Статьи и аналитикаБиблиотекаОбразованиеМероприятия  
Каталог

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ

Крайнов С. П.

ООО «Энерго Инжиниринг»

Выбор схем электрических соединений подстанций и сетей, как правило, производится на основании рекомендаций, приведенных в нормативных документах[1] без количественной оценки их надежности. Кроме того, при выборе схемных решений по сетевым районам и подстанциям не учитывается появление новых видов высоконадежного электрооборудования, а соответственно возможное рациональное упрощение схем. Такое положение приводит к тому, что в ряде случаев принимаются неоптимальные, с точки зрения экономичности и надежности, решения. Поэтому актуальной остается задача разработки и совершенствования методик оценки надежности схем электрических соединений подстанций и количественных показателей надежности при сравнении различных вариантов схем.

Актуальность создания и совершенствования методик расчета надежности вызвана возникающей при выборе схем распределительных устройств неопределенностью. Нередко на основании действующих нормативных документов невозможно принять решение об окончательном выборе между несколькими рассматриваемыми вариантами.

Задача оценки показателей надежности сводится к расчету конкретных значений вероятностей безотказной работы схемы по информации об усредненных значениях параметра потока отказов для единицы оборудования и среднем времени его восстановления в течение определенного периода. Далее, по вероятности безотказной работы (вероятности отказа) того или иного элемента сети (трансформатора, генератора, линии, присоединения) определяются аналогичные показатели для схемы в целом.

Основными задачами, решаемыми при проектировании схем электрических соединений, в которых необходим учет надежности в виде ряда показателей или нормативов, являются:

·      разработка требований и принципов управления схемой в нормальных и аварийных режимах;

·      выбор схем коммутации проектируемого энергообъекта;

·      определение требований и оценка допустимости технического обслуживания и ремонта электрооборудования проектируемых энергообъектов по плановым и аварийным заявкам;

·      получение достоверной информации о единичных показателях надежности нового оборудования;

·      расчет комплексных показателей надежности основной проектируемой структуры энергообъекта.

На сегодняшний день не существует универсального метода расчета надежности схем электрических соединений, хотя имеется большое число частных методов, основными из которых являются: аналитический; таблично-логический; метод, использующий теорию марковских процессов; метод дерева отказов и др. [1-3, 6].

Отличительные особенности их определяются уровнем допущений, полнотой учитываемых факторов, структурой и содержанием требуемой исходной информации. Известно, что применение их для оценки надежности одной и той же схемы приводит к результатам, порой отличающимся на порядок. Основной причиной этого является практическое отсутствие научно обоснованных рекомендаций для конкретного применения каждого из них. Следует отметить, что даже специально проведенные фундаментальные исследования [7] не привели к окончательному решению поставленной проблемы, поскольку не разрешен ряд противоречий и не устранены недостатки, затрудняющие их практическое использование, в числе их:

·      существующие методы анализа надежности предполагают индивидуальный детальный анализ каждой схемы;

·      разные методы предлагают разные критерии оценки надежности;

·      для расчета надежности требуется разработка специальных алгоритмов и выбор индивидуальных ограничений;

·      неудовлетворительная наглядность рекомендуемых схем замещения, приводит к неучету ряда влияющих на надежность факторов;

·      затруднена комплексная оценка показателей надежности схемы энергообъекта (подстанции, сети, района).

         В той связи предлагается использовать матричный метод оценки надежности схем распределительных устройств подстанций, который позволяет устранить большинство из выявленных недостатков. Для этого вводится следующаяклассификация элементов схем:

·       активные– элементы, которые при поврежде­нии смежных элементов, могут отключить участок поврежденной сети, т.е. выключатели;

·       пассивные – другие элементы схемы, которые при повреждении смежных элементов, не могут локализовать повреждение;

·       расчетные – элементы, для которых непосредственно определяются количественные показатели надежно­сти;

·       смежные – элементы, связанные с расчетными электрической связью.

