CC BY
130
ш
УДК 621.311.16 Дубицкий Михаил Александрович,
к. т. н., доцент кафедры «Автоматизация и электроснабжение промышленных предприятий» (АиЭПП), Ангарская государственная техническая академия (АГТА), тел. (3955) 67-89-15
Асламова Вера Сергеевна,
д. т. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» ИрГУПС,
е-mail: veras@pisem.net
БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
M.A. Dubitsky, V.S. Aslamova
SAFETY OF POWER SYSTEMS
Аннотация. Рассмотрено соотношение свойств безотказности, живучести и безопасности электроэнергетических систем. Показана взаимосвязь проблемы обеспечения безопасности электроэнергетических систем с энергетической и экологической безопасностью.
Ключевые слова: надежность, безопасность, безотказность, живучесть, энергетическая безопасность, экологическая безопасность, электроэнергетическая система, электрические станции.
Abstract. The parity ofproperties of non-failure operation, survivability and safety of systems is considered. The interrelation of a problem of safety of power systems with energy security and ecological safety is shown.
Keywords: reliability, safety, non-failure operation, survivability, energy security, ecological safety, power system, power plants.
Введение
Безотказность, живучесть и безопасность являются единичными свойствами комплексного свойства «надежность» [1, 2]. Надежность - свойство объекта выполнять все заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования [1, 2]. Когда в качестве объекта рассматривается электроэнергетическая система (ЭЭС), одной из заданных функцией (определяемой ее назначением) является снабжение потребителей электрической энергией в необходимом количестве требуемого качества. Безотказность и живучесть характеризуют свойство ЭЭС выполнять эту заданную функцию. Безотказность -свойство ЭЭС непрерывно сохранять работоспособное или рабочее состояние в течение некоторого времени. Живучесть - свойство ЭЭС противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей электроэнергией.
Другой заданной функцией (определяемой фактом создания ЭЭС) является недопущение си-
туации, опасных для людей и окружающей среды. Свойство ЭЭС не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, называется «безопасность».
Неполнота безопасности может проявиться в нормальных условиях работы ЭЭС из-за их технического несовершенства. Безопасность ЭЭС будет рассматриваться только как «аварийная» безопасность с анализом ситуаций, вызывающих опасность для людей и окружающей среды в результате отказов, происходящих в процессе функционирования ЭЭС. Производственную безопасность, как состояние защищенности производственного персонала от вредных воздействий технологических процессов, энергии, средств, предметов, условий и режимов труда на производстве, выделяют и рассматривают отдельно от проблемы безопасности ЭЭС.
Безопасность в отличие от безотказности и живучести является многоаспектным понятием, так как одну и ту же ситуацию можно оценить по-разному: по ожидаемому числу жертв; размеру разрушений объектов ЭЭС; величине аварийных загрязнений окружающей среды и т. д. Можно отметить совершенно противоречивое отношение к оценке актуальности проблемы безопасности ЭЭС (по сути дела одними и теми же авторами). С одной стороны, - «исследования в этой области существенно активизировались» [3], а с другой -«главный мотив для исключения безопасности из состава свойств надежности объектов энергетики - его невостребованность на протяжении 27 лет»
[4].
Понятия надежности и безопасности в настоящее время продолжают формироваться. Надежность может рассматриваться в «широком» смысле (с учетом безопасности) и в «узком» смысле (без учета безопасности) [5]. В связи с этим требуется более полное представление о таком понятии, как безопасность. Необходим анализ причин, влияющих факторов и средств обеспечения безотказности, живучести и безопасности.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
С учетом этого анализа целесообразно рассмотреть соотношение этих свойств.
Проблема безопасности ЭЭС тесно связана с эрратической и экологической безопасностью. Соотношение этих понятий позволит получить представление о месте проблемы безопасности ЭЭС в более общей проблеме национальной безопасности.
