Введение 3
1 Анализ состояния надежности электрической сети 7
1.1 Развитие теории надежности 7
1.2 Текущий анализ состояния объектов магистральных и распределительных
электрических сетей 11
1.3 Анализ повреждаемости основного электрооборудования 110-750 кВ 20
1.4 Выводы по первому разделу 38
2 Выбор и обоснование метода расчета показателей структурной надежности
схем электроснабжения, учитывающего отказы коммутационной аппаратуры 39
2.1 Основные понятия теории надежности 39
2.2 Анализ методов оценки показателей структурной надежности 43
2.3 Модели отказов коммутационной аппаратуры 60
2.4 Выводы по второму разделу 66
3 Проведение расчетов на основе выбранного метода оценки показателей
надежности для существующих схем электроснабжения 67
3.1 Программные комплексы, применяемые для расчета показателей надежности электроэнергетических систем 67
3.2 Описание инженерной методики оценки показателей структурной надежности, учитывающей отказы коммутационной аппаратуры 69
3.3 Анализ надежности типовых схем электроснабжения 71
3.4 Выводы по третьему разделу 78
Заключение 79
Список используемых источников 81
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:
1. Анализ состояния надежности электрической сети.
2. Выбор и обоснование метода расчета показателей структурной надежности схем электроснабжения, учитывающего отказы коммутационной аппаратуры.
3. Проведение расчетов на основе выбранного метода оценки показателей надежности для существующих схем электроснабжения.
Методы исследования. В основе изучения лежат материалы всероссийских и международных научно-практических конференций, публикации в ведущих периодических изданиях, входящих в наукометрические базы данных Scopus и WoS, фундаментальные и прикладные научные исследования, проводимые отечественными и зарубежными учеными, нормативные акты и документы. В процессе работы использовались общие положения теории надежности, теории вероятности, теории графов, опыта эксплуатации электрооборудования.
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 состояний 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 коммутационной 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.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
