Оценка структурной надежности электротехнических комплексов и систем электроснабжения

На правах рукописи

БУРМУТАЕВ Андрей Евгеньевич

ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ НАДЕЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гришкевич Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Угаров Геннадий Григорьевич

кандидат технических наук, доцент

Сошинов Анатолий Григорьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 16 февраля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «_____» января 2012 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». http://www.sstu.ru
«_____» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост экономики страны определяется надежным и эффективным функционированием энергетики. Для сбалансированного развития экономики необходимо опережающее развитие энергетики.

На пути развития энергетики стоит множество проблем, которые требуют тщательного рассмотрения и изучения.

В частности, в электроэнергетике это старение оборудования электротехнических систем (износ составляет более 60 %), нехватка генерирующих мощностей, что приводит к частым системным авариям, особенно в условиях пиковых нагрузок, экстремальных погодных условий и резкое падение объемов инвестиций на фоне мирового экономического кризиса.

На фоне существующих проблем видно, что необходимо осуществлять постоянный контроль за состоянием и работоспособностью действующих электроустановок, систем электроснабжения и их режимов, а также периодически производить оценку структурной надежности схем электротехнических систем и комплексов, учитывая изменения, возникающие в процессе эксплуатации.

Таким образом, в сложившейся ситуации разработка моделей, методов, алгоритмов и программ для оценки структурной надежности сложных систем электроснабжения является актуальным направлением исследования.

Исследованию надежности электротехнических комплексов и систем электроснабжения посвящено большое количество научных работ таких авторов, как Арзамасцев Д.А., Аллан Р., Биллинтон Р., Воропай Н.И., Гук Ю.Б., Зорин В.В., Казак Н.А., Китушин В.Г., Кудрин Б.И., Лосев Э.А., Мясников А.В., Недин И.В., Обоскалов В.П., Розанов М.Н., Руденко Ю.Н., Рябинин И.А., Синьчугов Ф.И., Тисленко В.В., Фокин Ю.А., Эндрени Дж., Ушаков И.А. и др.

Целью диссертационного исследования является построение математических моделей функционирования, модификация существующих и разработка новых методик оценки и анализа структурной надежности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

Задачи исследования.

1. Построение новых моделей функционирования элементов электротехнического комплекса и системы электроснабжения с точки зрения надежности, учитывающих специфику организации параллельного (одновременного) проведения профилактического и аварийного ремонта нескольких элементов при расчетах надежности.

2. Модификация существующих инженерных методик оценки структурной надежности сложных электротехнических систем, разработка метода учета работы секционного выключателя и рекомендации по их применению.

3. Разработка программного комплекса для получения результирующих показателей структурной надежности с возможностью выбора методов оценки структурной надежности и моделей функционирования элемента(ов) электрической системы.

4. Расчет результирующих показателей структурной надежности систем электроснабжения на основе предложенных моделей и методик.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования и разработки отечественных и зарубежных ученых, нормативные документы, материалы научно-технических конференций.

В процессе исследования использовались положения теории надежности, теории вероятности, теории массового обслуживания, математической статистики, учебные издания (по дисциплинам «Электроснабжение промышленных предприятий», «Электрические сети и системы», «Электрические станции и подстанции» и др.), нормативные документы и ГОСТы, пакеты компьютерных программ, позволяющие производить интервальные и аналитические вычисления. Использовался опыт работы в сфере наладки, производства оперативных переключений электрооборудования и обслуживания систем электроснабжения.

На защиту выносятся:

1. Математические модели функционирования электротехнических комплексов и систем электроснабжения, учитывающие способы организации проведения профилактического и аварийного ремонта элементов системы.
2. Методы оценки структурной надежности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, реализованные в виде специализированной компьютерной программы.
3. Метод учета функциональных особенностей работы секционного выключателя электротехнической системы.
4. Оценка структурной надежности сложных действующих электротехнических схем.

Научная новизна:

1. Предложены математические модели функционирования одного, двух и трех элементов электротехнического комплекса, учитывающие эксплуатационную специфику обслуживания электрооборудования при проведении восстановительных ремонтных работ.
2. Получены новые численный, аналитический и интервальный методы расчета вклада сечений определенного класса в результирующие показатели структурной надежности системы электроснабжения, отличающиеся повышенной точностью, эффективностью и адекватностью в сравнении с существующими методиками.
3. Разработан подход к учету функциональных особенностей работы секционного выключателя, который дает возможность адекватно учитывать его работу и получать более достоверную оценку структурной надежности электротехнической системы.
4. Разработан пакет программ для оценки структурной надежности сложных электротехнических комплексов и систем электроснабжения, позволяющий пользователю производить выбор методик расчета и моделей функционирования при получении результирующих показателей надежности исследуемых схем.

