В данной статье описана диаграмма распределения дневной нагрузки по мощности как способ управления подачей электроэнергии потребителям, рассмотрены основные понятия, распределение суточного профиля нагрузки, способы линеаризации распределения, возможные пути реализации способов линеаризации.
Энергосистема — это центрально управляемый, равномерный набор параллельно работающих электростанций, линий электропередач и потребителей электрической энергии с общим мощностным запасом. Ее главной задачей является надежная поставка достаточного количества электрической энергии всем потребителям в стандартном качестве, с минимальными затратами, с гарантией безопасности работы [1].
Диаграмма распределения (рис.1) (диаграмма потребления) представляет собой ход потребления или же производства (в каждый момент времени должно быть соблюдено равновесие между производством и потреблением электрической энергии) электрической энергии за определенный промежуток времени Т. На практике, например, используются диаграммы распределения мощностей для электростанции, части энергосистемы, целой энергосистемы и т. д. Диаграмма распределения может быть дневная, на неделю, на месяц и годовая. Ход распределения нагрузки по мощности (далее просто нагрузка) зависит от климатических условий, рабочей активности людей, смены времен года, поочередности рабочих и выходных дней, чередования рабочего и нерабочего времени, смены дня и ночи [2].
Рис. 1. Диаграмма дневного распределения нагрузки по мощности [2]
Электрическая работа А (МВт) представляет собой площадь под кривой P(t), которая показывает общее количество произведенной (потребленной) энергии. Данную площадь можно вычислить по формуле [2]:
Минимальная нагрузка PMIN(МВт) — это наименьшая мощность в диаграмме распределения нагрузки. Это величина является либо мгновенной, либо вычисляется как среднее значение за 15 минутный промежуток времени (четверть часовый минимум) [2].
Средняя нагрузка PAV(МВт) является средним значением мощности за промежуток времени T. При данном значении мощности PAVбудет производиться столько же энергии, как и при переменной нагрузке. Площадь под кривой диаграммы нагрузки Р (Т) равна площади прямоугольника со сторонами PAV и Т (рис. 2) [2].
Рис. 2. Средняя нагрузка [2]
Максимальная мощность PMAX (МВт) — это наибольшая мощность в диаграмме распределения нагрузки вблизи пика (максимума), который длится 15 или 30 минут (получасовой или четверть часовой максимум) [3].
Пиковая мощность PPEAK (МВт) — это наибольшее мгновенное значение мощности, которое является кратковременным и может быть учтено при эксплуатации (рис. 3).
Время максимального потребления τ (час) (рис. 4) — за данное время при максимальной мощности PMAXбудет произведено столько же энергии, как и при переменной нагрузке. Чем выше значение τ, тем больше диаграмма распределения нагрузки сбалансирована. Площадь под кривой диаграммы нагрузки P(t) равна площади прямоугольника со сторонами PMAXи τ. Поскольку площади S1 и S2 равны, поэтому количество энергии можно найти по формуле [2]:
Рис. 3. Пиковая нагрузка [2]
Рис. 4. Время максимального потребления [2]
Коэффициент нагрузки z (отрицательный), иногда упоминается как коэффициент использования. Чем ближе значение коэффициента нагрузки к единице, тем эффективнее эксплуатация электростанции, а произведенная электроэнергия дешевле. Коэффициент нагрузки рассчитывается следующим способом [2]:
Кривая длительности нагрузки, которая изображена на рис.5. На диаграмме 5 показано, как долго длится нагрузка определенной величины. На диаграмме напротив нагрузка была отсортирована от наибольшего к наименьшему по его времени длительности. В некоторых случаях можно данную кривую заменить на прямую линию, проходящей через PMAX и PMIN. Площадь под кривой продолжительности мощности показывает сколько всего произведено электрической энергии, при этом площади S1 и S2равны (см. рис. 5).
Рис. 5. Кривая длительности нагрузки [2]
Распределение суточного профиля нагрузки путем развертывания ресурсов
Дневную диаграмму распределения нагрузки можно разделить на три области (части) относительно величины нагрузки, которое удовлетворяют разные виды электростанций [2], [4]:
1. Основная нагрузка — область диаграммы распределения нагрузки, находящейся под минимальным значением нагрузки PMIN(МВт). Поставка энергии обеспечивается непрерывно 24 часа в сутке. В данном случае необходима дешевая электроэнергия, но за цену, превышающей инвестиционные расходы. Электростанции используются при малых изменениях мощности и с высокой эффективностью. На данном этапе подключены атомные, тепловые и гидроэлектростанции.
2. Полупиковая нагрузка — область диаграммы между средним PAVиосновным PMIN значениями нагрузки. В рабочем состоянии находятся газовые, паро-газовые, аккумуляторные гидроэлектростанции.
