CC BY
17
УДК 621.316.3
ЭКВИВАЛЕНТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ПОСЛЕДСТВИЯМ
ОТКАЗОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Б.В. ПАПКОВ, М.В. ШАРЫГИН НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород
В современных условиях управление оптимизацией надежности электроснабжения потребителей затруднено из-за отсутствия информации о технико-экономических последствиях отказов электроснабжения потребителей. Предлагаются универсальные правила выявления такой информации в виде числовых зависимостей последствий (ущерба) от характеристик параметров отказа. Получены эквиваленты конечных потребителей, позволяющие быстро и качественно оценить технико-экономические последствия отказов в системах электроснабжения потребителей для решения задач управления надёжностью.
Ключевые слова: электроснабжение, надежность, потребители, последствия, управление, оптимизация.
Введение
К настоящему времени разработано большое количество мероприятий по управлению уровнем надежности электроснабжения потребителей электроэнергии (блок 4.3, рис. 1) [1]. Но их массовое внедрение до сих пор затруднено в силу следующих причин:
• отсутствуют организационные механизмы взаимодействия потребителей и энергокомпаний для управления надежностью электроснабжения [2] (блок 4.1, рис. 1);
• не в полной степени разработаны практические методы принятия решений по управлению надежностью электроснабжения (блоки 2, 4.2, рис. 1);
• практически отсутствует полноценное информационное обеспечение принятия решений по оптимизации надёжности электроснабжения (блоки 1, рис. 1).
В этих условиях актуально создание «эквивалента» конечного потребителя по последствиям отказов его электроснабжения (блок 1.1, рис. 1) и разработка универсальных формальных правил его определения. Эквивалент должен содержать всю необходимую информацию о последствиях отказов, используемую в эксплуатационных и проектных задачах оптимизации надежности. Это позволит унифицировать и упростить задачи оценки технико-экономических последствий нарушения электроснабжения, абстрагироваться от множества особенностей производственных систем потребителей. Такой эквивалент может быть использован самим потребителем (для оптимизации внутреннего электроснабжения и управления его режимами), энергокомпаниями, питающими потребителей, и проектными организациями.
Эквивалент конечного потребителя содержит: 1) технико-экономический эффект управления надежностью электроснабжения конкретных участков производства или узлов питающей их сети; или 2), по меньшей мере, желаемое для потребителя ранжирование участков производства (электроприемников) по приоритетности обеспечения надежностью электроснабжения. Исходя из этих предпосылок эквивалент отражает: 1) техническую информацию (технологическую и электрическую схемы производства, их структуру, параметры технологического процесса и элементов схемы электроснабжения, режим работы производства и системы электроснабжения с учетом
© Б.В. Папков, М.В. Шарыгин Проблемы энергетики, 2013, № 7-8
связей со смежными предприятиями); 2) экономическую информацию (абсолютные или относительные последствия отказов (ущерб) в системе электроснабжения потребителя, в системе внешнего электроснабжения).
Рис. 1. Общая структурная схема системы управления надежностью электроснабжения конечных потребителей
Вышеперечисленным условиям удовлетворяет следующее толкование эквивалента потребителя по последствиям отказов: это числовые зависимости некоторой величины X от параметров отказа Потказ (длительности отказа, заблаговременности предупреждения и т.п.): X — ^х (Потказ). В зависимости от решаемой задачи определяются и разные величины X:
• технические - Хт: длительности останова производства, ремонтно-восстановительных работ, наладки технологического процесса, восстановления номинальной производительности, отключения смежных участков производства, вероятности опасных последствий внезапных отключений;
• экономические - Хэ : ожидаемый или реальный ущерб, возможная или желаемая компенсация технико-экономических потерь.
Полный набор таких эквивалентов должен нести исчерпывающую информацию о последствиях отказа у потребителя, что позволит решить практически любую текущую или перспективную задачу оценки существующего и/или необходимого потребителю уровня надёжности:
• поиск «узких мест» в схеме электроснабжения потребителя (блоки 1.1, 1.2, 1.3, 2, 3, 4.2, 4.3, рис. 1);
• подбор и обоснование мероприятий по увеличению надежности электроснабжения (все блоки рис. 1);
• изменение технологической схемы производства потребителя для уменьшения ее уязвимости к отказам в системе внутреннего и внешнего электроснабжения (блоки 1.1, 1.2, 1.3, 2, 3, 4.2, 4.3, рис. 1);
• научно-техническое обоснование развития и/или нового строительства в сетевых предприятиях (все блоки, кроме 1.2, рис. 1);
• применение различных методов управления надежностью электроснабжения (все блоки рис. 1) [2, 3].
