// Электрика. – 2006. – № 4.– С.3-11.
Электроснабжение,
инвестиционное проектирование и закрытие проблемы расчёта электрических
нагрузок
Б.И. Кудрин, С.А. Цырук
Московский энергетический институт (технический
университет)
Расчетная электрическая нагрузка Рр есть ключевое понятие для субъекта электроэнергетики
и потребителя, для систем электроснабжения и режимов.
Электроснабжение, в нашем понимании [1], ведёт начало с программы Т.
Эдисона (1879), ставившей задачу разработать: генераторы для питания
параллельно включённых электроприёмников; систему распределения, обеспечивающую
требуемый уровень и постоянство напряжения у электроприёмников; надёжную
конструкцию проводников и рациональные способы их прокладки; защиту элементов
системы электроснабжения от КЗ; простые и безопасные установочные выключатели и
присоединения; способы регулирования напряжения; приборы учёта; систему
стандартизации. Работа его станции 2000 кВт (1883), обслуживавшей 508 абонентов
Нью-Йорка (12700 ламп и электродвигатели общей мощностью 300 кВт), подтвердила самó существование электроснабжения; объединение на
напряжении 33 кВ семи районных электростанций Калифорнии (1899) дало начало
специальности "Сети и системы".
Развивалась и теория: в 1889 г. А.Э Кеннели
получил зависимость между сечением проводника и длительно допустимым током
нагрузки; Р. Кромптон впервые (1891) применил понятие
коэффициента спроса при определении электрических нагрузок; П. Бушеро установил (1898) конденсаторы для компенсации
реактивной мощности.
Таким образом, определение Рр возникло вместе с появлением первого
потребителя электрической энергии. На 01.01.1900 г. в Петербурге существовало
294 электростанции, десять из которых были общественного пользования (Р.Р. Тоннеев). Так или иначе, все они считали Рр, поэтому
ошибочно утверждение А.Э. Каждана [2, с. 51], что "задача расчетов
электрических нагрузок практически в современной постановке возникла в СССР
впервые в мире и стала решаться в 20-е годы ХХ века". И не странно ли, что
метод упорядоченных диаграмм Г.М. Каялова [3],
значительно затем развитый [4, 5] и положенный сначала в основу временных [6],
а затем и постоянных [7] указаний по определению нагрузок, не получил мирового
признания, его не используют развитые страны. Руководящие материалы [8], сделав
шаг к современности, не отказались от некоторых принципиальных положений [6, 7,
9].
Однако уже в 60-е годы обнаружилось, что применение указаний не
обеспечило допустимую погрешность расчётов ±10 %, декларируемую [6-8].
Внедрение в чёрной металлургии с 1970 г. системной оценки электрического
хозяйства[1]
позволило качественно определить масштабы явления в рамках страны и показать,
что ошибки в расчётах достигали 50-200 %; что загрузка силовых
трансформаторов составляла 25-40 %, распределительных сетей - 20-30 %, коэффициент
спроса установленного электрооборудования был равен 0,2-0,25
[10, 11]. Эти факты подтверждают многие исследователи, в том числе и
использующие методические указания [12]. Обследования 2003-2005 гг.
показали, что коэффициент спроса продолжает падать (исключения – металлургия,
производство ферросплавов и алюминия); несколько упала и загрузка
трансформаторов ГПП. Одновременно выявился интересный факт: сегодня, после
существенного почти десятилетнего снижения объёмов производства промышленные
предприятия, постепенно возвращаясь к показателям 1990 г., потребляют меньшую
мощность (энергию).
Изложенное, а главное – осуществляемый переход к рыночным отношениям,
происходящая реструктуризация электроэнергетики, необходимость для потребителя
взаимодействовать с АТС, ОГК, ФСК, СО, РСК и другими субъектами
электроэнергетики – требуют вернуться к методологическим основам расчёта
электрических нагрузок и "закрыть", наконец, теоретическую проблему.
Это можно сделать, если разобраться, что такое расчётная Рр, максимальная Рм и
средняя расчётная Рс нагрузки; установить
границы применимости расчётов, опирающихся на теоретические основы электротехники
(следовательно, на первую научную картину мира [13]); определить область
действия вероятностно-статистических методов [2, 3, 5, 14, 15], включая работы
Э.Г. Куренного, В.П. Степанова, А.Э. Каждана и других специалистов[2].
При установлении границ и области применимости каждой из моделей следует
учитывать значительные изменения в выпускаемой технике, применяемых
технологиях, используемых материалах, что в 50–60-е годы кардинально
количественно и качественно изменило электрическое хозяйство (электрику)[3]. Было
выделено шесть уровней системы электроснабжения и показано [16], что для
определения Рр
(Рм)
на уровне завода Указания [6, 7] не могут быть применены, что начинать расчёт
электрических нагрузок для цеха со списка электроприёмников, их режимных
коэффициентов, групповых и индивидуальных (спроса kс, использования kи, максимума kм, одновременности kо и др.) практически невозможно.
