Оценка надежности объектов энергетики с учетом особенностей их эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Карабанов, Андрей Анатольевич

• Карабанов, Андрей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карабанов, Андрей Анатольевич

Введение

1. Аналитический обзор состояния вопросов управления системой эксплуатации и надежностью оборудования энергосистем.

1.1. Исследования в области организации систем сбора и обработки информации по надежности в электроэнергетических системах

1.2. Необходимость совершенствования системы технического ремонта и обслуживания.

1.3. Анализ существующих систем сбора и обработки статистической информации о нарушениях в работе энергосистем.

1.4. Постановка задачи исследования.

1.5. Выводы.

2. Исследования фактической надежности оборудования в региональных энергосистемах.

2.1. Анализ надежности BJI 110-220 кВ основной сети нижегородской энергосистемы.

2.2. Анализ надежности работы РСК ОАО "Ленэнерго" в период с 2002-2004 год.

2.3. Рекомендации по оценке фактической надежности электрооборудования в электроэнергетических системах.

2.4. Выводы.

3. Особенности сбора и обработки статистической информации о надежности работы оборудования в ЭЭС.

3.1. Влияние принципов классификации статистической информации на точность показателей надежности оборудования энергосистем.

3.2. Классификация статистической информации о надежности оборудования энергосистем.

3.3. Применение байесовского подхода для оценки показателей надежности.

3.4. Выводы.

4. Разработка мероприятий по управлению надежностью энергосистем

4.1. Адаптивное управление надежностью оборудования энергосистем.

4.2. Оптимизация структуры и оценка эффективности системы эксплуатации оборудования в энергосистемах.

4.3. Разработка программного обеспечения для автоматизированного согласования планов ремонтов оборудования энергосистем.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка надежности объектов энергетики с учетом особенностей их эксплуатации»

Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным ТЭК, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики. Роль страны на мировых энергетических рынках во многом определяет ее геополитическое влияние.

Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность всех отраслей национального хозяйства, способствует консолидации субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических показателей страны. Природные топливно-энергетические ресурсы, производственный, научно-технический и кадровый потенциал энергетического сектора экономики являются национальным достоянием России. Эффективное его использование создает необходимые предпосылки для вывода экономики страны на путь устойчивого развития, обеспечивающего рост благосостояния и повышение уровня жизни населения.

Соответствовать предъявляемым экономикой страны требованиям может только качественно новый ТЭК - финансово устойчивый, экономически эффективный и динамично развивающийся, соответствующий техническим и экологическим стандартам, оснащенный передовыми технологиями и высококвалифицированными кадрами, неотъемлемой частью которого является электроэнергетика.

Современное общество пришло к зависимости от надежной поставки электроэнергии, которая стала важнейшей составляющей жизнеобеспечения и среды обитания людей в целом. Крупные аварии по масштабам ущерба могут быть причислены к наиболее разрушительным видам бедствий, наносящим удар по национальной экономике страны и безопасности людей.

Системные аварии неоднократно происходили в различных ЭЭС России и мира. Ущерб, наносимый системной аварией, огромен.

Одна из первых системных аварий - 1965 г. в энергосистемах США и Канады. Начиная с 2000 года, случилось уже несколько подобных аварий.

9 сентября 2000 года обесточены города Челябинск, Екатеринбург, Курган.

В 2003 году 14 августа произошла крупнейшая системная авария в ОЭС США и Канады. В процессе развития аварии отключилось 61 800 МВт нагрузки и 263 электростанции (531 энергоблок), включая 10 АЭС (7 - в США и 3 в Канаде, всего 19 блоков), 50 миллионов человек осталось без электричества, несколько человек погибло, произошло более 3 тысяч пожаров. Длительность аварии составила почти двое суток: энергоснабжение Нью-Йорка было восстановлено за 24 часа, а в течение 44 часов было подано энергопитание всем потребителям. В итоге экономике США и Канады был нанесён ущерб на сумму не менее 10 миллиардов долларов.

2В августа 2003 года произошла системная авария в Великобритании. В результате аварии было обесточено 3 подстанции и отключено 724 МВт нагрузки. Пострадало более 250 тысяч человек. Длительность аварии - около часа.

2 сентября 2003 года - системная авария в Мексике, без света остались четыре миллиона жителей города Мехико.

28 сентября 2003 года из-за возникшего крупного дефицита мощности была погашена вся ЭЭС Италии. Энергоснабжение 95 % потребителей было восстановлено только утром 29 сентября.

