Основные направления развития и обеспечения надежности систем электроснабжения

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.3

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В.М. Степанов, A.A. Шпиганович

Рассмотрены основные направления развития и надежности систем электроснабжения. Выполненные до настоящего времени исследования, посвящены в основном количественнои оценке безотказности систем электроснабжения и их оборудования.

Кчючевые слова: электроснабжение, безотказность, надежность систем электроснабжения, аппаратно-программный комплекс.

Системы электроснабжения, современных промышленных предприятий сложные, так как они состоят из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Они обладают определенной структурой, которая заключаются в следующем: большое число элементов и выполняемых ими функций (На металлургическом заводе Липецка ОАО «НЛМК» электрических машин порядка 105, электрической аппаратуры низкого напряжения 106); большое число взаимосвязей, определяющих сложность поведения системы; единое целевое назначение; случайный характер негативных воздействий; конкурирующий характер отдельных подсистем; использование в управлении вычислительной техники; большие сроки ввода в эксплуатацию 2-5 лет.

Эффективность функционирования систем может быть оценено путем использования экономико-математических подходов. Увеличение производительности труда на промышленных предприятиях достигается в основном за счет внедрения современной передовой техники. Это снижает себестоимость выпускаемой продукции, сокращает ручной труд, повышает квалификацию и культурно-технический уровень рабочих. Интенсификация технологических производств приводит к увеличению электропотребления и энерговооружонности. Ввод в действие более мощных по производительности технологических машин повышает прирост потребления

3

электрической энергии. Отказы в системе электроснабжения приводят к изменению параметров, характеризующих технологический процесс предприятия. Они длительности работы технологических машин за одно включение уменьшают, а длительности и число остановок увеличивают. Затраты на неиспользование отказавшего оборудования и недовыпуск продукции из-за отказов приводит к материальному ущербу.

Выполненные до настоящего времени исследования, посвящены в основном количественной оценке безотказности систем электроснабжения и их оборудования. Они не учитывают воздействия отказов электрооборудования на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Рассматривать безотказность систем электроснабжения изолированно от работы других систем (технологической, релейной защиты, автоматики, вентиляции, водоотлива и т.д.) значить не использовать весь комплекс мероприятий, направленных на повышение надежности электроснабжения. В результате не может быть обеспечен оптимальный уровень безотказности электроснабжения. Безотказность системы электроснабжения необходимо оценивать с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием всех производственных систем. Объединяющим для рассматриваемого случая служит, выпускаемый продукт предприятия, на получение которого направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения. Решение проблемы возможно в единстве методологического подхода к исследованию выпускаемой продукции предприятием и анализа надежности систем электроснабжения с дальнейшим развитием вероятностных подходов, используемых в качестве математических моделей работы систем электроснабжения и их оборудования.

Всесторонний анализ безотказности систем электроснабжения и экономической эффективности мероприятий по ее повышению с учетом взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами позволит обосновать и разработать методы и средства, обеспечивающие оптимизацию, повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий.

Это обеспечивается установлением закономерностей формирования информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах электроснабжения и зависимостей, определяющих топологию уровней и функциональные связи их с показателями надежности и созданием аппаратно-программного комплекса управления распределением электроэнергии, качеством и эффективностью электропотребления, путем обоснования рациональных режимных параметров и управляющих воздействий в электропитающих системах для ограничения динамических нагрузок, повышения долговечности и эффективности функционирования систем с снижением затрат на их эксплуатацию.

Для этого необходимо:

- развитие в теоретическом и практическом плане многоуровневых систем электроснабжения и определение технико-экономической целесообразности применения в их структурах различных сочетаний видов избыточностей;

- определить закономерности формирования топологии уровней и информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах электроснабжения:

- разработать классификацию внешних и внутренних возмущающих факторов в многоуровневых системах электроснабжения с учетом избыточностей для ограничения их воздействия на эффективность их функционирования;

- создать аппаратно-программный комплекс для анализа, оптимизации и рационального управления распределением и эффективностью использования электроэнергии на основе обоснования рациональных режимных параметров и управляющих воздействий в многоуровневых системах электроснабжения для ограничения динамических нагрузок, повышения долговечности и эффективности их функционирования со снижением затрат на эксплуатацию систем с композицией избыточностей;

- разработать методологию построения сложных многоуровневых систем электроснабжения, обеспечивающих эффективное функционирование электроприемников и учитывающих сочетание всех видов избыточностей и характеристики воздействующих внешних и внутренних факторов.

