Методические аспекты и подходы к оценке надёжности электрической сети
| Вид материала | Реферат |
- Научно-образовательный материал «надежность электрической изоляции», 32.63kb.
- Курсовой проект проектирование районной электрической сети 220/110, 197.71kb.
- Методические подходы к экономической оценке биоресурсного потенциала региона 6 Экономическая, 442.87kb.
- Методика построения гистограммы и кривой эмпирического распределения 9 Статистические, 26.28kb.
- Изложение основных понятий, терминов и определений, используемых при оценке показателей, 19.72kb.
- Термины и определения Вопросы и задания для самопроверки, 46.9kb.
- Менеджмента качества, 282.8kb.
- Методические рекомендации по оценке и повышению технологической надёжности при строительстве, 421.77kb.
- Оао "фск еэс" Основные положения Стратегии развития Единой национальной электрической, 1133.5kb.
- Методические указания для проведения практических занятий и выполнения курсового проекта, 1404.08kb.
Оценка надёжности работы электрической сети
Научно-методический центр по надёжности энергетических систем
(НМЦ НЭС)
В.А. Скопинцев, В.И. Чемоданов, М.И. Чичинский
ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
(ТРАКТАТ)
Москва, 2004 год
| СОДЕРЖАНИЕ | |
| | Стр. |
| | |
| Предисловие………………………..…………………... | 3 |
| 1. Введение. Постановка задачи……..…………………... | 4 |
| 2. Основные свойства электрической сети, как сложного технического комплекса. Определения.………...…… | 5 |
| 3. Методические аспекты и подходы к оценке надёжности электрической сети..…………………………………. | 9 |
| 4. Показатели надёжности оборудования, аппаратуры и конструкций...……………………………………….……. | 16 |
| 5. Показатели надёжности электросетевых объектов, фрагментов и узлов электрической сети……..…………. | 21 |
| 6. Показатели надёжности электрической сети в целом…………………………………………………….……. | 28 |
| 7. Заключение. Первоочередные задачи..……………….. | 33 |
| Литература………………..……………………………….. | 40 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
С образованием самостоятельно хозяйствующих электросетевых структур (ФСК ЕЭС, МЭС, ПМЭС и др.) возникла потребность в оценке надёжности электрической сети, как отдельно выделенного объекта рассмотрения. Решение данной задачи осуществляется на основе принципов и положений системотехники, теории иерархических многоуровневых систем, теории случайных процессов с использованием публикаций отечественных и зарубежных авторов по теории надёжности электроэнергетических систем. На содержание работы существенное влияние оказало обсуждение актуальных вопросов в постоянно действующей рабочей группе по надёжности ОАО «ФСК ЕЭС» (руководитель В.В. Дорофеев).
Выражаем признательность главному научному сотруднику ОАО «Энергетический институт им. Кржижановского» Волкову Г.А. и старшему бригадному инженеру ОАО «Фирма ОРГРЭС» Баргу И.Г. за прочтение первоначального текста и высказанные замечания и предложения.
Данная научная работа не претендует на абсолютность решений, поэтому заранее благодарим за предложения и замечания, которые просим направлять по адресу: 105318, г. Москва, Ткацкая ул., д. 1. ОАО «Институт «Энергосетьпроект».
Авторы.
1. Введение. Постановка задачи
На современном этапе развития электроэнергетики наряду с вопросами совершенствования технологий всё большую актуальность приобретают вопросы рациональной организации эксплуатации и управления функционированием (поведением) и развитием сложных технических комплексов (систем), к которым относится Единая национальная (общероссийская) электрическая сеть (ЕНЭС). Речь идёт об использовании рыночных отношений и конкуренции для формирования устойчивой системы удовлетворения спроса на электрическую энергию при условии обеспечения надлежащего качества и минимизации стоимости электрической энергии и её передачи, об обеспечении экономически обоснованной доходности инвестированного капитала и оптимизации структуры управления электроэнергетической системы (ЭЭС), о задачах управления надёжностью электроснабжения потребителей энергии, обосновании мер, направленных на обеспечение промышленной безопасности энергообъектов и предотвращение возникновения аварийных ситуаций, и многих др.
