автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Концептуальные основы анализа аварийности в электроэнергетических системах

На правах рукописи

Скопинцев Владимир Алексеевич

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА АВАРИЙНОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность: 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими.

Автореферат

диссертатации на соискание

ученой степени доктора

технических наук

Москва

1998

Работа выполнена в ОАО "Институт "Энергосетьпроект'

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бушуев В.В.,

доктор технических наук,

профессор Журавлёв В.Г.

Ведущ;ш организация:

доктор технических наук , профессор Фокин Ю.А. ОАО "Фирма ОРГРЭС"

Защита состоится 18 декабря 1У98 г. на заседании диссертационного Совета Д.053.16.07 в Московском энергетическом институте (техническом университете): 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14 ь 13 часов 30 минут в ауд. Г-¿01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250. г. Москва, ул. Красноказарменная. 14. Учёный Совет МЭИ.

Учннын о 'Крмтарь ди<.:01 ■[ рационного Совета Л.иь:'.. 1С, .и?

кандидат технических наук,

доцент

Арцищевский Я.Л.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы и направленность исследования. Современные электроэнергетические системы (ЭЭС) являются сложными автоматизированными техническими системами. Отечественная и мировая практика показывает., что создание и эксплуатация больших технических систем, наряду с положительным их влиянием на развитие цивилизации, приводит к нежелательным последствиям - становится заметным их негативное влияние на окружающую среду и возрастает риск возникновения аварий с тяжёлыми последствиями для человека, природной среды и производственно-экономической деятельности системы. Различают два вида воздействий. Первое из них относится к повседневной эксплуатации системы. Неизбежные при этом техногенные воздействия на водные объекты, атмосферный воздух, почвы и геологическую среду, а также отходы производства выдвигают ряд практических задач по рациональному размещению производств, созданию и освоению малоотходных и экологически безопасных процессов, технологий и оборудования, комплексной переработки отходов производства и др.

Второй вид воздействий связан с вопросами аварийности, под которой понимается одна из характеристик работы системы, определяемая числом технологических нарушений и и>; последствиями на заданном интервале времени. Актуальность исследования данного вида воздействия состоит в том, что аварийность влияет на экономические показатели работы системы. Любое технологическое нарушение в той или иной мере приводит к нарушению технологического режима, снижению объема и качества производимой продукции или к кикоду из работы "'.цемента системы. Требуются определенные затраты на ликвидацию последствий технологического нарушения и на проведение ре-

монтно ■восстановительных работ.

Вопросы аварийности в ЭЭС непосредственно контактируют с надёжностью энергоснабжения потребителей. При высокой аварийности в ЭЭС надёжность энергоснабжения можно повысить за счёт резерва генерирующих, преобразующих или передающих энергию элементов, что, однако, приводит к необоснованным экономическим затратам на создание и содержание увеличенных резервов в системе.

Вопросы аварийности напрямую связаны с промышленной безопасностью системы - ее способностью обеспечить защиту людей, природной среды и материальных ценностей от опасных воздействий, возникающих при технологических нарушениях в этой системе. Важность данной проблемы подтверждается вводом в действие Федеральных законов "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера", "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и ряда других документов.

В электроэнергетике вопросы расследования, учёта и анализа технологических нарушений на электростанциях, в сетях и энергосистемах постоянно находятся под контролем, что отражено в руководящих отраслевых документах. Не принижая важность и полезность проводимой работы по расследованию и учету аварий и отказов следует, однако, отметить слаборазвитый аппарат анализа нарушений, что выражается в отсутствии приемлемых для практики методик анализа и прогноза аварийности, а также показателей аварийности, пригодных для оценки работы ЭЭС, как единого комплекса.

Рыночные экономические отношения, возрастающее влияние региональных органов управления и общественных организаций на разме-( щение и промышленную безопасность энергообъектов, потребность в промышленном страховании от последствии при авариях и катастрофах требуют научной проработки вопросов анализа аварийности в ЭЭС.

Цель работы. Целью настоящей работы являлась разработка методов анализа аварийности в ЭЭС, позволяющих предложить инженерные методики расчёта показателей аварийности и рекомендовать предупредительные меры по снижению тяжести последствий от технологических нарушений.

При выполнении работы решались следующие основные задачи: исследование системных характеристик ЭЭС, подлежащих учёту при ¿шалите аварийности;

классификация причин технологических нарушений и возможных последствий от них:

разработка критериев технологических нарушений в ЭЭС; исследование методов анализа и прогноза аварийности в ЭЭС; исследование сиойетв потока повреждений в ЭЭС; разработка интегральных показателей аварийности ЭЭС и методов их оценки;

ретроспективный анализ аварий на объектах энергетики и выявление зон повышенной опасности на территории России. Научная новизна. Научную новизну составляют: обобщение характеристик сложной ЭЭС, подлежащих рассмотрению при разработке показателей и методов анализа аварийности в системе;

применение регрессионной модели временных рядов для анализа и прогноза аварийности в ЭЭС;

выявление годичных циклов аварийности в энергосистемах и многолетних циклов тяжелых аварий на воздушных линиях электропередачи, на тепловых электростанциях, в тепловых сетях и на объектах газовой промышленности;

исследование свойств потока повреждений в ЭЭС; разработка функциональной модели промышленной безопасности

здергообгекта при технологических нарушениях;

Формализованные критерии и классификация технологических нарушений;

понятия и аналитические выражения для рисков последствий от технологических нарушений;

вывод расчётных формул для оценки риска возникновения чрезвычайных ситуаций в системе и безопасности энергообъектов по последствию технологических нарушений;

исследование показателей социальной безопасности энергообъектов: индивидуального показателя риска для работающих на объекте людей и интегрального показателя опасности объекта;

выявление зон повышенной опасности техногенного происхождения: повышенной коррозионной активности, механических повреждений, растепления вечной мерзлоты, энергетические коридоры.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Методы анализа и прогноза аварийности в ЭЭС по статистическим данным о технологических нарушениях на заданном периоде эксплуатации.

2. Обоснование существования годичных циклов аварийности и многолетних циклов тяжёлых аварий на знергообъектах ЭЭС.

3. Методика оценки неповреждаемости и безошибочной работы персонала в ЭЭС.

4. Методика оперативной оценки экономического ущерба от технологического нарушения.

5. Методы оценки промышленной безопасности объекта по последствию и риска возникновения чрезвычайных ситуаций в ЭЭС.

6. Методика оценки социальной безопасности объекта по статистическим данным об авариях.

7. Обоснование возникновения зон повышенной опасности техно-

генного происхождения в регионах и энергосистемах России.

8. Методика обоснования аварийного запаса материалов для проведения ремонтно-восстановительных работ на воздушных линиях электропередачи.

9. Принципы целенаправленного управления рисками последствий от технологических нарушений в ЭЭС.

10. Методика обоснования уровня сейсмостойкости злектроподс-танций.

Практическая значимость и использование полученных результатов. В основу работы вошли личные научные исследования автора, проведённые в течение ряда лет при при выполнении научно-исследовательских работ по договорам с РАО "ЕЭС России" и Минтопэнерго России. На основе методов анализа и прогноза аварийности в ЭХ составлены " Методика определения показателей аварийности в работе энергосистемы" и " Методические рекомендации по анализу и прогнозу аварийности в энергосистемах", которые прошли апробацию в энергосистемах и производственных департаментах РАО "ЕЭС России". "Методика расчёта экономического ущерба от нарушений в работе энергетического оборудования (МТ-34-70-001-95)" после утверждения правлением РАО "ЕЭС России" с 1-го января 1996 года введена в действие для использования комиссиями по расследованию технологических нарушений в работе энергетического оборудования.

Практическая значимость результатов в работе подтверждается многими примерами расчетов реальных ЭЭС, которые показывают эффективность их использования для повышения качества организации эксплуатации и разработки предупредительных мер по снижению ущерба от технологических нарушений. Результаты научных исследований могут также использоваться при рассмотрении вариантов перспектив-

ного развития ЭЭС, при лицензировании деятельности опасных производств и контроля за соблюдением требований по промышленной безопасности, при промышленном страховании риска ответственности за причинение вреда при эксплуатации опасного производственного объекта.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на семинаре - совещании "Проблемы сейсмостойкости энергетических объектов" (1995, г.Дивногорск Красноярского края), международной конференции "Безопасность крупных городов" (1996, Москва) , постоянно действующем семинаре НТО энергетиков и электротехников, секции электрических станций (199?, МЭИ), отраслевом семинаре "Актуальные вопросы эксплуатации и развития электрических сетей" (199?, Оренбург), межведомственной научно- практической конференции "Прогнозирование чрезвычайных ситуаций" (199?, Москва), на заседаниях комиссии по чрезвычайным ситуациям РАО "ЕЭС России" (1995-1997, Москва) и на рабочих совещаниях в Департаменте Генеральной инспекции по эксплуатации электростанций и сетей РАО "ЕЭС России" (1996-199?, Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы (62 наименования). Общий объём - 269 страниц.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы и направленность исследований - анализ аварийности в сложных электроэнергетических системах, включающий в себя разработку концептуальных основ и методов анализа аварийности ЭЭС, позволяющих предложить инженерные

методики расчёта показателей аварийности и предупредительные меры по снижению тяжести последствий от технологических нарушений.

