Развитие теории надежности

Глава ВКР: Исследование методов оценки показателей надежности систем электроснабжения


Черненко, Ю. В. 2019 год

«В соответствии с [1] надежность – это свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Если рассматривать область электроэнергетики, то это бесперебойное снабжение электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества и исключение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. Под объектом исследования понимается как отдельные элементы, например, выключатели, линии, трансформаторы и т.д., так и совокупность элементов–подстанции и т.д» [1,6]. Иногда встречаются термины структурная надежность и функциональная надежность, это делается для того, чтобы упростить расчеты. «Первый термин обозначает надежность в условиях, когда объем выполняемых функций не важен. Здесь область допустимых значений переменных состояния содержит только структурные характеристики, а режимные параметры учитываются приближенно. Таким образом, составляющую, обусловленную структурой системы, т.е. составом элементов, их взаимосвязями, пропускными способностями, без количественного учета режимных особенностей функционирования элементов, т.е. особенностей выполнения ими функций в системе, называют структурной надежностью (особенно важна в процессе проектирования). Функциональная надежность, которая в свою очередь подразделяется на балансовую и режимную, наоборот, рассматривает надежность только в области режимных параметров, а значения структурных характеристик считаются заданными и неизменными, то есть рассматривается анализ режимов, их ограничений, пропускной способности при изменении структуры (что особенно важно в эксплуатации)» [12,33,35,72]. «Балансовая надежность связана с дефицитами мощности и/или энергии как при постепенных, так и внезапных отказах с ограничением или отключением потребителей и/или снижением качества электроэнергии вследствие превышения нагрузкой располагаемой или рабочей мощности либо дефицита энергоресурсов. Способами предотвращения нарушений балансовой надежности в части обеспеченности первичными энергоресурсами являются создание их запасов на электростанциях. Обеспеченность производственными мощностями на перспективу реализуется за счет ввода новых мощностей в генерации и системообразующей сети либо усиления основной сети. В эксплуатации для этой цели используется аварийный ремонт либо досрочный вывод из планового ремонта оборудования» [2]. Режимная надежность делится на статическую и динамическую. «Низкая балансовая надежность, естественно, влияет как на статическую, так и динамическую режимную надежность электроэнергетической системы (ЭЭС). Подвиды последней отличаются последствиями для потребителей: это кратковременное снижение качества электроэнергии либо отключение потребителей, нарушение устойчивости, разделение ЭЭС на части, масштабное отключение потребителей, для живучести – массовое отключение потребителей, деление системы» [35]. Вопросы определения надежности электросетевого комплекса являются важными на современном этапе развития электроэнергетики. В связи с этим наблюдается повышенный интерес к проблеме надежности во всем мире. Решению задач оценки надежности посвящено большое количество исследований российских и зарубежных авторов, таких как Р. Алан, Р. Биллинтон, Б. Дилон, Ч. Сингх, Дж. Эндрени, Н.И. Воропай, Ю.И. Беляев, А.Д. Соловьев, Ю.Б. Гук, Б.В. Гнеденко, Р. Барлоу, Ф. Прошан, Б.В. Болотин, Г.В. Дружинин, В.А. Козлов, В.И. Попков, И.В. Недин, В.Р. Обоскалов, Ю.Н. Руденко,Б.В. Папков, М.Н. Розанов, К.С. Демирчян, В.В. Зорин, Н.А. Казак, А.А. Гришкевич, В.Г. Китушин, Э.А. Лосев, Л.А. Мелентьев, А.В. Мясников, И.А. Ушаков, Ю.А. Фокин И.А. Рябинин, Ф.И. Синьчугов, В.В. Тисленко, и многих других [3-37,40-42, 44-81]. «Первые публикации по применению теории вероятности к задаче по обеспечению надежности появились в 30-х годах, т.