24 мая 2005 года, авария, затронувшая энергосистемы Московской, Рязанской, Тульской, Калужской областей. Две последние энергосистемы выделились на изолированную работу, каскадное развитие аварии длилось 2 часа 30 минут. В Москве и московской области обесточены 45 подстанций 220, 110 кВ и две подстанции 500 кВ, остановлен метрополитен, погашен 51 важнейший для обеспечения жизнедеятельности Москвы объект, более 10 электростанций были отключены от сети энергосистемы, величина ограничения потребителей составила 2000 МВт, ущерб по приближенным оценкам составил 2 млрд. руб.

Развитие конкурентных отношений в электроэнергетике и участившиеся крупные системные аварии указывают на необходимость повышения внимания к обеспечению надежности энергосистем и энергообъединений.

На основе детального анализа перехода отрасли к рыночным отношениям установлено, что часть проблемы в обеспечении надежности возникают из-за хозяйственного разделения участников единого технологического процесса генерации, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Проявляется отставание в процессах адаптации технологической части нормативно-правовой базы и в развитии подходов к организации системы управления надежностью к существующим в экономике условиям.

Анализ зарубежного опыта показывает, что рост конкуренции и экономия издержек приводят к снижению уровня резервов всех видов, что непосредственно влияет на надежность текущего функционирования электроэнергетических систем, а отсутствие стимулов для долгосрочных инвестиций создает проблему покрытия перспективного спроса, закладывая базу для снижения надежности в будущем.

Организация эффективной структуры управления электроэнергетикой требует четкого выделения приоритетов в развитии отрасли, фундаментальных исследований в области надежности, использования передовых научно-технических разработок в области управления эксплуатацией.

Вместе с тем в электроэнергетике сохраняются механизмы и условия хозяйствования, неадекватные принципам рыночной экономики, действует ряд факторов, негативно влияющих на функционирование и развитие отрасли. Основными факторами, снижающими надежность и сдерживающими развитие электроэнергетики, являются:

• высокая (более 50 процентов) степень износа основных фондов;

• сокращение объема вновь вводимых мощностей в электроэнергетике (за девяностые годы спад от 2 до 6 раз);

• практика продления ресурса оборудования закладывает будущее отставание в эффективности производства;

• высокая аварийность оборудования, обусловленная низкой производственной дисциплиной персонала, недостатками управления, а также старением основных фондов;

• отсутствие адекватной системы сбора, обработки и обмена информацией между предприятиями отрасли.

Предотвращение возможных аварийных ситуаций в ЭЭС, с учетом имеющихся приоритетов и существующих недочетов в отрасли - важная научно-техническая проблема, состоящая из множества задач.

В качестве основных можно выделить:

• построение структурно надежных схем ЭЭС;

• создание эффективной системы эксплуатации энергооборудования и системы управления надежностью в ЭЭС;

• организацию систем сбора и обработки информации о функционировании ЭЭС с проведением инженерного и статистического анализа информации;

• проектирование и создание оборудования с более совершенными техническими характеристиками.

Задача информационного обеспечения отрасли статистической информацией о надежности эксплуатируемого оборудования, занимает особое место, проводимый анализ позволяет:

• анализировать качество управления надежностью и эксплуатацией;

• проверять выполнение требований к эксплуатации оборудования;

• выявлять наиболее рациональные варианты системы эксплуатации и структуры энергосистем;

• принимать оптимальные решения, касающиеся проектирования, изготовления и использования энергооборудования в ЭЭС.

Проблема статистического анализа эксплуатационных характеристик оборудования ЭЭС обладает специфическими особенностями, исключающими возможность непосредственного применения методов, разрабатываемых в других областях техники, которые сводятся к следующему:

• совокупности однотипного оборудования в ЭЭС по сравнению с другими изделиями промышленности малочисленны;

• условия и режимы эксплуатации оборудования в ЭЭС неодинаковы;

• возможна неполнота и недостоверность, а в ряде случаев, отсутствие информации о нарушениях в работе энергооборудования;

• практическое отсутствие системы сбора и обработки информации, учитывающей потребности РГК и ТГК, РСК, ФСК и её филиалов, СО и его филиалов, Ростехнадзора, ведомственного технологического надзора, образованных в результате реформ электроэнергетики организаций.

Вследствие этих особенностей однородные массивы статистической информации об эксплуатационных характеристиках оборудования в ЭЭС малы по объему. Как показал опыт статистических исследований оборудования в ЭЭС проводимых автором и по данным, опубликованным в [3, 82], в некоторых случаях объем однородных эксплуатационных выборок не превышает 7-8 реализаций в год.

