Надежность энергоснабжения и безопасность cиcтем энергетики

УДК 621.311.16

НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ^СТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ © М.А. Дубицкий1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены основные заданные функции систем энергетики. Дано соотношение таких свойств как надежность систем энергетики, надежность энергоснабжения и безопасность систем энергетики. Приводится определение для таких терминов как «надежность энергоснабжения», «режимная управляемость» и «живучесть». Рекомендуется учесть изменения для таких терминов как «безотказность», «режимная управляемость» и «живучесть» в новой редакции сборника рекомендуемых терминов «Надежность систем энергетики». Ил. 5. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: надежность; безопасность; живучесть; режимная управляемость; системы энергетики; электроэнергетическая система; электрические станции.

POWER SUPPLY RELIABILITY AND ENERGY SYSTEMS SAFETY M.A. Dubitsky

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article deals with the specified main functions of the energy systems, and presents the correlation of the properties of energy systems reliability, power supply reliability and energy systems safety. It defines the terms including «power supply reliability», «mode controllability» and «survivability». It is recommended to take into account the alterations in the definitions of the terms of «reliability», «mode controllability» and «survivability» in the new edition of the collection of the recommended terms «Energy System Reliability». 5 figures. 9 sources.

Key words: reliability; safety; survivability; mode controllability; energy systems; electrical power system; power plants.

Введение. В качестве объекта исследований, в зависимости от поставленных задач, может рассматриваться энергетический комплекс в целом, отдельные системы энергетики, которые он объединяет, или отдельные элементы систем. Объект исследований может выполнять различные функции. Основными заданными функциями являются:

а) функция, связанная с назначением, объекта;

б) с фактом его создания [1].

Свойство объекта выполнять заданную функцию, связанную с его назначением, называется надежность энергоснабжения (рис. 1). Для систем энергетики надежность энергоснабжения - это свойство объекта обеспечивать потребителей целевым продуктом требуемого качества в соответствии с заданным графиком потребления. Энергетический комплекс объединяет электроэнергетические системы, системы газоснабжения, нефтеснабжения, углеснабжения, теплоснабжения и ядерно-энергетические системы. Назначением, в частности, электроэнергетической системы (ЭЭС) является обеспечение потребителей электрической энергией. Надежность энергоснабжения (для ЭЭС) - свойство ЭЭС обеспечивать потребителей электрической энергией требуемого качества в соответствии с заданным графиком электропотребления. Надежность энергоснабжения - надежность в «узком смысле», так как учитывается только одна заданная функция (функция, связанная с назначением объекта) [2].

Надежность энергоснабжения является комплексным свойством, которое может включать несколько единичных свойств: безотказность, ремонтопригодность, живучесть, устойчивоспособность, режимную управляемость, долговечность и сохраняемость. Долговечность и сохраняемость - свойства, которые присущи не системе, а ее отдельным элементам.

Другой заданной функцией объекта, определяемой фактом его создания, является недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, в результате отказов, происходящих в процессе функционирования объекта [1]. Свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, называется безопасностью (см. рис. 1).

Надежность - свойство объекта выполнять все заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования (см. рис. 1). Надежность - комплексное свойство. Отличается от надежности энергоснабжения тем, что включает в себя еще одно единичное свойство - безопасность.

Понятие надежности продолжает формироваться. Если сравнить первое издание терминологии по надежности систем энергетики (1980 г.) и второе (2007 г.), то видно, что изменилось содержание понятия надежности и его единичных свойств [3, 4]. И сейчас есть основания для изменения (уточнения) содержания понятий таких единичных свойств, как безотказность, режимная управляемость и живучесть.

Безотказность - свойство объекта непрерывно

1Дубицкий Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru

Dubitsky Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Power Stations, Networks and Systems.

