Нагрузка

Нагрузка (электрическая) — это электрическое устройство или элемент оборудования или любая комбинация и их количество, соединённые параллельно с системой электропитания и специально предназначенные для потребления активной электрической энергии с целью преобразования её в полезную работу.

Общие сведения

Термин Нагрузка также зачастую обозначает фактические значения активной и реактивной мощности потребляемые различными устройствами в узле расчётной модели, с учётом потерь мощности в электрической сети (связывающей рассматриваемые шины и конечные устройства).

С точки зрения математического моделирования процессов в энергосистеме, термин «Нагрузка» представляет собой компонент энергосистемы, который при нормальной работе не генерирует активную мощность и не участвует в передаче и распределении электрической энергии. Обобщённое представление нагрузки может включать не только подключенные устройства потребления электрической энергии, но и потери в сетевых элементах. Это особенно справедливо при рассмотрении обобщённой нагрузки на шинах высоких классов напряжений (более 110 кВ), так как будут учитываться дополнительно ещё устройства компенсации реактивной мощности, системы управления и регулирования напряжения, а также распределённая генерация.

Моделирование нагрузки

В математических моделях энергосистем, используемых для решения задач планирования и управления режимами, под нагрузками узлов понимаются генерация или потребление активной и реактивной мощности в узлах схемы замещения электрической сети. Величина нагрузки в узле в каждый момент времени определяется нагрузками множества приемников электрической сети, подключенной к этому узлу и количеством потерь в этой сети. В свою очередь количественный и качественный состав узлов зависит от уровня эквивалентирования схемы замещения электрической сети.

По способу формирования величины нагрузки целесообразно выделить следующие типы:

• суммарное потребление энергосистемы или фрагмента энергосистемы;
• генерация одного или группы генераторов;
• суммарное потребления на шинах (секции шин) одной подстанции;
• межсистемные перетоки активной и реактивной мощности (используются при декомпозиции математической модели большой энергосистемы на подсистемы);
• условная нагрузка (обычно так моделируются потери мощности).

Генерация рассматривается как суммарная мощность источников электрической энергии в узле схемы замещения.

Потребительская нагрузка формируется из прямых измерений мощности, потребляемой в узле, либо рассчитывается косвенно по измерениям потоков мощности в элементах электрической сети.

Межсистемные перетоки можно представить как нагрузку в узлах, граничащих с другими энергосистемами. расчёт для этого типа нагрузки обычно ведется по прямым измерениям перетоков активной и реактивной мощности в линиях, входящих в межсистемную связь.

В отдельных случаях требуется введение условных нагрузок, реально отсутствующих в схеме замещения энергосистемы, например, для учета потерь мощности в электрической сети каждой энергосистемы или района для обеспечения баланса нагрузок узлов по мощности и энергии. Значения потерь мощности получают по результатам работы алгоритмов оценки состояния или расчёта установившихся режимов для соответствующих срезов времени.

При формировании и расчёте значений нагрузки во временном аспекте, можно выделить следующие типы информации:

• текущую;
• прогнозную;
• ретроспективную.

Текущая информация о нагрузках в узлах электрической сети наряду с другими параметрами режима (частотой, узловыми напряжениями, потоками мощности по элементам сети и др.) используется диспетчером для оценки надёжности и экономичности режима, контроля отклонения фактического режима потребления электроэнергии от запланированного, принятия решений по коррекции режима (дополнительной оптимизации), ликвидации последствий аварийного режима.

Точность информации в этом случае во многом определяет правильность оценки текущего электрического режима энергосистемы, своевременность и величину управляющих воздействий по экономичному ведению режима оперативно-диспетчерским персоналом энергосистемы. Прогнозные значения рассчитываются на заданный интервал упреждения, длительность которого зависит от цикла управления. Краткосрочное планирование режимов предусматривает прогноз -суточные графики нагрузки энергосистемы и их узлов — на следующие 1-5 суток. В оперативном цикле управления временной диапазон прогнозирования охватывает интервалы времени от предстоящих 10-15 минут до нескольких часов.

