CC BY
14Седнев В. А., Смуров А. В.
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУБЪЕКТОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РСЧС
Разработана методика, позволяющая оценивать возможности электроэнергетических систем субъектов Российской Федерации, обосновывать пути повышения устойчивости функционирования электроэнергетических систем и электроэнергетического обеспечения субъектов Российской Федерации, а также их потребности в энергетических ресурсах, основываясь на техноценологическом подходе, относящемуся к одному из наиболее общих законов развития технической системы, который опирается на положения теории систем и аппарат устойчивых законов предельных теорем теории вероятности, на положения аппарата математической статистики, теории множеств и теории надежности, исследования операций и управляющих систем.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, система электроснабжения, надежность электроснабжения, чрезвычайная ситуация.
При выборе мероприятий и технических решений по резервированию элементов электроэнергетических систем (ЭЭС) регионов, влияющих на устойчивость и надежность электроснабжения потребителей и на эффективность самой ЭЭС, необходимо учитывать способность ЭЭС к выполнению своих функций, потребность в ресурсах и возможный ущерб от нарушения функционирования [1, 2].
Электроснабжение объектов может осуществляться по различным вариантам, но наиболее рациональное решение выявляется на основании сравнения этих вариантов, с использованием двух взаимосвязанных формул в виде критериев сравнительной экономической эффективности [3].
Срок окупаемости дополнительных капиталовложений в более капиталоемкий вариант
у _ < -т
ок р р — ' н >
где К1, К2 - капитальные вложения по сопоставляемым вариантам; С1, С2 - текущие затраты (себестоимость) по сопоставляемым ва-
риантам;Гн - нормативное значение срока окупаемости; и приведённые затраты:
З = С. + Е К. = min,
! н ! 1
где К. - капитальные вложения по каждому варианту; С.. - текущие затраты (себестоимость) по тому же варианту; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,12.
Модификация формулы приведённых затрат:
З = К. + ТС. = min.
! н !
Минимум приведённых затрат, как критерий экономичности принятого варианта схемы электроснабжения, можно отобразить в виде, тыс. руб/год [3]:
З = Е К + И = ЕК + И = min,
н э 7
где К - единовременные капиталовложения, тыс. руб.; И = ЕаК + ЕтрК + Иэ - ежегодные текущие затраты при нормальной эксплуатации, тыс. руб/год; Еа и Ет.р - коэффициенты отчисления, соответственно, на амортизацию и текущий ремонт в долях единицы; Иэ - стоимость потерь ЭЭ, тыс. руб/год; Е = Еа + Етр + + Ен - суммарный коэффициент отчислений от капиталовложений.
Варианты электроснабжения могут различаться надёжностью, тогда эффективность капиталовложений оценивается с учётом ущерба, возникающего при перерывах электроснабжения, а формула приведённых затрат приобретает вид
З = Е К + И + У ,
нн
где Ун - годовой ущерб от аварийного перерыва работы системы, обусловленного
различными уровнями надежности сравниваемых вариантов.
Единая национальная энергосистема обеспечивает устойчивое снабжение электроэнергией (ЭЭ) потребителей, а ведущая роль в обеспечении надёжности электроснабжения своих электроустановок принадлежит потребителю. В соответствии с п. 1.2.13 Правил устройства электроустановок: «При выборе независимых взаимно резервируемых источников питания, являющихся объектами энергосистемы, следует учитывать вероятность одновременного зависимого кратковременного снижения или полного исчезновения напряжения на время действия релейной защиты и автоматики при повреждениях в электрической части энергосистемы, а также одновременного длительного исчезновения напряжения на этих источниках при тяжёлых системных авариях».
Таким образом, если потребитель не может допустить даже кратковременного исчезновения питания электроприёмников (ЭП), он должен позаботиться о третьем (собственном) источнике электроэнергии (ИЭЭ).
Уровень надёжности определяют числом и длительностью перерывов питания в течение выбранного промежутка времени и недоот-пуском ЭЭ. В качестве количественной оценки уровней надёжности электроснабжения часто используется ущерб от перерывов подачи ЭЭ.
Электроэнергетика России развивалась по пути повышения уровня централизации электроснабжения при создании мощных электроэнергетических объектов, следствием чего явилось формирование территориально распределённых протяжённых ЭЭС. В последнее время наметилась тенденция развития малой энергетики, применения электростанций (ЭС) на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), и, прежде всего, - ветроэнергетических станций (ВЭС). Малые газотурбинные (ГТУ), парогазовые (ПГУ) и ветроустановки устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6-35 кВ. Такой подход получил название «распределённая генерация». Подключение распределённых систем генерации к основной сети позволяет создавать решения, отвечающие требованиям потребителей, и такая генерация может работать параллельно с основной сетью и автономно.
В местах, где отсутствует основная сеть, распределённая генерация может покрывать
оперативные и долгосрочные потребности в ЭЭ. При этом значительный вклад в повышение эффективности региональных систем электроэнергетики (РСЭЭ), устойчивости и надежности электроснабжения потребителей могут внести ВИЭ, - источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, в жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества.
Проблемы использования ВИЭ связаны с обеспеченностью энергоресурсами, являющейся показателем электроэнергетической безопасности региона и характеризуемой коэффициентом самообеспеченности [4]:
Э
V - "Р
соб - о > потр
где Э и Э - производимая и суммарная
пр потр Г 3 г
потребляемая первичная энергия.
В России ВИЭ могут внести вклад в организацию устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в районах децентрализованного энергоснабжения; обеспечение гарантированного минимума электроснабжения населения и производства в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения и в дефицитных энергосистемах; снижение вредных выбросов в населённых пунктах со сложной экологической обстановкой.
В то же время прогноз доли ВИЭ в производстве ЭЭ предполагает её увеличение к 2020 г. всего до 2 %, несмотря на их эффективность, - преимущество возобновляемой энергетики можно отразить коэффициентом энергетической эффективности, который, в отличие от экономической эффективности (срок окупаемости и др.), не подвержен конъюнктуре [4]:
_ (Эг-этута 33 ~э +э +э '
св т ^тек т топ
где Эг - годовое производство ЭЭ установкой (ЭС); Эсн - расход энергии на собственные нужды;Гсл - срок службы установки; Эсв -энергия на производство оборудования и материалы; Этек - энергия на транспортировку, монтаж и утилизацию установки; Этоп - энергия, заключённая в топливе.
При таком подходе обнаруживается преимущество возобновляемой энергетики перед топливной, так как Этоп = 0. При этом до 2020 г. сохранится тенденция снижения стоимости ВИЭ, как и тенденция повышения стоимости ЭЭ в 2-3 раза. База распределённой энергетики разнообразна: малые и мини-ГЭС, энергетические установки на базе газотурбинных и парогазовых технологий, геотермальные тепловые и электрические станции, ветровые и солнечные энергетические и теплонасос-ные установки, малые АЭС, - большая, чем у крупных ЭС, стоимость их установленной мощности компенсируется за счёт снижения затрат и стоимости при массовом выпуске изделий, снижения затрат в виде необходимости достройки линий электропередачи (ЛЭП) различных напряжений, что приводит к снижению стоимости ЭЭ и росту надёжности электроснабжения потребителей благодаря значительному числу установок и местному характеру источников энергии.
Создание комбинированных СЭС: солнце-ветер, ветер-дизель, солнце-ветер-дизель, ветер-гидро, газогенератор-дизель, газогене-ратор-гидро-дизель, ветер-водород-дизель способствует повышению электроэнергетической безопасности территорий. При этом отдаляются мероприятия по расширению сетей и потребители ЭЭ могут экономить не менее 5-15 % затрат. На территории России расположено более 600 ЭС суммарной мощностью 215 ГВт, из них 10 % - гигантские, мощностью более 1 000 МВт, 40 % - крупные, 1001000 МВт, и 50 % - средние, 10-100 МВт. Малых ЭС мощностью до 1 0 МВт в энергосистеме страны практически нет.
Существующая структура энергосистемы не накладывается на соотношение «крупное-мелкое», присущее оптимальным системам [5]. Оценивая и прогнозируя объёмы электропотребления потребителей, следует рассматривать электроснабжение (электрификацию) региона, опираясь на ценологические представления, которые увязывают как целостность традиционную энергетику (ТЭС, ГЭС, АЭС) и малую, что обеспечит электроэнергетическую самодостаточность и безопасность регионов.
