ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ОБЪЕКТОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В УСЛОВИЯХ

На правах рукописи

Нефедов Сергей Федорович

ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ

ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ОБЪЕКТОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО

КОМПЛЕКСА В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Барнаул - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор О.Н. Дробязко (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»)
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор А.А. Багаев (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»); кандидат технических наук, доцент Ю. А. Меновщиков (ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»)
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Защита состоится 22 мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, проспект Ленина, 46.

http://www.altstu.ru; ntsc@desert.secna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «20 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Л.В. Куликова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. До настоящего времени остается актуальной проблема обеспечения электрической и пожарной безопасности электроустановок до 1000 В объектов АПК. Состояние электробезопасности в сельском хозяйстве характеризуется тем, что при общем ежегодном количестве людей, погибающих от воздействия электрического тока порядка 4,5 тыс. человек, в сельской местности происходит около 70% электротравм. Состояние пожарной безопасности характеризуется тем, что значительную часть (20 …25 % ) составляют пожары от электротехнических причин (электропожары). В 2010 г на сельскую местность пришлось 38,8% от общего числа пожаров.

Для обеспечения электрической и пожарной безопасности на объектах АПК используются специальные организационно-технические системы, называемые системами безопасности электроустановок (СБЭ). Основную роль в этих системах играют их технические подсистемы, включающие подсистему аппаратов защиты (АЗ) и проводниковую защитную подсистему.

Важной особенностью СБЭ является возможность их многовариантного исполнения для одного и того же объекта. Это обстоятельство создает условия для выбора наилучшей технической системы безопасности для данного объекта.

Обоснование такого выбора составило содержание основной научной задачи теоретических основ электробезопасности, поставленной А.И. Якобсом в конце 70-х годов прошлого века.

В 2000 г. О.К. Никольским был сформулирован принцип оптимальной безопасности, основой которого является повышение уровня безопасности электроустановок не за счет крупных капитальных вложений, а путем оптимизации системы обеспечения безопасности.

К настоящему времени отечественными учеными разработаны методы и средства, позволяющие решать задачи моделирования процесса функционирования и оптимального выбора СБЭ на объектах АПК. Однако практическое использование разработанных методов и средств в научных исследованиях и проектной практике выявили серьезные проблемы в подготовке части исходных данных, необходимых для проведения расчетов.

К ним относились данные, представляющие собой вероятности некоторых событий, происходящих в системе электроснабжения (СЭС) объекта и в СБЭ. Для получения таких данных необходим специальным образом организованный сбор статистической информации на выбранных множествах объектов АПК. Однако до настоящего времени сбор статистической информации в необходимых объемах оказывается невозможным. В связи с этим использующиеся в настоящее время для расчетов статистические оценки вероятностей имеют низкую достоверность, рассматриваемую как неопределенность. Поскольку такая неопределенность в принципе устранима, то ее можно назвать потенциально-устранимой неопределенностью. Оценки вероятностей имеют также и неустранимую статистическую неопределенность, обусловленную случайным характером таких оценок.

Другим видом исходных данных являются семейства защитных характеристик АЗ и семейства характеристик пережога проводов. Каждая из таких характеристик имеет «разброс» значений. Они содержат неустранимую неопределенность значений времен срабатывания и времен пережога, отвечающих каждому конкретному значению тока короткого замыкания (КЗ).

Наличие неопределенности в группах исходных данных приводит к тому, что вычисленные значения показателей эффективности СБЭ являются неопределенными величинами. Их дальнейшее использование в качестве критериев оптимизации приводит к неопределенности выбора оптимального варианта СБЭ. Таким образом, неопределенность исходных данных становится серьезной проблемой, ставящей под сомнение как точность результатов моделирования СБЭ, так и правомерность результатов ее оптимизации.

Целью работы является совершенствование методик автоматизированного расчета эффективности и оптимизации систем безопасности электроустановок в условиях неопределенности исходных данных.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- анализ характера неопределенности исходных данных и их влияния на результаты расчета эффективности СБЭ;

- выбор математических методов, позволяющих производить описание неопределенных исходных данных СБЭ, выполнять расчеты показателей ее эффективности с учетом неопределенности и осуществлять выбор оптимального варианта системы при неопределенности критериев оптимизации;

- разработка методов моделирования процесса функционирования СБЭ в условиях неопределенности,

- разработка методов одно- и двухкритериальной оптимизации СБЭ в условиях неопределенности критериев;

- разработка программного средства, позволяющего реализовывать методы моделирования и оптимизации СБЭ.

