// Промышленная энергетика. - 2015. - № 5. - С. 14-22.

 

Расчет электрических нагрузок потребителей:

история, состояние, комплексный метод

 

Б. И. Кудрин, доктор техн. наук

НИУ «МЭИ»

 

Определение параметров электропотребления (объемов и мощности) является и будет оставаться важнейшей задачей потребителя на самую отдаленную перспективу. Но она связана,  не только с расчетом электрических нагрузок, но явно или неявно с уровнями системы электроснабжения. Множество методик расчета нагрузок основывалось на однозначном сложении или статистическом получении результата путем введения эффективного числа приемников, наиболее загруженной смены, что приводило к снижению до единицы коэффициента максимума. К настоящему времени все эти расчеты заменены комплексным методом, модифицирующимся под исходные данные, определяемые заказчиком.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Ключевые слова: расчет электрических нагрузок, уровни системы электроснабжения, комплексный метод, удельные и общие расходы, электроемкость, прогнозирование и ценологическая оценка электропотребления множеством потребителей объекта

 

Журнал «Промышленная энергетика» – единственное из печатных изданий, формализовавшее сложившиеся в 20–40-х годах ХХ века интуитивные представления об энергосбережении и энергоэффективности, нормировании, расчете электрических нагрузок, компенсации реактивной мощности, схемных решениях, организации эксплуатации и ремонта электрооборудования и сетей, взаимодействии с электроэнергетикой в части присоединения, оплаты за энергию и мощность.

В течение 70 лет журнал освещал проблемные вопросы построения, функционирования, эволюции электрического хозяйства потребителей, чем в немалой степени способствовал формированию электрики, которая   как специальность «Электрооборудование и электрическое хозяйство предприятий, организаций и учреждений» в настоящее время преподается в 53 вузах страны. Созданный в 1944 г.  журнал, по существу, стал базовым в решении проблем потребителя, в частности экономии им электроэнергии. Поэтому симптоматично, что с первого же номера в нем в соответствии с постановлением Государственного Комитета Обороны, обязавшего все наркоматы представлять в Госплан технически обоснованные удельные нормы расхода электроэнергии на основные виды продукции, экономия электроэнергии рассматривается как важнейшая задача и военного времени, и постиндустриальной эпохи. Директивно указывалось [1], что «…методология составления удельных норм должна базироваться только на аналитически расчетной и экспериментальной основе при всестороннем учете всех факторов, влияющих на электропотребление, и решительно должен быть отвергнут как порочный так называемый статистический метод». Т.е. предполагалось, что определять электрическую нагрузку следует путем расчетов, основанных на первой научной картине мира Ньютона – Максвелла, господствовавшей  с конца ХIХ века и составившей теоретические основы электротехники.

Существовавшее общее и правильное утверждение, что потребляемая (расчетная) мощность Рр зависит от производительности Q, т. е. Р=f(Q), дополняли тем, что она должна быть вычислена для каждой машины, каждого механического режима (процессов подачи, обжатия при прокатке), для всех выпускаемых деталей и конкретно для каждой из них, для каждого исполнительного механизма, каждого сорта продукции, каждой технологической операции  в общем потоке выпускаемого проката [2]. Но можно ли это сделать, например, для 2000 двигателей механического цеха или 6000 двигателей цеха жести крупного предприятия, учитывая изменения коэффициента вариации их токов за час, смену, сутки, месяц, год? Поэтому очевидно, что действовавший в стране подход к определению расчетной нагрузки и экономии был ошибочным. Десятилетиями указывавшиеся в государственных отчетах значения расхода электроэнергии на двигатели, электротермию, освещение, а также приводимые сведения о потерях являлись не результатами измерений, в «потолочными данными».

На самом деле о реальной энергоэффективности можно судить только по результатам приборного контроля и учета электроэнергии, осуществляемых на основе административно-технологического устройства предприятия (объекта), совмещенного с шестью уровнями системы электроснабжения [3, 4]. Именно поэтому проблема определения нагрузок стала крайне актуальной.

