Обеспечение надежности систем электроснабжения на базе информационно-аналитического анализа их функционирования Шпиганович Алла Александровна

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние и перспективы обеспечения безотказности систем электроснабжения предприятий, задачи исследования 14

1.1 Негативные возмущающие факторы систем электроснабжея 14

1.2 Безотказность электрических систем предприятий 43

2 Научно-теоретические основы анализа функционирования систем электроснабжения 66

2.1 Структурная взаимосвязь элементов систем электроснабжения 66

2.2 Безотказность структурных соединений в электрических системах 81

2.3 Безотказность систем с иерархической структурой 94

2.4 Повышение безотказности систем посредством их избыточностей 103

2.5 Изменение безотказности структурных соединений систем электроснабжения с избыточностями за счет средств их управления 122

2.6 Оценка эффективности безотказности систем обеспечиваемая их избыточностями 144 Выводы 169

3 Алгоритмы минимизации воздействия негативных возмущений на безотказность систем электроснабжения 164

3.1 Однотипность систем электроснабжения производств предприятий 164

3.2 Причины возникновения негативных возмущений и их влияние на безотказность систем 186

3.3 Анализ вероятностных параметров электрооборудования с учетом средств управления и защиты систем электроснабжения 197

3.4 Системный анализ оценки отказов электрооборудования и их

влияния на электроснабжение приемников электрической энергии 219

3.5 Анализ особенностей эффективности функционирования систем с избыточностями 235

3.6 Информационная избыточность, как средство управления в

системах управления 243

Выводы 252

4 Технико-экономический анализ влияния вероятностных параметров электрооборудования на эффективность функционирования систем электроснабжения 258

4.1 Общие положения функционирования сложных систем электроснабжения 258

4.2 Технико-экономический анализ вынужденных остановок электроприемников жестких систем электроснабжения 260

4.3 Анализ с учетом технических и экономических особенностей при вынужденных остановках электроприемников от отказов систем электроснабжения со структурной избыточностью 283

4.4 Технико-экономический анализ влияния временной избыточности на вынужденные остановки электроприемников

систем электроснабжения 297

4.5 Технико-экономический анализ управления избыточностями систем электроснабжения промышленных производств 308

Выводы 323

Библиографический список

• Безотказность электрических систем предприятий
• Повышение безотказности систем посредством их избыточностей
• Анализ вероятностных параметров электрооборудования с учетом средств управления и защиты систем электроснабжения
• Технико-экономический анализ вынужденных остановок электроприемников жестких систем электроснабжения

Введение к работе

Актуальность проблемы. Системы электроснабжения современных промышленных предприятий сложные, так как они состоят из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, обладающие определенной структурой: которая заключается в следующем: большое число элементов и выполняемых ими функций (на металлургическом заводе г. Липецка ОАО «НЛМК» электрических машин порядка 10⁵, электрической аппаратуры низкого напряжения 10⁶); большое число взаимосвязей, определяющих сложность поведения системы; единое целевое назначение; случайный характер негативных воздействий; конкурирующий характер отдельных подсистем; использование в управлении вычислительной техники; большие сроки ввода в эксплуатацию (2-5 лет).

Эффективность функционирования систем может быть оценена путем использования экономико-математических подходов. Увеличение производительности труда на промышленных предприятиях достигается в основном за счет внедрения современной передовой техники. Это снижает себестоимость выпускаемой продукции, сокращает ручной труд, повышает квалификацию и культурно-технический уровень рабочих. Интенсификация технологических производств приводит к увеличению электропотребления и энерговооружённости. Ввод в действие более мощных по производительности технологических машин повышает прирост потребления электрической энергии. Отказы в системе электроснабжения приводят к изменению параметров, характеризующих технологический процесс предприятия: длительности работы технологических машин за одно включение уменьшаются, а длительности и число остановок увеличиваются. Затраты на неиспользование отказавшего оборудования и недовыпуск продукции из-за отказов приводят к материальному ущербу.

Выполненные до настоящего времени исследования посвящены в количественной оценке безотказности систем электроснабжения и их оборудования и не учитывают воздействия отказов электрооборудования на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Рассматривать безотказность систем электроснабжения изолированно от работы других систем (технологической, релейной защиты, автоматики, вентиляции, водоотлива и т.д.) - значит не использовать весь комплекс мероприятий, направленных на повышение надежности электроснабжения, в результате невозможно обеспечение оптимального уровня безотказности электроснабжения. Безотказность системы электроснабжения необходимо оценивать с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием всех производственных систем. Объединяющим для рассматриваемого случая служит выпускаемый продукт предприятия, на получение которого направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения. Решение проблемы возможно в единстве методологического подхода к исследованию выпускаемой продукции предприятием и анализа надежности систем электроснабжения с дальнейшим развитием вероятностных подходов, используемых в качестве математических моделей работы систем электроснабжения и их оборудования.