Соотношение безотказности и живучести
ЭЭС
При исследовании безотказности целесообразно рассматривать все возмущения независимо от того, большие они или малые, внешнего они по отношению к ЭЭС или внутреннего происхождения. Основными причинами отказов по безотказности являются: отказы оборудования (недостатки эксплуатации, дефекты ремонта, дефекты изготовления, исчерпание ресурса, грозовые воздействия; посторонние воздействия и в том числе преднамеренные); ошибки эксплуатационного персонала. Каждая третья авария в ЭЭС происходит по вине эксплуатационного персонала [2].
Действие факторов, снижающих безотказность и, следовательно, надежность, может быть полностью или частично компенсировано: выбором соответствующей «конструкции» системы; повышением надежности и улучшением технических показателей оборудования (включая оборудование и аппаратуру систем и средств управления); резервированием во всех звеньях системы; выбором структуры и параметров средств автоматического управления системой; улучшением организации эксплуатации системы [2].
Пусть А - множество возмущений, которые привели к отказам по безотказности (рис. 1). Не все возмущения, которые привели к отказам по безотказности, будут причиной отказов по живучести. Отказы по живучести сопровождаются каскадным развитием аварий. Причины возникновения каскадных аварий в ЭЭС: короткое замыкание в отдельных элементах системы; перегрузка или наброс мощности на электропередачу из-за нарушения баланса мощности в связываемых частях системы; ложное отключение релейной защитой или противоаварийной автоматикой электропередачи, шин, трансформаторов; неполнофазный режим вследствие отказа выключателей при оперативных переключениях; ошибочное отключение персоналом электропередачи [2]. Возможны множественные первичные возмущения, причинами которых могут быть, например, такие процессы в природе, как наводнения, цунами, тайфуны, снегопады или преднамеренные внешние воздействия. По характеру учитываемого возмущения не всегда можно определить, что проводятся иссле-
дования не только безотказности, но и живучести. Пусть В - множество возмущений, которые привели к отказам по живучести (рис. 1):
В^А. (1)
Рис. 1. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и по живучести: А -множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; В - множество возмущений, которые могут привести к отказам по живучести
Повышение живучести достигается компенсацией действия факторов, снижающих безотказность, и предотвращением каскадного развития аварий в ЭЭС действием автоматики (обеспечивающей деление системы, разгрузку электропередач, частотную разгрузку, ограничение минимального и максимального напряжения) и квалифицированной работой оперативно-диспетчерского персонала. В ряде случаев предотвращение каскадного развития аварий сопровождается отключением нагрузки потребителей. В результате отказы по живучести замещаются отказами по безотказности (рис. 2).
Таким образом, повышение живучести предполагает собой, во-первых, повышение безотказности, а во-вторых, использование специальных средств, предотвращающих каскадное развитие аварий. К их числу относится отключение потребителей автоматикой и диспетчерским персоналом (т. е. замещение отказов по живучести отказами по безотказности).
Рис. 2. Соотношение отказов по безотказности и по живучести: А - множество отказов по безотказности; В1 - множество отказов по живучести; В2 - множество отказов по живучести, которые замещаются отказами по безотказности
ш
Соотношение живучести и безопасности
ЭЭС
Каскадное развитие аварий может сопровождаться значительным недоотпуском электрической энергии потребителям. Если бы это были потребители только третьей категории, то такая авария была бы в центре внимания только субъектов рынка (генерирующих компаний, федеральной сетевой компании, энергосбытовых компаний и отдельных потребителей). Однако массовое ограничение потребителей электрической энергией, как показывает анализ крупных аварий, приводит к ситуациям, которые имеют опасность для жизни и здоровья людей и окружающей среды. Примером таких аварий могут быть: Московская системная авария 2005 г.; авария на Саяно-Шушенской ГЭС, приведшая к ее значительному разрушению; системная авария в Санкт-Петербурге 20 августа 2010 г., погасившая всю северную половину города и области. Такие аварии находятся в центре внимания руководства страны. Следовательно, возмущения, которые могут быть причиной отказов по живучести, будут причиной отказов по безопасности.
