Тема 1.5. Графіки електричних навантажень

Лекція 6

Кожна мережа електропостачання проектується та будується по проекту і повинна забезпечувати споживачів енергією високої якості. Основними вихідними даними для розрахунків є відомості про навантаження споживачів та райони розташування станцій і підстанцій. Споживання електроенергії є досить змінною величиною і залежить від призначення та використання ЕП, режимів їхньої роботи, часу й інших факторів. Не залишається незмінним та змінюється режим у різні години доби, місяців року. Від режимів споживання електроенергії залежать режими роботи енергетичних установок електросистеми. Ці режими як и процес електроспоживання характеризуються графіками навантаження, які показують у часі зміну потужності чи струму на протязі доби, місяця, пори року (зима, літо, осінь чи весна) або на протязі цілого року. Споживання електроенергії групують по галузям: окремим видам промисловості, транспорту, сільськогосподарському виробництву, тощо.

Графіком електричного навантаження називається графічне зображення залежності електроспоживання від часу, на якому по осі абсцис відкладають час, а по осі ординат – навантаження (потужності, струми) в їх одиницях виміру або у відсотках щодо максимуму навантаження.

Використовують добові, сезонні, річні графіки активного й реактивного навантажень і річні графіки навантажень по тривалості (упорядковані річні графіки).

К о н ф і г у р а ц і я графіка навантаження промислових споживачів визначається особливостями технологічного процесу даного виробництва. Графік комунально-побутового навантаження характеризується різкою нерівномірністю, обумовленою освітленням.

Максимальне навантаження Р_max групи споживачів визначають по їх сумарній установленій (номіналmній) потужності Р_у та середньому значенню їх к.к.д. η_сер по формулі

Р_max=(( к_о к_з)/(η_сер))Р_у або Р_max= к_оР_у,

де к_с = к_о к_з/

На мал. 2.3 зображений графік активної потужності навантажень п’яти поверхового житлового будинку у зимовій час. Графік побудований на основі вимірів та багаторічного опиту експлуатації окремих груп споживачів. Для зручності використання графіки будують ступінчатими.

На мал. 2.4 показані типові добові графіки активних навантажень комунально-побутових споживачів. Як видно з малюнків, освітлювальне навантаження істотно залежить від пори року й має найбільше значення у вечірні зимові години (суцільні лінії). Улітку (штрихові лінії) добовий максимум навантаження знижується за значенням і тривалістю та наступає в більш пізніший час. Навантаження від електропобутових приладів й побутових двигунів також характеризуються різко вираженим максимумом у вечірній час, а ранковий максимум навантаження обумовлений збільшенням електроспоживання на побутові потреби.

На мал. 2.5 зображені типові графіки активних навантажень промислових підприємств. Зниження навантаження серед зміни обумовлено зменшенням споживання електроенергії під час обідніх перерв. У літню пору електричне навантаження нижче, ніж у зимову, що пояснюється ремонтом частини устаткування й відключенням специфічних навантажень зимового періоду роботи підприємств (опалення, вентиляція й ін.).

Типові добові графіки електричних навантажень будують для підприємств різних галузей промисловості (важкого машинобудування, чорної, кольорової металургії, вуглевидобувної, харчової) і міських електроспоживачів (поліклінік, шкіл, магазинів, житлових будинків).

По типових графіках окремих споживачів будують сумарний графік групи споживачів, що живляться від даної ЛЕП, та сумарний графік навантажень ПС. Якщо графіки навантажень окремих споживачів носять однаковий характер, то споживачі називаються однорідними і їх сумарний графік по конфігурації є аналогічним графікам даної групи споживачів.

Споживачі, у яких графіки навантажень по характеру не співпадають, називаються різнорідними, а їхній сумарний графік залежить від переваги того або іншого виду навантаження.

При побудові сумарного графіка навантаження ПС, від якої відходить ряд ЛЕП, уважають, що має місце лінійна неоднорідність. Якщо кожна ЛЕП живить різнорідні споживачі (наприклад, комунально-побутові, одно- , дво- чи тризмінні підприємства). Міжлінійна неоднорідність виникає у тому випадку, якщо різнорідні споживачі, що живляться від даної ПС, згруповані так, що до кожної окремої ЛЕП підключені однорідні споживачі (наприклад, до однієї ЛЕП - однозмінні підприємства, до іншої - двозмінні, до третьої - комунально-побутові й т.д. ).

Площа добового графіка у визначеному масштабі дає електроенергію у кіловат-годинах А_доб, яку споживає електроприймачі за добу. Середнє значення навантаження за добу

P_max.доб = А_доб/24.

1.