- разработать модели системы электроснабжения отображающей функциональные взаимосвязи электрооборудования с приемниками электрической энергии, отличающейся учетом влияния избыточностей на вынужденные остановки технологических машин при воздействиях в системах электроснабжения, как отдельных возмущающих факторов, так и их композиций;

- получить простые аналитические уравнения на базе теории случайных импульсных потоков в место интегрально-дифференциальных выражений, которые в зависимости от класса решаемых задач позволяют существенно упростить процедуру анализа и синтеза систем электроснабжения при оценке мероприятий по повышению их безотказности;

- разработать новую методику определения коэффициента степени связи, позволяющего определять соотношения между вынужденными остановками электроприемников и отказами электрооборудования, упрощая расчеты и деля их однотипными во всех возможных случаях, не зависимо от использования избыточностей и воздействия негативных факторов, осуществлять анализ в динамике, а не по средним параметрам;

- разработать новый теоретический прием деления систем электроснабжения на уровни с использованием методов электроценоза, позволяющего определить способы, средства и критерии по номенклатурной и

параметрической оптимизации систем, заранее предупреждать возникновение отказов в системе и осуществлять прогнозирование их развития на перспективу;

- теоретически обосновать использование параметрических распределений для доказательства того, что любые мероприятия направленные на повышение безотказности систем сводятся к повышению их избыточности и снижению воздействия негативных факторов на вынужденные остановки технологических машин;

- разработать теоретический прием разделения по длительности вынужденных остановок технологических машин от отказов электрооборудования соответствующего уровня системы электроснабжения и квалификации обслуживающего персонала;

- решить оптимальные задачи минимизации перерывов в электроснабжении, техническая реализация которой состоит в уменьшении числа и продолжительности отказов электрооборудования, позволяющему снизить потери не только потребляемой электрической энергии, но и выпускаемой продукции предприятием;

- синтезировать алгоритм структурно нейронной сети мгновенной компенсации воздействия негативных факторов, позволяющей обеспечить наибольшее значение коэффициента технического использования и экономической эффективности при нагрузках произвольного вида.

Основные направления развития теории исследований заключаются в разработке:

- модели системы электроснабжения базирующейся на функциональных взаимосвязях, как между электрооборудованием, так и приемниками электрической энергии с учетом структуры системы и воздействия негативных возмущений, применяемой для любых производств промышленных предприятий;

- алгебраических уравнений, отображающих вероятностные параметры системы электроснабжения и вынужденных остановок приемников электрической энергии, выраженных через коэффициенты связи при оценке компенсации негативных возмущающих факторов в результате использования избыточности систем;

- методики деления системы на уровни, не зависимо от их сложности, для определения электрооборудования по номенклатурной и параметрической оптимизации используя наработки на отказ для замены в процессе эксплуатации соответствующих типов электрооборудования, приводящего к наибольшему числу остановок приемников на новый тип оборудования;

- методики оценки квалификации обслуживающего персонала по результатам сравнения функциональных коэффициентов связи, выраженных через параметрические функции распределения длительностей, определяемых временем устранения отказов;

- методологии определения наибольшего значения коэффициента технического использования с обоснованием выбора мероприятий, обеспечивающих безотказность систем электроснабжения при моментальной последовательности компенсации негативных факторов в зависимости от возможных результатов их воздействия на вынужденные остановки электроприемников устройствами, характеризующимися структурами нейронной сети

Это позволит получить основные практические результаты, которые состоят в обобщении универсальных зависимостей позволяющих определить динамические свойства иерархических систем по известным их параметрам. Это позволяет в условиях действующих крупномасштабных производств посредством прогнозирования заранее выявлять электрооборудование низкой надежности, вызывающее наибольшее число вынужденных остановок приемников электрической энергии. Разработаны инженерные методы оптимизации систем посредством эффективного использования всех видов их избыточностей. Созданы предпосылки промышленного внедрения в России новых систем электроснабжения, позволяющих ограничивать динамические нагрузки технологических машин, работающих в любых режимах посредством исключения их вынужденных остановок и экспериментально подтверждена их эффективность.

Анализ показывает, что в отдельных энергетических системах число аварий в течение года составляет несколько десятков. Из-за аварий годовой недоотпуск электроэнергии достигает миллионы киловатт. В Российской Федерации имеется стандарт качества электроэнергии ГОСТ 32144-2013. Не всегда его нормативы выполняются по ряду причин. Вызвано это тем, что электрооборудование предприятий в процессе функционирования взаимодействует как между собой, так и питающей сетью. Часто такое взаимодействие является негативным и, в общем случае вызывает возникновение перенапряжений (рис. 1).

