电力负荷特性和计算分析

1 第六章电力负荷特性和计算分析 2 第一节负荷曲线与特性分析 一 电力系统负荷的构成电力系统的总负荷就是系统中千万个用电设备消费功率的总和 它们大致分为异步电动机 同步电动机 电热电炉 整流设备 照明设备等几大类 不同行业中 这些用电设备占的比重也不同 表6 1所示是几种工业部门用电设备比重的统计 将各工业部门消费的功率与农业 交通运输和市政生活消费的功率相加就可得到电力系统的综合用电负荷 综合用电负荷加网络中损耗的功率为系统中各发电厂应供出的功率 因而称作电力系统的供电负荷 供电负荷再加各发电厂本身消费的功率 厂用电 为系统中各发电机应发出的功率 称作电力系统的发电负荷 3 第一节负荷曲线与特性分析 表6 1几种工业部门用电设备比重的统计 注 1 比重按功率计 2 照明设备的比重很小 未统计在内 4 第一节负荷曲线与特性分析 二 用电设备的工作制我国低压电器行业采用了IEC34 1规定的八种工作制中的三种 即长期连续工作制S1 短时工作制S2和断续周期工作制S3 1 长期工作制S1在恒定负载 如额定功率 下连续运行相当长时间 可以使设备达到热平衡的工作条件 这类工作制的用电设备长期连续运行 负荷比较稳定 如通风机 水泵 空气压缩机 电炉和照明等 5 第一节负荷曲线与特性分析 2 短时工作制S2设备在额定工作电流恒定的一个工作周期内不会达到允许温升 而在两个工作周期之间的间歇又很长 能使设备冷却到环境温度值 如金属切削机床用的辅助机械 横梁升降 刀架快速移动装置等 水闸用电机等 这类设备的数量很少 3 断续周期工作制S3这类工作制的用电设备周期性的工作 停歇 反复运行 而且工作和停歇的时间都很短 周期一般不超过10min 使设备既不能在一个工作时间内升温到额定值 也不能在一个停歇时间内冷却到环境温度 如电焊机和电梯电动机等设备 断续周期工作制的用电设备可用 负荷持续率 又称暂载率 来表征其工作性质 6 第一节负荷曲线与特性分析 负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值 用表示 式中T 工作周期 tg 工作周期内的工作时间 t0 工作周期内的停歇时间 7 第一节负荷曲线与特性分析 三 负荷曲线负荷曲线是指在某一时间段内描绘负荷随时间的推移而变化的曲线 按负荷性质可绘制有功和无功的负荷曲线 按负荷持续时间可绘制日 月和年的负荷曲线 按负荷在电力系统内的地点可绘制个别用户 电力线路 变电所 发电厂乃至整个地区 整个系统的负荷曲线 将这几方面负荷曲线综合在一起就可表明负荷曲线发与供的全部特性 有的负荷曲线是按一定时间为间隔绘制出来的 但是逐点描绘的负荷曲线为依次连续的折线 不适于实际应用 为了计算简单起见 往往将逐点描绘的负荷曲线用等效的阶梯曲线来代替 8 第一节负荷曲线与特性分析 有功功率负荷曲线对电力系统的运行十分有用 电力系统的设计生产主要是建立在预测的有功负荷曲线的基础之上的 以下介绍几种典型的负荷曲线 一 日负荷曲线日负荷曲线表示一天24h内负荷变化的情况 如图6 1所示 此曲线可用于决定系统的日发电量 9 第一节负荷曲线与特性分析 10 第一节负荷曲线与特性分析 二 年最大负荷曲线可根据典型日负荷曲线间接制成 表示从年初到年终的整个1年内的逐月 或逐日 综合最大负荷的变化情形 如图6 2所示 三 年负荷持续曲线年负荷持续曲线是不分日月先后的界限 只按全年的负荷变化 根据各个不同的负荷值在一年中的累计持续时间而重新排列组成的 即反映了工厂全年负荷变动与负荷持续时间的关系 如图6 3所示 11 第一节负荷曲线与特性分析 图6 2年最大负荷曲线 12 第一节负荷曲线与特性分析 图6 3年负荷持续曲线 13 第一节负荷曲线与特性分析 四 负荷曲线的特征指标分析分析负荷曲线可以了解负荷变动的规律 从工厂来说 可以合理地 有计划地安排车间 班次或大容量设备的用电时间 从而降低负荷高峰 填补负荷低谷 这种 削峰填谷 的办法可使负荷曲线比较平坦 调整负荷既提高了供电能力 也是节电的措施之一 从负荷曲线上还可以求得一些有用的参数 14 第一节负荷曲线与特性分析 1 年最大负荷Pmax 负荷曲线上的最高点 见图6 3 2 年最小负荷Pmin 负荷曲线上的最低点 见图6 3 3 全年消耗的电量AY为 全日消耗的电量AD为 15 第一节负荷曲线与特性分析 4 年最大负荷利用小时数Tmax 5 平均负荷Pav 6 负荷率 平均负荷与最大负荷的比值 有功负荷率 无功负荷率 16 第二节负荷计算的方法 所谓计算负荷 就是在已知用电设备性质 容量等条件的情况下 按照一定的方法和规律 通过计算确定的电力负荷 它包括有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算负荷和计算电流 尖峰电流等内容 求计算负荷的这项工作称作为负荷计算 17 第二节负荷计算的方法 根据长期观察所测得的负荷曲线可以发现 对于同一类型的用电设备组 同一类型车间或同一类企业 其负荷曲线具有相似的形状 因此 典型负荷曲线就可作为负荷计算时各种必要系数的基本依据 利用这种系数 根据工厂所提供的用电设备容量 将其变换成电力设备所需要的假想负荷 计算负荷 用此计算负荷选择供电系统中的导线和电缆截面积 确定变压器容量 为选择电气设备参数 整定保护装置动作值以及制定提高功率因素措施等提供了依据 18 第二节负荷计算的方法 一 计算负荷的意义 计算负荷 是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷 计算负荷产生的热效应需和实际变动负荷产生的最大热效应相等 所以根据计算负荷来选择导线及设备 在实际运行中它们的最高温升就不会超过容许值 通常我们把根据半小时 30min 的平均负荷所绘制的负荷曲线上的 最大负荷 称为 计算负荷 并作为按发热条件选择电气设备的依据 19 第二节负荷计算的方法 二 确定计算负荷的系数比较 分析大量的负荷曲线 又可以发现同一类型的工业企业 或同一类型车间 设备 的负荷曲线 均有大致相似的形状 从中可发现数值较相近的系数 1 需要系数Kd在设备额定功率PN已知的条件下 只要实测统计出用电设备组 车间 全厂 的计算负荷Pca 即在典型的用电设备组负荷曲线上出现30min的最大负荷Pmax 就可以求出需要系数Kd 定义如下 20 第二节负荷计算的方法 2 利用系数KU利用系数可定义为 3 同时系数 有功同时系数 无功同时系数 21 第二节负荷计算的方法 4 形状系数KZ 形状系数可定义为 5 附加系数Kf 附加系数可定义为 22 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 考虑到在变配电系统中 并不是所有用电设备都同时运行 即使同时运行的设备也不一定每台都达到额定容量 因此不能用简单地把所有用电设备的容量相加的方法来确定计算负荷 一 计算负荷的估算法在作设计任务书或初步设计阶段 尤其当需要进行方案比较时 车间或企业的年平均有功功率和无功功率往往可按下述方法估算 23 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 一 单位产品耗电量法已知企业的生产量n及每一单位产品电能消耗量W 可先求出企业年电能需要量Wn 于是可以求得最大有功功率如下 式中Tmax 年最大有功负荷利用小时数 24 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 二 车间生产面积负荷密度法当已知车间生产面积负荷密度指标 单位为kW m2 时 车间的平均负荷按下式求得 式中A 车间生产面积 25 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 二 求计算负荷的方法 一 