Прогнозы суточных графиков нагрузки при краткосрочном планировании используются для расчёта оптимальных режимов по активной мощности, распределения резервов, разрешения оперативных заявок на вывод в ремонт основного генерирующего и сетевого оборудования с учетом требований надёжности. Ошибки краткосрочных прогнозов ведут к необоснованным расходам топлива на холостой ход резервных агрегатов при завышенном прогнозе, ущербу из-за чрезмерных ограничений потребителей электроэнергии вследствие недостатка генерирующей мощности в случаях, когда прогноз оказывается заниженным.

Оперативный прогноз потреблений и нагрузок узлов используются в качестве входных данных для следующих задач:

• упреждающей оценки надёжности энергосистемы;
• коррекции режима с точки зрения экономичного распределения нагрузки между генераторами электростанций.

Погрешности оперативного прогноза нагрузок в узлах могут привести к расчёту потокораспределения, который не соответствует реальному электрическому режиму, и, следовательно, к выработке неоптимальных действий управления.

Ретроспективная информация используется в следующих целях:

• формирование отчетной документации о ведении режимов (суточная ведомость);
• формирование баз данных о поведении основных параметров электрического режима за прошедший период, в том числе интегральных характеристик.

Особое внимание при обработке ретроспективных данных уделяется согласованию разнородной и дополнению недостающей информации, например, по условию баланса мощности нагрузки отдельных узлов и энергоситсемы в целом. Наличие достоверной и сбалансированной базы данных позволяет рассчитывать более точные прогнозы для целей оперативного управления и краткосрочного планирования, выполнять анализ аварийных режимов и нештатных ситуаций, а также обеспечивать необходимой информацией различные обучающие и тренажерные комплексы, например «Тренажер диспетчера ОЭС, ЭЭС и ПЭС», «Тренажер технолога по электрическим режимам».

Информация о нагрузках энергосистемы является важнейшей компонентой при принятии решений в процессе краткосрочного планирования и оперативного управления режимами энергосистемы. Качество этой информации существенно влияет на эффективность оперативно-диспетчерского управления.

Если задача формирования суммарного потребления энергосистемы в настоящее время решена повсеместно, то задача получения сбалансированной информации о нагрузках в узлах энергосистемы остается актуальной. Трудности получения нагрузок узлов, главным образом, связаны с недостаточным объемом телеизмерений и низким их качеством. В связи с этим, наряду с расчётами узловых нагрузок по данным телеметрии в эксплуатации применяется ряд методов определения нагрузок, основанных на эпизодических измерениях параметров режима электрической сети.

Для определения активных узловых нагрузок в большинстве случаев применяются следующие методы:

• обработка данных контрольных измерений (расчет «базовых» электрических режимов энергосистемы);
• пропорциональное распределение суммарной нагрузки энергосистемы по узлам расчётной схемы замещения электрической сети,

распределение суммарной нагрузки энергосистемы по узлам расчётной схемы замещения электрической сети методом главных компонент;

• идентификация электрического режима (оценивание состояния) на основании текущей телеметрии.

Метод определения узловых нагрузок по результатам контрольных измерений на сегодняшний день является наиболее распространенным. Он позволяет получать данные об узловых нагрузках, с приемлемой правдоподобностью восстанавливающих потокораспределение в электрической сети энергосистемы для характерных сезонов года: зима — лето. Область применения ограничивается проектными задачами или задачами долгосрочного планирования режима.

Метод пропорционального распределения основан на предположении о постоянстве доли узловых нагрузок в суммарной нагрузке энергосистемы. расчёт узловых нагрузок сводится к распределению суммарной нагрузки энергосистемы по узлам эквивалентной схемы электрической сети. Коэффициенты распределения находятся по результатам обработки контрольных измерений (расчетов «базовых» режимов энергосистемы). Метод позволяет оперативно формировать узловые нагрузки, однако из-за низкой точности не обеспечивает расчёта потокораспределения, соответствующего текущему электрическому режиму, что может приводить к некорректным управляющим воздействиям, вызывающим нарушения технических ограничений и/или возникновение неэкономичных режимов.