Всесторонний анализ безотказности систем электроснабжения и экономической эффективности мероприятий по ее повышению с учетом взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами позволит обосновать и разработать методы и средства, обеспечивающие оптимизацию, повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий. Проблема повышения эффективности функционирования производственных предприятий посредством оптимизации параметров безотказности систем электроснабжения является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель работы. Установление закономерностей формирования информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах электроснабжения и зависимостей, определяющих топологию уровней и функциональные связи с показателями надежности обеспечения электрических приемников электроэнергией; создание аппаратно-программного комплекса управления распределением электроэнергии, качеством и эффективностью электропотребления, путем обоснования рациональных режимных параметров и управляющих воздействий в электропитающих системах для ограничения динамических нагрузок, повышения долговечности и эффективности функционирования систем со снижением затрат на их эксплуатацию.

Для достижения сформулированной цели требуется решение следующих задач:

1. Развитие в теоретическом и практическом плане многоуровневых систем электроснабжения и определение технико-экономической целесообразности применения в их структурах различных сочетаний видов избыточностей;

2. Определение закономерности формирования топологии уровней и информационной, структурной и временной избыточностей в многоуровневых системах электроснабжения;

3. Разработка классификации внешних и внутренних возмущающих факторов в многоуровневых системах электроснабжения с учетом избыточностей для ограничения их воздействия на эффективность их функционирования;

4. Создание аппаратно-программного комплекса для анализа, оптимизации
и рационального управления распределением и эффективностью использования
электроэнергии на основе обоснования рациональных режимных параметров и
управляющих воздействий в многоуровневых системах электроснабжения для
ограничения динамических нагрузок, повышения долговечности и эффективно
сти их функционирования со снижением затрат на эксплуатацию систем с ком
позицией избыточностей;

5. Разработка методологии построения сложных многоуровневых систем
электроснабжения, обеспечивающих эффективное функционирование электро
приемников и учитывающих сочетание всех видов избыточностей и характери
стики воздействующих внешних и внутренних факторов.

Научная новизна работы:

разработка модели системы электроснабжения, отображающей функциональные взаимосвязи электрооборудования с приемниками электрической энергии, отличающейся учетом влияния избыточностей на вынужденные остановки технологических машин при воздействиях в системах электроснабжения как отдельных возмущающих факторов, так и их композиций;

получение простых аналитических уравнений на базе теории случайных импульсных потоков вместо интегрально-дифференциальных выражений, которые в зависимости от класса решаемых задач позволяют существенно упростить процедуру анализа и синтеза систем электроснабжения при оценке мероприятий по повышению их безотказности;

разработка новой методики определения коэффициента степени связи, позволяющего определять соотношения между вынужденными остановками электроприемников и отказами электрооборудования, упрощая расчеты и делая их однотипными во всех возможных случаях, независимо от использования избыточностей и воздействия негативных факторов, осуществлять анализ в динамике, а не по средним параметрам;

разработка нового теоретического приема деления систем электроснабжения на уровни с использованием методов электроценоза, позволяющего определить способы, средства и критерии по номенклатурной и параметрической оптимизации систем, заранее предупреждать возникновение отказов в системе и осуществлять прогнозирование их развития на перспективу;

теоретическое обоснование, использование параметрических распределений для доказательства того, что любые мероприятия, направленные на повышение безотказности систем, сводятся к повышению их избыточности и снижению воздействия негативных факторов на вынужденные остановки технологических машин;

разработка теоретического приема разделения по длительности вынужденных остановок технологических машин от отказов электрооборудования соответствующего уровня системы электроснабжения и квалификации обслуживающего персонала;

решение оптимальной задачи минимизации перерывов в электроснабжении, техническая реализация которой состоит в уменьшении числа и продолжительности отказов электрооборудования, позволяющих снизить потери потребляемой электрической энергии и выпускаемой предприятием продукции;

синтезирование алгоритма структурно-нейронной сети мгновенной компенсации воздействия негативных факторов, позволяющей обеспечить наибольшее значение коэффициента технического использования и экономической эффективности при нагрузках произвольного вида.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке:

- модели системы электроснабжения, базирующейся на функциональных
взаимосвязях, как между электрооборудованием, так и приемниками электриче
ской энергии, с учетом структуры системы и воздействия негативных возмуще
ний, применяемой для любых производств промышленных предприятий;

алгебраических уравнений, отображающих вероятностные параметры системы электроснабжения и вынужденных остановок приемников электрической энергии, выраженных через коэффициенты связи при оценке компенсации негативных возмущающих факторов в результате использования избыточности систем;

методики деления системы на уровни, независимо от их сложности, для определения электрооборудования по номенклатурной и параметрической оптимизации, используя наработки на отказ для замены в процессе эксплуатации соответствующих типов электрооборудования, приводящего к наибольшему числу остановок приемников на новый тип оборудования;

методики оценки квалификации обслуживающего персонала по результатам сравнения функциональных коэффициентов связи, выраженных через параметрические функции распределения длительностей, определяемых временем устранения отказов;

методологии определения наибольшего значения коэффициента технического использования с обоснованием выбора мероприятий, обеспечивающих безотказность систем электроснабжения при моментальной последовательности компенсации негативных факторов в зависимости от возможных результатов их воздействия на вынужденные остановки электроприемников устройствами, характеризующимися структурами нейронной сети

Методы исследования. Теоретические исследования основывались на методах математического моделирования, математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, аналитических и численных методах решения уравнений и систем, методах оптимизации, теории надежности, теории импульсных случайных потоков.