Обратимся к истории электрификации. В 1913 г. в России было 690 электрических станций общего пользования и 1255 фабрично-заводских (с суммарной годовой выработкой 1945 млн кВт∙ч), где нагрузка рассчитывалась комплексно по объекту. В [5] отмечалась, что до тех пор, пока электростанции обслуживают небольшие районы, их доходы невелики, поэтому «необходимо сооружение силовых станций и распределительных сетей для больших районов» напряжением 110 кВ, 20 кВ и 6,6 кВ.

При расчете электрических нагрузок для района и для отдельного потребителя, исходя из заданного количества электроприемников и режимов силовой нагрузки  (электротермии и сварки, транспорта, освещения и др.) наиболее часто стали использовать введенный в 1891 г. Р. Кромптоном коэффициент спроса Кс,  определенный в [6] как «отношение потребляемой любой группой электроприемников максимальной мощности к сумме номинальных мощностей электроприемников данной группы». Как оказалось в дальнейшем, рассматриваемый  коэффициент зависит от коэффициента одновременности Ко [7]. Помимо указанного на основании постоянной времени нагрева проводников малых сечений было обосновано применение 30-минутного максимума Р30 (утвержден в 1955 г. ГПИ «Тяжпромэлектропроект», но потерял смысл применительно к оптовому рынку, для которого принят часовой интервал максимальной нагрузки). В дальнейшем для  расчета нагрузок (их удельной плотности технологического почасового/поминутного графика, коэффициента спроса) стали применять разные коэффициенты (использования, включения, загрузки, формы, заполнения; неравномерности, совпадения по времени и максимуму, сменности по электропотреблению) и формализованные (упорядоченных диаграмм, вероятностного моделирования графика нагрузки, собственно статистические методы).

Потребовалось уточнение понятия максимума нагрузки (мощности): электроустановки, группы электроустановок, агрегата; участка, отделения, цеха, производства, предприятия,  также понятий рабочая, располагаемая, установленная, присоединенная, резервная мощность, ограничение по мощности. Кроме того, было введено понятие пиковой нагрузки – максимальная электрическая нагрузка потребителя по условиям технологии, а также электроэнергетической системы в определенном интервале времени (обычно сутки).

К решению проблемы расчета электрических нагрузок, мощности и расхода электроэнергии с начала индустриализации обращались многие специалисты, используя для этого разные подходы. На совещании ведущих энергетиков России в 1913 г., где было отмечено, что имеется «много мелких, нерационально эксплуатируемых электрических станций», П. Гуревич делает вывод о том, что "Несомненные выгоды концентрации производства электрической энергии в немногих особенно пригодных для этого пунктах привели постепенно к образованию так называемых районных станций, обслуживающих не один только город с его ближайшими окрестностями, но целые области с сотнями городов и селений" («Электричество», 1913, № 1). Из трех возможных путей электрификации, по его мнению, правильным был бы тот, при котором «государство взяло в свои руки не только производство электрической энергии, но и передачу ее даже мелким потребителям, иначе говоря, ввело бы производственную и торговую монополию" («Электричество», 1913, № 2–3).  Именно это убеждение, что «Единственно разумным решением вопроса заключается в выработке единообразного плана электрификации России с монополизацией производства электрической энергии в руках государства" («Электричество», 1917, № 2–3)  легло в 1920 г. в основу плана ГОЭЛРО [11], реализовавшего идеологию централизации энергии всей страны. Это был первый в мире единый общегосударственный перспективный план комплексного развития народного хозяйства на базе электрификации. Созданный лучшими учеными, он отражал достигнутый к тому времени уровень знаний прежде всего в классической физике, которая в механике опиралась на законы Ньютона, в электротехнике _ на уравнения Максвелла (и связывающий их закон Лоренца).

Как концепция программно-хозяйственного управления план ГОЭРЛО заслуживает высокой оценки. Пока реализация принципов плана улучшала кривую Н-распределения в энергетике (и промышленности), концепция способствовала повышению эффективности народного хозяйства. Но к 80–90-м годам она вошла в противоречие с развитием общества, и придерживаться этих принципов стало ошибочным. Что Федерального закона «Об электроэнергетике»,  он  не ставил задачу «электрифицировать всю Россию», как не ставит ее и Стратегия модернизации электроэнергетики до 2035 г.

