Компьютерное моделирование показателей надежности систем электроснабжения

УДК 519. 2

И. К. Будникова, Е. В. Приймак

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Ключевые слова: надежность, показатели надежности, моделирование.

Рассматриваются результаты моделирования показателей надежности работы электрических подстанций, полученные на основе применения разработанной программы для ЭВМ. Даются рекомендации практического применения.

Keywords: safety, reliability, simulation.

The results of the simulation parameters of reliability of electric substations, obtained on the basis of the developed computer programs. Recommendations are given practical application.

На современном этапе развития электроэнергетики наряду с вопросами совершенствования технологий всё большую актуальность приобретают вопросы рациональной организации эксплуатации и управления функционированием и развитием электрических сетей. Речь идёт о задачах управления надёжностью электроснабжения потребителей энергии, о мерах, направленных на сокращение потерь электроэнергии и предотвращение возникновения аварийных ситуаций [1,2].

Задача обеспечения надежности систем электроснабжения включает в себя целый комплекс технических, экономических и организационных мероприятий, направленных на сокращение ущерба от нарушения нормального режима работы потребителей электроэнергии, таких как:

- выбор критериев и количественных характеристик надежности;

- обеспечение заданных технических и эксплуатационных характеристик работы потребителей;

- разработка наиболее рациональной, с точки зрения обеспечения надежности, программы эксплуатации системы (обоснование режимов профилактических работ, норм запасных элементов и методов отыскания неисправностей).

Кроме того, в современных рыночных условиях надежность электроснабжения неразрывно связана с экономическими показателями и энергетической безопасностью промышленных предприятий.

Применительно к электроэнергетическим системам и, в частности, к системам электроснабжения, необходимо учитывать их большую размерность (по числу элементов и взаимосвязей между ними), зависимость от смежных технических систем (топливно-энергетического комплекса и технологии предприятия-потребителя) и неразрывность во времене процессов производства, распределения и потребления электроэнергии.

Поэтому под надежностью электроснабжения следует понимать непрерывное обеспечение потребителей электроэнергией заданного качества в соответствии с графиком электропотребления и по схеме, которая предусмотрена для длительной эксплуатации [3].

С проблемой надежности в электроэнергетике связаны следующие практические задачи:

- статистическая оценка и анализ надежности действующего оборудования и установок;

- прогнозирование надежности оборудования и установок;

- нормирование уровня надежности;

- испытания на надежность;

- расчет и анализ надежности;

- оптимизация технических решений по обеспечению надежности при проектировании, создании и эксплуатации электротехнического оборудования, установок, систем;

- экономическая оценка надежности.

Надежность участка сети определяется надежностью и параметрами входящих в ее состав элементов (трансформаторов, коммутационной аппаратуры, линий электропередачи и др.) и схемой их соединения [4]. Методы расчета, которые применяются для оценки надежности технических объектов, весьма разнообразны. Традиционно частота отключений (количество отключений в год) рассматривается как постоянная величина (константа) для каждого компонента сети. На практике оказывается, что эксплуатационные нагрузки, условия окружающей среды и срок службы оказывают индивидуальное влияние на частоту отключений каждого компонента сети.

Объектом исследований в данной работе являются Муслюмовские районные электрические сети (МРЭС), которые входят в Альметьевский филиал ОАО «Сетевая компания» Татарстана. Сегодня в зоне обслуживания МРЭС находятся 6 подстанций (ПС) [5].

Целью работы является разработка программного обеспечения для автоматизации процесса моделирования показателей надёжности работы электрических подстанций.

Для практических расчетов в системах электроснабжения применяют количественные характеристики надежности, полученные методами теории вероятности и математической статистики: частота кратковременных отключений, коэффициент аварийного простоя для каждого элемента, частота длительных отключений, коэффициент аварийного простоя подстанции.

На основании схем электрических соединений ПС (рис.1) составлены расчетные схемы для каждой ПС (рис. 2). На рисунках 1-2 представлены примеры схем для ПС Муслюмово.

Для определения показателей надёжности электроустановок аналитическим методом необходимо составить расчётную схему соединения элементов. Расчётная схема отражает логику связей элементов с точки зрения надёжности работы всей установки или с точки зрения отказа всей установки. Расчет

производится путем замены параллельных и последовательных цепей эквивалентными элементами, для чего используются формулы, определяющие общее число аварийных отключений, длительность аварийных простоев для эквивалентного элемента.

Рис. 1 - Нормальная схема электрических соединений ПС Муслюмово

Рис. 2 - Расчетная схема ПС Муслюмово: 1 -выключатель масляный; 2 - трансформатор; 3 -разъединитель

Длительность планового ремонта для каждого случая подсчитывается исходя из существующих закономерностей ремонтных работ. Здесь необходимо учитывать, что одновременные отключения цепи из двух параллельных элементов в плановый период не допускаются.

При составлении расчётной схемы приняты некоторые допущения:

1. За время отключения элемента с большой длительностью ремонта может быть произведен ремонт других элементов (с относительно меньшей длительностью ремонта).

2. Перерывы электроснабжения, ликвидируемые работой автоматики (АПВ, АВР), не учитываются. Устройства релейной защиты считаются действующими безотказно.

3. Кратковременные отключения (производство переключений вручную) подсчитываются отдельно.

4. Длительность перерывов электроснабжения при кратковременных отключениях принимается 2030 мин. Расчетная схема для кратковременных

отключений содержит только элементы, соединенные последовательно.