Глава 1. Свойства и характеристики ЭЭС, учитываемые при анализе аварийности.

Эффективность любой технической системы в основном определяется фундаментальными её свойствами: экономичностью, надёжностью и безопасностью. Все эти свойства в той или иной мере связаны с вопросами аварийности в системе.

При изучении вопросов аварийности в ЭЭС, как единого комплекса, следует учитывать следующие её системные характеристики:

Уникальность. Проявляется в разном числе разнородных элементов каждой системы. Ограничивает использование методов исследования, ориентированных на однотипные серийные объекты, и вынуждает искать способы приведения показателей к одинаковому для всех систем эквиваленту.

Неоднородность элементов. Определяется наличием разного типа и вида оборудования, конструкций и сооружений с разными производственными характеристиками, сроками эксплуатации и уровнями надёжности.

Непрерывность развития, обновления и совершенствования. Обеспечивается постоянным проведением плановых и внеплановых ремонтов, выводом из эксплуатации отработавших свой ресурс элементов и вводом новых элементов, внедрением прогрессивных технологических и технических решений и др. при непрерывном выполнении системой производственных функции.

Адаптивность к воздействиям. Из-за разных видов резервов при отказе одного или даже нескольких элементов ЭЭС (за исключением

редких случаев "развала" системы) сохраняет работоспособное состояние при изменении некоторых рабочих характеристик и параметров. В этой связи практически все технологические нарушения расцениваются как повреждения.

Инертность свойств. Из-за большого числа элементов в системе изменение её определяющих свойств и характеристик происходит постепенно с относительно небольшой скоростью.

Иерархичность структуры и управления. ЭЭС по своей структуре, организации эксплуатации и принципам управления относится к иерархическим многоуровневым системам. Для каждого уровня существует ряд характерных особенностей и переменных, показателей и принципов.

Вероятностная природа поведения ЭЭС. Причины и последствия технологических нарушений в системе, место и характер протекания нарушения зависят от многих случайных факторов. Предсказание поведения сложной системы может иметь смысл в рамках вероятностных категорий.

Глава 2. Методы анализа временных рядов и прогноза аварийности в ЭЭС.

Приводится действующая в настоящее время классификация признаков технологических нарушений, по которым они подразделяются на функциональные отказы, технологические отказы и аварии. При анализе аварийности все причины технологических нарушений целесообразно разбить на три группы:

1. Причины нарушений, связанные с техническим состоянием оборудования, сооружений и конструкций - характеризуют состояний основных фондов и надёжность работы элементов системы.

- и -

2. Причины нарушений из-за ошибок эксплуатации - позволяют судить об уровне организации эксплуатации и квалификации эксплуатационного персонала.

3. Причины нарушений, вызванные опасными внешними воздействиями - характеризуют воздействия внешней среды на систему.

Качественный анализ по трём группам причин технологических нарушений показывает, что большинство причин имеет вероятностный характер, где случайность играет большую или меньшую роль.

В результате проявлений тех или иных причин нарушений в ЭЭС образуется поток событий - технологических нарушений, появляющихся одно за другим в случайные моменты времени. Каждое технологическое нарушение может иметь следующие последствия: социальные -последствия для людей; экологические - последствия для природной среды и технико-экономические - повреждение оборудования, затраты на ремонтные и восстановительные работы, сокращение объемов производства энергии и другие. Размер (объем) того или иного вида последствий является случайной величиной, которая зависит от характера самого объекта и многих случайных событий, сопутствующих возникновению и протеканию процесса технологического нарушения.

В практике учета технологических нарушений за определенный период эксплуатации могут приводиться число технологических нарушений, экономический ущерб от них, количество недоотпущенной энергии, объем повреждений (например, число разрушенных опор линии) и другие.

Если свести в таблицу данные о технологических нарушениях, то получим временной ряд вида:

и ^ - о 11 12 1п ~ Т

У» УО У1 У2 . . . Уп

В зависимости от целей последующего анализа статистических

данных в качестве yj может быть любое из перечисленных данных учета технологических нарушений.

Основными задачами анализа временных рядов являются выявление тенденций изменения yi во времени, объяснение механизма изменения у, и статистическое прогнозирование. Для решения указанных задач временной ряд представляется в виде регрессионной модели: у» - f (ti) + Et, i - 0,1,2,....n, (2)

где Г (t-i) - значения тренда f (tj в точках наблюдения, a ej - случайная составляющая.

С;ший простой метод нахождения тренда временного ряда основан на процедуре сглаживания с помощью многочленов, приближающих по методу наименьших квадратов группы опытных точек. Получаемый в результате сглаживания тренд изучаемого показателя аварийности имеет форму графика, по которому можно визуально качественно установить сложившуюся на периоде наблюдения тенденцию изменения показателя.

Для количественной оценки изменения показателя аварийности следует использовать методы, основанные на отыскании простой аналитической функции, наилучшим образом описывающей тренд в регрессионной модели (2). Практика анализа временных рядов показала, что в ряде задач четко проявляется наличие в тренде колебательной составляющей с вполне определенной частотой, которую не следует относить к случайной составляющей регрессионной модели. В этих случаях в качестве аппроксимирующей функции пригодна зависимость вида:

y(t) - ао + ait + Asin(ut + ф) - ао + ait + csinut + dcosut.

J ô-^ (3)

где A - / с + d и tgq» - d/c.

Предлагается алгоритм оценки неизвестных параметров функции

(3), при котором определяется частота ы колебательной составляющей тренда из условия минимума остаточной дисперсии или среднеквадратичного отклонения, т.е.

б (ы) - min.

*

Затем при фиксированном ы оценки остальных параметров функ-

ции (3) находятся путём решения линейной системы уравнений:

n n ft n

п E ti E sin utj E cos wti ao

i =0 i-0 i-0

п n n n

Е ti Et,2 E tjSin uti E ticos uti ai

i-0 i =0 .1=0 i-0 X

n n n n

Е sinuti E tjSinwtj E sin2wti E sinytjcosuti с

i=0 i-0 i-0 i-0

n n n n

к E coswti * E ticoswtj * * E sinwtiCoswtj E cos2b)tj d

i-0 i-0 i-0 i-0

п

Е У> »« о

п

Е tjyj i =0 n

к

E yjSin ojti i =0 n

*

E у¡cos utj i-0

Период колебания тренда вычисляется по формуле:

2К

Т--. (4)

*

0)

Полученная оценка тренда проверяется на статистическую значимость по критерию Фишера. В практических расчётах широкое употребление получил 5%-ый уровень значимости, иногда ограничиваются

10% -ым уровнем. Для более уверенных заключений применяют 12-ый уровень значимости.

Одним из достоинств методов анализа временных рядов, основанных на отыскании простой аналитической функции, является возможность физической интерпритации результатов.

Задача прогноза аварийности заключается в оценке возможных значений показателей аварийности за пределами периода наблюдения. При этом полагается, что найденные на стадии анализа тенденции изменения параметров будут сохраняться в течение какого-то промежутка времени. Справедливость такого допущения основана на ранее отмеченном свойстве инертности характеристик больших технических систем. Для прогноза величины показателя аварийности используются уравнение регрессии с удовлетворительным уровнем значимости, при этом симметричный доверительный интервал доверительной вероятности р задаётся границами с использованием р-квантиль распределенйя Стьюдента.

Глава 3. Циклы аварийности в ЗЭС.

Выполнен анализ аварийности по данным ежемесячной отчётности Новгородэнерго и Кузбассзнерго о числе технологических нарушений на электростанциях и в сетях по форме 16-энерго. Аналитическое приближение тренда находится в виде (Я). Полученные результаты позволяют сделать вывод о наличие в энергосистемах годичных циклов колебаний числа технологических нарушений.

