«ФГБОУ ВПО Амурский государственный Кадры для регионов университет Учебное пособие подготовлено в рамках реализации проекта по подготовке высококвалифицированных кадров для предприятий и организаций регионов (Кадры для ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Амурский государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Амурский государственный

«Кадры для регионов»

университет»

Учебное пособие подготовлено в рамках реализации проекта по подготовке высококвалифицированных кадров для предприятий и организаций регионов («Кадры для регионов») Н.И. Воропай

НАДЁЖНОСТЬ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Учебное пособие Благовещенск Издательство АмГУ ББК 31.2 Печатается по решению В85 редакционно-издательского совета энергетического факультета Амурского государственного университета Разработано в рамках реализации гранта «Подготовка высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горнометаллургической отрасли для предприятий Амурской области» по заказу предприятия-партнера ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания»

Рецензенты:

А. А. Гаврилов, зам. начальника департамента – начальник отдела социальной политики ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания»

Денис Алексеевич Теличенко, доцент кафедры АППиЭ ФГБОУ «Амурский государственный университет» (АмГУ, г. Благовещенск), канд. техн. наук Воропай Н. И.

В 85 Надёжность интеллектуальных систем электроснабжения: учеб. пособие / Н. И. Воропай – Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2013. – 201 с.

Учебное пособие содержит основные современные понятия, положения и подходы к анализу и обеспечению надежности систем электроснабжения, иллюстрируемые многочисленными примерами.

Пособие разработано для образовательной программы ДПО «Интеллектуальные электроэнергетические системы на базе технологии SmartGrid».

В авторской редакции.

ББК 31. ©Амурский государственный университет,

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 1.1. Особенности систем электроснабжения 1.2. Распределенная генерация в системах электроснабжения 1.2.1. Предпосылки и тенденции 1.2.2. Масштабы развития 1.2.3. Электроэнергетические системы будущего 1.2.4. Технические особенности и проблемы

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. События, состояния и процессы в объектах 2.1.1. Работоспособные и неработоспособные состояния 2.1.2. Отказ 2.1.3. Восстановление 2.1.4. Потоки отказов и восстановлений 2.2. Надежность как комплексное свойство 2.2.1. Общие положения 2.2.2. Структурирование надежности 3. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ 3.1. Показатели безотказности 3.1.1. Структурно-функциональные (условные) показатели безотказности 3.1.2. Вероятностные (безусловные) показатели безотказности 3.2. Показатели восстанавливаемости 3.2.1. Структурно-функциональные (условные) показатели восстанавливаемости 3.2.2. Вероятностные (безусловные) показатели восстанавливаемости 3.3. Комплексные показатели 3.3.1. Абстрактный объект 3.3.2. Система электроснабжения 3.4. Примеры

4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

4.2.3. Типы оцениваемых показателей и характер априорных 4.3.2. Структурно-функциональные показатели 4.3.3.2. Аналитический метод на основе марковского 4.3.3.3. Аналитический логико-вероятностный метод 4.3.3.4. Аналитический метод на основе формулы 4.3.3.5. Аналитический метод по схеме Бернулли 4.3.3.6. Аналитический метод на основе пуассоновского 4.3.4. Определение последствий для потребителей при

5. ПОДДЕРЖАНИЕ УРОВНЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

5.2. Виды ремонтов, их характеристика, этапы развития систем ремонта 5.3. Планово-предупредительные ремонты электрооборудования 5.4. Техническое обслуживание и ремонты электрооборудования с 5.6. Методы диагностирования электрооборудования 5.7. Прогнозирование технического состояния электрооборудования 6.2.1. Подход с позиции электроснабжающей организации 6.4. Обоснование решений по обеспечению надежности 6.4.1. Принципы обеспечения надежности электроснабжения 6.4.2. Обеспечение нормативного уровня надежности 6.4.3. Приведение вариантов к одинаковой надежности 6.4.4. Оптимизация надежности с учетом ущербов у 6.4.5. Интервальный метод сопоставления вариантов с учетом 6.4.6. Механизм согласования интересов субъектов

7. ЗАДАЧИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОГО

7.4. Структуризация задач надежности в системах электроснабжения

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2. Характеристики удельных ущербов предприятий. 4. Основные понятия, аксиомы и теоремы из теории вероятностей и

ПРЕДИСЛОВИЕ

Приведенный эпиграф – фрагмент из известной в 1960-е годы книги "Физики продолжают шутить" (М.: Мир, 1968 г.) – отражает тот факт, что "в каждой шутке есть доля шутки" (в том смысле, что то, что в шутке – не шутка, это весьма серьезные вещи). Так и закон Чизхолма и следствие из него свидетельствуют о принципиальном положении для всех сфер нашей жизни: не бывает и не может быть абсолютно надежных объектов, сооружений, систем; каждый объект, система время от времени перестают нормально выполнять свои функции, ломаются или, по терминологии теории надежности, отказывают. Поэтому исследование и обеспечение надежности объектов, систем – одно из актуальнейших направлений современной науки и техники.

Системы электроснабжения не являются исключением из общего правила. Для специалистов-электроэнергетиков, проектирующих и сооружающих системы электроснабжения, эксплуатирующих и изучающих их, невозможно не иметь представлений об основных положениях в области надежности систем электроснабжения, моделях надежности и методах расчета надежности. Поэтому курс "Надежность систем электроснабжения" – один из базовых специальных курсов для инженера-электроэнергетика.

Цель данного конспекта лекций – восполнить существующий в настоящее время острый дефицит учебной литературы и представить современный уровень рассматриваемой дисциплины. Последнее очень важно, поскольку теория надежности в электроэнергетике развивается очень быстро, а реальная действительность ставит все новые и новые проблемы, стимулируя развитие теории.

Конспект лекций соответствует курсу, читаемому автором на кафедре электроснабжения и электротехники Иркутского государственного технического университета. Структурно и содержательно конспект базируется в основном на современном учебном пособии В.Г. Китушина [1], однако имеет и существенные структурные и содержательные отличия, заключающиеся в следующем.

1. Первый раздел данного конспекта лекций дает представление об объекте исследований – системах электроснабжения – с позиций надежности. Это особенно важно в связи с принципиальной трансформацией систем электроснабжения вследствие появления в них распределенной генерации. Кроме того, изложение материала по тексту конспекта лекций, особенно в примерах, максимально адаптировано к системам электроснабжения.

Некоторые положения учебного пособия [1] показались нам изложенными недостаточно четко или чрезмерно громоздко, поэтому были использованы другие источники, прежде всего [2–7], а также ряд примеров и задач, содержащихся в [3–5].

2. По отдельным положениям точка зрения автора данного конспекта лекций не во всем совпадает с представлениями, изложенными в [1]. Это касается, например, структуризации комплексного свойства надежности, интерпретации экономических критериев надежности с позиций электроснабжающей организации и потребителя и др. В таких случаях текст отличается от изложения в [1].

4. Некоторые важные вопросы оказались в [1] не затронутыми. В этом плане необходимо отметить разд. 5 настоящего издания, который построен на основе книги А.Н. Назарычева [8]. Это направление становится все более актуальным с точки зрения обеспечения надежности в электроэнергетике и, в частности, надежности систем электроснабжения.

Приложения содержат основные положения теории вероятностей и математической статистики, являющиеся математической базой теории надежности, а также статистику по показателям надежности электротехнического оборудования. И то, и другое в основном базируется на данных из [1], но включает и некоторую дополнительную информацию.

При определенной содержательной интерпретации предлагаемый конспект лекций может быть использован в качестве основы курса по проблемам надежности и других электроэнергетических специальностей.

1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Особенности систем электроснабжения К системам электроснабжения относятся электрические сети промышленных предприятий, городов, а также сельскохозяйственного назначения. Эти электрические сети обладают рядом признаков, обусловливающих определенную общность методов и средств расчета их надежности, которые заключаются в следующем [7].

1. Электрические сети систем электроснабжения являются составной частью распределительных электрических сетей электроэнергетических систем (ЭЭС). "Сверху" системы электроснабжения ограничены питающими шинами 35, 110 кВ (в ряде случаев 220, 330 кВ) подстанций или электростанций, а "снизу" – вводными устройствами потребителей или конкретными электроприемниками. До последнего времени системы электроснабжения обычно не содержали собственных источников электроэнергии. Ситуация изменилась в связи с распространением так называемой распределенной генерации – малых источников электроэнергии, подключаемых в узлах распределительной электрической сети (см. подробнее п. 1.2).

2. Рассматриваемые системы электроснабжения характеризуются большей, чем системообразующие электрические сети высших напряжений, территориальной плотностью узлов нагрузки и соответственно потребителей при меньшем территориальном охвате. Этим обусловлена не менее чем на порядок большая сложность схем замещения, используемых для расчета надежности электроснабжения.

3. Отличительная особенность электрических сетей систем электроснабжения – наличие в каждой из систем указанного типа трех-четырех уровней территориальной иерархии. Каждому из них соответствуют сети, различающиеся объемом и типами схем электрических соединений, классом напряжения, объемом автоматизации, конструктивным исполнением сетевых объектов – подстанций, линий электропередачи (ЛЭП) и т.п.

4. В расчетах надежности систем электроснабжения указанного типа по сравнению с основными и распределительными сетями ЭЭС в целом необходим более подробный учет характеристик конкретных потребителей при формулировании и разработке решений по управлению и развитию этих систем.

Необходим учет ограничений как "сверху" – со стороны ЭЭС, так и "снизу" – со стороны потребителей. В свою очередь, системы электроснабжения также предъявляют требования к надежности как верхних, так и нижних по отношению к ним уровней. Расчет надежности рассматриваемых систем электроснабжения производится относительно их узлов нагрузки или конкретных потребителей. При этом определяются показатели, характеризующие частоту и длительность отключения или недопустимое отклонение режимных параметров, которые могут послужить причиной снижения производительности потребителей или полного их погашения. В зависимости от типа систем электроснабжения и характера потребителей рассчитываются также недоотпуск электроэнергии и ущерб, которые могут быть обусловлены перерывами электроснабжения.