Выявление области применимости расчётов по ТОЭ и принципов системного описания
электрического хозяйства в целом [17] дало возможность сформулировать
комплексный метод [10, 11] и увидеть новые свойства систем промышленного
электроснабжения [17], опираясь на историю возникновения и развития электротехники
и электроэнергетики.
Определение мощности ТЭЦ и градообразующего промышленного предприятия во
время принятия плана ГОЭЛРО (1920) и его реализации (вплоть до 40-х годов)
производили на основе укрупнённых показателей, прежде всего по электроёмкости
продукции (для чёрной металлургии – по чугуну, кВтч/тыс. пудов) и по аналогам
(Ю.М. Захаров приводит нагрузки основных передельных
цехов [5, с. 18]). Германские и американские инженеры передали укрупнённые
сведения Гипромезу, выпустившему их в виде
справочника к началу войны. Эти данные составили основу "Справочника электрика
предприятий чёрной металлургии" (1952), справочников проф. А.А. Фёдорова,
справочников Тяжпром-электропроекта.
В процессе индустриализации страны были выявлены отличия в подходе к
электроснабжению (следовательно, и к расчёту нагрузок) со стороны энергосистемы
и со стороны потребителя. На уровне энергетического района достаточно точным
методом является анализ суточного (по часам) и годового (по суткам) графиков
суммарной нагрузки. Прогноз, учитывающий день недели и месяца, часы прохождения
максимума, метеоусловия и освещённость, позволяет энергосистеме с достаточно
высокой точностью рассчитать нагрузки на различную временнýю
перспективу[4], не обращаясь к потребителям
(за некоторым исключением). Ещё С.А. Меерович, анализируя суточные графики
Московской сети (1927), использовал коэффициенты попадания в максимум и
одновременности.
Важно теоретически осознать: 1) система потребления электроэнергии
существует; 2) она крайне инерционна; 3) трудно, но управляема за счёт ввода
резерва и отключения потребителей; 4) анализу и прогнозу подлежат графики
крупных потребителей, локально определяющих режимы выделенной части
энергосистемы. Поштучный учёт саранчёвой "мелочёвки"
для определения Рр=Рм не нужен (оплата по
счётчикам к сказанному не относится), но эти мелкие потребители однотипно
реагируют на изменение внешних условий (праздник, понижение температуры).
Для потребителя всегда существует нагрузка объекта электрики в целом на
6УР (границе раздела "потребитель-субъект электроэнергетики"): квартиры
(дома); мини-предприятия мелкого бизнеса; жилого квартала, коттеджа, малого
предприятия, садового товарищества; поселения, среднего предприятия, уже
имеющего высоковольтные двигатели или большое число трансформаторов 6(10)/0,4
кВ; крупного предприятия, питающегося на напряжении 35, 110 (154), 220 (330) кВ
и имеющего одну ГПП (с двумя вводами) или до двадцати ГПП и вводы от ТЭЦ.
Однако знать нагрузку на границе раздела 6УР потребителю сегодня недостаточно;
для него речь уже идёт о единичном электроприёмнике
(1УР); щите, распределительном пункте низкого напряжения участка (2УР);
трансформаторной подстанции отделения цеха 6(10)/0,4 кВ (3УР);
распределительной подстанции цеха 6/10 кВ (4УР); главной понизительной или
подстанции глубокого ввода производства (5УР)[5].
Теорию расчёта нагрузок в системах электроснабжения потребителя ниже 6УР
связывают с Н.В. Копытовым, подход которого сохранил своё значение для
повторно-кратковременных режимов. Ранее (1925) Г.Т. Виноградов рекомендовал
получать и суммировать двигательные нагрузочные диаграммы; Л.Е. Машкиллейсон (1925) использовал график по продолжительности
или упорядоченную диаграмму; И.И. Петров (1932) рассматривал коэффициенты
одновременности, использования, загрузки, спроса, временнόй;
Ю.Л. Мукосеев, как опытные, обосновал (1936) методы коэффициента спроса и по
удельным плотностям нагрузок, Д.С. Лившиц (1937) – двухчленную формулу.
Объем статьи не позволяет подробно рассказать о всех учёных, внесших
вклад в развитие теории электрических нагрузок, поэтому с признательностью и
уважением перечислим их: И.И. Арсамаков, Н.П. Афанасьев, И.И. Бородянский, Л.В. Брусенцов, О.В. Быховская, Г.Я. Вагин,
С.Д. Волобринский, И.Б. Вольфсон,
Г.А. Волощук, Б.В. Гнеденко, В.И. Гордеев, С.Х. Гродский, А.В. Демура, Н.А.
Денисенко, С.И. Дивович, Е.Н. Дмитриева, В.Ф.
Ермаков, И.В. Жежеленко, Б.В. Жилин, А.Э. Каждан,
Э.М. Каждан, Ю.И. Казанцев, Г.А. Карвовский, Г.М. Каялов, Е.Н. Кизеветтер, Н.И. Кисин, П.Н. Клейн, Н.В. Копытов, Н.Н. Костромитин, Д.М.
