Влияние метрологического обеспечения на оценку технического состояния электроэнергосистем в условиях эксплуатации

ВЛИЯНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОЦЕНКУ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В. В. ШАРОВ

Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрены вопросы влияния метрологического обеспечения и, в частности, таких метрологических характеристик средств измерений, как достоверность и надёжность, на оценку технического состояния электрооборудования в условиях эксплуатации. Представлены зависимости и показаны пути решения задач при оптимизации периодичности эксплуатационного контроля.

Метрологическое обеспечение эксплуатации электроэнергосистем (ЭЭС) представляет собой комплекс научно- и организационно-технических мероприятий, а также соответствующую деятельность штатного обслуживающего персонала, направленных на обеспечение единства и точности измерений для достижения требуемых характеристик функционирования ЭЭС [1, 2].

На разных этапах жизненного цикла ЭЭС их метрологическое обеспечение имеет ряд общих и самостоятельных задач. Так на основном и наиболее длительном этапе их жизненного цикла - этапе эксплуатации - задачами метрологического обеспечения являются: обеспечение служб эксплуатации ЭЭС штатными средствами измерений (СИ) и эксплуатационного контроля (ЭК); надзор за правильным использованием СИ при подготовке ЭЭС к применению, профилактических и регламентных работ, а также при ремонте; надзор за проведению состоянием СИ, за соблюдением сроков их поверки и интенсивности расходования технического ресурса; разработка методов поверки СИ, встроенных в ЭЭС, а также при невозможности реализовать стандартизованные методики; внедрение новых типов СИ и ЭК, выпускаемых промышленностью взамен морально устаревших; создание обменного фонда СИ и ЭК для восполнения выбывающих из эксплуатации по причинам выработки технического ресурса, нахождения в ремонте или на поверке.

Эта задача служб, занимающихся эксплуатацией ЭЭС, достаточно сложна. Решение перечисленных задач осуществляется в рамках системы эксплуатации ЭЭС, составной частью которой является система метрологического обеспечения эксплуатации (СМОЭ) ЭЭС. Целью СМОЭ ЭЭС является получение точной и достоверной информации об ЭЭС для управления её качеством. Информация о состоянии управляемой ЭЭС, её точность и достоверность являются полезным выходом СМОЭ ЭЭС. Использование этой информации при управлении ЭЭС будет давать положительный технический и экономический эффект. Структурная схема СМОЭ ЭЭС приведена на рис. 1.

Основной целью и задачами исследования являются проблемы, связанные с влиянием метрологического обеспечения эксплуатации ЭЭС на оценку технического состояния электрооборудования в условиях его эксплуатации, и определение необходимых и достаточных условий для получения объективной информации о состоянии электрооборудования, с целью обоснованного перехода от существующей стратегии обслуживания и ремонта по регламенту к

© В. В. Шаров

Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

перспективной стратегии эксплуатации ЭЭС по состоянию. Поэтому метрологическое обеспечение эксплуатации ЭЭС становится одним из важнейших условий достижения высоких показателей их качества и надёжности.

Создание обменного фонда —тч Внедрение новых

СИ и ЭК ^ /\ Ж жжШМ\^ЖЭ

/\ Вырабо

/ \ тка

( \ тех.

\/ ресурса

\ / 1—

X.

Взамен

устаревших

Расширение

возможностей

ЭК

Разработка и усовершенствование методов поверки СИ,

встроенных в

Учёт погрешностей при изъятии из ЭЭС

Учёт

измерительных

преобразователей

Учёт каналов связи

Обеспечение службы эксплуатации

Рис. 1. Структурная схема системы метрологического обеспечения эксплуатации ЭЭС

Неучёт значимости перечисленных задач метрологического обеспечения эксплуатации ЭЭС приводит к неоправданно высоким экономическим расходам на внеплановые и плановые ремонты ЭЭС, большому объёму профилактических мероприятий, а также к несоответствию реальных показателей функционирования нормативно-технической документации. При этом в некоторых случаях снижение качества функционирования ЭЭС происходит из-за ошибок в применении СИ. Имеются случаи, когда СИ и ЭК не соответствуют задачам или условиям измерения параметров и характеристик эксплуатируемых ЭЭС. Качество функционирования ЭЭС характеризуется группой различных физических величин, при этом параметры должны находиться в пределах допусков или иметь определённое значение. СИ оказывают влияние на оценку технического состояния ЭЭС при их эксплуатации через длинную и сложную цепь взаимодействий. Кроме того, этот уровень обусловлен многочисленными взаимосвязанными и взаимозависящими факторами, среди которых трудно выделить только метрологические.