3. Пиковая нагрузка — область диаграммы расределения над средним значением нагрузки PAV. Основной рабочей силой являются перекачивающие и аккумуляторные гидроэлектростанции и электростанции с газовыми турбинами. Источники электроэнергии должны иметь короткое время пуска и высокую скорость изменения мощности. Срок эксплуатации электростанции достаточно мал, поэтому цена произведенной энергии больше, но данный факт не является решающим критерием.
Современной тенденцией считается поддержка обновляемых источников электроэнергии, как например, ветряные электростанции. В реальности ветряные электростанции производят энергию только при ветреной погоде, что помогает сэкономить на ископаемом топливе (в основном уголь и газ) и уменьшает выбросы CO2. При увеличении производительности ветряной электростанции должна быть снижена производительность других электростанций, которые служат как резерв в случае прекращения ветра. Эксплуатация электростанций, работающих на ископаемом топливе, с оптимальными техническими параметрами на уровне низкой производительности приводит к снижению ее эффективности, чем увеличивает норму потребления топлива на произведенный МВт, что означает увеличение выбросов CO2 в атмосферу. Поэтому необходимо смотреть на экологичность процесса производства энергии комплексно.
Будущее в оптимизации мощности обновляемых источников энергии остается за производством оборудования, которое будет накапливать электрическую энергию и энергию обновляемый источников, чем обеспечат большую экономичности и экологичность энергосистемы. Хранение электрической энергии является одним из средств для выравнивания диаграммы нагрузки (см. далее по тексту).
Ресурсы для выравнивания (линеаризации) дневного графика нагрузки
При равномерной нагрузки длинее время использования максимума τ, тем увеличивается коэффициент нагрузки z, а расходы на производство электрической энергии снижаются.
Потребление электроэнергии можно регулировать, а тем и выранивать, следующими способами:
1. Введением летнего времени
Введение летнего времени влияет на диаграмму нагрузки, снижая вечерний пик, но не влияет на потребление электроэнергии.
2. Международный обмен электроэнергией
Международный обмен электроэнергией в рамках связанный электроэнергетических систем отдельный государств. В одной из систем может быть переизбыток электроэнергии,благодаря временной разнице, а в другой — недостаток. Например, между Ческой республикой и Францией при одинаковом временном поясе наблюдается разница примерно на час, так так во Франции цолнце выходит и заходит почти на час позже, чем в Чешской республике.
Если бы можно было реализовать международную электроэнергетическую систему от Байкала до Великобритании, диаграммы нагрузки отдельных областей из-за сдвига во времени будут выравнены, но политические изменения и разница заподноевропейского и восточноевропейского оборудования сети пока этого не позволяют. Хотя постепенно восточноевропейские страны соединяются с электроэнергетическими системами европейского сообщества с помощью так называемого постоянного соединения (HVDC — высоковольтное соединение прямым током).
3. Смещение и распределение рабочего времени, сменность
4. Массовое дистанционное управление (HDO)
Массовое дистанционное управление — система управления, который с использованием переноса сигнала по силовым линиям электропередач. Разветвленные силовые линии высокого и никого напряжений могут быть использованы для переноса сигнала в области ультранизких частот (до сотен Гц) на относительно большие растояния (на десятки и сотни км), а для высших частот (от десятков КГц до сотен МГц) эффективность использования гораздо меньше, в пределах десятков и сотен метров. Сигнал от HDO способен управлять включением и выключением оборудования энергопотребления, а также переключением тарифов. Он состоит из комплекса технических средств (центральная автоматика — передатчик — линии электропередач — приемники). Спрос на электроэнергию в течении дня изменяется, для того, чтобы не приходилось увеличивать производственные мощности электростанций и линий электропередач из-за нескольких часов пикового потребления днем, возникла идея переноса эксплуатации энергопотребляющих приборов на время низкой нагрузки электроэнергетической системы, чем будет достигнуто оптимальное разложение потребления так, чтобы резервы энергоисточников не были вычерпаны и не дошло к экстеремумам (минимума или максимума), позволит ввести двойной тариф (высокий и низкий тарифы). На систему с HDO у Чешский распределителях электроэнергии подключено 10–15 % [8] от общей нагрузки на сеть.
Передатчики HDO
В Чешской Республике, сигнал HDO распространен почти на 90 подстанциях с 110 кВ, 35 кВ и 22 кВ Наиболее часто используемые частоты передачи сигнала HDO являются: 216,6 Гц, 183,3 Гц, 194,0 Гц, 283,3 Гц. Тональной частоты накладывается на частоту сети. Передатчик HDO отправляет телеграмму (рис. 6), которая имеет следующий состав: пусковой импульс СИ (2,33 сек), пауза для безопасности ZM (2,99 сек), 44 шагов, созданных импульсом в 1 сек и паузой 0,33 сек (первые 4 импульса обозначены как «код А«— A1... A4, затем 8 импульсов помечены как «код B«— B1... B8 и 16 пар отмечен как «исполнительный двухимпульсовый приказ DP» — DP1 DP16...), все телеграммы длиной неполных 64 сек, обращаясь к различным группам приемников — отдельные импульсы во временных рядах имеют специальное назначение [5].