Понятие «Единая национальная (общероссийская) электрическая сеть» введено в Федеральном законе от 26 марта 2003г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» и представляет собой «комплекс электрических сетей (выделено автором) и иных объектов электросетевого хозяйства, принадлежащих на праве собственности или на ином предусмотренном федеральными законами основании субъектам электроэнергетики и обеспечивающих устойчивое снабжение электрической энергией потребителей (выделено автором), функционирование оптового рынка, а также параллельную работу российской электроэнергетической системы и электроэнергетических систем иностранных государств».
С позиций системного подхода, широко используемого при исследовании сложных систем, ЕНЭС представляет собой одну из подсистем ЭЭС, предназначением которой является обеспечение надёжной технологической связи между производителями и потребителями электрической энергии (рисунок 1). В этой связи успешное выполнение задачи устойчивого снабжения электрической энергией потребителей и других задач во многом определяется надёжным функционированием электрических сетей, составляющих ЕНЭС. При этом предполагается обеспечение надёжности работы других подсистем ЭЭС.
Рисунок 1. Основные подсистемы единой электроэнергетической системы.
В многочисленных публикациях по надёжности систем энергетики вопросы надёжности функционирования электрических сетей рассматриваются совместно с генерирующей частью ЭЭС. С образованием самостоятельно хозяйствующих электросетевых структур (ФСК ЕЭС, МЭС, ПМЭС и др.) возникла потребность в оценке надёжности электрической сети, как отдельно выделенного объекта рассмотрения, что и явилось целью настоящей работы.
2. Основные свойства электрической сети, как сложного технического комплекса. Определения
Электрическая сеть представляет собой комплекс устройств электроустановок, которые предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Современные электрические сети по своей структуре, организации эксплуатации и принципам управления относятся к сложным техническим комплексам (системам). При принятии решений на управление такой системой важными являются оценки качества её функционирования.
Под качеством (эффективностью) сложной системы понимается совокупность свойств, определяющих способность системы выполнить поставленные при её создании задачи. К определяющим качество свойствам технической системы наиболее часто относят надёжность, экономичность и безопасность, а при определённых требованиях к системе – также живучесть (рисунок 2).
Рисунок 2. Свойства, определяющие эффективность (качество) электрической сети.
Основной задачей электрической сети является обеспечение устойчивого снабжения электрической энергией потребителей, подсоединённых к этой сети. Поэтому качество работы электрической сети, прежде всего, следует оценивать надежностью электроснабжения потребителей, например, вероятностью того, что будет обеспечено непрерывное снабжение потребителей энергией требуемого качества.
Общей характеристикой показателей надёжности является то, что они имеют вероятностную природу и характеризуют вероятность наступления определённого события или выполнения заданных требований. Возможны оценки надёжности средним значением контролируемой случайной величины, дополненным доверительными границами.
В практике получило применение задание пороговых значений показателей надёжности, выполняющих роль нормативных требований. Нормативные требования принимаются соглашением с соответствующими обоснованиями и зависят от достигнутого в данный момент времени технического прогресса в области используемых технологий и оборудования, уровня организации эксплуатации и других факторов, и с течением времени должны пересматриваться.
Другим важным свойством, определяющим качество функционирования технического комплекса, является экономичность, которая характеризуется показателями использования средств, вкладываемых в электрическую сеть. Такими показателями экономичности могут быть себестоимость оказываемых услуг по передаче единицы энергии, прибыль, рентабельность и другие, а для оценки решений по развитию электрической сети – чистый дисконтированный доход, индекс доходности, внутренняя норма доходности и другие.
В последнее время всё большую значимость приобретает свойство безопасности технических систем. В проблеме безопасности сложных технических комплексов следует выделить два направления. Первое из них относится к их нормальной повседневной эксплуатации. Неизбежные техногенные воздействия на человека и природную среду, а также отходы производства выдвигают ряд практических задач по охране труда и экологичности используемых технологий.