После 1917 г. в стране было введено в строй 11,2 тыс. предприятий, в том числе 500 крупных заводов. Для обеспечения их функционирования, а также для строительства других предприятий потребовалась организация надежного электроснабжения.

Решением об индустриализации на образованный в 1926 г. «Гипромез» было возложено проектирование всех «металлических заводов» (см. таблицу). Учитывая многочисленную потребность в них, а также и специфику к концу 80-х годов  в стране создали 1800 проектных институтов, проектировавших новые заводы под его руководством. 

Принимавшиеся им  решения, например, построить три одинаковых завода и по одним чертежам противоречили основам ценологической теории [8], поскольку заводы, имеющие совершенно одинаковые исходные технологические данные и построенные по одинаковому (и даже одному) технологическому заданию, могут значительно различаться. Это подтвердилось в 70-х годах, когда по одному заданию было начато строительство трех металлургических заводов  – Белорусского, Молдавского, Дальневосточного, но «одинаковые заводы» не получились. В результате из-за разницы в сроках их пуска в капвложениях для выяснения причин этих различий потребовалось создание правительственной комиссии.

 

Предприятие (годовая производительность)

Установлено электродвигателей

Всего

особей

Общая мощность,

кВт

Средняя мощность, кВт

низковольтных

в целом по заводу

Магнитогорский металлургический завод, (656 тыс. т чугуна)

1334

60 000

21

44

Криворожский металлургический завод, (656 тыс чугуна)

1380

55 000

22,3

40

Кузнецкий металлургический завод, (656 тыс. т чугуна_

1042

40 500

19

38,5

Днепросталь (1055 тыс. т чугуна)

2448

156 000

40,1

43,5

Нижнетагильский вагоностроительный завод (12 000 большегрузных вагонов)

1750

14 600

4,7

8,4

Сталинградский тракторный завод (20 000 тракторов 10/20 л.с.)

1548

5310

3,2

3,2

Свердловский машиностроительный завод

1021

6430

6

6

 

По каждому из 500 крупных заводов разрабатывался проект, (подобный проекту Магнитогорского металлургического завода [9], включающий собственно завод, сырьевую базу и прилегающий поселок. Все вопросы электроснабжения решались потребителем самостоятельно.

Важно отметить, что в 30–60-е годы все строящиеся заводы сами совместно с проектными институтами определяли электрическую нагрузку предприятия и цехов и требующуюся мощность, а питание обеспечивала   (согласно расчетам «Энергосетьпроекта» и «Теплопроекта»). энергосистема. Вернуться к этому – задача ФЗ «О потребителе».

Рассмотрим изложенное [10] применительно к системе электроснабжения потребителя, когда расчет нагрузки ограничивался выбором мощности трансформаторной подстанции 6 кВ, которая питала «промежуточные узлы» 0,4 кВ (распределительные пункты – ПР, щиты, щитки, сборки, шкафы) по ограниченному числу отходящих линий, каждая из которых питает другой узел или группу сосредоточенных электроприемников. В 30-е годы нагрузку группы рассчитывали по коэффициенту спроса и другим коэффициентам, представляемым иностранными фирмами в табличном виде по всем известным наименованиям электроприемников для различных отраслей промышленности. В конце 40-х при реализации планов послевоенного восстановления и развития народного хозяйства основой справочников и учебников стали материалы Гипромеза по расчету нагрузок [11].  В 1969 г. Тяжпромэлектропроект, став головным по проектированию электроснабжения и электрооборудования, в качестве основного метода расчета нагрузок  утвердил метод упорядоченных диаграмм [12], который нашел широкое применение. В дальнейшем для определения нагрузок были введены Указания [13], где сделан шаг к использованию комплексного метода. Позднее разработка отраслевых норм стала обязательной для всех проектных институтов.

Поясним на примере бытового, цехового или находящегося в супермаркете холодильников каждую из трех узловых точек научно-технического прогресса (НТП). При проектировании холодильника в точке НИОКР, определяют его расчетные параметры (включая электропотребление). Затем при использовании, в пределе системы уравнений Ньютона–Максвелла создается вид. Далее с применением соответствующей техники, по разработанной технологии, из определенных материалов изготавливается продукт (с экологическими ограничениями) – множество штук-особей холодильников этого (одного) вида, каждый из которых имеет паспорт-номер. Это и есть первая точка НТП, называемая машиностроением.

