Источник: http://www.kudrinbi.ru/public/822/index.htm
Проблемы правильной оценки электропотребления и максимальной электрической нагрузки предприятий, организаций, учреждений, жилых домов всегда являлись важнейшими для их проектирования и эксплуатации. Так, при проектировании необходимо правильно оценить максимальные расчетные нагрузки как в целом по объекту (для присоединения к энергосистеме), так и на разных уровнях системы внутреннего электроснабжения (трансформаторные подстанции, распределительные устройства, отдельные кабельные линии). По этим нагрузкам выбирают всё электрооборудование, поэтому они не должны быть превышены в процессе эксплуатации. В то же время неоправданное завышение расчетных нагрузок приводит к увеличению стоимости электрооборудования. Следовательно, нагрузка должна быть рассчитана как можно более точно.
Следует отметить, однако, что на стадии проектирования эти расчетные нагрузки не могут быть получены по характеристикам технологического оборудования (электроприемников). На это есть ряд причин:
а) предварительная оценка нагрузки для решения вопросов присоединения к энергосистеме должна быть определена еще на предпроектной стадии, в условиях минимума исходной информации, без трудоемких расчетов;
б) полный перечень электроприемников и их характеристики могут быть неизвестны или меняться в процессе проектирования;
в) даже если перечень всех приемников известен, то множество единиц оборудования (их число трудно определить даже на объекте средней величины) и разнообразие режимов их работы не позволяют точно определить создаваемую ими нагрузку в различные моменты времени.
Для оценки этой нагрузки, с учетом перечисленных выше причин, всегда использовали некоторые обобщенные показатели, коэффициенты, удельные нагрузки и удельные расходы электроэнергии, полученные на аналогичных реальных предприятиях и в организациях, в процессе их эксплуатации. Так, в «Справочнике по электроснабжению и электрооборудованию» под общей редакцией А.А.Федорова (в 2 т.; М.: Энергоатомиздат, 1987) приведены расчетные удельные нагрузки общественных зданий. Для лечебных учреждений даны следующие показатели удельной нагрузки в кВт на 1 койко-место:
Больницы хирургического профиля с пищеблоком 0,7
Хирургические корпуса больниц 2,5
Терапевтические корпуса больниц 0,45
Терапевтические корпуса детских больниц 0,3
Для поликлиник дан норматив 0,15 кВт на 1 посещение в смену. Дома отдыха, пансионаты, профилактории (без столовых) рассчитывали на удельную нагрузку 0,35 кВт на 1 место. Аналогичные удельные показатели были определены для предприятий общественного питания (кВт/место), магазинов различного профиля и аптек (кВт/м2 торгового зала), школ и ПТУ (кВт/учащегося), учебных и лабораторных корпусов высших и средних специальных учебных заведений (кВт/м2 полезной площади) и т.д.
Приведенный пример данных по больницам вызывает ряд вопросов: почему многопрофильные больницы имеют значительно больший норматив, чем хирургического профиля? почему терапевтические корпуса детских больниц имеют нагрузку в 1,5 раза меньше, чем взрослых? Но, даже принимая эти данные, нельзя не учитывать, что они получены в начале 1980-х годов, более 20 лет назад, и с учетом роста энерговооруженности больниц и других общественных зданий, должны быть пересмотрены. А более новые, достоверные нормативы могут быть разработаны только на основе реальных данных по действующим учреждениям, полученным в процессе эксплуатации.
Отметим также, что расчетная нагрузка (максимальная мощность Рм) может быть определена по общему электропотреблению (например, годовому А) объекта: Рм = А / Тм ; или по удельным нормативам расхода электроэнергии Ауд на единицу продукции или на другой показатель работы учреждения (на койко-место, на учащегося или т.п.): Рм = Ауд М / Тм , где Тм – годовое число часов использования максимума нагрузки; М – годовой объем выпуска продукции или соответствующий показатель работы учреждения*. Число часов использования максимума нагрузки зависит от режима работы учреждения и его характерного графика нагрузки. Таким образом, получаемые в процессе эксплуатации данные об общих и удельных расходах электроэнергии также может быть использованы в проектировании электроснабжения.
Если задачи проектирования возникают периодически, при строительстве новых или расширении существующих объектов, то задачи эксплуатации решаются ежедневно на тысячах объектов. И одной из таких задач является определение максимальных электрических нагрузок, общих и удельных расходов электроэнергии на разных уровнях систем электроснабжения, на различных временных интервалах.