Применение ценологической математики позволяет [5, 6]: эффективно распределить возможные выделяемые ресурсы; оценить ожидаемые результаты по каждой точке Я-кривой (по каждому объекту); выявить
аномальные точки на гиперболе для принятия решения; провести структурно-топологический Я-анализ годового (месячного) относительного изменения параметра при заданности общего ресурса.
Для каждого поселения должны быть указаны расчётная мощность и объёмы электропотребления, источник питания, количество и параметры существующих (проектируемых) генерирующих установок, сведения по электрическим сетям. Рассмотрим целесообразность подключения потребителя (население, предприятие) к централизованной электрической сети; необходимую и достаточную экономически приемлемую длину ЛЭП; а также все ВИЭ (с привязкой к потребителю) с учётом тенденций по использованию вторичных ресурсов и снижению их стоимости (кВт и кВтч).
Выстраивание Н-кривой, начиная с единичных (ноевых) крупных ЭС и заканчивая саранчёвыми хвостами генерирующих мощностей ряда 5-10-20-50-1 000 кВт и т. п., сделает регионы самодостаточными по энергообеспечению и обеспечит существенный вклад в электроэнергетическую безопасность регионов. В соответствии с ценологической теорией [5]: если строится в регионе генератор мощностью 100 тыс. кВт, то необходимо строить одновременно 1 0 генераторов по 1 0 тыс. кВт, 100 генераторов по 1 000 кВт, и так далее, до мощности 1-10 кВт.
Строительство крупных ЭС, ориентированных на создание единой энергосистемы, привело к уничтожению 5-6,6 тыс. ЭС мощностью 100-10 000 кВт. В результате Единая энергетическая система обеспечила мировой уровень надёжности энергоснабжения потребителей в условиях низкого уровня резерва мощностей. В то же время 2/3 территории России - без ЭЭ, СЭС сельских районов напряжением 0,38-110 кВ имеют общую протяжённость около 2,3 млн км, в том числе воздушные линии 6-10 кВ - 1 184 тыс. км, 0,38 кВ - 826 тыс. км. В процессе их строительства удешевляли стоимость сетей, - в результате гололёдно-ветровые нагрузки во многих районах превышают те, на которые были рассчитаны ЛЭП, что вызывает массовые и продолжительные отключения.
Доля алюминиевых проводов малых сечений до 50 мм2 (нужно не менее 70 мм2) составляет в воздушных линиях (ВЛ) 6-10 кВ почти 25 %, а 30 % ВЛ 0,38 кВ смонтировано
проводами сечением до 25 мм2, что не обеспечивает пропускную способность. Протяжённость сетей ВЛ 6-10 кВ больше оптимальной длины 8-12 км (более 25 км - 13,3 %, более 50 км - 2,2 %). В ещё большей степени это относится к сетям 0,4 кВ (380/220 кВ). Поэтому надёжность потребителей характеризуется 70100 ч перерывов в электроснабжении в год (в развитых странах - 7-10), у 35 % не обеспечивается напряжение, несимметрия по фазам в сетях 0,4 кВ доходит до 50 %, что ведёт к высокой аварийности работы потребителей.
Структура и состав мероприятий для обеспечения электроэнергетической безопасности субъектов РФ в различных режимах функционирования РСЧС приведены на рисунке. При этом должны быть реализованы меры по резервированию ЭЭС, которые будут адекватны тяжести последствий от нарушения электроснабжения.
Для предотвращения и оперативной ликвидации опасных последствий внезапного нарушения электроснабжения жизнеобеспечивающих объектов необходимо:
- обеспечить потребности объектов в источниках аварийного электроснабжения; гарантированное их включение в работу, оснащение указанных источников топливом в необходимом объеме;
- наличие готовых к работе передвижных электростанций, подстанций и резервных трансформаторов для использования их при крупных нарушениях электроснабжения;
- оснастить население на рабочих местах и в быту индивидуальными источниками освещения, обогрева, приготовления пищи, связи.
