автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Развитие функциональной адаптивности высоковольтных распределителей электрических сетей к применяющимся условиям эксплуатации

/ / . >

/

Новосибирский государственный технический университет

УДК 621.311

Горевой Валерий Георгиевич

Развитие функциональной адаптивности высоковольтных распределительных электрических сетей к изменяющимся условиям

эксплуатации

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

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

А.Г.Фишов

Новосибирск -1998

Оглавление

Введение_5

1. Высоковольтная распределительная электрическая сеть (ВВРЭС) как техническое устройство и предприятие электрических сетей (ПЭС), осуществляющее его эксплуатацию, в фокусе модернизации_11

1.1. Возникновение и этапы развития ВВРЭС как типового технического устройства_11

1.2. Высоковольтная распределительная электросеть как техническое устройство__12

1.3. Эксплуатация ВВРЭС - основная деятельность электросетевого предприятия (ПЭС)__24

1.3.1. Содержание и структура основной деятельности ПЭС_24

1.3.2. Оперативно-диспетчерское управление (ОДУ) при эксплуатации ЭС и ВВРЭС_28

1.4. Новые условия существования и развития ВВРЭС как элемента электроэнергетических систем (ЭЭС). Стратегии развития_31

1.5. Модели организации пространств и их использование при организации ТУ ВВРЭС и его эксплуатации_ 47

Выводы_61

2. Развитие функциональной гибкости высоковольтной распределительной электрической сети при ее автоматизации_63

2.1. Задачи нового этапа автоматизации ВВРЭС_63

2.1.1. Обоснование и общая постановка._63

2.1.2. Концептуально - инструментальные возможности_65

2.1.3. Методика функционального проектирования_67

2.2. Централизация и децентрализация как пределы организации основных функций ТУ в автоматизированных системах контроля_78

2.2.1. Пределы в организации функций контроля_78

2.2.2. Децентрализация регулирования напряжения в электросети_79

2.2.3. Децентрализация контроля допустимости оперативных схем коммутации электросети по условиям защищенности ее элементов _83

2.2.4. Автоматизация функции выявления и отключения элемента с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью _88

2.2.5. Измерения параметров и оценивание режима на их основе_93

2.3. Комплекс программно-аппаратных средств и опыт автоматизации оперативно - диспетчерского управления в Приобских электросетях_99

2.3.1. Назначение, структура и функции комплекса_99

2.3.2. Состав и характеристики технических средств, условия эксплуатации_104

Выводы_110

3. Методологическая основа изменений эксплуатации высоковольтной распределительной электрической сети_112

3.1. Понятийное поле эксплуатации ТУ_112

3.1.1. Техническое устройство, его виды, жизненный цикл_112

3.1.2. Работоспособность и эксплуатационное состояние ТУ, их идентификация_115

3.1.3. Эксплуатационный и утилизационный ресурс ТУ, их оценка_117

3.2. Эксплуатация ТУ. Эксплуатационные процессы_126

3.3. Модели эксплуатационных процессов поддержания ТУ в рабочем состоянии_132

3.3.1. Эксплуатационные процессы (ЭП) для элементарного восстанавливаемого ТУ_132

3.3.1.1. ЭП при линейности износа и затрат на восстановление ТУ_132

3.3.1.2. ЭП при нелинейности характеристик затрат на восстановление состояния ТУ_134

3.3.1.3. ЭП при нелинейности износа ТУ_136

3.3.1.4. ЭП при нелинейности износа ТУ и затрат от степени восстановления его состояния_138

3.3.1.5. ЭП с учетом реновационной составляющей восстановления ТУ_140

3.3.2. ЭП для неэлементарного ТУ, состоящего из п элементов_144

3.3.2.1. ЭП при неизменности функциональной востребованности ТУ_144

3.3.2.2. Методика оценки эксплуатационного ресурса сложного технического устройства_147

Выводы__151

4. Гибкая система планирования основной деятельности электросетевого предприятия__153

4.1. Проблема эксплуатации ВВРЭС в новых условиях.

