Исследование методов оценки показателей надежности систем электроснабжения


Черненко, Ю. В. 2019 год

Введение

Теория надежности как наука возникла в пятидесятых годах двадцатого столетия. «Основная ее задача – это разработать и изучить методы, которые обеспечат эффективность работы разных элементов (изделий, устройств, систем) в процессе их эксплуатации» [14]. В настоящее время вопросам надежности посвящено большое количество работ, они вызывают немалый интерес во всем мире. Однако, несмотря на большое количество работ в данной области, в настоящее время актуальность этой темы не снижается. Связано это с тем, что подключаются новые потребители, создаются сложные системы электроснабжения. На практике специалист в области электроэнергетики постоянно принимает разные решения: выбирает оптимальные варианты системы; подбирает режимы работы систем в условиях, которые отличаются от нормальных; производит ремонты, замены и оперативные переключения. На выбор данных решений оказывает влияние большое число разных факторов. Для некоторых из них можно произвести количественный анализ и расчет, вследствие чего можно сузить область возможных вариантов принятия решений; другие не поддаются количественному описанию. Это приводит к неопределенности при выборе решений. Несмотря на это, специалистам необходимо их принимать, соединяя практические знания с количественными расчетами и инженерной интуицией, а также проводить качественный анализ проводимых задач. При этом возникает риск выбора ошибочных и неоптимальных решений. Соответственно, чем больше разнообразных факторов, которые нельзя просчитать, тем больше вероятность того, что можно принять неправильные решения и получить их отрицательные последствия. Надежность среди всех разнообразных факторов занимает особое место. Поэтому появилась потребность в количественной оценке аварийных ситуаций и их последствий. В настоящее время основной тенденцией в энергетике является создание больших энергообъединений, у которых имеется сложная структура, с одной стороны – это приводит к увеличению доли системных аварий, в результате которых единичный отказ может повлечь за собой каскадное развитие аварии и охватить значительную часть энергообъединения, с другой стороны – объединение позволяет получить значимые экономические преимущества. Поэтому необходимо проанализировать все затраты, связанные с повышением уровня надежности. Чтобы повысить надежность довольно часто принимают решения о резервировании или дублировании достаточно большого количества потребителей, что приводит к большим капитальным затратам, следовательно, это решение должно быть надлежащим образом обосновано. «Рассчитав ущерб, нанесённый потребителям из-за перерыва электроснабжения, убытки из-за аварийного ремонта, и расходы, направленные на повышение надежности, можно оптимизировать уровень надёжности электроэнергетического оборудования и систем в целом» [15, 45]. «Существенный рост потребления электрической энергии связан с качественным изменением потребителей. Последнее определено введением новых технологий и углублением электрификации разных производств, что приводит к увеличению зависимости нормального функционирования потребителей от надежности снабжения электрической энергией» [44,47]. Это может привести к значительному материальному ущербу из-за нарушения энергоснабжения, а в некоторых случаях привести к масштабам национального бедствия, доказательством чему служат ряд аварий в разных странах мира, например, США – Канада в августе 2003 г.; Швеция – Дания – Италия в сентябре 2003 г.; в мае 2005 г. – авария в Москве; в июне 2005 г.- авария в Благовещенске, Амурской области. Таким образом, ряд непредвиденных и случайных причин может привести к потере электроэнергии, либо снизить ее качество у части или даже у всех потребителей системы электроснабжения. «Нарушение электроснабжения из- за системных аварий, как уже говорилось выше, может привести к серьезному ущербу, который может быть также связан с угрозой для жизни людей. Например, Нью-Йоркская авария в США привела к тому, что более чем на десять часов на территории с населением приблизительно 30 миллионов человек была практически приостановлена жизнедеятельность. Ущерб от данной аварии, по предварительным расчетам, превышал сто миллионов долларов» [16,45]. «В некоторых электроэнергетических системах число аварий может достигать в течение года нескольких десятков, а годовой недоотпуск электроэнергии из-за последствий аварий – нескольких миллиардов киловатт-часов. Суммарная общая мощность генераторов, которые одновременно простаивают в аварийном ремонте, составляет десятки миллионов киловатт. Всевозможные последствия от ненадежности элементов системы становятся существенными, в связи с этим необходимо постоянно