Анализ динамических свойств сложных многоуровневых систем электроснабжения

ESTABLISH BASELINE DATA TO ENHANCE THE OPERATION POWER SYSTEMS

V.M. Stepanov, A.A. Shpiganovich

Considered the major inputs to enhance the functioning of electrical systems. Assessment of efficiency of functioning was carried out on the basis of economic analysis, allowing to obtain an optimal methodological system.

Key words: electricity, efficiency, operation of power systems, hardware-software

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

УДК 621.39

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЖНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В.М. Степанов, А. А. Шпиганович

Рассмотрены динамические свойства сложных систем электроснабжения. Определены однотипности электрических систем, установлены причины возникновения негативных возмущений, их влияние на безотказность систем.

Ключевые слова: электроснабжение, эффективность, релейная защита систем электроснабжения, компенсирующие устройства.

На основе анализа динамических свойств сложных многоуровневых систем электроснабжения должно быть выполнено в общем виде, а именно определены однотипности электрических систем, установлены причины возникновения негативных возмущений, их влияние на безотказность систем, изменения основных параметров для реальных систем, особенности избыточностей структурной и временной, управление избыточностями посредством средств автоматики и релейной защиты, возникновения отказов в системах после использования всех видов избыточностей, необходимость применения электроценоза для повышения эффективности функционирования систем.

В качестве анализа однотипности систем электроснабжения, в первую очередь необходимо использовать системы таких мощных производств, как металлургических заводов, а именно доменного, кислородно-конверторного, электросталеплавильного, прокатного, ферросплавного и

коксохимического, а также схемы районных подстанций. Результаты сравнения схем главных понизительных подстанций производств металлургических заводов с схемами районных подстанций свидетельствуют, что они незначительно отличаются друг от друга. Это сходство увеличивается еще в большей степени, если схемы в зависимости от применяемого электрооборудования разделить на уровни. Первый уровень относится к приемнику электрической энергии, а самый высокий к электрооборудованию, подсоединенному к источнику (системе энергоснабжения). Даже в первом и во втором случаях устройства автоматики и релейной защиты подстанций в основном выполнены на одной и той же основе. Силовые трансформаторы оснащены газовой защитой, для их и шин применяется «быстродействующая защита», а на отходящих линиях используется отсечка. Все мероприятия по повышению безотказности систем, которые используются в рассмотренных случаях распространяются и на любые другие производства промышленных предприятий.

При анализе функционирования систем возмущающие негативные факторы, влияющие на их безотказность, а соответственно и устройств автоматики и релейной защиты должны представляться составной их частью. Возмущения возникают из-за грозовых разрядов, импульсных помех от коммутационных операций с аппаратами управления и защиты, низкого качества напряжения питания (перенапряжения, его провалов, низкочастотных и высокочастотных полей при работе силового оборудования). Существенное воздействие на такие параметры системы электроснабжения, как мощность и передаваемая энергия, а также уровни напряжения в узлах сети оказывает реактивная мощность. При компенсации отдельного негативного фактора должны быть рассмотрены вопросы и с другими возмущающими факторами, так, например, при оценке реактивной мощности в зависимости от режимов работы технологического оборудования учитываются и электромагнитные воздействия. Существующие методы компенсации разделены на естественные и искусственные. К естественные методам относится оптимизация электрических режимов посредством рационализации технологического процесса, к искусственным - применение компенсирующих устройств. Управление компенсацией осуществляется средствами автоматики и релейной защиты, то есть за счет информационной избыточности. Анализ экспериментальных исследований свидетельствует, что негативные возмущения обладают большой скважностью. Что касается негативных помех, то практически они не перекрываются во времени. Для каждого исследуемого отдельного случая помехи индивидуальны. Даже однотипные параметры их при этом отличаются друг от друга. Одним из основных видов помех являются провалы напряжения. Результаты статистических данных, характеризующих параметры провалов напряжения в

цепях, питающих устройств автоматики и релейной защиты, установленных в течение последних трех лет главных понизительных подстанций приведены в табл. 1.