Практическая ценность работы:

1. Сформулированы рекомендации по выбору режима работы секционного выключателя, по установке системы автоматического ввода резерва по стороне 110 кВ, применение которых повысит надежность и эффективность функционирования электротехнических систем промышленных предприятий и городов при реконструкции или техническом перевооружении.

2. Рекомендована разработанная и официально зарегистрированная компьютерная программа, предназначенная для получения оценки структурной надежности схем электроснабжения для расширенного применения при анализе надежности действующих электротехнических систем и при проектировании.

3. Результаты работы используются при расчете надежности систем электроснабжения промышленного комплекса, городских распределительных сетей, схем релейной защиты и автоматики и радиоэлектроники, а также в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 140211.65 «Электроснабжение» и магистров специальности 140211.68 «Электроэнергетика и электротехника».

Реализация результатов работы. Методики и алгоритм оценки надежности систем электроснабжения реализованы в виде программы на ЭВМ и внедрены в сетевой организации ЗАО «Квант» (получение результирующих показателей структурной надежности подстанции «МИС» с учетом работы секционного выключателя) и в филиале ОАО «Волжская межрегиональная распределительная сетевая компания Волги» Самарские распределительные сети Жигулевское производственное отделение (обоснование необходимости реконструкции подстанции «Портовая» и воздушных линий 110 кВ подстанции «Пластик» с целью повышения надежности электроснабжения потребителей), что подтверждается актами выполненных работ. Результаты используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета. Компьютерная программа зарегистрирована в Государственном информационном фонде неопубликованных документов.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Fifth International Scientific Symposium ELEKTROENERGETIKA 2009 (Star Lesn, Slovakia, 2009), Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика 2010» (Варна, Болгария, 2010), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, ТГУ, 2009), Международной научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, ТГУ, 2009) и на научных семинарах электротехнического факультета Тольяттинского государственного университета.

Публикации. По теме исследования опубликовано 19 работ, в том числе 3 работы в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 173 страницы, в том числе 47 таблиц и 25 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, представлены теоретическая и методологическая основа диссертационного исследования, научная новизна и основные результаты, практическая ценность работы, показаны реализация и апробация работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор существующего состояния вопроса оценки надежности электротехнических схем, посвященный исследованиям, разработкам и достижениям в области надежности систем электроснабжения потребителей таких ученых, как Воропай Н.И., Гук Ю.Б., Китушин В.Г., Мелентьев Л.А., Обоскалов В.П., Розанов М.Н., Руденко Ю.Н., Рябинин И.А., Синьчугов Ф.И., Фокин Ю.А., Алан Р., Биллинтон Р., Дилон Б., Сингх Ч., Эндрени Дж. и др. В научных трудах указанных авторов представлены различные методики определения надежности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

Кратко рассмотрены показатели надежности элемента (объекта). Пересчет показателей надежности элементов на результирующие показатели надежности системы осуществляется посредством различных методов.

Современные методики оценки и анализа надежности основаны на положениях классических методов. Например, комбинаторный метод оценки надежности электротехнических схем построен на методе пространства состояний с использованием минимальных сечений.

Произведена доработка метода пространства состояний, которая позволила упростить поиск и перечисление состояний отказа системы. Все состояния системы разделены на состояния успешной работы и состояния отказа , то есть . Обработка всех состояний отказа, в связи с большим количеством крайне трудна, поэтому используют при расчетах некоторую группу элементов – «сечение», где – совокупность элементов системы.

Установлена прямая связь между сечениями и состояниями электрической системы. Разработана классификация сечений для одного, двух и трех отказавших элементов и приводятся приближенные формулы расчета показателей надежности по используемому состоянию и каждому классу. Впоследствии классификация сечений была дополнена 4 классами сечений, учитывающих влияния коммутационных аппаратов на надежность схем электроснабжения.

Классификация одно-, двух- и трехэлементных сечений позволяет представить формулы для вычисления вероятности состояния отказа , среднего параметра потока отказов и средней продолжительности отказа системы в виде вклада сечений выделенных классов

, (),

,

где – эталонное сечение класса ; – класс эквивалентности сечений; – биекция множества на себя, при которой состояния элементов множества переходят в соответствующие состояния элементов множества .