Второе направление связано с технологическими нарушениями и получило название промышленная безопасность. Под промышленной безопасностью технического объекта (системы) понимается его способность обеспечить защиту человека, природной среды и собственности от опасных воздействий, возникающих при авариях и инцидентах на этом объекте.
Если при анализе надёжности основное внимание уделяется изменению состояния исследуемого объекта, например, нарушению способности выполнять свои функции из-за произошедшего технологического нарушения, то при изучении промышленной безопасности выявляются причинно-следственные связи возникновения аварий и других нарушений с их последствиями (социальными, экологическими, экономическими). Показателями промышленной безопасности являются риски последствий от аварий и инцидентов, которые показывают меру опасности неблагоприятных последствий от нарушений за определённый период времени и включают в себя частоту событий и последствия от них.
Оценки надёжности, экономичности и безопасности дают достаточно полное представление о качестве (эффективности) функционирования технического объекта (системы) в определённых условиях эксплуатации – нормальных условиях. Однако, при эксплуатации электрической сети, хотя и редко, возможны опасные воздействия на элементы сети, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации и приводящие к чрезвычайным ситуациям. В качестве примера можно привести известные случаи массового повреждения воздушных линий электропередачи на обширной территории из-за воздействий гололёдно-ветровых нагрузок на провода и конструкции опор, превосходящих проектные.
Высока вероятность террористических актов и случаев вандализма против объектов электроэнергетики, нельзя исключить из рассмотрения военные конфликты и действия. Во всех указанных случаях речь идёт о живучести технического объекта (системы) в "широком" смысле – способности объекта полностью или в ограниченном объёме выполнять свои функции при воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, а при полной или частичной утрате работоспособности – восстанавливать её за допустимое время. Показатели живучести имеют вероятностный характер и отражают риск возникновения чрезвычайной ситуации, оценки времени восстановления и другие.
В электроэнергетике имеет место понятие живучести объекта в "узком" смысле – свойство объекта противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей на длительное время.
Все перечисленные свойства сложных технических комплексов, определяющие качество их функционирования, должны учитываться при принятии решения на управляющие воздействия в задачах управления. Концентрация внимания, например, только на показателях экономичности, не гарантирует соблюдения допустимых уровней социальной и экологической безопасности или выполнения договорных обязательств по надёжности энергоснабжения потребителей. В свою очередь, надёжная электрическая сеть в части выполнения требуемых функций может быть не экономичной и не соответствовать требованиям безопасности.
3. Методические аспекты и подходы к оценке надёжности электрической сети
Электрическая сеть, как сложный технический комплекс, относится к многоуровневым иерархическим системам. При оценке надёжности функционирования электрической сети важно различать следующие иерархические уровни рассмотрения (рисунок 3):
Рисунок 3. Иерархические уровни электрической сети.
нижний уровень – оборудование, аппаратура и конструкции – включает в себя электросетевое силовое оборудование, коммутационную аппаратуру, элементы и конструкции линий электропередачи и электроподстанций, аппаратуру систем автоматики, релейной защиты и управления. Всё перечисленное относится к заводским изделиям, как правило, серийного выпуска;
средний уровень – электросетевые объекты, фрагменты и узлы электрической сети – к данному уровню относятся большинство типовых технических решений, которые могут повторяться при проектировании линий электропередачи, узлов электроподстанций (сборных шин, систем собственных нужд, трансформаторного блока и другого), внешнего электроснабжения выделенного узла нагрузки, комплекса релейной защиты и автоматики и другого;
верхний уровень – электрическая сеть в целом – представляет собой уникальный объект рассмотрения.
Согласно теории иерархических многоуровневых систем [1] для каждого уровня существует ряд своих особенностей, закономерностей и принципов, критериев и показателей, характеризующих поведение системы. В общем случае критерии и показатели, используемые для характеристики системы на одном уровне, не всегда применимы для других уровней рассмотрения. Поэтому оценки надёжного функционирования электрической сети, подходы и способы их получения могут различаться в зависимости от иерархического уровня.