к. возникла потребность в количественной характеристике аварийных ситуаций и их последствий. Для получения таких характеристик требовалась теория, позволяющая прогнозировать и рассчитывать поведение систем при определенных условиях в будущем. Такой теорией явилась теория надежности. Истоки развития теории надежности можно отнести ко времени второй мировой войны. Первоначально проблема надежности была сформулирована применительно к радиоэлектронным устройствам и системам автоматики. Известно, что первые формальные расчеты надежности были сделаны в ходе попыток найти объяснение плохого качества немецких реактивных снарядов ФАУ-1 и ФАУ-2. Эти снаряды строились из большого количества деталей, каждая из которых считалась надёжной. Фундаментальный вывод о том, что надёжность системы, в которой выход из строя любого элемента приводит к отказу всей системы, определяется показателями надежности всех (независимых) элементов и поэтому может оказаться много ниже самого низкого из этих показателей был получен только после этого эксперимента. Сегодня этот простой результат хорошо известен, а в то время это было открытием. После войны первые систематические попытки изучения надежности были сделаны в электронной, ядерной и космической промышленности, где от систем, сложность которых постоянно увеличивалась, требовалась высокая надежность. Далее, по мере накопления опыта формализации задач и распространения на другие отрасли техники, теория надежности постепенно стала приобретать черты общей научной дисциплины, поэтому в настоящее время методы теории надежности используются в различных областях техники, в том числе и в электроэнергетике» [45]. В США специалисты по теории и практике надежности начали собираться на конференции по надежности, организованные институтом инженеров по электронике и электротехнике [IEEE] [77-81]. «Одно из первых пособий по надежности в области электроэнергетики – это книга Федосенко Р.Я. «Методы расчёта надёжности электроснабжения потребителей городских электросетей, опубликованная в 1959 г. Тогда же была напечатана книга Афонина Н.С. «Надёжность электроснабжения промышленных предприятий», где были рассмотрены вопросы оценки последствий, наносимых потребителю нарушениями электроснабжения. В последствии Н.С. Афонин и Ш.Ч. Чокин показали, что надёжность относится не только к технической, но и к экономической категории. Поэтому, чтобы принять решения, необходимо анализировать экономические потери потребителей, что является очень трудоемкой задачей. Были периоды времени, когда рассматривали только одну энергосистему, а последствия от ненадежного электроснабжения потребителей не учитывались. Но было доказано, что такой подход не решает многие вопросы (например, вопросы управления режимами электропотребления)» [44,45]. Поэтому необходимо проводить комплексный и системный анализы технико-экономических последствий нарушений нормальной работы потребителей при плановых или внезапных нарушениях электроснабжения. «Для ЭЭС важны вопросы обеспечения надёжности функционирования при различных внутренних и внешних возмущениях, которые могут способствовать каскадному развитию аварий. В связи с этим, возникает вопрос обеспечения живучести, т.е. сохранения работоспособности после появления возмущений, приводящим к крупномасштабным последствиям. Возможные последствия от ненадежности становятся такими существенными, что требуется постоянное совершенствование методов прогнозирования развития, проектирования, строительства, монтажа, эксплуатации и диагностики электроэнергетических систем, позволяющих наиболее полно учитывать надежность и наиболее экономно расходовать выделяемые на ее обеспечение средства» [7,45]. Также в России следует отметить неоценимый вклад в становление и развитие теории надежности постоянно действующего научного семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», который был организован в 1973 году академиком Ю.Н. Руденко [54]. Начиная с конца девяностых годов прошлого столетия монографии на английском языке перестали переводиться. «Во время реформ 1991-2000 гг. в связи со спадом объемов потребления электрической энергии внимание к методам исследования надежности ЭЭС в России ослабло, а разработка стандартов затянулась, сбор информации, анализ и прогноз надежности электроэнергетических систем (ЭЭС) сегодня уступают дореформенному уровню» [45]. Тем не менее, в настоящее время накоплен определенный опыт для нахождения количественной оценки показателей надежности, для этого используются различные методы. Некоторые из них уже устоялись, другие продолжают развиваться, третьи только зарождаются. «Однако на сегодняшний день для оценки показателей надежности в электроэнергетике хорошо разработаны лишь достаточно общие математические методы и построены «универсальные» математические модели с большим количеством допущений. Однако, при исследовании надежности конкретных энергетических объектов требуется не только владение теоретическими методами и моделями, но и переработка их и приспособления к особенностям этих объектов и, как следствие, создания новых методов и моделей» [5,6]. 1.2 Текущий анализ состояния объектов магистральных и