Рассмотрим подробнее каждое из этих направлений. При заключении договора с энергоснабжающей организацией любой потребитель (юридическое лицо – предприятие, организация) обязан согласовать с ней объемы своего электропотребления и максимальную мощность. Потребитель заявляет необходимые ему объемы и мощность по месяцам на год вперед, а энергоснабжающая организация, исходя из своих возможностей и балансов, согласовывает эти величины или снижает их. Таким образом, подписывая договор энергоснабжения, обе стороны берут на себя обязательства: энергоснабжающая организация – подавать электроэнергию в предусмотренном договором количестве и с соблюдением режима подачи; потребитель – соблюдать режим потребления и оплачивать электроэнергию.
За несоблюдение режима потребления, превышение или занижение договорных объемов электропотребления или заявленной мощности к потребителю могут быть применены штрафные санкции. Поэтому правильное определение этих величин чрезвычайно важно для потребителя. В настоящее время эта проблема становится еще более актуальной. Переход на новые отношения в электроэнергетике, возможность для потребителя заключения прямых договоров с независимыми генерирующими компаниями и энергосбытовыми организациями, выхода на оптовые и розничные рынки электроэнергии, заключения отдельных договоров с электросетевыми компаниями только ужесточают требования к точности расчета показателей электропотребления. Временные интервалы тоже уменьшаются и речь может идти уже о недельных, суточных и почасовых заявках потребления электроэнергии.
Еще раз подчеркнем, что все вопросы прогнозирования и заявки объемов электропотребления (мощности нагрузки) возложены на потребителя. Энергосистема или генерирующие компании лишь учитывают эти объемы в своих балансах, используя и другие методы прогноза режимов своей работы, пригодные для энергосистемы в целом. Если потребитель неправильно оценил свои параметры электропотребления, то он понесет убытки из-за штрафных санкций или из-за покупки электроэнергии по завышенным ценам в нерегулируемом секторе рынка.
Однако при определении показателей электропотребления как для энергоснабжающей организации, так и для внутренних целей, возникает та же проблема, что и при определении расчетных нагрузок на стадии проектирования: современное учреждение или предприятие стало сложной электротехнической системой с практически неподсчитываемым числом электроприемников. Множество единиц оборудования и разнообразие режимов их работы не позволяют точно определить создаваемую ими нагрузку и их общее электропотребление (даже при полной информации об их номинальной мощности).
Характерен пример: проживая в квартире и ежемесячно оплачивая электроэнергию, мы приблизительно представляем величину ежемесячного электропотребления. В то же время попытка составить полный перечень электрооборудования в квартире, с указанием номинальной мощности, коэффициента загрузки и числа часов работы в месяц вызовет непреодолимые трудности и потребует множества допущений. Выполнив такой расчет на месяц со множеством упрощений и допущений, мы не сможем получить реальную величину электропотребления, которую показал счетчик. А сможем ли мы предсказать, на сколько изменится электропотребление за счет празднования Нового Года, включения гирлянд и т.д.?
В то же время на действующих объектах, в процессе эксплуатации статистические данные по общему электропотреблению объекта уже включают весь спектр режимов работы оборудования. Фактически это экспериментальные данные, полученные в условиях выпуска определенного количества продукции. При этом работало именно то оборудование и именно в тех режимах, которые необходимы для выпуска этого количества продукции в соответствующем количестве. Поэтому широко распространены статистические методы получения зависимостей (как правило, регрессионных) общих или удельных расходов электроэнергии от объема выпуска продукции (или от других факторов, значительно влияющих на электропотребление), статистические методы прогнозирования электропотребления. Такие инженерные задачи постоянно решаются на многих предприятиях, при энергоаудите, энергетическом мониторинге. Получаемые по моделям показатели используются для планирования работы предприятий и для определения производственных показателей, к выполнению которых должен стремиться технологический персонал цехов и подразделений с целью получения экономии электроэнергии.
Подчеркнем, что регрессионные модели, получаемые на одном объекте по статистическим данным за ряд интервалов времени, пригодны только на этом же объекте, при незначительном изменении условий работы, и на определенный интервал упреждения. Нельзя перенести эти модели на другое предприятие, выпускающее аналогичную продукцию, поскольку множество условий, выступающих в модели в неявном виде (коэффициенты регрессии), различаются – например состав и режимы работы технологического оборудования, сырье, сортамент продукции и др. Это и определяет тот факт, что в реальности удельные расходы электроэнергии на единицу одной и той же продукции могут различаться в 2–3 и более раз. Аналогично, условия работы объекта, для которого были получены модели, постоянно меняются, поэтому регрессионные модели должны постоянно пересчитываться при поступлении новых статистических данных. Поэтому в научных работах такого направления важны не сами уравнения регрессии или полученные значения коэффициентов, а выбор математического аппарата получения моделей, выбор видов продукции при многономенклатурном производстве, исследование факторов, влияющих на зависимости, определение оптимальных объемов выборки, периодов упреждения и др.