Новые научные положения, выносимые на защиту.

1. В работе обоснованы особенности развития топологии уровней сложных систем при безотказном функционировании с учетом случайного изменения нагрузки, негативного воздействия внешних и внутренних возмущающих факторов и показано, что их построение ведется на основе полученных обобщенных данных функциональных взаимосвязей систем, соответствующих реальным условиям эксплуатации. Результаты анализа параметров функциональных взаимосвязей позволяют выявить требования к системам электроснабжения и обосновать рациональные технические решения на основе определения закономерностей формирования использования структурной, временной и информационной избыточностей систем.

Обосновано мнение, что решение проблемы должно базироваться на использовании статистических данных с применением вероятностных методов расчета относительно вынужденных остановок технологических машин, это позволило установить, что вероятность их работы от устранения отказов электрооборудования практически не изменяется, а вероятность вынужденных остановок уменьшается в разы.

2. Установлена взаимосвязь эффективности функционирования иерархических систем электроснабжения от избыточностей в общем виде с использованием не статистических показателей, а динамических характеристик, что позволило применить простой математический аппарат для анализа и оптимизации функциональных взаимосвязей не только между электрооборудованием отдельных уровней систем, но и между приемниками электрической энергии.

3. Получены универсальные зависимости функциональной обеспеченности приемников электрической энергии независимо от композиции избыточностей системы электроснабжения. Доказано, что структурная избыточность не исключает перерывы в электроснабжении приемников электрической энергии, а при временной избыточности не каждый отказ электрооборудования приводит к вынужденному перерыву электроснабжения приемников.

Доказано, что длительность вынужденной остановки электроприемников определяется видом плотности вероятности отказов электрооборудования. Чем больше среднеквадратическое отклонение, а особенно нормирующий множитель функций распределения, тем в большей степени влияние отказов электрооборудования на вынужденные остановки электроприемников. Наибольшее влияние наблюдается при усеченно-нормальном распределении, а наименьшее - в случае экспоненциального распределения отказов.

4. Установлено, что используемые системы электроснабжения, даже на крупномасштабных металлургических производствах, не удовлетворяют требованиям ограничения вынужденных остановок электроприемников. Показано, что их снижение может быть достигнуто не только за счет применения дорогостоящей техники, но и при использовании рациональных технических решений, основанных на разработанной теоретической базе информационной избыточности.

5. На основе сформулированной концепции синтеза разработана и исследована гамма систем электроснабжения с различными сочетаниями избыточностей:

- система электроснабжения, ограничивающая динамические и электриче
ские нагрузки, на основе характеристик функций распределения отказ электро
оборудования которой всегда приводит к вынужденной остановке электропри
емников;

- система со структурной избыточностью, в основном на высоком ее
уровне, обеспечивается за счет принудительного ограничения по длительности
вынужденных остановок электроприемников независимо от структуры системы
и вида применяемой избыточности;

система с временной избыточностью, на любых ее уровнях обеспечивается за счет задержки вынужденных остановок электроприемников, определяемых как внутренней способностью систем противостояния отказам их элементов, так и внешними источниками электрической энергии;

система со всеми видами избыточностей, включая и информационную (управления), исключающих остановки электроприемников от отказов электрооборудования с прогнозируемыми видами распределения их длительностей, а не случайными периодами их работы.

Практическая ценность и реализация работы. Основные практические результаты состоят в получении обобщенных универсальных зависимостей, позволяющих определять динамические свойства иерархических систем по известным параметрам. Это позволяет в условиях действующих крупномасштабных производств посредством прогнозирования заранее выявлять электрооборудование низкой надежности, вызывающее наибольшее число вынужденных остановок приемников электрической энергии. Разработаны инженерные методы оптимизации систем посредством эффективного использования всех видов избыточностей. Созданы предпосылки промышленного внедрения в России новых систем электроснабжения, позволяющих ограничивать динамические нагрузки технологических машин, работающих в любых режимах посредством исключения их вынужденных остановок, и экспериментально подтверждена их эффективность.

Обоснование и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: значительным объемом данных хронометражных наблюдений; адекватностью математических моделей работы электрооборудования и функционирования систем электроснабжения реальным условиям эксплуатации; успешной промышленной апробацией разработанных методов оценки влияния безотказности систем электроснабжения и электрооборудования на работу технологических машин предприятия и обоснования мероприятий по повышению безотказности систем; удовлетворительной сходимостью (различие менее 10%) результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Реализация и внедрение результатов. Использование теоретических и экспериментальных результатов работы при внедрении методики оценки сроков службы электроизоляционных элементов позволяет за счет повышения эффективности функционирования электрических систем и электрооборудования на предприятиях ОАО «ТГК»-«Липецкая региональная генерация» обеспечивать ежегодный экономический эффект в размере 1310,6 тыс. руб. в год, а за счет использования избыточностей в системах электроснабжения, ограничивающих критические возмущения от нагрузок технологических машин, с неоднородными режимами работы, дополнительно получать 214 тыс. руб. в год. Полученные в результате проведения перспективных разработок в ОАО «МРСК Центр» «Ли-пецкэнерго» методы позволяют повысить эффективность электроснабжения потребителей, а также сократить затраты на проведение профилактических работ с экономическим эффектом 857,5 тыс. руб. в год., а в МУ «ЖКП №6» ежегодно до 900 тыс. руб. в год.