Не все возмущения, которые могут привести к отказам по безопасности, будут причинной отказов по живучести. Например, отказы электрофильтров на тепловых электростанциях приведут к увеличению выбросов вредных веществ с дымовыми газами и отказу по безопасности, но при этом в ЭЭС не будет отказа по живучести. Пусть С - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности (рис. 3):
£с=С.
(2)
Рис. 3. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по живучести и безопасности: В - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести; 1с1 - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности
Повышение живучести приводит к повышению безопасности, но повышение безопасности не всегда приводит к повышению живучести. Не все средства, используемые для повышения безопасности, приводят к повышению живучести. Например, от размещения тех или иных объектов ЭЭС (в частности, электрических станций) на местности зависит безопасность ЭЭС, но это не оказывает влияния на живучесть и безотказность ЭЭС.
Соотношение безотказности, живучести и безопасности ЭЭС
Возмущения, которые могут привести к отказам по безотказности, могут быть также причиной отказов по безопасности (например, аварийное отключение электронасосов в системе канализации приведет к аварийному сбросу отходов, загрязняя при этом территорию и водоемы).
На рис. 4 показано соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и безопасности. Пусть В - это множество возмущений, которые привели к отказам по безотказности и безопасности (заштрихованная область на рис. 4), тогда
АпС = В. (3)
Рис. 4. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; с -
множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; Б - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности
Некоторые возмущения, приводящие к отказам по безопасности, не оказывают влияния на электроснабжение потребителей и, следовательно, на безотказность ЭЭС. Пусть Е - множество таких возмущений, тогда
С-А-Е. (4)
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
На рис. 4 этому множеству соответствует не заштрихованная область множества возмущений С. К их числу можно, например, отнести возмущения, связанные с разрушением дамбы золоотва-лов ТЭС и последующим разрушением других объектов, а также загрязнение территории, водоемов и т. д.
На рис. 5 показано соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности. Возмущения, приводящие к отказам по безотказности и безопасности, могут не быть причиной отказов по живучести, например отключение отдельных потребителей электрической энергии первой категории. Пусть ¥ - множество возмущений, приводящих к отказу по безотказности и безопасности, но не являющихся причиной отказов по живучести, тогда
АслС-В = Е. (5)
Рис. 5. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам
по безотказности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести; С - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; Г - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности, но не являющихся причиной отказов по живучести
Повышение безопасности не всегда приводит к повышению безотказности. Могут быть такие случаи, когда повышение безопасности может привести к некоторому снижению безотказности. Так, например, отказы систем обеспечения безопасности атомных электрических станций (АЭС) могут быть причиной аварийных отключений генерирующего оборудования.
Возможно замещение отказов по безопасности отказами по безотказности. В частности, при проектировании ЭЭС не всегда удается исключить превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ. Иногда в весьма короткие периоды времени могут создаваться аномально опасные условия загрязнения воздуха, когда концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха резко возрастают, например, при наличии приподнятых инверсий, расположенных непосредственно над дымовыми трубами тепловых электростанций, и ослаблении ветра до штиля. Для предотвращения резкого возрастания концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха планируются различные режимы работы электростанций вплоть до полного отключения в особо опасные периоды котлов, работающих на высокосернистом и высокозольном топливе.
Таким образом, причины, влияющие факторы и средства обеспечения безотказности и живучести, с одной стороны, и безопасности - с другой стороны, могут отличаться друг от друга.