Кремер, Э.Г. Куренный, М.А. Лакс, В.С. Лившиц, Д.С.
Лившиц, С.М. Лившиц, А.Н. Липский, К.Г. Марквардт, Р.И. Мирошниченко, Б.С. Мешель,
А.Ю. Морхов, Ю.Л. Мукосеев, В.И. Надтока,
И.И. Надтока, В.Я. Ольховский, И.С. Пономаренко, В.Я.
Потапенко, А.В. Праховник,
И.Г. Резников, Ф.О. Реийм, С.А. Ринкевич,
В.А. Розенберг, Ю.Л. Саенко, Э.И. Славенко, В.П.
Степанов, Н.Н. Стефанович, А.И. Тамазов, В.П.
Тихонов, А.А. Фёдоров, Ю.А. Фокин, В.В. Фуфаев, М.К. Харчев, Е.М. Червонный, Л.А. Чубарь,
В.В. Шевченко, С.Н. Шевчук, А.К. Шидловский, О.П. Шишкин, Г.А. Штейнике.
Предложенный Г.М. Каяловым [3] в 1937 г. метод
упорядоченных диаграмм (УД) лёг в основу действовавших с 1962 г. указаний по
расчёту электрических нагрузок [6]. Метод был признан основным в большинстве
проектных организаций СССР и с некоторыми модификациями[6]
используется до настоящего времени. Э.Г. Куренный, Е.Н. Дмитриева, Н.Н. Погребняк [2, с. 44] утверждают, что основы теории Г.М. Каялова используют два принципиальных положения: во-первых,
исходными данными служат характеристики индивидуальных нагрузок и, во-вторых,
расчётная нагрузка должна определяться по эффектам нагревания проводников, а не
по получасовому максимуму, который не имеет физического смысла. Этим положениям
полностью отвечает "метод вероятностного моделирования" [4],
оценивающий нагрев как по температуре максимального перегрева θmax, так и по тепловому износу. Однако
из-за отсутствия исходных данных Г.М. Каялов вместо
группового графика нагрузки использовал его спрямлённую упорядоченную
диаграмму.
Те же авторы сформулировали важное утверждение: "развитие методов
расчёта нагрузок должно идти по пути перехода к непосредственным оценкам по
нормируемым показателям: длительно допустимой температуре θN, допустимой температуре θNmax максимального перегрева
и длительно допустимому току IN. Разграничение областей применимости
расчётных нагрузок по пику температуры и тепловому износу является одним из
направлений развития теории электрических нагрузок… Некорректность средней
расчётной нагрузки означает, что из ПУЭ необходимо исключить не только понятие
получасового максимума, но и само понятие расчётной нагрузки: следует лишь
записать, что в любых режимах работы показатели нагрева проводников не должны превышать
допустимых значений".
Необходимость применения теории вероятностей (включая теорию массового
обслуживания и теорию случайных процессов) для анализа и расчёта нагрузок
заводских электрических сетей вызвали в 50-х–80-х годах волну публикаций во всех
электрических журналах, проведение Всесоюзной научно-технической сессии НТО ЭП
по электроснабжению промышленных предприятий, ежегодные совещания в системе Тяжпромэлектропроекта и Электропроекта,
конференции по линии НТО электротехнической промышленности и МДНТП им.
Дзержинского. Вероятностные представления, как оказалось,
"перечеркнули" Директиву, опубликованную в первом номере созданного в
1944 г. журнала "Промышленная энергетика": "Энергетиками
предприятий должно быть твердо усвоено, что методология составления удельных
норм должна базироваться только на аналитически расчётной и экспериментальной
основе при всестороннем учёте всех факторов, влияющих на электропотребление, и
решительно должен быть отвергнут, как порочный, так называемый «статистический»
метод".
Всеобщность вероятностно-статистического мировоззрения второй научной
картины мира опирается, в пределе, на нормальное распределение с его законом
больших чисел и центральной предельной теоремой. Сам же подход, использующий в
расчётах отдельные электроприёмники и приводимые в справочниках коэффициенты,
хорошо иллюстрирует рисунок (по А.А. Фёдорову). Его можно реализовать, когда
есть данные по всем единичным электроприёмникам, и их
количество обозримо. Современная система инвестиционного проектирования делает
такую постановку бессмысленной. Изложим комплексный метод расчёта электрических
нагрузок [10, 11] и покажем, почему вопрос о расчёте электрических нагрузок
может быть "закрыт".
Комплексный метод, предусматривающий определение нагрузок Рр (Рм) "сверху–вниз"
(т.е. от верхних уровней системы электроснабжения), основан на одновременном
применении нескольких способов расчёта. Первый – по электроёмкости продукции на
уровне 6УР:
Рм=Aj Mi/Tм, (1)
где Aj – ожидаемая электроёмкость, взятая
из ценологического ряда; Mi – задаваемая годовая
производительность завода по лидинговому (основному)
продукту; Tм – годовое число часов использования максимума
предприятия. Электроёмкость
принципиально отличается от удельных расходов на тот же вид продукции.
