Баланс производства электроэнергии в мире в 2000-2030 г.г.

Первичные энергоресурсы	2000 г.	2010 г.	2020 г.	2030 г.	Среднегодовые темпы прироста, %
Общее производство, ТВт*ч	15391	20037	25578	31524	2,4
В т.ч. Уголь	5989	7143	9075	11590	2,2
Нефть	1241	1348	1371	1326	0,2
Газ	2676	4947	7696	9923	4,5
Водородные топливные элементы	0	0	15	349	-
Атомная энергия	2586	2889	2758	2697	0,1
Гидроэнергия	2650	3188	3800	4259	1,6
Прочие возобновляемые источники энергии	249	521	863	1381	5,9
Потребление всего млн. т н.э.	235	304	388	476	2,4

 

 

ЛЕКЦИЯ №-2

(Очная форма обучения)

Дисциплина: Надежность и безопасность электрооборудования систем ЭЧ ЭС

 

Тема: Структурно-сложные системы

Как объект исследований

 

 

ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ:

1. Варианты существующих энергосистем и выбор класса

структурно-сложных систем для дальнейшего исследования.

2. Некоторые примеры структурно-сложных систем.

3. Основные понятия и определения теории надежности и безопасности.

 

Варианты существующих энергосистем и выбор класса

 структурно-сложных систем для дальнейшего исследования

        

    Насущные потребности современной науки и техники выдвигают задачу разработки системного подхода к исследованию любых явлений и процессов окружающего нас мира. Вполне естественно, что к проблеме надежности и безопасности сложных энергокомплексов необходим системный подход.

    Под термином «система» будем понимать совокупность действующих элементов, взаимосвязанных между собой и рассматриваемых как единое структурное целое. Эти связи и отличают систему от простого набора частей. Существуют различные классы систем, рассматриваемые по тем или иным признакам: естественные и искусственные, открытые и закрытые, простые и сложные, технические, информационные, вычислительные и другие системы. Нас будут интересовать только структурно-сложные системы (ССС) в электроэнергетике. Латинский термин «structura» означает взаиморасположение и связь составных частей чего-либо.

Представление о сложности системы связывает это свойство с:

- объемом оборудования;

- разветвленностью функциональных и логических связей между элементами, частями системы и степенью их взаимодействия;

- многорежимностью системы;

- возможностью восстанавливаемых и невосстанавливаемых отказов у одних и тех же элементов в зависимости от характера самого отказа;

- последействием, выражающемся в необходимости отключения ряда исправных элементов при ремонт отказавших;

- квалификацией персонала, стоимостью изготовления всей системы, трудностью оценки эффективности, надежности и безопасности и т.д.

Иными словами, понятие сложности учитывает как сложность структуры системы, так и сложность функций, реализуемых системой. Большинство элементов сложных энергосистем сами по себе являются достаточно сложными техническими системами, такие как турбо- и дизель-генераторы, различные преобразователи, автоматические синхронизаторы, аппараты коммутации и т.д. Поэтому сложная электроэнергетическая система – это система систем.

 Под «структурно-сложными системами» будем понимать системы, которые при математическом описании не сводятся к последовательным «И», параллельным «ИЛИ» или древовидным структурам, для исследования которых существуют количественные методы. Структурно-сложные системы описываются сценариями сетевого типа с циклами и неустранимой повторяемостью элементов при их формализации. При решении задач надежности и безопасности ССС используются одни и те же логико-вероятностные модели.

Большинство реальных систем относится к классу структурно-сложных. Единственным практически реальным и доступным путем для проектирования и исследования ССС является моделирование. Вполне естественно, что все научные результаты, полученные для ССС, будут пригодны для систем с простой структурой.

Энергосистемы с мостиками (перемычками) являются ССС. Для такого рода систем Б.С.Диллон, А.П.Коваленко и др. использовали эквивалентное преобразование соединения треугольником в соединение звездой и наоборот. В результате такого преобразования сложная мостиковая структура заменяется системой с последовательным и параллельным соединением элементов. Такой метод преобразований вносит небольшую погрешность, но в практических расчетах ею можно пренебречь.

Логико-вероятностные методы для исследования структурных надежности и безопасности практически исключают погрешность в расчетах, четко решая поставленные задачи.

        

2. Некоторые примеры структурно-сложных систем

Сложная электроэнергетическая система (СЭС) представляет собой совокупность электрических машин, распределительных и регулирующих устройств, кабелей и потребителей, предназначенная для бесперебойного распределения электроэнергии в нужном количестве заданного качества потребителям различного направления. Наличие глубоких внутренних связей, не позволяющих расчленить систему на независимые составляющие, приводит к тому, что при определении её характеристик нельзя изменять влияющие факторы «по одному». Такая система обладает новыми качествами, несвойственными отдельным её элементам.

Логические связи, описывающие условия работоспособности СЭС, характеризуют её как систему с мостиковой структурой, при которой одни и те же элементы обеспечивают различные варианты работы системы. Характерной особенностью СЭС, как правило, является ремонт элементов при снятом напряжении сети. Поэтому фактический отказ того или иного элемента приводит к вынужденному отказу ряда исправных элементов системы на период восстановления отказавшего. При этом иногда из действия выключаются элементы, обеспечивающие резервное питание, что, естественно, снижает общую надежность системы.

Приведем пример небольшой по количеству элементов и связей между элементами, но всё же структурно-сложной системы (рис.1). 

 

 

 

Рис.4 Структурная схема надежности

Принятые условные обозначения:

X₁, X₂ – Г₁, Г₂          - генераторы;

X₃, X₄ – ГРЩ₁, ГРЩ₂ - главные распределительные щиты;

X₅, X₆ – К₁, К₂         - кабельные линии;

X₈     – П                        - кабельная перемычка;

X₇ – РЩ1     - распределительный щит.