Поэтому в настоящее время не разработаны общие способы определения эффективности применения СИ при эксплуатации ЭЭС. Исходя из этого необходимо определить, как влияют СИ на оценку технического состояния ЭЭС, находящихся в эксплуатации. Как правило, использование СИ направлено на достижение требуемой готовности различных технических систем [3, 4]. Кроме того, СИ применяются при эксплуатационном контроле для оценки работоспособности ЭЭС и отыскания отказавших систем и элементов. Такие метрологические характеристики СИ, как точность и быстродействие определяют достоверность и продолжительность контрольных и диагностических операций, поэтому количественно оценить эффективность влияния СИ можно по коэффициенту готовности ЭЭС, рассматриваемому как функцию показателей достоверности и продолжительности эксплуатационного контроля и диагностики [5].

Методика решения задачи и математический аппарат для её реализации

Зависимость коэффициента готовности ЭЭС от показателей достоверности и продолжительности эксплуатационного контроля имеет вид

где 1оэ - интенсивность отказов электрооборудования ЭЭС; Тэки *эк-периодичность и продолжительность эксплуатационного контроля электрооборудования соответственно; - среднее время восстановления

электрооборудования, зависящее от быстродействия и точности диагностических средств; ао и Ро - условные вероятности ложного и необнаруженного отказов электрооборудования соответственно.

При этом условная вероятность ложного отказа ао характеризует долю пропущенных отказов в электрооборудовании за счёт малой чувствительности или отказа СИ при условии, что эксплуатационному контролю подвергается лишь

У

работоспособное электрооборудование. Условная вероятность необнаруженного отказа ро характеризует долю неверно признанного работоспособным, но на

самом деле отказавшего электрооборудования за счёт пропуска отказавшего элемента при условии, что эксплуатационному контролю подвергается лишь отказавшее электрооборудование. Как показано в [4], эти вероятности зависят от точности и полноты измерений контролируемых параметров.

Соотношения для определения ао и ро имеют вид

где ан и Рн - условные вероятности ложного и необнаруженного отказов, характеризующие достоверность неизмерительного эксплуатационного контроля

вероятности ложного и необнаруженного отказов, характеризующие достоверность измерительного эксплуатационного контроля одного параметра

электрооборудования, соответственно; ииз - количество измеряемых параметров

при эксплуатационном контроле электрооборудования; Nэк - количество измеряемых параметров, обеспечивающих 100 %-ную полноту эксплуатационного контроля всех элементов электрооборудования при измерительном контроле; Р™ - вероятность того, что в момент эксплуатационного контроля измеряемый параметр находится в пределах поля допуска.

Кроме того, если в момент эксплуатационного контроля электрооборудования часть его параметров не может быть измерена из-за отказа или отсутствия на месте эксплуатации необходимых СИ, то достоверность эксплуатационного контроля в этом случае уменьшается.

Учитывая эти допущения, соотношения для определения ао и ро будут иметь вид

работоспособности электрооборудования, соответственно; аэ^ вэк - условные

\

ч

;

во = вн

Рэпкд (1 - вЭк )+ Р СИ ( - а Эк ) \ 1 -

1+-

N э

1 Рэк 1 ~ РСИ

N.

эк у

^И -1

1 чтс

РСИ

п

л

из

из

x

x

п

из

где Рси - вероятность нахождения средств измерений на месте эксплуатации в

работоспособном состоянии и их безотказной работы на протяжении времени эксплуатационного контроля электрооборудования; тси- количество средств измерений, используемых при эксплуатационном контроле электрооборудования;

пиз

------количество контролируемых параметров с использованием одного средства

тси

измерений.

Следует отметить: чтобы достоверность эксплуатационного контроля электрооборудования не снижалась из-за отказов СИ, когда они находятся в ремонте, необходимо иметь обменные фонды для данных СИ, которые позволяют их использовать взамен отказавших основных, а также при нахождении их на поверке или при выработке ими технического ресурса (рис.1).

Зависимость коэффициента готовности от достоверности эксплуатационного контроля электрооборудования приведена на рис. 2, а зависимость коэффициента готовности от периодичности и продолжительности эксплуатационного контроля электрооборудования - на рис. 3.

