автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Прогнозирование жизненных циклов электроустановок 6-35 кВ на основе математического моделирования и оценки рисков отказов

На правах рукописи

КОСОРЛУКОВ Игорь Андреевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 6 + 35 кВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ РИСКОВ ОТКАЗОВ.

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Самара-2013

005542664

надцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, т.З - Москва: МЭИ, 2008. - с. 248-249.

12. Косорлуков И. А., Салтыков В.М., Сулейманова Л.М. Оценка эксплуатационного ресурса массива силовых трансформаторов. // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования. Вып.6 - СПб.: ПЭИПК, 2008. - с. 167-170.

13. Гольдпггейн В.Г., Дадонов Д.Н., Косорлуков И.А. Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений на электроустановках. // Оптимизация режимов работы электротехнических систем. Межвуз. сборн. науч. трудов - Красноярск, 2008. - с. 189-194.

14. Гольдштейн В.Г., Косорлуков И.А., Серебренников Д.С. О внутренних повреждениях обмоток силовых трансформаторов и реакторов в процессе эксплуатации // Тезисы докладов VIII Международной молодежной научно-технической конференции; НГТУ им. P.E. Алексеева. - Ни^чий Новгород, 2009. с. 114-115.

15. Косорлуков И.А., Серебренников Г ' афракрасная диагностика измерительных трансформаторов тока. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов - Москва, 2010., т. 3. с. 520-521.

16. Косорлуков И.А. Современное состояние и перспективы проведения электродинамических испытаний трансформаторов. Матер, докладов V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» - Казань, 2010., т. 1. с. 35 - 36.

17. Горбушкин М.А., Копырюлин П.В., Косорлуков И.А., Рыгалов А.Ю. Планирование ремонтов электрооборудования электроэнергетических систем // Электроэнергетика глазами молодёжи научные труды международной научно-технической конференции сборник статей. В Зт., Самара, СамГТУ, Т.2 С 314-318,2011

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. Статьи [1, 16] написаны лично. В работах [2-7, 9-10] автору принадлежат разработка и реализация математической модели, расчетная часть статистическая обработка данных эксплуатации; в [11, 13, 17] - постановка задачи, обобщение данных эксплуатации и разработка комплекса мероприятий по повышению надежности работы электроустановок; в [8, 14-16] - общая постановка научной задачи ЭМС, путей и методов построения ее решений; в [12] - сбор данных о повреждаемости ЭО.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», (протокол № 38 от 19 ноября 2013г.). Заказ №1040. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет». Отдел типографии и оперативной печати. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

На правах рукописи

04201454137

Косорлуков Игорь Андреевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 6 - 35 кВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ РИСКОВ ОТКАЗОВ.

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Гольдштейн В.Г.

Самара 2013

L

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ, ДИАГНОСТИКА, ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РЕСУРСОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК..................... 12

1.1. Основные определения и классификационные положения анализа, диагностики, оценки технического состояния и ресурсов электроустановок... 12

1.2. Риски в жизненном цикле электроустановок.................................... 14

1.3. Анализ аспектов и причин эксплуатационных нарушений технического состояния................................................................................. 27

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМИ ЦИКЛАМИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ.............. 33

2.1. Применение системы оценки рисков для управления жизненными циклами.................................................................................... 33

2.2. Определение экономических критериев для инвестиций в обеспечение необходимых уровней надежности.................................................. 39

2.3. Определение момента времени модернизации, реновации, замены в течение жизненного цикла электроустановок....................................... 53

2.4. Использование информационного аналитического комплекса ИАК «PEGAS» с графическим редактором «Модус».................................... 67

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ И ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ............................................... 69

3.1. Анализ статистических данных и подбор вероятностных законов распределения............................................................................ 69

3.2. Построение вероятностных плотностей и функций распределений...... 75

3.3. Определение временного интервала выполнения условий обеспечения ЭМС.......................................................................................... 77

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕМОНТОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С УЧЕТОМ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ....................................................................... 79

4.1. Разработка математических моделей для оптимизации сроков межремонтных периодов............................................................... 79

?