А_доб= Найбільше навантаження по добовому графіку протяжністю не менше півгодини називають максимальним добовим навантаженням – P_max.доб. де Р_пр –

Площа добового графіка у визначеному масштабі дає електроенергію у кіловат-годинах А_доб, яку споживає електроприймачі за добу. Середнє значення навантаження за добу

P_max.доб = А_доб/24.

Найбільше навантаження по добовому графіку протяжністю не менше півгодини називають максимальним добовим навантаженням – P_max.доб.

Площа добового графіка у визначеному масштабі дає електроенергію у кіловат-годинах А_доб, яку споживає електроприймачі за добу. Середнє значення навантаження за добу

P_max.доб = А_доб/24.

По добових графіках навантажень для різних сезонів року будують річні графіки. Найбільш широке поширення одержали річні упорядковані графіки навантаження, у яких змінна величина (потужність, струм) відкладається в порядку її убування. По осі ординат відкладають значення навантаження, а по осі абсцис - тривалість цих навантажень протягом року. Такі графіки також називають графіками навантажень по тривалості. Вони показують тривалість роботи споживача протягом року з різними навантаженнями :

Рис. 1. Річний графік навантаження по тривалості Рис. 2. Ступінчатий графік навантаження по тривалості

Повна потужність S, що передається по лінії, звичайно є функцію від часу t. Цю функцію звичайно зображують теж у вигляді графіка навантаження. На рис. 1наведений річний графік навантаження по тривалості елемента мережі. Він показує тривалість роботи мережі з даним навантаженням (крива 1). При незмінному коефіцієнті потужності навантаження площа, обмежена цією кривою, показує в деякому масштабі кількість енергії, що передана по мережі протягом року і визначається формулою:

де cos φ_ср — середній коефіцієнт потужності, прийнятий приблизно постійним протягом року.

Якщо криву 1 графіка мал. 1 перебудувати у квадратичну криву 2, що виражає функцію S² = f(t), то втрати енергії легко визначаються в деякому масштабі по площі, що обмежена цією кривою:

Із цього випливає, що для визначення втрат електроенергії досить виміряти (спланометрувати) площу, обмежену кривою 2. Практично це можна зробити наближено, замінивши графік навантаження по тривалості ступінчастим графіком з досить малими відрізками часу t_1, t_2, t_3... і відповідними значеннями навантажень S₁, S₂, S₃,... (мал. 2); тоді втрати визначаться підсумовуванням величин:

(4-3)

В цей вираз можна ввести величину

де 8760 число годин у році.

Тоді

(4-4)

Величина S_ср.кв. зветься середньоквадратичним значенням потужності, а метод визначення втрат потужності по формулі (4-4) іменується методом визначення втрат по середньоквадратичній потужності.

Описаний метод наближеного визначення втрат має ряд незручностей і застосовується тільки при наявності графіка навантаження. Тому більш розповсюджений так званий метод визначення втрат за часом максимальних втрат, який значно спрощує розрахунки.

Для річного графіка навантаження по тривалості (крива 1 мал.1) можна знайти такий час Т протягом якого по лінії, що працює з максимальним навантаженням S_макс, передавалась би така ж кількість енергії, яка передається по ній у дійсності протягом року при змінному навантаженні S=f(t).

При незмінному коефіцієнті потужності, ця умова може бути записана в такий спосіб:

Звідси

Величину Т називають часом використання максимального навантаження. Знаючи річну кількість енергії, що передана по лінії, і максимальне активне навантаження Р_макс, з формули (4-5) можна визначити час використання максимального навантаження:

(4-7)

Для кожного споживача характерна своя величина часу використання максимального навантаження. При розрахунках цю величину приймають на основі статистичних і довідкових даних. Так, Т становить: для споживачів з освітлювальним навантаженням — від 1500 до 2000 м, для однозмінних підприємств — від 1800 до 2500 год, для двозмінних — від 3000 до 4500 год, для тризмінних від 5000 до 7500 год.

Величину часу використання максимального навантаження треба знати, щоб визначати втрати електроенергії. Для цієї мети користуються величиною τ — часом максимальних втрат, тобто часом, протягом якого лінія, працюючи з незмінним максимальним навантаженням, має втрати електроенергії, рівні дійсним річним втратам електроенергії при роботі з річного графіка навантаження. Заміняючи площу, обмежену кривою 2 на мал. 4-1, рівновеликою площею прямокутника зі сторонами τ і S²_макс, одержуємо:

(4-8)

Звідси час максимальних втрат

(4-9)

Практично величину τ одержують із величини Т, тому що між ними існує певна залежність.