Надежность каждого элемента сети предлагается определять двумя составляющими: собственной надежностью и надежностью элементов связанных с ним.

Влияние смежных элементов на надежность расчетного определяется схемной удаленностью их от расчетного. Надежность расчетного элемента определяется по формуле

(1)

где  – параметр потока отказов расчетного элемента;  – условная вероятность отказа активного элемента при отключении поврежденного участка сети,  – параметры потока отказов смежных элементов.

         Физический смыл выражения (1) состоит в том, что отказ смежного элемента не отделенного от расчетного выключателем приводит к отказу расчетного элемента. При отказе смежного элемента, отделенного от расчетного одним выключателем, отказ расчетного элемента произойдет при условии отказа выключателя, что в формуле (1) учитывается условной вероятностью ai. Аналогично, если элемент находится за двумя выключателями от расчетного, величина  умножается на условную вероятность отказа этих двух выключателей (a1*a2), и т.д.

Очевидно, что возможен учет влияния смежных элементов как угодно далеко находящихся от расчетного. Однако, учитывая реальные значения условных вероятностей отказов для различных типов выключателей () очевидно, что учет слагаемого  (смежный элемент за вторым выключателем) уже практически не даст существенного уточнения результата (a2=0,0004). Поэтому в расчетной схеме замещения целесообразно учитывать только те элементы, которые находятся не далее чем за одним активным от расчетного.

На основании однолинейной схемы подстанции и в соответствии с принятой классификацией элементов составляется схема замещения.

Опираясь на схему замещения, составляем три матрицы.

1. Матрица связейS.Прямоугольная матрица порядка MxN, где M– количество расчетных элементов, N – общее количество элементов.

Элемент матрицы sij  может иметь три значения.

2.Матрица времени восстановленияT.Матрица того же порядка что и матрица S. В нее заносятся значения времени восстановления элементов tij:

где tв – среднее время восстановления смежного элемента сети; – среднее время производства оперативных переключений, необходимых для локализации повреждения.

3. Матрица параметров потока отказов Ω.Квадратная матрица порядка NxN, в которую по главной диагонали заносятся значения параметра потока отказов всех элементов, включенных в схему замещения. Остальные ее элементы – нули.

Наличие этих матриц позволяет путем несложных преобразований получить показатели надежности для расчетных элементов. Умножая матрицу Т на матрицу Ω, получим промежуточную прямоугольную матрицу порядка MxN, элементы которой равны коэффициентам вынужденного простоя расчетных элементов при отказах элементов сети.

K=TxΩ                                                     (2)

 

Умножая матрицу на транспонированную матрицу КТ, получим результирующую матрицу коэффициентов вынужденного простоя С.

C=[SxKTx  1/8760                                                               (3)

Матрица С– квадратная матрица порядка MxM, в которой элементы, расположенные на главной диагонали– вероятности отказа (коэффициенты вынужденного простоя) расчетных элементов в течение года; остальные элементы– вероятности отказа, определяемые влиянием элементов смежных с расчетными на надежность расчетных элементов. Операция умножения на коэффициент 1 / 8760 соответствует приведению коэффициентов вынужденного простоя расчетных элементов к промежутку времени равному одному году.

Отметим, что представление результатов расчета в вероятностной форме (вероятность отказа) часто не дает полной информации о фактической надежности элемента. При малых вероятностях отказа время восстановления может быть значительным, и тогда проектируемая схема не будет удовлетворять требованиям по бесперебойности и другим показателям надежности электроснабжения.

Поэтому в задачах реального проектирования и эксплуатации предлагается использовать комплексный показатель надежности – коэффициент вынужденного простоя, который в количественной форме наиболее наглядно отражает надежность схемы.

Пример расчета

В связи со значительным моральным и физическим износом оборудования, а также предполагаемым в перспективе 5 – 10 лет вводом в эксплуатацию новых энергообъектов, необходима реконструкция главной схемы действующей подстанции 220 кВ – ПС-1. В настоящее время от нее отходят 5 ВЛ напряжением 220 кВ (рис.1, 2).

