Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Функционирование любых электроэнергетических объектов всегда сопряжено с возможными отказами различных элементов, что, в свою очередь, может создать аварийные ситуации. Подавляющее большинство электроэнергетических объектов являются ключевыми, а некоторые – стратегическими компонентами, обеспечивающими функционирование прочих отраслей промышленности, поэтому для электрических станций, подстанций (включая вставки постоянного тока), линий электропередачи и других компонентов электроэнергетического комплекса проблема разработки и программной реализации эффективных методов оценки надежности является актуальной. Это подтверждается базовыми положениями энергетической стратегии России на период до 2030 года и концепции обеспечения надежности в электроэнергетике.
Важно подчеркнуть, что за последнее десятилетие был существенно доработан ГОСТ 27.002-2015 «Надежность в технике» (взамен ГОСТ 27.002-89) и принят абсолютно новый ГОСТ P 27.003-2011 «Управление надежностью». Исходя из этих документов, надежность является комплексным и довольно сложным критерием, поэтому в настоящей работе особое внимание уделено ее важнейшему компоненту – безотказности, которая тесно связана с ремонтопригодностью и готовностью.
Возможные последствия системных аварий могут быть катастрофическими. Например, такая авария произошла 25 мая 2005 года в Москве, в результате которой на несколько часов была отключена подача электроэнергии в нескольких районах Москвы, Подмосковья, а также Тульской, Калужской и Рязанской областях. Вследствие каскадного развития аварии в Московской энергосистеме были отключены 321 подстанция, несколько тяговых подстанций линий метрополитена и железных дорог. Поэтому оценка уровня безотказности как на этапе проектирования новых, так и в процессе эксплуатации существующих электроэнергетических объектов является особенно актуальной в настоящее время.
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные исследования по общим вопросам проблемы надежности в электроэнергетике и смежных областях осуществили многие российские ученые: Н.И. Воропай, Ю.Б. Гук, С.В. Гуров, Л.И. Двоскин, Ю.М. Иньков, В.Г. Китушин, Г.Ф. Ковалев, Э.А. Лосев, Н.А. Манов, Л.А. Мелентьев, А.Н. Назарычев, Б.Н. Неклепаев, В.А. Непомнящий, В.П. Обоскалов, Б.В. Папков, А.М. Половко, Ф.И. Синьчу-гов, М.Н. Розанов, Ю.Н. Руденко, И.А. Рябинин, И.А. Ушаков, Ю.А. Фокин, Ю.Я. Чукреев; зарубежные коллеги: R. Allan, R. Billinton, Ali A. Chowdhury, Don O. Koval и др.
Основные подходы к оценке уровня безотказности как важнейшего компонента надежности были разработаны и внедрены еще в прошлом веке. Однако сложность и многообразие схем и компонентов электроэнергетических объектов имеют свою специфику, что требует адаптации существующих, а также создание новых подходов для такого класса задач.
Для решения проблемы оценки надежности технических систем была разработана инженерная методика, описанная в трудах А.М. Половко и С.В. Гурова. Однако предложенные авторами алгоритмы расчетов не учитывают особенности электроэнергетических объектов, и поэтому данный подход может быть усовершенствован. В отличие от многих других технических систем функционирование электроэнергетических объектов включает в себя не только «работоспособное» и «неработоспособное» (аварийное) состояния, но и плановые (профилактические) ремонты. Причем для сложных по структуре электроэнергетических объектов возможны «наложения» этих состояний друг на друга. Для оценки надежности таких систем необходимо использование математического аппарата, способного учитывать их особенности. На эту роль хорошо подходит способ описания функционирования, использующий «пространство состояний» (направленный граф), позволяющий в полной мере учесть отмеченную выше специфику. Одним из эффективных методов, использующих в качестве исходной расчетной модели граф переходов и состояний, является топологический. Стоит отметить, что существующие в настоящее время ограничения, связанные со структурой графа, не позволяют использовать «топологию» как инструмент решения большинства задач по оценке надежности электроэнергетических объектов. Снятию этих ограничений, а также созданию специализированного программного комплекса для оценки уровня безотказности электроэнергетических объектов посвящена данная работа.
Целью работы является: разработка комплексного подхода для оценки уровня безотказности электроэнергетических объектов на основе модифицированного топологического метода и его реализация в виде специализированного программного продукта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ методов оценки надежности технических систем с целью учета особенностей электроэнергетических объектов.
-
Разработать комплексный подход к оценке уровня безотказности электроэнергетических объектов.
-
Осуществить развитие топологического метода для его эффективной реализации в рамках комплексного подхода к оценке уровня безотказности электроэнергетических объектов, функционирование которых описывается многосвязными графами.
-
Разработать комплекс математических моделей для оценки уровня безотказности реальных электроэнергетических объектов.
-
Создать программы для ЭВМ, в которых будут реализованы эти методики и математические модели.
-
Провести расчеты на основе разработанных моделей и методик показателей надежности для существующих электроэнергетических объектов.