Рис. 1. Соотношение понятий: объект, его заданные функции и свойства

сохранять работоспособное или рабочее состояние в течение некоторого времени [1, 3]. На объект действуют различные возмущения. Все возмущения, которые действуют на объект, можно разделить на две основные группы - внешнего они по отношению к объекту или внутреннего происхождения. При оценке безотказности рекомендовалось учитывать все возмущения не зависимо от того большие они или малые, внешнего они по отношению к объекту или внутреннего происхождения [1].

Возможен иной подход (более конструктивный и поэтому более предпочтительный), который позволяет уделить особое внимание экстремальным возмущениям, принципам (критериям) принятия решений и средствам обеспечения надежности в экстремальных условиях. Суть его заключается в том, что необходимо выделять и учитывать эти возмущения не в «рамках» свойства безотказности, а отдельно - в «рамках» свойства живучести. Такого подхода к учету различных возмущений при оценке безотказности и живучести придерживаются известные специалисты в области надежности технических систем [5-7].

Тогда при исследовании безотказности достаточно учитывать все возмущения внутреннего происхождения: отказы оборудования (недостатки эксплуатации, дефекты ремонта, дефекты изготовления, исчерпание ресурса); ошибки эксплуатационного персонала [1]. Из всех возмущений внешнего происхождения следует учитывать только те, на которые работа объекта рассчитывается (грозовые воздействия; землетрясения, но в пределах расчетного уровня сейсмичности региона и т.д.).

Действие факторов, снижающих безотказность и, следовательно, надежность, может быть полностью или частично компенсировано [8]: выбором соответ-

ствующей «конструкции» системы; повышением надежности и улучшением технических показателей оборудования (включая оборудование и аппаратуру систем и средств управления); резервированием во всех звеньях системы; улучшением организации эксплуатации системы.

Режимная управляемость - свойство объекта поддерживать нормальный режим [1, 3, 4]. Такое определение не дает полного представления о содержании этого термина. Оно не учитывает, что управление объектом происходит в различных режимах и, в том числе, в аварийных. Не учитываются требования, которые должны предъявляться к управлению в различных режимах. В частности, при высокой режимной управляемости управление объектом в аварийных режимах не должно приводить к каскадному развитию аварии с массовым ограничением потребителей.

Можно назвать основные требования к содержанию определения для свойства режимная управляемость:

- при высокой режимной управляемости управление объектом в аварийных режимах не должно допускать каскадного развития аварий с массовым ограничением потребителей;

- высокая режимная управляемость должна обеспечивать возможность контроля параметров и ввода их в допустимую область [6];

- высокая режимная управляемость объектом должна обеспечивать возможность поддерживать нормальный режим посредством управления [1].

С учетом этих требований может быть предложено следующее определение для свойства режимная управляемость. Режимная управляемость - свойство объекта не допускать каскадного развития аварий с массовым нарушением питания потребителей; воз-

вращать режим в допустимую область и поддерживать его заданные параметры посредством управления.

Режимная управляемость обеспечивается: достаточным регулировочным диапазоном и мобильностью основного оборудования; мобильностью резервов мощности; запасами пропускной способности сети; выбором структуры и параметров средств автоматического управления системой; противоаварийным автоматическим и оперативным управлением.

Живучесть - свойство объекта противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей. Такое определение для термина живучесть дано в первом и втором изданиях терминологии «Надежность систем энергетики» [3, 4]. Однако, «каскадное развитие» - не признак отказов по живучести. Как было уже отмечено, это признак недостаточно высокой режимной управляемости. Массовое ограничение потребителей тоже не признак отказов по живучести. Оно может быть, например, из-за нарушений технологического процесса в системе, которые (как показывает анализ крупных аварий) быстро устраняются, и объект продолжает работать в нормальном режиме.

Основным признаком отказов по живучести являются отказы при экстремальных внешних воздействиях на систему. К экстремальным внешним возмущениям относятся [5]:

- внешние воздействия на объект, которые не учитывались при его проектировании (ураганы, землетрясения, цунами и т.д.);

- преднамеренные воздействия (диверсии, терроризм, военные действия и т.д.).