Параметры годичных циклов аварийности в энергосистемах зависят от их структуры, природно-климатических условий территории, степени изношенности оборудования, режимных характеристик работы, качества организации эксплуатации и других факторов. Поэтому для

- 15 -

каждой энергосистемы присущи свои циклы аварийности.

Годичные циклы аварийности при периодическом их уточнении на основании поступающих статистических данных о технологических нарушениях могут использоваться для более рациональной организации эксплуатации: текущего планирования графиков осмотров и ремонтов, проверки работы автоматики, создания аварийного запаса материалов,составления графиков отпусков и т.д.

Проведён анализ числа тяжёлых аварий в электрических сетях ОЭС Северного Кавказа, Средней Волги и Центра, сопровождающихся массовыми повреждениями и разрушениями опор и обрывами проводов на воздушных линиях от повышенных гололедных отложений и сильного ветра. Тренд числа тяжёлых аварий хорошо описывается выражением (3). Периоды колебания трендов оказались достаточно близкими между собой и находятся в пределах 10 - 13 лет. Причины многолетних циклов тяжелых аварий, по-видимому, следует искать в циклических многолетних изменениях погодных условий на Земле. Наиболее близко они соответствуют циклам солнечной активности, которые в среднем составляют 11.06 лет за 250 лет наблюдения.

Подобный анализ числа аварий с тяжёлыми последствиями на тепловых электростанциях ОЭС Центра, Урала и Сибири, в тепловых сетях на территории бывшего СССР, а также на объектах газовой промышленности, расположенных в Центральном регионе, в Поволжье, на Урале и в Западной Сибири, позволил получить периоды колебания трендов, приведённые в табл.1.

Аварийность на этих объектах в меньшей степени связана с многолетними погодными изменениями. Теплотрассы и газопроводы преимущественно выполняются в подземном исполнении, а основное оборудование тепловых электростанций установлено в закрытых помещениях. Значительную долю причин аварий на тепловых электростан-

Таблица 1.

Периоды колебания тренда числа аварий с тяжелыми последствиями на объектах электроэнергетики и газовой промышленности.

Наименование объектов Местоположение Величина периода колебания, (число лет)

Тепловые электростанции ОЭС Центра 6,14

- 11 _ ОЭС Урала 11,6

- " - ОЭС Сибири 6,1

Тепловые сети Вся территория СССР 7,4

_ - Европейская часть СССР 7,44

_ и __ Урал, Сибирь, Средняя Азия 7,31

Объекты добычи и транспорта газа Центр 6,27

_ и _ Поволжье 5,2

_ н _ Урал 6,6

- " - Зап. Сибирь 7,7

циях составляют технические неполадки в оборудовании и ошибки эксплуатационного персонала, а на теплотрассах и газопроводах -процессы коррозии. В качестве гипотезы о природе циклов можно предположить возможность проявления принципа скользящих средне-максимальных случайного статистического ряда, сформулированного в теоремах экологии на основе прямых наблюдений в природе и обобщения эмпирических фактов.

Знание циклов аварийности в технических системах энергетики имеет практическое значение, так как своевременное принятие организационных и технических мер позволит ослабить негативные последствия от возможных аварий в неблагоприятные годы. Они должны учитываться при составлении долгосрочного графика вывода основного оборудования в капитальный ремонт. В ожидаемые неблагоприятные годы по числу тяжелых аварий вывод оборудования в капитальный ремонт целесообразно несколько ограничить. Потребуется также более тщательная проверка релейной защиты и противоаварийной автоматики, пополнение запасов материалов и средств для проведения внеплановых ремонтов, подготовка персонала и ремонтных бригад к действиям в экстремальных ситуациям и ряд других мер.

Глава 4. Интегральные показатели аварийности ЭЭС.

Исследуется поток событий в ЭЭС - повреждений, появляющихся в случайные моменты времени. Этот поток является ординарным, без последействия и характеризуется интенсивностью Х(и, под которой понимается среднее число событий, приходящееся на единицу времени для участка М, примыкающего к I. При отмеченных свойствах указанного потока число повреждений возникающих на участ-

ке времени (Ь.Ь+х), имеет распределение Пуассона:

Применительно к ежемесячной статистической отчётности энергосистем о технологических нарушениях при выборе единицы измерения М, равной 1-му месяцу, тренд вида (3) правомерно рассматривать в качестве интенсивности потока повреждений в системе. Полагается, что период наблюдения ограничен двумя - тремя годами. Это вызвано тем, что необходимо, с одной стороны, выполнить условии нр.'дст.-шителыюити выборки данных о технологических нарушениях, а, с другой стороны, на результаты анализа не должны существенно влиять процессы изменения ЗЭС в ходе её развития. При этом вторым слагаемым в (3) можно пренебречь, что согласуется с отмеченной ранее инертностью свойств и характеристик ЗЭС.

При принятых допущениях вероятность отсутствия повреждений в ЭЭС на участке (1,1+т) составляет:

Р0(Ь,х) является функцией от времени, что объясняется влиянием сезонных циклов аварийности.

Неповреждаемость ЗЭС целесообразно характеризовать средней вероятностью отсутствие повреждений за время х на периоде наблюдения, кратному периоду годичных колебаний аварийности (Т):

Р0а,т) - Р { Ха,т) - О | - ехр(-[аоГ + А' з1п(ы1+ф')]}, (6)

2А их их

где А'--бхп - , <р*--+ ф .

и 2 2

тТ

I р -ЭоХ'

РсрОпТ.т)--Р0а,х)<Л - е

тТ

АТ Л

- 51П-X

2тс Т

о

- 19 -

(т- 1.2,3). (7)

Рср(тТ,т) не зависит от Ь, однако, при сравнении оценок неповреждаемости разных энергосистем обладает недостатком - не учитываются размеры и структура сравниваемых энергосистем.

В существующей практике ежемесячной отчётности энергосистем о произошедших технологических нарушениях учитываются нарушения отдельно на тепловых электростанциях, на гидроэлектростанциях, в электрической сети и в тепловой сети. Другими словами, в структуре энергосистемы выделяется четыре подсистемы, по которым ведётся учёт технологических нарушений. Потоки повреждений каждой подсистемы представляют собой независимые пуассоновские потоки событий. Для таких потоков справедливо записать:

*а) - *Стэс)(и + А(гэс)(и + ^(эс) С-) + Х<тс)(0, (8)

где Х(тэс) (£), Х(гэс)(и. Х(эс)(0 И А(тс)(и - интенсивности потоков повреждений соответственно на тепловых электростанциях, на гидроэлектростанциях, в электрической сети и в тепловой сети энергосистемы.

Для обеспечения сопоставимости подсистем разных ЭЭС показатели неповреждаемости должны быть приведены к единому эквиваленту. Для этого введём в слагаемые (8) коэффициенты вида:

к1----(9)

где а - индекс, которые может принимать значения: (тэс) - тепловые электростанции; (гзс) - гидроэлектростанции; (эс) - электрическая сеть; (тс) - тепловая сеть;

N4 - показатель, характеризующий размер а-ой подсистемы; N](э)- эквивалент размера 3-ой подсистемы.

С учётом (9) интенсивность потока повреждений имеет вид:

*

Х(« -

ктэсАтэс

кг8с^гэс(^) + кдс^эс(Ь) + ктс^тс^). (10)

- го -

В качестве характеристики размера подсистемы принята приведённая мощность электростанций, электрической и тепловой сети, методика определения которой введена в действие приказом Минэнерго СССР от 25.01.87 г. N 51. Достоинством использования приведенной мощности является то, что она в единообразной и сопоставимой форме характеризует объём сфер обслуживания разнородных элементов

ээс.

(э)

С учётом (10) при Ы] - 10 у.е. интегральный показатель неповреждаемости 3~ой подсистемы имеет вид:

(3) -110/ИПри) )Эо I ® Г(ЮаАШТ Л -к

_ /тТ т! ^ п / Л л- У II________сЦр-

¿яИПр(я " Т ' к!

Рср(тТ.т) - е 1 ——гт~ бш-т

(И)

) Л-

(т - 1,2,3),

где МЛр(Я - приведённая мощность 3~ой подсистемы, а 3 имеет тот же смысл, что ив (9).

Неповреждаемость ЭЭС предлагается оценивать как произведение неповреждаемостей составляющих её подсистем.

Для практического использования формулу (11) можно упростить. Практика расчётов показала, что для реальных энергосистем погрешность не превышает 5%, если расчёты вести по упрощённой формуле:

-и) _ ( 10*асо

Мпр П.] Г1Л

где ао.) *-'----, гч - число технологических нарушений

Тнаел.