 

Как изменится  надежность системы при наличии перемычки х₈?

 

Чтобы подчеркнуть структурную сложность энергосистемы, рассмотрим вполне реальную систему с кольцевой структурой (рис.2)

 

 

Рис. 2. Структурная схема ЭС с тремя генераторами.

    В данной системе 15 структурных элементов:

· X1, X2, X3 - три генератора одинаковой мощности;

· X4, X6, X9 - три главных распределительных щита;

· X5, X7, X8 - три связи между ГРЩ;

· X10 - X15 - шесть вторичных распределительных щитов.

 

Задача состоит в том, чтобы обеспечить бесперебойное одновременное питание трех групп ответственных потребителей, каждая из которых может быть включена на один из двух ВРЩ.

    Кольцо, образованное элементами х₄ – х₉ составляет основную трудность аналитического решения задач надежности такой энергосистемы.

 

    В качестве еще одной ССС, состоящей всего из девяти элементов, но представляющей большие трудности при исследовании её надежности, приведем структуру двух «звёзд», включённых на «треугольник» (рис.3)

 

 

 

 

                                         

 

 

Рис.3 Структура двух «звёзд», включённых на «треугольник»

3. Основные понятия и определения теории

Надежности и безопасности

Для количественной оценки надежности и безопасности требуется конкретизация этих понятий. Остановимся более подробно на двух фундаментальных понятиях современной теории надежности и безопасности, т.е. на теориях «отказ» и «опасное состояние».

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 (ГОСТ 27.002-2009 приостановлен) Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, то есть это событие, после возникновения которого система утрачивает способность выполнять заданное назначение.

Это понятие позволяет вводить различные числовые показатели надежности объекта (количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта).

Изменения, происходящие в любом объекте в течение времени и приводящие к возможной потере его работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями на объект. Имеются три основных источника воздействия на объект:

- действие энергии внешней среды, включая человека, исполняющего функции оператора, использующего функции эксплуатационника или ремонтника;

- внутренние источники энергии, связанные с рабочими процессами, протекающими в объекте;

- потенциальная энергия, накопленная в материалах конструкции объекта в процессе изготовления и эксплуатации.

Основными формами энергии, влияющими на работоспособность объектов, являются: механическая, тепловая, химическая, ядерная, электромагнитная. Эти формы энергии, действуя на объекты, вызывают в них процессы, ухудшающие начальные параметры объектов, т.е. могут привести к отказу. Схематически это выглядит так:

Энергия, действующая на объект→процесс изменения свойств или состояния материалов→повреждение материала конструкции объекта→изменение выходных параметров объекта→отказ.

В результате действия той или другой энергии может не сразу произойти повреждение материала объекта. Часто существует период «накопления воздействий», прежде чем начинается период внешнего проявления процесса, т.е. повреждения объекта. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений. При этом под повреждением материала будем понимать отклонение его контролируемых свойств от начальных. Если эти отклонения превосходят допустимый уровень, то может произойти отказ объекта.

Всякий объект можно описать различными способами. При формировании понятия отказ объекта (системы, элемента) необходимо составить (сформулировать) совокупность конкретных требований, которым он должен удовлетворять. Если он удовлетворяет всем выдвинутым требованиям, то можно считать, что объект (система, элемент)  находится в работоспособном состоянии. Требования к объекту устанавливаются субъективно, зависят от полноты знания объекта, опыта и других факторов, т.к. связны с деятельностью каких-то лиц. При этом возможны и ошибки в назначении определенных требований и пропуски некоторых из них, наконец, эти требования могут изменяться по воле и желанию заказчиков и разработчиков, то есть они динамичны. Но, несмотря, на всю относительность полноты требований к объекту и субъективный характер их установления, в любой момент времени должна быть выделена и зафиксирована вполне определенная совокупность этих требований, по отношению к которой объективно можно судить об исправности или неисправности данного объекта. В этом состоит диалектика субъективного и объективного в оценке отказа объекта: субъективно устанавливаются требования к объекту и объективно - его состояние по отношению к этим требования. Всё это необходимо учитывать при формировании понятия «отказ ЭЧ ЭС».

Критерий отказа – заранее оговоренные признаки нарушения работоспособного состояния, при котором принимается решение о факте наступления отказа.

В историческом плане под надежностью понимали только безотказность. Затем в неё включили несколько свойств, регламентированных ГОСТ 27.002-89.

Надёжность - свойство системы (объекта) сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в нормальных условиях (заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования).

Надёжность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении, поддерживается и расходуется в процессе эксплуатации.

Надёжность проявляется в процессе эксплуатации, является комплексным свойством объекта и обуславливается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Отказоустойчивость – способность системы продолжать функционировать, имея отказы различных элементов.

Опасное состояние – чрезвычайное состояние, при котором возник ущерб «большого масштаба» (коллапс).

Под опасностью понимается способность системы переходить в опасное состояние.

Под безопасностью понимается способность системы функционировать, не переходя в опасное состояние.

Занимаясь анализом эффективности функционирования структурно-сложных систем, надежность будем рассматривать в узком смысле, как синоним безотказности.

Существует промежуточное понятие между надежностью и безопасностью, которое называется живучесть – способность системы сохранять свойства, необходимые для выполнения заданного назначения, при форсмажорных поражающих воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации (взрывах, пожарах, землетрясениях, наводнениях и пр.)

Недопустима подмена понятий живучести и безопасности понятием надёжности, т.к. надёжная система может оказаться и неживучей и опасной.

.

 

Тема: Общие понятия о живучести систем электрической части электростанций.

 

ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ: