Содержание к диссертации
Глава 1. ОБЗОР ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИИ 16
НАДЁЖНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЛИ
L Показатели эффективности и надёжности релейной защиты 16
1.1. Относительные показатели эффективности и надёжности 19
Экономииеские показатели эффективности 24
Статистические показатели надёжности 29 1 Л. Обоснование актуальности повышения надёжности систем 38
релейной защиты
Влияние действия местной автоматики, дальнего и ближнего 44 резервирования на показатели надёжности
Критерии выбора оптимального варианта 45
Выбор оптимальної о варианта по показателям надёжности 45
Выбор оптимального варианта применительно к 43 экономическим показателям
Расчёт годового экономического эффекта от применения новой 50
техники в релейной защите
1.7. Задачи, связанные с оценкой надёжности в релейной защите 52
1.S- Выводы по главе 55
Глава 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛИ 57
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
2.1. Особенности модели функционирования релейной защиты 57
применительно к современным микропроцессорным защитам
2.2. Исследование параметра потока коротких замыканий в 70
энергосистеме
2.2, L. Влияния, оаплметоа гкгажа коротких замыканий, аа 71
результирующие показатели надежности релейной защиты
2.2.2. Исследование закона р ас пределе м и я коротких замыканий 73
2.2.3. Алгоритм исследования коротких замыканий как элемента 77
потока восстановлений релейной заптаты
2.2.4, Влияние пестационарности потока коротких замыканий на 85
показатели надежности релейной защиты
Зависимость между событиями восстановлений в релейной 90 защите
Расчет показателей надёжности релейной защиты с учетом 94
человеческого фактора
2.5. Выводы по главе 100
Глава 3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ 102
СИСТЕМ РЗА НА ЭТАПЕ ПРОЕК ТИРОВ АЛИЯ
ЗЛ. Анкеты для получения экспертной информации о 102
функционировании систем релейной защиты
Уровень внедрения в России микропроцессорной техники 106 релейной защиты
Оценка весовых и стоимостных коэффициентов при расчёте ПО показателен эффективности
3.2, Методика сравнения вариантов схем резервирования систем 120
релейной защиты
Алгоритм расчёт показателей надёжности защиты ЛЭП 121
Алгоритм расчёта показателей надёжности защиты сборных 135 шин
3.2.3. Алгоритм расчёта показателей надёжности защиты группы 140
однофазных автотрансформаторов
3.3. Выводы по главе 152
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ 153
НАДЁЖНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ
ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
4.1, Показатели надёжности защиты ЛЭП 153
Исходные данные 153
Показатели надежности шкафа защиты при между фазных коротких 157 чамыканий
Показатели надёжности шкафа защиты при коротких замыканиях 158 на землю
Общие показатели надёжности шкафа защиты 158
Показатели надёжности шкафа защиты при установке второго 160 комплекта зашиты (схема ИЛИ)
Показатели надёжности шкафа защиты при установке второго 163 комплекта защиты (схема И)
Показатели надёжности шкафа защиты при установке трёх 166 комплектов защит
4.2. Показатели надежности защиты сборных шин 170
4.2.1. Исходные данные 170
4.2.2, Показатели надежности дифференциальной защиты сборных 174
шин
4.3. Показатели надёжности защиты группы однофазных 176
автотран с ф орматор ов
4.3.L Исходные данные 176
Показатели надёжности дифференциальной защиты группы 180 однофазных автотрансформаторов
Показатели надежности комплекта защиты однофазных 1S3 автотрансформаторов
Показатели надёжности комплекта защиты однофазных 185 автотрансформаторов при установке второго комплекта защиты (схема ИЛИ)
Показатели надёжности комплекта защиты однофазных 187 айттандфдмятл1?оа ijjjll установке нтооога комплекса, залщхы. (схема И)
4.4. Выводы по главе 190
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 191
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 194
ПРИЛОЖЕНИЯ 221
Введение к работе
Актуальность работы
Вопросам эффективности и надёжности релейной защиты и автоматики (РЗА) электроэнергетических систем традиционно уделяется много внимания, Этому посвящены, например, следующие публикации: [1-206].