Надёжность электроснабжения систем жизнеобеспечения должна быть предметом исследований, проводимых под руководством региональной администрации. Необходимо
СТРУКТУРА И СОСТАВ МЕРОПРИЯТИЙ
В РЕЖИМЕ ПОВСЕДНЕВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
1. Оценка устойчивости структуры РСЭЭ и ЭЭО объектов.
2. Прогнозирование ЧС, связанной с отсутствием ЭЭО объектов, а также оценка возможного ущерба.
3. Прогнозирование параметров элекгропотребления объектов в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС) при тяжелых расчетных возмущениях (потеря подстанции, ЭС и др.).
4. Определение приоритетности восстановления ЭЭО: систем тепло-, водоснабжения, управления движением транспорта, связи, больниц, зданий высотой более 75 м и др.
5. Обоснование и разработка состава резервных ИЭЭ для ЭЭО объектов и территорий; определение состава сил и средств для восстановления ЭЭО, организации и порядка производства аварийных работ.
6. Оптимизация задач и рациональное распределение функций между органами управления (ОУ) РСЧС.
7. Определение порядка взаимодействия с объектами энергетики, ОУ субъектов Российской Федерации, ОУ МЧС России и другими привлекаемыми структурами.
8. Определение порядка информирования населения при ЧС, связанныхс нарушениями электроснабжения.
9. Обоснование нормативов по соблюдениютребований надежности электроснабжения объектов.
10. Проведение государственного надзора и контроля объектов электроэнергетики на наличие планов действий по предупреждению и ликвидации нарушений электроснабжения объектов.
В РЕЖИМЕ ПОВЫШЕННОЙ ГОТОВНОСТИ
1. Уточнение структуры РСЭЭ и возможных проблем ЭЭО объектов.
2. Оценка возможного ущерба в районе ЧС, связанной с нарушением ЭЭО объектов.
3. Уточнение параметров электропотребления важных объектов вусловияхЧС.
4. Уточнение приоритетности восстановления ЭЭО объектов.
5. Уточнение состава резервных ИЭЭ для обеспечения электроэнергетической безопасности объектов и территорий.
6. Проверка готовности сил и средств для восстановления ЭЭО объектов и уточнение порядка производства аварийных работ по восстановлению ЭЭО объектов.
7. Уточнение задач и функций ОУ РСЧС в условиях ЧС, порядка взаимодействия с объектами энергетики, ОУ субъектов Российской Федерации и другими привлекаемыми структурами.
8. Участие в реализации дополнительных мер по защите населения и территорий от ЧС и уточнение порядка информирования населения об угрозе возникновения чрезвычайной ситуации, связанной сдлительными нарушениями электроснабжения.
9. Уточнение, в соответствии с порядком взаимодействия, планов действий по предупреждению и ликвидации нарушений электроснабжения объектов с привлекаемыми силами и средствами.
В РЕЖИМЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ
1. Анализ причин возникновения ЧС, оценка устойчивости структуры РСЭЭ и ЭЭО объектов, оценка общей обстановки иущерба в районе ЧС.
2. Определение способов, приоритета и обоснование состава сил и средств для восстановления ЭЭО объектов.
3. Выдвижение сил и средств в зонуЧС для восстановления ЭЭО объектов всоответствии с принятым эшелонированием.
4. Информирование населения о ЧС, связанной с длительными нарушениями электроснабжения.
5. Реализация иных мероприятий по первоочередному жизнеобеспечению пострадавшего населения.
6. Сбор, обработка и обмен информацией об обстановке в зоне ЧС и ходе аварийных работ по восстановлению ЭЭО объектов с привлекаемыми структурами.
7. Организация взаимодействия сзаинтересованными структурами по обеспечению необходимыми ЭТС, ГСМ и др.
Мероприятия, обеспечивающие электроэнергетическую безопасность субъектов РФ в различных режимах функционирования РСЧС
создание в составе муниципальных органов власти структуры, организующей разработку программ энергоснабжения и ответственной за обеспечение надёжности и адекватное развитие СЭС. Кроме этого, необходимо принять нормативы, стандарты и регламенты - от федерального уровня до уровня организации -которые бы учитывали требования к надёж-
ности электроснабжения населённых пунктов. Нормативно-правовая база должна предотвращать стремление субъектов рынка электроэнергетики экономить на мероприятиях по снижению аварийности, а также стимулировать соблюдение норм по резервам генераторных мощностей, пропускной способности электрических сетей, их устойчивости и живучести.