Объектом исследования диссертационной работы являются компоненты существующих электроэнергетических объектов, функционирование которых может быть описано с помощью направленного графа.
Предметом изучения являются методы и математические модели, позволяющие оценить фактический уровень безотказности существующих и проектируемых электроэнергетических объектов.
Методология и методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики, общей теории надежности, теории марковских процессов и топологического подхода к оценке безотказности.
Научная новизна работы
-
Предложен модифицированный вариант топологического метода для оценки безотказности электроэнергетических объектов, функционирование которых описывается многосвязными графами, позволяющий существенно упростить процедуру расчета.
-
Разработан комплексный подход для оценки безотказности технических систем, основанный на эффективном алгоритме расчета с учетом особенностей схем рассматриваемых электроэнергетических объектов.
-
Предложен интегральный критерий для оценки безотказности электроэнергетических объектов с помощью модифицированного топологического метода – коэффициент добротности (погрешности расчета) вероятности отказа и осуществлено его нормирование.
-
Разработан алгоритм использования модифицированного топологического метода, который реализован в специализированном программном продукте «Расчет показателей надежности технических систем» (DoRI_CL; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015611559).
-
Создан набор математических моделей, реализованный на базе авторского программного комплекса, с использованием которого проведена численная апробация оценки уровня безотказности нескольких электроэнергетических объектов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Предложен авторский алгоритм использования модифицированного топологического метода для многосвязных графов и доказана возможность его эффективного использования в рамках комплексного подхода при оценке уровня безотказности электроэнергетических объектов.
-
Предложен интегральный критерий для оценки безотказности электроэнергетических объектов – коэффициент добротности (погрешности расчета) вероятности отказа и осуществлено его нормирование.
-
Разработан комплексный подход для оценки безотказности технических систем с использованием модифицированного топологического метода, который позволяет проводить основной и проверочный расчеты при проектировании и реконструкции различных электроэнергетических объектов.
-
Создан программный продукт «Расчет показателей надежности технических систем» (DoRI_CL), который позволяет проводить оценку уровня без-
отказности не только для электроэнергетических объектов, но и любых технических систем, функционирование которых описано графом переходов и состояний.
Реализация результатов работы. Полученные результаты используются:
-
При расчетах уровня безотказности вставки постоянного тока для электропередачи Россия–Финляндия в ОАО «НИИПТ» (Санкт-Петербург).
-
При выборе вариантов реконструкции электрических сетей в ПАО «МРСК-Центра» – «ЯРЭНЕРГО».
-
При оценке безотказности системы электроснабжения метрополитена.
-
В учебном процессе для бакалавров и магистрантов электроэнергетических специальностей, изучающих дисциплины, связанные с надежностью.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Алгоритм расчета уровня безотказности электроэнергетических объектов, описанных многосвязными графами с использованием модифицированного топологического метода.
-
Комплексный подход к определению показателей безотказности сложных технических систем, отличающийся от существующих методик выбором более эффективного алгоритма расчета с учетом особенностей электроэнергетических объектов.
-
Интегральный критерий для оценки безотказности электроэнергетических объектов с помощью модифицированного топологического метода – коэффициент добротности (погрешности расчета) вероятности отказа.
-
Программный комплекс «Расчет показателей надежности технических систем» (DoRI_CL), защищенный свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ, в котором реализованы предложенные алгоритмы.
-
Математические модели и результаты расчетов уровня безотказности для существующих электроэнергетических объектов (электропередачи Россия–Финляндия, Выборгской преобразовательной подстанции, участка системы электроснабжения Московского метрополитена), созданные и полученные с использованием авторского программного продукта.
Достоверность подтверждается корректным применением теоретических методов, а также сравнением полученных результатов с актуальными статистическими данными об отказах оборудования существующих электроэнергетических объектов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XV, XVI, XVII и XVIII Международных научно-технических конференциях «Бенардосовские чтения» (г. Иваново, ИГЭУ, 2009, 2011, 2013, 2015 гг.); VI и VII Международных научно-технической конференциях «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Иваново, ИГЭУ, 2015 г.; г. Казань, КГЭУ, 2016 г); V и VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 2010, 2011 гг.); I Международной научно-практической конференции «Инновации, технологии, экономика» (ИНТЭК-2011, г. Иваново, ИГЭУ, 2011 г.); V Всероссийской научно-
практической конференции «Повышение эффективности электроэнергетического оборудования» (г. Иваново, ИГЭУ, 2010 г.); VI, VII, VIII и IX Всероссийских научно-практических конференциях «Надежность и долговечность машин и механизмов» (г. Иваново, Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.), XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (г. Москва, РУТ(МИИТ), 2017 г.), II Международной выставке-конференции «ИНТЕРМЕТРО» (г. Москва, 2017 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования отражены в 30 научных трудах, в том числе: 7 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, издано учебное пособие.
Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 114 наименований и приложений. Объем диссертации, включая приложения, составляет 175 страниц машинописного текста. Работа содержит 43 рисунка.