Значительный вклад в решение задачи оценки и повышения надежности устройств и систем РЗА внесли такие отечественные учёные, как Смирнов ЭЛЛ., Бронштейн Р.А., Вавин Н.В., Гельфанд Я.С-, Гук Ю.Б., Гарке В.Г., Жарков Ю.И., Жуков С.Ф., Зейлидзон Е.Д., Касьянов ГЛ., Китушин ВТ., Коновалова Е.В., Манов Н.А.3 Нудельман Г.С., Рипс Я.А., Рубинчик В.А., Поляков В.Е., Сарацулов Г.А., Саухатас А.С., Стихии Г,П., Фабрикант В.Л., Шалин А,И., H.Ungrad (Швейцария), Н. Klemenz, К, Rothe (Германия), Н. Аврамова (Болгария) и др.
Выбор показателей и критериев эффективности и надёжности, а также методов выбора оптимального по эффективности варианта играют решающую роль в выборе основных направлений развития техники РЗА, методах повышения надёжности и т.д.
Развитие в нашей стране РЗА энергосистем и изменение аппаратной базы от электромеханических реле к микросхемам и микропроцессорам, с одной стороны, привело к значительному повышению ее технического совершенства, а с другой - к значительному снижению надёжности, что отражено в публикациях [62-66, 157].
В настоящее время выделяют два аспекта надёжности: надёжность срабатывания и надёжность несрабатывания. В большей степени специалисты в области релейной защиты внимание уделяют надежности срабатывания.
В диссертационной работе проведен анализ данных, полученных по итогам опроса специалистов оолес 1Ь подстанции ОАО «ФСК "ЕЭС». Статистические данные показьшают, что большая часть неправильных действий устройств релейной защиты - это ложные и излишние срабатывания. Именно эти виды
неправильных действий защии.і относятся к надежности несрабатывания и сопровождаются наибольшими ущербами от ненадёжности. Количество отказов в срабатывании в процентном соотношении от общего числа отказов разделилось следующим образом: 26,6% - отказы в срабатывании (относятся к надёжности срабатывания), 38,2% - излишние срабатывания и 35,2% - ложные срабатывания (последние дгса вида отказов относятся к надёжности не срабаты ва і г ия),
В последнее время, практикуется способ повышения надёжности систем РЗА в процессе эксплуатации в виде увеличения периодических проверок их исправности обслуживающим персоналом. Обслуживающий персонал в настоящее время в России проводят профилактические проверки и восстановления систем РЗЛ с периодичностью от 1 до 8 лет. Однако в зарубежных странах распространен опыт эксплуатации систем РЗА специализированными отделами фирм производителей и допуск обслуживающего персонала объектов энергетики к системам РЗА вообще запрещён. Обслуживание систем РЗА ведут профессионально обученные сотрудники фирмы изготовителя оборудования защиты.
Одной из причин снижения надёжности (эффективности) систем РЗА являются сравнительно частые ошибки; допускаемые персоналом в процессе профилактического обслуживания, что приводит к неправильному функционированию РЗА. Согласно статистическим данным, например приведенным в [62], около 46,1 % отказов систем РЗА происходит по вине работников служб РЗЛ. Ввод в эксплуатацию сложных современных систем РЗА, выполненных с применением интегральных микросхем (ИМ С) и микропроцессорной техники, может привести к значительному увеличению числа ошибок персонала [157].
Однако, системы РЗА на базе микро процессоров согласно [157] отказывают в среднем в 5% случаев, что примерно соответствует средним отечественным показателям для устройств, посгроеннык на базе интегральных микросхем (ИМС). Едва ли механический переход на такую технику сможет
кардинально решить вопрос надёжности систем РЗА для России.
Сейчас перед специалистами энергосистемы России стоит одна из главных задач - это перевооружение техники релейной защиты и автоматики для существующих и вновь вводимьгх объектов энергетики. С применетшем современной техники возникают новые задачи, спязянные с выбором количества комплектов защиты длп защищаемого объекта (30), их взаимодействие, алгоритмы работы. Чтобы перейти к современной технике РЗА, не увеличивая процент неправильных действий РЗА, необходим алгоритм выбора и оптимизация этих устройств. Сейчас, зачастую, не известно из каких комплектующих состоят микропроцессорные устройства релейной защиты (МПУРЗ), об уровне надежности самих устройств, а тем более о составляющих её элементен. При выборе количества комплектов устройств защиты ЗО необходимо знать критерии, по которым производить выбор, в нашем случае это показатели надежности (эффективности).