Последствия от таких возмущений - частичное и даже полное разрушение объекта. Термином живучесть будем обозначать свойство надежности в особо экстремальных условиях [1]. Живучесть - свойство объекта противостоять внешним возмущениям, на которые он не рассчитывался для обычных условий функционирования. Противостоять - означает, что уровень функционирования системы при экстремальных внешних воздействиях должен быть не ниже минимально допустимого.

Минимально допустимый уровень функционирования при экстремальных внешних воздействиях может быть обеспечен: аварийными резервными источниками энергии; выбором структуры и режимов работы системы (превентивным снижением уровня функционирования системы); автоматическим и оперативным управлением; запасами основного оборудования и материалов и их рациональным размещением в системе; противодиверсионными мероприятиями.

Безопасность - единичное свойство надежности. Можно отметить совершенно разное отношение к оценке актуальности проблемы безопасности систем энергетики по сути дела одними и теми же авторами. С одной стороны, «исследования в этой области существенно активизировались» [9], а с другой - «главный мотив для исключения безопасности из состава свойств надежности объектов энергетики - его не востребованность на протяжении 27 лет» [4]. Во-первых, такая формулировка не содержит должного обоснова-

ния для исключения этого свойства, а во-вторых, крупные аварии за последние 30 лет в системах энергетики разных стран свидетельствуют о необходимости более пристального внимания к проблеме обеспечения безопасности [2].

Безопасность по сравнению с надежностью энергоснабжения является многоаспектным свойством. Для оценки надежности энергоснабжения достаточно контролировать обеспечение потребителей целевым продуктом, а для анализа безопасности этого недостаточно. Ситуации опасные для людей и окружающей среды могут быть не связаны с обеспечением потребителей целевым продуктом. Поэтому целесообразно рассмотреть соотношение безопасности, безотказности, режимной управляемости и живучести (учитывая, что изменилось содержание понятий для единичных свойств надежности энергоснабжения).

Соотношение безотказности, живучести и режимной управляемости. На рис. 2 показано множество возмущений (А), которые могут привести к отказам по безотказности. Некоторые из этих возмущений сопровождаются каскадным развитием аварий и массовым ограничением потребителей из-за недостаточно высокой режимной управляемости объекта. Пусть В - множество возмущений, которые привели к отказам по безотказности с последействием - каскадным развитием аварий и массовым ограничением потребителей из-за невысокой режимной управляемости объекта (см. рис. 2):

В с А.

Рис. 2. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и по живучести: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности, сопровождающихся каскадным развитием аварий из-за недостаточно высокой

режимной управляемости; С - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести

Причинами возникновения каскадных аварий, например, в ЭЭС могут быть [1]:

- короткое замыкание в отдельных элементах си-

стемы (около 10% всех отключений одного из элементов основных сетей 400-750 кВ сопровождаются отключениями других элементов);

- перегрузка или наброс мощности на электропередачу из-за нарушения баланса мощности в связываемых частях системы;

- ложное отключение релейной защитой или про-тивоаварийной автоматикой электропередачи, шин, трансформаторов;

- неполнофазный режим вследствие отказа выключателей при оперативных переключениях;

- ошибочное отключение персоналом электропередачи.

Возмущения, приводящие к отказам по живучести, не учитываются при исследовании безотказности. Причинами экстремальных возмущений, как было уже отмечено ранее, могут быть такие процессы в природе, как наводнения, цунами, тайфуны, землетрясения, снегопады или преднамеренные внешние воздействия. Поэтому множество возмущений, приводящих к отказам по живучести, не имеет общих элементов с множеством возмущений, приводящих к отказам по безотказности. Пусть C - множество экстремальных возмущений, которые могут привести к отказам по живучести. Тогда

А о С = 0.

Отказы по живучести, как правило, сопровождаются каскадным развитием аварий. По этой причине на рис. 2 множество C заштриховано.