Важно, что при переходе от идеального представления вида (генотипа-образа, чертежа) к реальному воплощению всегда существуют отклонения в габаритах, массе, расходах энергоресурсов и пр. Это неизбежно, и в этом суть второй вероятно-статистической картины мира: поскольку невозможно точно сделать рассчитанное. Поэтому в паспорте холодильника, станка указаны параметры, определенные с допуском отклонений в рамках нормального закона. При этом энергоэффективность холодильника определяется путем сравнения его с другими находящимися в одном классификационном диапазоне по видовым параметрам.

Далее холодильник попадает в квартиру (в частности, доцента [14]) или цех и вместе с другими техническими изделиями образует техноценоз. Казалось бы, проектировщик, выполняющий рабочие чертежи здания цеха, может выбирать, что и где приобрести, куда и как установить. Но это далеко не так. Холодильник, с одной стороны,  должен «вписаться в окружающее», а с другой – удовлетворить заказчика (покупателя). Конечно, здесь уже нельзя полагаться на то, что все можно рассчитать, хотя сохраняется убежденность в возможности расчетов по второй вероятно-статистической картине.

Возникает вопрос вопрос: на что теоретически опирался расчет Рmах, (действовавший весь ХХ век и устаревший к началу ХХI), когда  утверждалось, что  «Групповая нагрузка есть сумма индивидуальных графиков независимых электроприемников, а случайная величина силовой нагрузки подчиняется нормальному закону распределения». В 60-е годы доказывали следующее: «При большом числе электроприемников стрелка амперметра была бы фактически неподвижной, отклоняясь не больше того, что требует нормальное распределение, так как случайное отключение (или сброс нагрузки одним электроприемником) тотчас компенсировалось бы другим». Из этого теоретического убеждения делали выводы о возможности ограничения реализацией одной нагрузки для назначенной расчетчиком наиболее загруженной (!) смены и использования электрической нагрузки как случайной величины, для утверждения (централизованно) нормативных коэффициентов, удельных расходов электроэнергии на единицу продукции, плотностей нагрузок, руководствуясь математическим ожиданием (по Гауссу).

Любые внешние обстоятельства (рождение ребенка, изменение объемов поставки) приводят к изменениям электропотребления. Можно задаться целью исследовать их в течение года,  но зачем? Выявить расход электроэнергии в квартире расчетным путем – бессмысленная задача,  правильнее обратиться к показаниям счетчика. В еще большей степени это относится к промышленным предприятиям.

Теперь можно назвать третью узловую точку НТП – информационный отбор, который дает возможность оценить и документально зафиксировать: хорошо ли сконструировано изделие (штрих-код в магазине),  соответствует ли оно наполнению квартиры или цеха.

При данном подходе решение проблемы оценки результаты энергосбережения оценивают следующим образом: 1) конвенционно выделяют объект – здание, сооружение, где учет электроэнергии осуществляется по счетчику; 2) для объекта, характеризуемого технологическими или иными показателями, определяют (по счетчику) расходы электропотребления А и Ауд за иерархически выделенный временнóй ряд (час, смену, сутки, месяц, год); 3) осуществляют его ранжирование по исследуемому параметру [8]; 4) на основе кластер-анализа структурно-топологически оцениваются объем энергосбережения и энергоэффективность объекта во времени, анализируют ценологические выбросы и отклонения.

Рассмотрим еще один пример, касающийся коэффициентов. На угольных шахтах (рудниках) для откачки из зумпфа сточных вод  устанавливают три насоса (группы), с электродвигателями, каждый из которых питается по отдельному кабелю от своего источника питания. Мощность каждого насоса достаточна для откачки суточного поступления воды,  но при ливнях в осенний и весенний периоды могут вызвать необходимость работы всех трех насосов. Каким же в этом случае должен быть коэффициент одновременности, точнее – какая расчетная нагрузка должна приниматься на уровне шахты в целом?