Принимаем к рассмотрению два варианта схемы:

1. ОРУ 220 кВ по схеме «две рабочие системы шин» (2РСШ) (рис. 1),

2. ОРУ 220 кВ по схеме «одна рабочая, секционированная выключателем, система шин» (1РСШ) (рис. 2).

 

Рис. 1. Вариант 1 присоединения ПС-1 к энергосистеме по схеме 2РСШ 

 

Рис. 2. Вариант 2 схемы присоединения ПС-1 к энергосистеме по схеме 1РСШ

Данная подстанция является узловой и обеспечивает выдачу мощности ТЭЦ-1 и ГЭС-1. На основании проведенных расчетов в аварийных режимах не допускается разрыв транзитов по линиям 220 кВ ГЭС-1 – ПС-1 и ПС-1 – ТЭЦ-1. Иначе говоря, отключение этих линий допустимо только на время оперативных переключений. При этих условиях и в соответствии с руководством «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35 – 750 кВ. Типовые решения, Первая редакция №278тм, г. Москва, 2007 г.» для РУ 220 кВ необходимо применить схему 2РСШ. Эта схема на первый взгляд действительно удовлетворяет требованиям надежности, т.е. при отключении одной из систем шин все присоединения в кратчайшее время могут быть переведены на другую систему шин.

Однако «Общие технические требования к подстанциям 330 – 750 кВ нового поколения, 2004 г.» в п. 2.1 рекомендуют: «электрические схемы всех напряжений ПС должны быть обоснованно упрощены с учетом применения высоконадежного оборудования. Для РУ 220 кВ и ниже в основном следует применять одинарные секционированные системы шин». Поскольку однозначный выбор схемы данной подстанции на основании указанных действующих документов сделать нельзя, возникает вопрос, насколько выше будет вероятность разрыва расчетного транзита при погашении секции шин в схеме 1РСШ по сравнению со схемой 2РСШ.

Показатели надежности трансформаторов, линий и сборных шин, характеризующие частоту отказов и время их восстановления, приняты по данным [4] одинаковыми для обоих вариантов (табл. 1). Параметр потока отказов для сборных шин учитывает отказы как непосредственно сборных шин (наброс посторонних предметов, разрушение опорной или подвесной изоляции), так и отказы при операциях с разъединителями (поломка колонок изоляторов и т.п.). Показатели надежности элегазовых выключателей приняты усредненными на основании каталожных данных различных производителей

Таблица 1

Показатели надежности трансформаторов, линий и сборных шин

Элемент

Параметр потока

отказов, 1/год

Среднее время

восстановления, час

Трасформатор

0,03

61,3

ВЛ 220 кВ 2 цепи (на 100 км)

2

10,5

ВЛ 220 кВ 1 цепь (на 100 км)

1,7

14,0

Выключатель 110 кВ

0,01

30,7

Выключатель 220 кВ

0,015

36,8

Сборные шины (на присоединение)

0,013

5,3

Модель отказа выключателя выбрана в соответствии с [5], в которой параметр потока отказов учитывает все аварийные отключения, связанные с эксплуатацией выключателя, а все его повреждения приводят к отключению смежных выключателей – отказ в обе стороны.

Схема замещения исходной системы представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема замещения для расчета надежности в нормальном режиме для вариантов 1 и 2.

Расчетная схема замещения для нормального режима будет одинаковой для обоих вариантов, так как в схеме с 2 РСШ принята фиксация присоединений аналогично схеме 1 РСШ. Дальнейшие вычисления приведены для схемы 1 РСШ (Рис.2).

В качестве расчетных элементов принимаем секции (системы) шин (элементы 16, 17). Матрицы связей S, времени восстановления Т и потока отказов Ωимеют вид, представленный в таблицах 2, 3, 4 соответственно.

Умножив матрицу Т на матрицу Ω, получим матрицу К (табл. 5).