Рис. 6. Телеграмма HDO [5], [8]
Автоматика HDO
Автоматика HDO обеспечивает хранение приказов и управление передачей, главной их задачей является управление и контроль передачи сигналов HDO и проверка подготовленности к передаче [5].
Приемники HDO
Приемник HDO — это либо самостоятельное устройство (рис.7) либо как составная часть электросчетчика [5].
Рис. 7. Приемник HDO от фирмы ZPA [6], [7]
В Чешской республике установлено 1 170 000 приемников сигналов HDO, с помощью которых контролируют оборудование с общей потребляемой мощностью 2600 МВт (Мгновенное потребление 1400 МВт). Система HDO является собственностью дистрибьютора электрической энергии. HDO управляет электронагревательные приборы, наружное освещение. Дистрибьюторы электроэнергии должны сообщить о переключении режимов минимально за неделю либо по требованию, либо через сеть Интернет [8].
Хранение электрической энергии
a) Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)
ГАЭС во время снижения потребления (как правило, рано утром) работает в режиме двигателя, который использует электроэнергию для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний резервуар. Когда приходит запрос от оператора на производство электроэнергии для покрытия пикового потребления или при сбое подачи электроэнергии от другого источника электроэнергии в энергосистеме, таким образом ГАЭС перейдет в генерирующий режим, когда вода течет через турбину из верхнего резервуара в нижний. Преимуществом данного способа хранения является высокая эффективность. Для старших ГАЭС эффективность составляет около 50 %, для нынешних ГАЭС эффективность составляет около 75 %. Что означает, что на «хранение» каждого КВт необходимо в аккумулирующем режиме использовать только 1,3 КВт. Очень дешевые ночные КВт таким способом преобразуются в пиковые КВт, ценные для энергетики как золото. Некоторые современные ГАЭС могут работать на полной мощности уже в течении 1,5 минуты после запуска [9].
Одной из основных аккумулирующих гидроэлектростанций является электростанция Dinorwic в Уэльсе, Великобритания, с аккумуляторной мощностью 1800 МВт, на которую выходит через 15 сек. после запуска, так что в состоянии предотвратить сбой электроэнергетической сети в результате катострофического отказа рупной электростанции в сети. Для сохранения окружающей среды, или в случае отсутствия необходимых спадов, строятся гидро аккумулирующие электростанции, которые используют природное озеро в качестве верхнего резервуара, а нижний резервуар строится глубоко под землей. В Японии на сегодняшний день находится в эксплуатации более 40 ГАЭС с общей мощностью более 22 000 МВт [10].
В Чешской Республике существует 3 такие гидроэлектростанции с общей установленной мощностью 1 100 МВт. Крупнейшей из ГАЭС является „Dlouhé stráne“ в горах Есеник с мощностью 2x235 МВт, спад около 530 м, запущена в эксплуатацию в 1996 году и отреконструирована в 2007 году [11]. (Рис. 8)
Рис. 8. ГАЭС в„Dlouhé stráne“ [12]
Архитектурная студия Gottlieb Paludan в Дании приходит с новыми улучшениями. Проект называется «Green Power Island». Его суть заключается в том, что на пустынных островах в различных частях мира строятся возобновляемые источники энергии — солнечные и ветряные электростанции, а также большие резервуары для воды. Данные водяные емкости будут выступать в качестве гидроаккумулирующих электростанций, которые будут использовать сочетание воды и гравитации, чтобы накопить энергию во время мимо пика и ее генерации в периоды высокого спроса. ГАЭС на Green Power Island (Зеленый остров) будут работать в обратном направлении: большой резервуар избыточную энергию от ветряных турбин или солнечных батарейбудет использовать к откачке воды, тогда как при недостатке энергии резервуар будет наполнятся водой. Сами создатели называют это“dánská finta”(датский финт). Эффективность цикла такая же, как для обычных гидроаккумуляторных электростанций, т. е. максимально около 75 % [13].
Рис. 9. Гидроаккумулирующая электростанция — Green Island [13]
Архитекторы подготовили конкретные планы постройки аналогичных объектов для околи Копенгагена в Дании, Тампы в штате Флорида, Бахрейне и других городах мира. Пока неизвестно, если получится реализовать хотя бы один из проектов. Согласно чертежам речь идет о довольно интересных, но колоссальных проектах [13].
