Теория надежности

Нарушение электроснабжения (ограничение или полное прекращение питания) может быть следствием как внезапных (аварийных) отключений, так и отключений с предупреждением (не менее чем за час до отключения).

Для экономической оценки ущерба от нарушений электроснабжений применяют два подхода. Первый (микромодлирование) основан на детальном подсчете всех потерь и затрат как у потребителей, так и у энергоснабжающей компании. Этот подход используется для решений частных задач при вполне конкретных потребителях электроэнергии и известных характеристиках систем их электроснабжения. Микромоделирование позволяет получить весьма точную оценку экономического ущерба, но требует исчерпывающей первичной информации. Второй подход (макромоделирование) основан на использовании удельных характеристик ущерба (на 1 кВт⋅ч недоотпущенной электроэнергии, на 1 кВт отключенной мощности или 1 час перерыва электроснабжения), определяемых с разной степенью приближения и обобщенных в пределах типа технологического производства, отрасли или народного хозяйства в целом. Этот подход основывается на ограниченных данных и позволяет получить весьма приближенное значение ущерба. Макромоделирование обеспечивает исходной информацией решение крупных задач, когда последствия отключения потребителей известны ориентировочно, а технические решения затрагивают надежность электроэнергетической системы или основных ее узлов. Ниже рассматривается только второй подход, наиболее полно изложенный в [3].

Предприятие моделируется в виде «серого ящика», на входе которого сырье и энергия (А), а на выходе - продукция (П). Нагрузка предприятия складывается из нагрузок ЭП аварийной брони, технологической брони и прочих

Потеря электроприемников аварийной брони может повлечь за собой опасность для жизни людей, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса и т.п. Нагрузка аварийной брони обычно невелика, имеет резервирование от нескольких независимых источников питания и далее предполагается, что она не может быть потеряна.

Внезапные отключения ЭП технологической брони могут повлечь массовый недоотпуск продукции, порчу сырья, брак продукции, потери времени и энергии на восстановление технологического процесса и т.п. При снижении нагрузки предприятия (Р) ниже Рmin происходит останов производственного процесса и полное прекращение выпуска продукции (оказания услуг).

Процесс функционирования предприятия представляется последовательностью технологических циклов, в каждом из которых потребляется электроэнергия АЦ. Народнохозяйственный ущерб (У) можно представить в виде двух составляющих - основного ущерба (УОСН) и ущерба внезапности (УВН).

Если предприятие имеет достаточный резерв (продукции, технологический и т.д.), за счет которого восполняет объем непроизведенной продукции после нормализации электроснабжения, и ΔР ≤ Рmax - Pmin , то основной ущерб можно оценить по формуле:

                                    УОСН=yN⋅ΔА,                                                            (10)

где ΔР - величина ограничения мощности потребителя; Рmin - нижняя граница мощности, до которой можно снижать нагрузку предприятия, не нарушая графика обеспечения продукцией смежников; yN - удельный ущерб от ограничения по мощности, руб/кВт⋅ч; ΔА - недоотпуск электроэнергии за время ограничения, кВт⋅ч.

Значение удельного ущерба по мощности можно оценить как:

                                         ,                                                        (11)

где 3(Рmax) - приведенные годовые затраты на создание предприятия;

А-его годовое потребление.

При отсутствии резервов у потребителя основной ущерб определяют как:

                                      уОСН = уэ⋅ΔА,                                                               (12)

где уэ - удельный ущерб от некомпенсируемого недоотпуска от электроэнергии. Величину уэ можно оценить по формулам:

                               уэ=Ц/А или уэ =1000/Нэ,                                                      (13)

где Ц - цена годовой продукции предприятия; Нэ -норма электропотребления на 1000 рублей выпускаемой продукции.

Если αс - доля сырья в стоимости выпускаемой продукции, то:

                                       .                                                          (14)

Таким образом, основной ущерб можно вычислять по формуле:

                                    уОСН = уо ⋅ ΔА,                                                           (15)

где уо - средняя величина удельного основного ущерба от недоотпуска электроэнергии и ограничения мощности (уN≤ уо ≤ уэ), зависящая от размера резервов предприятия.

