МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАГРУЗОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Нестеренко И.С.
Донецкий национальный технический университет, кафедра ЭПГ
e-mail:
www.Irene@Ukrtop.comAbstract: Nesterenko I. S. The methods calculation of loads for industrial networks
The application of a method of least squares for calculation of a parameter of exponential correlation function of the group random power load is suggested. The results of a statistical finding of a problem about inertial smoothing of quadrate of a casual electrical load are analysed. The engineering methods of determination of electrical loads are substantiated. The results of testing of existing and offered engineering methods of calculation of loads of industrial electrical networks are demonstrated.
Высокие темпы развития энергетики требуют максимальной эффективности капиталовложений и материальных затрат в данной отрасли промышленности. Как известно, на долю промышленных предприятий приходится около двух третей потребления электроэнергии. В связи с этим особенно большое значение имеет задача определения электрических нагрузок промышленных предприятий: для отдельных групп электроприемников, цехов и всего предприятия в целом.
Электрическая сеть, запроектированная на основе преуменьшенных расчетных нагрузок, не сможет обеспечить пропускную способность элементов сети по условию нагрева, вследствие этого нарушается нормальное функционирование предприятия. Завышение же расчетной нагрузки приводит к излишним капиталовложениям в строительство сетей электроснабжения и нарушению электромагнитной совместимости. Поэтому точное определение расчетных нагрузок есть первый и основополагающий этап проектирования любой электрической сети в промышленности.
С 1968 года расчеты электрических нагрузок проводились в соответствии с “Указаниями по определению электрических нагрузок в промышленных установках”
[1], которые основаны не методе упорядоченных диаграмм (УД), предложенные профессором Г. М. Каяловым [2]. В методе УД приняты следующие допущения: вместо графика нагрузки используется его УД, периодически повторяющаяся с длительностью цикла 420-480 минут, которую считают прямолинейной. Принятые допущения значительно упрощают процесс расчета электрических нагрузок. Однако, как показали исследования, показатели электропотребления действующих предприятий свидетельствует о том, что расчетная максимальная нагрузка цехов, определенная в соответствии с методом УД, в несколько раз превышает действительную. Также из-за принятых допущений метод УД дает неконтролируемую погрешность в определении расчетной электрической нагрузки по нагреву. В связи с указанным положением в 90-х годах возникла необходимость разработки более точного метода расчета нагрузок.С 1 января 1993 года действуют новые Указания по расчету электрических нагрузок
[3]. В их основу положен модифицированный статистический метод (МСМ) [4], который позволил избежать значительного завышения расчетной нагрузки за счет коррекции среднего значения групповой нагрузки. МСМ является продолжением статистического метода (СМ) и унаследовал все недостатки, которые присущи последнему. Во-первых, в МСМ используют кумулятивный подход – осреднение группового графика нагрузки на 30 минутном интервале (соответствует значению постоянной времени нагрева Т=10 мин), что неадекватно процессу изменения температуры нагрева проводника, так как не учитывается фактическое значение постоянной времени нагрева Т. Во-вторых, допущение о существовании статистической связи между средним значением нагрузки и стандартом кумулятивного графика нагрузки ошибочно, так как эти величины представляют собой независимые параметры нормального распределения кумулятивного графика. А экспериментальное обоснование такой связи делает МСМ сугубо эмпирическим. В-третьих, основные выражения МСМ (13) и (14) [4], позволяющие определить расчетную нагрузку, имеют существенные неточности. Так, при эффективном числе электроприемников nэ = 1 значение коэффициента Кр расчетной нагрузки стремится к бесконечности, то. По этой причине кривые для определения Кр имеют необъяснимые перегибы в области единичного значения абсциссы графика рис.1 [3], хотя с ростом nэ значение Кр должно уменьшаться. В-четвертых, действующие Указания [3] сориентированы на использование указанного в справочной литературе значения коэффициента использования kи,, а на практике чаще всего используют среднее значение kи. В связи с указанными недостатками действующих Указаний, требуется разработка более точного метода расчета нагрузок.Как известно, множество задач энергетики являются нелинейными и зачастую не имеют аналитического решения. Задача определения расчетной нагрузки по нагреву проводника, питающего группу электроприемников, одна их них. В связи с этим возникла необходимость в применении методов статистического моделирования. При их использовании необходимо имитировать график активной электрической нагрузки с номинальной мощностью Рн, средней длительностью цикла tц, коэффициентом использования kи и загрузки kи следующего вида: двухступенчатый с импульсом р=kи рн длительностью tв и нулевой паузой р=0 продолжительностью t0=tц – tв. Данный график соответствует ЭП, при работе которого прослеживается определенная периодичность.