Математические модели анализа эффективности использования композиции избыточностей систем электроснабжения, средств автоматики и релейной защиты применены для проведения исследовательских работ по дисциплине «Научно-исследовательская работа» и математической реализации моделей внедренных в форме научно-методических разработок по образовательной программе высшего профессионального образования по направлению подготовки

140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю магистра «Фрактальные техноценологические структуры электрооборудования и сетей промышленных предприятий». Методика оценки эффективности использования комбинаций избыточностей систем электроснабжения, средств автоматики и релейной защиты применяются в учебном процессе в виде лекций, в курсовом и дипломном проектировании, на практических занятиях, в лабораторных работах, проводимых в ЛГТУ и в ряде других учебных заведений.

Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на всесоюзных, международных и всероссийских конференциях: всесоюзное совещание «Теоретические и технологические аспекты применения силовых импульсных систем», (Караганда, 1990 г.); III научно-техническая конференция «Повышение надежности экономичности и конкурентоспособности асинхронных электродвигателей и электроприводов», (Кемерово, 1992 г.); всероссийская научно-техническая конференция «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование» (Оренбург, 1999 г.); всероссийская научно-техническая конференция, «Система управления электротехническими объектами», (Тула, 2000 г.); всероссийская научно-техническая конференция «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии», ЛГТУ, 2004 г.); международная научно-практическая конференция, (Орел, 2008 г.); международная научно-практическая конференция, (Тамбов, 2008 г.); международная выставка интернет-конференция «Энергообеспечение и строительство», (Орел, 2008 г.); всероссийская научно-практическая с международным участием конференция по электрификации «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений», (Москва, Технетика, 2009 г.); международная конференция «Энерго-и ресурсосбережение 21 век», (Орел 2011 г.); международная научно-практическая заочная конференция «Электроэнергетика и энергоэффективные технологии», (Липецк: ЛГТУ, 2004, 2006, 2007, 2010, 2012 г.г.); ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2015 гг.); международные научно-технические конференциии «Энергосбережение – 2011-2015» в рамках Московского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке» (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 монографий, 119 печатных работ, из них самостоятельно 24, в журналах, рекомендованных ВАК РФ, - 37 и 11 патентов РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 366 страницах основного текста, содержит 94 рисунка, 24 таблицы и 4 приложения. Список литературы включает 345 наименований.

Безотказность электрических систем предприятий

При наличии несинусоидальных искажений в системах электроснабжения возникают не стандартные энергетические процессы [3-6]. Если для проектируемых систем электроснабжения негативное взаимовлияние электрооборудования друг на друга и систему электроснабжения как то учитывается, то на существующих предприятиях любая замена электрооборудования может вызвать мало предсказуемые последствия, вплоть до выхода из строя отдельных подсистем электроснабжения и остановке технологического процесса. Поэтому такие явления должны решаться как с учетом совершенствования технологических процессов производства, так и заменой отдельных электроприемников. Немаловажное значение имеет особенность функционирования предприятия, цеха, установки, а также повышения эффективности их работы. Необходимо учитывать при этом две составляющие: техническую и экономическую. Они неразрывно связанны друг с другом. Причем, обеспечение рациональных режимов функционирования систем электроснабжения должно производиться путем оценки экономической эффективности работы всего предприятия в целом. Изменение технологических процессов производства, связанное, как правило, с их усложнением. Это приводит к необходимости модернизации и реконструкции системы электроснабжения. По мере развития предприятия, электрические системы видоизменяются, их структуры постоянно усложняются. Возрастают требования к качеству отпускаемой электроэнергии, к надежности процесса электроснабжения приемников предприятия. В то же время, снижаются перегрузочные способности оборудования, происходит сближение параметров, характеризующих аварийные и номинальные режимы. Обеспечение рациональных режимов систем электро-16 снабжения следует осуществлять с учетом оценки экономической эффективности работы всего предприятия в целом. Системный подход, при решении оптимальных задач, предполагает управление безотказным обеспечением электроэнергией приемников, направленным на уменьшение ее потерь в системах электроснабжения, а также повышение производительности технологических машин и качества выпускаемой продукции.