对单台电动机供电线路在30min内出现的最大平均负荷即计算负荷为 式中PNM 电动机的额定功率 N 电动机在额定负荷下的效率 26 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 二 多组用电设备的负荷计算多组用电设备求计算负荷的常用方法如下 1 需要系数法用需要系数法求计算负荷的具体步骤如下 将用电设备分组 求出各组用电设备的总额定容量 查出各组用电设备相应的需要系数及对应的功率因数 于是 用需要系数法求车间或全厂计算负荷时 需要在各级配电点乘以同期系数 27 第三节工厂供电负荷的统计计算示例 2 形状系数法用形状系数法求计算负荷的具体步骤如下 将用电设备分组 求出各用电设备组的总额定容量 查出各组用电设备的利用系数及对应的功率因数 求负荷的有效值Pca 用第2种方法求计算负荷不需要乘以同期系数 28 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 在民用建筑设计中常用的负荷计算方法有负荷密度法 单位指标法 需要系数法和二项式系数法等 民用建筑电气设计规范 对负荷计算方法的选取原则做了如下规定 1 在方案阶段可采用单位指标法 在初步设计及施工图阶段 宜采用需要系数法 对于住宅 在设计的各个阶段均可采用单位指标法 2 用电设备台数较多 各台设备用电容量相差不悬殊时 宜采用需要系数法 一般用于干线 配电所的负荷计算 3 用电设备台数较少 各台设备用电容量相差悬殊时 宜采用二项式系数法 一般用于支干线 配电屏 箱 的负荷计算 29 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 一 计算负荷的估算在民用建筑的方案设计阶段 必须对建筑内电力负荷进行估算 估算的准确与否 直接关系到建筑的变配电系统总体方案 变压器台数 容量的选择 以及配电设备 开关 导线的选择等 对建筑的投资预算影响很大 目前 我们习惯使用的负荷估算方法有负荷密度法和单位指标法 1 负荷密度法2 单位指标法 30 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 1 负荷密度法所谓负荷密度法就是根据国家的电力政策 建筑物的性质 负载的性质等多方面的因素 使用对已竣工工程的数据进行分析统计后确定的单位面积功率 负荷密度 数据 对所设计系统的计算负荷进行估算的一种方法 其估算有功功率Pca的公式为 式中P0 单位面积功率 负荷密度 W m2 S 建筑面积 m2 31 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 使用负荷密度法估算的计算负荷是否准确 完全取决于单位面积功率P0的准确程度 因此 在选择确定单位面积功率时 应综合考虑多方面的因素 1 建筑物的性质 2 空调的形式 3 照明负荷 32 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 2 单位指标法单位指标法与负荷密度法基本相同 是根据已有的单位用电指标来估算计算负荷 其有功计算负荷的计算公式为 式中Pe 单位用电指标 如W 户 W 人 W 床 N 单位数量 如户数 人数 床数 33 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 二 按需要系数法确定计算负荷在工程初步设计和施工图设计阶段 一般采用需要系数法确定照明负荷和动力负荷 对于民用建筑采用需要系数法是简单可行的 1 按需要系数法确定计算负荷的公式 有功计算负荷 无功计算负荷 视在功率计算负荷 计算电流 34 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 式中Kd 需要系数 PN 用电设备组的设备容量总和 kW tan 