Обзор существующих моделей нагрузки и методов их идентификации

Введение

Эффективность работы электрических сетей напрямую зависит от точности оценки нагрузки, которая может существенно изменяться в зависимости от напряжения и частоты в сети. Поэтому разработка точных моделей нагрузки, их идентификация и учет влияния различных моделей на технические потери — важнейшие задачи для обеспечения стабильности энергоснабжения и снижения потерь электроэнергии. В данной статье рассматриваются существующие модели нагрузки, а также методы их идентификации, включая расчеты, графики и результаты, которые помогают точнее предсказать поведение энергосистемы.

Обзор существующих моделей нагрузки

Существует несколько типов моделей, используемых для моделирования нагрузок в электрических сетях, включая статические и динамические. Статические модели предполагают, что изменения нагрузки происходят относительно медленно, в то время как динамические модели учитывают влияние времени и инерционность нагрузки.

1. Линейная модель используется для простых расчетов в узких диапазонах напряжений. Она предполагает, что изменение мощности пропорционально изменению напряжения. В реальных условиях так редко бывает, но линейная модель помогает быстро оценить нагрузку в стабильных режимах.
2. Полиномиальная модель (ZIP) — более сложная модель, учитывающая не только линейные, но и квадратичные зависимости. Эта модель позволяет более точно отражать поведение нагрузки при изменениях напряжения и широко используется для расчета потерь мощности.
3. Экспоненциальная модель применяется для нагрузки, реагирующей на напряжение нелинейно. Это характерно для многих типов индустриальных потребителей и сложных узлов нагрузки.

На рисунке 1 представлен график, показывающий зависимость мощности от напряжения для различных типов моделей.

Рис. 1. Зависимость мощности от напряжения для линейной, полиномиальной (ZIP) и экспоненциальной моделей

Регулирующий эффект нагрузки (РЭН)

Регулирующий эффект нагрузки (РЭН) характеризует, на сколько процентов изменится потребляемая мощность при изменении напряжения на 1 %. Это важный параметр для анализа реакций нагрузки и оценки потерь в сети. Например, для некоторых типов нагрузки увеличение напряжения на 1 % может привести к увеличению активной мощности на 2–3 %, что необходимо учитывать при расчете технических потерь.

,

где — регулирующий эффект по активной мощности, — изменение активной мощности, — номинальная мощность, ΔU — изменение напряжения, — номинальное напряжение.

Для ZIP-моделей регулирующий эффект выражается как сумма весовых коэффициентов для каждой из компонент: константной мощности, тока и сопротивления:

,

где — коэффициенты для линейной зависимости,

— коэффициенты для квадратичной зависимости.

Рис. 2. Регулирующий эффект нагрузки для линейной и ZIP-модели

Методы идентификации коэффициентов СХН

Идентификация коэффициентов СХН может быть выполнена различными методами, в том числе с использованием измерений или на основе состава нагрузки. Рассмотрим два основных подхода.

1. Компонентный подход, при котором идентификация основывается на знании состава нагрузки. Этот метод сложен и требует точных данных обо всех компонентах нагрузки, что возможно только для крупных потребителей с заранее известными характеристиками.
2. Метод измерений — широко применяемый подход, основанный на реальных данных, полученных с помощью средств измерений. Для анализа используется метод наименьших квадратов (МНК) или другие статистические методы для нахождения коэффициентов модели. Этот метод применим для анализа данных, полученных как в активных, так и в пассивных экспериментах.

Для примера рассмотрим расчет потерь мощности в распределительной сети с использованием ZIP-модели для узла нагрузки с номинальным напряжением 10 кВ. Пусть известны следующие параметры:

— номинальное напряжение ,

— номинальная активная мощность ,

— коэффициенты модели: , , .

В результате изменения напряжения на 1 % в сети:

Рассчитаем потребление при U = 10,1 кВ:

.

Таким образом, при увеличении напряжения на 1 % потребление мощности увеличивается на 0,7 %.

Выводы

1. Моделирование электрических нагрузок с использованием статических характеристик нагрузки является важным инструментом для расчета потерь мощности и оптимизации работы энергосистем.
2. Разнообразие моделей позволяет точно отражать поведение нагрузки в зависимости от напряжения и частоты в сети, что необходимо для эффективного управления и регулирования параметров энергосистем.
3. Применение подходов идентификации коэффициентов модели на основе реальных измерений позволяет достичь высокой точности расчетов, что существенно повышает экономическую эффективность работы сетевых организаций.
4. Регулирующий эффект нагрузки является важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации распределительных сетей, так как он оказывает значительное влияние на потребление мощности и технические потери.

Литература:

1. Гуревич Ю. Е. Расчет статических характеристик крупных узлов нагрузки с использованием типовых параметров / Ю. Е. Гуревич, Э. А. Хачатрян. — М. : Всесоюзный институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов, 1980.
2. Маркушевич Н. С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии / под ред. Ю. С. Железко. — М. : Энергоматиздат, 1984. — 104 с.
3. Гуревич Ю. Е. Методические указания по учёту нагрузки при расчётах на ЭВМ устойчивости сложных энергосистем. Часть I. Модели нагрузки и её обобщённые параметры / Ю. Е. Гуревич, Л. Е. Либова, А. А. Окин. — Москва : Минэнерго СССР, 1983.
4. Дзюба M. А. Метод определения статических характеристик нагрузки по напряжению с учетом ограничений по режимным параметрам и электробезопасности активного эксперимента / М. А. Дзюба, В. В. Тарасенко, А. В. Коржов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. — 2018. — Том 18, № 2. — С. 28–35.
5. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем / под ред. Л. А. Жукова. — М. : Энергия, 1979.
6. Определение статических характеристик мощности нагрузок узлов сети на основе активного эксперимента / В. Ф. Кравченко, В. И. Нагай, И. Ф. Бураков, Б. П. Золоев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2015. — № 1 (182). — С. 54–59. DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-54-59.
7. Буслов В. В. Разработка методики увеличения эффективности режимов работы электрических сетей с учетом современных статических характеристик нагрузки : диссертация … кандидата технических наук : 05.14.02 / Буслов Виктор Владимирович ; [Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»]. — Москва, 2022. — 140 с. : ил.