Важной также является защита элементов систем, применяемых в оперативно-диспетчерском автоматическом управлении. Это необходимо в получении достоверной информации без сбоев в ее обработке. Как и на функционирование электрооборудования систем электроснабжения, таки на безотказность устройств систем автоматического управления и защиты может осуществляться намеренное негативное воздействие. Осуществляется это на базе электромагнитного силового воздействия. Используются сети электропитания, линий связи, металлоконструкции зданий и т.д.

Возмущение вызывается быстроизменяющимся электромагнитным полем, а чаще отдельным электромагнитным импульсом. На основании выполненных исследований и анализа полученных результатов можно утверждать, что негативные возмущающие факторы, в первую очередь, перенапряжения и высшие гармонические составляющие оказывают воздействие на устройства управления, а значит на безотказность системы электроснабжения в целом. Основным средством защиты в данном случае должна служить экранизация токоведущих частей.

Таблица 1

Параметры глубины и длительности провалов напряжения в цепях, питающих устройств автоматики и релейной защиты

Глубина провалов, % Количество провалов с учетом их длительности

10...100 мс 100...500 мс 0,5...1 с 1...3 с

15...35 58 78 21 9

35...65 22 15 14 2

65...95 5 7 8 4

95...100 1 6 13 5

Наряду с резервированием и ее управлением соответствующего включения или отключения дополнительного электрооборудования, то есть использования информационной избыточности, одним из основных направлений повышения безотказности систем от случайных негативных возмущений служит эффективная работа заземляющего устройства. Из всех негативных возмущений удары молнии приводят к наиболее опасным ситуациям, возникающим как в системах электроснабжения, так и устройствах управления и защиты.

В момент времени t=0 удара молнии в заземляющем устройстве возникает импульс тока, являющийся однополярным. Условие безотказной работы устройств автоматики и релейной защиты, расположенных в непо-

22

средственной близости от токоведущих частей заземления при возникновении импульса тока (I < 5105 мкс) вызванного ударом молнии, в работе выражаются соответственными неравенствами.

Электрическая схема

В работе обоснованна оценка возмущающих факторов, в первую очередь, таких как перенапряжения, провалы напряжения, высшие гармонические составляющие на функционирование конкретных систем и их оборудования согласно их особенностям. В качестве примера рассмотрены системы электроснабжения производств ОАО «НЛМК», а также схемы подстанций ОАО «Липецкэнерго», «Бугор» и «Привокзальная».

Для оценки в общем виде обеспечения требуемого уровня безотказности систем влияние отказов выполняются не только для основного электрооборудования, но и элементов вспомогательных систем, таких как автоматика и релейная защита. Показатели надежности оборудования принимались на основании опытных данных. Его работа представляется в виде двух отдельных элементов, соединенных последовательно. Надежность первого элемента определяется воздействием внезапных возмущающих факторов, второй элемент характеризуется постепенными отказами.

На работу электрооборудования действуют возмущающие негативные факторы, а это, в первую очередь, перенапряжения, высшие гармонические составляющие, короткие замыкания которые перекрывались во времени, то от этого зависела продолжительность во времени, и от этого зависела продолжительность времени восстановления отказов. В общем