совершенствовать методы, позволяющие прогнозировать развитие, проектирование, строительство, монтаж и эксплуатацию электроэнергетических систем, с помощью которых можно было бы наиболее полно учитывать надежность и экономично тратить средства, которые выделяются на её обеспечение» [26,45, 47]. Таким образом, на сегодняшний день оценка показателей надежности систем электроснабжения становится одной из важных задач развития в области энергетики. Создание новых и расширение без того сложных электроэнергетических систем требует таких методов оценки надежности, которые бы позволили при проектировании учитывать опыт эксплуатации, провести анализ различных вариантов обеспечения надежности, а также спрогнозировать надежность новых энергосистем. Существующие на сегодняшний момент различные методы количественной оценки показателей надежности электроэнергетических систем весьма громоздки, поэтому вопросы выбора и применения упрощенных методов расчета надежности, позволяющие более эффективно, и с меньшими вычислительными затратами решать задачи оценки надежности, приобретают большое значение Таким образом, количественная оценка уровня надежности различных схем электроснабжения является в современных условиях актуальной темой, что подтверждается основными разделами энергетической стратегии России на период до 2030 г. и концепции обеспечения надежности в электроэнергетике [2,15]. Целью исследования является выбор метода расчета показателей надежности, позволяющего повысить точность оценки уровня надежности с учетом отказов коммутационной аппаратуры и с меньшими вычислительными затратами выбрать наиболее эффективный вариант схемы на стадии проектирования и эксплуатации. В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи исследования:

Заключение

1. Рассмотрено современное состояние вопроса развития теории надежности. Показано, что вопросы определения надежности электросетевого комплекса являются важными на современном этапе развития электроэнергетики. 2. Проведен анализ состояния объектов магистральных и распределительных электрических сетей. Выявлено, что общая доля технологических нарушений в электросетевом комплексе по причинам, связанным со старением (износом) оборудования составила 24%, что свидетельствует о необходимости увеличения объемов технического перевооружения и реконструкции объектов электросетевого хозяйства. 3. Проведен анализ структуры отказов силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и тока, выключателей, разъединителей. На основе анализа было выявлено, что наибольший процент отказов приходится на выключатели – 46,9 %. 4. Показана необходимость оценки надежности различных типов оборудования и схемы электроснабжения в целом с целью разработки мероприятий по обеспечению надежности и бесперебойной работы. Для этого необходимо выбрать метод количественной оценки показателей надежности с учетом надежности коммутационной аппаратуры, позволяющий повысить точность оценки уровня надежности схем электроснабжения, оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования и провести анализ различных вариантов обеспечения надежности. 5. Проведен сравнительный анализ методов оценки показателей структурной надежности. Рассмотрены основные достоинства и недостатки данных методов. На основе проведенного анализа выбран метод пространства состяний как основополагающий. 6. Рассмотрены основные модели отказов коммутационной аппаратуры, а именно выключателей, т.к. на них приходится большая часть отказов. Показана необходимость учета влияния отказов коммутацинной аппаратуры для проведения точной оценки надежности систем электроснабжения. Для дальнейшего расчета выбрана инженерная методика оценки показателей надежности, учитывающая разные виды отказов коммутационной аппаратуры, базирующаяся на методе пространства состояния. 7. Проведен анализ основных программных комплексов, применяемых для расчета показателей надежности электроэнергетических систем в России и за рубежом. Анализ показал, что основной недостаток программных комплексом зарубежного производства – это высокая стоимость и сложность подготовки кадров для изучения специализированных программных комплексов, поэтому для некоторых технических проектов, в которых отказ оборудования не влечет столь серьезных последствий, возможно использование авторских программных продуктов. 8. Проведена практическая реализация методики для расчета показателей надежности типовых схем электроснабжения, заданных в виде графовой модели. Представленная методика расчета показателей надежности с учетом отказов коммутационной аппаратуры позволяет повысить точность оценки уровня надежности и с меньшими вычислительными затратами выбрать наиболее эффективный вариант схемы на стадии проектирования и эксплуатации.