в 3-ой подсистеме за время наблюдения (ТНабл)-

При эксплуатации энергосистем важное значение имеют показатели бе:.ошибочной работы персонала. Ути показатели получаются из (И) или (12), если в них учитываются только те нарушения, причи-

Р.ч-ЛшТ.т) * ехр ----— |. (гп-1.2.:!) (12)

V м ) /

нами которых являются ошибки эксплуатационного персонала, а также, если ошибочные действия персонала привели к усугублению последствий нарушения, хотя первоначальная причина возникновения нарушения была иной.

Глава 5. Методика оценки экономического ущерба от технологических нарушений.

Методика разработана для получения оперативной оценки экономического ущерба от технологического нарушения при работе комиссии по расследованию аварий и отказов.

Ущерб от технологического нарушения в общем случае представляется в виде суммы составляющих:

7

У - £ У, - Бвоэ СРУб], (13)

1-1

где У1 - безвозвратные потери средств производства;

У2 - затраты на ремонтно-восстановительные работы;

Уз - потери из-за снижения производственных возможностей по выпуску продукции (упущенная выгода);

У4 - потери от ухудшения технологических параметров;

У 5 - возмещение убытков потребителям;

Уб - возмещение экологического ущерба;

У7 - возмещение социального ущерба;

Звоэ ~ возвратные суммы от сторонних виновных организаций (строительно-монтажных, ремонтных, проектных организаций, а также заводов-изготовителей оборудования) по рекламациям, от реализации материалов и частей поврежденных сооружений и оборудования и др.

Определение экономического ущерба от технологических нарушений осуществляется с целью определения экономических потерь энер-

гопредприятиями, решение вопросов страхования от последствий технологических нарушений, а также других эксплуатационных технико-экономических задач, использующих в качестве исходной информации характеристики экономического ущерба.

Глава 6. Промышленная безопасность объектов энергетики.

При исследовании промышленной безопасности объекта необходимо выполнить анализ как причин технологических нарушений, так и последствий от них. В соответствие с этим разработана функциональная модель промышленной безопасности объекта показанная на рис.1, где в нижней части сгруппированы причины технологических нарушений, а в верхней части - последствия от нарушений.

Каждая группа причин образует во времени поток воздействий на объект. Так как каждое воздействие является причиной технологического нарушения, то имеет место поток технологических нарушений в системе с интенсивностью X(t), которая для энергосистем может быть представлена аналитической зависимостью вида (3). Если в качестве единицы времени принять 1 год, то колебательной составляющей в (3), учитывающий годичный цикл аварийности, можно пренебречь. Время наблюдения (Тнаел) выбирается таким, что бы отказ от учета второго слагаемого в (3) не существенно искажал конечные результаты. При сделанных допущениях интенсивность потока технологических нарушений остается постоянной на периоде наблюдения:

X(t) - X - const, т.е. имеем стационарный пуассоновский поток нарушений.

Если за период наблюдения произошло п технологических нарушений, то

п

Л--. (14)

Тнабл

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАГНХТИ.

Штрафы

Загрязнение воздуха

Загрязнение почвы

Загрязнение воды

Для природной среды

Затраты на ремонт и восстановление

Недовыпуск продукции

Материальные потери

Заболевания

Травмы

Для объекта

Л I

Жертвы Для человека

Последствия нарувений

Объект (система) Ус Управляющее воздействие

У.

Причини нарушений 1

Опасные внешние воздействия Нарушения в оборудовании, сооружениях и конструкциях Ошибки эксплуатации

Стихийные явления Дефекты Ошибочные действия

Влияние соседних производств Износ,старение Неудовлетворительная ■организация эксплуатации Нарушение правил ТЭ и ТВ Нарушение трудовой дисциплины

Техногенные опасные зоны Некачественный ремонт

Прекращение подачи ресурсов Некачественное строительство, монтаж

Посторонние воздействия Ошибки в проектировании

Рис.1.

Все многообразие последствий от технологических нарушений на рис.1 представлены в виде трех групп: последствия для человека (хс - социальные); последствия для природной среды (хэ - экологические) и последствия для самого объекта (хТэ - технико-экономические) .

На рис.2 приведена числовая ось последствий от технологических нарушений , где о может принимать значения: з - экологические последствия; тэ - технико-экономические последствия; с -социальные последствия.

-ч-А-V-Л-у-

Отказ Авария Катастрофа

V_

-у-

Чрезвычайная ситуация

Хл

с

Рис.2.

Критерии для классификации технологических нарушений имеют

вид:

если хдз < X, < хвл, то событие есть отказ; если ХВ) < х^ < хс^. то событие есть авария; если хс^ < х^, то имеем катастрофу; если хс'з < х^, то имеем чрезвычайную ситуацию.

Числовые значения граничных точек А, В, С и С' на оси х^ для социальных (хс) и экологических (хэ) последствий во многом зависят от достигнутого на данное время технического прогресса в об-

ласти технологий и осуществляемой политики по защите людей и охране природы с учетом международных обязательств. Устанавливаться они должны нормативным путем исходя из необходимости стимулирования объектов на снижение экологической и социальной опасности.

Задание числовых значений граничных точек применительно к технико-экономическим последствиям нарушений зависит от производственно-экономических характеристик объекта и устанавливается самим предприятием.

*

Обозначим через Pm(XpXj) условную вероятность того, что в результате гп технологических нарушений на интервале времени х

суммарные последствия от нарушений Ха будут равны или превысят *

заданное значение Xj. Тогда риск того, что суммарные последствия

от технологических нарушений Х3 за время х будут равны или превы-

*

сят заданное значение Xj, равен:

(i 1 * °° (\Х)т ~\Х *

Rt(Xj>Xj) - £- е Pm(XpXd). (15)

m-i m I

Придавая значения j-c, э, тз получаем выражения соответственно

для социального, экологического и технико - экономического рис* * *

ков, где Хс и Х9 должны задаваться нормативами, а XTS устанавливается самим объектом.

Уровни безопасности объекта определяются выражением:

Вх\ъ< Xj) - 1 - Rt^tXj > Xj); (16)

Из (16) следует, что под промышленной безопасностью понимается способность объекта в сфере промышленности обеспечить приемлемые уровни социальной, экологической и технико-экономической безопасности от технологических нарушений.

Критерием чрезвычайной ситуации является: * * *

(хс > хс) V (хэ > хэ) V (хтэ > хТ8) - true (17)

При условии (17) риск возникновения чрезвычайной ситуации на

- 26 -

объекте на интервале X составляет:

-\цсХ

Г?чс(т) -1-е , (18)

Пчс

где :\чс - -- средняя интенсивность возникновения ЧС, опреде-

Тнабл.

ляемая по статистическим данным о числе чрезвычайных ситуаций (пчс) за прошедший период эксплуатации (ТНабл.)-

Приводятся примеры вычисления 1?Чс(т) для гидроэлектростанций Северного Кавказа и для нефтепровода "Коминефть".

А

Для расчёта условной вероятности Рт( ^ Х0) в (15) используется гистограмма распределения случайных величин Х^ полученная из статистических данных по выборке последствий технологических нарушений за время наблюдения. В этом случае формула для расчёта риска по з-му последствию (з-с, э, тэ) имеет вид:

ш * > Ъ) а)

¡К (Хз > Х^ - 1 - е + , (19)

(Я ->х « (лг)т / *

где ДКГ - е £- ШХ^Х^)} ;

т-1 т! 1 '

( к1 +к2 + ... + кт > 5 ) * 3-1 * ы

< Х^) - £ рк1; Р(Хз £ Хд) - £ ркх; 1=1 1-3

*

X , - 5 * ДХ.(; где ДХ^ величина разряда гистограммы; N - число разрядов в гистограмме; к1, к2,... - номера разрядов в гистограмме; рк! - вероятность попадания случайной величины Хл в к^-ый разряд гистограммы.

При \х < 1 и для приближённых оценок можно ограничиться пер-

выми двумя слагаемыми (19), т.е. принимается ДОг^О. Соответственно формула для расчёта безопасности объекта по З-ому последствию имеет вид:

(Я * -\tFiXj > Х^

Вт (Х^ < Хд) * е . (20)

Если в (19) и (20) последовательно изменять величину з -

1,2,... то можно построить статистическую функцию риска Кг^Хэ) т*

и безопасности Вх (Х2), имеющие практическое значение в ряде задач

А

по обоснованию задания нормативов X] и мероприятий, способствующих повышению безопасности объекта до приёмлемых уровней.

