Методические аспекты и подходы к оценке надёжности электрической сети

Вид материала

4. Показатели надёжности оборудования, аппаратуры и конструкций
5. Показатели надёжности электросетевых объектов, фрагментов и узлов электрической сети.
Уровни надёжности
6. Показатели надёжности электрической сети в целом

Подобный материал:

1 2 3

4. Показатели надёжности оборудования, аппаратуры и конструкций

В указанный уровень рассмотрения входят, как правило, серийные изделия, выпускаемые специализированными производствами. К таким объектам применим ГОСТ 27.002-89 [6], который устанавливает основные понятия, термины и показатели надежности.

Под надёжностью понимается свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

В зависимости от назначения объекта и условий его применения используют показатели, которые характеризуют безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. При этом следует учитывать, что практически всё электросетевое оборудование, аппаратура и конструкции относятся к восстанавливаемым объектам, при эксплуатации которых допускаются многократные повторяющиеся отказы.

К восстанавливаемым объектам для характеристики их безотказности применимы рекомендуемые ГОСТом показатели: параметр потока отказов и средняя наработка на отказ.

Теоретически параметр потока отказов ω(t) определяется по формуле [6]:

, (13)

где Δt – малый отрезок наработки;
M{r(t+Δt)-r(t)} – математическое ожидание числа отказов на отрезке Δt.

С позиции теории случайных процессов [7] параметр потока отказов совпадает с понятием интенсивности потока событий λ(t) в формуле (1).

На практике поток отказов часто принимается стационарным (выполняется равенство (2)), при этом алгоритм статистической оценки параметра (интенсивности) потока отказов сводится к следующему.

Пусть от момента начала наблюдений t₁ до момента времени t₂ (время наблюдения T_набл=t₂ – t₁) на объекте имело место N отказов. Тогда параметр (интенсивность) потока отказов равен:

. (14)

В общем случае под наблюдением может находиться группа из n единиц однотипных объектов, которые эксплуатируются приблизительно в одинаковых условиях. В этом случае параметр потока отказов для исследуемого типа объектов вычисляется по формуле:

, (15)

где N_i – число отказов i-го объекта (N_i=0,1,2…).

Другой рекомендуемый ГОСТом показатель безотказности – средняя наработка на отказ, который для ремонтопригодных объектов соответствует среднему времени между отказами и вычисляется по формуле (6), как обратная величина λ.

При известной величине интенсивности потока отказов по формуле (4) нетрудно вычислить ещё один показатель – вероятность безотказной работы объекта на участке времени τ.

Долговечность объекта в ГОСТ 27.002-89 определяется, как его способность сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Для оценки долговечности объекта рекомендуется использовать показатель – средний срок службы.

Статистическая оценка среднего срока службы может быть получена по результатам наблюдения за n однотипными электросетевыми объектами, эксплуатируемыми приблизительно в одинаковых условиях. Срок службы каждого конкретного объекта наблюдения зависит от многих случайных факторов, при этом предельное состояние объекта практически определяется его характеристиками, свидетельствующими о том, что его дальнейшая эксплуатация становится небезопасной для человека и окружающей среды, или становится экономически невыгодной.

Формула для статистической оценки среднего срока службы однотипных объектов по результатам наблюдения имеет вид:

, (16)

где τ_j– срок службы j-го объекта.

Ремонтопригодность объекта в ГОСТ 27.002-89 определяется как его способность к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта. Для оценки ремонтопригодности наибольшее применение получил показатель – среднее время восстановления после отказа.

Статистическая оценка среднего времени восстановления может быть получена по результатам наблюдения за n однотипными электросетевыми объектами с приблизительно одинаковыми условиями эксплуатации и ремонта.

Введём следующие обозначения: N_i – число отказов с последующим выполнением ремонтно-восстановительных работ на i-ом объекте, (N_i = 0,1,2,…); t_в_ij - время, затраченное на проведение ремонтно-восстановительных работ на i-ом объекте при j-м его отказе (j = 0,1,2,..., N_i; i = 1,2..., n).

На базе статистических данных наблюдения за n объектами в течение определённого периода эксплуатации вычисляется среднее время восстановления по формуле:

. (17)

При решении задач эксплуатации объектов может потребоваться оценка надёжности с точки зрения сохраняемости. В ГОСТ 27.002-89 сохраняемость объекта определяется как его способность сохранять в заданных пределах значения параметров, позволяющих выполнять требуемые функции, в течение или после хранения и (или) транспортирования. В качестве показателя сохраняемости рекомендуется использовать средний срок сохраняемости.

