Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Краткий обзор существующих методов определения показателей надежности электроэнергетических систем 11
1.2. Оценка показателей надежности предприятий промышленного комплекса методом пространства состояний 29
1.3. Оценка надежности защитно-коммутационной аппаратуры электроэнергетических систем 41
1.4. Выводы 45
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЙ ОТКАЗА КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ И АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА НА ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СХЕМ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 47
2.1. Классификация и вычисление вклада одно-, двух- и трехэлементных сечений в результирующие показатели структурной надежности схем систем электроснабжения предприятий промышленного комплекса 47
2.2. Разработка классификации сечений с учетом отказов срабатывания коммутационных аппаратов в схемах электроснабжения промышленных предприятий 58
2.3. Разработка классификации сечений с учетом отказа срабатывания автоматического включения резерва 66
2.4. Выводы 69
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФОРМИРОВАНИЯ КЛАССОВ СЕЧЕНИЙ С УЧЕТОМ ОТКАЗОВ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ И АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА 70
3.1. Алгоритм формирования новых классов сечений в схеме электроснабжения предприятий промышленного комплекса с учетом отказов срабатывания коммутационной аппаратуры и автоматического включения резерва 70
3.2. Алгоритм формирования сечений, содержащих не более двух отказавших элементов 82
3.3. Примеры работы алгоритмов формирования новых классов сечений 84
3.4. Выводы 88
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ПРИ РАСЧЕТАХ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 90
4.1. Программный комплекс для оценки показателей структурной надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса 90
4.2. Расчет показателей надежности схем систем электроснабжения Волжского автомобильного завода 100
4.2.1. Определение показателей надежности трехтранс форматори ой подстанции 101
4.2.2. Оценка надежности схемы электроснабжения двухтрансформаторной подстанции 106
4.3. Анализ и способы повышения уровня надежности схемы системы
электроснабжения автомобильного завода 112
4.4. Выводы 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЯ К ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ 133
Приложение 1. Расчет показателей надежности трехтрансформаторной подстанции 134
Приложение 2. Расчет показателей надежности двухтрансформаторной подстанции 160
Приложение 3. Результаты сравнения с известными методами расчета 174
Приложение 4. Расчет экономического ущерба от недоотпуска электроэнергии 181
Приложение 5. Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы 186
- Краткий обзор существующих методов определения показателей надежности электроэнергетических систем
- Классификация и вычисление вклада одно-, двух- и трехэлементных сечений в результирующие показатели структурной надежности схем систем электроснабжения предприятий промышленного комплекса
- Алгоритм формирования новых классов сечений в схеме электроснабжения предприятий промышленного комплекса с учетом отказов срабатывания коммутационной аппаратуры и автоматического включения резерва
- Программный комплекс для оценки показателей структурной надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. Надежное функционирование потребителей электроэнергии образует одну из основ успешного развития экономики ; страны в целом. Вопросы надежности электроснабжения в настоящее время вызывают огромный интерес во всем мире, им посвящается большое количество работ, как в России, так и за рубежом. Исследованию надежности систем электроснабжения посвящены работы Д.А, - Арзамасцева, Л.И. Волгина, Н.И. Воропая, Ю.Б. Гука, К.С. Демирчяна, В.В. Зорина, Н.А. Казака, В.Г. Китушина, Б.И. Кудрина, Э.А. Лосева, Л.А. Мелентьева, А.В. Мясникова, И.В. Недина, В.П. Обоскалова, В.И. Попкова, М.Н. Розанова, Ю.Н. Руденко, И.А. Рябинина, Ф.И. Синьчугова, В.В. Тисленко, ЮА. Фокина и многих других ученых. Несмотря на большое количество проведенных исследований в области надежности, в современных условиях актуальность этой проблемы не снижается. Связано это как с развитием технического прогресса в электроэнергетике, так и с подключением новых потребителей.
В настоящее время, когда в России происходит реформирование отрасли энергетики, направленное на развитие конкуренции, вопросы надежности становятся еще более актуальными, т.к. фундаментально меняются сущность и объем использования передающих электрических систем. Опыт реформирования систем электроснабжения в разных странах показал трудности и проблемы, встречающиеся на этом пути, свидетельством чему служат многочисленные аварии в ряде стран. Вследствие этого, обеспечение надежного функционирования и бесперебойного электроснабжения потребителей является важной задачей отрасли энергетики и государственной политики в аспекте энергетической безопасности страны.
Предприятия промышленного комплекса являются крупными потребителями электрической энергии и отличаются повышенными требованиями к качеству электроснабжения, поэтому важность устойчивого и бесперебойного электроснабжения является одним из факторов экономически эффективного функционирования предприятия. В связи с этим, важное значение приобретают задачи по оценке надежности схем систем электроснабжения, следовательно, и вопрос разработки методики оценки и анализа структурной надежности предприятий промышленного комплекса, позволяющих более эффективно и с меньшими вычислительными затратами решать задачи оценки структурной надежности.
Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования предприятий путем разработки методики оценки и анализа структурной надежности схем систем электроснабжения предприятий промышленного комплекса, учитывающей отказ защитно-коммутационной аппаратуры.
В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи исследования:
1. Построение модели функционирования сложной электрической
системы с точки зрения надежности, учитывающей отказы защитно-
коммутационной аппаратуры схем электроснабжения предприятий
промышленного комплекса.
2. Разработка инженерной методики оценки показателей надежности
и рекомендаций по ее использованию.
З.Расчет показателей структурной надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса на основе предложенной модели.
4. Разработка и апробация алгоритма оценки надежности и реализация его в виде комплекса программных средств.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования отечественных и зарубежных ученых, нормативные документы, материалы научно-практических конференций, периодических изданий.
В процессе исследования использовались положения теории вероятности, теории надежности, теории графов, математической статистики, теории массового обслуживания, опыта эксплуатации, математического программирования и экономического анализа.
Достоверность результатов подтверждается применением для теоретических исследований строгих научных положений теории вероятности, теории надежности, теоретических основ электротехники, математической статистики; уровнем допущений, принятых при разработке математических моделей, и их согласованностью с физическими процессами систем электроснабжения; хорошей сходимостью результатов расчетов по полученным формулам с результатами, полученными по известным методам расчета; апробацией как предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель функционирования сложной системы, определяющая поток повреждений (нарушений работы) и восстановлений с точки зрения надежности.
-
Методика расчета показателей структурной надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса, реализованная в виде программно-вычислительного комплекса.
3. Классификация сечений, учитывающая отказ коммутационной
аппаратуры и автоматического включения резерва.
4,Оценка и анализ надежности действующих схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса.
Научная новизна работы:
1. Построена модель функционирования сложной системы с точки
зрения надежности и рассмотрен эффективный метод перечисления
состояний отказа в рамках принятой модели.
-
Разработана классификация сечений, учитывающая отказ срабатывания защитно-коммутационной аппаратуры.
-
Предложена инженерная методика оценки структурной надежности систем электроснабжения предприятий промышленного комплекса, отличающаяся повышенной эффективностью вычисления в сравнении с имеющимися методиками.
-
Разработан и апробирован алгоритм численной оценки показателей надежности и выбора наиболее предпочтительного варианта схемы системы электроснабжения.
Практическая ценность работы:
-
Предложены рекомендации, применение которых обеспечивает эффективность функционирования систем электроснабжения промышленных предприятий при реконструкции и модернизации электрооборудования.
-
Полученные компьютерные программы по предложенному алгоритму в прикладном плане позволяют оценить показатели структурной надежности схем систем электроснабжения потребителей на стадии проектирования, эксплуатации и в учебном процессе.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ «Урал» и губернаторского конкурса Челябинской области. Разработанные в диссертационной работе методика и алгоритм оценки надежности систем электроснабжения реализованы в виде комплекса программ на ЭВМ, зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (номер отраслевой и государственной регистрации: № ОФАП -5030, 5031, № госрегистрации - 50200501Ї65, 50200501166) и внедрены на ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «Волжская межрегиональная распределительная компания», филиал ЖЭС, что подверждается актами выполненных работ. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета и в Ченстоховском политехническом институте (Польша).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, ТГУ, 2004), Всероссийской научной конференции «Алгоритмический анализ неустойчивых задач» (Екатеринбург, ИМ УРО РАН, УрГУ, 2004), Международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (Ульяновск, УлГТУ, 2005), V Международной
научно-технической конференции «Эффективность и качество
электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005), на
кафедре «Электроснабжение, промышленных предприятий» и научных
семинарах электротехнического факультета Тольяттинского
государственного университета.
Публикации. По результатам работы опубликовано 17 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах основного текста, содержит 43 рисунка, 22 таблицы. Список использованной литературы включает 127 наименований.
Краткий обзор существующих методов определения показателей надежности электроэнергетических систем
Надежность - это свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования [ 1 ]. Применительно к электрическим системам - бесперебойное снабжение электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества и исключение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды [1, 60]. Под объектом понимается как отдельный элемент (линии, трансформаторы, выключатели и т.д.) электроэнергетической системы, так и объединение элементов - станция, подстанция и т.д. Составляющую, обусловленную структурой системы, т.е. составом элементов, их взаимосвязями, пропускными способностями, без количественного учета режимных особенностей функционирования элементов, т.е. особенностей выполнения ими функций в системе, называют структурной надежностью [1, 60].
Проблема оценки и выбора рациональной степени надежности систем электросиабжения является одной из наиболее важных проблем на современном уровне развития электроэнергетики. Этим и определяется повышенный интерес к проблеме надежности в разных странах.