При оценке промышленной безопасности объектов приоритетное значение имеют вопросы защиты человека от опасности и ущерба здоровью при его профессиональной деятельности. В этой связи рассматривается методика рассчёта социального риска, основанная на анализе статистики социальных последствий при авариях на промышленном объекте.

Полагается известными статистические данные о социальных последствиях п аварий, произошедших на периоде наблюдения (Тнаел.):

Бь Б2, БЭ.....Бп (21)

По совокупности (21) составляется статистический ряд, содержащий Нр разрядов и по формуле (19) рассчитывается статисти-

(с)*

ческая функция социального риска Рт (Б), где *

Б - ц * ёБ, (ц - I, 2, ..'.,

Социальная безопасность объекта оценивается двумя показателями:

индивидуальный показатель риска (И.П.Р.) для работающих на объекте людей:

И.П.Р. - [1 - ехр(-ХГ)] / N. (22)

где N - число человек на объекте, которые могут подвергнуться негативным воздействиям при аварии;

интегральный показатель опасности (И.П.О.) объекта:

Глава 7. Зоны повышенной опасности для объектов энергетики.

Выполнен ретроспективный анализ аварий на объектах электроэнергетики и других отраслей топливно-энергетического комплекса. Результаты анализа использовались при составлении карты-схемы зон повышенной опасности для объектов энергетики.

Причинами многих аварий на объектах энергетики, приводящих к тяжелым последствиям (катастрофы, чрезвычайные ситуации), являются опасные внешние воздействия природного и техногенного происхождения. На карте-схеме показаны макрозоны на территории России, наиболее опасные по своим воздействиям на объекты. Полученные макрооценки зон повышенной опасности должны учитываться при разработке специальных мер при проектировании, строительстве и организации эксплуатации объектов ТЭК, при принятии решений по размещению сил и средств по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, при обосновании страховых фондов и др.

Рассмотрению подлежали:

- зоны повышенной опасности природного происхождения: сейсмические, сильного ветра, повышенного гололедообразования , смерчей, оползней;

- зоны повышенной опасности техногенного происхождения: повышенной внешней коррозии, растепления вечной мерзлоты, энергетические коридоры, повышенных механических повреждений. I

(23)

Я-1

Отмечается возникновение новых зон техногенного происхождения вследствие комплексного промышленного освоения территорий. К этим зонам относятся:

Зоны повышенной коррозийной активности. Происхождение этих зон связывают с совместными действиями природных и техногенных факторов. Они представляют опасность для газопроводов, нефтепроводов, теплотрасс и подземных коммуникаций объектов ТЭК. Обширная зона повышенной коррозийной активности выявлена в Нижнем и частично Среднем Поволжье, на Южном Урале. Предполагается наличие обширных зон на территории Ленинградской. Владимирской, Ивановской, Московской, Горьковской областей, что связывают с поверхностными грунтовыми водами и высоким уровнем промышленного освоения.

Зоны растепления вечной мерзлот. Функционирование объектов энергетики нарушает геокриологический режим вечномерзлых пород, на которых располагаются объекты. Результатом нарушения этого режима является растепление и потеря устойчивости грунта под основанием технологических установок, вследствие чего происходит деформация фундаментов и других строительных конструкций.

Энергетические коридоры. В непосредственной близости друг от друга проходят разнородные трубопроводы (газопроводы, нефтепроводы, продуктопроводы), линии электропередачи высокого напряжения, электрифицированные железные дороги. Общая протяженность энергетических коридоров достигает почти 5 тыс.км. Они расположены на юге Тюменской и Московской областей, в республике Коми, в Татарстане, Ставропольском крае, Волго-Вятском экономическом районе. Их опасность заключается в возможности каскадного развития аварий, а при наличии электрифицированных железных дорог и высоковольтных линий электропередач - в активизации процессов корро-

зии трубопроводов. л

Зоны повышенных механических повреждений. Отчетливо проявляются в густонаселенной местности с интенсивной промышленной и сельскохозяйственной деятельностью и связаны с повреждением газопроводов, нефтепроводов, кабельных и воздушных линий электропередачи посторонними лицами и организациями. Существуют вокруг больших городов, и особенно заметны в Московской -области, а также в районах активного земледелия Северного Кавказа.

Результаты ретроспективного анализа гшарий в энергосистемах и полученные при этом значения рисков аварий, а также ранее выявленные зоны повышенной опасности для объектов ТЭК, позволили определить зоны повышенного риска опасных внешних воздействий в энергосистемах России, которые необходимо учитывать при рассмотрении вопросов перспективного развития и при организации эксплуатации опергообъектов.

Глава 8. Применение анализа аварийности для решения практических задач.

В дополнение к многочисленным примерам, приведённым в предыдущих главах и иллюстрирующих возможности методов анализа аварийности систем, приводится решение практических задач, имеющих важное значение при организации эксплуатации ЭЭС. К числу таких задач относится обоснование аварийного запаса материалов (АЗМ) для проведения ремонтно-восстановительных работ на воздушных линиях электропередачи.

Для обоснования целесообразного объёма АЗМ в энергосистеме используется расчётная формула риска последствий (19) от технологических нарушений при наличие статистических данных о поврежде-

ниях в электрической сети за определённое время (ТНабл.). при которых возникала потребность в АЗМ. Строится статистическая функ-

*

ция риска возникновения дефицита в материалах Rt (Х>Х), и при заданном максимально возможном риске s значение X определяется решением неравенства:

Rt (Х>Х) < е. (24)

На примере Ставропольэнерго показано, что существующий норматив на АЗМ для ВЛ 110 кВ несколько завышен, а для ВЛ 6-10 кВ занижен)поэтому возможны случаи прекращения электроснабжения потребителей на длительные сроки из-за нехватки материалов в АЗМ для проведения ремонтно-восстановительных работ. Полученные выводы относятся к конкретной энергосистеме. Для других энергосистем должны быть выполнены расчёты по приведённой методике с целью обоснования требуемого объёма АЗМ.

Изложенный подход может быть использован для обоснования централизованного (страхового) АЗМ ВЛ региона, включающего в себя несколько энергосистем и предназначенного для ликвидации последствий особо тяжёлых аварий в регионе.

Расмотренный в главе 2 подход к прогнозу показателей аварийности за пределами периода наблюдения используется для текущего краткосрочного прогнозирования ожидаемого числа технологических нарушений в Кузбассэнерго и Новгородэнерго по данным ежемесячной статистической отчётности. Результаты прогноза могут быть использованы при текущем планировании организации эксплуатации и, в частности, для снижения тяжести возможных последствий от нарушений путём выполнения предупредительных мер.

Современный подход к вопросам промышленной безопасности больших технических систем должен быть основан на принципах целенаправленного управления рисками негативных последствий от техно-

логических нарушений. Решение на управляющее воздействие принимается на основе анализа аварийности, включающего в себя анализ причин технологических нарушений и выявление элементов системы с наибольшей интенсивностью потока нарушений, а также анализ последствий от технологических нарушений и существующих уровней рисков последствий. Как показано на рис.1, управляющие воздействия могут быть направлены на устранение или ослабление влияния отдельных причин технологических нарушений (УПн) или (и) непосредственно на сам объект (У0). В последнем случае управляющее воздействие предусматривает замену устаревшего оборудования, реконструкцию, установку систем диагностики, локализации аварий и т.д.

Для осуществления принципов целенаправленного управления рисками важное значение имеет нормативная база. Возможный подход к данной проблеме на основе методов анализа аварийности систем показан на примере обоснования верхней и нижней границ допустимых уровней риска возникновения аварий на объектах электроэнергетику. Показано, что для электростанций и злектроподстанций приемлемые уровни рисков возникновения аварий расположены в диапазоне:

Кдол. ав - 1*Ю~2 - 1*10~4 , а для линий электропередачи - в диапазоне:

Ядоп.ав - 2*1СГ2 - 2*10~3 .

При этом необходимо заметить, чем больше по тяжести возможные последствия от аварий (особенно социальные и экологические), тем больше уровень риска должен приближаться к минимальному значению.

При проектировании новых и реконструкции старых электроподстанций, расположенных в сейсмоопасных зонах, актуальным является вопрос обоснования уровня сейсмостойкости основного оборудования и строительных конструкций. Решение возможно на основе оптимиза-

ции величины ожидаемого ущерба от землетрясений (Уож) за срок службы объекта (Хс.с) и дополнительных капитальных затрат для повышения уровня сейсмостойкости (ДЗО т.е.