Статистическая оценка среднего срока сохраняемости может быть получена на основе опыта эксплуатации и наблюдения за n однотипными объектами с последующим проведением расчётов, например, по формуле (16), где под τ_j следует понимать наблюдаемый срок сохраняемости j-го объекта.

Все рассмотренные показатели надёжности устанавливаются для конкретного вида и типа оборудования, аппаратуры и конструкций посредством проведения заводских испытаний по определённой программе или на основе статистических данных об имевших место отказах за определённый период эксплуатации объектов и вычисления статистических оценок. Последнее даёт наиболее реальные оценки для электрической сети с учётом существующей в ней организацией и условиями эксплуатации. В этой связи следует отметить значимость качественного расследования и учёта технологических нарушений в элементах электрической сети, позволяющие сформировать полную многолетнюю базу данных по аварийности для получения статистических оценок надёжности.

К числу возможных задач, решаемых на данном иерархическом уровне рассмотрения, в которых требуется учитывать оценки по надёжности, следует отнести:

составление технических требований и рекламаций к предприятиям-поставщикам на выпускаемую ими продукцию в части надёжности;
разработка регламентов по обслуживанию основного оборудования, графиков профилактических и ремонтных работ;
разработка нормативной базы по эксплуатации элементов электрической сети;
оптимизация резервов оборудования и материалов;
составление графиков замены основного оборудования в планах развития электрических сетей на перспективу;
анализ и прогноз аварийности основного оборудования электрических сетей.

5. Показатели надёжности электросетевых объектов, фрагментов и узлов электрической сети.

На данном иерархическом уровне рассматриваются объекты, содержащие в своей структуре несколько единиц оборудования, аппаратуры и конструкций (элементов предыдущего иерархического уровня), которые соединены некоторым целесообразным образом (последовательное, параллельное или смешанное соединение). Полученные таким образом технические образования (объекты) нередко выступают в качестве типовых технических решений.

К таким объектам можно отнести, например, линию электропередачи, блоки электроподстанций (сборные шины, система собственных нужд, трансформаторный блок, отдельные присоединения и другие), выделенный узел нагрузки, комплекс релейной защиты объекта, систему противоаварийной автоматики на объекте и другие.

Используемые оценки надёжности работы объектов на данном иерархическом уровне имеют некоторые отличия по сравнению с предыдущим уровнем. Так, надёжность определяется как свойство объекта выполнять предусмотренные при его создании функции при определённых условиях эксплуатации.

Утрачивают смысл характеристики долговечности и сохраняемости, в то же время, характеристики безотказности и ремонтопригодности остаются востребованными в оценках надёжности.

Следует особо выделить то, что нужную надёжность объектов можно обеспечить несколькими способами: во-первых, применением надёжных элементов в их структуре; во-вторых, использованием принципов избыточности и резервирования для некоторых элементов и, в-третьих, использованием перегрузочных способностей элементов для сравнительно небольших интервалов времени в отдельных режимах работы.

Например, избыточность в линиях электропередачи проявляется в том, что возможность передачи по линии необходимой мощности рассматривается не только применительно к нормальной схеме работы электрической сети, но и для случаев изменения режима работы линии в аварийных ситуациях и при проведении ремонтных работ в сети. Исходя из этого, линии нередко выполняются в двухцепном и более исполнении с тем, чтобы при отключении одной цепи не вносить существенных ограничений на выполнение линией своих функций по передаче электроэнергии.

Избыточность для электроподстанций означает дублирование некоторых элементов, применение наиболее рациональной схемы сборных шин и схем электрических соединений с тем, чтобы свести к минимуму опасность неблагоприятных изменений в функционировании электроподстанции во всех возможных сценариях аварийных ситуаций и при выполнении ремонтных и профилактических работ.

Наличие избыточности и резервирования налагает определённые требования к выбору критериев для отнесения объекта к состоянию отказа. Очевидно, что не все технологические нарушения в элементах объекта приводят его к состоянию отказа. В общем подходе критерий, в первую очередь, должен определять степень снижения выполнения объектом своих функций, при превышении которой объект может перейти в состояние отказа. Кроме того, критерий должен определять допустимое время этого снижения выполнения объектом своих функций, при превышении которого объект относят к состоянию отказа.

Например, при оценке надёжности электроснабжения выделенного узла нагрузки в качестве критерия может быть принят размер допустимого внезапного ограничения по подаваемой по линиям от генерирующих источников суммарной мощности на определённое время. Данные условия могут содержаться в договоре на оказание услуг электросетевой компанией по передаче электрической энергии, нарушение которых приводит к констатации факта отказа в электроснабжении.