Объект исследования. Процесс функционирования систем обеспечения безопасности электроустановок до 1000 В на объектах АПК, обеспечивающий предотвращение электропоражений людей, взаимодействующих с электроустановками, и возникновение пожаров от аварийных режимов электроустановок при коротких замыканиях.

Предмет исследования. Обоснование выбора оптимальных систем безопасности электроустановок на объектах АПК в условиях учета неопределенности исходных данных

Методы исследования. Теория вероятностей, прикладная статистика, математическое моделирование, исследование операций, интервальный анализ, теория нечетких множеств, компьютерное моделирование.

Научную новизну представляют:

- методы моделирования СБЭ в условиях неопределенности, позволяющие учитывать различные виды неопределенности исходных данных и определять значения показателей эффективности варианта системы, установленного на объекте;

- методы одно- и двухкритериальной оптимизации СБЭ в условиях неопределенности при использовании интервального и нечеткого описания критериев оптимизации.

Практическую ценность работы представляют:

- методика моделирования СБЭ в условиях неопределенности исходных данных, позволяющая учитывать различные виды их неопределенности при расчетах эффективности системы безопасности для конкретного или проектируемого объекта АПК;

- методика оптимизации СБЭ в условиях неопределенности, позволяющая выбрать наилучший вариант системы безопасности для конкретного или проектируемого объекта АПК;

- интегрированный программный комплекс, позволяющий производить расчет показателей эффективности вариантов СБЭ и выбор оптимального варианта системы с учетом неопределенности исходных данных;

- возможность широкого внедрения методов оптимизации СБЭ в проектную практику за счет снижения требований к степени определенности вводимой информации;

- возможность получения информации о целесообразности дополнительных затрат на мероприятия, уменьшающие степень неопределенности исходной информации.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития электрификации сельского хозяйства России (МСХ РФ, Минэнерго РФ, РАСХН / М., 2002 г.) и аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 – 2011 годы).

Реализация и внедрение результатов работы.

Научные положения, выводы и рекомендации использованы при реализации Госконтракта ГК -118/2009 с Управлением гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и пожарной безопасности в Алтайском крае на выполнение работ по обеспечению электропожаробезопасности путем совершенствования систем электрической защиты с применением устройств защитного отключения на 14 объектах Алтайского края, в том числе 12 сельских образовательных учреждений в рамках краевой целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного в Алтайском крае на 2005–2010 гг.»

Методические рекомендации по созданию комплексной системы обеспечения безопасности электроустановок сельских населенных пунктов принята к использованию Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2009, 2010, 2011 гг.), XI международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, автоматизация» (ИКИ-2010) (Барнаул, 2010 г.), X Международная научно-техническая конференция «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» (Донецк, 2010 г.)

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Для повышения достоверности оптимизационных расчетов СБЭ необходимо учитывать неопределенность части исходных данных.
2. Математический аппарат для решения задачи оптимизации СБЭ в условиях неопределенности, должен позволять решать совокупность трех задач: 1) описание неопределенности исходных данных, 2) выполнение алгебраических операций с промежуточными данными моделирующих алгоритмов, 3) сравнение рассчитанных неопределенных значений критериев оптимальности.
3. Решение задач оптимизации СБЭ в условиях неопределенности возможно с использованием методов интервального анализа и методов теории нечетких множеств.
4. Алгоритм моделирования СБЭ должен предусматривать ввод интервально-неопределенных характеристик срабатывания аппаратов защиты и пережога, а также ввод вероятностных исходных данных, представляемых в виде интервалов или нечетких чисел.
5. Одно– или двухкритериальная оптимизация СБЭ может производиться с использованием интервального или нечеткого критериев.
6. Для оценки достоверности результатов оптимизации СБЭ в условиях неопределенности исходных данных необходимо выполнять анализ степени неопределенности вычисленных показателей эффективности системы, критериев оптимальности и степени неопределенности выбора оптимального варианта СБЭ.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе, 6 - в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 6 таблиц, 4 приложения. Список литературы включает 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены сведения об апробации основных результатов работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния электрической и пожарной безопасности электроустановок объектов АПК, рассмотрены роль и основные положения теории обеспечения безопасности электроустановок, выявлены проблемы информационного обеспечения расчетов и учета неопределенности исходных данных, сформулированы задачи исследования.

Ежегодно в электроустановках зданий от воздействия электрического тока гибнет более 4,5 тыс. человек, при этом на долю сельской местности приходится около 70% от общего числа электротравм.

В общей статистике пожаров около 20% составляют пожары от электротехнических причин. В 2010 году в сельской местности Российской Федерации зарегистрировано около 79 тысяч пожаров, что составило 38,8% от общего количества пожаров.

