Графики электрических нагрузок

1.  Общие положения

Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а, следовательно, и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электростанций в энергосистеме, непрерывно меняется. Принято отражать этот факт графиком нагрузки, т. е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени.
По виду фиксируемого параметра различают графики активной Р, реактивной Q, полной (кажущейся) S мощностей и тока I электроустановки. Как правило, графики отражают изменение нагрузки за определенный период времени. По этому признаку их подразделяют на суточные (24 ч), сезонные, годовые и т. п.
По месту изучения или элементу энергосистемы, к которому они относятся, графики можно разделить на следующие группы:
1) графики нагрузки потребителей, определяемые на шинах подстанций;
2) сетевые графики нагрузки - на шинах районных и узловых подстанций;
3) графики нагрузки энергосистемы, характеризующие результирующую нагрузку энергосистемы;
4) графики нагрузки электростанций.
Графики нагрузки используют для анализа работы электроустановок, для проектирования системы электроснабжения, для составления прогнозов электропотребления, планирования ремонтов оборудования, а также в процессе эксплуатации для ведения нормального режима работы.

2. Суточные графики нагрузки потребителей

Фактический график нагрузки может быть получен с помощью регистрирующих приборов, которые фиксируют изменения соответствующего параметра во времени. Перспективный график нагрузки потребителей определяется в процессе проектирования. Для его построения надо располагать прежде всего сведениями об установленной мощности электроприемников, под которой понимают их суммарную номинальную мощность. Для активной нагрузки
Руст = ΣРном,     Вт
Присоединенная мощность на шинах подстанции потребителей:
Рпр = ΣРном / (ηср.потр*ηср.сети)
где  ηср.потр и ηср.сети— соответственно средние КПД электроустановок потребителей и местной сети при номинальной нагрузке.
В практике эксплуатации обычно действительная нагрузка потребителей меньше суммарной установленной мощности. Это обстоятельство учитывается коэффициентами одновременности ko и загрузки kз. Тогда выражение для максимальной нагрузки потребителя будет иметь вид:
РМАХ = kСпр*ΣРном, Вт
где kСпр - коэффициент спроса для рассматриваемой группы потребителей.
Коэффициенты спроса определяются на основании опыта эксплуатации однотипных потребителей и приводятся в справочной литературе. Средние значения коэффициентов спроса для некоторых промышленных потребителей приведены в табл. 1. Приведенное выше значение максимальной нагрузки является наибольшим в году и соответствует обычно периоду зимнего максимума нагрузки.
Кроме РМАХ, для построения графика необходимо знать характер изменения нагрузки потребителя во времени, который при проектировании обычно определяется по типовым графикам. Типовой график нагрузки строится по результатам исследования аналогичных действующих потребителей и приводится в справочной литературе в виде, показанном на рис. 1.а.                               
Для удобства расчетов график выполняется ступенчатым. Наибольшая возможная за сутки нагрузка принимается за 100%, а остальные ступени графика показывают относительное значение нагрузки для данного времени суток.
При известном Рмах можно перевести типовой график в график нагрузки данного потребителя, используя соотношение для каждой ступени графика:                                                       

где п, % — ордината соответствующей ступени типового графика, %.
На рис. 1.б показан график потребителя электроэнергии, полученной из типового (рис. 1.а) при РМАХ = 20 МВт.
Обычно для каждого потребителя дается несколько суточных графиков, которые характеризуют его работу в разное время года и в разные дни недели. Это - типовые графики зимних и летних суток для рабочих дней, график выходного дня и т. д. Основным является обычно зимний суточный график рабочего дня. Его максимальная нагрузка РМАХ принимается за 100%, и ординаты всех остальных графиков задаются в процентах именно этого значения (рис. 2.).
Таблица 1. Коэффициент спроса kcnp                                  

1.  Суточные графики активной нагрузки потребителя:
а - типовой; б - в именованных единицах.
Кроме графиков активной нагрузки, используют графики реактивной нагрузки. Типовые графики реактивного потребления также имеют ординаты ступеней, %, абсолютного максимума:

где tgφтах определяется по значению cosφтах, которое должно быть задано, как исходный параметр для данного потребителя.

Рис. 2. Пример типового графика конкретного вида производства (черная металлургия): 1 - график рабочего дня; 2 - график выходного дня

Суточный график полной мощности можно получить, используя известные графики активной и реактивной нагрузок. Значения мощности по ступеням графика (рис. 3.) определяются по выражениям

где Рn и Qn - активная и реактивная нагрузки данной ступени в именованных единицах.