Список литературы

1. ГОСТ 27.002–2015. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2016. 24 с. 2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 г. №1715-р [Электронный ресурс]. URL: https:/minenergo.gov.ru/node/1026/ (дата обращения 28.03.2019). 3. Абдурахманов А.М., Мисриханов М.Ш., Неклепаев Б.Н., Шунтов А.В. Еще раз о составляющих модели отказов выключателя//Электрические станции. 2005. № 4. С. 41–48. 4. Абдурахманов А.М., Василенко Н.Е., Глушкин С.В., Плотников В.В., Шунтов А.В. О характеристиках надежности трансформаторов в основных сетях энергосистемы//Электричество. 2018.№4. С. 26-30. 5. Александровская Л.Н., Афанасьева А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: М. Логос, 2001. 208 с. 6. Анищенко В.А. Надежность систем электроснабжения: учеб. пособие. Мн.:УП «Технопринт», 2002. 160 с. 7. Арзамасцев Д.А., Обоскалов В.П. Расчет показателей структурной надежности энергосистем: учебное пособие. Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1986. 80 с. 8. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности: Пер. с англ. М.: Сов. Радио, 1969. 488 с. 9. Биллинтон Р., Аллан Р. Оценка надежности электроэнергетических систем: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат,1988. 288 с. 10.Богомолов В.С., Зихерман М.Х., Львов Ю.Н., Назаров И.А., Тимашова Л.В., Шлейфман И.Л., Ясинская Н.В. Повреждаемость основного электрооборудования ПС напряжением 110-750 кВ в РФ// Энергия единой сети. 2003. №2 (7). С.14-27. 11.Бондаренко А.Ф., Герих В.П. О трактовке критерия надежности N-1// Электрические станции. 2005. №6. С.40-43. 12. Васильев И.Е. Надежность электроснабжения: учебное пособие для вузов. М. Издательский дом МЭИ, 2014. 174 c. 13. Волгин Л.И. Логические основы математической теории надежности. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 1997. 44 с. 14. Воропай Н.И. Теория систем для электроэнергетиков: учебное пособие. Новосибирск: Издательская фирма РАН, 2000. 273 с. 15. Воропай Н.И. Концепция обеспечения надежности в электроэнергетике// Воропай Н. И., Ковалёв Г. Ф., Кучеров Ю. Н. и др. – М.: ООО ИД «ЭНЕРГИЯ», 2013. 212 с. 16. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. учебное пособие. Новосибирск. Издательская фирма РАН, 2015. 207 с. 17.ГаммА.З.Статистическиеметодыоцениваниясостояния электроэнергетических систем. М.: Наука, 1976. 200 с. 18. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. 524 с. 19. ГнеденкоБ.В.,КоваленкоИ.Н.Введениевтеориюмассового обслуживания. 2–е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1987. 336 с. 20. Гришкевич А.А. Комбинаторные методы исследования экстремальных структур математических моделей электрических цепей и систем: Монография. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 258 с. 21. Гук Ю.Б., Казак Н.А., Мясников А.В. Теория и расчет надежности систем электроснабжения. М.: Энергия, 1970. 176 с. 22. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 208 с. 23.Гук Ю.Б., Карпов В.В., Лапидус А.А. Теория надёжности. Введение: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.171 с. 24. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем: Пер. с анг. М.: Мир, 1984. 318 с. 25.Канаев Д.Г., Маряхин Е.В., Черненко Ю.В. Проблемы безопасности системАСКУЭиSMARTGRID/Проблемыэлектротехникии электротехнологии: сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти, ТГУ, 2017. С.252-257. 26.Карпов В.В., Федоров В.К., Грунин В.К., Осипов Д.С. Основы теории надежности систем электроснабжения: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003. 72 с. 27. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. Новосибирск: Изд–во НГТУ, 2003. 256 с. 28. Ковалев А.П., Сердюк Л.И. Метод расчета надежности сложных схем системэлектроснабжениясучетомвосстановленияэлементов// Электричество. 1985. № 10. С. 52-53. 29. Ковалев Г.Ф., Лебедева Л.М. Надежность систем энергетики/отв. ред. Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2015. 224 с. 30.Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.:Сов. радио, 1975.472 с. 31.