Например, электроёмкость по чугуну определяют как частное от деления общего
годового расхода электроэнергии по предприятию в целом (где доменное
производство составляет 3-5 %) на годовое производство чугуна;
электроёмкость по прокату – вновь берут весь годовой объём электропотребления и
весь годовой выпуск проката, и т. д. (например, электроёмкость по агломерату
для Магнитки была A=400 кВтч/т, а удельный расход на
производство собственно агломерата составил Aуд=24,3 кВтч/т).
На высшем уровне управления и оценки электроёмкость использовали всегда
(например, в 80-е годы пользовался таким показателем первый заместитель
Министра чёрной металлургии СССР А.Ф. Борисов). При разработке планов
индустриализации считали, что энергоёмкие химикометаллургические
комбинаты при электроёмкости по чугуну 500 кВтч/т и выплавке 18 млн т в год потребуют 1,5-1,8 млн кВт
мощности. В мировом хозяйстве в 1929 г. выплавке 1 т чугуна соответствовала
выработка около 2500 кВтч электроэнергии (см. 2 стор.
обложки).
Далее комплексный метод включает более известные выражения:
по общему годовому электропотреблению Aг или среднегодовой мощности Рсг, используя
коэффициент максимума Км,
на уровнях 6УР-4УР:
Рм=КмAг
/T=КмРсг; (2)
по удельным годовым расходам электроэнергии на уровнях 5УР-3УР:
Рм=КмS(Aуд iMi/Ti), (3)
где Aуд i - проектируемый, планируемый,
прогнозируемый удельный расход электроэнергии (охвачены все виды продукции); Ti - годовое
число часов работы цеха (производства);
по среднегодовому коэффициенту спроса Кс
и установленной мощности Ру
на уровнях 6УР-4УР:
Рм=КсРу; (4)
по удельным мощностям нагрузок на
уровнях 6УР-2УР:
Рм=gF, (5)
где g -
удельная мощность (плотность нагрузки); F – площадь предприятия, района, цеха,
отделения, участка;
прогнозированием временных рядов на уровнях 6УР-4УР:
Рм=f1(Wj); A=f2(Wj, t); Рм=f3(A, t), (6)
где Wj -
технологические или электрические показатели;
профессионально-логическим анализом, выстраивая основные электрические
показатели Ро
и учитывая технологическое назначение завода (отраслевое наименование), параметры
технологических агрегатов, долю вспомогательных служб, которые корреляционно
связаны одним или несколькими показателями Wi:
Рм≡{Ро, Wi}. (7)
Для повышения точности результата применения комплексного метода
желательно использовать выражения (1)–(7) одновременно и для одного объекта. Но
в этом случае всегда наблюдается разброс параметров, редко укладывающийся в
интервал ±10 %, поэтому возникает необходимость профессионально-логического
анализа и экспертного принятия решения.
Отметим, что заседание НТС ТПЭП (1988) по проблемам расчёта нагрузок [22]
оказалось последним крупным обсуждением этой тематики, подобным упомянутым
регулярным конференциям по нагрузкам, где собирались сотни специалистов.
Комплексный метод, по существу, действительно "закрыл" эту проблему,
и дискуссия [2] – наглядное этому подтверждение. Что же концептуально нового он
внёс, если в приведённых формулах (1)–(7) отсутствует непосредственно
ценологическая терминология [13, 23, 24]? Метод в неявной форме ставит вопросы, которые должен сформулировать
каждый, кому теоретически или практически понадобилась расчётная нагрузка, и в явной форме отвечает на них.
Комплексный метод, прежде всего, ограничивает всеобщность нормального
распределения и других распределений, сводящихся к гауссовому
и имеющих математическое ожидание и конечную дисперсию. Принципиально, что
здесь не действуют центральная предельная теорема и закон больших чисел. При
случайной выборке, например, по Бернулли, из общей совокупности двигателей
можно "вынуть" двигатель 0,25 кВт[7], а
можно – двигатель 20 МВт для блюминга или 30 МВт для воздуходувки НЛМК.
Увеличение выборки не ведёт к снижению дисперсии, но наоборот – увеличивает её,
а математическое ожидание (среднее), конечно, можно получить (например,
складывая 0,25 и 30000 кВт), но едва ли оно имеет какой-либо физический смысл.