В ряде методов связываются параметры моделей нагрузок энергосистемы и отдельных узлов. Наибольшее распространение получили модели узловых нагрузок, использующие линейную регрессионную связь между нагрузками узлов и суммарной нагрузкой энергосистемы. Данный подход позволяет учесть сезонные изменения коэффициентов пропорциональности и получить более точные оценки.

Метод идентификации параметров электрического режима с помощью программ оценивания состояния обеспечивает оперативное определение множества узловых нагрузок потребителей электрической сети, с соблюдением адекватного потокораспределения при наличии достаточного (избыточного) объема телеизмерений, корректных параметров и конфигурации схемы замещения.

Недостаточная надёжность, а также отсутствие прогнозной функции с необходимым для получения управленческих решений упреждением данного метода снижают его эффективность при использовании в задачах оперативного управления. Крайне малое количество измерений реактивных мощностей вынуждает выполнять расчёт реактивных нагрузок в узлах сети по коэффициентам мощности, полученным либо по результатам обработки контрольных измерений, либо по программам [[Оценка состояния|оценивания состояния энергосистемы]], либо по данным учета электроэнергии.

Методы, использующие для расчёта текущие телеизмерения параметров режима, позволяют получить значения нагрузки, близкие к их реальным величинам. Однако наличие импульсных и «шумовых» помех, возникающих при формировании и передаче телеизмерений, временные задержки отдельных телеизмерений, а также значительные погрешности квантования делают необходимым решение задачи достоверизации расчётных значений нагрузок узлов.

Использование программ оценивания состояния не снимает полностью проблемы получения достоверных значений параметров электрического режима. Дело в том, что при минимизации отклонения оцененных значений от истинных для всей совокупности параметров режима не гарантируется, что для отдельных параметров или групп оцененные значения будут точнее прямых измерений. Например, опыт эксплуатации программы оценивания состояния в СО ЕЭС «ОДУ Урала» показывает, что оценка узловых мощностей может давать сравнительно большие погрешности.

В работе отмечается перспективность подхода к совместному применению задач прогнозирования нагрузок узлов и оценивания состояния. Данные для расчёта узловых нагрузок при этом могут получаться с использованием результатов задачи оценивания состояния — по оцененным на некотором интервале времени узловым нагрузкам. В свою очередь, результаты прогнозирования нагрузок в узлах используются в качестве псевдо-измерений, дополняющих набор измеряемых параметров режима для обеспечения возможности идентификации текущего режима при недостаточной наблюдаемости энергосистемы.

В различных расчётах установившихся режимов и электромеханических переходных процессов, в зависимости от требований к расчётам, используют различные математические модели нагрузки:

• Постоянной мощностью, вне зависимости от изменений питающего напряжения и частоты: [math]P=const[/math] и [math]Q=const[/math].
• Статическими характеристиками.
• Динамическими характеристиками.

Литература

• Нагрузка энергоустановки потребителя — значение мощности или количество тепла, потребляемых энергоустановкой в конкретный момент времени. (ГОСТ — 19431-84 «Энергетика и электрификация. Термины и определения»[1]).
• В. А. Веников, А. А. Глазунов, Л. А. Жуков, Л. А. Солодаткина. Электрические системы том II. Электрчиеские сети. под ред. проф. В. А. Веникова, М.:Высшая школа. 1971.
• Расчётные модели нагрузки для анализа переходных процессов в электрчиеской системе. Мин. энергетики и электрификации СССР, Москва, 1978.
• Методические указания по учёту нагрузки при расчётах на ЭВМ устойчивости сложных энергосистем. Мин. энергетики и электрификации СССР, Москва, 1983.
• А. С. Бердин, П. А. Крючков. Формирование параметров модели ЭЭС для управления электрчиескими режимами. Екатеринбург. 2000.
• Макоклюев Б. И., Костиков В. Н. Моделирование электрических нагрузок электроэнергетических систем // Электричество. 1994. № 10. c.13- 16.
• Меламед А. М. Современные методы анализа и прогнозирования режимов электропотребления в электроэнергетических системах // Прогнозирование и управление электропотреблением в электроэнергетических системах. Сер. «Энергетические системы и их автоматизация» (Итоги науки и техники). М.: ВИНИТИ, 1988. Т.4. c. 86-94.