Завышение в разы общих нагрузок по заводу и отдельным производствам  (особенно по зарубежным объектам) при их определенном методом упорядоченных диаграмм вызвало неприятие его теоретических основ [12]. Приведем следующий пример [3, 15]  эффективности применяемого для таких расчетов комплексного метода [16, 17]. В декабре 1975 г. Минчерметом был подписан протокол, определивший согласно указанному выше методу нагрузку Оскольского металлургического комбината 01.01.1983 г. в размере 1700 МВт. В связи с этим под двойную нагрузку  были построены две районные подстанции (с ЛЭП 750 кВ от Курска и ЛЭП 500 кВ от Воронежа) от каждой из которых по двум кабелям 330 кВ питалась заводская подстанция 330/110 кВ.  В 1976 г. расчет нагрузки на 1990 г., проведенный уже  комплексным методом, показал, что она не превысит 300 МВт (фактически она оказалась равной 290 МВт), на 2000 г. – 600 МВт (в реальности она соответствовала этому значению). Еще один пример. При выплавке 1 т чугуна в доменной печи Новолипецкого металлургического комбината удельный расход электроэнергии, расcчитанный комплексным методом составил 110 кВт∙ч  (прогнозное значение – 102 кВт∙ч) против 285 кВт∙ч, заявленных в проекте, и 320 кВт∙ч, заявленных ранее комбинатом при использовании прежнего метода расчета. 

Широкое обсуждение этого вопроса проектировщиками, учеными, преподавателями вузов, практиками-электриками [18], а также с ними дискуссия страницах журнала «Промышленная энергетика» (1986, № 3, 4, 11; 1987, № 8; 1989, № 1; 1990, № 8) привели к использованию при расчете нагрузок комплексного метода [17] и отказ от ежегодных массовых конференций и публикаций по теории расчета нагрузок.

Расчет электрических нагрузок предполагает четкое разделение уровней системы электроснабжения, соответствующее классификации потребителей электроэнергии по значению мощности и месту присоединения к источнику питания (см. рисунок).

 

В первых проектах назывались три уровня и источник питания [9]. Это было теоретически обосновано [10] и согласно решению Электропрома Наркомтяжпрома требовалась «неуклонность исполнения». Фактическое повышение питающего напряжения, увеличение количества и разнообразия электроприемников привели к фиксации десятка и более уровней [11]. Речь идет о концептуальном количестве уровней [3, 4], каждый из которых отличается качественно.

Теоретически и практически следует различать следующие уровни (ступени) системы электроснабжения предприятия (см. рисунок):

      первый уровень (1УР) – отдельный электроприемник – аппарат, механизм, установка, агрегат (станок) с многодвигательным приводом или другой группой электроприемников, связанных технологически или территориально и образующих единое изделие, с определенной (документально обозначенной заводом-изготовителем) паспортной номинальной мощностью (отдельным приемником электрической энергии может быть трансформатор или преобразователь, преобразующий электроэнергию в электроэнергию с другими параметрами по напряжению, роду тока, частоте, и питающие, обычно блочно, специфические электроприемники или их группы);

      второй уровень (2УР) –распределительные щиты и распределительные пункты напряжением до 1 кВ переменного и до 1,5 кВ постоянного тока, щиты управления и щиты станций управления, шкафы силовые, вводно-распределительные устройства, установки ячейкового типа, шинные вводы, сборки, магистрали;

     третий уровень(ЗУР) – щит низкого напряжения трансформаторной подстанции 10(6)/0,4 кВ или сам трансформатор (при рассмотрении следующего уровня  загрузка трансформатора осуществляется с учетом потерь в нем);

      четвертый уровень (4УР) – шины распределительной подстанции РП 10(6) кВ (при рассмотрении следующего уровня учитывается загрузка РП в целом);

     пятый уровень (5УР) – шины главной понизительной подстанции, подстанции глубокого ввода, опорной подстанции района;

      шестой уровень (6УР) – граница раздела предприятия и энергоснабжающей организации: заявляемый (договорной), присоединяемый, лимитируемый, контролируемый и отчетный уровень.  6УР может совпадать и с 2УР, и с 3УР, и с 4УР, и с 5УР.