Вычисляемые частоты перерывов электроснабжения (частоты отказов сети) целесообразно дифференцировать по длительности перерыва, что позволит более точно оценивать последствия от перерывов электроснабжения. В частности, в системах электроснабжения промышленных предприятий следует учитывать нарушения работы электроприемников при кратковременных (на время АПВ или АВР) перерывах электроснабжения или снижениях напряжения (в пределе до нуля), поскольку такие отказы могут приводить к опрокидыванию асинхронных двигателей и т.п.

Общность признаков систем электроснабжения по отношению к распределительным сетям ЭЭС в целом не исключает их относительной индивидуальности, суть которой состоит в следующем:

1) системы электроснабжения промышленных предприятий характеризуются применением кольцевых, но в основном разомкнутых схем электрических соединений, ЛЭП преимущественно в кабельном исполнении, широким использованием токопроводов, разнообразным категорированием потребителей, сравнительно высоким уровнем автоматизации, а также большей по сравнению с городскими и сельскохозяйственными системами электроснабжения территориальной плотностью потребителей и электрических сетей;

2) системам электроснабжения городов свойственно применение как замкнутых, так и разомкнутых схем электрических соединений, как воздушных, так и кабельных ЛЭП и относительно высокий уровень сетевого резервирования и автоматизации. Особенностью этих систем является разнообразие потребителей, в состав которых входят и промышленные, имеющие свои внутренние системы электроснабжения. Оперативное обслуживание городских, а также сельскохозяйственных систем электроснабжения осуществляется оперативновыездными бригадами;

3) системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения отличаются преимущественным применением ЛЭП в воздушном исполнении, широким использованием открытых подстанций, разомкнутых электрических сетей, а также более низким по сравнению с системами электроснабжения промышленных предприятий и городов уровнем резервирования и автоматизации.

Структуризация систем электроснабжения по уровням (три-четыре уровня) отражает наиболее характерное их построение.

Первый уровень для систем электроснабжения промышленных предприятий включает в себя одну либо несколько районных питающих подстанций или подстанций глубокого ввода, присоединенных к ЭЭС на напряжении 110 кВ и выше, в ряде случаев –на напряжениях 6, 10, 35 кВ. Схемы указанных сетей предусматривают взаимное резервирование от независимых источников и выполняются кабельными и воздушными ЛЭП, а также токопроводами.

Питающая сеть систем электроснабжения городов указанного уровня включает в себя сети 35, 110 кВ, а в крупных городах даже 220 и 330 кВ, схема которых зависит от размеров города. Для небольших городов и поселков городского типа характерно наличие одной понижающей подстанции, имеющей, как правило, двустороннее питание и два трансформатора. Схема питающей сети 35, 110 кВ города средних размеров состоит из нескольких подстанций этих напряжений, присоединенных к одной или нескольким линиям с двусторонним питанием, образующим совместно внешнее кольцо электроснабжения. Такие подстанции представляют независимые источники питания для потребителей, поскольку отказ любого из участков линий 35, 110 кВ приводит к обесточиванию лишь одной подстанции. В крупных городах в состав питающей сети входят образующие кольцо линии и подстанции 220, 330, а иногда и 500 кВ, от которых питаются подстанции 35, 110 кВ. Для больших городов характерно сооружение глубоких вводов, когда понижающая подстанция сооружается по упрощенной схеме вблизи центра нагрузки, а также применение кабельных линий 35, 110, 220 кВ.

Системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения ограничены "сверху" шинами 35, 110 кВ узловых районных подстанций. Их питающая сеть включает в себя ряд линий этого класса напряжения с подстанциями 35/ или 110/10 кВ, которые, в свою очередь, являются центрами питания для распределительной сети 10 кВ. Питающая сеть указанного уровня в системах электроснабжения сельскохозяйственного назначения, как правило, разомкнута.

Второй уровень, характерный для систем электроснабжения городов и отчасти для систем электроснабжения промышленных предприятий, включает в себя питающие сети 6, 10 кВ, представляющие собой ЛЭП, отходящие от центров питания и подающие электроэнергию к распределительным пунктам без присоединения к ним других потребителей. Питание распределительных пунктов в зависимости от мощности нагрузки осуществляется по двум-четырем линиям 6, 10 кВ. Распределительное устройство состоит из двух секций с секционным выключателем, снабженным устройством АВР, либо секционным разъединителем. Средняя протяженность питающих линий составляет 2–4 км, а нагрузка распределительных пунктов колеблется от 3 до 12 МВт. Питающая сеть указанного уровня может в отдельных случаях эксплуатироваться по замкнутой схеме.

Третий уровень в системах электроснабжения промышленных предприятий включает в себя распределительные сети напряжениями 6, 10 кВ, которые могут быть как кольцевыми, так и радиальными. В системах электроснабжения городов к указанному уровню относятся распределительные сети 6, 10 кВ, выполняемые в основном кольцевыми с трансформаторными подстанциями транзитного типа. Наиболее распространена в системах электроснабжения городов петлевая схема, в которой к линии присоединяются от 3 до 16 трансформаторных подстанций напряжением 6(10)/0,4 кВ и протяженность участков линий между трансформаторными подстанциями составляет в среднем 0,4–0,6 км. В нормальном режиме петля разомкнута. Петлевая схема обеспечивает требования к надежности питания потребителей II категории. В крупных городах для питания районов многоэтажной застройки применяется двухлучевая схема 6, кВ, обеспечивающая требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей. Двухлучевая схема применяется с АВР на стороне 6,10 кВ или 0,4 кВ. При отказе любого из участков линии, 6, 10 или трансформатора 6(10)/0,4 кВ, электроэнергия на сборку низкого напряжения подается через секционный автоматический выключатель. Применяются также многолучевые и петлевые схемы с автоматическим включением резерва.

Распределительная сеть этого уровня для систем электроснабжения сельскохозяйственного назначения представлена весьма протяженными, в основном воздушными ЛЭП 10 кВ с многочисленными радиальными ответвлениями.

Надежность электроснабжения обеспечивается широким использованием секционирующих устройств и в ряде случаев применением резервных перемычек.

Четвертый уровень включает в себя сеть напряжением 0,38 кВ, которая выполняется в различных модификациях: радиальная с присоединением потребителей на нерезервируемых ответвлениях; резервируемая и нерезервируемая; петлевая и магистральная. Используются разные сочетания схем сетей 0, и 6, 10 кВ. Замкнутые сети 0,38 кВ не применяются вообще или применяются ограниченно в городах из-за трудностей в обеспечении селективности работы предохранителей и несовершенства автоматических выключателей обратной мощности.

При расчетах надежности электроснабжения необходимо учитывать следующие особенности распределительных сетей систем электроснабжения.

1. Пропускная способность сети существенно влияет на надежность электроснабжения потребителей, так как перерывы или ограничения электроснабжения возможны при перегрузке отдельных элементов ЛЭП, трансформаторов как из-за увеличения тока, так и из-за снижения напряжения ниже допустимого уровня. Это может вызвать либо внезапное отключение, либо ограничение нагрузки потребителей по указанию диспетчера. Поэтому в расчете надежности целесообразно учитывать и электрический режим, определение параметров которого в данном случае не требует высокой точности, что позволяет применить упрощенные методы с малым временем счета на компьютере.

2. В резервированных сетях перерывы электроснабжения возможны как при совпадении вынужденных отключений взаиморезервирующих цепей, так и при наложении отказа одной из них на плановый ремонт другой. Частота таких совпадений носит явно выраженный сезонный характер и поэтому в расчетах надежности следует учитывать сезонную неравномерность факторов, определяющих надежность элементов системы электроснабжения. Также следует считаться с тем обстоятельством, что в сетях с малым временем восстановления питания (системы электроснабжения городов и промышленных предприятий) величина недоотпуска электроэнергии зависит от того, в какое время суток произошло отключение.

3. Наличие территориальной иерархической структуры рассматриваемых систем электроснабжения предопределяет целесообразность использования для расчета надежности их электрических сетей методов и моделей в различных модификациях, рассчитанных на определение надежности сложнозамкнутых, кольцевых, разомкнутых, а также радиальных сетей. Целесообразность применения в пределах одной системы электроснабжения разных моделей оправдана также различиями в объеме сетей, относящихся к различным иерархическим уровням. Учет разной заблаговременности принятия различных решений по обеспечению надежности электроснабжения предопределяет дифференциацию характеристик используемой информации и уровень детализации учета индивидуальных особенностей элементов системы (объекта) в зависимости от конкретного содержания задач управления и развития системы электроснабжения.

4. Общность применяемых методов и моделей в наибольшей степени проявляется в расчетах питающих сетей при оценке их структурной надежности и надежности с учетом электрического режима, так как определяющим фактором в последнем случае являются уровни напряжения в узлах сети и пропускная способность сетевых элементов. На уровне распределительной сети индивидуализация применяемых методов проявляется в дифференциации определяемых показателей, учитываемых факторов, характеризующих динамику поведения объекта, а также в дифференциации информационного обеспечения расчетов.

1.2. Распределенная генерация в системах электроснабжения 1.2.1. Предпосылки и тенденции Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ в. главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии.

С начала XX в. технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, что требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин. При этом наблюдалась тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать техникоэкономические параметры установок – удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.

В 1980-е годы эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55–60 % КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых – от единиц до одного-двух десятков мегаватт. Отличительная особенность таких установок, преимущественно малых, – их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года. Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро - ГТУ (от долей до нескольких десятков киловатт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

К малой энергетике относятся и многие типы энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические установки (ВЭУ). Малые ГТУ, ПГУ и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 635 кВ. Эти установки получили название "распределенная генерация" [9].