Существующая система сбора и обработки информации реализованная в [42], уже не полностью отвечает требованиям, появившимся в результате реформ энергетики. Практическое отсутствие системы сбора информации о технологических нарушениях и эксплуатационных характеристиках, ведет к частичной потере данных, снижению точности оценки надежности, невозможности выявления причин отключений и их последствий. До настоящего времени, одним из наиболее слабоизученных методических вопросов исследования надежности систем энергетики, остается подготовка исходной информации, хотя работы в данном направлении начали появляться с середины двадцатого века в ходе развития прикладных разделов теории надёжности [6, 7, 10, 11, 15, 20, 16, 21, 61], в том числе и в приложении к отдельным отраслям народного хозяйства страны [56, 78, 84, 83, 86, 87].

В области машиностроения, для решения этой задачи были разработаны и утверждены соответствующие ГОСТы [27 - 29, 32], так же были разработаны ГОСТы и руководящие указания для любой промышленной продукции [25, 26, 30, 31, 33 - 35]. Однако для их использования необходимо создание отраслевых методик, обеспечивающих «привязку» положений ГОСТов к условиям электроэнергетики.

Несмотря на актуальность проблемы и очевидную необходимость данных ГОСТов и методик, указания по специальной обработке статистической информации на объектах ЭЭС практически не разработаны. Поэтому часть информации безвозвратно теряется или искажается, а ошибки, допущенные при сборе информации, не могут быть исправлены никакими, даже самыми современными методами математической статистики. Как следствие, в эксплуатацию поступают недостоверные оценки эксплуатационных характеристик оборудования ЭЭС.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Проведенные исследования связаны с работами кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета, проводимыми в соответствии с Федеральной целевой программой «Реформирование и развитие оборонно-промышленного комплекса (2002 -2006 годы)»; Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, блока «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздела «Топливо и энергетика». Работа выполнена в соответствии с конкурсом, объявленным Федеральным агентством по науке и инновациям министерства образования и науки РФ на 2005 год на право заключения контрактов по направлению «Разработка и внедрение конкурентоспособных электросберегающих технологий». Работа соответствует основным направлениям программы научных исследований и экспериментальных работ по повышению надежности, определенных «Положением о технической политике в распределительном электросетевом комплексе».

Цель исследования. Разработка методических основ сбора и обработки статистической информации для оценки надежности объектов энергетики с учетом особенностей их эксплуатации, структуры системы сбора и обработки информации о нарушениях работы оборудования ЭЭС, моделей и алгоритмов для повышения эффективности и управления надежностью оборудования в ЭЭС. Для этого решаются следующие задачи:

• анализ существующей системы сбора и обработки информации о нарушениях в работе оборудования и системы управления эксплуатацией оборудования в энергосистемах;

• выявление особенностей сбора и обработки статистической информации о надежности работы оборудования в ЭЭС;

• разработка принципов классификации и формирование однородных массивов информации;

• формирование правил классификации и плотности распределения параметров показателей надежности оборудования;

• выбор способов обработки статистической информации о надежности оборудования;

• применение байесовского подхода для оценки частных значений параметров надежности;

• прогнозирование и нормирование показателей надежности энергооборудования на основе статистических выводов и байесовского подхода к получению статистических оценок показателей надежности;

• корректировка системы сбора, обработки и передачи информации об эксплуатационных характеристиках оборудования ЭЭС, технологических нарушениях в ЭЭС и в системе эксплуатации, с учетом особенностей статистической информации;

• разработка алгоритмов и моделей управления надежностью в энергосистемах, путем оптимизации структуры существующих систем эксплуатации оборудования.

Объект исследования. Объект исследования - комплекс «электроэнергетическая система - совокупность административно независимых субъектов, объединенных единым технологическим процессом, управляющих и обслуживающих оборудование в энергосистемах».

Предмет исследования - принципы сбора и обработки статистической информации, методы управления надежностью и системой эксплуатации оборудования в энергосистемах.

Методы исследования. В работе использовались методы теории множеств, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования технических систем, экспертного оценивания, распознавания образов, экономико-математического анализа, функционального анализа. В работе автор защищает:

• усовершенствованную систему сбора и обработки статистической информации об эксплуатационных характеристиках оборудования ЭЭС;

• предложения по принципам классификации статистической информации и влиянию её на надежность оборудования ЭЭС;

• усовершенствованные правила классификации оборудования по показателям надежности;

• новый подход к практическому решению задачи оценки надежности оборудования в ЭЭС в условиях ограниченности однородной статистической информации о показателях надежности энергооборудования энергосистем;

• модели и алгоритмы для повышения эффективности системы эксплуатации и управления надежностью оборудования ЭЭС.