Согласно существующей практике оценки надёжности электроснабжения потребителей различают следующие по продолжительности перерывы в электроснабжении [4]:

кратковременный перерыв ограничен по продолжительности интервалом времени, необходимым для того, чтобы восстановить электроснабжение автоматически с помощью телемеханики или ручным включением там, где оператор может сделать это немедленно; такие операции обычно не превосходят нескольких минут;

перерыв средней продолжительности ограничен интервалом времени, необходимым для того, чтобы вручную восстановить электроснабжение в местах, где нет дежурного оператора; такие операции занимают 1–2 часа;

длительный перерыв, который не может быть квалифицирован как перерыв кратковременный или средней продолжительности.

Для оценки безотказности объекта довольно часто используется показатель - параметр (интенсивность) потока отказов λ в предположении стационарности потока (2). При этом для линий электропередачи указанный показатель определяется исходя из 100 км линии, т.е.

, (18)

где L – длина линии в км.

Как показано в разделе 3, при известной интенсивности потока отказов λ нетрудно рассчитать среднее время между отказами T_ср (6) и вероятность безотказной работы объекта на заданном участке времени τ (4).

Требования к оценке безотказности объекта существенно различаются в зависимости от степени ответственности объекта и его роли в электрической сети, а также возможных последствий его отказов. В таблице 1 приводятся рекомендуемые Международной электротехнической комиссией (Комитет 11) уровни (или классы) надёжности для воздушных линий электропередачи с позиций безотказности от воздействий внешних климатических нагрузок.

Таблица 1.

Уровни и показатели надежности линий электропередачи.

Уровни надёжности	1	2	3
Период повторяемости расчетных нагрузок (среднее время между отказами) [число лет]	50	150	500
Интенсивность потока отказов [отк/год]	0.02	0.0067	0.002
Вероятность безотказной работы в течение года [о.е.]	0.98	0.993	0.998
Вероятность безотказной работы в течение срока службы линии, равному 50 лет, [о.е.]	0.368	0.716	0.905

Согласно указанным рекомендациям в любом случае линии должны иметь как минимум 1-ый уровень надёжности.

Уровень надёжности 2-ой применяется обычно для линий напряжением свыше 230 кВ и для линий более низкого напряжения, но являющихся основным или единственным источником питания для ответственной нагрузки.

Уровень надёжности 3-ий применяется обычно для линий с напряжением свыше 230 кВ, которые являются основным или единственным источником питания для ответственной нагрузки.

Для оценки ремонтопригодности объектов часто используется показатель - среднее время восстановления после отказа – T_в.

В соответствии с (10), комплексный показатель надёжности – коэффициент готовности объекта (вероятность нахождения объекта в работе), выраженный через λ и T_в, равен:

. (19)

Таким образом, на среднем иерархическом уровне рассмотрения электрической сети для оценки надёжности объектов достаточно контролировать (нормировать) два показателя: интенсивность (параметр) потока отказов – λ и среднее время восстановления после отказа – T_в. Остальные показатели могут быть получены расчётным путём.

Для решения практических задач основным требованием к нормируемым показателям является возможность получения их расчётной оценки на этапе проектирования и получения статистической оценки по данным эксплуатации.

Для получения расчётной оценки показателей надёжности объекта на этапе проектирования исходят из того, что в структуре объекта известны показатели надёжности, характеризующие безотказность и ремонтопригодность всех образующих его элементов: оборудования, аппаратуры и конструкций. Известна также схема соединений этих элементов. Задача заключается в расчёте показателей надёжности всего объекта (λ и T_в) по показателям надёжности элементов (λ_i и T_в_i).

М

етодический подход к решению данной задачи основывается на том, что в технологической цепочке работы объекта элементы соединяются или могут быть сведены путём преобразований к двум характерным случаям: последовательному и параллельному соединениям (рисунок 7).

Рисунок 7. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение элементов.

Например, по концам линии электропередачи, как правило последовательно присоединена коммутационная аппаратура (разъединители, выключатели). В свою очередь, две цепи линии посредством сборных шин распределительных устройств образуют параллельное соединение.

В случае последовательного соединения 2-х элементов и при критерии - выход из работы любого элемента нарушает технологическую связь между входом А и выходом В (случай отказа) - эквивалентные показатели надёжности рассчитываются по формулам:

интенсивность (параметр) потока отказов:

; (20)

среднее время восстановления:

. (21)

При параллельном соединении элементов и критерии – случай отказа имеет место только при выходе из работы обоих элементов – эквивалентные показатели надёжности при условии λ_i·T_в_i<<1 (i=1,2) рассчитываются по формулам [4]:

интенсивность (параметр) потока отказов:

; (22)

среднее время восстановления:

. (23)

Расчётные формулы (20 – 23) могут быть использованы в проектной практике для объектов, состоящих из относительно небольшого числа элементов, при указанных критериях отказа.