Главными факторами, стимулирующими развитие распределенной генерации, являются:

- адаптация потребителей к рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и в ценах на электроэнергию; это способствует снижению рисков дефицита мощности и повышению энергетической безопасности;

- повышение адаптационных возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и снижение тем самым инвестиционных рисков;

- появление новых высокоэффективных энергетических технологий (ГТУ и ПГУ);

- рост доли газа в топливоснабжении электростанций;

- ужесточение экологических требований, стимулирующее использование ВИЭ (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.

1.2.2. Масштабы развития Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно интенсивно. В частности, в странах Европейского союза (ЕС) прогнозируется рост суммарной мощности ГТУ-ТЭЦ (прежде всего небольшой) с 74 ГВт в 2000 г. до 91–135 ГВт в г. и 124–195 ГВт в 2020 г. (в зависимости от энергетической политики ЕС), что составляет 12 % от суммарной генерирующей мощности стран ЕС в 2000 г., 13 – 18 % – в 2010 г., 15–22 % – в 2020 г. В российских условиях уже в настоящее время малые ГТУ-ТЭЦ оказываются эффективными. Расширение сферы газификации на средние и малые города и поселки городского типа, создание рынка высокоэкономичных, с коротким сроком сооружения, быстро ремонтируемых установок малых ГТУ-ТЭЦ обеспечивают их активное вовлечение в структуру генерирующих мощностей регионов страны. Так, в Астраханской области при нынешнем уровне генерации в 1060 МВт из 550 МВт электрической мощности, планируемой к вводу до 2020 г., 65,5 МВт должны составить малые ГТУ-ТЭЦ, а в более удаленной перспективе их потенциал может достигнуть 185–200 МВт. В Томской области при существующем уровне генерации в 1804 МВт к 2020 г.

предполагается ввести 246 МВт, в том числе 130 МВт (53 %) за счет малых ГТУТЭЦ. При этом используется отечественное оборудование.

Оценки показывают, что в перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо неэкономичных устаревших котельных в городах и поселках могут составить суммарную электрическую мощность в ГВт, количеством 12900 штук, средней единичной мощностью 7–8 МВт, а в максимальном варианте – соответственно 175 ГВт, 84 000 штук, средней единичной мощностью 2–3 МВт. Реалистичные прогнозы дают в целом по стране 25–35 ГВт к 2020 г. и 35–50 ГВт к 2050 г. малых ГТУ-ТЭЦ, т.е. до 10–15 % от суммарной установленной мощности генерации [10].

В последние годы использование ВИЭ для производства электроэнергии получило во многих странах значительное развитие. Западноевропейские страны планируют увеличить производство электроэнергии на базе ВИЭ к 2010 г. в среднем более чем на 10 %, особенно за счет использования энергии ветра. В настоящее время суммарная установленная мощность работающих в мире ВЭУ составляет более 31 ГВт, наибольшая по мощности единичная ВЭУ – 4,5 МВт – введена в Германии. Основные вводы ВЭУ приходятся на европейские страны – Германию, Данию, Великобританию, Нидерланды, Испанию, Швецию, Италию.

Потенциал ветроэнергии имеется и в России.

Следует отметить, что в 2000 г. в России работали 12 ВЭУ (суммарная мощность 7,2 МВт), 2 геотермальные установки (23 МВт), 59 малых ГЭС в диапазоне мощностей 0,5–30 МВт (513 МВт), около 100 мини-ГЭС мощностью менее 0,5 МВт (40 МВт), 11 установок на биомассе (523 МВт). Все это составляет лишь 0,5 % установленной мощности электростанций России. Согласно энергетической стратегии России на период до 2020 г. потенциал возобновляемых энергоресурсов в стране достаточно велик (табл. 1.1), однако при этом установленная мощность ВИЭ прогнозируется лишь в следующих объемах: ВЭУ – 1–1, ГВт; малые и мини-ГЭС – 2,5-3 ГВт, геотермальные установки – 0,25-0,3 ГВт, что составляет весьма незначительную долю от суммарной генерации на этот период.

Потенциал возобновляемых энергоресурсов в России, млн т угольного турное тепло Между тем в мире накоплен достаточно богатый опыт экономического стимулирования ВИЭ. Основными формами такой поддержки являются:

– субсидии и кредиты по низким процентным ставкам;

– гарантии по банковским ссудам;

– установление фиксированных закупочных цен на энергию, вырабатываемую на основе ВИЭ;

– освобождение от уплаты налога на часть прибыли, инвестированной в нетрадиционную энергетику;

– предоставление режима ускоренной амортизации;

– финансирование НИОКР в области нетрадиционной энергетики.

Опосредованно стимулирующее воздействие на использование ВИЭ оказывают такие инструменты экологической политики, как плата за загрязнение окружающей среды, за выброс парниковых газов, другие "зеленые" налоги.

Возобновляемые источники энергии наиболее широко используются в странах с активным экологическим регулированием, которое включает систему законодательных, административных и экономических инструментов. Эти инструменты применяются на государственном и муниципальном уровнях для стимулирования сокращения выбросов (не только энергетическими установками). Такой подход типичен для стран Скандинавии, Дании, Австрии, Нидерландов, Германии, США.

Специфические подходы к экологической политике отличаются у развивающихся стран (Китай, Индия и др.), которые сочетают прямое административное регулирование и косвенные экономические стимулы. Тем не менее экономическое стимулирование инвестиций в ВИЭ и в этих странах становится все более важным.

Стимулирующая политика в отношении ВИЭ начинает разрабатываться и в России. Так, группа американских и российских компаний разработала пилотный проект промышленной ветроэлектростанции мощностью 75 МВт, которая войдет в ЭЭС Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Электростанция будет состоять из 50 ветроустановок мощностью по 1,5 МВт каждая производства компании GE Wind Energy.

Строительство ВЭС поддерживает правительство Ленинградской области, которое готово предоставить участникам проекта налоговые льготы, в том числе на недвижимость и прибыль. Кроме того, были внесены поправки в проект регионального закона "О поддержке использования нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов в Ленинградской области", а также предусмотрены налоговые льготы для промышленных потребителей электроэнергии, вырабатываемой с помощью ветра (и иных возобновляемых источников), которые способны покрыть разницу между тарифами на электроэнергию из традиционных и нетрадиционных источников. Реализация проекта позволит также разработать нормативные документы и методики проектирования аналогичных ВЭС и создать механизм гарантированного возврата заемного капитала, привлекаемого для финансирования сооружения ВЭС.

1.2.3. Электроэнергетические системы будущего Символически их можно представить так (рис. 1.1): 1 – промышленные потребители, 2 – социально-бытовые потребители, 3 – традиционные крупные электростанции, 4 – малые ГТУ-ТЭЦ, 5 – мини- и микро-ГЭС, 6 – ВЭУ, 7 – солнечные электростанции, 8 – топливные элементы, 9 – поршневые двигательгенераторы, 10 – накопители энергии, 11 – биогаз. Как видно из этого рисунка, ЭЭС будущего должны сочетать крупные источники электроэнергии, без которых проблематично электроснабжение крупных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления, а также распределенную генерацию. Крупные электростанции имеют трансформацию на напряжения 110 кВ и выше и выход в основную сеть высших напряжений, осуществляющую транспорт электроэнергии до крупных центров потребления.

В то же время, как следует из вышеизложенного, должны получить существенное развитие установки распределенной генерации, в том числе на ВИЭ, которые устанавливаются в распределительной сети 6-35 кВ. Третий уровень составят мини- и микроустановки (мини- и микроГЭС, ВЭУ, солнечные электростанции, топливные элементы и т.п.), которые подключаются на напряжение 0, кВ и устанавливаются у небольших потребителей, например, в отдельных домах или даже квартирах.

1.2.4. Технические особенности и проблемы Подобная трансформация ЭЭС будущего придает им положительные качества, однако создает и определенные проблемы. Основные изменения в ЭЭС в связи с появлением распределенной генерации сводятся к следующим.

Развитие распределенной генерации разгружает как основную, так и распределительную сеть, что способствует снижению потерь электрической энергии, повышению надежности и устойчивости ЭЭС и вносит дополнительные возможности в реализацию рынков электроэнергии, освобождая пропускные способности связей.

В то же время распределенная генерация – это новые элементы ЭЭС, во многом с новыми динамическими характеристиками и возможностями управления. Так, ВЭУ имеют переменный режим работы, который при больших суммарных мощностях ВЭУ может создавать проблемы при управлении режимами ЭЭС, регулировании частоты, требуется резервирование по мощности до 50 % от мощности ВЭУ и др. При очень сильном ветре ВЭУ останавливаются, что при больших их суммарных мощностях может оказаться экстраординарным возмущением в ЭЭС, могущим привести к нарушению устойчивости системы и каскадному развитию аварии. Малые ГТУ имеют уменьшенную, по сравнению с традиционными агрегатами тепловых и гидравлических электростанций, постоянную инерции, отличные от больших агрегатов характеристики систем регулирования. К настоящему времени имеются некоторые исследования влияния распределенной генерации на свойства ЭЭС в установившихся и переходных режимах, однако эта проблема находится еще в начальной стадии изучения и болееменее уверенные выводы и рекомендации делать пока преждевременно.

Неоднозначно и влияние распределенной генерации на качество электроэнергии по уровням напряжений. С одной стороны, наличие распределенной генерации в распределительной сети позволяет более стабильно поддерживать уровни напряжений в узлах за счет возможностей этих генераторов по генерированию реактивной мощности в отличие от традиционных распределительных сетей, в которых потери напряжения тем больше, чем дальше от питающей подстанции высокого напряжения. С другой стороны, обнаружены явления, получившие название фликкера в англоязычной литературе и связанные с быстрыми колебаниями напряжения. Характерно, что фликкер развивается при резком снижении напряжения в узле присоединения малого генератора, особенно если генератор асинхронный.