Разные масштабность и сложности электрического хозяйства потребителей предполагают различные решения по электроснабжению, включая расчет нагрузок, а также организационно-технические и экономические подходы к решению проблем их электрообеспечения и электросбережения. Можно выделить следующие конкретные группы потребителей:

1)  мини-потребитель, питающийся на низком напряжении с 2УР( примерно 90 % потребителей РФ) и не имеющий электрослужбы;

2)  мелкий потребитель, имеющий трансформаторные подстанции (один трансформатор или несколько) с высшим напряжением 10(6) кВ или 20 кВ (около 9 %);

3)  средний потребитель, имеющий распределительные подстанции и развитое электрохозяйство со своей электрослужбой (приблизительно 0,9 %);

4)  крупный потребитель, имеющий главную понизительную подстанцию (подстанции) с высшим напряжением 35–330 кВ и специализированные цеха (подразделения в составе электрослужб) или привлекаемые сервисные организации.

На стадии предынвестиционных работ нельзя рассчитывать электрические нагрузки на основе данных об электроприемниках до 1 кВ и их количестве, как это делалось в [10, 19]. При обосновании инвестиций никто не может знать, сколько будет этих нагрузок и какие у них параметры (номинальные значения, cos φ, коэффициенты Ки, Кс, Кз каждого). А именно о необходимости наличия этих сведений ставился вопрос в [8, 10, 12, 19]. Фактически данные о каждом электроприемнике появляются на стадии рабочей документации, когда задаются пространственные координаты и место их присоединения. Но и здесь, надо заметить, приведенные коэффициенты не нужны, так как кабель и автомат для отдельного электроприемника выбирают исходя из его номинальной мощности.

Инвестиционное строительство нового предприятия, а также расширение, реконструкция, модернизация действующих осуществляется на основании решений, принимаемых на предпроектных стадиях и при технико-экономических обоснованиях. Необходимость предпроектных стадий сохраняется при любых решениях, требующих финансовых и иных затрат. В это время не только неизвестны отдельные электроприемники, но не определены все цеха (заданы лишь важнейшие из них), здания и сооружения, а в основных цехах –все отделения и участки, которые необходимо присоединить к энергосистеме. Каждый электроприемник и вопросы его электроснабжения рассмотрены лишь в рабочей документации. Кроме того, на ГПП и РП отдельно от технологической части предпроектные стадии, как правило, отсутствуют.

Для предприятий, электроснабжение которых осуществляется от 3УР, электрическую часть на предпроектной стадии, выполняют упрощенно: главным образом решают вопросы технологического присоединения, следовательно, определяют Рmах и расход электроэнергии А.

Первое принципиальное положение, отражающее усложнение окружающего мира, заключается в определении электрических нагрузок сверху вниз: для 6УР расчет производится до установления полного перечня цехов, зданий и сооружений: решение по ГПП принимается до определения количества РП и высоковольтных двигателей; решение по РП – до выявления всех трансформаторов 10/0,4 кВ и питающихся от РП двигателей. Определение места установки и мощности трансформаторов 3УР предшествует, как правило, выявлению всех шкафов 2УР и всех электроприемников, которые будут подключены к этим трансформаторам. Лишь выбор элемента 2УР, производимый на стадии рабочей документации, определяется конкретными электроприемниками (хотя для гибких производств и для ряда цехов и отделений известны проекты, где шкафы 2УР определялись строительным модулем, магистральные шинопроводы ШМА всегда, а распределительные шинопроводы ШРА в большинстве случаев проектируются и сооружаются до получения исходных данных о каждом электроприемнике 1УР).

Второе принципиальное положение отражает количественное увеличение установленного электрооборудования и заключается в практической счетности (бесконечности) установленных электроприемников (даже в квартире доцента). С проблемой практической счетности связана проблема ценологичности, ведущая к Н-распределению

Комплексный метод включает: 1) создание информационного обеспечения; 2) классификацию объектов электроснабжения, применение распознавания образов, экспертных систем и кластер-анализа; 3) использование прогноза на всех уровнях системы электроснабжения, в том числе при сооружении крупных агрегатов.