После умножения матрицы Sна транспонированную матрицу КТ получаем матрицу С, элементы которой:

- c11,c22– вероятности отказа (коэффициенты вынужденного простоя) расчетных элементов в течение года;

- c12,c21 – вероятности отказа, определяемые влиянием элементов схемы смежных с расчетными на надежность расчетных элементов.

Таблица 2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

16

0

а

0

а

0

0

а

0

а

 

0

а

1

а

1

а

1

а

1

а

а

0

а

а

0

0

1

17

а

0

а

0

а

а

0

а

0

а

1

а

1

а

1

а

1

а

1

0

а

0

0

а

а

1

 

Таблица 3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

16

0

t

0

t

0

0

t

0

t

0

t

t

t

t

t

tв

t

t

t

t

0

t

t

0

0

t

17

t

0

t

0

t

t

0

t

0

t

t

t

t

t

t

t

tв

t

t

0

t

0

0

t

t

t

 

                                                                                                                           Таблица 4

1

2

-

25

26

1

ω1

0

-

0

0

2

0

ω2

-

0

0

-

-

-

-

-

-

25

0

0

-

ω25

0

26

0

-0

-

0

ω26

 

Таблица 5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0*ω1

t*ω2

0*ω3

t*ω4

0*ω5

0*ω6

t*ω7

0*ω8

t*ω9

0*ω10

t*ω11

t*ω12

t*ω13

t*ω14

t*ω15

17

t*ω1

0*ω2

t*ω3

0*ω4

t*ω5

t*ω6

0*ω7

t*ω8

0*ω9

t*ω10

t*ω11

t*ω12

t*ω13

t*ω14

t*ω15

 

                                                Продолжение таблицы 5

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

16

t*ω16

t*ω17

t*ω18

t*ω19

t*ω20

0*ω21

t*ω22

t*ω23

0*ω24

0*ω25

t*ω26

17

t*ω16

t*ω17

t*ω18

t*ω19

0*ω20

t*ω21

0*ω22

0*ω23

t*ω24

t*ω25

t*ω26

    

Значение среднего времени t производства оперативных переключений в сети 220 кВ необходимых для локализации повреждения принято t = 1 час. Условная вероятность отказа выключателей принята a=0,01.

Дальнейшие вычисления параметров ремонтного режима производим изменяя исходную схему замещения (Рис. 3).


Рис. 4. Схема замещения для расчета ремонтного режима 1-й секции шин

(элемент 17), вариант 1.


Рис. 5. Схема замещения для расчета ремонтного режима 2-й секции шин

(элемент 16), вариант 1.

Для схемы 2 РСШ (Рис. 1) расчет производим аналогично, изменяя входные значения параметров надежности для элементов 16 и 17. Разные значения параметра потока отказов для элементов 16 и 17 обусловлены разным количеством присоединений в первом и втором варианте схемы.

ω=ωсш*n,

где    - параметр потока отказов для сборных шин (на одно присоединение), 1/год; n - количество присоединений.

Для варианта 1:

n16=4, n17=5, ω16=0,013*4=0,052 1/год, ω17=0,013*4=0,052 1/год

 Для варианта 2:

n16=n17=8, ω1617=0,013*8=0,104 1/год

Результаты вычислений сведены в табл. 6, где коэффициенты вынужденного простоя (в числителе) представлены в относительных единицах, а в знаменателе – в %. Для удобства сравнения принимаем за 100% минимальные значения:

- коэффициент вынужденного простоя Квп для 1 РСШ (Рис.2) в нормальном режиме для первой секции - 3,933.10-5  = 100%;

- коэффициент вынужденного простоя Квпс  для 1 РСШ (Рис.2), определяемый влиянием элементов смежных с расчетными на надежность расчетных элементов для первой секции - 1,325.10-5 = 100%.