Другим важным методическим аспектом при исследовании свойства надёжности электрической сети является понятие «отказа». В последующем изложении под отказом понимается непредусмотренное прекращение или утрата объектом способности выполнять в необходимом объёме (размере) свои функции свыше допустимого времени.
Причинами отказов в электрической сети в большинстве случаев могут быть повреждения в оборудовании, аппаратуре и конструкциях электросетевых объектов или появление недопустимых режимных параметров в элементах сети, требующее принятия неотложных действий по их устранению.
Согласно Инструкции [2] все случаи повреждения элементов электрической сети, недопустимых отклонений параметров технического (технологического) состояния энергетических установок, а также полных или частичных незапланированных отключений энергоустановок (в т.ч. без повреждения оборудования) и энергоприёмников относятся к технологическим нарушениям, которые в зависимости от тяжести последствий подразделяются на аварии и инциденты. Все технологические нарушения подлежат расследованию и учёту, что позволяет сформировать базу данных по аварийности в электрических сетях за продолжительный срок эксплуатации.
Можно показать, что не все технологические нарушения приводят к случаю отказа. Так, например, при обрыве провода в одной цепи 2-х цепной воздушной линии электропередачи имеет место технологическое нарушение, при этом, если оставшаяся в работе другая цепь линии позволяет передавать необходимую мощность, то случай отказа линии отсутствует. Не будет отказа линии и при допустимом кратковременном отключении одноцепной ВЛ, если, например, она отключилась вследствие удара молнии в линию и успешно была включена действиями АПВ.
Из всего сказанного следует важный методический вывод, что для оценки надёжности электрической сети необходимо иметь критерии, на основании которых рассматриваемая на соответствующем иерархическом уровне сеть может быть отнесена к состоянию отказа. Эти критерии определяют допустимые границы показателей, характеризующих выполнение объектом своих функций в необходимом объёме, при выходе из которых на недопустимое время объект переходит в состояние отказа.
При исследовании свойств электрической сети следует учитывать вероятностную природу её функционирования. Режим работы сети, загрузка её элементов базируются на неопределённости фактических значений генерации и потребления энергии в соответствующих узлах сети. Возникновение технологических нарушений в элементах электрической сети и масштабы их последствий зависят от многих случайных факторов. Поэтому изучение поведения таких комплексов, включая оценки их надежности, имеют смысл в рамках вероятностных категорий. Другими словами, показатели надёжности электрической сети имеют вероятностную природу.
Отечественный и зарубежный опыт решения задач по оценке надёжности систем электроэнергетики [3, 4, 5] показывает, что показатели надёжности в общем случае образуют три группы:
- вероятность какого-либо события, например, отказа;
- интенсивность событий, например, число отказов в единицу времени;
- средняя продолжительность события (математическое ожидание), например, средняя продолжительность времени между отказами, средняя продолжительность времени восстановления после отказа.
При выборе состава показателей надёжности электрической сети (особенно показателей, подлежащих нормированию) следует учитывать иерархический уровень рассмотрения, степень ответственности объекта, условия его эксплуатации, характер отказов, возможные последствия от них. При этом целесообразно, чтобы число нормируемых показателей надёжности было минимально, они имели простой физический смысл, допускали возможность получения расчетной оценки на этапе проектирования и получения статистической оценки по результатам испытаний или данным эксплуатации [6].
Ещё один важный методический аспект функционирования электрической сети, определяющий подход к оценке её надёжности, заключается в том, что все происходящие в сети технологические нарушения и связанные с ними отказы образуют во времени поток событий. Согласно [7] потоком событий называется последовательность однородных событий, появляющихся одно за другим в случайные моменты времени. Важным понятием для потока событий является интенсивность потока λ(t) – среднее число событий, приходящееся на единицу времени. При решении практических задач широкое применение получил поток событий, в котором число событий Χ(t, τ), попадающих на участок времени длины τ (рисунок 4), имеет распределение Пуассона:
, (1)где
Р
исунок 4. Поток событий.