Удельные ущербы уточнялись на протяжении долгих лет. За это время курс рубля много раз изменялся. Поэтому для сопоставимости данных, полученных в разные годы, величины удельных ущербов ниже приводятся в условных единицах (у.е. примерно равна одному евро).

К примеру, общий ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии коммунально-бытовому потребителю (У=УОСН; УВН ≅0) определяют по формуле 15, причем уN=0,8 у.е./кВт⋅ч, уэ=2,2 у.е./кВт⋅ч, а уо=1,5 у.е./кВт⋅ч. Эти оценки удельных ущербов справедливы для больших групп потребителей коммунально-бытового сектора и сферы обслуживания, питаемых от районных подстанций. Близкие оценки получены при определении удельных ущербов прямым способом, т.е. специальной обработкой результатов опроса населения.

Общий ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии электрифицированному железнодорожному транспорту (и здесь (У=УОСН; УВН ≅0) также определяют по формуле 15:

               У=у0ΔА= у0а0kОГР[L+(n-1)l0]tОГР./ 8760,                                        (16)

где а0 - годовое потребление электроэнергии на железной дороге, отнесенное к единице ее длины, кВт⋅ч/км; kОГР - степень ограничения движения транспорта при аварии; n - количество отключенных тяговых подстанций; l0 - среднее расстояние между подстанциями, км; tОГР.- время ограничения, ч; L - средняя дальность перевозки 1 т груза (по среднестатистическим данным 1985 г. L≅1000 км). Удельные ущербы составляют величину: уN=0,2 у.е./кВт⋅ч; уэ=0,6 и уо=0,4 у.е./кВт⋅ч. Здесь не учитывается простой или снижение производительности на смежных участках.

Ущерб внезапности (подразумевается полное отключение потребителя) можно оценить по формуле:

                                           УВН ≅ уэАц                                                                                               (17)

или с использованием удельного ущерба внезапности (УВН):

                                  УВН = УВН (tОГР) Pmaxεα,                                              (18)

где уВН (tОГР) принимается по справочным данным [3] в зависимости от длительности ограничения tОГР, у.е./кВт; ε=ΔР/Pmax - степень ограничения потребителя по мощности; α - показатель степени, полученный аппроксимацией.

Ущерб при отключении потребителя с той или иной заблаговременностью может быть получен интерполяцией между двумя крайними случаями (ущерба внезапного и основного).

7. Нормирование надежности

При определении наилучшего уровня надежности системы электроснабжения следует учитывать дополнительные затраты, необходимые для повышения ее надежности, и выгоды, которые могут быть от этого получены, а также определять те элементы СЭС, на повышение надежности которых и должны быть направлены дополнительные капиталовложения. Смысл в том, чтобы обеспечить баланс между эффектом от повышения надежности и затратами на это повышение.

Примем, что для СЭС определены те объекты, в повышение надежности которых необходимо вкладывать средства, чтобы добиться наибольшего эффекта. Пусть предполагается нормировать некоторый показатель надежности - П. Допустим, что каждому варианту (В) повышения надежности (увеличения значения П) можно поставить в соответствие дополнительные затраты З и величину ущерба У. Упорядочив все варианты по возрастанию затрат, т.е. присвоив им соответствующие номера, можно построить зависимости З(В), У(В) и П(В).

Суммируя значения З и У, получим зависимость f(В). В точке А суммарные затраты будут минимальны. Поэтому вариант, соответствующий точке А, будет оптимальным. Значение показателя надежности, соответствующее оптимальному варианту , может быть принято в качестве нормативного.

Рассмотренный подход к определению рациональной надежности требует объемной информации, выполнения квалифицированных расчетов, анализа. Но далеко не всегда можно собрать всю необходимую информацию. Иногда возникают случаи, когда экономический подход трудноприменим из-за сложности перевода в денежный эквивалент индивидуальных и социальных рисков, а также рисков для экосистем. С другой стороны, практика проектирования и эксплуатации накопила опыт, который позволил сформулировать часть требований по надежности в виде нормативов.