(25)

где 1 - уровень сейсмостойкости злектроподстанции в баллах. Ожидаемый ущерб от опасных землетрясений равен:

Уож - ~ (26)

1 Ъ.

где у, - величина ущерба на объекте от землетрясения с 1-ой интенсивностью;

Т1 - повторяемость опасных землетрясений с х-ой интенсивностью, оцениваемая по эмпирическому закону повторяемости землетрясений в рассматриваемом районе.

Дополнительные капитальные затраты для повышения сейсмостойкости объекта определяются по данным заводов - изготовителей оборудования и строительных конструкций об удорожании при изготовлении их в сейсмостойком исполнении.

Исходными данными для решения большинства задач анализа аварийности в энергетической системе являются статистические данные о числе, месте, причинах и последствиях технологических нарушений. Учёту подлежат не только крупные аварии, но и более мелкие технологические нарушения. Крупные аварии являются , как правило, результатом совпадения крайне маловероятных событий. Нет никакой гарантии того, что, на первый взгляд, лёгкое по последствиям технологическое нарушение при других обстоятельствах и неблагоприятных условиях может перерасти в тяжёлую аварию.

При наличии статистической информации о технологических нарушениях в ЭЭС за ряд лет эксплуатации результаты анализа аварийности в системе позволяют более обоснованно принимать решение по

таким важным вопросам, как разработка мер по экологической безопасности энергообъектов, разработка мероприятий по снижению аварийности в системе, оценка влияния аварийности на технико-экономические показатели работы предприятий, страхование от последствий аварий и катастроф, подготовка персонала к действиям в экстремальных ситуациях и др. Всё это позволит повысить эффективность работы ЭЭС.

Выводы.

1. Эффективность электроэнергетической системы определяется совокупностью свойств экономичности, надёжности и промышленной безопасности, на каждое из которых существенное влияние оказывает уровень аварийности в системе, определяемый числом технологических нарушений и их последствиями на заданном интервале времени.

2. Установлены годичные циклы аварийности в энергосистемах, параметры которых зависят от структуры системы, природно-климатических зон на её территории, степени изношенности оборудования, режимных характеристик работы, качества организации эксплуатации и других факторов. Эти циклы должны учитываться при текущем планировании графиков осмотров и ремонтов оборудования, проверки работы автоматики и релейной защиты, при создании аварийного запаса материалов, составление графиков отпусков и т.д.

3. Экспериментально установлены многолетние циклы аварийности в электрических сетях от повышенных гололёдно-ветровых нагрузок, сопровождающихся массовыми повреждениями и разрушениями опор и обрывами проводов на воздушных линиях. Период колебаний таких циклов составляет 10-13 лет.

4. Экспериментально установлены многолетние циклы аварийности с тяжелыми последствиями на тепловых электростанциях, в тепловых сетях и на объектах добычи и транспорта газа с периодом колебаний 7-8 лет.

5. Циклы аварийности в электроэнергетических системах следует учитывать при разработке организационных и технических мер,

»

направленных на ослабление негативных последствий от возможных аварий в неблагоприятные годы. Их следует учитывать при составлении долгосрочного графика вывода основного оборудования энергообъектов в капитальный ремонт, составлении графика проверки релейной защиты и противоаварийной автоматики, пополнении запасов материалов для проведения внеплановых ремонтов, подготовке персонала и ремонтных бригад к действиям в экстремальных ситуациях.

6. Для оценки уровня аварийности в энергосистеме по данным ежемесячной статистической отчётности о технологических нарушениях целесообразно применять среднюю вероятность отсутствия повреждений ва месяц на периоде наблюдения, кратному сеэонным циклам аварийности. Для практического использования получены интегральные оценки аварийности: показатели неповреждаемости и показатели безошибочной работы персонала.

7. Разработана и внедрена в практику эксплуатации методика для оперативной оценки экономического ущерба от технологического нарушения при работе комиссии по расследованию аварий и отказов.

8. Разработана функциональная модель промышленной безопасности объекта энергетики, отражающая причинно-следственные связи возникновения технологических нарушений и их последствий. Предлагаются критерии и на их основе классификация технологических нарушений в зависимости от тяжести последствий, вводятся понятия социального, экономического и технико-экономического рисков пос-

ледствий от технологических нарушений. Промышленная безопасность представляется как комплексная характеристика способности объекта в сфере промышленности обеспечить приемлемые уровни социальной, экологической и технико-экономической безопасности от технологических нарушений.

9. Получены расчетные формулы оценок рисков последствий от технологических нарушений на заданном интервале времени, позволяйте контролировать уровни безопасности энергопредприятий по статистическим данным о технологических нарушениях.

Ю. Для оценок социальной безопасности объекта наиболее приемлемыми являются индивидуальный показатель риска для работающих на объекте людей и интегральный показ£чтель опасности объекта. Предлагаемая методика позволяет рассчитать указанные показатели на основе имеющейся статистической информации об имевших место аварий с социальными последствиями за ряд лет эксплуатации объекта.

И. Рассмотрение природно-климатических характеристик регионов страны совместно с результатами ретроспективного анализа аварий на объектах энергетики позволило выделить на территории России макрозоны повышенной опасности для объектов ТЭК. Комплексное промышленное освоение территорий без учёта требований промышленной безопасности приводит к появлению техногенных зон повышенной опасности, в которых возрастает риск возникновения аварий, катастроф и чрезвычайных ситуаций. К таким зонам, в первую очередь, следует отнести зоны повышенной коррозийной активности, зоны растепления вечной мерзлоты, энергетические коридоры, зоны повышенных механических повреждений.

12. Определены макрозоны повышенного риска возникновения опасных внешних воздействий природного и техногенного характера в

энергосистемах России. Полученные макрооценки зон должны учитываться при выборе площадок для размещения новых объектов и реконструкции действующих объектов, при разработке специальных мер при проектировании, строительстве и организации эксплуатации объектов.

13. Основным критерием выбора наиболее целесообразного объёма аварийного запаса материалов в электрических сетях является уровень риска возникновения дефицита материалов для проведения ремонтно- восстановительных работ при ликвидации последствий аварий и катастроф. Разработанная методика обоснования объёма аварийного запаса материалов рекомендуется для практического использования в энергосистемах и в регионах страны с особо опасными природными воздействиями.

14. Для перехода от принципа "абсолютной промышленной безопасности" технических сложных систем к принципу "целенаправленного управления рисками" последствий от технологических нарушений необходимы разработки нормативных документов по промышленной безопасности энергетических объектов, включающих формирование паспорта безопасности объектов, предельно допустимые уровни экологического и социального рисков, условий и правил страхования объектов, организационного и правового обеспечения на случай аварий и чрезвычайных ситуаций.

15. Разработана методика обоснования уровня сейсмостойкости электроподстанций при размещении её в зоне повышенной сейсмической активности. Критерием целесообразного уровня сейсмостойкости объекта является совпадение ожидаемого ущерба от землетрясений за срок его службы и дополнительных затрат на повышение уровня сейсмостойкости объекта.

16. Проведённые исследования показали целесообразность соз-

дания централизованной базы данных по технологическим нарушениям в электроэнергетических системах, причем учёту подлежат не только крупные аварии, которые по тяжести последствий относятся к катастрофам и чрезвычайным ситуациям, но и более лёгкие технологические нарушения.

Материалы, использованные при выполнении диссертации, опубликованы ь следующих работах:

1. Скопинцев В.А. Упрощения принимаемые в математических моделях электрических систем. //Сб.:"Кибернетику - на службу коммунизму", т.8,- М. :'•Энергия1'.- 1977,- С. 227-236.

2. Савченко Р.Г., Скопинцев В.А. Иерархические уровни математических моделей энергетической системы. //Сб.:"Электрические системы и управление ими", труды МЭИ, вып. 344, 1978.- С. 72-76.

3. Васин В.П., Скопинцев В.А. Статистический подход к обоснованию аварийного запаса материалов в энергосистемах для восстановления воздушных линий // Известия РАН. Энергетика,- 1993.-N5,- С. 133-142.

4. Преображенская С.И., Радии В.П., Скопинцев В.А., Чирков В.П. Расчет оптимальных параметров системы сейсмозащиты конструкций электротехнического оборудования // Известия РАН. Энергетика. - 1994,- N 3.- С. 33-40.

