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Tttttggg0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dtPAY87600全日消耗的电量AD为dtPAD24015第一节负荷曲线与特性分析（4）年最大负荷利用小时数TmaxmaxmaxPWT（5）平均负荷Pav（6）负荷率，平均负荷与最大负荷的比值248760DYavAAP1maxPPav1maxQQav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：maxdNPKP负荷曲线最大有功负荷＝设备容量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：avuNPKP负荷曲线平均有功负荷＝设备容量3、同时系数miicacaPPPK1miicacaQQQK1有功同时系数：无功同时系数：K21第二节负荷计算的方法4、形状系数KZ形状系数可定义为avcazPPK5、附加系数Kf附加系数可定义为avmfPPK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。nWWn于是可以求得最大有功功率如下：maxmaxTWPn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ρ（单位为kW/m2）时，车间的平均负荷按下式求得APav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MNNMNcaPPP式中PNM－电动机的额定功率；ηN－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：⑴将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量。⑵查出各组用电设备相应的需要系数及对应的功率因数。111NdcaPKP222NdcaPKP111tancacaPQ222tancacaPQ于是icacaPPicacaQQ22cacacaQPS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：⑴将用电设备分组，求出各用电设备组的总额定容量。⑵查出各组用电设备的利用系数及对应的功率因数。111NuavPKP222NuavPKP111tanavavPQ222tanavavPQiavavPPiavavQQ⑶求负荷的有效值PcaavavzcaPPKP)1.1~05.1(avavzcaQQKQ)1.1~05.1(22cacacaQPS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：01000caPSP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：1000NPPeca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NdcaPKP无功计算负荷tancacaPQ视在功率计算负荷22cacacaQPS计算电流NcacaUSI3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；tanψ—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