И.И. Надтока справедливо замечает [2, с. 50],
что ранговое распределение само по себе не позволяет рассчитать электрическую
нагрузку. Но ведь назначение ценологического рангового распределения
заключается в выделении объекта-аналога. Другими словами, ранжируют все
предприятия по убыванию величины удельных расходов электрической энергии,
например по прокату – от 3000 (Златоуст) до 40 (Запсиб)
кВтч/т; по чугуну – от 53 (Липецк) до 3,5 (Енакиево)
кВтч/т. Подобным образом строят ранговые распределения по технологическим
показателям (генеральному плану), электрическим показателям и другим, специфичным
для данного проекта. На каждой гиперболической кривой Н-распре-деления находят область,
соответствующую выбранному объекту [17, 22–24]. По существу, определение
нагрузки сводится к определению кластера, где существуют математическое ожидание
и среднее. Таким образом, мы осуществляем переход от ценологической неопределённости
к аналогу будущего проекта.
Нормальное распределение, безусловно, ведёт к Км=1, что лежит в основе соответствующих кривых. Но
достаточно ознакомиться со статистикой за 21 лет по чёрной металлургии, чтобы
увидеть, что Кмакс
никак не связан с общим числом электродвигателей и ни в одном из случаев не
стремится к 1. Метод УД предполагает идеалистическую картину, что имеется
некоторое множество электродвигателей, незначительно различающихся по мощности,
включаемых и отключаемых случайным образом, а режим каждого из них описывается
коэффициентами kс, kи, kо, kз, причём изменение каждого коэффициента во времени (в течение
года) не превосходит разброса по Гауссу. Понятно, что на практике такого быть
не может.
Обращаясь к проектированию, прежде всего следует отметить, что страна
перешла от понятия "капитальное строительство" к понятию "инвестиционное
проектирование". И здесь, в пределе, появляется собственник, который
формирует инвестиционный замысел, определяя цель инвестирования, номенклатуру,
объём продукции и место размещения объекта инвестиций. В этом случае ни о каком
(даже предварительном) наборе приёмников (в соответствии с рисунком) и речи
быть не может. В лучшем случае технолог (собственник) может назвать аналог и
удельный расход электроэнергии (иногда – электроёмкость). Однако
специалист-электрик должен дать принципиальный ответ: возможно ли строительство
этого объекта по условиям обеспечения его электроэнергией в этом месте. Известны
примеры, когда отсутствие электроэнергии явилось лимитирующим фактом,
исключающим дальнейшие этапы инвестиционного проектирования. Если же инвестор
обладает соответствующими финансовыми ресурсами, он может взять на себя
строительство генерирующих мощностей и электрических сетей, как это делают алюминщики, решая вопрос о Богучанской
ГЭС и изыскивая 1 млрд долларов.
При разработке ходатайства или декларации о намерениях, но по-преж-нему не имея исходных данных, электрики по
приёмникам и исчерпывающим данным по отделениям и цехам должны назвать максимум
нагрузки для получения технических условий на технологическое присоединение объекта
к электрическим сетям, что даст возможность перейти к третьему, предпроектному этапу – разработке обоснования инвестиций.
Здесь уже составляют схему электроснабжения, включающую два верхних уровня
системы электроснабжения, примыкающих к 6УР (при питании на напряжении 10 кВ
надо дать схему своей распределительной подстанции, указав все трансформаторы
6(10)/0,4 кВ, все высоковольтные двигатели или высоковольтные термические и
преобразовательные устройства).
После прохождения всех видов согласований с десятком организаций и
государственной экспертизы разрабатывают технико-экономическое обоснование. ТЭО
– это проектная стадия, где приёмники как таковые ещё не появляются, но
технологические задания по каждому цеху уже имеются. Другими словами, все
расчётные выражения комплексного метода могут быть здесь применены для
получения рабочей схемы электроснабжения и некоторых других электротехнических
частей проекта, которые утверждаются как окончательные и служат основой для
составления рабочей документации, определения стоимости электроснабжения и др.
Лишь при составлении рабочей документации "появляется" каждый
электрический приёмник, точнее – паспорт по каждой единице оборудования с привязкой
координат установки и проч.
Мы считаем, что во всех случаях при установке отдельного электроприёмника (станка, электропечи, другой
электроустановки) выбор проводника к нему должен производиться по его
номинальной мощности, никаких понижающих коэффициентов в этом случае применять
не следует. Что касается всех последующих уровней, то нельзя не вспомнить правило
механиков о равной прочности и равной надёжности всех узлов машины. Применительно
к системам электроснабжения это означает, что ЛЭП (включая кабельную) к любому
трансформатору следует выбирать по номинальному току, рассчитанному по
номинальной мощности трансформатора. Можно рекомендовать, чтобы
распределительные пункты 0,4 кВ и 6–10 кВ вне зависимости от расчётной нагрузки
имели питание, где кабель (проводник) выбирают на мощность ввода (нелепо будет
выглядеть ситуация, когда, например, к шкафу 0,4 кВ подключено несколько
двигателей мощностью 2–10 кВ, и подключение по эксплуатационным или другим
требованиям ещё одного двигателя 10 кВ потребует замены кабеля на вводе)[8].
Увеличение сечения кабеля на 1–2 ступени относительно расчётной величины
незначительно сказывается на капитальных затратах.