В распределительных сетях происходит до 55...75% нарушений связанных с электроснабжением потребителей. Анализ аварий позволил выявить путем использования экспериментальных данных опасные ферроре-зонансные перенапряжения. Их причиной являются неполнофазные режимы питания и случаи смещения нейтрали. Установлено, что феррорезо-нансные перенапряжения служат причиной повреждений изоляции на землю, а дуговые замыкания на землю являются причиной возникновения и развития феррорезонансных процессов. В сетях 6...35 кВ переход замыканий в межфазные короткие замыкания от перенапряжений составляет до 65% , а от замыкающих дуг - 35%. Это соотношение характерно как для воздушных, так и кабельных сетей. Показано, что катодно- осциллографи-ческие измерения перенапряжений и кинографические исследования особенностей горения заземляющих дуг необходимы для определения форм и уровней перенапряжений. Перенапряжения делятся на фазные, между фаз-

ные, внутри обмоточные, межконтактные. Наибольшую значимость представляют фазные перенапряжения, воздействующие на изоляцию токове-дущих частей. Практически всегда после коммутаций в системе электроснабжения возникают коммутационные перенапряжения. При коммутациях кратности перенапряжений могут достигать 6-8 кратных значений.

Рис. 1. Блок-схема классификаций причины возникновения

перенапряжений

Опасность представляют резонансные явления, которые вызывают не только перенапряжения, но и его провалы. Методика поиска таких режимов должна основывается на использовании аппаратно-программного комплекса, определяющего классификацию электроприемников относительно искажений в системе электроснабжения при анализе не только на частотном спектре искажений, но и фазово-частотных характеристик и мощности. В каждом конкретном случае для оценки функционирования электрооборудования отдельных уровней системы необходимо использовать модель, базирующуюся на статистических данных. Основными элементами, негативно оказывающими воздействие на показатели качества электроэнергии, служат преобразователи. Для оценки процессов происходящих в отдельных преобразователях можно использовать математические

зависимости, что нельзя применить при анализе функционирования систем, содержащих группу преобразователей. Их анализ должен основываться на имитационном моделировании с отображением управления подключения резервного оборудования, то есть использования информационной избыточности, что по сравнению с другими подходами обладает более широкими возможностями. Моделирование процессов в преобразователях позволят создавать устройства, управляющие потоками энергии по требуемому закону, решая проблему высших гармонических составляющих. Наиболее приемлемым при компенсации высших гармоник служат активные фильтры, осуществляющие генерацию гармоник действующих в про-тивофазе с высшими гармониками сети. Спектр высших гармоник не является величиной постоянной, он зависит от многих факторов, в первую очередь, от изменения нагрузки в результате защита от перенапряжений, не зависимо от вида их возникновения, должна включать комплекс мероприятий.

Основными средствами защиты от перенапряжений служат: ограничители перенапряжений, вентильные разрядники, реакторы, защитные искровые промежутки, схемы управления, а также шунтирующие сопротивления в выключателях, быстродействующие выключатели без повторных зажиганий дуги с управлением моментами коммутации, устройства для разряда распределительных линий во время бестоковой паузы, дугога-сящие катушки, ЯС-цепочки. Выбор параметров защит должен обосновываться на строгом технико-экономическом анализе с использованием математического моделирования как функциональных процессов в защищаемых аппаратах, так и учета вероятностных характеристик надежности элементов системы электроснабжения.

Проведен анализ как объективных, так и субъективных причин возникновения провалов напряжения. Схематически причины провалов напряжения представлены на рис. 2. При исследованиях учитывались реальные структуры и конфигурации систем электроснабжения вплоть до подключенных шин 0,4 кВ, а также режимы работы электрооборудования. Наблюдались и групповые провалы напряжения от повторного включения нагрузки, что вызывало накопительный эффект. В кабельных и воздушных распределительных сетях преобладают провалы напряжения глубиной 35...99 % продолжительностью 1,5...3,0 секунд. В среднем на промышленных предприятиях в воздушных распределительных сетях происходит до 30 провалов, а в кабельной сети - до 10 провалов. При этом до 70% приходится на однофазные короткие замыкания, 20% - на двухфазные, а 10% - на трехфазные. Соотношение параметров провалов для кабельных линий представлено в таблице.

При большом числе и мощности электрических двигателей, как на отдельных производствах ОАО «НЛМК», их одновременное включение после провала напряжения во многих случаях оказывается недопустимым

из-за возникновения нового провала напряжения. Предлагается в таких случаях применять специальные схемы, предусматривающие повторное включение электроприемников. Управление должно обеспечиваться средствами автоматики путем использования информационной избыточности. Результаты анализа свидетельствуют, что для сокращения провалов напряжения необходимо применять современные микропроцессорные устройства релейной защиты и средств автоматики, осуществлять секционирование шин подстанций и распределительных пунктов, снижать сопротивление заземления, использовать грозозащитные устройства, проводить профилактические мероприятия по чистке изоляции и замене дефектных изоляторов. Внешние и внутренние возмущающие факторы носят случайный характер, вызывают перенапряжения и провалы напряжения в системах электроснабжения, где их исследование в работе выполнено на вероятностной основе.