Предлагаемый подход является результатом системного обобщения существующих наработок в области оценки и использования технико-экономических последствий отказов электроснабжения потребителей [1]. Отличие предлагаемого подхода от существующих заключается в том, что он позволяет:
• выработать единые формальные методы получения ¥х;
• обеспечить универсальность методов для различных отраслей промышленности;
• использовать неэкономические величиныX = ¥х (Потказ).
Рассмотрим универсальные формальные правила определения эквивалентов потребителя по последствиям отказов его электроснабжения.
Понятие отказа точки питания. Надежность электроснабжения потребителей определяется последствиями отказов в системе его электроснабжения, отключениями и/или ограничениями в питающей сети. Введем понятие отказа функционирования точек питания потребителя [4]. Это точка электрической сети (например, граница балансовой принадлежности) (рис. 2), относительно которой рассматривается вопрос оценки надежности электроснабжения. Отказ точки питания означает невозможность для потребителя получения от энергокомпаний электроэнергии (мощности) в требуемом (договорном) качестве и/или количестве по вине энергокомпаний.
О I Сеть сетевой/генерирующей 1
__|—|_| компании 1 I
____✓
Точка питания потребителя - опора с отпайкой
ГБПI ф ""I—I— Сеть сетевой/генерирующей 1 I } компании 2 I
У^-^""-------------------''
£_Точка питания потребителя - фидер_
Рис. 2. Пример точек питания субъекта-«потребителя» и переход к модели отношений
субъектов
Отметим, что не каждый отказ в сети (рис. 2) приводит к отказу точки питания потребителя. При наличии достаточных резервов в электросетевой компании отказ в её сети может и не привести к отключению или ограничению конкретного потребителя.
Вместе с тем, отказ в сети потребителя не является отказом точки питания, поскольку в этом случае она функционирует в нормальном режиме. Однако потребитель при этом теряет способность получать электроэнергию.
Здесь точка питания является «точкой касания» - границей ответственности и интересов взаимодействующих субъектов для конкретного аспекта их взаимоотношений. Относительно её производится «свертка», эквивалентирование потребителя и энергокомпании, которое заключается в определении эквивалента потребителя по последствиям отказов электроснабжения для энергокомпаний и оценки возможностей энергокомпаний по обеспечению надежности электроснабжения потребителей [1]. Такая постановка задачи позволяет абстрагироваться от деталей и перейти к более простым моделям взаимоотношений этих субъектов (рис. 2).
Для решения общей задачи управления надежностью электроснабжения конечных потребителей (рис. 1) или сетевых предприятий точкой питания может служить любая требуемая точка сети. Например, при решении оптимизационных задач внутри энергокомпании точками питания являются сечения - границы балансовой принадлежности. При решении задач в системах электроснабжения 6-10 кВ точками питания будут присоединения 0,4 кВ понизительных трансформаторов 6-10/0,4 кВ. Относительно них по последствиям отказов в системе электроснабжения определяются эквиваленты цехов и отдельных участков производства. Эти эквиваленты являются исходной информацией для оптимизации сети 6-10 кВ потребителя.
Определение учитываемых параметров отказа точки питания. Для определения эквивалента потребителя по последствиям отказов предварительно необходимо задать наиболее существенные параметры отказа Потказ., множество которых с учётом взаимозависимостей, связей и разных наименований достаточно велико. С целью унификации параметров отказа, практически имеющих значение для потребителя, выделим независимые друг от друга параметры для одной точки питания.
Параметры, учитывающие время и длительность отказа (рис. 3): абсолютное время начала отказа точки питания ?нач.отказ (год, месяц, день, час); длительность отказа точки питания Д?отказ, час; заблаговременность предупреждения о времени начала отказа А?пр.нач.отказ, час - 0 час для отключений; заблаговременность предупреждения о времени окончания отказа Д?пр.кон.отказ, час.