5. Васин В.И., Скопинцев В.А. Проблемы промышленной безопасности объектов энергетики // Известия РАН. Энергетика,- 1994.-N5.- С. 3-18.

6. Баринов В.А., Волков Г.А., Калита В.В., Коган Ф.Л., Макаров С.'Г., Маневич A.C., Могирев В.В., Синчугов Ф.И., Скопинцев В. А. , Хвощинслсш З.Г. Совершенствование нормативов надежности функционирования электроэнергетических систем // Электричество.-1994. - N 7. С. 1-9.

'/'. Окопинцоь К. А. Акту.'ишные вопросы управления риском ъои никновения аварий на объектах энергетики // Электрические станции,- 1996. - N5.- С. 7-16.

8. Гончаров В.А., Скопинцев В.А., Хлыстов В.П. Промышленная безопасность на объектах ТЭК России // Безопасность труда в промышленности. - '1995.- N 1,- С. 38-39.

9. Скопинцев В.А. Методика оценки социальных последствий от аварий на объектах энергетики // Безопасность груда в промышленности.- 1995.- N 9.- С. 20-29.

10. Патент N 2052020, Роспатент, 10.01.1996 г. Сейсмозащитное опорное устройство для электрооборудования подстанций / Чирков В.П., Радин В.П. Скопинцев В.А., Сверчков С.С., СамогинЮ.Н., Апокина Р.Г.- 10 е.: ил.

11. Скопинцев В.А. Методика расчета экономического ущерба от нарушений в работе энергетического оборудования.

МТ-34-70-001-95,- РАО "ЕЭС России".- 1995.- 26 е..

12. Скопинцев В.А. Циклы аварийности в электроэнергетических системах // Электрические станции,- 1997.- N 7,- С. 31-37.

13. Скопинцев В.А., Морошкин Ю.В. Анализ и прогноз аварийности в электроэнергетических системах // Электричество.- 1997.-N 11.- С. 2-8.

14. Морошкин Ю.В., Скопинцев В.А. Анализ и прогнозирование аварийности в электроэнергетических системах на основе статистических методов // Электрические станции.- 1997,- N 12.- С. 2-6.

Печ. .5

Тираж {(}(}

За к; VI

Типография МЭИ. Крппюкааармопния. П.

9 /о. о/ 99

Проектно-изыскательсний и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей

"ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ"

>

' / ______________. 1ч "__

/ КАК России

' > - » !

Г. г И

Скопинцев Владимир Алек^е^ич ^ Щ/^

-г:Г : _ у^-ну^о степень ДЧУУЧ л. \

_ Т&Ш______________________наУк:

-азлекия ВАК России

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА АВАРИЙНОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность: 05Л4.02 - Электрические станции (электрическая

часть)., сети, электроэнергетические системы и управление голи.

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук --

Москва 1998

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................ 5

1. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭС, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ АНАЛИЗЕ АВАРИЙНОСТИ .................................. 11

1.1. Эффективность технической системы ............... 11

1.2. Системные характеристики сложной ЭЭС .......... 14

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ И ПРОГНОЗА АВАРИЙНОСТИ

В ЭЭС................................................ 1?

2.1. Классификация признаков технологических нарушений

и причин их возникновения ....................... 17

2.2. Задачи анализа и прогноза аварийности ........... 21

2.3. Метода анализа временных рядов .................. 24

2.4. Прогноз аварийности в ЭЭС....................... 39

3. ЦИКЛЫ АВАРИЙНОСТИ В ЭЭС .............................. 44

3.1. Годичные циклы аварийности в энергосистемах ..... 44

3.2. Циклы тяжёлых аварий в электрических сетях от повышенных гололёдно-ветровых нагрузок .......... 54

3.3. Циклы тяжёлых аварий на тепловых электростанциях, в тепловых сетях и на объектах газовой промышленности ........................................... 60

4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВАРИЙНОСТИ ЭЭС .............. 76

4.1. Особенности подхода к оценке аварийности ЭЭС .... 76

4.2. Исследование потока повреждений ЭЭС ............. 79

4.3. Интегральные показатели аварийности ЭЭС и её подсистем....................................... 84

4.4. Упрощённые формулы для оценки неповреждаемости

ЭЭС и её подсистем .............................. 89

4.5. Показатели безошибочной работы персонала ........ 96

5. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ........................................ 103

5.1. Общие положения ................................. 103

5.2. Порядок расчета экономического ущерба ........... 106

5.3. Особенности определения экономического ущерба на энергопредприятиях, обеспечивающих потребителей тепловой энергией ............................... 114

5.4. Примеры определения экономического ущерба от технологических нарушений на энергопредприятиях ---- 11?

6. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ ........ 122

6.1. Постановка задачи............................... 122

6.2. Функциональная модель промышленной безопасности объекта энергетики при технологических нарушениях 128

6.3. Классификация технологических нарушений ......... 132

6.4. Понятия рисков последствий от технологических нарушений ....................................... 136

6.5. Определение риска возникновения чрезвычайных ситуаций .......................................... 139

6.6. Оценка промышленной безопасности объекта по последствию ........................................ 144

6.7. Оценка социальных последствий от аварий на объектах энергетики........................-........ 153

7. ЗОНЫ ПОВЫШЕННОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ ____ 160

7.1. Ретроспективный анализ аварий на объектах энергетики России..................................... 160

7.2. Зоны повышенной опасности для объектов топливно-энергетического комплекса России................ 185

7.3. Зоны повышенной опасности в энергосистемах России 191 8. ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИЗА АВАРИЙНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ............................................ 214

8.1. Обоснование аварийного запаса материалов для проведения ремонтно-восстановительных работ на воздушных линиях ................................... £14

8.2. Прогнозирование числа технологических нарушений

в энергосистемах ................................ 229

8.3. Управление рисками последствий от технологических нарушений....................................... 23?

8.4. Обоснование уровня сейсмостойкости электроподстанций ......................................... 245

8.5. Использование статистической информации по аварийности для решения практических задач ......... 25?

ВЫВОДЫ.................................................. 260

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................... 265

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающие потребности человеческого общества б электрической и тепловой энергии привели к созданию электроэнергетических систем (ЭЭС). Современные ЭЭС являются сложными техническими системами кибернетического типа [1,23. Характерные особенности указанных систем - это наличие большого числа разнородных элементов, объединённых в систему, сложные взаимопереплетающиеся связи, наличие систем релейной защиты и автоматики, развитая система математического обеспечения, предназначенная для обработки огромных информационных потоков. Формированию ЭЭС сопутствует потребность в рассмотрении сложнейших научно-технических проблем, что, в свою очередь, способствует развитию науки, изучающей свойства электроэнергетических систем, как единого комплекса.

Научная проработка вопросов формирования и функционирований ЭЗС приносит существенный экономический эффект. В то же время, отечественная и зарубежная практика показывает, что создание и эксплуатация больших технических систем, наряду с положительным их влиянием на развитие цивилизации, приводит к нежелательным последствиям - становится заметным их негативное влияние на окружающую среду.

В проблеме воздействия технической системы на окружающую среду следует выделить два направления. Первое из них относится к повседневной эксплуатации системы. Неизбежные при этом техногенные воздействия на водные объекты, атмосферный воздух, почвы и геологическую среду, а также отходы производства, выдвигают ряд практических задач по рациональному использованию природных и сточных вод, контролю очистки пылегазовых выбросов в атмосферу, утилизации и обезвреживанию уловленных продуктов водо- и пылега-

зоочистки, комплексной переработки и безопасному размещению отходов производства и другие.

Второе, не менее важное направление, связано с вопросами аварийности в технической системе. При этом под аварийностью понимается одна иг характеристик работы технического объекта (системы) , определяемая числом технологических нарушений и их последствиями на заданном интервале времени.

Актуальность вопросов аварийности состоит в том, что они непосредственно влияют на экономические показатели работы системы. Действительно, любое технологическое нарушение в той или иной мере приводит к нарушению технологического режима, снижению объёма и качества производимой продукции или к выходу из работы элемента системы. Требуются определённые затраты на ликвидацию последствий технологического нарушения и на проведение ремонтно-восстановительных работ.

Вопросы аварийности в ЭЭС непосредственно контактируют с надёжностью энергоснабжения потребителей. При высокой аварийности в ЭЭС уровень надёжности энергоснабжения можно повысить ва счёт повышенного резерва в системе как генерирующих, так и преобразующих и передающих энергию элементов. Однако, данный путь ведёт к необоснованным экономическим затратам на создание резервов в системе.