Анализ крупных системных аварий в ЭЭС показывает, что 29% аварий произошло из-за экстремальных внешних возмущений, то есть из всех отказов в ЭЭС 29% - это отказы по живучести. Из них из-за экстремальных неблагоприятных природных воздействий было 25% отказов и 4% - из-за преднамеренных внешних воздействий. На отказы по безотказности приходится 71% всех крупных аварий. Из них 33% аваэий произошло из-за внутренних возмущений и недостаточно высокой режимной управляемости, сопровождающейся каскадным развитием аварий и массовым отключением потребителей. Остальные 38% были вызваны внешними возмущениями, на которые работа ЭЭС рассчитывалась.

Соотношение живучести, режимной управляемости и безопасности. Все возмущения, которые могут привести к отказам по живучести, будут причиной отказов по безопасности (рис. 3), так как отказы по живучести сопровождаются не только значительным нёдоотпуском целевого продукта, но и разрушениями объекта и ситуациями, опасными для людей и окружающей среды. Исследованию безопасности объектов должен предшествовать анализ их живучести. Повышение живучести объекта позволяет повысить его безопасность. Но, с другой стороны, не все возмущения, которые приводят к отказу по безопасности, будут причиной отказов по живучести. Например, авария на Саяно-Шушенской ГЭС, приведшая к ее значительному разрушению и гибели людей, была отказом по безотказности и безопасности, но не была отказом по

живучести. Не будут отказами по живучести отказы электрофильтров на тепловых электростанциях, которые могут привести к увеличению выбросов вредных веществ с дымовыми газами и, следовательно, к отказу по безопасности и т.д.

Рис. 3. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по живучести и безопасности: С - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести; й - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности

Не все средства, используемые для повышения безопасности, приводят к повышению живучести. От размещения тех или иных объектов ЭЭС (в частности, электрических станций) на местности зависит безопасность ЭЭС, но это не оказывает влияния на живучесть (и безотказность) ЭЭС. Следовательно, повышение безопасности не всегда приводит к повышению живучести. Пусть D - множество возмущений, которые могут привести к отказам по безопасности. Тогда

С с О.

Соотношение безотказности, режимной управляемости и безопасности. Возмущения по безотказности могут быть одновременно причиной отказов по безопасности. Во-первых, к отказам по безопасности могут привести возмущения по безотказности, сопровождающиеся каскадным развитием аварий и значительным недоотпуском целевого продукта потребителям (рис. 4). Тогда

В с О.

Если рассматривать все ЭЭС различных стран, то такие аварии уже не редкость. Они имеют место в среднем примерно один раз в один-два года (за период времени в 40 лет с 1965 по 2005 г. было более 20 крупных аварий). Среди них были и очень крупные аварии. В результате без электрической энергии остались сотни тысяч и даже миллионы жителей. Тысячи были заблокированы в остановившихся поездах метро и лифтах, были пожары, грабежи и т.д. Приме-

ром таких аварий может быть авария в США 9-10 ноября 1965 г., авария в ЭЭС США и Канады в 2003 г., Московская системная авария 2005 г., системная авария в Санкт-Петербурге 20 августа 2010 г., авария в Канаде 23 января 2005 г., авария в ЭЭС Бразилии в 2009 г. Такие аварии находятся в центре внимания руководства тех стран, где произошла авария.

Рис. 4. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; й - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности, сопровождающихся каскадным развитием аварий из-за

недостаточно высокой режимной управляемости; Р - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности, но не являющихся причиной каскадного развития аварий

Во-вторых, возможны отказы по безопасности и без каскадного развития аварий, например, из-за аварийного отключения отдельных потребителей первой категории или из-за аварийного отключения электронасосов в системе канализации. Оно приведет к аварийному сбросу отходов, загрязняя территорию и водоемы. Пусть F - множество возмущений, приводящих к отказу по безопасности и безотказности без каскадного развития аварий (рис. 4). Тогда

А о Б - В = Б,

Соотношение безотказности, режимной управляемости, живучести и безопасности ЭЭС. Не все

возмущения, которые могут привести к отказам по безопасности, будут причинной отказов по безотказности или живучести. На рис. 5 этому множеству соответствует не заштрихованная область множества возмущений D. К их числу можно, например, отнести возмущения, связанные с разрушением дамбы золоотва-лов ТЭС и последующим разрушением других объектов, а также загрязнение территории, водоемов и т.д. Пусть 1_ - множество таких возмущений. Тогда

D - А о Б - С = Ь.