Рис. 10. Green Island (Зеленые острова) [13]
б) Хранение энергии в модуле GPM (Gravity Power Module)
Фирма Gravity Power с главным офисом в Калифорнии разработала систему на основе двух наполненных водой шахты, одна из них шире другой, а обе наверху и внизу соединены. Перекачка воды через узкую шахту приводит к движению наверх груза в широкой шахте. Когда спрос на электроэнергию достигает пика, груз в широкой шахте падает вниз под действием гравитации, благодаря чему вода проходит через генератор и производит электричество. По словам руководителя компании Toma Masona (Тома Мейсона) относительно компактный характер данной системы позволяет его установку в непосредственной близости от области высокого спроса и, при необходимости можно добавить дополнительные модули. Эффективность цикла составляет около 80 % [14].
Рис. 11. Хранение энергии — GPM [14]
в) Хранение (аккумулирование) энергии с помощью сжатого воздуха (CAES)
Данная технология работает с сжатым воздухом, помещая его в больших складах, например, в подземных сольных пещерах. Во время энергетического пика воздух пропускается через лопасти турбины. На данный момент функционируют только две CAES: один в немецком Huntorf, а второй Алабаме. Большим недостатком данной технологии является низкая эффективность. По данным немецкой компании RWE CAES в германии имеет эффективность 42 %, а в Алабаме не на много лучше. Проблема заключается в том, что воздух при сжатии нагревается, а при расширении охлаждается. В существующих системах CAES сжатие воздуха приводит к потери тепловой энергии и перед наследующим расширением необходимо повторно нагревать воздух. Обычно в данной технологии используется природный газ, тем самым снижая эффективность системы и увеличение выбросов парниковых газов [10], [14].
Рис. 12. CAES
г) Другие технологии хранения энергии [10]:
- Электрохимические батареи
- Сверхпроводящие индуктивные батареи
- маховики
- суперконденсаторы
- Топливных элементах
- Другие
Выше приведенные ресурсы используются для снижения потерь в сетях (выравниванием нагрузки), распределения управляемого потребления так, чтобы обеспечить удовлетворение наибольшего числа клиентов, оптимального использования сетей и повышения их проницаемости, обеспечения системной службы поддержки в распространяемых системах, необходимых для правильной работы распределительных и энергосистем в целом, решения экстренных рабочих состояний чрезвычайными освещения в системе распределения и чрезвычайных положений и профилактики, утилизации и удаления его последствий, системы балансировки нагрузки от источника до потребления позволяет перемещать некоторой части электроэнергии с течением времени в зависимости от нагрузки.
Литература:
1. Petruzela I.: Elektrizacní soustava. Prednáška X15 PES, CVUT, FEL, 2006. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://home.pilsfree.net/fantom/FEL/MR/FEL_CVUT/lekce02_06.pdf (дата обращения 25.7.2013).
2. Tyrbach J.: Základní elektrárenské pojmy, SPŠ SaE Ústí n. L., 2009. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://web.telecom.cz/tyrbach/Zakladni_elektr_pojmy.pdf (дата обращения 20.7.2013)
3. Nohác K.: Diagram zatízení a jeho pokrývání, podklady k predmetu EE1, ZCU. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://home.zcu.cz/~nohac/EE1/CV-EE1–1-DiagramZatizeni.pdf (дата обращения 27.7.2013).
4. Energetická bilance zatízení. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://fei1.vsb.cz/kat410/studium/studijni_materialy/pmd/Spolecne/Program/Bk-500.pdf (дата обращения 15.7.2013).
5. Pohorský J.: HDO-Hromadné dálkové ovládání, BEN, 2002
6. Prazská energetika. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.pre.cz (дата обращения 29.7.2013).
7. ZPA smart energy. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.zpa.cz (дата обращения 29.7.2013).
8. Sýkora T.: Komunikace po silových vedeních (6. Prednáška k predmetu X15DTE), CVUT, FEL, 2011.
9. Precerpávací vodní elektrárny u nás. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.energyweb.cz/web/index.php≤display_page=2&subitem=1&ee_chapter=6.1.7 (дата обращения 16.7.2013).
10. Cesty k akumulaci elektrické energie. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.cez.cz/edee/content/file/static/encyklopedie/encyklopedie-energetiky/06/cesty_1.html (дата обращения 16.7.2013).
11. Precerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráne. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/voda/dlouhe-strane.html (дата обращения 29.7.2013).
12. Exkurze do precerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráne. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://members.upc.cz/zdenda/strane/ (дата обращения 29.7.2013).
13. Precerpávací elektrárny — ideální doplnek pro solární a vetrné zdroje, 11.8.2010. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ekobydleni.eu/energie/precerpavaci-elektrarny-idealni-doplnek-pro-solarni-a-vetrne-zdroje (дата обращения 10.7.2013).
14. Ekonom — Jak skladovat elektrinu v mori a podzemí, 25.3.2012. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://byznys.ihned.cz/c1–55152770-jak-zabalit-elektrinu (дата обращения 19.7.2013).