Для получения статистической оценки надёжности объектов по данным эксплуатации необходимо располагать базой данных по аварийности в электрической сети за период наблюдения, обеспечивающего репрезентативность выборок. База данных по аварийности формируется на основе актов расследования аварий и инцидентов в электрической сети. Для получения надёжностных показателей объекта наблюдения по данным об аварийности необходимо располагать следующими сведениями:

место, дата, время и причины технологического нарушения;
последствия технологического нарушения, на основании которых по принятому критерию отказа объекта можно сделать заключение – привело ли данное технологическое нарушение к состоянию отказа объекта;
время, затраченное на перевод объекта из состояния отказа в состояние работы – время восстановления.

Для получения более достоверных оценок надёжности полезно объединить информацию об аварийности нескольких однотипных объектов, находящихся приблизительно в одинаковых условиях эксплуатации и ремонта.

Алгоритм получения надёжностных показателей по данным эксплуатации за время наблюдения (Т_набл.) состоит в следующем:

1. По числу зафиксированных отказов из общего числа технологических нарушений по формуле (14) или (15) рассчитывается интенсивность (параметр) потока отказов; для линий электропередачи указанный показатель определяется по формуле (18) исходя из 100 км линии.

2. По формуле (17) определяется среднее время восстановления после отказа.

3. По формуле (6) нетрудно вычислить среднее время между отказами.

4. Из формулы (11) вычисляется среднее время пребывания объекта в рабочем состоянии.

5. Для вычисления коэффициента готовности объекта (вероятности нахождения объекта в работе) используется расчётная формула (19).

6. Вероятность безотказной работы объекта на выбранном интервале τ вычисляется по формуле (4).

К числу возможных задач, решаемых на данном иерархическом уровне рассмотрения, в которых необходимо использовать оценки по надёжности, следует отнести:

Оценка по надёжности вариантов технических решений и выбор наиболее рационального решения.
Обоснование резервов электросетевого оборудования.
Обоснование мероприятий для обеспечения надёжности электроснабжения выделенного узла нагрузки.
Планирование и обеспечение выполнения ремонтных и профилактических работ на электросетевых объектах.
Страхование ответственности от нарушений в электроснабжении потребителей.
Планирование развития энергообъектов с учётом надёжности.

6. Показатели надёжности электрической сети в целом

Основной задачей электрической сети является обеспечение надёжного снабжения электрической энергией потребителей, подсоединённых к сети. Поэтому надёжность электрической сети определяется как свойство сети обеспечить необходимую технологическую связь между генерирующими источниками (внутренними и внешними) и узлами потребления энергии для выполнения договорных обязательств сети по надёжному электроснабжению потребителей.

Причинами нарушения электроснабжения в виде ограничения или прекращения подачи электроэнергии потребителям в большинстве случаев являются:

технологические нарушения на электросетевых объектах (линиях электропередачи и подстанциях);
ограничения по пропускной способности электросетевых объектов в нормальной, послеаварийной или ремонтной схемах электрической сети;
дефицит мощности и энергии в нормальных и послеаварийных режимах работы генерирующих компаний;
ошибки в оперативно-диспетчерском управлении по ведению режимов работы ЭЭС;
неправильные действия системной противоаварийной автоматики;
несогласованные и ошибочные действия потребителя.

На надёжность работы электрической сети влияют в большей мере первые две из перечисленных причин нарушения электроснабжения. Для повышения надёжности сети в электрической схеме широко используются принципы избыточности и резервирования. Избыточность в системе передачи электроэнергии означает использование более мощных по пропускной способности связей между узлами электрической сети, чем это требуется для обеспечения покрытия нагрузки в нормальных условиях. Кроме того, в составе электрической схемы сети могут присутствовать связи там, где они не требуются при нормальной схеме. Эта избыточная пропускная способность может, однако, потребоваться при определённых эксплуатационных условиях (послеаварийные и ремонтные схемы), чтобы предотвратить возможность перегрузки элементов сети и отключения потребителей.