Расчеты комплексным методом выполняет специалист, решающий вопросы электроснабжения 4УР–6УР. Он же осуществляет их от верхних уровней к нижним и заканчивает определением количества и мощности трансформаторов 0,4 кВ (3УР). При наличии статистических данных и опыта метод применим как для 3УР (мелких предприятий и отделений цеха), так и для 2УР (мини-предприятий и участков). При определенной технологии используют информационную базу аналогов, создавая некоторый образ, качественные стороны которого принципиально неформализуемы.

Комплексный метод предусматривает одновременный расчет максимальной нагрузки с использованием следующих параметров:

электроемкости продукции Эi 6УР:

Ф

PmaxiМi /Тmах,                                                                               (1)

где Мi – объем технологической продукции i-го вида; Тmах – число часов использования максимума;

общегодового электропотребления А или среднегодовой мощности Pcpг на 6УР – 4УР:

Pmax=КмА/Тг=КмРср,                                                                     (2)

где Кmax – среднегодовой коэффициент максимума; Тг=8760 – число часов в году;

удельного годового расхода электроэнергии Ауд на 5УР – 3УР:

Pmax=Кmax(АудМi/Тi),                                                     (3)

где Тi – годовое число часов работы цеха;

среднегодового коэффициента спроса Кс на 6УР–2УР:

Рmax=КсРу,                                                                                       (4)

где    Ру – установленная мощность        ;                                                                

удельных мощностей нагрузок на 6УР–2УР:

Рmax=γF,                                                                                          (5)

где γ – удельная мощность (плотность нагрузки); F – площадь предприятия, района, цеха, отделения, участка;

6) прогнозирования временных рядов на 6УР–2УР:

Рmax=f(Mj),..., W1=f1(A, t),..., W2=f2(M1, t),...,                      (6)

где Wj  – матрица показателей, определяемая временным рядом;

профессионально-логического анализа:

Рmax={P0, Wi}                                                                                  (7)

где Р0 – матрица электрических показателей, характеризующая кластер объекта (электрического хозяйства).

В качестве расчетной мощности Рр=Рmax для каждого электроприемника 1УР с длительным режимом работы при выборе коммутационной аппаратуры и проводников принимают его номинальную (установленную) мощность Рр=Рmax=Рном=Ру. Изменением значения КПД и коэффициента мощности при изменении нагрузки пренебрегают. Под номинальной мощностью агрегата с многодвигательным приводом как электроприемника понимают сумму номинальных мощностей все двигателей. Если два и три приемника образуют группу, питающуюся по одному проводнику от одного коммутационного аппарата, то Рр=Рmax. определяется как сумма их номинальных мощностей.

Таким образом для 1УР расчет электрических нагрузок для целей электроснабжения не производится, а выбор электрооборудования осуществляется по Рном. Определение коэффициентов Кв, Кс, Ки, Кmax, Ко и выделение резервных электроприемников не требуются. Понятие наиболее загруженной смены не используется, коэффициент максимума не уменьшается.

Использование комплексного метода предполагает, что принимая за основу электрические показатели специалист может оценить полученные результаты, сам же метод, по существу, представляет обобщение результатов. Речь идет о принятии концептуальных положений, определяемых третьей научной картиной мира, которая соответствует нынешнему этапу развития цивилизации и современным реалиям информационного общества.

Заметим, что к 1990 г.  данные  Минчермета СССР об удельном расходе электроэнергии на 1 т проката на разных предприятиях различались на два порядка (например, на Верх-Исетском металлургическом заводе они составляли 3179, на Константиновском – 40,4 кВт∙ч), а на 1 т чугуна – в 10 раз.

Различие удельных расходов энергоресурсов на производство одной и той же продукции в разы преодолевается путем построения рангового гиперболического распределения, например, Ауд чугуна, электростали, проката, другой продукции. Это и позволяет принять «образ» объекта (завода, цеха).

По окончании расчета должно быть проведено сравнение результатов, полученных разными методами, и представлено обоснование принятой нагрузки. Соотношение максимумов нагрузки по уровням (верхний индекс) представляет неравенство Р6max<Р5max<Р4max<Р3max<Р2max, проверяемое коэффициентом участия в максимуме.