Внешние и внутренние перенапряжения. Основная часть энергии распределяется по потребителям электрическими сетями напряжением 6-35 кВ. Оказывается, что в распределительных сетях происходит до (55-75)% нарушений связанных с электроснабжением потребителей [7-9]. Анализ аварий и обобщение опыта эксплуатации распределительных сетей 6-110 кВ позволили выявить путем использования экспериментальных данных на действующих сетях опасные феррорезонансные перенапряжения. Они возникают при неполнофазных режимах питания и в случае самопроизвольных смещениях нейтрали. Установлено, что феррорезонансные перенапряжения являются причиной возникновения повреждений изоляции на землю, так же как и дуговые замыкания на землю становятся причиной возникновения и развития феррорезонансных процессов. Это позволяет оценивать степень перенапряжений при их повторном зажигании от горения заземляющих дуг [10, 11]. Статистические данные аварийных ситуаций в распределительных сетях 6-35 кВ свидетельствует, что переход замыканий в межфазные короткие замыкания от перенапряжений составляет до 65% в то время как от заземляющих дуг около 35%. Аналогичное соотношение причин междуфазных коротких замыканий такое же и для воздушных, а также кабельных сетей. Катодно-осциллографические измерения перенапряжений и кинографические исследования особенностей горения заземляющих дуг необходимы для определения форм и уровней перенапряжений [12-14]. Данный подход в настоящее время и в перспективе является востребованным как наиболее эффективный и экономически дешевый способ обеспечения необходимой надежности электроснабжения [15-18]. Возможность работы сетей, при однофазных коротких замыканиях на землю, в течение времени достаточного для устранения повреждений без отключения потребителей, обеспечивают отдельные варианты режима заземления нейтрали [19-22]. Требования к режимам работы сетей напряжением 3-35 кВ, регламентируемые [23,-24], по мнению многих авторов научных исследований, не являются бесспорными. Компенсация емкостного тока в электрических распределительных сетях необходима для ограничения величины короткого замыкания на землю, снижения скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе, уменьшения перенапряжений при повторных зажиганиях дуги и создания условий ее самопогасания.

Компенсацию можно применять также и в воздушных сетях 6-10 кВ в случае емкостного тока менее 10 А. Чтобы осуществить компенсацию емкостного тока замыкания на землю следует применять дугогасящие заземляющие реакторы с плавным или ступенчатым регулированием индуктивности. Если в процессе эксплуатации емкостной ток замыкания на землю изменяется не более чем на 10%, то необходимо использовать дугогасящие реакторы со ступенчатым регулированием индуктивности. Плавное регулирование индуктивности реактора используют, в случае изменения емкостного тока замыкания на землю более чем на 10%. Регулирование осуществляться вручную или автоматически. Автоматическая настройка рекомендуется в сетях 35 кВ при емкостном токе замыкания на землю более 10 А, а в сетях 6-10 кВ при емкостном токе более 50 А [25-27]. Дугогасящие реакторы настраиваются на ток компенсации, равный емкостному току замыкания на землю. Осуществляется резонансная настройка, так же допускается настройка с перекомпенсацией. Индуктивная составляющая тока замыкания на землю не должна превышать 5 А, а степень расстройки - 5%. Когда используются в сетях 6-20 кВ дугогасящие реакторы со ступенчатым регулированием, имеющие большую разность токов смежных ответвлений, то индуктивная составляющая тока замыкания на землю допускается в пределе не более 10 А

Повышение безотказности систем посредством их избыточностей

Электрическая энергия используется во всех видах деятельности человечества. Обеспечение электрической энергией осуществляется посредством систем электроснабжения. Особое место представляют системы электроснабжения промышленных предприятий, состоящие из многочисленного числа отдельных элементов. Они ограничиваются по верхнему уровню напряжения границей раздела предприятие-энергосистема, а по нижнему -напряжением 0,4 кВ. Основное количество оборудования сосредоточено на нижнем уровне. Практически всегда число элементов системы электроснабжения увеличивается в направлении от границы раздела с энергосистемой до конечных электроприемников. Из-за совершенствования технологического процесса, использования механизации и автоматизации она постоянно усложняется. В общем случае любое промышленное предприятие можно рассматривать с позиции технической организационной системы, состоящей из отдельных подсистем. Все подсистемы между собой функционально взаимосвязаны. Каждая из подсистем характеризуется наличием целей противоречивости развития. В качестве примера может служить безотказность подсистем и экономичность обеспечения электрической энергией приемников. Повышение безотказности достигается за счет наличия избыточностей. Их обеспечение связанно со значительными затратами. Экономичность направлена на сокращение всех возможных затрат до минимума. Избыточности, такие как структурная, временная, информационная ослабляют функциональные взаимосвязи не только между подсистемами, но и их элементами.