Кокин С.Е., Дмитриев С.А., Хальясмаа А.И. Схемы электрических соединений подстанций: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун- та, 2015.100 с. 32. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. 432 с. 33.Куликов А. Л., Осокин В. Л., Папков Б. В., Шилова Т. В. Расширение понятия«надежность»всовременнойэлектроэнергетике//Вестник НГИЭИ. 2018. № 3 (82). С. 88-98. 34.Маряхин Е.В., Канаев Д.Г., Черненко Ю.В. Система мониторинга и прогнозированияпотребленияэлектрическойэнергии/Проблемы электротехники и электротехнологии: сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти, ТГУ, 2017. С.258-263. 35.Манов Н.А., Хохлов М.В., Чукреев Ю.Я. Методы и модели исследования надежности электроэнергетических систем / под ред. Н.А. Манова: монография. Сыктывкар.: изд-во Коми научного центра УрО РАН, 2010. 292 с. 36.Методы определения и контроля надежности больших систем/ Под ред. А.А. Червоного. М.: Энергия, 1976. 264 с. 37. Зорин В.В., Тисленко В.В., Клеппель Ф., Адлер Г. Надежность систем электроснабжения. Киев: Вища школа, 1984. 192 с. 38.Надежность систем энергетики. Сборник рекомендуемых терминов/ под ред. Н.И. Воропая. М.: ИАЦ «Энергия», 2007. 192 с. 39. Надежность систем энергетики и их оборудования. Справочник: В 4-х т./Под общей ред. Ю.Н. Руденко. Т.2. Надежность электроэнергетических систем. Справочник/Под ред. М.Н. Розанова. М.:Энергоатомиздат, 2000. 568 с. 40.Назарычев А.Н., Андреев Д.А. Методы и математические модели комплексной оценки технического состояния электрооборудования/ Иваново: Иван. гос. энергет. ун-т, 2005. 224 с. 41.Непомнящий В.А. Надежность оборудования энергосистем. М.: Изд-во журнала «Электроэнергия. Передача и распределение», 2013. 196 с. 42.Нозик А.А., Можаев А.С., Струков А.В., Гладкова И.А. Применение программногокомплексаАРБИТРвзадачахпроектнойоценки надежностиструктурно-сложныхсистем//Методическиевопросы исследованиянадежностибольшихсистемэнергетики:Вып.67. Актуальные проблемы надежности систем энергетики.2015. С. 4-8. 43.Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС», 2017. 135 с. 44.ПапковБ.В.,ПашалиД.Ю.Надежностьиэффективность электроснабжения: учебное пособие. Уфа: УГАТУ, 2005. 380 с. 45.Папков Б. В., Куликов А. Л. Теория систем и системный анализ для электроэнергетиков. М. : Изд-во Юрайт, 2016. 470 с. 46.Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе». М.: 2017. 196 с. 47. Обоскалов В.П. Структурная надежность электроэнергетических систем: учебное пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2012. 194 с. 48.Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 704 с. 49. Прусс В.Л. Анализ по повышению надежности распределительных линий 6-10 кВ// Электрические станции. 2007. №7. 50. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988. 208 с. 51. Раппопорт А.Н., Кучеров Ю.Н. Актуальные задачи обеспечения надежностиэлектросетевогокомплексаприразвитиирыночных отношений в электроэнергетике //Энергетик. 2004. № 10. С. 2– 6. 52. Розанов М.Н. Надежность энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984. 200 с. 53. Розанов М.Н. Управление надежностью электроэнергетических систем. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 208 с. 54. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. 2–е изд., перераб. и доп. Новосибирск: Наука, 1989. 328 с. 55.Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно- сложных систем. Спб.: Политехника, 2000. 248 с. 56. РябининИ.А.,ЧеркесовГ.Н.Логико-вероятностныеметоды исследования надежности структурно - сложных систем. М.: Радио и связь, 1981.264 с. 57. Синьчугов Ф.И. Надежность электрических сетей энергосистем. М.: ЭНАС, 1998. 371 с. 58. Смирнов А.С., Гайдамович Д.О. Анализ надежности структурно-сложных электрических схем с учетом двух типов отказов// Электричество. 2001. № 2. С. 50-56. 59. Степкина Ю.В., Гришкевич А.А. Формирование классов сечений для вычисления результирующих показателей надежности// Государственный координационный центр информационных технологий. 