23

случае к ней относятся: время обнаружения отказа; значение организационного времени; время ликвидации отказов; время опробования и включения оборудования в работу. Каждая из составляющих времени восстановления является случайной величиной. Им соответствует закон распределения. Математическое ожидание времени восстановления отказов определяется путем использования их распределений, а в отдельных случаях как среднеарифметическое длительностей отказов за рассматриваемый период времени для подвергшегося анализу функционирования оборудования. Оценку эффективности систем электроснабжения без систем управления и защиты проводить нельзя. Для действующих систем кроме механических устройств используются и микропроцессорные средства. Обычно они включаются параллельно контактным элементам (рисунок). Для проектируемых систем электроснабжения в основном применяются микропроцессорные средства. Системы автоматики и релейной защиты могут отображать следующие состояния: оба параллельных соединения находятся в рабочем состоянии; первое соединение отказало, второе - находится в рабочем состоянии; второе соединение отказало, первое - в рабочем состоянии; оба соединения находятся в режиме отказа. Используя многочисленные хронометражные данные определены и сведены в табл. 2 параметры, характеризующие совместную работу контактных и микропроцессорных устройств защит. В данном случае коэффициент готовности электрической цепочки, оснащенной устройствами автоматики и защиты, Кр = 0,99999999. Коэффициент простоя - Кпр = 7,9 • Ю-13. Среднее время восстановления отказов средств автоматики и защиты трз ~ 0,7 ч. Интенсивности отказов рассматриваемых систем, представляющих параллельное соединение элементов, будет Лрз « 9,88  10~9год~г.

Таблица 2

Параметры состояний параллельной работы защит_

Наименование состояний защит Параметры состояния защит

Вероятность Длительность, час Частота,час 1

Оба соединения в рабочем режиме 0,99999817 427200 2,3-Ю"6

Первое соединение в режиме отказа, второе в рабочем режиме 0,00000112 1,2 1,0 -Ю"6

Второе соединение в режиме отказа, первое в рабочем режиме 0,00000070 0,5 1,3 -Ю"6

Оба соединения в режиме отказа 7,9-10"13 0,4 2,0-10"12

Любое оборудование, включенное в систему электроснабжения, влияет на ее безотказность обеспечения электрической энергией приемников, в том числе это относится к средствам автоматики и релейной защиты. Применение только в системах автоматики и релейной защиты параллельного соединения, обеспечивающего структурную избыточность, повышает безотказность обеспечения приемников электрической энергией, как показывают выполненные расчеты, в сотни раз. Это наглядно подтверждает оценка, выполненная по интенсивности отказов рассматриваемой электрической цепочки, работающей совместно с системами автоматики и защиты.

Я = дсис + дрм = 0,069 + 0,008 = 0,077;

X = Ясис + Ямз = 0,069 + 0,012 = 0,081;

Я" = Ясис + Ярз = 0,069 - 01,61  Ю-8 « 0,069, где Х- интенсивность отказов электрической системы при использовании электромеханических устройств в системах автоматики и релейной защиты; Х- интенсивность отказов электрической системы при использовании микропроцессорных устройств в системах автоматики и релейной защиты; X - интенсивность отказов электрической системы при совместном использовании электромеханических и микропроцессорных устройств в системах автоматики и релейной защиты; Хак- интенсивность отказов электрической системы.

В относительном отношении будем иметь

ЛЯ = 0,116; ЛЯ' = 0,174; ЛЯ" = 2,333  Ю-7.

Использование микропроцессорных устройств за счет обеспечения информационной избыточности еще в большей степени расширяется возможность в повышении безотказности систем автоматики и релейной защиты.

Оценка влияния избыточностей систем выполняется в общем виде. Для этого система делится на отдельные уровни, число которых определяется сложностью системы. Сначала все расчеты выполняются для первого уровня, то есть устанавливаются вынужденные остановки электроприемников без избыточностей, а затем с учетом избыточностей в электрической системе на первом уровне. Следующий этап касается первого и второго уровней. Он состоит в том, что обеспечение электрической энергией машин происходит без избыточностей на втором уровне системы электроснабжения, а потом с учетом избыточностей второго уровня. Последовательно такой анализ выполняется с учетом всех уровней рассматриваемой системы электроснабжения. Сравнение результатов, полученных без оснащения систем электроснабжения резервным оборудованием, то есть без избыточности и наличия избыточности, позволяет рекомендовать наиболее приемлемые мероприятия по повышению эффективности функционирования систем.