Содержание и место планирования в управлении основной деятельностью ПЭС___153

4.2. Существующая (нормативная) модель планирования основной деятельности ПЭС и ее анализ_157

4.2.1. Понятийное поле, модель и условия ее применимости_157

4.2.2. Параметрический базис системы планирования_161

4.2.3. Аренда как форма децентрализации планирования основной деятельности ПЭС___164

4.3. Гибкая система планирования основной деятельности_165

4.3.1. Стратегии эксплуатации и развития ТУ ВВРЭС как основа планирования. Уровни, содержание, формы_165

4.3.2. Планирование оперативно - диспетчерской деятельности_171

4.3.3. Поля ответственности и взаимодействие участников управляющего ядра модели эксплуатации ТУ_180

4.3.4. Автоматизация планирования основной деятельности_182

Выводы_183

Заключение_184

Литература_186

Список сокращений

АРМ - автоматизированное рабочее место

ВВРЭС - высоковольтная распределительная электрическая сеть

ВВПС - высоковольтная подстанция

ВЛ - воздушная линия

ГЭС - гидроэлектростанция

дп - диспетчерский пункт

ЕФОТ - единый фонд оплаты труда

КЛ - кабельная линия

МП - микропроцессор

нэти - Новосибирский электротехнический институт

ОВБ - оперативно-выездная бригада

ОДе - основная деятельность

ОДУ - оперативно-диспетчерское управление

одд - оперативно-диспетчерская деятельность

одп - оперативно-диспетчерский персонал

одг - оперативно-диспетчерская группа

ПС - подстанция

ПУ - правила устройства электроустановок

пэ - правила эксплуатации электроустановок

пэс - предприятие электрических сетей

пэс - Приобские электрические сети

РЭС - район электрической сети как структурная единица ПЭС

РП - распределительный пункт

РВП - ремонтно-восстановительный процесс

РЗиА - релейная защита и автоматика

тп - трансформаторный пункт

ТУ - телеуправление

ТУ - техническое устройство

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

ФПГ - финансово-промышленная группа

эп - эксплуатационный процесс

эс - энергосистема

ээ - электроэнергия

ээс - электроэнергетическая система

Введение

Актуальность темы

Технические устройства электроэнергетики являются сложными объектами проектирования и эксплуатации. Эта сложность обусловлена их многомерностью, опасностью для персонала и населения, высоким элементным разнообразием, скоротечностью аварийных процессов, огромной капиталоемкостью, значительностью продолжительности жизни и пр. В настоящее время к этому следует добавить значительный износ основного оборудования в условиях России, недостаточность процессов реновации и реконструкции, заданной общей экономической ситуацией. Заложенный при первоначальном проектировании объектов электроэнергетики подход к их эксплуатации становится несостоятельным, причем его несостоятельность имеет глубокие философско - методологические корни. Это можно увидеть по мировым тенденциям эксплуатации и качественным изменениям в развитии техники.

Согласно опубликованным данным, в СССР с 1951 по 1962 г. среднегодовые темпы роста затрат на капитальный ремонт составляли 11.7%, в том числе в промышленности 10.7%. В следующем десятилетии они практически, удвоились и, уже тогда, отмечалось, что такой непомерный рост способен поглотить в 2000 - 2020 годах всю расходную часть государственного бюджета.

Решение этой проблемы в мире нашло свое отражение в изменениях общего подхода к развитию и эксплуатации техники. В частности, в переходе к разработке и эксплуатации малообслуживаемых модульных технических устройств с системами непрерывного мониторинга за их состоянием и сервисным обслуживанием. Сегодня, например для Германии, характерны такие требования к ТУ электро-

энергетики, как - 25 лет работы без существенного технического обслуживания и ремонта. В России не произошло каких - либо радикальных изменений в общем подходе к развитию и эксплуатации ТУ энергетики. Основные усилия были направлены на снижение затрат за счет оптимизации эксплуатационного процесса по критерию минимума ремонтоемкости при обеспечении требуемой работоспособности, т.е. по сути на снижение потерь от неоптимальности ремонтного процесса.