Неоднозначно также влияние распределенной генерации на появление высших гармоник в системе. Наличие распределенных генераторов снижает их уровень, но многие малые установки, например, ВЭУ, высокочастотные ГТУ, подключаются к распределительной сети через преобразователи переменного тока в постоянный и обратно, которые генерируют в сеть высшие гармоники.

Подключение источников распределенной генерации к распределительной сети увеличивает токи короткого замыкания, что может потребовать замены коммутационных аппаратов, изменения настроек защит и др.

Появление распределенной генерации усложняет диспетчерское управление ЭЭС, смещая его функции на распределительную сеть. Проблема при этом заключается в высокой неопределенности режимов работы распределенной генерации вследствие неравномерности загрузки агрегатов, отсутствия текущей информации об их работе и др. В последнее время появился ряд разработок, в которых предпринимаются попытки решения этой проблемы на основе распределенной системы диспетчерского управления с использованием интернеттехнологий. В связи с этим появилось понятие "виртуальная электростанция", которая условно объединяет распределенную генерацию посредством распределенной интернет-системы управления.

Распределенная генерация усложняет также систему релейной защиты и автоматики, противоаварийного управления ЭЭС. Распределительная сеть с появлением в ней установок распределенной генерации приобретает черты основной сети, т.е. в ней возникают проблемы устойчивости и др., что требует разработки устройств автоматики, аналогичных основной сети. При потере электроснабжения от питающей подстанции основной сети имеется возможность выделить установку распределенной генерации на близкую по мощности нагрузку, что обеспечит электроснабжение ответственных потребителей. Эта проблема в англоязычной литературе получила название Islanding. Она достаточно активно изучается и имеет ряд составляющих, в частности: определение состава потребителей, подключаемых к малому генератору при выделении; разработка принципов и конкретных устройств соответствующей автоматики; учет конкретных условий работы распределенных генераторов и др.

Следует отметить и такой негативный фактор ВЭУ, как генерирование инфразвука при вращении лопастей. Эта проблема во многом решается за счет специальной конструкции лопастей.

Все перечисленные особенности распределенной генерации требуют тщательного изучения свойств и характеристик различных установок, разработки их математических моделей работы в различных режимах. Требуется разработка новых методов анализа режимов работы систем электроснабжения, включающих распределенную генерацию, их надежности, устойчивости и т.п. Необходима также разработка математических моделей и методов планирования развития систем электроснабжения и ЭЭС с учетом распределенной генерации.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. События, состояния и процессы в объектах Термин "надежность" отражает очень объемное понятие, широко используемое в науке, технике, быту, медицине и т.д. Во всех сферах деятельности накоплены знания, опыт в области надежности. Это дало возможность абстрагировать понятие надежности, рассматривать его по отношению к достаточно абстрактным объектам, системам. Изучение надежности от абстрактного (абстрактных объектов, систем) к конкретному (системам электроснабжения) наиболее эффективно, поскольку позволяет применять уже накопленные знания, полученные в системах не только электроснабжения, но и в других. Поэтому основные понятия надежности систем электроснабжения будем рассматривать с достаточно абстрактных позиций, иллюстрируя их примерами из систем электроснабжения.

В процессе функционирования объекта возникают определенные события, объект принимает различные состояния, существенно влияющие на использование его человеком, на выполняемые им функции. Такими являются прежде всего состояния работоспособные и неработоспособные, события отказа и восстановления.

2.1.1. Работоспособные и неработоспособные состояния Состояния любого объекта можно описать набором, множеством переменных состояния x = { x1, x2, x3,..., xn }, которые могут принимать определенные значения и изменяться во времени xi ( t ). Надлежащее выполнение объектом его функций возможно при условии, что все описывающие его переменные состояния принимают значения, лежащие в определенной (допустимой) области. В электроэнергетике переменные состояния обычно называют параметрами режима или режимными параметрами. Граница этой области может изменяться во времени и описывается уравнением Если значения переменных состояния объекта находятся в этой области, т.е. обеспечивается возможность выполнения им своих функций, то говорят, что объект находится в работоспособном состоянии; если же за границей допустимой области, то в неработоспособном.

На рис. 2.1 показано изменение во времени одной из главных переменных состояния электрического генератора – напряжения. Здесь же приведена область допустимых значений этой переменной состояния. Видно, что до момента t0 значение напряжения было в допустимой области. Генератор находился в работоспособном состоянии. После момента t0 значение напряжения вышло за границу допустимых значений и генератор оказался в неработоспособном состоянии.

В некоторых случаях можно говорить о частично работоспособном состоянии, когда объект может выполнять свои функции не полностью, а частично. Например, на рис. 2.1 штриховыми линиями показаны границы допустимой области Dk ( x, t ) = 0 работы генератора, но с пониженным качеством напряжения (обычно на ограниченном интервале времени). При снижении напряжения ниже этой границы происходит отключение генератора.

В работоспособном состоянии объект может выполнять свои функции, т.е. находится в рабочем состоянии. Если же он в работоспособном состоянии не выполняет по тем или иным причинам заданные функции, то говорят, что объект находится в нерабочем состоянии. Рабочее состояние объекта может быть полным или частичным.

В зависимости от того, какого вида функции выполняет работоспособный объект, различают еще резервное состояние, которое, в свою очередь, подразделяется на состояние нагруженного (или включенного) и ненагруженного (или не включенного) резерва). На производственном жаргоне последние два состояния иногда называют как состояния в "горячем" и "холодном" резервах.

Неработоспособное состояние может быть классифицировано так: состояние предупредительного ремонта – ведутся работы по выявлению, предупреждению и устранению неисправностей объекта, которые могут привести к его отказу; состояние аварийного ремонта – ведутся работы по восстановлению работоспособности объекта, нарушенной в результате отказа.

К неработоспособному состоянию следует отнести и так называемое предельное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта должна быть прекращена из-за неустранимого ухода заданных переменных состояния и характеристик за установленные пределы.

Событие, заключающееся в том, что объект перешел границу допустимой области значений переменных работоспособного состояния и неработоспособного, квалифицируется как отказ. При этом происходит утрата способности объекта выполнять свои функции. На рис. 2.1 событие отказа наступает в точке "0" или "0*".

Отказы могут быть:

– полные или частичные (по степени нарушения работоспособности);

– внезапные и постепенные (по скорости протекания процессов изменения переменных состояния);

– независимые или зависимые (зависящие от отказов других объектов);

– устойчивые и неустойчивые или сбои (самоустраняющиеся отказы, приводящие к кратковременному нарушению работоспособности).

У объектов, функционирующих не постоянно во времени, а по требованию, отказы могут быть следующих видов:

срабатывание на требование;

ложное срабатывание (при отсутствии требований);

излишнее срабатывание (при требовании срабатывания других элементов).

Примерами таких объектов являются системы релейной защиты, противоаварийной автоматики, в определенной мере выключатели.

Причины отказов могут быть внешними и внутренними.

Отказы по внутренним причинам можно подразделить на три группы.

Первую составляют ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования. Эти ошибки, скрытые дефекты обычно проявляются в ранний период эксплуатации – период приработки. Для него характерна повышенная частота отказов (рис. 2.2). Вторая группа причин вызвана износом и приводит к постепенному утрачиванию объектом ряда функциональных свойств и увеличению частоты отказов по сравнению с периодом нормальной эксплуатации объекта.

Этот период называется периодом старения. На рис. 2.2 tж - время жизни объекта.

Третью группу составляют отказы в период нормальной эксплуатации.

Частота отказов в этот период ниже, чем в первые два, но она ненулевая.

К отказам по внутренним причинам могут также быть отнесены те, которые вызваны ошибочными или вынужденными действиями обслуживающего персонала, если он включен в состав рассматриваемого объекта, находится внутри его границы. В противном случае они будут отнесены к отказам по внешним причинам.

Независимо от способа отнесения последние могут быть подразделены на две группы. Первую составляют причины, обусловленные недостаточно высокой квалификацией эксплуатационного и ремонтного персонала. Вторая группа причин связана с громоздкостью и сложностью устройств и схем, с которыми эксплуатационному персоналу приходится работать. Например, большое количество коммутационной аппаратуры и сложная схема соединений на подстанциях повышают вероятность неправильных переключений, способных привести к ложным отключениям и включениям на короткозамкнутые цепи.

Причины отказов внешнего происхождения также можно подразделить на две группы. К первой отнесем воздействия, поступающие из внешней среды, по своей силе превышающие те, на которые рассчитан объект (так называемые нерасчетные возмущения) и которые приводят к повреждению объекта. Это обычно редкие и плохо предсказуемые воздействия, как правило, физического характера, не связанные с периодом предшествующей работы. В качестве примеров воздействий, приводящих к внезапным отказам, можно привести такие, как грозы, падения деревьев или попадание животных на электроустановки, гололед и др. Эта группа причин приводит к необратимым изменениям свойств объекта. Ко второй группе внешних причин можно отнести возмущения, приводящие к изменению режимных параметров объекта, в результате чего они выходят из допустимых границ. Отказы этого вида могут быть неустойчивыми (сбоями) или устойчивыми. Обычно они имеют достаточно обоснованные статистические характеристики и не являются уникальными. После снятия воздействия, приведшего к неустойчивому отказу, обычно значения параметров объекта входят в допустимые границы, и он продолжает выполнять свои функции.

Примером неустойчивого отказа может являться короткое замыкание (КЗ) на ЛЭП, самоустраняющееся за период паузы АПВ линии. В случае устойчивого отказа (например, КЗ на ЛЭП с ее отключением при отсутствии АПВ) могут потребоваться дополнительные действия по возвращению объекта в нормальное работоспособное состояние (включение ЛЭП в работу вручную).

По характеру причин отказы, как правило, отличаются случайностью или неопределенностью момента наступления отказа, за исключением тех случаев, когда в результате накопления факторов, которое может привести к отказу, производят преднамеренное отключение объекта заранее, не дожидаясь его естественного отказа, с целью вывода его в ремонт.