Нет строгого подчинения расположения избыточностей в системах. Избыточности независимо от основной системы используются и в системах обеспечения, вспомогательных системах. Как правило, это комбинация избыточностей структурной и временной. Предложенный подход так же справедлив и для оценки эффективности применения такого сочетания избыточностей. Пусть второй уровень системы электроснабжения оснащен структурной избыточностью, третий - временной, а пятый - структурной и временной. Тогда зависимости, описывающие функционирование приемников электрической энергии, с учетом отказов электрического оборудования системы электроснабжения и наличия в ней избыточностей будут

1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 = 1 — 1-6*%] 2,си-%] 3,ви-%] 5,си-%] 5,ви\

1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 = 1-6 % З.ви^ 5,ви>

1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 = ^ 1-6*%] 2,си^ 3,ви^ 5,си^ 5,ви ~ ^ 1-6 Х

X

1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 ~ 1-6% 2,см% 3,ем% 5,си% 5,ви\

1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 = — 1-6 % 2,сгг% 3,ви% 5,си-%] 5,в) Х Х 2,си^£ З.ви^ 5,ви'

^ 1,2,си,3,ви,4,5,си,ви,6 = 1-6^ 5-ви'

где — степень взаимосвязи электрооборудования ьго уровня с вынужденными остановками электроприемников; £ 1,2 - рассматриваемые уровни, в данном случае 1 и 2 уровни; си - структурная избыточность; ви -временная избыточность.

Это можно решить для каждого случая отдельно, но такое решение не позволит получить общие закономерности обеспечения эффективности функционирования систем при их оснащении избыточностями.

Искомые зависимости можно записать для любого сочетания избыточностей независимо от структуры системы и наличия в ней уровней. Избыточностью может обладать также и отдельное электрооборудование. Все это подтверждает индивидуальность систем. Не существует абсолютно одинаковых систем. Системы могут быть однотипны, но не одинаковы.

Однотипные характеристики, полученные на основании исследований, особенно для больших систем всегда будут отличаться друг от друга, что подтверждает теория ценоза.

Анализ функционирования систем с избыточностями следует проводить не по средним параметрам, к которым относятся вероятности работы и отказа, наработки на отказ и длительности отказов, а использовать законы распределения наработок на отказ и времени вынужденных простоев приемников электрической энергии от отказов электрооборудования. В общем случае, плотность вероятности наработки на отказ оборудования системы ас(т) определится, как произведение плотностей вероятностей наработок на отказ оборудования ее уровней, т.е.

Ос СО = ПР=АсЛ>вмоц

где си и ви - степени взаимосвязи структурной и временной избыточностей ьго уровня; оц(т)- плотность вероятности наработки на отказ электрооборудования ьго уровня.

При определении плотности вероятности времени восстановления отказов электрооборудования системы необходимо учитывать частоту появления отказов оборудования уровней и законы распределения их длительностей.

Рс

где Рс(0)- плотность вероятности времени восстановления отказов электрооборудования системы; Дс - частота появления отказов оборудования системы; ¡^ - частота отказов оборудования ьго уровня системы; Р^б) -плотность вероятности времени восстановления отказ электрооборудования ьго уровня.

Функционирование систем с избыточностью характеризуется периодичностью ее использования. Управление обеспечивается средствами автоматики и релейной защиты. Определены основные зависимости, характеризующие эти процессы. Это плотность вероятности распределения отказов и плотность вероятности распределения наработки на отказ системы относительно вынужденных остановок электроприемников. Первая зависимость соответственно равна

Р

где Ъ=\, 2, 3,--, ъ\ Рт(0) - плотность вероятности периодов ремонтно-профилактического обслуживания; частота отказов ьго элемента системы электроснабжения; Р^0) - плотность вероятности длительностей отказов ьго элемента системы электроснабжения.

Поэтому плотность вероятности распределения их длительностей выразится зависимостью

ат

где ап(т)- плотность вероятности наработки на отказ совместной работы электрооборудования всех уровней системы электроснабжения.