Сегодня эксплуатирующие энергетические предприятия находятся в ситуации изношенных ТУ, глубокого дефицита ресурсов для проведения ремонтных работ даже оптимального уровня и отсутствия ясной перспективы принципиального изменения ситуации. В связи с этим актуальной представляется тема данной работы, направленная на развитие методологической основы эксплуатации и ее использование для адаптации основной деятельности электросетевого предприятия к реальным условиям существования. Ее результатом является новая технология эксплуатации ВВРЭС, отличающаяся осознанностью эксплуатационных процессов, их стратегической наполненностью, и реализуемой посредством современных информационных технологий.

Цель работы заключается в развитии функциональной адаптивности ВВРЭС к изменениям внешней среды и состояния оборудования (спрос на э.энергию, ее качество, отношения, изменения в сферах проектирования, материального обеспечения, старение технического устройства и др.). Достижение цели базируется на:

- отказе от нормативного подхода к поддержанию ТУ в рабочем со-

стоянии с переходом к осознанной (целостной) системе регулирования состояния ТУ в конкретных условиях эксплуатации;

- расширении функциональных возможностей ТУ за счет автоматизации технологических процессов.

Решаемые задачи:

1. Корректировка понятийного поля эксплуатации сложных ТУ и разработка ее новой мировоззренческой модели.

2. Разработка математических моделей ремонтно-восстановительных и реновационных процессов ТУ для оптимизации реализации эксплуатационных стратегий.

3. Разработка гибкой системы планирования основной деятельности предприятия электрических сетей.

4. Повышение функциональных возможностей ТУ в смысле его адаптивности к задающим условиям за счет дополнения существующих централизованных структур функциональной организации децентрализованными. Использование этих возможностей в автоматизированных системах диспетчерского управления.

5. Разработка комплекса автоматизации технологического (диспетчерского) и административно-хозяйственного управления для ПЭС и его внедрение на предприятии.

6. Разработка и проведение деловых игр с руководящим составом ПЭС для восприятия изменений в эксплуатации и тренинга его взаимодействия в рамках новых моделей деятельности.

Методы исследования

Выполненное исследование базируется на системном подходе к проблеме эксплуатации сложных ТУ в России в современных условиях. При этом использованы методы системного анализа, линейной алгебры, нелинейного и динамического программирования, факторного анализа и экспертных оценок. Проверка полученных результатов осуществлялась в процессах проектирования и реализации автоматизации ВВРЭС, изменений в планировании эксплуатации. Научная новизна исследования На защиту выносятся следующие результаты:

1. Мировоззренческая модель эксплуатации сложного технического устройства, основанная на единстве его рождения, жизни и смерти, обеспечиваемом внутренним осознанием процессов в эксплуатационной среде. Формой осознания является собственная стратегия эксплуатации ТУ, которая может существенно отличаться от нормативной. Модель содержит управляющее ядро и использует обоснованную регулярную трехосную гексагональную ячейку как универсальную структурную единицу организации различных слоев эксплуатации ТУ.

2. Модель оперативно-диспетчерской деятельности в ЭЭС и на предприятиях электрической сети, предназначенная для использования как при ее организации, так и при разработке автоматизированных систем диспетчерского управления.

3. Прикладная методика функционального проектирования для разработки комплексов автоматизации, основанная на системном анализе, выделении главных противоречий и фиксировании способов их разрешения.

4. Выявленные возможности децентрализации ряда основных функций оперативно-диспетчерского управления и планирования режимов, позволяющие полнее использовать потенциал сетевых структур для организации функционирования территориальных объектов с единым технологическим процессом (ВВРЭС). Результаты получены применительно к регулированию напряжения, проверке и обеспечению чувствительности и селективности работы релейной защиты при изменениях схем коммутации эл.сети, оцениванию ее состояния (режима). Они использованы в реализованном проекте автоматизации диспетчерского управления ВВРЭС.

5. Совокупность моделей оптимизации эксплуатационных процессов по поддержанию ТУ в рабочем состоянии и их обновлению. Они базируются на едином понятийном базисе, двухкоординатной сис-

теме идентификации состояния ТУ и процессов его изменения -функциональное состояние и ресурс ТУ, а также на оптимальных процессах восстановления состояния и реализации эксплуатационных стратегий.