Мы утверждаем индивидуальность нагрузок на всех уровнях системы
электроснабжения, но отрицаем необходимость "компьютерного банка данных
показателей индивидуальных нагрузок, которые могут быть получены из
технологических расчётов или в действующих сетях" [2, с. 45]. Не имеет
смысла собирать данные по 60 тыс. электроприёмников, например, Запсиба: ценологическая теория
говорит, что есть саранчёвая каста, которая не
подлежит учёту в связи с практической счётностью
особей, и ноева каста(определяющая технологию,
безопасность и др.), особи которой действительно нужно индивидуально учитывать.
В заключение следует сказать, что переход к рынку поставил и новую задачу
расчёта электрических нагрузок – прогнозирование их на различные временные
интервалы. Здесь следует отказаться от самогó
понятия "получасовой максимум нагрузки" (в этом мы согласны с [2, с.
44]). Следует повсеместно перейти к часовым расходам электроэнергии, что
автоматически означает часовую мощность, которую и заявляют по часам на сутки
вперёд по точкам поставки при переходе к оптовому рынку. Одновременно следует
уметь прогнозировать суточный, недельный и месячный расходы электроэнергии. Во
всех этих случаях никакого смысла не имеет ограничение по эффектам нагрева
проводников, потому что все данные расчётной нагрузки (имея ввиду 6УР в целом)
не привязаны к конкретным ЛЭП, а рассредоточены по всем присоединениям на
границе раздела "потребитель–субъект электроэнергетики".
Очевидно, что для этого случая должен быть соответствующий математический
аппарат прогнозирования, который опирается на существующие графики нагрузок, и
здесь можно использовать теорию случайных процессов [4, 22, 23, 25]. Практика
показала, что математический аппарат для прогнозирования поведения объекта в
минутных интервалах (что необходимо для регулирования графика нагрузки с целью непревышения заявленного максимума [14, 23]) отличается от
прогноза сменного поведения предприятия или отдельной технологической операции
(например, плавки). От прогнозов суточных, связанных с днями недели или с
метеорологическими и другими условиями, прогнозы расхода электроэнергии по
месяцам и годовые (это в большой степени относится к формулам 6 и 7
комплексного метода) отличаются применением корреляционно-регрессионного
анализа, опирающегося на данные по технологии.
Выводы
1. В новых условиях инвестиционного проектирования при определении
расчётных нагрузок нельзя
пользоваться методом упорядоченных диаграмм или другими методами, опирающимися
на данные об отдельных электроприёмниках.
2. Для расчётов электрических нагрузок на всех уровнях системы электроснабжения
следует применять комплексный метод электрических нагрузок, опирающийся на
аналоги, в качестве которых должны выступать уже созданные и эксплуатируемые
объекты.
Список литературы
1. Кудрин
Б.И. История и основы теории электроснабжения промышленных предприятий//
Промышленная энергетика. 1995. № 9. С. 2−7.
2.
Кибернетика электрических систем: Материалы ХХV сессии семинара "Электроснабжение
промышленных предприятий", Новочеркасск, 15−16 окт. 2003 г./ Юж.-Росс. гос. техн. ун-т, Новочеркасск: Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика". 2004. 116 с.
3. Каялов
Г.М. Определение максимума нагрузки произвольных электроприёмников//
Электричество. 1937. № 9−10. С. 29−34.
4. Волобринский
С.Д., Каялов Г.М., Клейн П.Н., Мешель
Б.С. Электрические нагрузки промышленных предприятий. Л.: Энергия, 1971. 264 с.
5. Электроснабжение
промышленных предприятий/ Под ред. Б.А. Константинова и Г.Р. Миллера. М.–Л.:
Энергия, 1966. 180 с.; Электроснабжение промышленных предприятий: Докл. к науч.-техн. сов. (апрель
1966 г.) Л.: ЦНТО ЭП, 1966. 52 с.
6. Временные руководящие
указания по определению электрических нагрузок промышленных предприятий// Сб. техн. инф. Тяжпромэлектропроекта.
1961. № 4−5.
7. Указания по определению
электрических нагрузок в промышленных установках// Инструктивные указания по
проектированию электрических установок. Тяжпромэлектропроект.
М.: Энергия, 1968. № 6. С. 3–17.
8.
Руководящий технический материал. Указания по расчёту электрических нагрузок:
РТМ 36.18.32.4–92// Инструктивные и информационные материалы по проектированию
электроустановок. М.: ВНИПИ "Тяжпромэлектропроект",
1992. № 6−7. С. 4−27.
9. Каялов
Г.М. О зависимости максимума нагрузки однородных электроприёмников от их
числа// Вестник электропромышленности. 1934. № 9. С. 13−14.
10. Кудрин
Б.И. Основы комплексного метода расчёта электрических нагрузок// Промышленная
энергетика. 1986. № 11. С. 23−27.
11. Кудрин Б.И. Комплексный
метод расчёта электрических нагрузок. М.: Моск. энерг. ин-т, 1987. 40 с.