Учреждения здравоохранения в настоящее время представляют собой сложные электротехнические системы, с множеством единиц самого разнообразного электропотребляющего оборудования. И также невозможно оценить весь состав этого оборудования и все многообразие режимов его работы. Попытка выделения каких-то характерных приемников, которые определяли бы режим электропотребления по определенным группам учреждений, не увенчалась успехом – оборудование многообразно, его количественный и качественный состав совершенно разный (так, например, мощность широко распространенных в лечебных учреждениях рентгеновских аппаратов варьируется от 0,5 до 100 кВт). Наиболее энергоемким является хозяйственное оборудование – насосы, компрессоры, водонагреватели, автоклавы, сушильные шкафы, электрические плиты, холодильники и др. Наличие или отсутствие, например, лифта не сказывается определяющим образом на электропотреблении, поскольку его мощность в десятки раз меньше общей установленной мощности электроприемников. На состав оборудования и интенсивность его использования влияет множество самых разных факторов, формализовать которые не представляется возможным.
Поскольку состав оборудования не формализуем, то определяющими электропотребление факторами должны стать некоторые «технологические» факторы, определяющие размеры и параметры работы учреждений. Именно такие задачи решаются при статистическом определении зависимостей. Для учреждений Минздрава были выбраны 4 основных показателя, отражающих работу учреждения, которые включены в ежегодную статистическую отчетность (что особенно важно, так как они хорошо понятны персоналу и их получение не требует дополнительных трудозатрат). Это число штатных единиц, количество койко-мест, койко-дней и пролеченных больных. Данные по всем показателям каждого учреждения включены в информационную базу, которая постоянно пополняется. В зависимости от решаемой задачи в моделях используются те или другие показатели, или их комбинации. Отметим, что если первые два показателя по годам изменяются мало, давая базовую характеристику объекта, то два другие характеризуют работу учреждения именно в этом году и оказывают влияние на изменении нормативов.
Поскольку учреждения, подчиненные Минздраву РФ, занимаются различными видами деятельности, то среди них было выделено три основные группы: лечебные учреждения, санатории и органы санэпиднадзора. На первом этапе наиболее полная информация была собрана по санаториям, поэтому разрабатывались нормативы электропотребления по этой группе. В дальнейшем работа проводилась для лечебных учреждений, и здесь пришлось использовать другие методы анализа и нормирования, хотя суть подхода осталась та же.
Для министерства идеальным инструментом планирования являлась бы норма электропотребления на одно койко-место или один койко-день. Такой подход восходит к советской системе планирования и очень удобен для чиновника. Однако в жизни этого быть не может, как раз из-за воздействия множества факторов, о которых говорилось выше. Различны и уровни медицинского обслуживания, и размер учреждений, и оборудование. Поэтому могут быть только выделены группы однородных учреждений с близкими показателями, и уже для этих групп разработаны модели электропотребления или нормативы (в функции выделенных переменных). Для разделения учреждений на группы используются статистические методы, ранговые распределения, методы классификации (методы кластер-анализа). Нельзя заранее предсказать численный и качественный состав групп – все зависит от решаемой прикладной задачи. Ряд учреждений не попадают в группы, образуя отдельные кластеры – это означает, что условия их работы, оборудование нестандартны, и нормативы для них должны быть индивидуальны. Именно эти учреждения должны в первую очередь подвергаться энергетическим обследованиям (энергоаудиту) с целью выявления причин завышенного или заниженного расхода энергии. Невозможность и нецелесообразность проведения энергоаудита всех учреждений министерства требует выделения именно первоочередных объектов с большим потенциалом энергосбережения.
Таким образом, на основе статистических данных по электропотреблению и показателям работы учреждений здравоохранения решены задачи отнесения каждого учреждения к определенной характерной группе, разработаны нормативы электропотребления для этих групп однородных объектов. На этой основе министерством планируются объемы электропотребления учреждениям на будущий год или корректируются в течение года. По окончании года проводится оценка расхода электроэнергии с учетом показателей деятельности учреждения. Нормативы должны ежегодно пересматриваться на основе пополнения базы данных.
Вывод. Проблемы определения параметров электропотребления предприятий и организаций как электротехнических систем по-прежнему актуальны. Они не могут быть решены раз и навсегда, поскольку сами параметры постоянно изменяются под воздействием множества различных факторов. Сложность и многообразие этих проблем, возникновение новых объектов исследования требуют решения новых теоретических и прикладных задач, относящихся к электротехническим комплексам и системам. Использование традиционных и новых математических методов не является самоцелью, а служит решению этих задач.