ЭЭС

Исследование зависимостей Кр от аои во (рис 2), а также от Тэк , tэк и

* в° (рис. 3) показывает, что на коэффициент готовности в наибольшей степени влияют: периодичность Тэк эксплуатационного контроля электрооборудования, а также продолжительности эксплуатационного контроля *эк и диагностических

операций с восстановлением электрооборудования ^. Исходя из этого, для

ЭЭС

повышения Кр необходимо, в первую очередь, минимизировать затраты времени на эксплуатационный контроль и диагностику, а также оптимизировать периодичность эксплуатационного контроля.

Такой подход при решении задач оценки технического состояния электрооборудования позволяет находить оптимальные эксплуатационнотехнические решения в зависимости от используемого по прямому назначению типа электрооборудования в условиях эксплуатации.

Постановка задачи

ЭЭС

Постановка задачи для оптимизации Кг формулируется следующим образом. Необходимо так организовать эксплуатационный контроль параметров ЭЭС, чтобы КрЭС имел максимальное значение при условии, что Тэк будет

находиться в необходимых пределах, а значения *эк и не превысят

допустимого значения [6].

Рис. 2. Зависимость коэффициента готовности от достоверности эксплуатационного контроля электрооборудования при Тэк = 60 ч, * эк = 2 ч и = 7ч: а) для случая условных вероятностей ложного отказа ао ; б) для случая условных вероятностей необнаруженного отказа во

Рис. 3. Зависимость коэффициента готовности от периодичности и продолжительности эксплуатационного контроля, а также от времени восстановления электрооборудования при

X оэ = 10-2 ч-1

Критерий эффективности, исходя из постановки задачи, имеет вид

улЭЭС хлшах

Лр = Кг ,

при Тэк = Т эк, а * эК < * эк" и * ™ < * вдоп. © Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

Используя выражения (6), необходимо решить систему дифференциальных уравнений в частных производных

дК

ЭЭС

дТ Пр

дК

эк ЭЭС

д 2Т 2 пр

д Т эк

ЭЭС

Подставляя значение К г (1) в систему уравнений (7) и решая последнюю

методом множителей Лагранжа, определяют значения ТЭК, при которых

коэффициент готовности К Г максимален. Исследования показывают, что

значение периодичности Т эк эксплуатационного контроля зависит от достоверности ао и во, а также от его продолжительности *эк и среднего

времени восстановления электрооборудования *в°. Анализ полученных результатов, представленных на рис. 4, свидетельствует о том, что оптимальная периодичность Т эк эксплуатационного контроля электрооборудования в значительной мере зависит от достоверности контроля, поэтому периодичность эксплуатационного контроля следует определять с учетом достигнутых значений условных вероятностей ложного ао и необнаруженного отказов в о определённого типа электрооборудования.

а)

б)

Рис. 4. Зависимость оптимальной периодичности эксплуатационного контроля электрооборудования от его достоверности: а) при *эк = 6 ч и ^ = 8 ч;

б) при * эк = 2 ч и * в = 4 ч

Продолжительность * эк эксплуатационного контроля электрооборудования определяется из соотношения

* эк = * пр + *н + * кз Кз , * из X

пр

где * пр - затраты времени на подготовительные работы при контроле;

- затраты времени на неизмерительный контроль; - затраты времени на

измерительный контроль; ^з — продолжительность измерительного контроля одного параметра; ииз — количество измеряемых параметров при контроле.

Продолжительность *пр подготовительных работ при эксплуатационном контроле электрооборудования определяется из соотношения

* = *пк + *СИ + *СИ,

*пр *эо ^ *раз т ^под ’ V'/

пк СИ

где * эо — затраты времени на подготовку к контролю; * раз — затраты времени на

СИ

развертывание СИ при контроле; * под — затраты времени на подготовку СИ к

применению, включающие в себя подсоединение, установку пределов, при необходимости - прогрев и т. п.

Продолжительность * и измерительного контроля одного параметра

электрооборудования определяется из соотношения

*1 = *иц + *вс + *пп + *выхс + *ри,

где *кцм - затраты времени на коммутацию измерительной цепи; *^д - затраты

времени на подачу входного сигнала; - затраты времени на завершение

переходных процессов; - затраты времени на измерение выходного

сигнала; - затраты времени на регистрацию и индикацию результатов

измерений.

Практика эксплуатации электрооборудования показывает, что значительные затраты времени на эксплуатационный контроль определяют операции подсоединения и отсоединения средств измерений от контролируемого оборудования. Для их уменьшения необходимо упростить и стандартизировать элементы стыковки средств измерений с объектами измерений, используя стандартные интерфейсы для облегчения связи через приборные интерфейсы средств измерений электрооборудования.