4.2. Разработка рекомендаций и технических решений, учитывающих конкретный износ по данным оценки технического состояния и рисков 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 114

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК................................................ 115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Гистограммы и вероятностные плотности распределения на отказ ЭО ЭССЭ 6 ^ 35 кВ.................................... 122

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Вероятностные функции распределения на отказ ЭО ЭССЭ 6 - 35 кВ........................................................................ 125

ВВЕДЕНИЕ

В электроэнергетике и, в частности, в электросетевом хозяйстве приоритетными направлениями развития являются повышение надежности, энергоэффективности и энергосбережения, как в отрасли, так и в целом во всей экономике России, что должно обеспечить ее устойчивое общественное развитие в соответствие с ФЗ №261 «Об энергосбережении ...» от 23.11.2009 г.

В последние годы сформировался и активно реализуется инновационный комплексный подход к организации и эксплуатации производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии, что естественным образом определяет прогрессивные направления взаимодействия отрасли и всего хозяйства страны.

В зарубежных источниках эти интеллектуальные электроэнергетические системы с активно-адаптивными электрическими сетями и системами электроснабжения (ИЭС ААС) объединены термином SMART (Self Monitoring Analize Report Technology) GRIDS - интеллектуальные («умные») сети и технологии. ИЭС ААС - инновационная концепция энергетики, реализуемая в настоящее время и в обозримом будущем.

Одна из ведущих мировых корпораций в области интеллектуальных систем CISCO определяет ИЭС ААС как феномен более значимый, чем Интернет, и как грандиозный вызов для всех мировых компаний вне зависимости от отраслевой принадлежности, работающих не только на энергетическом рынке, но и в области информационных технологий (IT), откуда заимствованы многие концепции, идеи, подходы и модели в этой проблеме. [66]

Инновации - это приоритет государственной политики в энергетике, «не просто модное слово, а тенденция, которая продиктована самой жизнью». В связи с этим на федеральном, региональных и отраслевых уровнях признаны стратегически необходимыми разработки, связанные с выполнением научного обоснования не только самой идеологии и определения перспектив ИЭС

ААС, но и в большей мере комплексной реализации их конкретных технических приложений в электроэнергетике и, прежде всего, в обеспечении бесперебойного электроснабжения.

ИЭС ААС с точки зрения создания, непосредственной работы и совершенствования электросетевых комплексов должны обладать следующими характерными свойствами и особенностями:

• интерактивность на уровне современных технико-экономических достижений и возможностей;

• наличие информационно-топологической сетевой структуры, находящейся под аппаратным и графическим управлением;

• интерактивно управляемые максимально развернутые информационные базы: квазистатические (нормативно-справочной информации - НСИ) и динамические (эксплуатационные характеристики - текущие параметры режима, технической диагностики и электромагнитной совместимости, ресурсов оборудования, экономических показателей выработки, получения, передачи и потребления электроэнергии, ее технических и коммерческих потерь и несанкционированного расхода и др.);

• наличие системно организованного комплекса разнообразных средств оценки, контроля и диагностики технического состояния электрооборудования по конечному множеству диагностических признаков и регламентированному набору диагностических параметров.

Полностью безаварийную работу электротехнических комплексов и систем обеспечить, строго говоря, невозможно. Однако, с помощью современных защитных средств и мероприятий вполне возможно снизить уровень аварийности в реальных ЭТК до уровней, приемлемых с точки зрения требований эксплуатации и надежности электроснабжения.

Для этого, прежде всего, необходимы изучение и оценка внешних и внутренних эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) [102], которым в процессе эксплуатации подвергается электрооборудование электротехниче-

ских комплексов. При этом должны быть обязательно выделены непосредственные отрицательные воздействия окружающей среды, которые оказывают большое влияние на надежность работы ЭТК и снижают технологический ресурс электрооборудования.