Кафедрой ЭПГ ДонНТУ университета предложен имитационный метод расчета электрических нагрузок, который требует имитации случайных процессов с заданными характеристиками. При известных индивидуальных графиках нагрузки реализация процесса происходит с помощью ЭВМ путем разыгрывания случайных сдвигов, что требует много времени, а в некоторых случаях и коррекцию результатов имитации и не дает возможности полного изучения переходных случайных процессов.
Согласно общему определению случайного процесса лучше всего имитировать его как совокупность ансамбля реализаций. Например, оценка нагрева проводника с постоянной времени нагрева Т при протекании по нему тока i(t). Данная задача имеет аналитическое решение только в частном случае: для kв, в остальном это задача нелинейная и в полной мере отражает эффективность имитаций по ансамблю реализаций.
Точность воспроизведения характеристик случайного процесса зависит от количества N его реализаций, для определения которого необходимо использовать подход аналогичный обработке экспериментальных данных при определении доверительного интервала оценки характеристик случайных процессов. В связи с этим необходимо решение обратной задачи: определить количество реализаций N по заданной погрешности воспроизведения соответствующей характеристики. Решение подобной задачи подробно рассмотрено в [5].
При воспроизведении группового графика нагрузки массовых ЭП необходима имитация нормального случайного процесса с экспоненциальной корреляционной функцией (КФ), с этой целью рекомендуется использовать метод элементных процессов. Во-первых: он отражает физическую картину формирования группового графика электрических нагрузок, так как в этом методе при получении реализаций суммируются элементные процессы. Во-вторых, предложенный метод элементных процессов позволяет имитировать не дифференцируемые процессы, к ним относится КФ группового графика электрической нагрузки.
Однако, одним из недостатков метода “элементных процессов” является суммирование процессов с одинаковыми величинами импульсов и коэффициентов включения, чего на практике добиться довольно сложно, так как ЭП имеют различные режимы работы. Поэтому применение метода “элементных процессов” при законе распределения нагрузки отдельных ЭП, отличающегося от нормального, будет приводить к неточностям при воспроизведении функции распределения группового графика.
Указанный недостаток устраняется в “модифицированном методе элементных процессов” (ММЭП) путем того, что каждый элементный процесс будет имитировать индивидуальный график нагрузки с фактическим значением величины импульса и коэффициента включения. При таком подходе длительность циклов отдельных ЭП отличаются от действительности, но коэффициенты включения сохраняются.
Вышеуказанные методы с необходимой степенью точности воспроизводят КФ группового графика, но при использовании МЕП все ступеньки графика будут одинаковы, а при ММЭП – различные, что создаёт трудности, если мощность или режим работы ЭП группы резко отличается от мощности и режима работы остальных ЭП. Указанные методы имитации могут давать реализации, характеристики которых отличаются от заданных. В таких случаях подобные реализации исключаются из рассмотрения и повторяют имитацию. Подобный подход занимает много времени. В связи с этим был предложен “эстафетный метод”, который можно использовать как корректирующий или же как самостоятельный метод для моделирования реализаций случайных процессов с заданным законом распределения ординат и КФ любого вида.
Эстафетный метод может быть применен к исходной реализации с любой КФ, при условии что реализация имеет заданной вероятностное распределение. Существуют два крайних случая: исходная реализация принимается в виде УД с детерминированными связями между ординатами или выполняют имитацию случайной последовательности некоррелированных (не связанных между собой) чисел. В обоих указанных случаях эстафетный метод обеспечивает требуемое качество моделирования, однако при УД получается большое количество перестановок, поэтому этот подход на практике использовать не рекомендуется. Опыт имитаций показал, что повысить эффективность эстафетного метода можно путем перехода к алгоритму со случайным выбором переставляемых ординат, сохранив прежнее условие перестановки.