该用电设备组功率因数角的正切值 UN 额定线电压 kV 35 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 2 三相用电设备组计算负荷的确定 1 用电设备分组不同性质的用电设备 其功率因数 需要系数可能是不同的 因此在使用需要系数法确定计算负荷时 应将配电干线范围内的用电设备按类型统一分组 并取用不同的需要系数 再根据各组用电设备的功率因数 对各组的计算负荷进行计算 在使用需要系数法分组求计算负荷时 可能会出现有的设备组设备台数很少 这种情况下如不做一些特殊的考虑 仍简单地选用需要系数 可能会造成计算结果偏小 从而设计结果不合理的问题 针对这一问题 民用建筑电气设计规范 做出了相应规定 即对用电设备进行分组计算时 若该组用电设备的台数少于等于三台时 计算负荷等于其设备功率的总和 而不再考虑需要系数 若用电设备在三台以上时 其计算负荷应通过计算确定 即要考虑需要系数 36 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 2 单组用电设备计算负荷的确定单组用电设备计算负荷的公式为 37 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 3 单相用电设备计算负荷的确定 民用建筑电气设计规范 中规定 单相负荷应均匀分配到三相上 当单相负荷的总容量小于计算范围内三相对称负荷总容量的15 时 全部按三相对称负荷计算 当超过15 时 应将单相负荷换算为等效三相负荷 再与三相对称负荷相加 等效三相负荷可按下列方法计算 1 只有相负荷时 等效三相负荷取最大相负荷的3倍 2 只有线间负荷时 单台时等效三相负荷取线间负荷的倍 多台时等效三相负荷取最大线间负荷的倍加上次线间最大负荷的 倍 3 既有线间负荷又有相间负荷时 应先将线间负荷换算为相间负荷 然后各相负荷分别相加 选取最大相负荷乘3倍作为等效三相负荷 38 第四节建筑配电负荷的统计计算示例 3 多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电设备的配电干线或低压母线上的计算负荷时 应适当考虑各用电设备组最大负荷不同时出现这样一个因素 可根据具体情况 计入一个同时系数 又叫参差系数或混合系数 多组用电设备计算负荷的计算公式如下 式中Pcai 第i组用电设备的计算负荷 tan i 第i组用电设备功率因数角的正切值 39 第五节负荷预测简介 负荷预测是从已知的用电需求出发 考虑政治 经济 气候等相关因素 对未来的用电需求做出的预测 包括电力需求预测和电能需求预测两部分内容 对系统规划而言 电力需求预测决定发电 输电 配电系统新增容量的大小 电能预测决定发电设备的类型 如调峰机组 基荷机组等 对系统运行而言 负荷预测用来合理安排机组启停 检修 以及确定系统的旋转备用容量 事实上 负荷预测在电网调度自动化系统的能量管理系统 EMS 等高级应用软件中起着非常重要的作用 负荷预测是一项重要的基础性工作 40 第五节负荷预测简介 一 负荷及负荷预测的种类对负荷类型的划分有许多种不同的方法 比较常见的是按照全社会用电情况分为第一 第二 第三产业和居民用电4大类 按照行业类别将负荷细分为8类 即农林牧渔水利业 工业 地质普查和勘探业 建筑业 交通运输邮电通讯业 商业饮食物资供销仓储业 居民用电和其它 41 第五节负荷预测简介 负荷预测的种类根据负荷预测的周期 可按以下两种方法进行分类 一种可分为长期负荷预测 数年 数十年的负荷预测 中期负荷预测 1月 1年的负荷预测 用于水库调度 机组检修 交换计划 燃料计划等长期运行计划的编制 短期负荷预测 1日 1周的负荷预测 用于编制调度计划 超短期负荷预测 未来1h以内的负荷预测 其中5 10s的负荷预测用于质量控制 1 5min的负荷预测 用于安全监视 10 