6. Гибкая система планирования основной деятельности ПЭС, обеспечивающая реализацию осознанных эксплуатационных стратегий и, таким образом, адаптивность эксплуатации к внешним условиям ее осуществления. Ее элементы - идентификация состояния ТУ, условий эксплуатации, двухуровневая стратегия эксплуатации, плановые эксплуатационные процессы, их организационное обеспечение, объединены единым процессом. Детерминированность содержания элементов, этапов и взаимодействия придают ей значение технологии. Значимость для практики проектирования и эксплуатации ВВРЭС. использование результатов

Разработанный при непосредственном участии автора программно-аппаратный комплекс автоматизации диспетчерского управления для ВВРЭС внедрен в Приобских электрических сетях ОАО «Новосибирскэнерго» и находится в эксплуатации с 1993 года. Разработанная методологическая основа эксплуатации сложных технических устройств имеет универсальный (межотраслевой) характер и может быть использована в различных областях техники при построении систем поддержания ТУ в рабочем состоянии и управления их ресурсом.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследования в целом и по частям докладывались и обсуждались на:

постоянно действующем международном семинаре «Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в Сибирском регионе » (г. Новосибирск, 1977), 3-ей международной научно-технической конференции «Микропроцессорные системы автоматики» (Новосибирск, 1996г.), на региональном семинаре «Проблемы сельской энергетики» (Барнаул, 1995г.), Международной конференции 1ЖЕБКО «Экология человека: духовное здоровье и реализация творческого потенциала личности» (Новосибирск, 1998), Международном семинаре «Релейная защита и автоматика энергосистем 1996» (Москва, 1996), на научных семинарах кафедры автоматизированных электроэнергетических систем Новосибирского государственного технического университета (1996-1998г.г.). Результаты исследования опубликованы в 5-ти печатных и 4-х рукописных (отчетах по НИР) работах.

Работа состоит из введения, 4-х глав, общего заключения, списка литературы и приложений. Ее основная часть содержит 142 страниц текста, 88 рисунков, 3 таблиц.

1. Высоковольтная распределительная электрическая сеть (ВВРЭС) как техническое устройство и предприятие электрических сетей (ПЭС), осуществляющее его эксплуатацию, в фокусе модернизации

1.1. Возникновение и этапы развития ВВРЭС, как типового ТУ

(на примере Приобских сетей ОАО «Новосибирскэнерго»)

Весна 1964 года положила начало качественно новому этапу в развитии сельской электрификации. Сельские районы электросетей «Сельэлектро» из ведения Министерства сельского хозяйства были переданы в Минэнерго СССР. В Новосибирской области были созданы Татарские , Чулымские, Приобские и Черепановские предприятия электрических сетей, которые вошли в энергетическую систему (Районное энергетическое Управление «Новосибирскэнерго»).Это означало реализацию принципа централизованного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей от источников Новосибирской энергосистемы.

В 1964 году электроснабжение сельскохозяйственных потребителей осуществлялось, как правило, по сетям 35 кВ (Ордынский, Ко-ченевский, Болотнинский, Тогучинский районы) и по сетям 10,6 кВ от тягового транзита. Исключением был Колыванский район. Он был подключен по В Л 110 кВ «Западная-Колывань». Все ЛЭП были построены на деревянных опорах, в большей части, без железобетонных приставок.

В период 1970 - 1980, ведется бурное строительство ВЛЭП -110кВ, понизительных подстанций 110/35-10. После ввода ПС Боярская 110/35 , Моховая 110/35, Ордынская 110/35, Березовская 110/35, Дергаусово 110/35, Кирза 110/35 на предприятии была реализована схема электроснабжения сельскохозяйственных потребителей от

центров питания основной сети Новосибирской энергосистемы, что в дальнейшем, после строительства сети 35 кВ, позволило практически до каждой центральной усадьбы сделать глубокие вводы на напряжениях 110,35 кВ.

Ра