Знание статистических данных только о работе типов защит не позволяет решить прямую задачу надёжности, т.е, по показателям надёжности отдельных элементов релейной защиты определять показатели надёжности всей системы РЗА в целом. В нашем случае возникает обратная задачу когда необходимо рассчитать надёжность систем РЗА не исходя из данных о надёжности её отдельных элементов, а определить количество и алгоритм действия защиты, зная только итоговую информацию о числе неправильных действий конкретных типов защит. Затруднения при решении этой задачи связаны в основном с малым опытом внедрения и эксплуатации МПУРЗ. В последние годы в России активно внедряют микропроцессорные устройства защиты. По результатам опыта внедрения микропроцессорных устройств защиты следует, что в России недостаточно подготовились к переходу на эти устройства.
В связи с описанным, представляется весьма целесообразной работа над созданием новых методов расчета и оптимизации систем РЗА с точки зрения надёжности.
Важным этапом анализа надёжности УРЗ является расчёт её показателей.
В релейной защите и автоматике энергосистем эта задача существенно усложнена рядом факторов, к основным из которых можно отнести следующие:
в настоящее время псшвесгны методы, позволяющие однозначно оценить и сравнить между собой последствия различных видов отказов систем РЗА с точки зрения энергосистемы в целом;
система РЗЛ, кик правило, характеризуется большой сложностью, мі юг о функциональностью и многократным резервированием (как правило, в плане срабатывания);
имеется ряд особенностей функционирования РЗА (наличие случайных и регулярных составляющих потока проверок, нестационарность некоторых случайных составляющих потоков отказов и восстановлений, неординарность потока восстановлений и т.д,)5 которые ставят под сомнение правомерность использования известных аналитических методой расчёта показателей надёжности и т.д,
Однако в настоящее время нет достаточно простого метода, позволяющего рассчитать показатели надёжности реальных систем РЗЛ и провести с учётом надёжности сопоставление различных схем исполнения и стратегий обслуживания РЗА.
В диссертации рассматриваются вопросы, которые относятся в основном к этапам проектирования и эксплуатации систем РЗА. Устройства, панели, шкафы РЗА при этом рассматриваются как элементы, их внутренняя структура не анализируется и не оптимизируется. К системам РЗА относятся не только сами панели, шкафы, терминалы, но также измерительные трансформаторы и их цепи, цепи оперативного тока, соленоиды отключения и т.д.
В первую очередь рассматриваются вопросы, связанные с внедрением микропроцессорных терминалов защиты и автоматики на вновь строящихся или целиком реконструируемых подстанциях высоких классов напряжения.
Название настоящей работы относится лишь к технике релейной зашиты., но многие её положения справедливы также применительно к противоаварийной автоматике энергосистем.
Работа выполнена автором в Новосибирском государственном техническом университете.
Актуальность, значимость, конкретные цели и задачи работы
Статистика показывает, что многолетние работы по переводу релейной защиты в России на современную элементную базу во многих: случаях привели к усложнению схем, снижению общей эффективности защиты и существенному увеличению процента неправильных действий. В некоторых случаях процент неправильных действии защиты достигает 40-50%. Большое количество неправильных действий защиты происходит по вине обслуживающего персонала. Многие комплекты и устройства РЗА, находящиеся в эксплуатации в энергосистемах России, выработали свой ресурс, что привело к росту частоты отказов РЗА, связанных со старением аппаратуры.
В то же время внедрение микропроцессорных терминалов защиты в практику Единой энергетической системы России в настоящее время является насущной необходимостью. Рассматривается вопрос о применении оптозлектронньїх трансформаторов тока, использовании «интеллектуальных» комплекюи РЗА, совмещающих функции нескольких защит, устройств автоматики и т.д. В связи с этим назрела погребность в анализе надёжности «типовых схем» релейной защиты основных элементов подстанций и сетей напряжением 110-750 кВ и разработке рекомендаций по оптимизации структуры комплектов защиты.