12. Методические указания по
обследованию электрических нагрузок промышленных предприятий. М.: БТИ ОРГРЭС,
1964. 27 с.
13. Матюнина
Ю.В. Электрикам об электрике: первая научная картина мира// Электрика. 2001. №
7. С. 28−41.
14. Гордеев В.И.
Регулирование максимума нагрузки промышленных электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1986. 184 с.
15. Харчев М.К. К вопросу об определении электрических нагрузок промышленных предприятий// Промышленная энергетика. 1957. № 4.
16. Кудрин Б.И. О некоторых проблемах исследования электрического хозяйства металлургических предприятий/ В кн. Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 4. Томск: Изд-во ТГУ, 1978. С. 7−78.
17. Кудрин Б.И. Классическая
электромеханика и системное описание электрического хозяйства промышленных
предприятий/ В кн. Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 5. Томск: Изд-во ТГУ, 1981. С. 7−23.
18. Копытов Н.В. Определение
коэффициента одновременности для приводов с повторно-кратковременной
нагрузкой// Вестник электропромышленности. 1933. № 9. С. 15−21.
19. Либерман
А.С. Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий.
Ростов-на-Дону: Азчерхозиздат, 1937. 306 с.
20. Либерман
А.С., Поляков Б.А. Снабжение промышленных предприятий реактивной энергией.
Ростов-на-Дону: Азчерхозиздат, 1937. 169 с.
21. Фёдоров А.А.
Теоретические основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия,
1976. 272 с.
22. Жилин Б.В. Проблемы
расчёта электрических нагрузок. По материалам дискуссии "Теория
определения электрических нагрузок и особенности применения комплексного метода
Б.И. Кудрина" на расширенном заседании Научно-технического совета ВНИПИ Тяжпромэлектропроект. Москва, 22 апреля 1988 г. Тула: Приок. кн. изд-во, 1996. 129 с.
23. Кудрин Б.И., Жилин Б.В., Лагуткин О.Е., Ошурков М.Г. Ценологическое
определение параметров электропотребления многономенклатурных производств.
Тула: Приок. кн. изд-во, 1994. 122 с.
24. Фуфаев
В.В. Ценологическое определение параметров
электропотребления, надёжности, монтажа и ремонта электрооборудования
предприятий региона. Монография. М.: Центр системных исследований, 2000. 320 с.
25. Седов А.В., Надтока И.И. Системы контроля, распознавания и
прогнозирования электропотребления: модели, методы, алгоритмы и средства.
Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та, 2002. 320 с.
Схема для определения нагрузок в системе электроснабжения промышленного предприятия:
1 - нагрузки, создаваемые отдельными приёмниками; 2 – нагрузка линии, питающей ряд приёмников; 3 – нагрузка на шинах низшего напряжения цеховой трансформаторной подстанции; 4 – нагрузка на шинах высшего напряжения цеховой трансформаторной подстанции с учётом потерь в трансформаторах; 5 – нагрузки на шинах низшего напряжения ГПП, создаваемые каждой из отходящих линий, с учётом потерь в них; 6 – общая нагрузка на шинах низшего напряжения ГПП с учётом потерь в трансформаторах; 7 – нагрузка на шинах высшего напряжения ГПП с учётом потерь в трансформаторах; 8 – нагрузка на шинах подстанции энергосистемы, создаваемая промышленным предприятием, с учётом потерь в питающей линии.
Обращаясь в этом номере к проблеме расчёта электрических нагрузок,
публикуем фрагменты книги "Урало-Кузнецкий комбинат/ Под. ред О.А. Золотарёва. ИПЭИ ВСНХ СССР. Соэкономгиз,
1931. 206 с., которые иллюстрируют подход к прогнозированию электропотребления
в 30-е годы прошлого века (с сохранением стиля публикации).
Потребность в электроэнергии ориентировочно можно
определить в количестве 45–50 млрд. квтч., и
установленная мощность электростанций должна достигнуть в 1940 г. цифры порядка
9–10 млн. квт. Энерго-химико-металлургические
комбинаты при выплавке 18 млн. т чугуна потребуют 1,5–1,8 млн. кВт. установленной
мощности. Машиностроение, потребляя 0,7–0,8 квтч. на
1 рубль продукции, выявляет потребность около 1,6 млн. квт.
установленной мощности. Цветная металлургия, ферросплавы и легкие металлы потребуют
до 1 млн. квт. установленной мощности, лесное
хозяйство – около 900 тыс. кВт. установленной мощности.
Таким образом только перечисленные потребители (черный
металл, коксохимия, цветные, легкие металлы и сплавы, машиностроение, лес) дают
цифру порядка 5,0–5,3 млн. квт. установленной
мощности, остальные 4–5 млн. квт. падают на
промышленность горнорудную, химическую (основную), топливную, строительных
материалов, легкую индустрию, сельское хозяйство, транспорт, благоустройство,
освещение, бытовое потребление.
К этой цифре (45–50 млрд. квтч.)