В случае накопления факторов старения объекта он может достичь так называемого предельного состояния. Обычно отказы, связанные с достижением предельных состояний, являются постепенными, позволяющими заблаговременно предсказать момент перехода границы области допустимых значений режимных параметров.

В целом возможность наступления отказов объекта во многом зависит от условий, в которых он работает. С этих позиций сами условия могут быть классифицированы как минимум на два множества: обычные, или ординарные, и необычные, или неординарные, особые, форсмажорные.

2.1.3. Восстановление После отказа в результате организуемых и протекающих в объекте процессов возможно наступление события, когда все значения режимных параметров, характеризующих его состояние, снова окажутся в допустимой с позиций дальнейшего функционирования области. Говорят, произошло восстановление, которое возможно за счет как определенных управляющих воздействий, так и выполнения ремонтов поврежденного оборудования. Если восстановление объекта по тем или иным причинам не происходит, то объект называют невосстанавливаемым.

Восстановление может быть полным или частичным. На рис. 2.1 события "восстановление" показаны в точках "b " и "b " как ввод значений переменных состояния объекта в допустимую область.

2.1.4. Потоки отказов и восстановлений Функционирование восстанавливаемого объекта на некотором интервале времени Т может быть представлено потоком отказов и восстановлений (рис.

2.3). При этом могут быть потоки с полными или частичными (с разной степенью работоспособности ) отказами, с полным или частичным восстановлением и т.п.

Из общего потока можно выделить лишь поток отказов, исключив на оси времени все интервалы восстановлений (или неработоспособного состояния).

Тогда на этой оси будет откладываться чистое время работоспособного состояния объекта за данное время Т, которое называют наработкой t ( t ). Аналогично можно из общего потока выделить только поток восстановлений.

В итоге поле понятий, описывающих процессы в объекте, определяющие его надежность, может быть структурировано так, как это показано на рис. 2.4.

2.2. Надежность как комплексное свойство 2.2.1. Общие положения Как уже отмечалось, термин надежность давно и широко применяется человеком, однако научное его осмысление как понятия началось сравнительно недавно, несколько десятилетий назад. Это было связано с появлением потребности создания не просто машин, техники, а эффективной техники. Выделенный существенный процесс в объектах – поток отказов и восстановлений – оказался недостаточным. Возникла потребность связать его с эффективностью работы объекта.

Для этого и потребовалось введение современного понятия "надежность" как элемента более общего понятия "эффективность". Назначением его стало связать поток отказов и восстановлений с выполняемыми объектом функциями с позиций существенности этой связки для эффективности использования объекта. В итоге сегодня надежность – это свойство объекта выполнять во времени заданные функции в заданном объеме при определенных условиях эксплуатации.

В данной формулировке отражена главная суть понятия надежности. Вопервых, это свойство объекта, во-вторых, о надежности можно говорить, если определены или оговорены: 1) функции объекта, 2) объем этих функций, 3) условия, в которых находится объект. Отсутствие хотя бы одного из этих условий делает неопределенными какие-либо суждения по поводу надежности.

Если. например, предприятие заключило с энергоснабжающей организацией договор на поставку электроэнергии, то это лишь обозначение функции – поставка электроэнергии. Она может осуществляться в любом размере, что будет выполнением заданной функции. При поставке меньше необходимого количества (в том числе и нулевого) претензий по ненадежности не может быть.

Для их появления в договоре необходимо отразить объем поставляемой электроэнергии, график поставки и т.д.

Рис. 2. Но и этого недостаточно для предъявления требований по надежности.

Если не указаны условия поставки, например, форма и сроки оплаты, необходимые параметры качества электроэнергии и т.п., то и здесь нет возможности предъявить претензии по надежности.

Такое понимание надежности показывает, что оно является достаточно сложным свойством. Поэтому его можно представить в виде системы более простых свойств. Это представление необходимо как для более конструктивного его изучения, так и для обеспечения надежности при создании и функционировании тех или иных объектов и систем.

При решении многих задач в системах электроснабжения приходится иметь дело не только с техническими изделиями и объектами, но и с более сложными человеко-машинными объектами, системами, обладающими гораздо большим разнообразием существенных свойств, чем просто изделие и даже технический объект. Поэтому важно перечислить, определить отдельные подсвойства надежности и структурировать их, установив определенные отношения и связи между ними.

2.2.2. Структурирование надежности Структуризацию сложного свойства надежности можно провести на основе классификации отдельных более простых свойств по определенным основаниям. В качестве таких оснований целесообразно выбрать надежностные процессы в объектах и условия их функционирования. Рассмотрим сначала классификацию по процессам.

Из рис. 2.3 видно, что общий процесс функционирования объекта характеризуется двумя чередующимися периодами – работоспособным и неработоспособным (периодом восстановления работоспособности). Поэтому выделим два более простых свойства надежности первого уровня: безотказность и восстанавливаемость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или заданной наработки.

Восстанавливаемость – свойство объекта быть приспособленным к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и их устранению.

Отказы и восстановления могут иметь различные причины и разный характер. Так, отказ объекта может быть связан с потерей уровня его работоспособности, а может – с потерей устойчивости либо с развитием аварийного процесса. Соответственно и восстановление после таких отказов происходит поразному. Поэтому при потере устойчивости и восстановлении системы и режима после нее говорят о свойстве устойчивоспособности, а в случае развития аварийного процесса и восстановления после него – о свойстве живучести.

Готовность – свойство объекта удовлетворять требования потребителей в пределах заданных значений и ограничений на поставки электроэнергии с учетом запланированных и незапланированных перерывов в работе его элементов и эксплуатационных ограничений.

Устойчивоспособность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность (устойчивость к возмущениям) в течение заданного времени или заданной наработки до выхода значений параметров за допустимую область без повреждения объекта и восстанавливать доаварийный режим или близкий к нему.

Живучесть – свойство объекта (системы) противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовыми нарушениями питания потребителей, и восстанавливать доаварийный режим или близкий к нему.

При отказах и восстановлениях, особенно связанных с устойчивоспособностью и живучестью объекта, важное значение имеет свойство управляемости.

Управляемость – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению выхода значений параметров режима за допустимую область и возврату их в эту область средствами управления.

Таким образом, безотказность связана с отказами работоспособности, либо с отказами по устойчивоспособности (нарушениями устойчивости), либо с отказами по живучести (каскадным развитием аварии).

Восстанавливаемость можно представить, как минимум, двумя более простыми: ремонтопригодность и управляемость.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения повреждений и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Управляемость уже определена.

Перейдем теперь к классификации свойств надежности по условиям функционирования объектов. Здесь весь спектр условий можно разделить, как минимум, на три части: обычные или ординарные, особые или неординарные, специальные условия хранения и транспортирования объекта.

Обычные или ординарные условия определяются ежедневно, еженедельно, ежемесячно, ежегодно повторяющимися климатическими, техногенными и другими воздействиями, возмущениями на объект, характерными режимами его загрузки.

Особые или неординарные условия появляются значительно реже первых и обусловливаются ураганами, землетрясениями, военными действиями и другими катаклизмами, при которых на объект действуют значительные возмущения и на которые он, как правило, не рассчитывался. Для систем электроснабжения к таким неординарным воздействиям относятся и системные аварии, происходящие, например, при резком снижении частоты и приводящие к массовому отключению потребителей действием АЧР, с возможностью возникновения лавины напряжения и т.п. Неординарные условия связаны с живучестью системы электроснабжения.

В определенном плане при таких неординарных возмущениях имеет смысл говорить о предельном состоянии для системы электроснабжения в целом, которое определяется возможностями удержать параметры режима в допустимой области и сохранить электроснабжение наиболее ответственных потребителей.

Специфические условия хранения и транспортирования создают специфику для проявления свойств объекта и связаны с сохраняемостью.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять свои функции безотказности и восстанавливаемости в течение и после хранения и (или) транспортирования.

При рассмотрении времени "жизни" объекта (см. рис. 2.2) обычно говорят о его долговечности.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность в течение заданного времени или заданной наработки до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Для систем электроснабжения как специфических объектов энергетики с учетом их специфики возможно выделение дополнительных свойств надежности. Один из аспектов – отражение выполняемых системами электроснабжения функций. Главная функция систем электроснабжения – снабжение потребителей электроэнергией. Обычно надежность выполнения этой функции обозначают как надежность электроснабжения.

Надежность электроснабжения – свойство надежности объекта электроэнергетики относительно его функции электроснабжения в заданном объеме.

У специалистов-электроэнергетиков иногда встречаются термины структурная надежность и режимная надежность. 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.

Режимная надежность, наоборот, рассматривает надежность только в области режимных параметров, а значения структурных характеристик считаются заданными и неизменными.

Возможна также классификация свойств надежности по длительности интервала Т, на котором она рассматривается. В этом смысле можно говорить, например, о долгосрочной или стратегической (год и более), краткосрочной (месяц – сутки), коммутационной (на интервале выполнения коммутационных операций в схеме) надежности и т.п.

На рис. 2.5 приведена структура понятий, отражающих специфику свойства надежности систем электроснабжения. Каждый элемент в этой структуре, в свою очередь, может быть представлен при необходимости системой понятий, детализирующих данный.

3. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

3.1. Показатели безотказности Надежностные свойства объекта могут оцениваться различными показателями. Как и комплексное свойство надежности, систему показателей надежности объекта целесообразно структурировать и соотнести каждый из показателей с оцениваемым свойством надежности. Начать измерение свойств надежности с помощью показателей целесообразно с безотказности и восстанавливаемости. Обычно показатели этих свойств называются единичными, а построенные на их основе – комплексными.

Определять показатели надежности имеет смысл в два этапа. На первом описываются интересующие нас состояния (работоспособные, неработоспособные) и события (отказы, восстановления) объекта в зависимости от его режимных параметров (переменных состояния), уровня выполняемых функций. Назовем эти показатели структурно-функциональными (условными). На втором этапе данные условия связываются с некоторыми закономерностями их появления, например, с вероятностями наступления. Будем называть эти безусловные показатели вероятностными, хотя могут быть и другие, невероятностные закономерности появления событий (отказа, восстановления), например, при анализе живучести. Но это свойство в значительной степени описывается уже на структурно-функциональном (условном) уровне.