Системы электроснабжения промышленных предприятий выполнены на переменном токе. Для получения постоянного тока необходимо применять преобразовательные установки, аппаратуру управления и защиты, оборудовать специальные помещения. Естественно расходы на эксплуатацию приемников постоянного тока будут обходиться дороже. Схемы систем электроснабжения предприятия определяются его генеральным планом, уровнем напряжения и естественно нагрузкой. Они зависят от условий присоединения к энергосистеме. Электрическая энергия – это продукт электроэнергетических систем. Как для любой продукции, выпускаемой предприятиями, к ней предъявляются соответствующие требования. Поэтому обеспечение необходимого качества электрической энергии имеет большое технико-экономическое значение. В нашей стране качество электрической энергии определяет ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Этот документ устанавливает показатели норм качества электроэнергии систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц. Нормы служат также уровнями электромагнитной совместимости для негативных электромагнитных помех в системах электроснабжения. Их выполнение обеспечивает электромагнитную совместимость функционирования электрооборудования в системе. Оценку соответствия показателей качества необходимо производить в течение 24 ч. Вопросы качества электрической энергии требуют тщательной разработки и изучению происходящих при этом явлений. Особо большие трудности вызывает отсутствие измерительных приборов, необходимость методов измерения. Происходит это с возникновением влияния случайного характера изменения нагрузок, что в свою очередь требует использования статистических приборов, соответствующей обработки полученной информации, использования вероятностно-статистических методов расчета. В нынешних условиях следует считаться с действительным составом приемников электрической энергии, проводить соответствующий анализ функционирования систем электроснабжения. Для всего этого необходимо использовать возможные способы и средства контроля и методы расчета. Так регулирование напряжения при его отклонении на зажимах элек-троприеника зависит от целого ряда факторов. К ним относятся: величина напряжения источника питания, потери напряжения в элементах сети от источника питания до электроприемника, наличия регулирующих устройств трансформаторов, состава электрооборудования и режимов его работы. Обеспечить необходимый уровень напряжения можно изменением величины любого из перечисленных параметров. Естественно это требует значительных затрат, которые связанны с технико-экономическим анализом выбора изменения соответствующего параметра.

Для систем электроснабжения безотказность в обеспечении энергией электрической приемников является основной задачей функционирования системы. Рациональный выбор варианта системы электроснабжения относительно уровня надежности применим только в случае, если перерыв в обеспечении электроэнергии у потребителя сказывается в виде экономического ущерба. Причем если экономический ущерб вызван количественно-качественным ограничением выпускаемой продукции предприятием. Когда перерывы в электроснабжении представляют опасность для жизни людей их здоровья или недопустимы на уровне государства, то выбор варианта схемы электроснабжения путем использования технико-экономического анализа с учетом ущерба теряет смысл. Надежность характеризуется комплексом показателей. Чтобы оценить функционирование системы относительно надежности, то необходимо использовать соответствующие параметры. Их выбор определяется особенностями предприятий и требованиями, налагаемыми на систему электроснабжения. Основным требованием служит безотказность системы и ее оборудования. Она характеризуется безотказной работой системы в течение определенного времени, года, суток и т.д. Требуемый уровень надежности электроснабжения определяется затратами на образование избыточностей в системе, создающих резервные связи. Затраты должны быть минимальны.

З= min(pнК+Сэ), при условии Р() Рmin, доп (), где Рmin, доп () - минимальная допустимая вероятность безотказной работы относительно, рассматриваемой подсистемы, отдельной единицы оборудования, приемника электрической энергии и т.д.

Однотипные параметры надежность в системе ее отдельных подсистем, электрических соединений, узлов, электрооборудования, приемников электроэнергии не одинаковы. Если систему электроснабжения разделить на уровни, как это представлено в [205], то наименшее значение параметров характеризующих наработки будет для нижнеьго уровня. На границе раздела предприятия с энергоснабжающей организацией вероятность работы будет наибольшей.

Использование вероятностного подхода в виде надежности позволяет определять структурную взаимосвязь элементов системы. Решение такой задачи выполним в общем виде, не привязываясь к конкретным схемам электроснабжения и условиям их работы. При этом, рассматриваемое соединение, узел, отдельный элемент, приемник будем характеризовать такими вероятностными параметрами, как наработка на отказ , время восстановления , частота отказов , вероятность работы р, вероятность отказа р, плотности вероятностей наработки на отказ () и времени восстановления отказов (). Элементы системы в отношении надежности могут соединяться последовательно или параллельно, но возможны случаи не относящиеся ни к последовательному ни к параллельному соединениям. Чтобы оценить структурную взаимосвязь элементов в системе предварительно в общем виде рассмотрим последовательное соединение. Независимо от соединения элементов в системе вероятность их работы Рп определяется произведением вероятностей наработок на отказ элементов т.е. Рп=ПГ=і Pi. Противоположное событие, вероятность отказа равна Рп=1- Рп. В данном случае подразумевается, что отказы по длительности перекрываются между собой. В действительности для электрических систем это невозможно. С отказом одного элемента для последовательного соединения не возможна передача энергии к приемникам. Если это так, то вероятность для последовательного соединения равна сумме отказов отдельных элементов Рсум=Т,?=1 pi. Вероятность работы - Рсум=1-Рсум. В тоже время с увеличением числа элементов в последовательном соединении и стремлении его к бесконечности вероятность суммы отказов будет больше единицы, а в действительности это невозможно. Для технических систем, а тем более систем электроснабжения число элементов в последовательном соединении небольшое, причем их наработки на отказ превышают продолжительности отказов в сотни тысячи раз. Поэтому для анализа последовательных соединений систем целесообразно использовать второй подход расчетов. Он позволяет осуществлять расчеты по вероятности и частоте отказов, что относительно проще первого подхода. Относительная ошибка расчета между первым и вторым подходами будет др=(РП-Рсум)100%/РП. Ошибка тем меньше, чем меньше число элементов в соединении и больше по отношению к времени восстановления отказов длительностей наработок на отказ. Абсолютная ошибка для электрических систем в данном случае составляет менее тысячных величин от вероятности наработки на отказ рассматриваемого соединения, а относительная ошибка еще в тысячи раз меньше. Следовательно, необходимо применять второй подход. Решение осуществлять, используя частоту отказов соединения. Это является более правильным, так как отказ может быть связан с восстановлением нескольких единиц оборудования. При таком подходе зависимости частоты и вероятности отказов, отображающие последовательное соединение элементов системы отобразятся в виде