Соотношение безопасности ЭЭС, экологической и энергетической безопасности
Существует объективная потребность в приведении в соответствие двух взаимосвязанных понятий: энергетической безопасности и безопасности систем энергетики (электроэнергетические, газо-, нефте-, тепло-, углеснабжающие и ядерно-энергетические системы [2]). Понятие энергетической безопасности является более общей проблемой, которая позволяет учитывать по сравнению с безопасностью систем энергетики широкий спектр угроз - экономические, социально-политические, внешнеэкономические и внешнеполитические, техногенные, природные и управленческо-правовые угрозы [3]. Проблема безопасности систем энергетики, как «аварийная» безопасность, является частью проблемы энергетической безопасности. Средства обеспечения безопасности систем энергетики (в отличие от энергетической безопасности) ограничены возможностями самих систем и не позволяют компенсировать последствия воздействия всех этих угроз. На рис. 6 показано соотношение энергетической безопасности и безопасности систем энергетики.
Развитие энергетики должно отвечать все возрастающим требованиям охраны окружающей среды. Поэтому обеспечение безопасности различных систем энергетики и энергетической безопасности должно выполняться с учетом требований экологической безопасности. Зачастую проблема экологической безопасности выходит на первый план. Известны факты отказа от реализации энергетических проектов, имеющих значи-
ш
тельный экономический эффект, в пользу интересов охраны окружающей среды.
государства, экономики от угроз дефицита в обеспечении их потребностей в энергии экономически доступными энергетическими ресурсами приемлемого качества, от угроз нарушений бесперебойности энергоснабжения и возникновения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.
Рис. 6. Соотношение энергетической безопасности и безопасности систем энергетики
Проблема безопасности ЭЭС (в отличие от энергетической безопасности) не учитывает и то обстоятельство, что неполнота безопасности может проявиться в нормальных условиях работы ЭЭС. В частности, отрицательные воздействия ГЭС могут проявиться в постоянном и временном затоплении плодородных земель. Возникновение в водохранилище застойных зон из-за уменьшения проточности и турбулентности воды может быть причиной изменения гидрохимического состава воды, в результате чего вода может стать непригодной для водоснабжения. Увеличение влажности, повышение облачности, усиление ветра в районе водохранилищ и увеличение его повторяемости приводят к повышению заболеваемости населения из-за изменения климатических условий.
На рис. 7 показано соотношение различных видов безопасности. В настоящее время нет общепринятого определения энергетической безопасности ни в России, ни за рубежом. Анализ проблемы энергетической безопасности показывает, что оно должно учитывать требования личности, общества, государства, экономики в обеспечении их потребности энергетическими ресурсами. Ресурсами, которые должны быть экономически доступны и иметь приемлемое качество. При этом не должны допускаться ситуации, опасные для людей и окружающей среды. Предлагаемое определение должно быть таким, чтобы с его помощью можно было получить полное представление о содержании проблемы энергетической безопасности. С учетом рекомендаций [3], может быть предложена следующая трактовка энергетической безопасности. Энергетическая безопасность - это состояние защищенности граждан, общества,
Рис. 7. Соотношение видов безопасности
Энергетическая безопасность имеет как разные, так и одинаковые аспекты для стран, импортирующих и экспортирующих энергетические ресурсы. Если рассматривать такой аспект, как «надежность энергоснабжения», то для Европы термин «энергетическая безопасность» означает необходимость диверсификации и доступ к различным источникам энергии и их поставщикам. Для России - устойчивое и долгосрочное снабжение страны собственными энергоресурсами. Кроме того, должны быть резервы с учетом возможных поставок энергоресурсов за рубеж. Если рассматривать такой аспект, как «безопасность энергоснабжения», то он одинаков для всех стран. На «аварийную безопасность» (безопасность систем энергетики) приходится существенная доля. Достаточно вспомнить некоторые из крупных аварий за последние 30 лет - на Чернобыльской АЭС, на Саяно-Шушенской ГЭС, на АЭС «Фукусима-1», на нефтяной платформе компании British Petroleum. Крупные аварии в системах электроснабжения - Московская системная авария 2005 г, системная авария в Санкт-Петербурге 2010 г., авария в ЭЭС Бразилии в 2009 г, авария в ЭЭС США и Канады в 2003 г. Крупные аварии были в ЭЭС Европы.