3.1.1. Структурно-функциональные (условные) показатели безотказности В п. 2.2.1 отмечалось, что объект находится в работоспособном состоянии, если значения его переменных состояния (параметров режима) x ( t ) лежат внутри области допустимых значений D ( x, t ) = 0.

Для характеристики состояния объекта введем величину z ( t ). Рассмотрим сначала объект, имеющий два состояния: работоспособное, в котором в момент t величина z ( t ) = 1; неработоспособное – z ( t ) =0. Тогда Кроме того, объект может находиться в том или ином состоянии на протяжении некоторого интервала времени ( t1, t2 ), например Условия (3.1), (3.2) обычно определяются при проектировании и изготовлении объекта. Они выражаются в виде различных требований: внешних (климатических и т.п.), режима использования, хранения, транспортировки, периодичности и объема ремонтов и т.д. При выполнении всех этих требований гарантируется выполнение (3.1), (3.2).

В общем случае объекты могут иметь несколько ( L ) различных уровней качества функционирования, уровней работоспособности. Величина z будет принимать L значений. Значение z=0 – состояние полного отказа. Остальные состояния обычно нумеруются так, что большему значению z соответствует более высокий уровень работоспособности. В этом случае нахождение объекта в работоспособном состоянии или условие работоспособности объекта на -м уровне будет Показателем безотказности объекта на уровне работоспособности не ниже будет условие сохранения работоспособного состояния объекта на -м уровне и выше (1 L ) на интервале времени ( t1, t2 ) 3.1.2. Вероятностные (безусловные) показатели безотказности Отмеченная гарантия выполнения условий (3.1)–(3.4) обычно не является абсолютной. Во многих случаях в силу большого количества влияющих факторов она носит вероятностный характер при нормальных (ординарных) условиях эксплуатации объекта. Это и предопределило использование вероятностных методов описания надежности.

В далеких от ординарных условиях вырождается вероятностная природа причин отказа тем в большей степени, чем дальше эта удаленность. Поэтому в неординарных (особых) условиях вероятностное описание безотказности становится, как правило, неприемлемым. Здесь безусловный показатель безотказности представляет собой совокупность значений показателя, например (3.4), и описания условий, в которых (3.4) выполняется или не выполняется. Обычно это описание задается в виде сценариев, минимаксных условий и т.п.

Вероятностные показатели удобно начинать изучать с показателей невосстанавливаемых объектов, которые могут находиться лишь в двух состояниях.

Невосстанавливаемый объект. Один из вероятностных показателей надежности этого объекта – вероятность того, что время его работы до отказа t0 будет не меньше заданного времени t или вероятность безотказной работы за время t Вероятность того, что за время t объект откажет, определится как Характерные зависимости p ( t ) и q ( t ) представлены на рис. 3.1.

Часто используется другой показатель – интенсивность отказа, которая представляет собой условную плотность вероятности возникновения отказа, определяемую для рассматриваемого момента времени при условии, что до q t, t + t > t ). Тогда интенсивность отказа будет С учетом последнего соотношения Имеется зависимость между показателями p ( t ) и ( t ), а именно Вероятность безотказной работы объекта на интервале [t1, t2 ], если он проработал исправно на интервале [ 0, t1 ], равна p ( t2 t1 ). Эту вероятность можно найти из условия, что объект не откажет на интервале [ 0, t2 ] только в том случае, если он не откажет на интервале [ 0, t1 ], а затем и на интервале [t1, t2 ]. Другими словами, первое событие есть произведение двух других. Тогда на основании теоремы умножения вероятностей имеем Средняя наработка до отказа представляет собой математическое ожидание наработки объекта до отказа т.е. графически пропорциональна площади, лежащей под графиком функции p ( t ).

Средняя продолжительность безотказной работы объекта, проработавшего исправно срок t1, равна где М – знак математического ожидания случайной величины.

Часто большой практический интерес представляет случай, когда интенсивность отказа может считаться постоянной величиной Это характерно для уже освоенного оборудования в период нормальной эксплуатации (см. рис. 2.2). Тогда все показатели существенно упрощаются и принимают вид Восстанавливаемый объект. Для представления его показателей выделим из общего потока отказов и восстановлений поток отказов (рис. 3.2). При этом на оси времени будет откладываться только суммарное время работоспособного состояния объекта tн – суммарная наработка. Для такого объекта на каждом k-м цикле его работы после восстановления будут справедливы рассмотренные показатели невосстанавливаемого объекта, которые в общем случае различны для каждого цикла где tk – время от начала k-го цикла. Часто в практических задачах полагают, что эти показатели идентичны для каждого цикла.

В качестве точечной характеристики потока отказов можно использовать параметр потока отказов в виде где p ( tн, tн + t ) – вероятность безотказной работы на интервале времени t после tн. Средний параметр потока отказов или частота отказов на интервале {tн1, tн 2 } (упоминалась без определения в п. 2.1.2) определяется как ожидание количества отказов за суммарную наработку tн k.

Еще один важнейший практический показатель – средняя наработка на отказ Определение приведенных показателей существенно зависит от характера потока отказов. Различают потоки:

- ординарные, если вероятность появления двух и более отказов за промежуток времени стремится к нулю, когда длительность этого промежутка времени стремится к нулю;

- стационарные, если вероятность появления K отказов на отрезке времени ( t, t + t ) зависит только от t и не зависит от t (от предыстории);

- без последействия, если на любых непересекающихся интервалах времени число событий, появляющихся в одном из них, не зависит от числа событий, появляющихся в других.

Ординарные потоки без последействия называются пуассоновскими. Они могут быть стационарными и нестационарными. Стационарный пуассоновский поток является простейшим.

Поток отказов восстанавливаемого объекта является ординарным, так как второй отказ может произойти только после восстановления. Часто он может полагаться потоком и без последствия, т.е. пуассоновским. Если же он еще и стационарный, т.е. простейший, то для него имеем Для свойства долговечности многие из рассмотренных показателей имеют свои названия. Например, потоком отказов является поток вывода объекта в различного рода предупредительные ремонты (средние, капитальные); последний отказ – достижение конечного предельного состояния. Для этого свойства все показатели, характеризующие различные наработки, обозначаются термином "ресурс" с соответствующим конкретизирующим его определением.

Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния или капитального (среднего) ремонта, от начала эксплуатации после ремонта (среднего, капитального) до следующего ремонта или достижения предельного состояния. Обычно указывается, какой именно технический ресурс имеется ввиду: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего ремонта и т.п.

Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью Средний ресурс – математическое ожидание технического ресурса.

Назначенный ресурс суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

По сути показатели безотказности характеризуются либо вероятностью (частотой) наступления отказа, либо эквивалентным этой частоте интервалом времени до отказа (или от восстановления до отказа).

3.2. Показатели восстанавливаемости 3.2.1. Структурно-функциональные (условные) показатели восстанавливаемости Для двухуровневого случая отказов-восстановлений условие восстанавливаемости (точнее, невосстанавливаемости) можно записать, что за время t, не меньшее времени tв, не произойдет восстановления объекта:

Если объект имеет много уровней работоспособности, степеней выполнения функций L, условие невосстанавливаемости объекта с уровня за заданное времени t не больше времени восстановления tв :

3.2.2. Вероятностные (безусловные) показатели восстанавливаемости В обычных (ординарных) условиях время восстановления tв, как правило, является случайной величиной, поэтому достаточно полно характеризуется законами распределения вероятностей времени восстановления после каждого k-го отказа где tk – заданное время, отсчитываемое с момента k-го отказа.

Аналогично безотказности свойство восстанавливаемости можно охарактеризовать интенсивностью восстановления Также может быть записано соотношение Интегральный показатель – среднее время восстановления после k-го отказа Приведенные показатели записаны в достаточно общем виде и могут характеризовать любые виды восстановления. Вместе с тем для электроэнергетических объектов следует более подробно рассмотреть наиболее характерные виды восстановлений: ремонты и управления. При этом класс ремонтов также подразделяется, как минимум, на два довольно различающихся подкласса: аварийные (или внеплановые) и предупредительные (плановые). Время аварийного восстановления работоспособности слагается из времени обнаружения места повреждения и времени устранения неисправности (ремонта), а также, возможно, и времени вероятного ожидания готовности ремонтной бригады к выполнению данной работы. Обе эти составляющие зависят от многих случайных факторов. Например, время обнаружения повреждения воздушной ЛЭП и доставки на место повреждения ремонтной бригады определяется характером повреждения, его местом на линии, временем суток и состоянием погоды, укомплектованностью в данный момент бригады и т.д.; время ремонта – сложностью повреждения. Все эти случайные факторы и определяют вероятностный характер величины tвk. Теория и опыт показывают, что распределение вероятности времени аварийного восстановления достаточно хорошо описывается экспоненциальным законом, т.е. µk = const и Более того, часто допустимо принимать одинаковые законы после каждого повреждения, т.е.

Предупредительные (плановые) ремонты, в свою очередь, имеют разновидности: текущие, капитальные и различные виды ремонтов, занимающие промежуточные положения (расширенные, средние и др.). Отличительная особенность всех их состоит в том, что момент наступления таких ремонтов не случайный, а намечается с заданной заблаговременностью; длительность же ремонтного состояния определяется также вполне известным перечнем работ.

Тем не менее считать характеристики предупредительных ремонтов строго детерминированными нельзя. Обычно момент вывода в ремонт может изменяться в зависимости от многих факторов. Например, вывод в предупредительный ремонт одной из двух питающих ЛЭП будет отложен, если вторая линия оказалась в это время в аварийном ремонте. С другой стороны, и длительность предупредительных ремонтов величина непостоянная. Действие таких факторов, как совершенствование техники проведения ремонтов, укомплектованность ремонтным персоналом и его квалификация, предшествующий режим работы оборудования и ряд других, в итоге приводит к тому, что время предупредительного ремонта приходится рассматривать тоже как случайную величину.