Проблему определения расчетной нагрузки Рр=Рmax нельзя считать сложной, пока речь идет о нескольких приемниках с известными параметрами и режимами (высоковольтные двигатели 3–10 кВ, дуговые печи и другие единичные электроприемники 35, 110 и даже 220 и 330 кВ). Но когда на объекте предполагается установить 100 – 300 электроприемников (и до 100 тыс.), когда суточные (часовые) режимы различны, а годовые невозможно представить с достаточной для инженерных расчетов точностью, то с полным основанием можно говорить о сложной системе свойств, являющихся композицией вероятностных и ценологических ограничений. Именно для таких систем проблема определения Рр неоднозначна.

Другими словами, расчет нагрузок можно свести (с инженерным допущением) к «таблице умножения», выбрав из справочников технологическое (сантехническое и проч.) оборудование и умножив на жестко определенные значения величин Ки, Кс cos φ. Но такое определение нагрузок правомерно, когда возникает вопрос о выборе кабеля (проводника), питающего шкаф или щит 0,4кВ в 8, 12, 16-ю присоединениями. Если объект по количеству электроприемников и их паспортам не определяем, и 2УР(3УР) являясь одновременно границей раздела, выполняет функцию 6УР, то необходимы знания об объектах-аналогах, крупнейших (технологических и иных) электроприемниках и их режимах.

Таким образом, при расчете нагрузок, используя выражения (1) – (5) и выстраивая Н-распределение по параметру приходим  от прямого однозначного метода их определения к профессионально-логическому техническому анализу (к человеческому опыту и интуиции специалиста). Понимание логики ценологической методологии позволяет овладеть методикой расчетов нагрузок, дающей результаты, близкие к реально необходимым для проектирования и нормирования.

 

Список литературы

 

1. Карасев И. П. Экономия электрической энергии – важнейшая народно-хозяйственная задача военного времени. – Промышленная энергетика, 1944, № 1.

2. Розенман Е. А. Нормирование электроэнергии в листопрокатном производстве. – Промышленная энергетика, 1944, № 4–5.

3. Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. для вузов. 3-е изд. – М.: ИнтерметИнжиниринг, 2007.

4. Кудрин Б. И. Электроснабжение: Учеб. для студ. учреждений высш. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2015.

5. Шмидт К. К. К вопросу о сооружении районных подстанций. – Электричество, 1912, № 17.

6. Лившиц С. М. Методы расчета электрических нагрузок промышленных потребителей. – Промышленная энергетика, 1948, № 2.

7.  План ГОЭЛРО. 2-е изд. – М.: Госполитиздат, 1955. – 660 с.

8. Ценологическое видение сообществ материальных и идеальных реальностей: фундаментальность теории и всеобщность практики. Обобщающие материалы по общей и прикладной ценологии. Вып. 53. "Ценологические исследования". – М.: Технетика, 2014.

9. Магнитогорский металлургический завод (Проект). – Л.: Издание Гос. ин-та по проектированию новых металлозаводов, 1929.

10. Либерман А. С. Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий. – Ростов-на-Дону: Агрохозиздат, 1937.

11. Федоров А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1967.

12. Каялов Г. М. Развитие теории методов определения электрических нагрузок  (Материалы науч.-техн. совещания по определению электрических нагрузок и регулированию напряжения промышленных предприятий). – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1957.

13. РТМ 36Л8.32.6–92. Указания по расчету электрических нагрузок. Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок. – ВНИИПИ Тяжпромэлектропроекта им. Ф. Ю. Якубовского, 1992, № 7–8.

14. Зайцев Г. З., Божков М. И. Техноценологический взгляд на электрификацию жилья и быта. – Электрика, 2001.

15. Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. для студентов вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1995.

16. Кудрин Б. И. Основы комплексного метода расчета электрических нагрузок. – Промышленная энергетика, 1986, № 11.

17. Кудрин Б. И. Комплексный метод расчета электрических нагрузок. Учебное пособие для студентов по курсу «Основы электроснабжения промышленных предприятий» / ред. Е. В. Чеботарев. – М.: МЭИ, 1987.

18. Жилин Б. В. Проблемы расчета 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, 22 апреля 1988 г., Москва. – Тула: Приокское кн. изд-во, 1996. – 129 с.

19. Хрущов В. Новый метод расчета сетей. – Электричество, 1917, № 19–20.