Заключение
Рассматривая безотказность, живучесть и безопасность ЭЭС, следует отметить, что причины, влияющие факторы и средства обеспечения
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
безотказности, живучести и безопасности могут отличаться друг от друга. Повышение живучести предполагает собой повышение безотказности, а 1. также использование специальных средств, предотвращающих каскадное развитие аварий. Повышение живучести ЭЭС приводит к повыше- 2. нию безопасности, но повышение безопасности не всегда приводит к повышению живучести. Повышение безопасности ЭЭС не всегда приводит к повышению безотказности и может даже привести к некоторому ее снижению. 3.
Предлагаемое определение энергетической безопасности позволяет получить более полное 4. представление о содержании этой проблемы. Проблема безопасности ЭЭС (как «аварийная» без- 5. опасность) является составной частью проблемы энергетической безопасности. Крупные аварии за последние 30 лет в ЭЭС разных стран свидетельствуют о необходимости более пристального внимания к проблеме безопасности ЭЭС._
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
Надежность систем энергетики. Терминология : сб. рекомендуемых терминов. Вып. 95. М. : Наука, 1980. 43с.
Надежность систем энергетики и их оборудования. Т.1: Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики / под ред. Ю. Н. Руденко. М. : Энергоатомиздат, 1994. 480 с.
Энергетическая безопасность. Термины и определения. М. : Энергия, 2005. 60 с. Надежность систем энергетики. Сборник рекомендуемых терминов. М. : Энергия, 2007. 192 с. Дубицкий М. А. Обеспечение безопасности электроэнергетических систем при аварийном отключении крупных электрических станций // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Вып. 2 (30). С. 174-178.
УДК 621.394.343
Потылицына Валентина Ивановна,
аспирант, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал ИрГУПС,
тел. 8908-216-17-12. e-mail: chernovavi@krw.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ САМОПОДОБИЯ ТРАФИКА ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ НА УРОВНЕ ВЫЗОВОВ
V.I. Potylitsyna
DETERMINATION OF SELF-SIMILARITY OF A TRAIN RADIO COMMUNICATION TRAFFIC AT LEVEL OF CALLS
Аннотация. Рассмотрена и применена методика инженерного расчета для информационной системы поездной радиосвязи, позволяющая определить факт наличия свойства самоподобия. Приведены результаты статистических наблюдений за нагрузкой в коммутационной сети поездной радиосвязи. По результатам анализа сделаны выводы о наличии свойства самоподобия при передаче речевых сообщений телефонного сервиса.
Ключевые слова: самоподобие, поездная радиосвязь, трафик коммутационной сети, показатели качества обслуживания.
Abstract. The technique of engineering calculation for information system of train radio communication allowing to define the presence of self-similarity is considered and applied. The results of statistical monitoring the load in a switching network of a train radio communication network are given. Basing upon the results of the analysis, conclusions are made about the presence of self-similarity in the process of transfer of voice messages of telephone service.
Keywords: self-similarity, train radio communication, traffic of a switching network, indicators of quality of service.
При проектировании, модернизации, развитии и эксплуатации сети постоянно возникают сложные задачи оптимизации структуры сети и применяемых алгоритмов управления, а также прогноза производительности сети и оценки качества обслуживания для разных видов услуг. Для количественных ответов на эти вопросы применяются методы ряда математических дисциплин, в частности теории массового обслуживания. Сеть, спроектированная надлежащим образом, имеет низкий коэффициент блокирования и высокий уровень использования канала, т. е. качество обслуживания повышается, а затраты уменьшаются.
Учитывая опыт других исследований [2] при расчете оборудования узлов связи для высокоскоростной передачи информации, необходимо производить учет самоподобия поступающей нагруз-