Электрическая и пожарная безопасность электроустановок на объектах АПК обеспечивается с помощью специальных организационно-технических систем (СБЭ), представляющих собой совокупности взаимосвязанных организационно-технических мероприятий и электрозащитных средств, включающих основную защиту, защиту от неисправности и дополнительную защиту. Основу таких систем составляют технические подсистемы, имеющие обычно несколько защитных функций. Так, для реализации защитной меры «автоматическое отключение питания» широко используются предохранители и автоматические выключатели. Одновременно эти устройства обеспечивают и защиту от электропожаров. Несколько защитных функций имеют и устройства защитного отключения по току утечки (УЗО). В состав технических подсистем СБЭ помимо аппаратов защиты обычно входят и системы защитных проводников. Можно считать, что в состав СБЭ входят подсистема аппаратов защиты (АЗ) и проводниковая защитная подсистема.

Особенностью технических подсистем СБЭ является их многовариантность. Для одного и того же объекта (для одной и той же СЭС объекта), могут быть созданы различные варианты технической системы безопасности, отличающиеся видом используемых аппаратов защиты, их расположением, сериями и защитными параметрами. При этом все такие варианты будут удовлетворять имеющимся нормативным требованиям и действующим методикам выбора электрозащитных систем. Это обстоятельство создает условия для выбора наилучшей технической системы безопасности электроустановок для конкретного объекта АПК.

Такой выбор может быть осуществлен в результате изучения закономерностей процессов, обуславливающих действие электроустановок на окружающие их объекты при учете действия систем безопасности. Результаты такого изучения систематизируются в форме теории обеспечения безопасности электроустановок. Совокупность таких знаний составляет научные основы построения систем обеспечения безопасности.

На необходимость создания общей теории электробезопасности в конце 70-х годов прошлого века впервые указал А. И. Якобс. В это же время им была сформулирована основная научная задача, решение которой позволит завершить создание теоретических основ электробезопасности. Она формировалась как типичная прогнозно-оптимизационная.

На протяжении последующих лет развитие теории электробезопасности осуществлялось в направлении учета различных функций систем безопасности электроустановок. В работах С. И. Кострубы была учтена функция защиты сельскохозяйственных животных, в работах А. А. Сошникова – функция учета электропожаров.

В начале 90-х годов появилось много терминов, обозначающих многофункциональные системы безопасности электроустановок («система комплексной безопасности», «система электропожаробезопасности», «комплексная система электропожаробезопасности»). В настоящее время в качестве устоявшегося термина для обозначения двухфункциональных систем безопасности используется термин «система безопасности электроустановок».

Задача построения оптимальной системы безопасности электроустановок остается актуальной и до настоящего времени. Так, в 2000 г. О. К. Никольским был сформулирован принцип оптимальной безопасности, состоящий в том, что построение и использование оптимальных систем обеспечения электробезопасности является в настоящее время для России единственным реальным путем резкого снижения опасности электроустановок.

В настоящее время задача оптимизации СБЭ на объектах АПК в целом решена. Так, на основе использования системного подхода выполнено описание СБЭ и ее внешней среды. Выделена макросистема «электроустановка - СБЭ -объект защиты» («Э-СБЭ-ОЗ»). (В качестве объекта защиты рассматриваются люди на объекте и объекты пожара). Такое описание позволяет определить функции СБЭ как «уменьшение интенсивности» воздействий электроустановок на объекты защиты и рассматривать «остаточную» опасность электроустановок как меру эффективности СБЭ. При этом функции СБЭ «расщепляются» на две подфункции – обеспечение электрической безопасности и обеспечение пожарной безопасности.

В настоящее время имеется набор (семейство) математических моделей, позволяющих моделировать процесс функционирования СБЭ в аспекте обеспечения электробезопасности (при косвенном прикосновении и прямом прикосновении), а также в аспекте обеспечения пожаробезопасности (разработаны три разновидности). В моделях учитываются три вида аппаратов защиты: предохранители, автоматические выключатели и УЗО.

В наиболее общем виде такие модели могут быть охарактеризованы как детерминированно-вероятностные. В них учитывается структура системы электроснабжения объекта и структура его СБЭ. Они представляют собой моделирующие алгоритмы, имеющие иерархическую структуру.

Определяемые в результате моделирования показатели эффективности СБЭ дают количественную оценку «остаточной» опасности электроустановок на объекте. Используются две группы показателей: показатели электробезопасности и показатели пожаробезопасности. В пределах каждой из групп показатели делятся на индивидуальные и интегральные. При этом интегральные показатели вычисляются на основе индивидуальных. Структура системы показателей эффективности СБЭ приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Система показателей эффективности СБЭ