Научная новизна состоит в развитии и совершенствовании системы сбора и обработки информации о нарушениях в работе оборудования в энергосистемах, теории обработки ограниченной статистической информации о надежности оборудования энергосистем, совершенствовании математических моделей и системного похода к реализации системы эксплуатации энергообъектов.

В работе показано, что для повышения эффективности системы эксплуатации необходимо оценить и спрогнозировать возможный объем требуемого технического обслуживания и ремонта для всей рассматриваемой системы. При этом необходимо выбрать и провести, в условиях имеющихся ограничений материальных ресурсов, только те мероприятия, которые максимально снизят ущерб от технологических нарушений. Предложены обобщенные математические модели позволяющие решить задачу выбора структуры системы эксплуатации и профилактических мероприятий в условиях имеющихся ограничений на ресурсы и оценить их эффективность.

Теоретическая и практическая и ценность. Разработанная система сбора и обработки информации позволяет получить оценки надежности работы оборудования в энергосистемах в условиях малых объемов однородных статистических данных. Эти значения эксплуатационных характеристик и показателей надежности, являются информационным обеспечением математических моделей, позволяющих адаптировать систему эксплуатации к изменяющимся условиям при ограниченных ресурсах. Рекомендуемая система сбора и обработки информации обеспечит большую достоверность, достаточность и качественное соответствие информации требованиям субъектов электроэнергетики и действующей нормативной документации. Предложенная классификация информации и оборудования по показателям надежности может быть использована для подготовки стандартов обработки статистической информации в отрасли.

Работа необходима для практической реализации статей 6,9,13,14,16,18,20,23,28,29,38 законов - ФЗ «Об электроэнергетике» и 3,7,11,19-ФЗ «О техническом регулировании».

Предложения по организации системы сбора и обработки информации, и разработанные функции, выполняемые службами надежности, позволят обеспечить достоверной информацией структурные подразделения и головные предприятия отрасли. Разработанные указания позволяют обобщать полученную статистическую информацию об основных эксплуатационных характеристиках оборудования в ЭЭС для получения оценок его надежности. Предлагаемые модели управления системой эксплуатации позволяют в рамках действующей нормативно-технической документации и ограниченных финансовых, трудовых и временных ресурсах, повысить надежность ЭЭС и эффективность системы эксплуатации.

Реализация результатов работы. Положения диссертационной работы использованы при оценке надежности работы оборудования и оценке системы эксплуатации сетевого предприятия Нижегородской и Ленинградской энергосистемы. Результаты проведённых расчётов переданы в ФГУ ПФО «Ростехнадзор», Нижегородское представительство ПЦ «Энерго», филиал ОАО «ФСК ЕЭС» Ленинградское предприятие магистральных электрических сетей. Результаты работы используются в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета при чтении курсов «Надёжность ЭЭС», «Оптимизация в ЭЭС», «АСУ ЭЭС» и в дипломном проектировании.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты были представлены на двух международных научных семинарах им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики», в г. Пскове, 2005 и в г. Харькове, 2006; на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии». Бенардосов-ские чтения 12. Иваново, 2005г.; девятой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2003г. на второй и четвертой Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2003 и 2005 гг.; ежегодной научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики», Нижний Новгород, 2002 и 2003 гг.; на XI сессии молодых ученых. Технические науки. 2006 г. Ульяновск 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Личный вклад автора. Приведенные в диссертации результаты являются составной частью НИР, выполняемых в НГТУ при участии автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит формализация поставленных задач, разработка математических моделей и алгоритмов, получение расчетных значений показателей надежности и анализ результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и 2х приложения. Объём диссертации составляет 129 страниц основного текста, включая 19 рисунков и 27 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Карабанов, Андрей Анатольевич

4.4 Выводы

1. В современных условиях при эксплуатации оборудования энергосистем должны быть использованы методы адаптивного управления, позволяющие выбрать стратегию рационального управления системой ТОиР с учетом ограничений финансовых, временных, трудовых и материальных ресурсов.

2. Выбор стратегии ТОиР без учета постоянно изменяющегося состояния оборудования ведет к излишним затратам. Поэтому, для обоснованного выбора форм оперативного обслуживания и зон ответственности БЦР, требуется оптимизация структуры системы ООиР с учетом влияющих факторов. Разработанные модель и алгоритм адаптивного управления системой ТОиР позволяют не только определять её параметры, но и прогнозировать рациональную организацию системы, производить анализ и выбор наиболее выгодного вида управления.

