Методика декомпозиции и синтеза системной надёжности электроэнергетических систем

Надёжное снабжение электроэнергией является важнейшей составляющей жизнеобеспечения * современной среды обитания людей, эффективного функционирования общественного производства. Крупные перебои^ в электроснабжении по масштабам ущерба-могут быть причислены к наиболее опасным-видам* бедствийнаносящим, удар по национальной экономике и благополучию людей. Поэтому обеспечение надёжности' электроснабжения потребителей требует повышенного вниманияпри любой форме экономических отношений в обществе.

Проблема надёжности в электроэнергетике возникла вместе1 с появлением самой электроэнергетики как отрасли народного хозяйства. Если проследить развитие теории и практики надёжности электроэнергетики за многие десятилетия, то можно обнаружить, что — возникшие на — заре становления, рассматриваемой отрасли задачи надёжности продолжают оставаться актуальными до сих пор и можно уверенно предполагать, что будут актуальными еще долгое время. Здесь имеются в виду такие задачи, как повышение надёжности энергооборудования посредством применения новых технологий и более долговечных и прочных материалов, создание высоконадёжных электроэнергетических систем посредством технико-экономической оптимизации их структуры и уровней резервирования, обеспечение надёжного снабжения электростанций первичными (возобновляемыми и, особенно, невозобновляемыми) энергоресурсамиобеспечение безопасного, безотказного, обладающего высокой живучестью электроснабжения потребителей.

Проблеме надёжности в электроэнергетике, начиная с 30-х годов двадцатого века уделялось и уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за её пределами. Значительный вклад в решении данной проблемы внесли следующие исследователи: Г. М. Кржижановский, И.М. 'Маркович, М. Н. Розанов, Ю. Н. Руденко, Н. И. Воропай, Ю. Б. Гук, И. А. Ушаков, В. Г. Китушин, Ю. Н. Кучеров, Ю. Я Чукреев, H.A. Манов, Г. А. Волков, В. А. Непомнящий, В.П. Обоска-лов, Б. В. Папков, Ю. А. Фокин, В. И. Эдельман, за рубежом М.А. КороткевичР. Аллан, Р. Биллинтон, В. Ниту, Дж. Эндрени и др.

Надёжность ЭЭС — это комплексное свойство ЭЭС выполнять функции по производству, передаче, распределению и электроснабжению потребителей электрической энергией в-требуемом количестве и нормированного качества путём технологического взаимодействия генерирующих установок, электрических сетей и электроустановок потребителей. Комплексность свойства состоит во включении ряда единичных свойств, таких как безотказность, восстанавливаемость, долговечность, сохраняемость, устойчивоспособность, живучесть, управляемость [1].

Существует два аспекта надёжности ЭЭС: системная надёжность и надёжность электроснабжения потребителя [2−4]. Надёжность электроснабжения потребителя — это способность ЭЭС обеспечивать поставку заявленной" потребителем в соответствии с договором электроснабжения электрической энергии (мощности) при выполнении потребителем всех договорных технических (условий присоединения к сети и торговой системе) и коммерческих (оплата) обязательств, а также при соблюдении поставщиком установленных договорными отношениями с потребителем технических условий поставки в отношении качественных и количественных показателей надёжности и качества поставляемой электроэнергии. Надёжность электроснабжения потребителя в значительной степени определяется уровнем системной надёжности, но в то же время зависит от ряда специфических особенностей распределительной системы. Системная надёжность — это надёжность ЭЭС как сложного технического объекта. Фактически, системная надёжность есть надёжность основной структуры ЭЭС, которая включает в себя генерирующие установки ЭЭС и основную, системообразующую сеть, заканчивающуюся узловыми потребителями локальной питающей сети. Системная надёжность подразделяется на балансовую и режимную надёжность. В данной работе рассматривается только балансовая надёжность, а именно — способность ЭЭС обеспечивать, совокупную’потребность в электрической энергии и мощности потребителей с учётом ограничений в виде плановых и неплановых отключений элементов-ЭЭС, ограничений на поставку первичных энергоресурсов (далее по тексту под системной.-надёжностью понимается* её балансовая, составляющая). Представляетсячто без обеспечения балансовой! надёжности, обеспечение режимной «надёжности становится’бессмысленным. Балансовая, надёжность включает два единичных свойства: безотказности восстанавливаемость. В [3] говоритсячто в. новых рыночных условиях необходимо выделение вышеприведенных аспектов: надёжности электроснабжения-потребителя1 и< системной надёжности. Очевидно, что далеко не-всегда высокая* системнаянадёжность обеспечивает равнозначную степень надёжности электроснабженияконечного потребителя: Именно запросы конечных потребителей должны быть, положены в основу требований к надёжности электроснабжения и системной надёжностикак в части1 продукции, так и в части услуг.