Требования к точности имитаций определяется условиями конкретных задач с учетом, что характеристики входного процесса имитируются с некоторой погрешностью, а последующее преобразование этого процесса может уменьшать, сохранять или увеличивать погрешность воспроизведения характеристик выходного процесса. Для статических систем, осуществляющих функциональное преобразование входного процесса, погрешность на выходе оценивается погрешностью на входе. Для динамических систем погрешность на выходе уменьшается при интегрировании входного процесса. К такому случаю можно отнести определение расчетной нагрузки, где инерционное сглаживание уменьшает погрешность. Также имитационный метод при необходимости может обеспечить построение группового графика электрической нагрузки; графика температуры перегрева проводника; определение закона распределения
греющей дозы; расчет характеристик группового графика и греющей дозы. Проведенная проверка имитационного метода позволяет считать его достаточно точным и использовать его в проектной практике, когда невозможно определить аналитическим путем расчетную нагрузку.Однако имитационный метод достаточно трудоемкий и имеет сложный алгоритм расчета нагрузок. В связи с этим не исключается развитие инженерных методов расчета нагрузок с упрощенным алгоритмом. При этом принципиальное различие вновь разрабатываемых инженерных методов расчета нагрузок от уже существующих состоит в том, что применение в них приближенных соотношений, обоснованных с точке зрения имитационного метода, не искажают принятые в теории нагрузок модели групповой электрической нагрузки и нагрева проводника. Остальные непринципиальные допущения приняты и далее: напряжение сети принимается неизменным и равным номинальному, индивидуальный график электрической нагрузки двухступенчатый, установка с несколькими ЭП заменяется одним ЭП с номинальной мощностью, равной наибольшей сумме номинальных мощностей всех одновременно работающих ЭП., все ЭП независимы.
В практике предложено к использованию три инженерных метода определения расчетной нагрузки: уточненный инерционный метод (ИМ), метод греющих доз и уточненный метод греющих доз (ГДУ). Эти методы появились на разных этапах работы над созданием инженерного метода и отличаются погрешностью и объёмом вычислений. Общим недостатком вышеуказанных инженерных методов расчета является то, что их алгоритмы определения расчетных нагрузок в значительной мере отличаются от используемых ранее методов УД и действующих Указаний (МСМ), что в значительной мере затрудняет внедрение их проектную практику. Поэтому в дальнейшем была поставлена цель адаптировать разработанные инженерные методы к существующей практике. Пример адаптации метода греющих доз изложен в
[6], где получены зависимости для коэффициента расчетных нагрузок (9). Причем выражения (9) в [6] позволяют рассчитать зависимости коэффициента расчетной нагрузки от эффективного числа ЭП при разных значениях группового коэффициента использования в соответствии с методом греющих доз для различных значений постоянной времени нагрева проводника и параметра КФ групповой нагрузки. С достаточной степенью точности можно ограничиться четырьмя группами кривых рис. 1 и 2 в [6]:Полученные зависимости дали возможность разработки проекта новых указаний по расчету электрических нагрузок, где для определения расчетных коэффициентов представлены графический материал, таблицы и формулы. После апробации новая методика по расчету электрических нагрузок может быть предложена для внедрения в проектные институты Украины и СНГ для дальнейшего использования.
Предложенная методика расчета нагрузок обеспечивает повышение точности при сохранении прежнего алгоритма расчета, т.к. в нем изменяются лишь значения расчетных коэффициентов; а также метод дает возможность использовать как аналитические выражения для определения коэффициента расчетной нагрузки, так и соответствующие кривые, что облегчает выполнение расчетов на ЭВМ.
Список литературы
1. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках// Инструктивные материалы по проектированию электротехнических промышленных установок. – М.: Энергия, 1968г., №6. – с.3-17.
2. С.Д. Волобринский, Г.М. Каялов, П.Н. Клейн, Б.С. Мешель. Электрические нагрузки промышленных предприятий. Л.: Энергия, 1971г. – с.68.
3. Инструктивные и информативные материалы по проектированию электроустановок // гл. ред. Барыбин Ю.Г., М,: ВНКПИ “Тяжпромэлектропроект”, - №7 – 1992г.
4. Б.Д. Жохов. Анализ причин завышения расчетных нагрузок и возможной их коррекции. К.: промышленная энергетика - №7 – 1989г – с.17-21.
5. Н.Н. Погребняк . Решение задач электроснабжения путем имитации ансамбля реализаций случайных процессов.// Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 2 – Донецк: ДонГТУ, 1998г – с.67-73.
6. Погребняк Н.Н. Совершенствование методов определения расчетных нагрузок по нагреву//Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 5-Донецк: ДонГТУ. - 2000. - С.146-149.