ЛИТЕРАТУРА
1. Седнев В. А, Смуров А. В. Алгоритм принятия решений по резервированию элементов электроэнергетических систем регионов в условиях чрезвычайных ситуаций // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2015. - № 2. Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/2015-2/2015-2.html
2. Комплексный анализ эффективности технических решений в энергетике / Под ред. В. Р. Окорокова, Д. С. Щавеле-ва. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 176 с.
3. Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 368 с.
4. Безруких П. П. Состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики // Электрика. - 2008. - № 9. -С. 3-10.
5. Кудрин Б. И., Седнев В. А, Воронов С. И. Семнадцать лекций по общей и прикладной ценологии. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. - 227 с.
6. Седнев В. А., Смуров А. В. Техноценологическая оценка устойчивости электроэнергетического обеспечения субъектов Российской Федерации // Пожары и чрезвычайные ситуации, предотвращение, ликвидация. - 2014. - № 4. - С. 53-58.
Sednev V., Smurov A.
ACTIVITY JUSTIFICATION METHODOLOGY FOR ELECTRIC POWER SAFETY PROVISION OF THE RUSSIAN FEDERATION SUBJECTS UNDER DIFFERENT OPERATION REGIMES OF THE RUSSIAN UNIFIED STATE SYSTEM OF PREVENTION AND RESPONSE TO EMERGENCY SITUATIONS
ABSTRACT
Purpose. The article presents a scientific and methodical approach to assessing the electric energy systems potential and justifying measures to ensure electric power safety of subjects of the Russian Federation under different regimes of operation of the Unified State System of Prevention and Response to ES.
Methods. The principles of the system theory and mechanism of stable laws of limiting theorems of the probability theory and mathematical statistics, the principles of the theory of sets, reliability and calculation of electrical loads have been used.
Findings. The proposed scientific and methodical approach implementation will provide electric power self-sufficiency and safety of subjects of the Russian Federation under different regimes of operation of the Unified State System of Prevention and Response to ES.
Research application field. The approach is recommended to be used in developing action plans for preventing and eliminating emergency situations
in the Russian Federation subjects, in preparing objects, population and territories for functioning in conditions of long-term power loss. The results are of interest for officials involved in justifying, planning and implementing measures to improve regional power system sustainability and electric power supply to facilities and territories under different regimes of operation of the Unified State System of Prevention and Response to ES.
Conclusions. The proposed scientific and methodical approach can be used to support decision making process by officials of the Unified State System of Prevention and Response to ES for implementing measures to provide electric power safety of subjects of the Russian Federation.
Key words: electric power system, power supply system, power supply reliability, emergency (ES).
REFERENCES
1. Sednev V.A., Smurov A.V. The decision algorithm for the redundancy of elements of electric power systems of regions in emergency situations. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2015, no. 2, available at: http://ipb.mos.ru/ttb/ 2015-2/2015-2.html (in Russ.).
2. Kompleksnyi analiz effektivnosti tekhnicheskikh reshenii v energetike [A comprehensive analysis of the effectiveness of technical solutions in the energy sector Ed. by V.R. Okorokov, D.S. Savelev]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1985, 176 p.
3. Kudrin B.I. Elektrosnabzhenie promyshlennykh predpriiatii [Power supply of industrial enterprises]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1987, 368 p.
4. Bezrukikh P.P. Status and prospects of renewable energy development. Elektrika. 2008, no. 9, pp. 3-10. (in Russ.).
5. Kudrin B.I., Sednev V.A., Voronov S.I. Semnadtsat' lektsii po obshchei i prikladnoi tsenologii [Seventeen lectures on General and applied tehnologii]. Moscow, Akademiia GPS MChS Rossii Publ., 2014, 227 p.
6. Sednev V.A., Smurov A.V. Technoceramica assessment of the sustainability of the electricity security of constituent entities of the Russian Federation. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia. 2014, no. 4, pp. 53-58.
VLADiMiR Sednev Artem Smurov
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
