автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Применение математических моделей в задачах управления надежностью электрических сетей энергосистемы

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Васильев Анатолий Петрович

УДК 621.311.001.2

Применение математических моделей в задачах управления надежностью электрических сетей энергосистемы

Специальность 05.14.02 - Электрические станции (электрическая

часть), сети и электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор ГукЮ.Б.

/1

/

Санкт-Петербург 1999 г.

/

Содержание

стр.

Введение 4

1.ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ 8

1.1. Проблемы функционирования энергосистемы в современных условиях 8

1.2.Ретроспективный анализ состояния электрических сетей Северо-Запада Российской Федерации 14

1.3. Статистика аварийных отключений воздушных линий 6-10 кВ

в сетях ОЭС Северо-Запада 23

1.4.3адачи управления надежностью электрических сетей и методы их решения в современных условиях 36

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ «-ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПАРКА ОБОРУДОВАНИЯ ;./*'■.Г7" 48

2.3. Оценка текущего состояния, прогнозирование надежности и принятие решений по эксплуатации оборудования электрических сетей 48

2.2. Комплексная оценка состояния объекта по множеству параметров 56

2.3. Математические методы содержательного анализа массивов диагностической информации 60

2.4. Оценка состояния на основе теории размытой информации 67

2.5. Статистическое оценивание технического состояния и

надежности воздушных линий электропередачи 220-330 кВ 73

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 79

3.1. Определение концепции системы эксплуатации электрической сети 79

3.2. Математическая модель оценивания структуры систем оперативного обслуживания и ремонта электрических сетей энергосистемы 86

3.3.Экономико-математическая модель выбора рационального соотношения основных видов работ в электрических сетях 98

3.4. Определение стратегии повышения надежности воздушных линий электропередачи 0,38-10 кВ 100

3.5. Модель для выбора оптимального числа секционирующих разъединителей на BJI-10 кВ 102

3.6.Выбор противоаварийных мероприятий в сетях 6-10 кВ на основе методов теории статистических решений 111

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМАХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ СЕТЕВЫХ ОБЪЕКТОВ 118

4.1. Разработка концепции экспертной системы для службы эксплуатации высоковольтной сети энергосистемы 118

4.2. Состав задач для АРМ, связанных с обслуживанием электрических сетей 123

4.3.Технология оценивания текущего состояния оборудования с помощью экспертной системы 127

4.4. Модель оценивания состояния с помощью нечетких множеств 132

4.5. Техника вычислений оценок уверенности 136

4.6. Алгоритм использования программы оценивания состояния (NABR) 141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148

Список литературы 150

Введение

Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей создаются электрические сети, системы связи, транспортные, информационные и другие структуры. Размещение этих структур в пространстве, непрерывность их развития, постоянная модернизация и ремонт, оперативное и техническое обслуживание, вовлечение огромных материальных и людских ресурсов в их создание, большая ответственность за выполнение заданных функций - все это связано с проблемой обеспечения и поддержания их надежности и эффективности.

Современные инженерные методы создания электрических сетей и организации их эксплуатации предполагают использование количественных оценок надежности, чтобы рационально спроектировать электрические сети и создать высокоэффективную и экономичную систему эксплуатации.

Сложившиеся в теории надежности энергетических систем математические методы в основном предназначены для решения задач надежности, возникающих на уровне отдельных устройств и систем локального характера, при этом зачастую без учета возможностей и характера эксплуатации. В действительности, в системах электроснабжения приходится иметь дело с большими территориально распределенными системами, при создании системы эксплуатации которых должно учитываться еще и наличие и состояние дорог, обеспеченность средствами связи и телемеханики, географическое расположение ремонтно-эксплуатационных баз и назначение ремонтных бригад.

Средства обеспечения надежного электроснабжения условно можно разделить на технические и организационно-технические. Одним из наиболее распространенных методов обеспечения надежности электроснабжения потребителей является повышение надежности оборудования и сооружений электрических сетей.

Обеспечение безотказной и долговечной работы любого электротехнического устройства (электрооборудования, электроустановок электрических станций, сетей и энергосистем) основывается на следующих общих положения или средствах, известных автору не только теоретически и по литературным источникам, но и изученных практически в своей инженерной деятельности в Ленэнерго, Государственной инспекции по эксплуатации электростанций и сетей Минэнерго СССР, ОДУ Северо-Запада, Территориальном управлении Госэнергонадзора по Санкт-Петербургу и Ленинградской области.

Соблюдение правил устройства электроустановок (ПУЭ), правил технической эксплуатации (ПТЭ), правил техники безопасности (ПТБ) и инструкций по применению данного устройства (оборудования) является обязательным.

Проверка технического состояния оборудования, находящегося на складе, в резерве, в техническом обслуживании, должна производиться регулярно (осмотр, измерения, диагностирование, отбраковка).