Таблица 6

Результаты вычислений

Режим

Нормальный режим

Ремонтный режим*

 

2 секция элемент 16

1 секция элемент 17

элемент 17 в ремонте

элемент 16 в ремонте

Одна рабочая, секционированная выключателем, система шин (1РСШ)

Коэффициент вынужденного простоя

Квп

3,933.10-5

100%

4,915.10-5

125%

3,748.10-5

95%

4,732.10-5

120%

Квпс

1,325.10-5

100%

1,635.10-5

123%

-

-

Две рабочие системы шин (2РСШ)

 

 

2 система элемент 16

1 система элемент 17

элемент 17 в ремонте

элемент 16 в ремонте

Коэффициент вынужденного простоя

Квп

7,084.10-5

180%

7,280.10-5

185%

7,517.10-5

191%

7,517.10-5

191%

Квпс

1,942.10-5

147%

2,111.10-5

159%

-

-

*Показатель надежности приведен для оставшейся в работе секции (системы) шин

Анализ результатов расчета

Нормальный режим. Коэффициент вынужденного простоя первой секции (системы) шин Квп (элемент 17), за счет большего количества присоединений, выше, чем в схеме с двумя рабочими системами шин (2 РСШ), так и в схеме с одной секционированной системой шин (1 РСШ).

 Послеаварийный режим (отключение одной секции (системы) шин).

Коэффициент вынужденного простоя выше у схемы 2 РСШ за счет большего количества присоединений к секциям шин 8 против 4 и 5 соответственно на 1 и 2 секции у схемы 1 РСШ. Таким образом, вероятность отказа в схеме 2 РСШ выше в нормальном режиме по сравнению со схемой 1 РСШ.

В ремонтном режимеразница в показателях надежности возрастает за счет увеличения количества присоединений в схеме 2 РСШ и уменьшения  - в схеме 1 РСШ.

Выводы

Схема 2 РСШ оказывается менее надежной и в нормальном, и в ремонтном режиме по сравнению с 1 РСШ. Это объясняется большим количеством присоединений к системе шин в схеме 2 РСШ.

Существенное влияние на надежность оказывает количество производимых оперативных переключений, которое, очевидно, пропорционально количеству ошибок оперативного персонала.

Преимущества предлагаемого метода заключаются в формализованном подходе к составлению схемы замещения и наложению ограничений по количеству рассматриваемых элементов; простоте создания программных продуктов; возможности рассмотрения различных режимов путем простого измене­ния схемы замещения; возможности расчета надежности схем с большим количеством эле­ментов.

Литература

1)Трубицин В.И. Надежность электрической части электростанций. Издательство МЭИ, Москва, 1993 г., 112 с.

2)Синьчугов Ф.И. Расчет надежности схем электрических соединений. Москва, «Энергия», 1971г., 176 с.;

3)Ю.Н. Балаков, А.И. Васильчиков, В.М. Лавреньтев, А.Т. Шевченко, А.В. Шунтов Коммутационные узлы энергосистем / Под ред. - А.В. Шунтова, Москва, Энергоатомиздат, 1997 г., 240 с.

4)Справочник по проектированию электрических сетей / Под редакцией Д.Л.Файбисовича, Москва, Издание 2-е переработанное и дополненное 2006 г.;

5)Балаков Ю.Н., Мисриханов М.Ш., Шунтов А.В., Схемы выдачи мощности электростанций: методологические аспекты формирования. Энергоатомиздат, Москва  2002 г. ;

6)Гук Ю.Б., Лосев Э.А., Мясников А.В. Оценка надежности электроустановок. М:. Энергия, 1974

7)Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики" выпуск 28, 1984 год.

 
Источник: http://portalenergetika.com/

Категории статьи:
Рынок электроэнергетики | Магистральные сети | Распределительные сети | Муниципальные сети | Предприятия | Сбытовые компании
Эксплуатация и ремонт электрооборудования | Магистральные сети | Распределительные сети | Муниципальные сети | Предприятия | Генерация | Сбытовые компании | Монтажные организации
Эту страницу просмотрели 15971 раз