Для систем со структурной и временной избыточностью при использовании информационной избыточности возможны две стратегии переключения нагрузки между отдельным электрооборудованием или вводом дополнительного оборудования в систему. Первая стратегия заключается в том, что переключения нагрузки осуществляются только при отказе основного оборудования. В случае стратегии два использование структурной и временной зависимости происходит независимо, то есть перераспределение нагрузки или ввод дополнительного оборудования не зависит от отказов основного оборудования, а выполняется согласно определенной

программе. Когда же происходит отказ основного электрооборудования, то предлагается использовать резервное оборудование, то есть структурную или временную избыточности. Если сравнить в относительных единицах вероятностные параметры, характеризующие функционирование электрической системы при управлении «один» и «два», то вероятность и частота появления отказов для второго подхода меньше. Функция распределения времени восстановления отказов системы, при подходе управления «два» подчиняется такому же закону, как и в случае управления «один». Различаются между собой только функции распределения наработки на отказ. Вероятность работоспособных состояний и наработка на отказ для второго случая равны

р1 = 1-курп,

il = 2%

Здесь ку- коэффициент управления избыточностями системы электроснабжения. Его величина в зависимости от стратегии управления может принимать значения от нуля до единицы. С уменьшением ку появление вынужденных остановок приводных двигателей так же будет уменьшатся. Физически ку отображает на какую часть наработки на отказ приходится обслуживание оборудования системы.

Таким образом, выполненные исследования являются основой для создания аппаратно-программного комплекса управления распределением электроэнергии, качеством и эффективностью электропотребления, путем обоснования рациональных режимных параметров и управляющих воздействий в электропитающих системах, ограничивающих динамические нагрузки, повышающих долговечность и эффективность функционирования систем со снижением затрат на их эксплуатацию.

Список литературы

1. Шпиганович A.A., Довженко C.B. Влияние резервирования на эффективность систем электроснабжения Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №2. 2008. С. 207-210.

2. Шпиганович A.A., Шилов И.Г. Экономические показатели потребительской стоимости безотказности электроснабжения Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №2. 2008. С. 229-232.

3. Зацепина В.И., Шпиганович A.A. Математическое описание функционирования элементов систем электроснабжения Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №2. 2008. С. 239-242.

4. Агунов М.В. Об энергетических соотношениях в электрических цепях с несинусоидальными режимами [Текст] / М.В. Агунов, A.B. Агунов // Электричество. 2005. №4. С. 53-56.

5. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий [Текст] / И.В. Жежеленко. М.: Энергоатом-издат, 1984. 160 с.

6. Поляков Д.Н. Сомоорганизующаяся экспертная система для диагностики электрооборудования [Текст] / Д.Н. Поляков, О.Ю. Сабинин, Н.И. Калачева // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2005. №9. С. 50-52.

7. Агунов М.В. Новый подход к измерению электрической мощности [Текст] / М.В. Агунов, А.В. Агунов, Н.М. Вербова // Промышленная энергетика. 2004. №2. С. 30-33.

8. Хусаинов Ш.И. Мощностные характеристики несинусоидальных режимов [Текст] / Ш.И. Хусаинов // Электричество. 2005. №9. С. 63-70.

9. Баламетов А.Б. Об определении реактивной мощности при несинусоидальных режимах [Текст] / А.Б. Баламетов, Э.Д. Халилов, Т.М. Исаева // Проблемы энергетики. 2005. №1. С. 34-41.

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

ANALYSIS OF DYNAMIC PROPERTIES OF COMPLEX MULTILEVEL POWER SYSTEM

V.M. Stepanov, A.A. Shpiganovich

The dynamic properties of complex power systems are considered. Determined uniformity of electrical systems, appearance causes of adverse disturbances, their impact on the reliability of systems.

Key words: electricity, efficiency, relay protection of power supply systems, compensating devices.

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