Як видно з формул (4-6) і (4-9), τ і Т залежать від характеру зміни графіка навантаження, тобто від функції S= f (t), що перебуває в цих формулах під знаком інтеграла. Для знаходження залежності t від Т можна проінтегрувати ряд графіків навантаження, що мають різні величини Т для різних споживачів, і те ж зробити із квадратичними кривими S²=f(t) цих же графіків, а потім, користуючись формулами (4-6) і (4-9), встановити залежності τ від Т для різних значень соs φ. Результати таких розрахунків представлені на мал. 4-3 у вигляді сімейства кривих. Цими кривими можна користуватися для визначення втрат енергії методом часу максимальних втрат.

Хід розрахунків наступний. Знаючи активний опір розглядуваної лінії R, Ом, максимальне навантаження S_макс = з коефіцієнтом потужності соs φ_{ср =} P_макс/S і час використання максимального навантаження для даної категорії споживачів Т по кривій мал.4-3 для заданого соs φ_ср і відомого Т знаходимо час максимальних втрат τ.

Знаючи номінальну напругу лінії U, кВ, знайдемо втрати електроенергії, ΔW, кВт/год, скориставшись формулою (4-8):

або

(4-10)

Мал.4-3. Крива τ=f(Т)

У випадку, якщо по розглянутій ділянці лінії передається потужність до різних споживачів, рівна P_1макс, P_2макс, P_3макс і т.д., з часом використання максимального навантаження відповідно Т₁, Т_2, Т₃ і т.д., те при визначенні втрат слід приймати середню величину часу використання максимальної потужності, що визначається за формулою (4-7) з урахуванням сумарної величини переданої енергії:

(4-11)

де k₀ — коефіцієнт одночасності навантаження.

Приклад 4-1. Визначити максимальні втрати активної потужності й річні втрати електроенергії в лінії електропередачі напругою 35 кВ довжиною 20 км, із проводами АС-70. Лінія електропередачі живить двозмінне промислове підприємство, що має максимальне навантаження Р = 4,0 МВт і середній коефіцієнт потужності соs φ = 0,9. Графік навантаження по тривалості зображений на мал. 4-4. Задачу розв'язати як методом середньоквадратичної потужності, так і методом часу максимальних втрат.

Визначаємо активний опір лінії передачі напругою 35 кВ. По додатку 1 (табл. П.1-1) для проведення АС-70 знаходимо r₀ = 0,42 Ом/км. За формулою (3-1) визначаємо активний опір усієї лінії:

Втрати потужності в лінії передачі за формулою (4-1) при

становлять

Визначаємо втрати електричної енергії в лінії методом середньої квадратичної потужності. Для цього графік навантаження представляємо у вигляді ступінчастого графіка (див. мал. 4-4) з ординатами: S₁ = 4,45; S₂ = 3,5; S₃ = 3,0; S₄= 2,5; S₅ = 1,5; S₆ = 0,5 МВ∙А; їм відповідають відрізки часу t₁= t₂= t₃ = t₄=1000 год; t₅ = 2000 год і t₆ = 2760 год. По формулі (4-3) знаходимо річні втрати енергії в лінії:

Знаходимо втрати електричної енергії в лінії методом часу максимальних втрат. Для цього треба задатися часом використання максимального навантаження для даної категорії споживачів.

Мал.4-4. Графік до прикладу 4-1

Але в нашому випадку, оскільки графік навантаження відомий, слід визначити час втрат виходячи із графіка:

При соs φ = 0,9 по кривій мал. 4-3 знаходимо шляхом інтерполяції, що цьому
часу використання максимуму відповідає час максимальних втрат
τ = 2600 год. По формулі (4-8) знаходимо втрати електроенергії в лінії:

Графіки навантажень використовуються для визначення різних показників і коефіцієнтів, що характеризують електроспоживання й застосовуваних при проектуванні ЕСМ. По типовим графікам та статистичним даним складають сумарні графіки електричного забезпечення окремих районів і енергосистеми у цілому. Графіки навантажень є вихідним матеріалом для розрахунків електромереж. Значення та структура споживання енергії та електричні навантаження мають імовірний характер, тому розрахункові (прогнозні) графіки відрізняються від фактичних.

2.3.4. Участь електростанцій

у покритті графіків навантаження

Загальна потужність працюючих агрегатів електростанцій, необхідна для покриття графіка навантаження, тобто для забезпечення електроенергією всіх ЭП, визначається сумарним добовим максимумом електричного навантаження, що наступає в зимовий час у другій половині дня. Якщо електростанція працює ізольовано, то сумарний графік електричного навантаження даного району збігається з електричним навантаженням станції. Однак звичайно електростанції працюють у системі, і сумарний графік електричного навантаження характеризує роботу системи в цілому (або району), а навантаження кожної станції залежить від розподілу загального навантаження системи між окремими станціями.