Нормы по надежности объектов и звеньев ЭЭС различного уровня зафиксированы в руководящих указаниях, правилах устройства и эксплуатации, строительных нормах и правилах (СНиП), справочниках, циркулярах и т.п. Эти нормы подвергаются периодическому пересмотру, изменениям и дополнениям в связи с изменениями внешних и внутренних условий функционирования СЭС, появлением нового оборудования и технологий, созданием новых методов и средств управления и т.д. Применение нормативов упрощает выбор рациональной надежности, не требует много информации и высокой квалификации в области надежности от ЛПР.

7.1. Нормирование надежности электроснабжения потребителей

Все ЭП по степени требуемой надежности питания делятся на три категории, характеристики которых определяются ПУЭ. Для ЭП всех категорий нормируются число независимых взаимно резервирующих источников питания (ИП) и длительность перерывов электроснабжения таблице 2.

Таблица 2 Нормирование надежности электроснабжения потребителей

Категории ЭП	Минимальное число независимых ИП	Максимальная длительность перерыва электроснабжения
Особая группа	3	Время автоматического восстановления питания
I	2	Время автоматического восстановления питания
II	2	Время ручного восстановления питания
III	1	1 сут

Кроме этого, обеспечение надежности электроснабжения потребителей нормируется большим числом правил надежности формирования схем питания конкретных потребителей. Эти правила относятся к выбору количества и параметров трансформаторов на подстанциях, числа цепей ЛЭП, схем РУ, состава и параметров коммутационной, защитной, управляющей и измерительной аппаратуры.

Среди численных значений показателей надежности питания потребителей могут нормироваться, например, следующие:

- частота отказов электроснабжения  конкретных потребителей с учетом  их категорийности;

- средняя продолжительность перерывов  электроснабжения;

- средний недоотпуск электроэнергии за расчетный период;

- коэффициент обеспеченности электроэнергией.

7.2. Нормирование надежности электрических сетей и оборудования

В состав нормируемых показателей надежности элементов электрических сетей включают:

- среднюю частоту плановых простоев  ωП и параметры потока отказов ω для ВЛ, трансформаторов, сборных шин и коммутационных аппаратов;

- коэффициенты плановых простоев  сетевого оборудования КП;

- среднее время восстановления  элементов электрических сетей  tВ.

Нормирование показателей надежности оборудования выполняется на основе статистических данных о его работе. Указанные выше нормативы, наряду с правилами надежности формирования схем питания конкретных потребителей, рекомендуется пересматривать 1 раз в 5 лет с целью учета новых условий функционирования СЭС, новых технологий, изменений в технической политике и др.

7.3. Нормирование системных показателей надежности

Свойство безопасности можно характеризовать такими системными показателями надежности как:

- индивидуальный риск - вероятность  гибели одного человека в результате  аварии (международный норматив 10-6 в год);

- социальный риск;

- риск для экосистемы - процент  биологических видов экосистемы, на которых скажется вредное воздействие (нормативное значение - гибель не более 5% видов биогеоценоза);

- предельно допустимые значения  перенапряжений и токов КЗ в системе (нормативные значения этих показателей приведены в ПУЭ, в Руководящих указаниях по расчету токов КЗ и других НТД).

Свойства безотказности и ремонтопригодности характеризуются, например:

- требованиями к качеству электроэнергии (допустимые диапазоны изменения частоты, напряжений, несинусоидальности и несимметричности установлены ГОСТ 13109-97);

- вероятностью безотказной (бездефицитной) работы электрической системы  Р (Р≥0,996);

- значением полного резерва  мощности ЭЭС R(R=17 % от годового  максимума нагрузки на перспективу более 15 лет).

Для оценки ущербов при определении рациональной надежности тех или иных вариантов электроснабжения узлов ЭЭС применяют величину удельного ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям - у0 . Нормируется среднее значение для ЭЭС (у0 = 0,6 руб/кВт⋅ч в ценах 1985 г.).

 

8. ЗАДАНИЕ