60min的负荷预测用于预防控制和紧急状态处理 42 第五节负荷预测简介 负荷预测的种类另一种可分为长期负荷预测 20年以上 年负荷预测 月负荷预测 日负荷预测 周负荷预测 短期负荷预测 10 60min 超短期负荷预测 5 10s或1 5min 按全社会用电或行业类别可分为城市民用负荷预测或商业负荷预测 农村负荷预测 工业负荷预测等 按被预测负荷的特性可分为最大负荷预测 最小负荷预测 平均负荷预测 峰谷差预测 高峰负荷平均预测 低谷负荷平均预测 母线负荷预测 负荷率预测等 43 第五节负荷预测简介 做好负荷预测工作首先应了解负荷预测的机理 并掌握负荷预测技术的特点 负荷预测主要基于可知性原理 可能性原理 连续性原理 相似性原理 反馈性原理和系统性原理 负荷预测具有以下几个明显的特点 即不准确性或不完全准确性 条件性 时间性和同一时间不同条件下的多方案性 显然 不可能存在某种方法 它在任何时候 任何地点 对任何对象 都具有普遍的适用性 44 第五节负荷预测简介 二 负荷预测的步骤 1 明确负荷预测的内容和要求 根据不同地区 不同时期的具体情况 确定合理的预测内容和预测指标 2 调查并搜集资料 要尽可能全面 细致地收集所需要的资料 避免用臆想的数据去填补负荷预测数学模型中所缺少的资料 3 基础资料分析 对收集的大量信息去伪存真 提高关键数据的可信度 4 经济发展预测 掌握经济发展对电力需求的影响 45 第五节负荷预测简介 一般说来 经济增长必然带动电力需求的增长 在这方面要重点关注国家增加投入 扩大内需 结构调整 通货紧缩 企业经营状况及深化改革等因素 5 选取预测模型 确定模型的参数 6 负荷预测 用预测模型进行负荷预测 给出 上 中 下 几个可能的 较为可靠的预测方案 7 结果审核 结合专家经验对预测结果 预测精度及可信度作出评价 用历史数据样本进行检验 并进行自适应修正 8 准备滚动负荷预测 积累资料 为下个年度的滚动负荷预测做好准备 46 第五节负荷预测简介 三 负荷预测的方法1 常规单一的负荷预测方法 1 专家预测法 2 类比法对具有相似研究特征的事件进行对比分析和预测 如新开发区的建设 无历史经验可以借鉴 此时可用类比法预测负荷的发展 3 主观概率预测法对不能做实验或实验成本太高 无法接受的方案 请若干专家估计特定事件发生的主观概率 然后综合得出该事件的概率 47 第五节负荷预测简介 4 单耗法该方法需做大量细致的调研工作 对短期负荷预测效果较好 5 负荷密度法已知某地区的总人口 总建筑面积或土地面积 按每人平均用电量 即用电密度 计算该地区的年用电量 6 比例系数增长法假定负荷按过去比例增长 预测未来的发展 7 弹性系数法 48 第五节负荷预测简介 2 负荷预测的新技术 1 趋势外推预测技术电力负荷虽有随机 不确定的一面 但却有明显的变化和发展趋势 根据各行业负荷变化的规律 运用趋势外推技术进行负荷预测能够得到较为理想的结果 外推法有线性趋势预测 对数趋势预测 二次曲线趋势预测 多项式趋势预测 季节型预测和累计预测等方法 外推法的优点是只需要历史数据 所需的数据量较少 缺点是如果负荷出现变动 会引起较大的误差 2 负荷回归模型预测技术根据以往负荷的历史资料 用数理统计中的回归分析方法对变量的观测数据统计分析 确定变量之间的相关关系 从而实现负荷预测的目的 回归模型有一元线性回归 多元线性回归 非线性回归等回归预测模型 其中 线性回归可用于中期负荷预测 49 第五节负荷预测简介 3 时间序列预测技术实际问题中 多数预测目标的观测值构成的序列表现为广义平稳的随机序列或可以转化为平稳的随机序列 依据这一规律建立和估计产生实际序列的随机过程模型 并用它进行负荷预测 时间序列负荷预测方法有一阶自回归 n阶自回归 自回归与移动平均ARMA n m 预测等 这些方法的优点是所需历史数据少 工作量少 缺点是没有考虑负荷变化的因素只适用于负荷变化比较均匀的短期预测的情况 4 灰色预测技术概率统计追求