Параметр, учитывающий глубину отказа (рис. 3): степень работоспособности точки питания (отключение или ограничение электропотребления) при отказе по активной ДРотказ, кВт и/или реактивной мощности ДQ отказ (квар).
Параметр, учитывающий частоту отказов: длительность нормального режима работы между отказами точки питания Д?норм.отказ, час.
Дополнительные параметры, учитывающие состояние объектов, связанных с отказавшим. Эта группа параметров необходима для учета состояния производственного процесса в течение времени нарушения электроснабжения (изменение производительности). Однако при известных графиках работы участков производства эти параметры являются зависимыми, так как полностью определяются параметрами времени и длительности, а также глубины отказа.
Таким образом, параметры отказа одной г-й точки питания можно записать в виде множества (вектора)
Потказ.г (/нач.отказ.г, Дtотказ.г, Д^пр.нач.отказ.г, Д^пр.кон.отказ.г, ДРотказ.г, ДQотказ.г, Д/норм.отказ).
Если потребитель имеет п точек питания, то возникает необходимость учёта наложения отказов по разным точкам питания, т. е. количество параметров отказа увеличится кратно п:
Потказ (Потказ.г) г=1.
Максимальная величина(по проектным условиям)
Глубина ограничения
Величина потребления, кВт, квар
т
ия
Время начала отказа [ Заблаговременность ' предупреждения о [ длительности отказа |
Заблаговременность предупреждения о времени начала отказа
Время восстановления
Заблаговременность предупреждения о времени завершения отказа
Длительность отказа
Длительность нормального режима между отказами
Время,
►И-
Рис. 3. Пример основных параметров отказа точки питания
Предложенный перечень параметров отказа содержит информацию для описания большинства отказов точек питания. При необходимости он может быть изменен: 1) модифицирован (изменен состав показателей при сохранении объема содержащейся информации: задание абсолютных и/или относительных времён); 2) расширен (добавлены новые параметры отказа точки питания, к которым чувствительны потребители). Желательным условием при изменении перечня параметров является сохранение их взаимонезависимости.
Пример получения эквивалента потребителя по последствиям отказов. Основываясь на параметрах отказа точек питания, можно задать требуемый эквивалент потребителя под текущую задачу.
Рассмотрим создание эквивалента потребителя для задачи управления надежностью электроснабжения потребителей на основе альтернативной системы договорных взаимоотношений субъектов электроэнергетики [2, 3]. Потребитель через функционал ГВ задает размеры желаемой компенсации В при различных ситуациях, связанных с нарушениями электроснабжения в зависимости от совокупности существенных для него параметров Потказ: В = ЕВ (Потказ) [2, 3]. В течение расчетного периода Д? функционал ¥В должен оставаться неизменным. Вопрос об обеспечении адекватности и объективности требований В, выдвинутых потребителем, разобран в работах [2, 3].
Функционал ¥В может быть задан графически или аналитически. На рис. 4 показана зависимость В от длительности отказа точки питания для потребителя с одной точкой питания (одним вводом). Прочие параметры отказа этой точки питания для данного потребителя значения не имеют и не учитываются.
На рис. 5 приведен пример задания В для потребителя, имеющего две точки питания. При этом неважно, как произошли эти отказы: сначала отказ первой точки, а затем второй (или наоборот) или одновременно, т.е. В = ЕВ (Д?отказ1, Д?отказ2). Если бы очередность отказов и время их наложения имели значение, то количество учитываемых параметров отказа увеличилось бы на две переменные (абсолютные времена начала отказа 1-й и 2-й точек питания):
В = ^ (?
нач.отказ.Ь ?нач.отказа
Д?отказ.Ь Д?отказ.2),
однако графическое изображение такого функционала будет недостаточно наглядным.
Сеть потребителя
«-о
ГБП
н=Н
Сеть сетевой/генерирующей
компании
Точка питания потребителя
а)
в =
0,0 у.е., если 0 < А/отказ < 0,01 мин. 10,0 у.е., если 0,01 < А/отказ < 30 мин.
1
13 А' о
у.е., если А(с
б)
> 30 мин.
30
20
10
Компенсация В, у.е.