Рис.2. Блок-схема классификации причины возникновения провалов

напряжения

Параметры провалов напряжения для кабельных линий

Глубина Доля интервалов, %, при длительности провала, с Всего,

провала,% 0,01...0,1 0,1...0,5 0,5...1,0 1,0.3,0 3...20 20...60 %

10-30 33 20 4 0,5 0,5 - 58

30-60 4 15 2 - - - 21

60-95 3 9 0,5 1,5 - - 14

100 0,5 0,5 1 - - 5 7

Итого 40,5 44,5 7,5 2,0 0,5 5 100

Развитие систем электроснабжения выдвигает на первое место повышенные требования к качеству работы релейной защиты и средств автоматики. Без релейной защиты и автоматики невозможно безотказно обеспечить электрической энергией приемники промышленных предприятий. С методологических позиций требуемую надежность сложных технических систем можно обеспечить на принципах управления, диагностирования, контроля, прогнозирования, экспертных систем и т.д. Каждая из позиций решает свою специфическую задачу обеспечения надежности. Для этой цели система электроснабжения представлялась в виде отдельных уровней. Оценка эффективности их функционирования осуществлялась на основе экономического анализа, позволяющего получить оптимальную методологическую систему. В общем случае основная трудность состоит в выборе методов расчета, позволяющих оценивать поведение системы. Для одной и той же системы могут быть выбраны разные критерии, а также составлены различные структурные схемы в зависимости от анализируемой функции и вида отказа. Из существующего большого разнообразия различных методов расчета безотказности систем все они могут быть подразделены на три основные группы: статические, аналитические и статического моделирования. В данной работе разработанный метод относится к статико-аналитическому методу анализа. Критерии надежности релейной защиты и средств автоматики напрямую связаны с параметрами системы электроснабжения. С увеличением структурной сложности систем релейной защиты и средств автоматики, особенно с переходом на микропроцессорную базу усиливается связь между параметрами защиты и защищаемой системой. Микропроцессорные средства использованы в работе для управления структурной и временной избыточностями. С применением микропроцессорных устройств возникают проблемы связанные с электромагнитными излучениями, снижающими эффективность управления. Электромагнитное состояние на большинстве промышленных предприятий является неудовлетворительным.

Таким образом, анализ работоспособности и условий эксплуатации систем электроснабжения подтверждает правильность выбранных направлений развития и обеспечения их надежности.

Список литературы

1. Иванов Т.В., Иванов С.Н., Логинов Е.Л., Наумов Э.Б. Интеллектуальная электроэнергетика: стратегический тренд международной конкурентоспособной России в XXI веке. М.: Спутник, 2012. 303 а

2. ГОСТ Р 50571.1-2009 (МЭК 60364-1:2005). Национальный стандарт Российской Федерации. Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения.

3. Егоров А. А. Интеллектуальная энергетика // Автоматизация &1Тв электроэнергетике. 2011. 12 (29).

4. Осика Л.К. Smart metering - «Интеллектуальный учет» электроэнергии // Новости Электротехники. 2011. 5.

5. Соснина Е.Н. Научные основы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов государственных учреждений: автореф. дис. ... д-ра тех. наук. Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2013.

6. Тханг М.Н., Камаев В.А., Винь Т.К., Щербаков М.В. Интеллектуальный метод управления энергопотоками в гибридной энергосистеме // Автоматизация & IT в электроэнергетике. 2014. 4 (57).

7. Тханг М.Н., Камаев В.А., Винь Т.К., Щербаков М.В. Методы автоматического прогнозирования в гибридных интеллектуальных системах управления энергосбережением // Технологии разработки информационных систем ТРИС-2012: мастер. III междунар. науч.-техн. конф. Ростов н/Д, 2012. Т. 1. C. 70-74.

8. Тханг М.Н., Хунг Ч.Т. Гибридная интеллектуальная энергосистема // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VIII всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 23-25 нояб. 2011 г. В 3 т. Волгоград, 2012. Т. 3. C. 25-27.

9. Тханг М.Н., Камаев В. А., Щербаков М.В., Хунг Ч.Т. Мультиагентный метод управления энергопотоками в гибридной энергосистеме с источниками возобновляемой энергии // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. 2. C. 30-41.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ener-gy@tsu.rula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шпиганович Алла Александровна, канд. техн. наук, доц., sanastu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

THE MAIN AREAS OF DEVELOPMENT AND SUPPORT RELIABILITY OF POWER

V.M. Stepanov, A.A. Shpiganovich

The main directions of development and reliability of power supply systems. Completed to date research, focused primarily on quantitative evaluation of reliability of power supply systems and equipment.

Key words: power supply, reliability, reliability of power supply systems, hardwaresoftware system.

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, head the department, energy@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Spiranovich Alla Aleksandrovna, candidate of technical science, docent, sanastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University