Допущение о пуассоновском потоке событий при решении различных инженерных задач имеет теоретическое подтверждение в виде предельной теоремы потоков [7]. Поэтому пуассоновский поток событий играет такую же важную роль в теории случайных процессов, как нормальное распределение случайных величин в теории вероятностей [8].
Значение интенсивности потока событий λ(t) в формуле (1) является зависимым от времени t. При решении практических задач довольно часто принимают допущение о постоянстве интенсивности потока на некотором интервале времени, т.е.
λ(t)= λ=const. (2)
При выполнении условия (2) поток событий называется стационарным.
Замечено [4, 5, 7], что поток отказов технического объекта (системы), состоящего из многих элементов, имеет график интенсивности λ(t), сходный с показанным на рисунке 5.
Рисунок 5. График интенсивности отказов технического объекта.
На участке (0,t1) интенсивность отказов технического объекта λ(t) уменьшается: новый технический объект "прирабатывается", в нём выявляются и устраняются различные дефекты. Затем на участке (t1,t2) наступает период "стабильной" работы технического объекта, когда можно считать, что λ=const. Затем по мере "старения" технического объекта (участок времени t>t2) интенсивность отказов снова возрастает.
В случае стационарного потока отказов выражение (1) для распределения числа событий упрощается и принимает вид:
. (3)Из выражения (3) следует, что вероятность безотказной работы объекта на участке времени τ равно:
. (4)В [7, 8] показано, что интервал времени T между двумя соседними событиями (отказами) в стационарном пуассоновском потоке имеет показательное распределение с параметром, равным интенсивности потока:
. (5)Из свойств показательного распределения следует [8]: среднее время между отказами (математическое ожидание) обратно параметру распределения λ и имеет размерность, обратную λ:
. (6)Для оценки надежности технических систем получил применение подход, основанный на методе пространства состояний, теоретическую основу которого составляют марковские случайные процессы. Полагают, что рассматриваемый объект может иметь ограниченное число состояний (в простейшем случае два состояния: работы и отказа), причём переходы из состояния в состояние происходят под воздействием пуассоновских потоков событий (нередко потоки принимаются стационарными).
Р
исунок 6. Состояния электросетевого объекта.
На рисунке 6 представлено два состояния электросетевого объекта, в которых он может находиться: S1 – объект исправен (работает), S2 – объект неисправен (находится в ремонте). На объект, находящийся в состоянии S1, действует стационарный поток отказов с интенсивностью λ12, переводящий объект в состояние S2. На объект, находящийся в состоянии S2, действует стационарный поток восстановлений с интенсивностью μ21. Оба потока являются пуассоновскими и независимыми.
Вероятности нахождения объекта в состоянии работы – pраб и состоянии отказа – pотк в стационарном режиме определяются путем решения уравнений Колмогорова [7]:
. (7)Исходя из свойств показательного распределения, среднее время нахождения объекта в работе составляет:
, (8)а среднее время нахождения объекта в состоянии отказа:
. (9)Подставляя (8) и (9) в (7), получим:
. (10)Последние выражения для вероятностей известны под названием соответственно коэффициент готовности (комплексный показатель надёжности) и коэффициент неготовности. Знаменатель в формулах (10) представляет собой среднее время между отказами (полный цикл "работа – отказ - восстановление"), т.е.
. (11)Подставляя (11) в (10) с учётом (6), получим:
или 
. (12)Полученное выражение в [4] известно как фундаментальное уравнение, устанавливающее связь между тремя параметрами – показателями надёжности работы объекта.
Уравнение (12) с методической точки зрения интересно тем, что позволяет определить минимальное число показателей, которые дают достаточную оценку надёжности объекта. Исходя из (12) число таких показателей должно быть равно двум, а остальные, при необходимости, могут быть рассчитаны по формулам.
С учётом сформулированных методических положений и подходов к оценке надёжности электрической сети далее рассматриваются показатели надёжности на выделенных иерархических уровнях.