроксимирована линейным выражением, которое имеет вид:
Жбыт= 595,0 N кВт ч, (5)
где N - численность населения, чел.
Показатель величины расхода электроэнергии на социальные нужды во взаимной зависимости от количества и типа коммунальных и социальных объектов. Также на показатель данной величины влияет схема расположения энергетических объектов в рассматриваемом населенном пункте, и совершенно незначительно оказывает влияние величина численности населения.
Выполненный анализ методов определения электрических нагрузок позволяет сделать вывод о том, что нахождение параметров режимов электропотребления объектами социальной сферы в большинстве случаев целесообразно проводить с учетом использования математического ожидания максимальной активной нагрузки Рм. Значение этого показателя может быть определено в зависимости от типа проектируемого социального объекта.
Список литературы
1. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.: Колос, 2008. 196 с.
2. Будзко И.А., Лещинская Т.Б., Сукманов В.И. Электроснабжение сельского хозяйства. М.: Колос, 2000. 536 с.
3. Удалов С.Н. Возобновляемые источники энергии: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. 432 с.
4. Данченко A.M. и др. Кадастр возможностей / под ред. Б.В. Лукути-на. Томск: Изд-во НТП, 2002. 280 с.
5. Дизель-аккумуляторная система автономного электроснабжения: материалы сайта компании «Ваш Солнечный Дом» [Электронный ресурс]. URL: http://www.solarhome.ru (дата обращения: 10.09.2019).
6. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Степанов В.П. Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1990. 126 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, erschov. serrg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Шефер Сергей Юрьевич, магистр, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODELING OF ELECTRIC LOADS IN A UTONOMOUS PO WER SUPPLY SYSTEMS
S. V. Ershov, S. Y. Shefer
The article deals with the analysis of methods for determining the loads of consumers arising from the use of Autonomous power supply systems. Research and analysis of probabilistic loads of consumers allows to avoid significant costs in the design of Autonomous power supply systems andfurther losses of electricity during their operation.
Key words: Qutonomous power supply, wind-diesel installation, load of consumers.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, erschov. serrg@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shefer Sergey Yurievvich, magister, Kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