Вопросы аварийности в технической системе напрямую связаны с промышленной безопасностью системы - её способностью обеспечить защиту людей, природной среды и материальных ценностей от опасных воздействий, возникающих при технологических нарушениях в этой системе. Указанной проблеме в промышленно развитых странах уделяют особое внимание [3,41. В законодательстве США, Германии, Бельгии, Дании, Норвегии и других странах приняты соответствующие правовые и нормативные акты. Директива Европейского общества

82.501.ЕЕС (Директива Севезо) требует от производителя, работающего на опасном промышленном объекте, доказывать компетентным органам государств-членов сообщества, что ими идентифицированы опасности, приняты соответствующие меры безопасности и лицам, работающим на объекте, предоставлена информация об опасности.

В последние годы в России начала формироваться законодательная база по вопросам промышленной безопасности. Действуют Федеральные законы "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" [51, и "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" Е63. Постановлением Правительства России от 5 ноября 1995 года N 1113 утверждено "Положение о единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций".

В электроэнергетике вопросы расследования, учёта и анализа технологических нарушений в работе энергоустановок на электростанциях, в сетям и энергосистемах постоянно находятся под контролем, что отражено в руководящих отраслевых документах [7,8]. Проведение указанной работы возложено на Генеральную инспекцию по эксплуатации электростанций и сетей и подконтрольный ей Энерго-технадзор. Не принижая важность и полезность проводимой работы по расследованию и учету технологических нарушений в отрасли следует, однако, отметить слаборазвитый аппарат анализа нарушений, что выражается в отсутствии приемлемых для практики методик анализа и прогноза аварийности, а также соответствующих показателей аварийности, применимых для оценки работы ЭЭС, как единого комплекса.

Следует отметить применение в практике эксплуатации ЭЭС синтетического показателя аварийности в энергосистеме [91 вида:

0б + 5*0в + 20*Аб + 100*Ае

А - - ,

Ипр

где Об - число отказов 1-ой степени без вины персонала;

Ов - число отказов 1-ой степени по вине персонала;

А6 - число аварий без вины персонала;

Ае - число аварий по вине персонала;

МПр - приведённая мощность энергосистемы.

Приведённый показатель аварийности использовался в качестве одного ив показателей проводимого в то время социалистического соревнования между энергосистемами и влиял на решение о премировании эксплуатационного персонала.

Причина несовершенного аппарата анализа технологических нарушений в ЭЭС во многом объясняются существовавшими экономическими отношениями в условиях централизованного управления в стране. Все ущербы от технологических нарушений и затраты на ликвидацию их последствий покрывались централизованно за счет бюджета. Задача руководства предприятий сводилась к отысканию "виновных", что нередко приводило к искажению фактических причин технологических нарушений.

Другая причина связана с отставанием научных и методических разработок. С одной стороны, существовавшие экономические отношения не стимулировали исследования по анализу аварийности, а с другой стороны, имеются определённые трудности из-за вероятностного характера возникновения технологических нарушений и последствий этих нарушений. Как отмечается в ЕЮ], использование вероятностных оценок поведения системы в недавнем прошлом сдерживалось отсутствием данных, ограниченными вычислительными возможностями, отрицательным предубеждением к использованию вероятностных методов и непониманием значения и значимости вероятностных критериев и показателей риска.

Складывающиеся новые экономические отношения, потребности в промышленном страховании от тяжелых последствий при авариях и ка-

_ д _

тастрофах, возрастающее влияние региональных органов управления и общественных организаций на размещение и промышленную безопасность энергообъектов вынуждают разрабатывать нормативно-методическую базу для анализа аварийности в ЭЗС. Следует, однако, признать отсутствие в теории сложных систем целенаправленных научных исследований по анализу аварийности сложных технических комплексов, результаты которых удовлетворяли бы потребности практики эксплуатации больших систем энергетики. Данное направление научных исследований становится весьма актуальным вследствие возрастающего влияния больших технических систем на развитие человеческой цивилизации на Земле.

Цель работы. Целью настоящей работы являлась разработка методов анализа аварийности в ЭЭС, позволяющих предложить инженерные методики расчёта показателей аварийности и рекомендовать предупредительные меры по снижению тяжести последствий от технологических нарушений.

Научная новизна. Научную новизну составляют: обобщение характеристик сложной ЭЭС,подлежащих рассмотрению при разработке показателей и методов анализа аварийности в системе;

применение регрессионной модели временных рядов для анализа и прогноза аварийности в ЭЭС и разработка алгоритма определения периода циклов аварийности;

выявление годичных циклов аварийности в энергосистемах и многолетних циклов тяжёлых аварий на воздушных линиях электропередачи, на тепловых электростанциях, в тепловых сетях и на объектах газовой промышленности; исследование свойств потока повреждений в ЭЭС; разработка функциональной модели промышленной безопасности энергообъекта при технологических нарушениях; формализованные критерии и классификация технологических нару-

шений;

понятия и аналитические выражения для рисков последствий от технологических нарушений;

вывод расчётных формул для оценки риска возникновения чрезвычайных ситуаций в системе и безопасности энергообъектов по последствию технологических нарушений;

исследование и вывод расчётных формул показателей социальной безопасности энергообъектов: индивидуального показателя риска для работающих на объекте людей и интегрального показателя опасности объекта;

выявление зон повышенной опасности техногенного происхождения.

Практическая значимость и использование полученных результатов. В основу работы вошли личные научные исследования автора., проведённые в течение ряда лет при при выполнении научно-исследовательских работ по договорам с РАО "ЕЭС России" и Минтопэнерго России.

Практическая значимость результатов в работе подтверждается многими примерами расчётов реальных ЭЭС, которые показывают эффективность их использования для повышения качества организации эксплуатации и разработки предупредительных мер по снижению ущерба от технологических нарушений. Результаты научных исследований могут также использоваться при рассмотрении вариантов перспективного развития ЭХ, при лицензировании деятельности опасных производств и контроля за соблюдением требований по промышленной безопасности, при промышленном страховании риска ответственности за причинение вреда при эксплуатации опасного производственного объекта.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на семинаре - совещании "Проблемы сейсмостойкости энергетических объектов" (1995, г.Дивногорск Красноярского края), между-

народной конференции "Безопасность крупных городов" (1996, Москва) , постоянно действующем семинаре НТО энергетиков и электротехников., секции электрических станций (1997, МЭИ), отраслевом семинаре "Актуальные вопросы эксплуатации и развития электрических сетей" (1997, Оренбург), межведомственной научно- практической конференции "Прогнозирование чрезвычайных ситуаций" (1997, Москва) .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭС, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ АНАЛИЗЕ АВАРИЙНОСТИ

1Л. Эффективность технической системы

Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью (качеством)., под которой понимается совокупность свойств определяющих способность системы выполнить поставленные при её создании задачи.

К числу основных свойств, наиболее используемых в практике проектирования и эксплуатации технических систем, следует отнести экономичность, безопасность и надёжность (рисЛЛ). Все указанные свойства взаимосвязаны. Так, например, при неудовлетворительной надежности и безопасности системы вряд ли следует ожидать хороших показателей по ее экономичности. В то же время, перечисленные свойства имеют свои самостоятельные функции.

Экономичность характеризуется показателями использования средств, вкладываемых в систему: прибылью, себестоимостью и рентабельностью.

Большой опыт накоплен в практическом использовании показателей надёжности энергообъектов [11,123. При этом под надёжностью понимается свойство объекта при работе в заданных условиях выпол-

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ОБЪЕКТ)

НАДЕЖНОСТЬ

I

нЧ Е-< о о Я со ей

V»

Б

о го а>

I

л ^

о

о §

о &

л в о ен

рг<

о

ф.

£

й в о о я V ф и о

о

ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КАЧЕСТВО)

I

ЭКОНОМИЧНОСТЬ

й

й Н

ь О

о О

о К ¡3

о (3 Ц Ф

н I—11 хз

о я ей

ф ХЭ ен

хэ ЦН нч и

ф РЧ ф

о К

БЕЗОПАСНОСТЬ

о

й а»

йч

м о

О)

Е

Нч

Ри о

Ч

о

м

£0

у

о а>

Е

о

V»

м с й £0 Р) 1

о

ш я

ш

Рис. 1.1 Основные свойства технических систем.

нять требуемые функции в течение установленного промежутка времени. При исследовании надёжности энергообъектов основное внимание уделяется времени нахождения объекта в том или ином состоянии, которое может изменяться вследствие технологических нарушений (аварий или отказов). Так как время возникновения нарушения является случайной величиной, то вводятся вер