потребности в электроэнергии нас приводит также установившееся при современном
состоянии техники соотношение между размерами выплавки чугуна и выработки
электроэнергии (таблица).
|
Страны |
Выработка электроэнергии (в млрд. квтч.) |
Выплавка чугуна (в млн. тонн) |
Выработка электроэнергии на 1 т чугуна (в
квтч.) |
||||||
|
1927 |
1928 |
1929 |
1927 |
1928 |
1929 |
1927 |
1928 |
1929 |
|
|
САСШ |
97 |
105,5 |
117 |
37,2 |
38,8 |
42,0 |
2608 |
2719 |
2786 |
|
Германия |
25,1 |
27,8 |
33 |
13,1 |
11,8 |
13,4 |
1916 |
2356 |
2463 |
|
Англия |
13,8 |
14,9 |
16,5 |
7,4 |
6,7 |
7,7 |
1865 |
2224 |
2143 |
|
Франция |
11,8 |
- |
- |
9,3 |
- |
- |
1269 |
- |
- |
|
Итого |
147,7 |
148,2 |
166,5 |
67,0 |
57,3 |
63,1 |
2205 |
2412 |
2639 |
Динамика роста
энерговооруженности промышленности СССР (общие показатели)
|
|
1925/26 |
1926/27 |
1927/28 |
1928/29 |
1929/30 |
|
|
2,36 |
2,59 |
2,85 |
3,15 |
|
|
% к 1925/26 г. |
100 |
109,7 |
120,3 |
133,7 |
|
|
в том числе: |
|
|
|
|
|
|
1) мощность механических установок, млн. кВт. |
0,95 |
1,04 |
1,04 |
1,03 |
|
|
% к 1925/26 г. |
100 |
108,8 |
108,4 |
107,9 |
|
|
2) мощность электромоторов |
1,41 |
1,55 |
1,80 |
2,12 |
|
|
% к 1925/26 г. |
100 |
110,3 |
128,1 |
151,8 |
|
|
II. Произведено силовой энергии в промышленности (первичн. двиг.), млрд. квтч. |
4,41 |
4,92 |
5,31 |
5,53 |
6,11 |
|
% к
1925/26 г. |
100 |
111,6 |
120,4 |
125,5 |
137,0 |
|
в том числе
превращено в электроэнергию, млрд. квтч. |
1,88 |
2,11 |
2,34 |
2,62 |
3,21 |
|
% к 1925/26 г. |
100 |
112,6 |
125,0 |
139,4 |
171,9 |
|
III. Потреблено в промышленности силовой энергии, млрд. квтч. |
5,03 |
5,71 |
6,39 |
7,17 |
ок. 8,7 |
|
% к 1925/26 г. |
100 |
113,5 |
127,1 |
142,5 |
171,5 |
|
в том числе электроэнергии, млрд. квтч. |
2,31 |
2,69 |
3,19 |
4,02 |
ок. 5,5 |
|
% к 1925/26 г. |
100 |
116,4 |
138,2 |
174,1 |
ок. 236 |
Удельный вес
отдельных отраслей в сводном энергосиловом балансе промышленности, %
|
Металлургия цветных металлов 20,8 Хлопчатобумажная 16,6 Каменноугольная 9,3 Мукомольная 7,9 Нефтедобывающая 5,4 Машиностроение общее 5,1 Бумажная 4,6 |
Лесопильно-фанерная 2,4 Сахарная 2,3 Цементная 2,2 Основная химическая 1,9 Шелковая 1,9 Прочие 21,0 |
Сектор централизованного энерго-
и электроснабжения из года в год завоёвывает руководящие позиции как более
высокий технический тип электрификации. По степени централизованной электрификации
мы уже опередили такие страны, как Англия, Германия, находясь еще несколько
позади САСШ.
В развитии энергетики огромную роль играет фактор нагрузки.
В капиталистической энергетике, как мы уже отмечали, нагрузка составляет одну
из актуальнейших и неразрешимых проблем. В этой области плановое
социалистическое хозяйство уже обеспечило огромные преимущества перед
капиталистическими странами.
Один установленный киловатт мощности на наших
электростанциях (общего пользования) уже в 1929/30 г. давал в среднем около
3500 квтч в году, в то время как в Англии напр. Один
установленный киловатт давал всего около 1800 квтч, в
германии – около 2190 квтч, в САСШ – около 3140 квтч, в Италии и Бельгии – около 2500 квтч.
Эти сравнительные данные относятся еще к годам, предшествовавшим мировому
кризису. Кризис привел к абсолютному снижению нагрузки в энергетическом
хозяйстве капиталистических стран, в то время как у нас кривая нагрузки
неуклонно росла и растет вверх. Коэффициент использования промышленных станций в СССР с 24,9 % (2180
часов) в 1925/26 г. поднялся до 33,1 % (около 3000 часов) в 1929/30 г., а
районных станций с 34,5 % (3025 часов) до 42 % (3670 часов).