3. Суточные графики районных подстанций

Эти графики определяются с учетом потерь активной и реактивной мощностей в линиях и трансформаторах при распределении электроэнергии.
Потери мощности от протекания тока в проводах линий и в обмотках трансформаторов являются переменными величинами, зависящими от нагрузки. Постоянную часть потерь мощности в сети определяют в основном потери холостого хода трансформаторов. Суммарные потери для любой ступени графика нагрузки подстанции могут быть найдены из выражений

Способ построения графика активной нагрузки для конкретной сети показан на рис. 4.

Рис. 5. Графики активной нагрузки энергосистемы

4. Суточные графики нагрузки электростанций

Суммируя графики нагрузки потребителей и потери распределения в электрических сетях в целом по энергосистеме, получают результирующий график нагрузки электростанций энергосистемы.
График нагрузки генераторов энергосистемы получают из графика мощности, отпускаемой с шин, учитывая дополнительно расход электроэнергии на собственные нужды (рис. 1.28). При значительных колебаниях нагрузки электростанций необходимо учитывать переменный характер потребления собственных нужд

где Рi - мощность, отдаваемая с шин станции;
Руст - установленная мощность генераторов; 
Рс.н.тах - максимальный расход на собственные нужды;
Коэффициенты 0,4 и 0,6 приближенно характеризуют соответствующую долю постоянной и переменной части расхода на собственные нужды Р с.н.мах.

Нагрузка между отдельными электростанциями распределяется таким образом, чтобы обеспечить максимальную экономичность работы в целом по энергосистеме. Исходя из этих соображений, диспетчерская служба энергосистемы задает электростанциям суточные графики нагрузки.
При проектировании электрической части электростанции необходимо знать график нагрузки трансформаторов и автотрансформаторов связи с энергосистемой. Способ построения такого графика для трансформаторов связи ТЭЦ с энергосистемой показан на рис. 6.
Требуемый график РТ получают, вычитая из графика нагрузки генераторов РГ график потребления местной нагрузки и расход электроэнергии на собственные нужды Рс,н.

5. Годовой график продолжительности нагрузок

Этот график показывает длительность работы установки в течение года с различными нагрузками. По оси ординат откладывают нагрузки в соответствующем масштабе, по оси абсцисс — часы года от 0 до 8760.Нагрузки на графике располагают в порядке их убывания от Рmax до Рmiп(рис. 7.).
Построение годового графика продолжительности нагрузок производится на основании известных суточных графиков. На рис. 8. показан способ построения графика при наличии двух суточных графиков нагрузки — зимнего (183 дня) и летнего (182 дня).
Для наиболее распространенных потребителей электроэнергии в справочниках приводятся типовые графики активной и реактивной нагрузок по продолжительности.
График продолжительности нагрузок применяют в расчетах технико-экономических показателей установки, расчетах потерь электроэнергии, при оценке использования оборудования в течение года и т. п.

Рис. 7. Годовой график продолжительности нагрузок.

6. Технико-экономические показатели, определяемые из графиков нагрузки

Площадь, ограниченная кривой графика активной нагрузки, численно равна энергии, произведенной или потребленной электроустановкой за рассматриваемый период:

где Рi – мощность  i -й  ступени графика; Тi - продолжительность ступени.
Средняя нагрузка установки за рассматриваемый период (сутки, год) равна:

где Т -  длительность рассматриваемого периода;
WП - электроэнергия за рассматриваемый период.
Степень неравномерности графика работы установки оценивают коэффициентом заполнения

Коэффициент заполнения графика нагрузки показывает, во сколько раз выработанное (потребленное) количество электроэнергии за рассматриваемый период (сутки, год) меньше того количества энергии, которое было бы выработано (потреблено) за то же время, если бы нагрузка установки все время была максимальной. Очевидно, что чем равномернее график, тем ближе значение Кзп к единице. Для характеристики графика нагрузки установки можно воспользоваться также условной продолжительностью использования максимальной нагрузки

Эта величина показывает, сколько часов за рассматриваемый период Т (обычно год) установка должна была бы работать с неизменной максимальной нагрузкой, чтобы выработать (потребить) действительное количество электроэнергии WП за этот период времени. Определение величины ТМАХ можно проиллюстрировать на примере рис. 3.
В практике применяют также коэффициент использования установленной мощности

или продолжительность использования установленной мощности

При определении КИ под Руст следует понимать суммарную установленную мощность всех агрегатов, включая резервные. Коэффициент использования КИ характеризует степень использования установленной мощности агрегатов. Очевидно, что КИ < 1, а Туст < Т. С учетом соотношения Руст ≥ РМАХимеем  КИ ≤  КЗП.
В среднем для энергосистем Украины продолжительность использования установленной мощности электростанций составляет около 5000 ч в год.