Целью работы является разработка принципов и методов выбора схем резервирования систем РЗА на основании теории надёжности для оборудования электрических подстанций и сетей напряжением 110-750 кВ, что позволяет повысить надёжность систем РЗА. Совершенствование методов и средств расчета аппаратной надёжности релейной защиты электроэнергетических систем,
Оїїсгажешае. поставленной цели связано с оешенисм_ елец^кіш^х. задами
Развитие теории надёжности в отношении РЗА энергосистем,
Анализ факторов актуальных в настоящее время, влияющих на надёжность
систем РЗА, выявление их достоинств и недостатков.
Совершенствование методов расчёта надёжности с учётом влияния человека на процесс функционирования систем РЗА.
Совершенствование методики расчёта показателей надёжности систем РЗА.
Разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования системы РЗА с целью оценки её надёжности.
Определение количества и схем резервирования систем РЗА по информации о числе неправильных действий конкретных типов зашит.
Разработка алгоритма и программы для расчёта на ЭВМ показателей надёжности систем РЗА.
Объектом исследования является релейная защита энергообъектов федеральной сетевой компании единой энергосистемы России напряжением 110-750 кВ.
Предметом исследовании является надёжность функционирования систем РЗА, схемы резервирования комплектов релейной защиты применительно к защищаемым объектам (линрій электропередач, силовых трансформатор, сборных шин).
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач использованы: методы исследования информации (теория надёжности., теории вероятностей и математической статистики), методы исследования процессов (теории массового обслуживают, теория цепей Маркова), вычислительные эксперименты (теории имитационного моделирования и компьютерные технологии).
Достоверность- Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы приведёнными теоретическими положениями, экспериментальными расчетами, оиыюм применения полученных результатов, апробацией результатов на конференциях и семинарах. Результаты работы внедрены в практику ОАО «Институт»
Энергоеетыгроек і», о чем имеется акт внедрения. Научная новизна работы.
1* Разработана модель функционирования систем РЗЛ для современной элементной базы, что позволило выявить такие составляющие эффектипности работы систем релейной защиты в современных условиях как надёжность программного обеспечения, защищённость от внешних электромагнитных и других воздействий, человеческий фактор;
Предложена схема учета влияющих факторов (параметр потока коротких замыканий (КЗ), действие обслуживающего персонала («человеческий фактор»), одновременность восстановления), что позволило найти зависимость результирующих показателей надёжности от влияющих факторов и оценить степень влиянии факторов на результаты расчётов показателей надёжности;
Разработаны рекомендации для проведения экспертного анализа информации, необходимой для расчёта показателен надёжности систем РЗА с учётом разделения неправильных действий на излишние, ложные и отказы в срабатывании;
Разработан алгоритм расчёта показателей надёжности релейной защиты для трёх защищаемых объектов (ЗО): линии электропередач, сборных шин, силового трансформатора), позволивший обосновать схемы резервирования систем РЗА;
Предложена методика выбора количества комплектов РЗА и схем резервирования для рассматриваемого объекта по критериям: недоотпуск электроэнергии и процент неправильных действий защит.
На защиту выносятся следующие основные результаты: I, Схема учёта основных влияющих факторов, таких как параметры потока внешних КЗ, воздействие обслуживающего персонала («человеческих фактор»), одновременность восстановления при расчёте показателей надёжности систем
2., Зависимость вероятности безотказной работы систем РЗА от вероятности внесения ошибки по вине персонала в процесс функционирования системы
РЗА.
Получение экспертной информации о функционировании систем РЗА.
Методика расчёта показателей надёжности систем релейной защиты для трёх, ти пои защищаемых объектов, позволившая обосновать схемы резервирования систем РЗА, что обеспечило необходимый уровень надёжности защищаемых объектов,
Практическая ценность и реализация результатов работы, Повышение надёжности РЗА является эффективной мерой предотвращения аварийных последствий, вызываемых отказами в её функци о н нровании.