Контроль функционирования должен осуществляться непрерывно или периодически с помощью информационно-измерительной системы и средств технической диагностики, а также путем непосредственного наблюдения и осмотра.

Прогнозирование изменения технического состояния и нагрузок на основе знания процессов деградации и текущей информации о контролируемых параметрах позволяет избежать возникновения отказов по причине старения и износа.

Избыточность (структурная, временная, запасы прочности и ресурса) обеспечивают существенную отсрочку момента отказа и дают возможность его предотвращения.

Предупреждение отказов возможно при своевременном проведении технического обслуживания (проверка, контроль, испытания, замена, ремонт) и полноценного восстановления работоспособности оборудования,

которые, кроме того позволяют продлить срок службы оборудования до запланированного или необходимого уровня.

Анализ аварийной статистики и конкретных случаев отказов и аварий в электроустановках, и обследование состояния установок и оборудования, выполняемые эксплуатационными службами и службами надежности энергосистемы и заводов-изготовителей, аварийной инспекцией энергосистем и инспекторами Госэнергонадзора, позволяют принимать административные и технические меры и предупреждать отказы и аварии на других аналогичных установках. Для сбора и обработки эксплуатационной и диагностической информации о конкретном оборудовании и установках энергосистемы создаются информационные и экспертные системы с применением компьютерной технологии, позволяющие организовать управление эксплуатацией и обеспечить минимальный риск внезапного наступления отказов. Обобщение информации об отказах оборудования и авариях на станциях и в энергосистемах осуществляется фирмой ОРГРЭС, которая выпускает ежегодные отчеты с оценками надежности элементов электроустановок и методические указания и по совершенствованию эксплуатации.

Все указанные выше мероприятия и осуществляются в рамках системы управления надежностью электроэнергетической системы. В качестве действующих лиц этой системы выступают работники эксплуатационных и оперативных служб энергосистемы и ее сетевых предприятий, диспетчерских управлений, чиновники государственных учреждений (Региональных энергетических комиссий и Госэнергонадзора). Успешное функционирование этой системы, как показывает опыт автора, в значительной степени зависит не только от затрачиваемых на это средств, но и от внедрения новейших достижений науки и техники и проведения самостоятельного анализа эффективности принимаемых решений с учетом изменяющихся экономических условий.

Актуальность проблемы. В последние годы экономика России находится в глубоком системном кризисе. Он вызван не только ошибками в экономической политике, но и с ослаблением системы государственного управления, в том числе и энергетикой. Спад промышленного производства создает крайне трудные условия для функционирования энергетической системы и , то же время предопределяет все более высокие требования к управлению надежностью энергосистем. Требуется четкое понимание сложившихся условий, организация формирования оптимальных стратегий управления надежностью энергетических объектов, в том числе и электрическими сетями, количественный анализ принимаемых решений. Для этого необходимо выполнение полномасштабных научных исследований проблемы управления надежностью электрических сетей, как наиболее уязвимого звена электроэнергетической системы. Изучение тенденций, принципов и условий функционирования, совершенствование методов оценки технико-экономической эффективности и надежности электрических сетей становится первоочередной задачей.

В свете указанного проблема управления надежностью электрических сетей является научно-технической проблемой, имеющей важное значение для управления функционированием энергосистем.

Целью диссертационной работы стало совершенствование методов управления надежностью электрических сетей энергосистем с учетом особенностей их иерархической структуры и изменений условий их работы на основе использования математических моделей.

Исследования и разработки по этой проблеме велись автором в течение 1989-1999 годов энергосистеме Ленэнерго, ОДУ Северо-Запада и Ленгосэнер-гонадзоре при поддержке кафедры Электрических станций и автоматизации энергетических систем СПбГТУ. Теоретические положения проработаны до уровня конкретных рекомендаций, решений и принципов, использованных и предлагаемых к использованию в электрических сетях энергосистем.

1 .ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

1.1.Проблемы функционирования энергосистемы в современных условиях

После распада СССР расстроилась и его Единая Энергетическая Система. Разрыв экономических связей и развитие рыночных отношений потребовали от руководства энергосистем поиска новых решений и средств для обеспечения надежности функционирования. При этом актуальными становятся новые (ранее не существовавшие) проблемы [1]:

Проблема первая - ценообразование. Федеральное правительство и местные органы власти строго контролируют тарифы на электрическую и тепловую энергию. Поэтому производимая электроэнергия распределяется по фиксированным ценам среди определенных групп потребителей.. Величина тарифов определяется федеральной и региональными энергетическими комиссиями, где потребители электроэнергии имеют значительно большее влияние, чем производители. Цены на электроэнергию, поставляемую на федеральный оптовый рынок мощными электростанциями, устанавливаются, исходя из затрат на ее производство, федеральной энергетической комиссией, которая следит лишь за балансом энергии, мощности и финансов и прохождением платежей, устанавливая их жесткую схему [2]. При таком положении не существует свободного рынка энергии и мощности, и электроэнергия обходится потребителям все дороже, но вырученных поставщиками средств не хватает на развитие и совершенствование производства, так как оплачивается содержание и работа устаревших и неэкономичных энергоустановок. Переход же к свободному рынку в регионах планируется лишь после 2001 года [3] .