Множество перечисленных факторов предопределяет на основе предельной теоремы Ляпунова нормальный закон распределения этого времени, что хорошо подтверждается и статистикой (рис. 3.3).

Таким образом, для характеристики длительности предупредительных ремонтов может быть введена величина g п ( t ), аналогичная g aв ( t ), представляющая собой вероятность того, что время предупредительного ремонта окажется меньше заданного t:

На практике часто используется среднее значение времени предупредительного ремонта Аналогичные показатели имеет и восстановление путем управления – управляемости.

В неординарных (особых) условиях следует ожидать, что время восстановления тоже будет иметь случайный характер. Однако в отличие от ординарных условий среднее время восстановления здесь может существенно зависеть от вида отказа и глубины повреждения.

3.3. Комплексные показатели 3.3.1. Абстрактный объект Будем рассматривать показатели преимущественно для обычных ординарных условий, т.е. при вероятностном описании потока отказов и восстановлений.

Выделим сначала поток непредусмотренных отключений (отказов) и восстановлений. Для такого потока наиболее употребительны нестационарный, стационарный и средний коэффициенты готовности.

Нестационарный коэффициент готовности вероятность того, что объект окажется работоспособным в заданный момент времени t, отсчитываемый от начала работы, для которого известно начальное состояние этого объекта zнач :

Коэффициент готовности (стационарный) – вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации Средний коэффициент готовности – усредненное на заданном интервале времени [t1, t2 ] значение нестационарного коэффициента готовности Величины, дополняющие все рассмотренные коэффициенты готовности до единицы, называются коэффициентами неготовности kнг.

Нестационарный коэффициент оперативной готовности – вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в заданный момент времени t, отсчитываемый от начала работы, и будет работать безотказно в течение заданного интервала времени t :

Коэффициент оперативной готовности (стационарный) – вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный удаленный момент времени и будет работать безотказно в течение заданного интервала времени t :

Средний коэффициент оперативной готовности – усредненное на заданном интервале времени [t1, t2 ] значение нестационарного коэффициента оперативной готовности Статистически коэффициент готовности – это доля времени, в течение которого объект находится в работоспособном состоянии при условии, что время наблюдения очень велико:

где t0 время, в течение которого объект находится в работоспособном состоянии, tв время восстановления объекта. Соответственно коэффициент неготовности С учетом последнего соотношения в (3.13) и соотношения (3.25) можно также записать Если tв измеряется в долях года, тогда эта величина много меньше единицы, так же, как и. Тогда на основе (3.38) с учетом (3.25) будем иметь поскольку tв + 1 1. Отметим также, что kнг при этом определяет относительную длительность (в долях рассматриваемого периода, в данном случае года) и одновременно вероятность соответствующего аварийного состояния объекта.

Реальные потоки отказов (отключений) и восстановлений сложнее рассмотренного двухуровневого потока. Как минимум, в него вклиниваются поток плановых (преднамеренных) отключений объекта и проведение плановых ремонтов.

Основным применяемым показателем при таком потоке является коэффициент технического использования – отношение средней наработки объекта за некоторый период эксплуатации tн к сумме средних значений наработки, времени простоя, обусловленного техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации (плановых tп и аварийных tав ):

В практике часто используется также показатель, аналогичный стационарному коэффициенту готовности, но отражающий относительное время нахождения объекта не в состоянии аварийного ремонта, а в состоянии планового ремонта – коэффициент плановых простоев Оба последних показателя характеризуют относительную длительность соответствующих показателей. При определенных условиях они могут трактоваться и как вероятности нахождения объекта в этих состояниях.

Все рассмотренные показатели определялись на основе анализа потока отказов и восстановлений, развернутого на оси времени. Реально могут иметь место случаи, когда тот или иной поток разворачивается и на другой оси (не временной). Так, отказы коммутационной аппаратуры, релейной защиты и автоматики часто удобно рассматривать на оси "требований к срабатыванию".

Тогда такой показатель, как средняя частота отказов, переходит в вероятность отказа на требование (отказ / требование). Наработка будет измеряться количеством правильных срабатываний до отказа и т.д.

3.3.2. Система электроснабжения Переход от абстрактных объектов к анализу систем электроснабжения расширяет круг показателей надежности, форма и содержание которых определяются решаемыми задачами и используемыми критериями эффективности.

Однако, как правило, все они могут быть сформированы на основе рассмотренных выше общих показателей с дополнением специфики систем электроснабжения. Исключение могут составить лишь три наиболее часто используемых показателя бесперебойности электроснабжения: дефицит мощности, недоотпуск электроэнергии и ущерб.

Оценка дефицита мощности и недоотпуска электроэнергии. Рассмотрим сначала случай, когда время восстановления электроснабжения tв меньше суток. Пусть известен суточный график нагрузки потребителя Рн ( t ) (рис. 3.4).

Если отказ произошел в момент to, а восстановление длилось tв, то возникает дефицит D(t):

где PR резервирующая (или сохраненная) мощность.

Недоотпуск электроэнергии определится как Поскольку момент возникновения отказа to и время восстановления tв случайные величины, значения дефицита мощности D(t) и недоотпуска электроэнергии Э за период наблюдения на интервале от 0 до Т также являются случайными величинами.

Если средняя частота отказов за этот же период составляет, то средний недоотпуск электроэнергии определится как где Э среднее значение недоотпуска, причем а Э – случайная величина недоотпуска электроэнергии при единичном отказе.

На основе недоотпуска электроэнергии можно ввести еще один показатель – относительное удовлетворение потребителя электроэнергией где ЭТ – суммарная требуемая потребителями электроэнергия за период от 0 до Т.

Аналогичные определения дефицита мощности и недоотпуска электроэнергии можно произвести и при рассмотрении недельного, месячного, сезонного или годового графика нагрузки.

Оценка ущерба от ненадежности. Этот параметр является наиболее комплексным показателем надежности электроснабжения. Он характеризует интегрально все свойства объекта, включая режим его загрузки и значимость потребителя электроэнергии. Обычно важность каждого потребителя характеризуется величиной удельного ущерба, возникающего при ограничении (отключении) его в мощности и электроэнергии, который в общем случае можно представить в виде двух составляющих: ущерб из-за внезапного отключения мощности ( yвн, руб./кВт) и из-за недоотпуска электроэнергии ( уо, руб./кВтч).

С учетом этого возникающий ущерб определяется как где D = M D ( t ) на интервале от 0 до Т; D – случайная величина дефицита мощности.

Следует отметить, что выбирая показатели надежности для практического использования, необходимо иметь виду некоторые простые и достаточно очевидные рекомендации:

- общее число показателей надежности должно быть по возможности минимальным;

- следует избегать сложных комплексных показателей;

- выбранные показатели надежности должны иметь простой физический смысл;

- выбранные показатели надежности должны допускать возможность проведения подтверждающих (поверочных) оценок на этапе проектирования (с помощью аналитических расчетов, имитационного моделирования и т.п.) и опытной оценки при проведении специальных испытаний или по результатам эксплуатации;

- выбранные показатели должны позволять включать их в критерии эффективности, по которым принимаются решения об уровне надежности, допускать задание норм надежности в количественной форме.

3.4. Примеры 3.4.1. Коэффициент готовности объекта составляет 0,95, времена до отказа и восстановления распределены по экспоненциальным законам. Среднее время восстановления объекта 48 ч. Определить вероятность того, что объект проработает без отказа в течение: а) месяца, б) полугода, в) года (до текущего ремонта), г) четырех лет (до капитального ремонта).

Решение. Согласно (3.35) откуда среднее время до отказа Интенсивность отказа в соответствии с (3.13) а) р месяца = e9,6/12 = e0,8 = 0,45;

б) р полугода= e9,60,5 = e4,8 = 0,0082;

в) р года= e9,61 = e9,6 = 0,000068;

г) р четырех лет= e9,64 = e38,4 = 2 1017.

Как видно, объект практически не сможет проработать без отказа в течение года.

3.4.2. Суточный график предприятия показан на рис. 3.5. Рассмотрим три ситуации:

а) ограничение мощности происходило с 22 до 2 ч ночи (минимально возможный недоотпуск);

б) ограничение мощности произошло с 17 по 21 ч вечера (максимально возможный недоотпуск);

в) ограничение мощности происходило при средней нагрузке потребителя (среднее значение недоотпуска электроэнергии).

PR = 20 МВт – резервная мощность, частично компенсирующая дефицит мощности.

Решение. Для случая в) определим среднюю нагрузку потребителя, усредняя двухчасовые интервалы:

Средний недоотпуск электроэнергии Для случаев а) и б) были получены значения а) Эmin = 88 МВтч; б) Эmax = 190 МВтч.

Как видно, среднее значение лежит посередине крайних.

4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Под определением надежности понимается нахождение показателей надежности объекта, системы электроснабжения по отношению к выполняемой (или выполняемым) ими функции (функциям), которые позволяют в практической деятельности принимать рациональные решения.

4.1. Общая характеристика методов Обычно определение показателей надежности формулируется как задача анализа, т.е. нахождение показателей для заданного объекта, хотя в конечном итоге, как правило, решается задача выбора решения. В этом случае определение надежности рассматривается для конкретных задач, когда сформулированы критерии, заданы средства, ресурсы. Но и при выборе решения задача надежности рассматривается как базовая, поэтому далее в этой главе задача определения надежности формулируется как задача анализа, методы решения которой мы здесь и рассмотрим.

Представляется целесообразным классифицировать все методы по характеру используемой информации, возможностям ее получения. Тогда все методы определения надежности можно подразделить на методы прогнозирования, экспериментальные и расчетные.

Под прогнозированием надежности понимается предсказание значений показателей надежности в условиях неполноты информации о составе объекта, характеристиках его составляющих, о предполагающихся условиях функционирования и т.п.