В России и за рубежом было издано большое количество книг и публикаций по теории надежности [6, 13, 16, 17, 37, 55, 64, 75, 91 и т.д.]. Основу математической теории надежности в России заложили Б.В Гнеденко, Ю.И. Беляев и А.Д. Соловьев [17], за рубежом Р. Барлоу и Ф. Прошан [6].
Первые публикации по применению теории вероятности к задаче по обеспечению надежности появились в 30-х годах, т.к. возникла потребность в количественной характеристике аварийных ситуаций и их последствий. Для получения таких характеристик требовалась теория, позволяющая прогнозировать и рассчитывать поведение систем при определенных условиях в будущем. Такой теорией явилась теория надежности. Истоки развития теории надежности можно отнести ко времени второй мировой войны. Первоначально проблема надежности была сформулирована применительно к радиоэлектронным устройствам и системам автоматики. После войны первые систематические попытки изучения надежности были сделаны в электронной, ядерной и космической промышленности, где от систем, сложность которых постоянно увеличивалась, требовалась высокая надежность. Далее, по мере накопления опыта формализации задач и распространения на другие отрасли техники, теория надежности постепенно стала приобретать черты общей научной дисциплины, поэтому в настоящее время методы теории надежности используются в различных областях техники, в том числе и в электроэнергетике.
class2 ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЙ ОТКАЗА КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ И АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА НА ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СХЕМ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА class2
Классификация и вычисление вклада одно-, двух- и трехэлементных сечений в результирующие показатели структурной надежности схем систем электроснабжения предприятий промышленного комплекса
В данном параграфе рассмотрим основные предположения о функционировании схемы электроснабжения промышленных предприятий, используемые при построении модели функционирования с точки зрения надежности и уточнении классификации сечений для вычисления результирующих показателей надежности.
Построим модель функционирования схемы электроснабжения с точки зрения надежности, опираясь на [118].
Каждый из элементов (силовой трансформатор, выключатель, разъединитель и т.д.) схемы системы электроснабжения предприятий промышленного комплекса может находиться с учетом планово-предупредительных ремонтов в одном из следующих состояний 1а, ae{C,V, N,R,S}) где JN - состояние нормальной работы элемента I электрической системы L, Is - состояние между отказом элемента / и завершением оперативных переключений (отказ элемента типа «короткое замыкание»), 1R - состояние аварийного ремонта элемента / (отказ элемента типа «обрыв цени»), 1С - состояние капитального ремонта (преднамеренного отключения) элемента I, 1У - состояние текущего ремонта (преднамеренного отключения) элемента .
Алгоритм формирования новых классов сечений в схеме электроснабжения предприятий промышленного комплекса с учетом отказов срабатывания коммутационной аппаратуры и автоматического включения резерва
В предыдущей главе разработана классификация сечений 20 классов с учетом отказов срабатывания коммутационной аппаратуры и автоматического включения резерва (защитно-коммутационной аппаратуры), учета текущего и капитального ремонтов, получены формулы для вычисления вклада элементов новых классов (вычисления вклада соответствующих СОСТОЯНИЙ отказа) в результирующие показатели надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса (вероятность состояния отказа системы Р и средний параметр потока отказов системы /). Разработанная классификация позволяет уточнить классификацию [21].
Оценка показателей надежности сводится не только к получению формул для вычисления вероятности состояний отказа и параметра потока отказов системы, но и к формированию классов сечений. Вопросам разработки алгоритма поиска классов сечений и посвящена данная глава.
Программный комплекс для оценки показателей структурной надежности схем электроснабжения предприятий промышленного комплекса
В данном параграфе рассматривается программный комплекс для оценки показателей надежности схем электроснабжения промышленных предприятий, разработанный на основе предложенных во второй и третьей главах методики и алгоритмов расчета надежности схем систем электроснабжения.
Программный комплекс позволяет автоматизировать процесс расчета надежности и выполнять оценку показателей надежности схем электроснабжения с минимальными затратами времени. Комплекс состоит из двух программ: «Формирование классов сечений для вычисления результирующих показателей надежности» [83] и «Расчет результирующих показателей надежности систем электроснабжения» [84], которые зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Программа «Формирование классов сечений для вычисления результирующих показателей надежности» по разрезам на основе зоны влияния и вероятности отказа срабатывания защитно-коммутационной аппаратуры по алгоритмам 1.2 и 3.1 формирует классы сечений [/,], і =1, 2, , 20. Программа написана в Delphi, может работать под MS DOS и Windows, занимает 1600 Кб, ограничений на массив элементов не существует. На основе текстового файла «Elemip.dat», в котором хранятся данные о соответствии элемента типу показателей надежности, «Tip-reli. dat», в котором хранятся исходные данные о показателях надежности элементов, программа «Расчет результирующих показателей надежности систем электроснабжения» «Reliabil.» (рис. 4.1) производит расчет по формулам, представленных в таблицах 2.2, 2.3, и формул 2.7, 2.8. Программа расчета показателей надежности написана также в Delphi и может работать под MS DOS и Windows, занимает 1500 Кб.