0,01
30
60 в)
90
Рис. 4. Пример задания В = РВ (Аготказ) при схеме (а) с одной точкой питания в аналитическом (б) и графическом (в) видах
Определение каждым потребителем зависимостей В является важной задачей, поскольку в явном и конкретном виде задаются индивидуальные требования к энергокомпании-поставщику. На основании ГВ у энергокомпании-поставщика появляется возможность и экономическая основа планирования уровней надежности в точках питания потребителей [2, 3].
Процедура определения компенсации В. В наиболее простом случае эквивалент потребителя В = ГВ (Потказ) может быть определен методом экспертных оценок. Для более точной оценки В потребителю необходимо выполнить следующие действия.
1) Создать модель производственной системы (на основе методов агрегативного моделирования [5]).
2) Для каждого ^-элемента модели задать зависимость желаемой компенсации Вэ,=^,э/По1каз.э,) в функции параметров отказа элемента Потказ..у, к которым данный элемент модели чувствителен (т. е. существует ненулевая компенсация).
3) Параметры отказа элементов Потказэ преобразовать в учитываемые параметры отказа точек питания Потказ.
4) определить искомый функционал ^в(Потказ), используя созданную модель производственной системы, заданные зависимости FВ.э и найденные параметры отказа точек питания Потказ.
ГБП Сеть сетевой/генерирующей
_|_О_| компании I
Точки питания
потребителя Сеть сетевой/генерирующей
-От-!—Л—\ компании
/ГБП
а)
0
В =
В =
В2 =
0,0 у.е., если 0 < Д/отказ 1 < 0,01 мин. 10,0 у.е., если 0,01 < Д/отказ 1 < 30 мин. 1 / 3Д/отказ 1 у.е., если Д/отказ 1 > 30 мин. 0,0 у.е., если 0 < Д/отказ 2 < 0,01 мин. 1 / 9Д/отказ 2 у.е., если Д/отказ 2 ^ 0,01 мин.
В>1 2 = В + В2 наложение отказов
30 20
10 0
к Компенсация В, у.е.
0,01 30
60
90
б)
В - отказ 1-ой точки питания, 2-я точка в работе. В2 - отказ 2-ой точки питания, 1-я точка в работе.
Дотказ.1, Д?отказ.2, мин.
в)
г)
Рис. 5. Пример задания В = ЕВ (А/отказ.1, ДГотказ.2) схемы с двумя точками питания (а) в аналитическом (б) и графическом видах: плоском - отказ только одной точки питания (в) и трехмерном - отказ обеих точек (г) С помощью модели производственной системы будут заданы: технологическая структура производства, параметры ее элементов, режимы и особенности их работы с учетом связей со смежными предприятиями. При этом возникнет множество элементов модели Э: технологических агрегатов, накопителей, связей. Неплановые состояния каждого элемента (простой, ремонт, пуск, наладка), возникшие в результате отказа электроснабжения могут сопровождаться затратами, которые потребителю желательно было бы компенсировать.
Параметры отказа элемента Потказэ необходимо принимать в той же системе измерений, что и параметры отказа точки питания Потказ. Задание желаемых компенсаций Вэ можно организовать на основе экономического ущерба. Предварительно компенсация приравнивается ущербу, а при необходимости коррекции потребитель имеет возможность изменить FВ.Эj в большую или меньшую сторону на основе, например, оценки рисков величины ущерба.
Преобразование параметров отказа элементов Потказэ в учитываемые параметры отказа точек питания Потказ. производится объединением множеств параметров отказа всех элементов модели. Например, для потребителя с двумя элементами модели и одной точкой питания параметрами отказа элемента 1 являются: длительность отказа А?отказ.э.1 , заблаговременность предупреждения о времени начала отказа А?пр.нач.отказ.э.1. Параметром отказа элемента 2 является длительность отказа А?охказэ.1. Тогда параметрами отказа точки питания Потказ будут: длительность отказа А?отказ и заблаговременность предупреждения о времени начала отказа А?пр.нач.отказ.
В общем случае функционал FВ может быть определен приближенными методами, например как аппроксимированная сеточная функция, по следующему алгоритму:
• задаётся сетка - отрезок и шаг расчета для каждого параметра отказа точек питания. Пусть для параметра «длительность отказа А?отказ» задана сетка на отрезке 0,01-90 мин. с шагом 30 мин. (за исключением первого шага, равного 29,99 мин.) (рис.