2005. № ОФАП (инвентарный номер Отраслевого фонда алгоритмов и программ) 5030, № госрегистрации (инвентарный номер ВНТИЦ) 50200501165. 60. Степкина Ю.В., Гришкевич А.А. Расчет результирующих показателей надежностисистемэлектроснабжения//Государственный координационный центр информационных технологий. 2005. № ОФАП (инвентарный номер Отраслевого фонда алгоритмов и программ) 5031, № госрегистрации (инвентарный номер ВНТИЦ) 50200501166. 61. Трубицын В.И. Надежность электростанций: учебное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1997. 240 с. 62.Ушаков И.А. Курс теории надежности систем: учебное пособие для вузов. М.: Дрофа, 2008. 239 с. 63.Фархадзаде Э.М., Мурадалиев А.З., Фарзалиев Ю.З. Оценка точности показателей надежности оборудования электроэнергетических систем по ограниченным статистическим данным// Электричество. 2016. №12. С. 4- 13. 64. Фокин Ю.А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.240 с. 65.Фокин Ю.А. Надежность и эффективность сетей электрических систем. М.: Высшая школа, 1989. 151 с. 66.ФокинЮ.А.Надежностьфункционированияэнергосистеми электроснабжениепотребителей(научныеосновынадежности энергосистем) // Электро. 2002. № 4. С. 13-17. 67. Фокин Ю.А., Алиев Р.С., Туманин А.Н., Файницкий О.В. Методы оценки структурной надежности сложных схем электроэнергетических систем применяющихсякоммутационныхсостояниях//ИзвестияАН. Энергетика. – 1997. № 5. С. 111-118. 68.Фокин Ю. А., Осипов Я.Н. Структурно-функциональные характеристики в расчетахнадежностисложныхэлектроэнергетическихсистем// Электричество. 2010. №5. С. 7-14. 69.Чекан Г.В. Совершенствование топологического метода и разработка программногокомплексадляоценкибезотказности электроэнергетических объектов (диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук). Москва, 2018.175 с. 70.Черненко Ю.В. Учет отказов коммутационной аппаратуры в схемах электроснабжения промышленных предприятий//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. №12. С. 43-48. 71.Черненко Ю.В. Алгоритм формирования классов сечений с учетом отказовкоммутационнойаппаратуры/Проблемыэлектротехникии электротехнологии: сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти, ТГУ, 2017. С.172-178. 72. Чукреев Ю.Я. Модели обеспечения надежности электроэнергетических систем. Сыктывкар, 1995. 173 с. 73. Шалин А.И., Шолохов А.В. О расчете показателей надежности релейной защиты// Известия АН. Энергетика. 1999. № 5. С. 157-168. 74.ШушпановИ.Н.Разработкаметодовоценкинадежности распределительной электрической сети и выбора мероприятий по ее повышению (автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук). Иркутск, 2013. 25 с. 75. ЭндрениДж.Моделированиеприрасчетахнадежностив электроэнергетических системах: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. 336 с. 76.Billinton Roy, Huang Dange. Basic Considerations in Generating Capacity Adequacy Evaluation/Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1-4 May 2005. Р. 611-614. 77.Cepeda J.C., Rueda J.L., Erlich I., Colome D.G. Recognition of post- contingency dynamic vulnerability regions: Towards smart grids// IEEE PES General Meeting, San Diego (USA), 22-27 July, 2012, 8 p. 78.Ernst D., Ruiz-Vega D., Pavella M., Hirsh P.M., Sobajic D. A unified approach to transient stability contingency filtering, ranking and assessment// IEEE Trans. Power Systems, 2001, vol. 16, № 1, Р. 392-400. 79.Yan Xu, Zhao Yang Dong, Lin Guan, Rui Zhang, Kit Po Wong, Fengji Luo Preventive dynamic security control of power systems based on pattern discovery technique// IEEE Trans. Power Systems, 2012, vol. 27, №3, Р. 1236- 1244. 80.. Kai Jiang, Singh C. New Models and Concepts for Power System Reliability Evaluation Including Protection System Failures// IEEE Transactions on Power Systems, 2011, vol. 26, № 4, Р.1845-1855. 81.Miao He, Junshan Zhang, Vittal V. Robust online dynamic security assessment using adaptive ensemble decision-tree learning// IEEE Trans. Power Systems, 2013, vol. 28, №4, Р. 4089-4098.