Анализ вероятностных параметров электрооборудования с учетом средств управления и защиты систем электроснабжения

Номенклатурные изменения, установленные в соответствии с первым и вторым этапами, могут быть осуществлены только в течение длительного промежутка времени. Это вызвано тем, что на практике, как правило, подобные изменения зависят от трудностей объективного и субъективного характера. Поэтому необходимо выполнение следующего этапа третьего - так называемого верификации. Чтобы осуществить этот этап анализа, то необходима статистическая информация за относительно длительный промежуток времени. Ее использование позволит получить зависимость изменения параметра р видового распределения во времени t. В той же системе координат системе координат совместно с зависимостью (3(t) следует построить зависимость характеризующую показатель оценки эффективности функционирования системы, например, вероятность отказов P(tj или прибыль E(tj. Желательно, чтобы расхождение между зависимостями P(t) и P(t) или E(t) было минимальным. Если взаимообусловленность значима, то сопоставление временных значений зависимостей позволит сделать важные выводы по оценке функционирования системы. На рис.2.47 стрелками показано оптимальное значение параметрического коэффициента р.

Все рассмотренные этапы анализа непосредственно связаны с номенклатурной оптимизацией. В повышении эффективности функционирования систем кроме номенклатурной оптимизации не маловажное значение имеет и параметрическая оптимизация. Для этой цели служит следующий этап - четвертый. Номенклатурная оптимизация связана с изменением набора типов электрооборудования, параметрическая - с изменением параметров отдельных типов электрооборудования. Между этими этапами анализа существует жесткая взаимосвязь. Один этап анализа практически нецелесообразно осуществить без другого, потому что они фактически дополняют друг друга.

Для любого техноценоза может быть теоретически принято идеальное ранговое параметрическое распределение. Идеальное распределение всегда будет отличаться от реального распределения (рис.2.48). Это вызвано объективными и субъективными обстоятельствами отображающими формирование электроценоза. Установив по «идеальному» и реальному видовым распределениям типы электрооборудования, вызвавшие отклонения распределений друг от друга определяются параметрические ранги этих типов оборудования. Принятые мероприятия должны быть направлены на сближение реального распределения с «идеальным». Если такую оценку осуществить по всем анализирующим параметрам, то можно технико-экономически обосновать комплекс требований связанных с модернизацией используемых типов электрооборудования или его замене. Выбор решения поставленной задачи определяется конкретными условиями. Однако в общем случае оно состоит в том, что по видовому распределению выявляется численность, а по ранговому устанавливается тип необходимого оборудования. Затем используя табулированные распределения, определяют значения параметров, которыми должно обладать оборудование.

В практических условиях параметрическая оптимизация кроме рассмотренных операций (этапов) осуществляется путем использования еще дополнительных двух этапов. Для этой цели параметры, характеризующие электроценоз, необходимо разделить на две группы. К первой группе следует отнести видообразующие параметры, а ко второй – функциональные (параметрические). К видообразующим параметрам относятся: мощность, номинальное напряжение, частота, стоимость, безотказность и т.д. Параметрические параметры присущи типам оборудования, отображая его функциональные признаки. Параметрический анализ относится к пятому этапу исследования. Для его осуществления используются совместно ранговые видовые и параметрические видообразующие распределения. Суть пятого этапа заключается в установлении связи между видовым и параметрическим распределениями. Он позволяет определить требования к значениям параметров и численности типов электрооборудования. Осуществляется это следующим образом. В одной и той же системе координат строятся ранговые видовое и параметрическое распределения, а также график, связующий видовой и параметрический ранги. С его использованием оказывается возможным по численности типов электрооборудования определять значения его видообразующих параметров. Возможно и обратное: зная значения параметров электрооборудования устанавливать величины его мощностей. Рассмотренная комбинация анализа пятого этапа представлена на рис.2.49.

Шестой этап характеризуется оптимизацией функциональных параметров процесса эксплуатации электрооборудования. К ним относятся такие параметры как безотказность, экономичность, совместимость и т.д. По данным параметрам осуществляется оптимизация управления функционированием электрооборудования на системном уровне. Анализ осуществляется не на основании значений распределения оптимальных параметров электрооборудования, а путем использования аппроксимирующей зависимости. В данном случае может быть использована интервальная оценка, значения которой ограничены доверительными интервалами относительно аппроксимирующей зависимости (рис.2.50).