Кроме того, необходимо отметить, что параметры электрооборудования измеряются как внешними, так и встроенными средствами измерений. Как правило, с помощью встроенных приборов определяют параметры активных цепей, и поэтому затраты времени связаны только с установкой необходимого диапазона измерений, выбором режима измерений, отсчётом показаний и сравнением результатов измерений с допустимыми значениями контролируемых параметров. При эксплуатационном контроле параметров с помощью внешних средств измерений затраты времени существенно больше. Это связано с развертыванием и подсоединением средств измерений к электрооборудованию, их

прогревом, выбором режима измерений, проведением собственно измерений и свертыванием средств измерений.

В этом случае продолжительность ?эк эксплуатационного контроля электрооборудования будет определяться из соотношения

ПСИ

“вы

I

1=1

,под

+ і к

.1СС

+ і.

Іппвн.С

+ тах

(і Іппвс.С ) V к )’

где іКН - затраты времени на неизмерительный контроль; іКЛо>Д - затраты времени

на подготовительный контроль г-го параметра; і^ - затраты времени

1СС

непосредственно на контроль; пвн - среднее количество параметров

электрооборудования, измеряемых одним прибором, при использовании внешних СИ; ікппвнС - затраты времени на контроль одного параметра внешними СИ;

ікппвс С - затраты времени на контроль одного параметра встроенными СИ.

Практика эксплуатации показывает, что в процессе контроля возможны отказы средств измерений. С учётом этого факта, продолжительность іж эксплуатационного контроля электрооборудования значительно увеличивается, і эк в данном случае определяется из соотношения

іэк = + 1СИ

пвн

где ^под - затраты времени на подготовительный контроль одного параметра;

ікп - затраты времени непосредственно на контроль одного параметра;

СИ

Рси - вероятность безотказной работы СИ; пвн - количество параметров

СИ

электрооборудования, измеряемых с использованием внешних СИ; ів - среднее время восстановления СИ.

Устранение отказа средств измерений можно осуществлять путём ремонта отказавшего прибора или заменой его на работоспособный, при этом метод восстановления средств измерений существенно оказывает влияние на продолжительность іэк.

В сложном электрооборудовании на практике одновременно можно измерять несколько параметров, поэтому в этом случае затраты времени на эксплуатационный контроль определяются из соотношения

і = ін +

1эк 1к ^

.СИ

.1СС

,

1

где - коэффициент, характеризующий среднее число одновременно

измеряемых параметров электрооборудования.

Затраты времени на восстановление электрооборудования определяются из соотношения

t3 = t°3 +1°3 +t3 ,

‘в 1п Т1р Т1прк’

где tПэ - затраты времени на поиск отказавшего элемента или узла; tрэ - затраты

времени на ремонт или замену элемента или узла; - затраты времени на

послеремонтный контроль электрооборудования.

Таким образом, приведенные соотношения позволяют определять значения показателей достоверности и продолжительности эксплуатационного контроля и диагностики электрооборудования в зависимости от метрологических характеристик средств измерений: точности, надежности и быстродействия - и на этой основе устанавливать зависимости показателей надежности электрооборудования от качества применяемых при их эксплуатации средств измерений.

Summary

Questions of agency of metrological maintenance and in particular, such metrological performances of means of measurings as reliability and reliability on an estimation of a technical condition of an electric equipment under operating conditions surveyed, dependences are submitted and ways of a problem solving are shown by optimization of periodicity of field inspection

Литература

1. Богданов Г. П., Кузнецов В. А., Лотонов М. А. и др. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники / Под ред. В. А. Кузнецова - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.: ил.

2. Крещук В. В. Метрологическое обеспечение эксплуатации сложных изделий.

- М.: Изд-во стандартов, 1989. - 200 с.: ил.

3. Сычёв Е. И. Оценка влияния измерительного контроля на надёжность технических систем // Надёжность и контроль качества. - №10. - 1979. -

С. 18-26.

4. Сычёв Е. И. Влияние точности и объёма измерений на качество диагностирования технических систем // Измерительная техника. - №7. -1982. - С. 14-17.

5. V. V. Sharov. Influence of accuracy and reliability of operating check techniques on the technical state of electropower systems under operating conditions. Russian National Symposium On Power Engineering KSPEU, Kasan, Russia, 10-14 September, 2001.

6. Объём и нормы испытаний электрооборудования. - М.: ЭНАС, 1998. - 208 с.

Поступила 10.10.2003