Под экспериментальным методом понимается метод опытного определения надежности реальных объектов, когда объект и условия, в которых он функционирует, известны с достаточной полнотой и при необходимости могут целенаправленно изменяться.

Под расчетом надежности понимается метод получения численных значений показателей надежности объекта по известным характеристикам надежности его элементов, по известному их структурному и функциональному взаимодействию.

Хотя все три группы методов имеют принципиально различную основу, но все они применяются в совокупности, дополняя друг друга. Например, пусть поставлена задача определить надежность системы электроснабжения, которая будет формироваться из существующей путем добавления каких-то элементов (новых ЛЭП, подстанций и др.). Поскольку имеется действующая система электроснабжения, можно было бы применить экспериментальный метод. Но, вопервых, система электроснабжения постоянно изменяется (наращивается, развивается), а во-вторых, надежность систем электроснабжения обычно достаточно высокая. Поэтому для получения необходимой информации потребуется очень большой период. Так что в прямом виде экспериментальный метод не применим.

Если систему электроснабжения представить как систему, состоящую из групп однотипных элементов (ЛЭП, трансформаторов, выключателей и т.п.), то, поскольку таких элементов много, надежность их ниже, чем надежность системы в целом, здесь уже применим экспериментальный метод по отношению к элементам системы электроснабжения.

Таким образом, используя экспериментальный метод к элементам системы электроснабжения, можно определить их фактическую надежность. Далее, если в перспективе эти элементы как-то будут изменяться (совершенствоваться, модернизироваться), будут меняться условия их работы или возникать новые, то здесь могут быть успешно применены методы прогнозирования. В итоге мы будем располагать информацией об элементах будущей системы, их связях, о структуре системы. В этих условиях наиболее эффективным для использования становится расчетный метод.

Следовательно, поставленная задача, по существу, может быть решена только на основе совместного использования всех трех групп методов определения надежности.

Необходимо отметить, что методы прогнозирования надежности базируются на достаточно хорошо разработанной методической основе прогнозирования вообще и каких-либо существенных специфических особенностей применительно к задаче определения надежности систем электроснабжения не имеют. В связи с этим далее будут рассматриваться лишь экспериментальные и расчетные методы.

4.2. Экспериментальные методы Показатели надежности этими методами могут быть получены либо по результатам испытаний – специальных или совмещенных, либо наблюдением за функционированием объекта в условиях эксплуатации, т.е. методы подразделяются на методы испытаний на надежность (специальные, совмещенные) и методы наблюдения.

4.2.1. Методы испытаний Организуются специально с целью определения показателей надежности, объем их обычно заранее планируется, условия функционирования объектов устанавливаются из требований оценки конкретных показателей. Такие испытания, как правило, применяются для сравнительно простых изделий, выпускаемых в достаточно большом количестве. Проводить специальные испытания для сложных объектов, систем в большинстве случаев не представляется возможным, так как объем их выпуска обычно ограничен единицами экземпляров, а процесс изготовления, отладки, проверки функционирования и доводки занимает слишком много времени и дорогостоящий. Показатели надежности таких объектов оцениваются в основном либо по результатам совмещенных испытаний, при которых определение показателей согласовывается с экспериментальными исследованиями других параметров объекта, либо по наблюдениям на этапе эксплуатации.

Методы испытаний, в свою очередь, подразделяются на исследовательские (определительные) и контрольные. Исследовательские испытания на надежность проводятся для выявления фактических значений показателей надежности; контрольные – для проверки соответствия показателей надежности объектов требованиям (стандарта, технического задания, технических условий).

Исследовательские и контрольные методы имеют существенные различия. При сопоставимых требованиях к точности и достоверности необходимый объем испытаний при контрольной постановке может быть значительно меньше, чем при исследовательской, в случае, если истинное значение показателя надежности объекта мало отличается от необходимого уровня. Кроме того, у этих методов заметно различаются этапы планирования эксперимента.

Планирование при контрольных испытаниях опирается на требуемое значение показателя надежности. В результате планирования определяют необходимый объем испытаний и оценочный норматив – решающее правило, по которому принимается решение о соответствии или несоответствии объекта заданному требованию. Следовательно, ошибка в планировании контрольной процедуры в принципе не может быть выявлена в результате испытаний, и, таким образом, корректность планирования непосредственно определяет достоверность искомого заключения.

При планировании исследовательской (определительной) процедуры принципиально невозможно однозначно указать необходимый объем испытаний, так как точность оценок показателей надежности при заданной достоверности зависит не от объема испытаний, а от объема получаемой при испытании информации. Исходя из требуемых точности и достоверности оценок, в результате планирования исследовательской процедуры получают не объем испытаний, а минимально необходимое число информативных реализаций.

Требуемый объем испытаний – число изделий (или число опытов) и продолжительность испытаний – зависит от фактической надежности объекта, которая до испытания не известна. Следовательно, необходимый объем испытаний при планировании исследовательской процедуры может быть определен лишь ориентировочно, исходя из предполагаемого уровня надежности объекта.

Однако ошибки в планировании объема испытаний выявляются в процессе испытаний при обработке их результатов и могут быть скорректированы.

Методы испытаний требуют значительных затрат времени. Сокращение времени может быть достигнуто применением либо специальных методов планирования и обработки, либо форсированных режимов испытаний. При последних ускорение достигается ужесточением режимов с целью набора необходимого количества статистической информации за более короткое время. Применение форсированных испытаний требует большой подготовительной работы: выбора эффективных ускоряющих факторов, исследования степени их влияния и т.п. Кроме того, остается задача "обратного пересчета" полученной информации к "нормальным условиям". Испытания в форсированных режимах целесообразны прежде всего для контроля надежности серийных изделий, выпускаемых по неизменной технологии длительное время.

4.2.2. Методы наблюдения Иногда эти методы еще называют ретроспективными. Они представляют собой извлечение и обработку информации из анализа работы действующих объектов. Стоимость работ, связанных с оценкой надежности эксплуатируемого оборудования этими методами, в отличие от стоимости испытаний на надежность, минимальна. В основном это затраты на сбор и обработку статистических данных.

Длительность наблюдения и массив статистических данных определяются продолжительностью процесса эксплуатации и общим количеством действующих объектов. Основные трудности этого метода получения показателей надежности состоят в том, что процесс функционирования объектов не зависит от наблюдателя, который должен суметь извлечь объективную информацию о надежности объектов по записям, выполненным большим числом разных наблюдателей.

В общем случае при эксплуатации объектов могут изменяться условия работы, режимы загрузки и т.п. Поэтому возникает задача не просто оценить фиксированные значения показателей надежности, а установить зависимость этих показателей от условий и параметров работы объекта. При формировании такого рода зависимостей влияющие факторы должны быть представлены какими-либо укрупненными, но достаточно представительными показателями.

Количество показателей зависит в первую очередь от сложности объекта. Для получения этих зависимостей наиболее эффективно применение регрессионного и дисперсионного анализа.

Одной из главных задач, возникающих при использовании ретроспективных методов, наряду с оценкой погрешности показателей надежности, является связанная с ней задача проверки однородности различных выборок и их объединения. Суть последней состоит в следующем. Если из собранной информации (выборок) о надежности однотипных объектов, работающих в разных частях системы (в общем случае в разных условиях), следует, что они имеют различные точечные статистические оценки показателей надежности, то возникает вопрос, можно ли эти расхождения считать существенными, значимыми, или их следует приписать случайностям выборок. Ответ на этот вопрос очень важен.

Действительно, если эти расхождения случайные, то выборки однородные, принадлежат одной генеральной совокупности и информацию можно объединить; в результате повысится точность оценки показателей надежности. В теории вероятностей и математической статистике разработаны методы (метод статистических гипотез) и критерии, позволяющие решить эту задачу.

При обработке экспериментальных данных отмеченные различия методов испытания и наблюдения несущественны, поэтому рассматриваемые далее подходы и методы обработки данных относятся ко всем экспериментальным методам.

4.2.3. Типы оцениваемых показателей и характер априорных сведений При экспериментальных оценках надежности независимо от того, какое свойство исследуется, все многообразие оцениваемых показателей сводится к двум типам:

- наработка – средняя, или -процентная (до отказа, между отказами, до предельного состояния, срок сохраняемости, время восстановления и т.п.);

- вероятность (безотказной работы, исправного состояния в произвольный момент, восстановления за заданное время и т.д.).

При определении показателей типа наработки непосредственно наблюдаемыми величинами являются случайные интервалы: наработки до отказа, между отказами, до предельного состояния, времени восстановления, времени хранения до отказа и др.

При определении показателей типа вероятности непосредственно наблюдаемыми случайными величинами являются числа событий в испытаниях: количество отказов, восстановлений, предельных состояний и т.д.

С точки зрения характера априорных сведений о функции распределения все многообразие практических задач сводится, по существу, к двум вариантам:

1) вид функции распределения наблюдаемой случайной величины известен априори. Задача статистической обработки – получить оценки для показателей надежности с учетом вида функции распределения и характера имеющегося статистического материала;

2) вид функции распределения наблюдаемой случайной величины неизвестен или известен лишь предположительно. В этом случае на основании анализа процессов, приводящих к отказам, опыта эксплуатации аналогичных изделий и предварительного анализа полученной при испытаниях информации (например, по виду гистограммы) принимается некоторая гипотеза о виде функции распределения. Задача обработки – проверить, не противоречат ли экспериментальные данные принятой гипотезе, и оценить параметры этой функции распределения.

В такой постановке необходима подробная информация о наблюдаемой случайной величине, а процесс статистической обработки в качестве обязательных должен включать следующие этапы:

– построение вариационного ряда;

– построение гистограммы;

– принятие гипотезы о виде функции распределения;

– оценку точечных значений параметров (для функции распределения предполагаемого типа);

– проверку непротиворечивости экспериментальных данных принятой гипотезе о функции распределения.