Очевидно, что понятия резервирования и надёжности взаимозависимы, очевидна и связь между надёжностью и дополнительными затратами на избыточность и резервные элементы, а также на удорожание эксплуатации сети. Эти затраты и есть та стоимость, которая обходится электросетевому предприятию для обеспечения повышенного уровня надёжности. В этой связи отдельного рассмотрения заслуживают вопросы компенсации потребителями затрат в сети на обеспечение повышенного уровня надёжности.

Показатели надёжности работы электрической сети в целом определяются её основной задачей и должны в обобщённом виде характеризовать уровни снабжения электрической энергией питающих от сети многочисленных потребителей. В практической постановке вопроса об оценке надёжности электрической сети контролю подлежат конечное число узлов нагрузок. При этом должны учитываться только те случаи нарушений (ограничений) в электроснабжении узлов, причиной которых явились технологические нарушения на электросетевых объектах или недостаточная пропускная способность элементов сети. Для каждого контролируемого узла нагрузок должны быть определены критерии по уровню и времени нарушения электроснабжения, по которым выделяются случаи отказа в электроснабжении узла.

Введём следующие обозначения:

λ_j – интенсивность (параметр) потока отказов (нарушений) в электроснабжении j-го узла нагрузок по "вине" сети – среднее число случаев в единицу времени;

ΔP_j – средняя величина ограничения нагрузки в единицах мощности при отказе в j-м узле;

T_н_j – средняя длительность ограничения нагрузки при отказах в j-м узле в часах;

N – число контролируемых узлов нагрузки в электрической сети;

P_с – максимум суммарной нагрузки контролируемых узлов электрической сети.

Согласно [5] могут быть рекомендованы следующие оценки надёжности работы электрической сети:

сетевой индекс нарушений электроснабжения:

[1/год]; (24)

среднее по электрической сети ограничение потребителей на один отказ:

[МВт]; (25)

сетевой показатель недоотпуска энергии – значение недоотпущенной энергии за год, отнесенные к 1 МВт нагрузки электрической сети (сетевые минуты):

[мин/год]; (26)

модифицированный сетевой индекс недоотпуска энергии:

[1/год]; (27)

Для оценки надёжности работы электрической сети могут также использоваться усреднённые показатели [5]:

среднее число ограничений потребителей для одного узла за год:

[1/год]; (28)

среднее ограничение потребителей на один узел электрической сети за год:

[МВт/год]; (29)

средний недоотпуск энергии на один узел электрической сети за год:

[МВт·ч/год]; (30)

средняя длительность ограничения потребителей на один узел за год:

[час]. (31)

Приведенные в данном разделе показатели для оценки надёжности работы электрической сети не основаны на определении некоторого события, по которому в масштабе всей сети её следует относить к состоянию отказа. Все расчетные формулы показателей в некотором смысле составлены искусственно с использованием данных по контролируемым узлам нагрузок.

Для вычисления показателей наиболее приемлемы статистические методы оценки надёжности по данным эксплуатации. Поэтому важно в электрической сети организовать учёт случаев ограничения в электроснабжении узлов нагрузок и формирования информационной базы, содержащей данные о месте, времени и причине случаев нарушения электроснабжения в узлах, величине ограничения нагрузки и длительности ограничения.

С развитием и совершенствованием договорных рыночных отношений с потребителями электрической энергии такой учёт случаев нарушения электроснабжения потребуется не только для получения оценок надёжности работы электрической сети, но и для разрешения спорных вопросов по претензиям потребителей к имевшему место уровню надёжности энергоснабжения за год, который согласован и утверждён в договорных обязательствах.

К числу задач, решаемых на уровне проектирования и эксплуатации электрической сети на верхнем уровне рассмотрения, относится:

Обеспечение требуемого уровня надёжности электроснабжения при перспективном планировании развитии электрической сети.
Экономические аспекты надёжности электроснабжения потребителей.
Составление графика проведения профилактических работ на электросетевых объектах с учётом обеспечения надёжности электроснабжения.
Разработка политики по страхованию ответственности за нарушение договорных обязательств по надёжности электроснабжения.
Создание централизованного аварийного запаса материалов в электрической сети для аварийного ремонта на воздушных линиях электропередачи.
Разработка требований к поставщикам электрической энергии с позиций обеспечения надёжности электроснабжения.
Разработка взаимодействия органов управления электрической сетью и оперативно-диспетчерским управлением системой.
Использование регулировочных возможностей потребителей энергии.
Выявление "узких" мест в электрической сети и обоснование мероприятий для обеспечения надёжности электроснабжения.
Разработка нормативной базы для надёжности электроснабжения потребителей.
Выявление территориальных зон повышенной опасности для работы электрической сети.

Blog

Методические аспекты и подходы к оценке надёжности электрической сети