Основные практические результаты заключаются в следующем:
Выделение существенных составляющих эффекгивности рабош систем РЗА позволило обосновать показатели надёжности систем РЗА при поиске оптимальных решений в РЗА,
Исследование влияния человеческого фактора на показатели надёжности функционирования РЗА показало, что человеческий фактор оказывает такое же по значимости влияние, как и надёжность аппаратной части систем РЗА.
Собранная информация о функционировании систем РЗА позволила сделать вывод о том, что в настоящее время надежность несрабатывания систем РЗА гораздо ниже надёжности срабатывания.
Методика расчёта показателей надёжности систем РЗА для различных защищаемых объектов позволила выбрать оптимальный по надёжности вариант резервирования систем РЗА на защищаемых объектах и снизить ущерб от неправильных действий РЗА,
Расчеты показателей надёжности систем РЗА выполнялись для подстанции «Центральная» ОАО «ФСК ЕЭС».
Результаты диссертационной работы использованы в производственной деятельности ОАО «Институт» «Энергосетъпроект» г, Москва при выполнении
в соответствии с планами ИИОКР ОАО «ФСК ЕЭС» на 2006-2007 г.г, НИР «Концепция развития систем релейной защиты и линейной автоматики ЕНЭС в
условиях реформирования электроэнергетики» в части, разработки и подготовки отчета «Анализ надёжности и разработка рекомендаций по оптимизации структуры комплектов релейной защиты энергообъектов ЕЭС России напряжением 110-750 кВ».
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Электрические станции» НГТУ (2004 - 2009 г.г.), а также на следующих конференциях:
Всероссийская научно-техническая конференция «ЭНЕРГЕТИКА: ЭКОЛОГИЯ, НАДЁЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ», ТЇТУ, г. Томск, 2004, 2005, 2006 г.г,
Всероссийская научная конференция молодых учёных «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ», НГТУ, I-. Новосибирск, 2004 г.
Научная студенческая конференция «Дни науки НГТУ-2004», г. Новосибирск, 2004 г.
Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации». ТГГУ, г. Томск, 2004 г.
Всероссийская научно-техническая конференция «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», ТПУ, г. Томск, 2006 г.
Всероссийский семинар «Кибернетика энергетических систем», ИЛИ, г. Новочеркасск, 2006 г.
Международная конференция CIGRE «Релейная зашита и автоматика современных энергетических систем», ВНИИР, г. Чебоксары, 2007 г.
Публикации
Результаты диссертационного исследования отражены в 14 публикациях, из них 1 научная статья, входящая в перечень рецензируемых ведущие изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 научные статьи в сборниках научных трудов, 9 научных статей в материалах всероссийских и международных конференциях*
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, состоящего из 206 иаименоватиш и приложений. Работа содержит 220 страниц основного текста, в том числе 29 рисунков и 15 таблиц.
В первой главе выполнен обзор и классификация су шествующих показателей эффективности и надёжности в релейной защите, выполнено обоснование повышения надёжности технических систем, рассмотрены особенности расчёта показателей надёжности систем РЗА.
Во второй главе усовершенствована модель функционирования релейной защиты с точки зрения надёжности, рассмотрены составляющие, входящие в поток восстановлений РЗА. Рассмотрен вопрос учёта человеческого фактора в расчётах показателей надежности систем РЗА. Предложена методика расчёта показателей надёжности систем РЗА с учетом человеческого фактора, Представлены результаты исследования влияния различных факторов на надежность РЗА с помощью имитационной модели.
В третьей главе приведены результаты опроса работников служб РЗА подстанций высших классов напряжений, описана методика расчёта показателей надежности систем РЗА. Предложен алгоритм расчета показателей надёжности систем РЗА для различных защищаемых объектов. Алгоритм расчёта показателей надёжности систем РЗА позволяет выбрать вариант схемы резервирования комплектов защит с максимальными показателями надёжности.
В четвёртой главе приведён пример расчёта показателей надёжности систем РЗА на этапе проектирования при отсутствии точных исходных данных по некоторым частным показателям надежности применяемых систем РЗА. Проведено исследование надёжности, даны рекомендации по схемам резервирования защит подстанции «Центральная^ Мосэнерго.