Крім добових графіків зимових і літнього робочих днів, для енергосистеми становлять річні графіки місячних максимумів.

На мал. 2.6 показаний добовий графік навантаження ЄЕС Європейської частини СРСР, для якого коефіцієнт використання зимового максимуму (суцільна лінія) становить 0,88, а літнього (штрихова лінія) - 0,92. На мал. 2.7 зображені річні графіки місячних максимумів ОЭС Центра для трьох наступних підряд років. Із цих графіків видно, що при збільшенні навантажень, обумовленому уведенням протягом року нових підприємств, місячні максимуми перевищують значення максимуму на початку року тільки в останні місяці, коли зростає освітлювально-побутове навантаження. При цьому характер річних графіків рік у рік практично не міняється, що дозволяє прогнозувати графіка на майбутній період.

Добовий графік навантаження енергосистеми умовно ділять на три

зони (мал. 2.6)1 базисну (І), напівпікову (ІІ) і пікову (ІІІ). Положення першої визначається мінімальним навантаженням, друга розташовується між лініями мінімального й середньодобового навантаження, третя перебуває вище лінії середньодобового навантаження.

У покритті графіка навантаження системи, беруть участь електростанції різної економічності. Розподіл сумарного навантаження по окремих станціях і агрегатам повинне вестися відповідно до загального графіка навантаження так, щоб забезпечити найбільш економічну роботу системи в цілому. Цього можна досягти, якщо більше економічні електростанції будуть завантажуватися на більше число годин використання в році, а менш економічні - на менше число годин використання.

Електростанції, що беруть участь у покритті базисної частини графіка, працюють безупинно й називаються базисними на відміну від пікових який включаються лише в годинники, коли потрібно покривати верхню частину графіка. Інші - напівпікові електростанції при зменшенні загального електричного навантаження або переводяться на знижене генерування потужності, або виводяться в резерв. Частина їхнього агрегатів може зупинятися на вихідні й святкові дні. На мал. 2.8 показаний річний графік по тривалості, на якому відзначені потужності, що покриваються базисними (І), напівпіковими (ІІ) і піковими (ІІІ) електростанціями.

Базисна частина графіка навантаження системи покривається ГРЭС, АЕС, потужними ГЕС, а також змушеною електричною потужністю ТЭЦ, обумовленої графіком теплового навантаження й змушеної за умовами водотоку потужністю ГЕС (дрібні ГЕС у період паводка). Пікова частина графіка покривається маневреними електростанціями, пристосованими для частих пуску й зупинки,- ГЕС із добовим регулюванням, ГТУ, ГАЭС.

Навантаження напівпікової частини графіка розподіляється між ТЕС відповідно до їх економічності й маневрених властивостей.

У якості напівпікових можуть бути використані й ГАЭС, котрі, сприяючи вирівнюванню графіка навантаження, особливо ефективні в енергосистемах Європейської частини СРСР - в умовах росту сумарної потужності й питомої ваги не володіють маневреністю АЕС.

При складанні добового графіка покриття навантаження насамперед уписують ГЕС і ГАЭС із обліком максимально можливого використання їхньої розташовуваної потужності, а також споживання енергії ГАЭС при роботі її в насосному режимі. Розподіл навантажень між ТЕС виробляється відповідно до мінімуму сумарних наведених витрат (див. п. 10.3) на паливо. При цьому режим роботи ТЭЦ визначається з умови повного завантаження по теплоті й з роботою в денні годинники з повною розташовуваною потужністю (за винятком резерву). АЕС розміщаються в базисній частині графіка без розвантаження в нічні годинники.

На мал. 2.9 для приклада показаний добовий графік навантаження ОЭС, у базисній зоні якого розміщені ГЕС, АЕС, ТЭЦ і КЭС із блоками 300 і 200 МВТ (КЭС1, КЭС2); напівпікова зона покривається КЭС про блоками 100 МВТ і нижче на куті й КЭС із блоками на мазуті (КЭСЗ, КЭС4); пікова -ГЕС і ГТУ.

Однієї з основних характеристик електростанції є її установлена потужність, що визначається сумою номінальних потужностей її всіх турбогенераторів.

Число годин використання встановленої потужності залежить від того, у якому режимі працює станція, тобто чи є вона базисної або забезпечує інші навантаження. Для електростанцій, що працюють із базисним навантаженням, число годин використання встановленої потужності звичайно становить 6000-7000 у рік, а для пікових установок може бути 2000-3000.

Графіки навантажень використовуються при плануванні електричних навантажень станцій і систем, розподілі навантажень між окремими станціями й агрегатами, визначенні необхідного резерву, при розробці планів ремонту встаткування, а також при рішенні ряду інших завдань.