Так как для , , известны состояния отказа с минимальными сечениями , то формулы вклада сечений выделенных классов

, ()

для состояний на основе показателей надежности элементов могут быть получены по формулам , .

Приближения для вероятностей состояний являлись актуальными, когда ЭВМ были слабы для проведения сложных вычислений. В настоящее время быстродействие компьютеров позволяет производить сложнейшие вычислительные операции, что требует модификации расчетов.

Использование моделей Маркова для описания установившихся вероятностей позволяет описать различные способы организации проведения аварийного и профилактического ремонта элементов системы, что требует разработки методов оценки структурной надежности по существующим и новым моделям, учитывающим дополнительные условия функционирования.

Необходимость разработки новых методик оценки надежности обусловлена тем, что в условиях частичной неопределенности в исходных данных требуется проверка условий, при которых приближенные формулы справедливы, что существенно усложняет задачу.

Указанные обстоятельства предполагают создание программы оценки надежности, в которой реализуются разработанные модели и методы расчета результирующих показателей структурной надежности системы.

Во второй главе разработаны модели функционирования одного, двух, трех элементов электротехнического комплекса с точки зрения надежности в форме матриц интенсивностей, учитывающих различные способы организации профилактического и аварийного ремонта. Получены аналитические выражения вычисления вклада различных классов в результирующие показатели структурной надежности. Представлен расчет вклада на основе численного и аналитического решения систем линейных алгебраических уравнений.

При формировании математических моделей в виде матриц интенсивностей, поддающихся компьютерному анализу определена символика переменных и матриц, реализованная в текстовом формате с использованием стандартного набора символов и соответствующая языку программирования С++. Сформулированы гипотезы относительно совместного функционирования элементов, учитывающие способы организации профилактического и аварийного ремонта и позволяющие выделить дополнительные марковские модели функционирования элементов.

Марковскую модель для одного элемента представим в виде матрицы интенсивностей переходов (табл. 1) из системы (1).

Таблица 1 Матрица интенсивностей переходов одноэлементной модели
Диаграмма переходов между состояниями			Ненулевые элементы матрицы a(, )
Cостояние ()	Cостояние	Cостояние ()
1	2	3	4
In (2) LnmI	Im (1)	In (2) MmnI	a[1-l][1-l]=(-MmnI); a[1-l][2-l]=LnmI;
Im (1) MmnI Ir (3) MrnI	In (2)	Im (1) LnmI Is (4) LnsI	a[2-l][1-l]=MmnI; a[2-l][2-l]=(-LnsI-LnmI); a[2-l][3-l]=MrnI;
Is (4) MsrI	Ir (3)	In (2) MrnI	a[3-l][3-l]=(-MrnI); a[3-l][4-l]=MsrI;
In (2) LnsI	Is (4)	Ir (3) MsrI	a[4-l][2-l]=LnsI; a[4-l][4-l]=(-MsrI);

Состояние элемента (табл. 1, столбец 2) имеет следующую нумерацию: Im–1, In-2, Ir-3, Is–4. Для некоторого состояния системы (табл. 1, столбец 2) приводятся состояния, из которых можно попасть в данное состояние (табл. 1, столбец 1), и состояния, в которые можно попасть из данного состояния (табл. 1, столбец 3). На основе данных (табл. 1) сформирована матрица интенсивности переходов в виде текста, записанного в соответствии с синтаксисом языка С++ (табл. 1, столбец 4).

Модель функционирования одного элемента обозначим как MODEL_1_0.

Аналогичным образом производится формирование математических моделей для двух и трех элементов с учетом выдвинутых гипотез, вследствие чего образованы две двухэлементные модели (MODEL_2_0, MODEL_2_1), и три трехэлементные (MODEL_3_0, MODEL_3_1, MODEL_3_2, MODEL_3_3).

Для сформированных моделей рассмотрена возможность получения аналитических решений систем на основе компьютерных программ (MathCad, Maple, MatSym, MatLab).

Названными программами получены аналитические решения одноэлементной модели (табл. 2).

Таблица 2 Аналитическое решение системы

det=(-MmnI*LnsI*MrnI-MmnI*LnsI*MsrI-MrnI*MsrI*MmnI-MrnI*LnmI*MsrI); PIm = (-MrnI*LnmI*MsrI)/det; PIn = (-MrnI*MsrI*MmnI)/det; PIr = (-MmnI*LnsI*MsrI)/det; PIs = (-MmnI*LnsI*MrnI)/det;