Рис. 5. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; й - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности, сопровождающихся каскадным развитием аварий из-за

недостаточно высокой режимной управляемости; Р - множество возмущений, приводящих к отказам по

безопасности и безотказности, но не являющихся причиной каскадного развития аварий; С - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести

Возможно замещение отказов по безопасности отказами по безотказности. В частности, при проектировании ЭЭС не всегда удается исключить превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ. Иногда в весьма короткие периоды времени могут создаваться аномально опасные условия загрязнения воздуха, когда концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха резко возрастают, например, при наличии приподнятых инверсий, расположенных непосредственно над дымовыми трубами тепловых электростанций, и ослаблении ветра до штиля. Для предотвращения резкого возрастания концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха планируются различные режимы работы электростанций вплоть до полного отключения в особо опасные периоды котлов, работающих на высокосернистом и высокозольном топливе.

Повышение безопасности не всегда приводит к повышению безотказности. Могут быть такие случаи, когда повышение безопасности может привести к некоторому снижению безотказности. Так, например, отказы систем обеспечения безопасности атомных электрических станций (АЭС) могут быть причиной аварийных отключений генерирующего оборудования.

Таким образом, причины, влияющие факторы и средства обеспечения соответственно безотказности и живучести, безотказности и безопасности, безопасности и живучести могут отличаться друг от друга.

Выводы

1. Дано соотношение понятий: объект, его заданные функции и свойства.

2. Рассмотрено содержание таких понятий, как надежность объекта, надежность энергоснабжения, безотказность, режимная управляемость, живучесть и безопасность.

3. Приводится определение следующих терминов: надежность энергоснабжения, режимная управляемость и живучесть.

4. Рассмотрено соотношение таких единичных свойств надежности, как безотказность, режимная

управляемость, живучесть и безопасность.

5. Причины, влияющие факторы и средства обеспечения безотказности, живучести и безопасности могут отличаться друг от друга.

6. В новой редакции сборника рекомендуемых терминов «Надежность систем энергетики. Терминология» следует, во-первых, учесть изменения для таких терминов, как безотказность, режимная управляемость и живучесть, а во-вторых, вернуть термин (свойство) безопасность в состав единичных свойств надежности систем энергетики.

Библиографический список

1. Надежность систем энергетики и их оборудования / под общей редакцией Ю.Н. Руденко. В 4-х т. Т. 1: Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики. М.: Энергоатомиздат, 1994. 480с.

2. Дубицкий М.А. Асламова В.С. Безопасности электроэнергетических систем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012 . Вып. 3 (35). С. 221-226.

3. Надежность систем энергетики. Терминология. Сборник рекомендуемых терминов. Вып. 95. М.: Наука, 1980. 43 с.

4. Надежность систем энергетики. Сборник рекомендуемых терминов. М.: Энергия, 2007. 192 с.

5. Ushakov I.A. Probabilistic Reliability Models. 2012.

6. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. Ч. 1. Теоретические основы: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2003. 256 с.

7. Рябинин И.А. Основы теории и расчета надежности судовых энергетических систем. 2-е изд. Л.: Судостроение, 1971. 456 с.

8. Дубицкий М.А., Руденко Ю.Н., Чельцов М.Б. Выбор и использование резервов генерирующей мощности в электроэнергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1988. 272 с.

9. Энергетическая безопасность. Термины и определения. М.: Энергия, 2005. 60 с.