Проблема вторая - задолженность потребителей. Серьезной проблемой для энергосистем является высокий уровень задолженности потребителей

(уровень оплаты основной продукции энергосистем составляет 80% и менее, в том числе денежными средствами до 20%, основной долг приходится на потребителей, финансируемых из местных и федерального бюджетов - 70% общей задолженности), которая неблагоприятно сказывается на финансовом положении энергосистем и их предприятий. Задолженность особенно увеличивается при каждом повышении цен на электроэнергию. Постановления Правительства о недопущении отключения большого списка потребителей-неплательщиков не подкрепляется ресурсами и финансами [2].

Проблема третья - убыточность. Если раньше многие электростанции работали не оптимальном режиме в интересах обеспечения надежности и экономичности ЕЭС и возникавшие при этом убытки компенсировались Министерством энергетики из общей прибыли ЕЭС, то теперь энергосистемам и электростанциям никто не компенсирует убытки. Они несут ответственность за нарушения электроснабжения своих потребителей, а не за сальдо-перетоки поэтому они отказываются работать в невыгодных режимах, руководствуясь своими собственными интересами. Например системы стараются не допускать работу ТЭЦ с конденсационными "хвостами", когда коэффициент полезного действия снижается до 40 процентов. Тогда как при работе по тепловому графику коэффициент полезного действия составляет более 80%.

Проблема четвертая - нехватка средств. В каждой энергосистеме, где наблюдается кризис с наличными средствами, ремонтные работы и капитальное строительство страдают в первую очередь. Техническое состояние работающего оборудования ухудшается. Периодичность ремонтов, установленная действующими правилами технической эксплуатации, не всегда отвечает фактическому состоянию оборудования. Реорганизация системы технического обслуживания и ремонта, с использованием информации о состоянии оборудования, требует затрат на создание экспертных систем для управления

процессом эксплуатации и работами по аварийному восстановлению электроснабжению. Эти системы могли бы дать существенную экономию затрат на эксплуатацию, но средств на их создание нет. Так же, как нет средств на сооружение новых энергетических блоков взамен отслуживших свой век.

Проблема пятая - топливоснабжение. Проблема взаимных долгов усложняет отношения между поставщиками топлива и электростанциями, что приводит к срыву поставок топлива, снижению мощности и производства электроэнергии. Так, Ленэнерго оплачивает потребленный газ в размере 3040%. Он поступает на электростанции энергосистемы согласно постановлению Совета Министров без предварительной оплаты. За мазут же предоплата требуется, но денег на него нет. Это привело к отсутствию топлива на электростанциях, где мазут - единственный вид топлива. Невозможность использования этих станций привело к дефициту мощности в системе. Чтобы не допустить снижения частоты до уставок срабатывания АЧР и с целью экономии остатков топлива в рабочие дни недели осенне-зимнего периода нагрузок, как правило, вводятся ограничения потребителей по мощности и электроэнергии, аварийные отключения потребителей по графикам, а иногда и аварийные отключения ключами группового отключения по цепям АЧР.

Серьезно подрывает весь процесс планирования, производства, развития и управления энергосистемой факт изменения стоимости топлива в произвольный момент времени без учета интересов производителей энергии. Необходимо, чтобы Минтопэнерго имело четкую финансовую политику и не меняло ее внезапно без согласования с энергосистемами.

Проблема шестая - перетоки мощности между энергосистемами. В осенне-зимний максимум нагрузок основные линии межсистемных связей в ОЭС Северо-Запада работают на пределе устойчивости. Чтобы значения перетоков мощности по этим линиям не превышали предельно допустимые, производятся

принудительные отключения потребителей (даже при допустимом уровне частоты) по графику аварийных отключений. Так, если не хватает объема САОН Северо-Запада при предельных значениях перетока в сечении ОЭС Центра-ОЭС Северо-Запада, производится отключение потребителей, например в Ленэнерго до 15% от фактического потребления.

Иногда энергосистемы, чтобы отстоять свои интересы, идут на различные ухищрения. Например, при составлении графиков перетоков завышают потребление, чтобы легче было обеспечить выполнение запланированного сальдо-перетока. Существующая методика прогнозирования потребления, основанная на экстраполяции прошлого опыта не совсем приемлема в современных условиях, когда ошибка в плани