На протяжении последних двадцати лет в мире активно-обсуждается проблема обеспечения надёжности в электроэнергетике в связи с переводом её функционирования и развития в условия < либерализованного рынка электроэнергии и мощности. И хотя до реализации декларируемых преимуществ этого рынка, как показывает практика, ещё очень далеко, негативные черты перехода уже проявились со всей очевидностью. И главное место среди них занимает проблема снижения надёжности, чем. и вызвано её широкое и всестороннее обсуждение. Конкуренция на рынке электроэнергии (мощности) ведёт к снижению генерирующих мощностей и пропускных способностей связей. Кроме того, специфика электроэнергетики делает инвестирование в неё рискованным и непривлекательным из-за неопределённости электропотребления в перспективе и длительности реализации проектов развития ЭЭС (от 3−5 до 15—20 лет). Это может усугубить проблему снижения надёжности электроснабжения в отдалённой перспективе.

Как отмечается* в принятой РАО «ЕЭС России» в 2004 г. «Концепции обеспечения надёжности в электроэнергетике» [3] и разрабатываемой в настоящее время (2010 г.) её новой версии (автор является одним из разработчиков), среди множества задач обеспечениянадёжности важной является задача оценки вклада в — системную надёжность каждого из технологических звеньев ЭЭС: обеспечения электростанций первичными энергоресурсами, генерирования мощности, транспорта электроэнергии и её1 распределения по потребителям. Решение этой задачи даёт возможность определить «узкие» места в цепочке технологических звеньев ЭЭС и провести синтез системной надёжности путем гармонизации уровней надёжности исследуемых звеньев.

Таким образом, задачу декомпозиции и синтеза системной надёжности ЭЭС, чему посвящается данная работа, с большим основанием следует считать весьма" актуальной наг данном этапе, поскольку её удовлетворительное решение пока не найдено. Для решения поставленной задачи были разработаны: методика-декомпозиции системной надёжности, определения математического ожидания недоотпусков электроэнергии потребителей из-за ненадёжных связей ЭЭС, гармонизации надёжности звеньев основной структуры ЭЭС. Поставлена и решена задача синтеза, сетевой надёжности ЭЭС. В работе впервые использован^ ряд актуальных понятий и даны их определения.

Представленные в работе результаты не противоречат концепции инновационной электроэнергетики «Smart Grid», активно развиваемой в западных странах, а также в России.

Цель исследования:

— разработка методики декомпозиции и синтеза системной надёжности электроэнергетической системы при планировании её развития на перспективу.

Задачи исследования:

— разработка методики декомпозиции системной надёжности (ДСН) ЭЭС;

— разработка методики определения м.о. недоотпусков электроэнергии в результате ненадёжной работы связей ЭЭС;

— разработка методики гармонизации надёжности звеньев основнойструктуры ЭЭС;

— решение задачи-синтеза сетевой надёжности в рамках гармонизации надёжности звеньев основной структуры ЭЭС;

— проверка1 работоспособности методики декомпозициии синтеза системной надёжности на тестовых и реальных схемах ЭЭС;

— рекомендациипо оптимальному развитию основной сети ЕЭС России (на примере предложенной схемы) с учётом фактора надёжности.

Методы выполнения исследований.

При исследовании-применялись методы комплексного подхода к решению системных задач, теория надёжности технических систем и ЭЭС, методы вероятностного анализа надёжности, методы оптимизации, новые информационные технологии.

Объектом исследования является электроэнергетическая система. При этом основное внимание уделяется сетевому звену ЭЭС.

Предметом* исследования является свойство надёжности современных, больших, сложных ЭЭС, работающих в условиях либерализованного рынка.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

1. Предложена методика декомпозиции системной надёжности на надёжность звена генерации и надёжность сетевого звена ЭЭС.

2. Сформулирована методика анализа взаимосвязи уровней (гармонизации) надёжности генерирующего и сетевого звеньев ЭЭС.

3. Разработана методика определения м.о. недоотпусков электроэнергии потребителям по причине недостаточной надёжности связей ЭЭС.

4. Предложено технико-экономическое обоснование решений, принимаемых с целью повышения сетевой надёжности ЭЭС.

Положения, выносимые на защиту.

— Основные положения методики декомпозиции системной надёжности на надёжность генерирующего и сетевого звеньев, определения м.о. недоотпусков электроэнергии потребителям по причине: недостаточной, надёжности связей ЭЭС, гармонизации уровней надёжности генерирующего и сетевого звеньев ээс.

— Результаты анализа и предложения по перспективе развития основной сети (ЕНЭС) России на основе предлагаемой методики.