Для безотказной работы электрооборудования необходимо обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) каждого модуля ЭТК с внешними и внутренними электромагнитными воздействиями. При этом их влияние друг на друга по энергетическим параметрам не должно превосходить границ совместного функционирования.

Выделим ключевые положения этих процессов:

• обеспечение ЭМС при наличии интенсивного потока ЭФВ на элементы ЭТК и, прежде всего, в частности, на их наиболее важные объекты (силовые и измерительные трансформаторы, реакторы, коммутационные и защитные аппараты и др.);

• оценка технического состояния (ТС) названных элементов ЭТК по технологическим параметрам их режимов;

• диагностика ТС по совокупности диагностических параметров и признаков, полученных естественными и искусственными методами и способами с помощью различных технических средств и диагностической аппаратуры;

• построение аналитических и виртуальных диагностических моделей, как правило, не связанных непосредственно с физикой процессов в объектах ЭТК, а отражающих комплексно поведение диагностических параметров и признаков;

• оценка и определение технологических ресурсов каждого модуля электроэнергетического комплекса и методики обеспечения их ЭМС для продления срока эксплуатации.

Электрические сети и системы электроснабжения (ЭССЭ) работают в условиях непрерывного потока воздействий окружающей среды и, в первую очередь, эксплуатационных физических воздействий. При этом у электро-

оборудования (ЭО) ЭССЭ спорадически и кумулятивно ухудшаются внутренняя стойкость по отношению к ним, характеристики и эксплуатационные свойства, что является отражением известного в физике второго начала термодинамики. В значительной мере нежелательные последствия названных изменений компенсируются корректной организацией эксплуатации и, прежде всего, обслуживания, ремонтов, диагностики, контроля и других мероприятий по поддержке технического состояния на нормальном уровне, отвечающем требованиям стандартов, правил и регламентов.

Изменения работоспособности в условиях названных разнонаправленных процессов реализуются конечным множеством этапов, состояний, режимов и др., определение которого - жизненный цикл (ЖЦ) (SMART GRID Life Cycle сформулировано в стандарте ISO/IEC 15288:2008) как «эволюция системы, продукта, услуги или иной созданной человеком сущности от замысла и до изъятия из об-ращения» в контексте работы ЭССЭ и их элементов. Необходимое условие при этом целенаправленное обеспечение работоспособности ЭО, технически и экономически обоснованной стандартами и нормами. Его основной проблемой на всех этапах от разработки проекта до утилизации является управление ЖЦ и эффективное прогнозирование ресурсов комплексов и отдельных электроустановок с разными сроками и условиями эксплуатации, обслуживания, изготовления и др.

Сказанное выше позволяет сформировать репрезентативное представление о сущности, формах, процедурах, технических и временных характеристиках жизненных циклов объектов ЭТК и определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка принципов и рекомендаций по стратегии, тактике и повышению эффективности управления ЖЦ парка ЭО 6 ^ 35 кВ как производственных активов ЭССЭ. Реализация этой цели основана на теории рисков, анализе аварийной статистики, диагностическом моделировании и оценке технического состояния.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие задачи.

1. Сопоставительный анализ аварийности оборудования ЭССЭ 6 35 кВ и обеспечения ЭМС в процессах их ЖЦ при характерных на сегодняшний день условиях (интенсивные потоки ЭФВ, износ ЭО, наличие и состояние средств защиты и диагностики и др.).

2. Совершенствование математической модели ЖЦ ЭО на основе теории рисков и оценке технического состояния.

3. Комплексное исследование и оценка рисков отказов и технических ресурсов ЭО на основе математических и статистических моделей ЭО и компьютерных экспериментов.

4. Научное обоснование рекомендаций и технических решений по эксплуатации реального парка ЭО.