5. Для длительных отключений (ремонт элементов) рассматриваются также отказы параллельных цепей, вызванные наложениями повреждений одного элемента на аварийное восстановление другого и аварийных повреждений на плановые отключения.

6. Расчетные схемы для всех видов отключений составляются отдельно для каждого потребителя или (и) групп потребителей.

7. Поток отказов элементов на расчетном промежутке - простейший, пуассоновский, а закон рас-

пределения вероятности восстановления - экспоненциальный.

Любой режим состоит из множества различных процессов. Параметры режима электрической системы связаны между собой определенными соотношениями, в которые входят некоторые коэффициенты пропорциональности, зависящие от свойств элементов системы и от способов соединения их между собой.

Переходные режимы делятся на нормальные (эксплуатационные) и аварийные. Текущая эксплуатация системы сопровождается нормальными переходными процессами. Они обусловлены изменениями нагрузки системы и реакцией на них реагирующих устройств.

Нормальные процессы возникают при обычных эксплуатационных операциях: включении и отключении трансформаторов, а также отдельных линий электропередач; нормальных эксплуатационных изменениях схемы коммутации системы; включении и отключении отдельных генераторов и нагрузок или изменениях их мощности.

При анализе и составлении математического описания различают три основных вида режимов электрических систем:

- нормальный установившийся режим, применительно к которому проектируется электрическая система, и определяются технико-экономические характеристики;

- послеаварийный установившийся режим, наступающий после аварийного отключения какого-либо элемента или ряда элементов системы. Параметры этих режимов не изменяются во времени и связи между ними представляются алгебраическими уравнениями;

- переходный режим, во время которого система переходит от одного состояния к другому. Для него характерно изменение всех его параметров во времени и описание его дифференциальными уравнениями.

Программа [6], разработанная для автоматизации процесса моделирования параметров надежности систем электроснабжения, позволяет в зависимости от технологических условий рассчитывать следующие показатели надежности:

- аварийные коэффициенты простоя для элементов сети;

- частоты кратковременных отключений сети;

- частоты длительных отключений сети;

- коэффициенты аварийных простоев для подстанции;

- ущерб от недоотпуска электроэнергии из-за аварийных ситуаций.

На рис.3 представлен интерфейс стартового окна программы.

По результатам компьютерного моделирование показателей надежности работы для разных подстанций МРЭС составляется сводный отчет (табл.1). Подробный анализ отчета позволяет выбрать дальнейшую траекторию исследований в зависимости от поставленных задач, а также моделировать возможные аварийные ситуации, чтобы оценить ущерб от недоотпуска электроэнергии из-за последних.

Рис. 3 - Скриншот окна программы

Таблица 1 - Результаты компьютерного моделирования

Наименование ПС Частота кратко-временных от-ключе-ний Частота длительных отключений Коэффициент аварийного простоя ПС

Муслюмово 2,524 0,0797 0,000144

Метряй 2,431 0,0649 0,000129

Михайловка 2,400 0,0601 0,000123

Октябрьская 2,400 0,06033 0,000124

Тегермянлек 1,200 0,0182 0,000051

Уразметьево 1,420 0,0257 0,000064

По графику (рис.4) наглядно можно определить, какие элементы сети являются более уязвимыми. Основную составляющую в общем числе показаний дают аварийные отключения воздушных линий.

Рис. 4 - Коэффициенты аварийных простоев для элементов сети

Для обеспечения безопасной и эффективной работы в режимах эксплуатации и ремонта электрооборудования необходимо знать фактический уро-

вень его надежности с учетом воздействия реальных эксплуатационных факторов. Поэтому актуальной задачей является разработка методов и математических моделей количественной оценки показателей эксплуатационной надежности и эффективности работы электрооборудования, позволяющих учесть основные влияющие факторы.

Практическое применение результатов исследования заключается в создании обоснованных предпосылок определения основных показателей надежности электрических систем при воздействии различных факторов. Полученные результаты позволят: прогнозировать показатели надежности электрооборудования в зависимости от условий эксплуатации; оценить степень опасности и установить «узкие места» электрических систем; разработать мероприятия по повышению эффективности функционирования электрооборудования.

Литература

1. И.К. Будникова, Е.В. Приймак, А.О. Сокова. Вестник технологического университета, 19, 22, 106-108 (2016).

2. И.К. Будникова, Е.В. Приймак. Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 299-301 (2014).

3. Ю.Б. Гук Теория надежности в электроэнергетике. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

4. И.К. Будникова, Е.С. Белашова. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 9-10, 75-81 (2014).

5. И.К. Будникова, Р.Ф. Галиева. В сборнике: Труды VI Международной научно- технической конференции. «Энергетика глазами молодежи» Иваново. 2015. С. 449-452.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Моделирование надежности систем электроснабжения» № 2015613614 от 09.03.2015г.

И. К. Будникова, канд. техн. наук, доцент кафедры инженерная кибернетика Казанского государственного энергетического университета, ikbudnikova@yandex.ru; Е. В. Приймак, канд. хим. наук, доцент кафедры АХСМК КНИТУ, Lenaprima@yandex. ru.

© I. K. Budnikova, Cand. tekhn. Sciences, associate professor of department engineering cybernetics of the Kazan state power university, ikbudnikova@yandex.ru; Е. V. Priimak, Cand. Sci. (Chemical), Assoc. Prof., Kazan National Research Technological University, lenaprima@yandex.ru.