6);
• для конкретных численных значений параметров отказа Потказ (каждого узла сетки) рассчитываются конкретные величины компенсации В путем проведения прямого численного эксперимента на имитационной модели производственной системы (рис. 6, а);
• полученный набор точек - значений сеточной функции FВ.сех -аппроксимируется аналитической функцией требуемого вида и приближения FВ.ап, которая и принимается в качестве искомой FВ (рис. 6, б).
Поскольку компенсация В является прогнозной величиной и предназначена для оценки последствий отказов электроснабжения в будущем периоде, то в общем случае она носит вероятностный характер. При этом каждому сочетанию параметров отказа Потказ будет соответствовать свой закон распределения В. Имитационную модель производственной системы в этом случае можно использовать в п. 4 процедуры как объект статистических испытаний по методу Монте-Карло. Для перехода к детерминированной оценке В берётся числовая характеристика центра полученных распределений случайной величины В (математическое ожидание или мода).
Аналогично можно определить и другие эквиваленты потребителя, «сворачивая» его по требуемой величине X=Fx (Потказ).
30
20
Компенсация В, у.е.
Ff
Компенсация В, у.е.
0.01
30
60
а)
90
0,01
б)
30
60
), заданной в виде сеточной
(АГотказ) (б)
Рис. 6. Пример перехода от В = FВ.сех (АГга функции (а), к аппроксимированной гладкой кривой В = FВ
90
0
Выводы
1. Поставлена задача разработки эквивалента потребителя по последствиям отказов электроснабжения, необходимая для решения широкого спектра актуальных в условиях рынка вопросов оценки, оптимизации надежности и ее прогнозирования.
2. Предложен подход к разработке и созданию эквивалентов потребителей электроэнергии по последствиям отказов в системах электроснабжения в виде числовых зависимостей требуемой величины от параметров отказа.
3. Для разработки и создания эквивалентов предложены: понятие точки питания и правила ее определения; перечень параметров отказа точек питания и общие правила его модификации; процедура определения эквивалента потребителя В = FB (Потказ) для задач управления надежностью электроснабжения на основе альтернативной системы договорных взаимоотношений субъектов электроэнергетики.
4. Полученные эквиваленты конечных потребителей позволяют достаточно объективно, быстро и качественно оценить технико-экономические последствия отказов в системах электроснабжения потребителей для решения задач управления надёжностью.
Summary
Nowadays optimization control of consumer power supply reliability is difficult due to lack of information on technical and economical subsequences of power supply failures. This article proposes universal rules for detection of such information in a form of numeric dependences between subsequences (damage) and characteristics of failure. The authors obtained end consumers equivalents that allow fast and quality estimating technical and economical subsequences of failures in power supply systems to solve problems of reliability control.
Key words: power supply, reliability, consumers, subsequences, control, optimization.
Литература
1. Надежность систем энергетики и их оборудования. Справочник: в 4-х т./ под общ. ред. Ю.Н. Руденко. Т.2 Надежность электроэнергетических систем. Справочник / Под ред. М.Н. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 2000. 568 с.
2. Папков Б.В., Шарыгин М.В. Подход к построению взаимоотношений субъектов электроэнергетики для управления надёжностью электроснабжения // Энергетик. 2012. № 4. С. 12-14.
3. Папков Б.В., Шарыгин М.В. Предложения по практической реализации схемы управления надежностью электроснабжения / Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Вып. 61. Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. С. 338 - 344.
4. Надежность систем энергетики (Сб. рекомендуемых терминов). М: ИАЦ «Энергия», 2007.192 с.
5. Шарыгин М.В. Использование математических моделей производственных систем для управления нагрузкой при ликвидации аварийных ситуаций в электроэнергетической системе// Вестник ННГУ. Математическое моделирование и оптимальное управление. 2011. Вып.6(1). С.193-199.
Поступила в редакцию 18 апреля 2013г.
Папков Борис Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8 (831) 436-23-04. E-mail: boris.papkov@gmail.com.
Шарыгин Михаил Валерьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8 (831) 436-23-04. E-mail: sharygin.m.v@gmail.com.