3. Основными факторами определяющими, выбор формы оперативного обслуживания является время доставки оперативного персонала на энергообъект и объем поступающих на обслуживание требований.

4. При обслуживании особо ответственных энергообъектов необходимо учитывать, что при интенсивности потока требований с 10 объектов выше 0,307 о.е., коэффициент готовности снижается до 0,96 о.е. и появляется очередь требований на обслуживание.

5. Применение при формировании графиков ремонта оборудования энергосистем (энергопредприятий) автоматизированного комплекса позволяет значительно ускорить процесс верстки плана графика ремонта оборудования и проверить его выполнимость, освободив при этом временные ресурсы для решения других производственных задач.

Заключение

Проведен анализ существующей системы сбора и обработки информации о нарушениях в работе оборудования в ЭЭС и существующей системы управления эксплуатацией оборудования в энергосистемах.

Выявлены особенности сбора и обработки статистической информации о надежности работы оборудования в электроэнергетических системах. Разработаны принципы классификации и формирование массивов однородной информации в ЭЭС.

Сформированы правила классификации оборудования по показателям надежности и плотности распределения параметров надежности оборудования. Представлено влияние статистической информации о надежности оборудования на способы её обработки.

Для оценки частных значений параметров надежности и законов распределения случайных величин, показателей надежности применен байесовский подход.

Сформулированы предложения по корректировке существующей структуры системы сбора и обработки, передачи информации об эксплуатационных характеристиках оборудования ЭЭС, технологических нарушениях в ЭЭС и самой системе эксплуатации, с учетом выявленных особенностей статистической информации в ЭЭС.

Разработаны алгоритмы и модели управления надежностью в энергосистемах, повышения эффективности и оптимизации структуры существующих систем эксплуатации оборудования.

Для реализации комплексного подхода период проведения ремонтной кампании, разработано техническое задание и опытный вариант программного комплекса по автоматизированному формированию планов ремонта оборудования энергосистем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карабанов, Андрей Анатольевич, 2007 год

1. Ahmed S. Shahnawaz, Sarker Narayan Chandra, Khairuddin Azhar В., Ghani Mohd Ruddin B. Abd, Ahmad Hussein. A scheme for controlled islandin to prevent subsequent blackout. IEEE Trans. Power Syst. 2003. 18, N 1, p. 136 143.

2. G.Blazer, D.Drescher, F.Heil, P.Kirchesch, R.Meister, C.Neumann Evalution of failure data of hv circuit-breakers for condition based maintanance // CI-GRE, session 2004, Report A3-305

3. Аварийность в энергетике: Информационный бюл. №5. М.: СПО ОРГ-РЭС, 1995.-32 с.

4. Альтман И.В. Надежность электрооборудования систем электроснабжения промышленных предприятий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Альтман И.В. Горький, 1972.

5. Арогов И.З. К вопросу оценки однородности экспериментальных данных об отказах изделий / Арогов И.З., Золотарев А.С. // Надежность и контроль качества. 1987. - №7. - С. 3 -9

6. Беляев Ю.К. Надежность технических систем: Справочник / Беляев Ю.К., Богатырев В.А., Болотин В.В. Под ред. Ушакова. — М: Радио и связь, 1985.-608 с.

7. Беляев Ю.К. Статистические методы в теории надежности. / Беляев Ю.К. -М: Знание, 1978.

8. Беляев Ю.К. Элементы теории вероятности и математической статистики / Беляев Ю.К., Чепурн Е.В. В сб. "Научные основы надежности и статистических методов контроля качества". М.: Изд-во Стандартов, 1973.

9. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов / Боровиков В. СПб.: Питер, 2001. - 656 с.

10. Бруевич Н.Г. Предисловие к книге "Основные вопросы теории и практики надежности" / Бруевич Н.Г., Голинкевич Т.А., Барвилович Е.Ю. М.: Советское радио, 1975. - 408 с.

11. Вапник В.Н. Теория распознавания образов / Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. М.: Наука, 1974. - 416с.

12. Васильев А.П. Адаптивное управление надежностью оборудования энергосистем. Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. / Васильев А.П., Карабанов А.А., Папков Б.В. №3. - 2006. - С. 64 - 68.

13. Васильев А.П. Анализ надежности электрических сетей ОАО "Ленэнерго" / Васильев А.П., Турлов А.Г. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики — Иркутск Псков, 2006. — Вып. 56. -С. 154- 167.

14. Васильев А.П. Обеспечение надежности, безопасности энергоустановок в условиях реформирования энергетики / Васильев А.П. Проблемы энергетики. Известия высших учебных заведений Казань, 2004. - С. 61 -70.15