Объектом исследования являются существующие электротехнические комплексы ЭССЭ 6 35 кВ и их элементы: ЭО, диагностические и измерительные комплексы (ТТ, ТН), коммутационные (КА) и защитные аппараты (ОПН), силовые трансформаторы (СТ) 6 35 кВ, находящиеся в эксплуатации и проектируемые, инновационные в составе ЭССЭ.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Научное обоснование обеспечения ЭМС на основе методологии построения системы комплексной оценки технического состояния и технической диагностики, а также классификации ЭФВ и возникающих при этом дефектов и повреждений силовых трансформаторов 6 35 кВ.

2. Реализация усовершенствованной комплексной системы диагностических параметров и определяющих признаков для репрезентативного и достоверного контроля СТ на основе концепции ИЭС.

3. Построение статистических и детерминированных диагностических моделей технического состояния объектов ЭТК и их ресурсов на основе компьютерных и натурных экспериментов.

4. Математическая модель выработки ресурса при эксплуатации силовых трансформаторов и разработка на ее основе рекомендаций и технических решений, учитывающих их конкретный износ по данным оценки технического состояния и технической диагностики.

Научная новизна.

1. Моделирование ЖЦ элементов ЭССЭ на основе теории рисков, данных по реальной аварийности ЭО 6 35 кВ и оценке их технического состояния.

2. Построение стратегии прогнозирования ЖЦ ЭО на основе системы управления рисками.

3. Уточненная, репрезентативная математическая модель технического состояния ЭО ЭССЭ 6 ^ 35 кВ и их ресурсов на основе системы оценки риска.

4. Научное обоснование решений и технических рекомендаций по прогнозированию ЖЦ реального парка ЭО в условиях реальной эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Даны практические оценки возможности аварийных повреждений объектов ЭССЭ по результатам анализа аварийности оборудования и технического состояния.

2. Дано технико-экономическое обоснование применения существующих

моделей стратегий прогнозирования ЖЦ.

3. Разработаны принципы и методы минимизации погрешностей при проведении натурных диагностических исследований.

4. Разработана система рекомендаций и принятия решения для прогнозирования ЖЦ.

Апробация работы. Основные разработанные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на XV-ой, XVI-ой и XVII-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2009, 2010, 2011); Международной научно-технической конференции «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования» (ПЭИПК, Санкт-Петербург, 2008); VIII Международной молодежной научно-технической конференции (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, 2009); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); XXXI и XXXII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» и «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск, 2009, 2010), автор является победителем областного конкурса Министерства Образования и науки Самарской области «Молодой ученый» в номинации «Аспирант» в 2011 г. с циклом научных исследований вошедших в основу данной работы, работа поддержана грантом Ученого Совета СамГТУ в 2012 г.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации используются при составлении планов ремонта и технического обслуживания ЭО ЭССЭ 6 35 в условиях их эксплуатации на предприятиях электрических сетей ЗАО «Самарские городские электрические сети», Филиал ОАО «МРСК Волги» - «Самарские распределительные сети».

Разработанные методы прогнозирования и расчета эксплуатационного ресурса ЭО электрических сетей используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского

государственного технического университета.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах (7 по списку ВАК), опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, содержит 121 стр. основного текста, списка использованной литературы из 113 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ, ДИАГНОСТИКА, ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РЕСУРСОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК.

1.1. Основные определения и классификационные положения анализа, диагностики, оценки технического состояния и ресурсов электроустановок.

Теория и практика общих вопросов обследования, контроля, моделирования и прогнозирования ЖЦ ЭО ЭССЭ являясь важнейшим аспектом эксплуатации ЭКС, всегда была предметом внимания при проведении исследований отечественных и зарубежных ученых. Существенный вклад в развитие систем прогнозирования жизненных циклов внесли исследования Б.А. Алексеева, Р. Аллен, В.Г. Аракеляна, В.Г. Аркадова, В.В. Болотина, A.A. Гирфанова, В.Г. Гольдштейна, В.Д. Гуриновича, Д.Н. Дадонова, Д. Джонсона, Б.В. Ефимова, Р.Г. Идиатуллина, В.Г. Китушина, М