Ранговый анализ базируется на статистических данных, выраженных в виде техноценозов (глобальных распределений). В качестве основных критериев для его оценки используются видовые и ранговые распределения. Оптимизация электроценозов (сглаживание распределений) достигается посредством организационно-технического воздействия на функционирование системы за счет образующих ее элементов.

Технико-экономический анализ вынужденных остановок электроприемников жестких систем электроснабжения

Для решения данной задачи поступим следующим образом. Построим зависимость Ксм от правой части выражения (4.16) (рис. 4.6). Сменный коэффициент состоит из двух составляющих К и (КСЭРСЭ SSLi КІ Рi) JQ P(0)d Є. Первая составляющая является постоянной величиной, вторая - переменной. Она зависит от времени восстановления системы электроснабжения, вызванного отказами электрооборудования. Для второй составляющей необходимо учитывать функцию распределения длительностей отказов электрооборудования. На разных предприятиях функции распределения отображаются разными законами распределения. В нашем случае это логарифмический закон распределения. Учитывая законы распределения по (4.16) построены в трехмерном измерении поверхности сменного коэффициента машинного времени рис. 4.7-рис.4.12. Их использование наглядно отображает какая часть отказов ощутимо влияет на сменный коэффициент машинного времени. В зависимости от соотношения составляющих правой части (4.16) могут быть использованы разные выражения для определения сменного коэффициента машинного времени. Они соответственно равны

Сравнение результатов выполненных по (4.16) и выражениям (4.17)-(4.19) осуществим для экспоненциального закона распределения, как из самого простого из рассматриваемых законов. Потому, что в данном случае средняя длительность отказов не будет зависеть от их сокращения на величину д и неучета отказов длительность которых меньше д. При расчете сменного коэффициента по (4.16) величина ошибки Ксм будет наименьшей (рис 4.6, а). Во втором случае при использовании выражений (4.17)-(4.19) полученная кривая графика (рис 4.6, б) относительно первой кривой, начиная с 101,8 час. смещается. Величина ошибки расчетного значения КСМ увеличивается. Анализ свидетельствует, что на форму зависимости сменного коэффициента влияет значение времени восстановления системы электроснабжения. При малых имеет место I прямолинейного участка (рис.4.6). В данном случае можно использовать выражение (4.17).

Экономически оправданное КСМ находится в пределах I участка и при переходе I во II участок. При анализе системы электроснабжения и применении структурной избыточности в данном случае значение сменного коэффициента оптимально. С увеличением времени восстановления отказов в системе электроснабжения прямолинейный характер зависимости КСМ нарушается. Это участки графика II и III. Для их расчета можно использовать формулы (4.18)-(4.19). Однотипные коэффициенты, входящие в зависимость (4.16) для каждой отдельной единицы электрооборудования отличаются между собой. Ощутимое влияние на работу электрических приемников оказывают отказы электрооборудования соответствующие длительностям (10-5-10-7) час.

В связи с этим наибольшее влияние на сменный коэффициент машинного времени технологической машины оказывают коэффициенты готовности по группе последовательных и параллельных перерывов, если система не обладает структурной избыточностью (не обладает резервом). А также значения степени взаимосвязи, показывающие, во сколько раз уменьшается вероятность остановок рабочих машин от отказов электрооборудования, подлежащего резервированию.

На изменение сменного коэффициента машинного времени оказывают влияние соотношения параметров К, КСЭ и Кi . Они индивидуальны при оценке отказов для каждого типа электрооборудования. Это прослеживается на графиках рис. 4.7-4.15, построенных для разных законов распределения длительностей отказов. При построении графиков учитывалось, что среднее значение наибольших величин длительностей отказов соответствовали их появлению с вероятностью 0,05. Если время устранения отказа относительно небольшое, что не требует перехода на резервное электрооборудование, то закон распределения отказов практически не влияет на значение сменного коэффициента машинного времени. С увеличением времени восстановления отказов электрооборудования электрической системы, закон распределения отказов сказывается на работе приемников электрической энергии. Чаще вынужденные остановки приемников будут наблюдаться при усеченно– нормальном распределении длительностей отказов электрооборудования, реже экспоненциальном законе распределения. В качестве иллюстрации на рис. 4.10 и рис.4.11 приведены зависимости сменного коэффициента технологических машин при логарифмически-нормальном и усечено-нормальном законах распределения. Увеличение параметров, характеризующих законы распределения вызывает видоизменение поверхностей и их смешение вдоль координатных осей. Это говорит о том, что учет сменного коэффициента является необходимым при анализе систем электроснабжения с избыточностями. При различных законах распределения его влияние неодинаково. Без наличия структурной избыточности самым нежелательным является усечено-нормальный закон распределения. В данном случае происходит наибольшее количество длительных отказов в системе. После введения структурной избыточности в систему электроснабжения наибольший эффект от этого будет наблюдаться именно при этом законе распределения. В расчетах сменного коэффициента машинного времени при логарифмически нормальном законе распределения отказов необходимо учитывать среднеквадратическое отклонение , а усечено-нормальном и нормирующий множитель . Значение сменного коэффициента будет увеличиваться с ростом этих параметров.