Практическая? ценность. Результаты выполненных исследований' целесообразно использовать при оценке надёжности существующей* и формирования перспективной? структуры, ЭЭС. Использование результатов, работы, будет, способствовать повышению качества и достоверности принимаемых решенийпо развитию ЭЭС, а также по — распределению^ ответственности и" обязанностей субъектов: рынка энергии, за надёжность. В условиях, рынка электроэнергии (мощности)' выполненные: исследования окажут помощь в, выявлении? «узких» мест вхистеме и обоснованиюшероприятийшо обеспечению необходимой системной надёжности.

Во введении обоснована, актуальность темы, диссертации, сформулированы цели и основные задачи, обозначен объект и предмет исследованияизложег ны научная новизна и практическая, ценность работы, основные положения и результаты. исследованиявыносимые на защиту.

В первой^главе рассмотрена общая характеристика проблемы обеспечения надёжности звеньев ЭЭС. В частности произведён обзор существующего состояния в области методов и моделей' оценкинадёжности звеньев «основной* структуры» ЭЭСобозначены «традиционные» проблемы оценки и обеспечения надёжности звеньев ЭЭСпредставлен обзор практики нормирования системной надёжности в России и за рубежомрассмотрены экономические аспекты повышения надёжности звеньев ЭЭС. В конце главы сформулированы основные выводы по представленному материалу.

Во второй главе даны новые понятия и их определения-и уточнёны определения имеющиеся' понятий, используемые в работепредставлена методика декомпозиции балансовой составляющей системной надёжности по отдельным технологическим звеньямсравнительного анализа надёжности генерирующего-и сетевого звеньевопределения м.о. недоотпусков электроэнергии потребителямпо причине недостаточнойнадёжности, связей ЭЭСсинтез требуемой балансовой составляющей, системной надёжности на базе гармонизации надёжности звеньев основной структуры ЭЭС. Показано, 1 что результаты работы не противоречат основным задачам Концепции развития интеллектуальной* ЭЭС. В конце главы сформулированы, выводы по изложенному материалу.

В третьей главе дана краткая-характеристика ПВК ЯНТАРЬ, разработанногов, ИСЭМ, СОРАН, представлены примеры практического применения предлагаемых методик на тестовых и реальных схемах с помощью ПВК ЯНТАРЬ. Проведена декомпозиция системной надёжности ЕЭС России на уровне 2009 г. и 2016 г. и даются предложения по синтезу сетевой надёжности. Результаты подтвердили работоспособность предлагаемых методик. В конце сформулированы выводы по главе.

В заключении сформулированы, основные научные и методические результаты данной работы.

В' приложениях приведеныисходные данные и результаты расчётов надёжности основной-структуры ЕЭС России на уровне 2009 г. и 2016 г.

Апробация работыПоложения диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах, совещаниях и конференциях различного уровня как отечественных, так и зарубежных, в том числе и, прежде всего, на Международном семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Иркутск, 2008 г.- Санкт-Петербург, 2009 г., Ялта, 2010 г.), а также на:

— III международной научно-технической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование», (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008 г.),.

— международной молодёжной конференции по энергетике «International Youth Conference on Energetics» (Будапешт, июнь 2009 г.),.

— VI международной конференции «Математические методы в надёжности» (Москва, июнь 2009 г.),.

— молодёжной конференции «Системные исследования в энергетике» (Иркутск, 2008, 2009, 2010 гг.).

Публикации. Содержащиеся в диссертации положения опубликованы в 12 работах, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

3.4. Выводы по главе 3.

1. На современном этапе развития российской электроэнергетики необходима глубокая детализация схем ЭЭС с целью адекватного отражения работоспособности генерирующих установок и всех системообразующих связей в ЭЭС.

2. Произведена проверка предлагаемых методик на тестовых и реальных схемах, результаты подтвердили работоспособность предлагаемых подходов.

3. Исследование системной надёжности ЕЭС России на уровне 2016 г. показало, что надёжность генерирующего звена ЕЭС России находится на достаточно высоком уровне для достижения рекомендованного норматив вероятности безотказной работы, равного 0,999. Обеспечения достаточной системной надёжности в узлах, где показатели системной надёжности приняли значение, не удовлетворяющее нормативу, возможно посредством «усиления» сетевого звена. 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Последние изменения в управлении электроэнергетической отраслью России напрямую затронули проблемы обеспечения надёжности ЕЭС и электроснабжения в.целом.

Введение

конкурентных отношений в электроэнергети-. ке повышают значимость данных проблем. Разделение. единого технологического процесса производства, преобразованияпередачи, распределения и потребления электроэнергии по видам деятельности и отношениям собственностинаряду с ростом> нагрузки и старением, оборудования увеличивают технологические риски в электроэнергетике, что требует принятий соответствующих действий.

2. На сегодняшний день при исследованиисистемнойнадёжности необходимо проводить её декомпозицию, т. е. оценку звеньев, основной структуры ЭЭС (генерирующего'И< сетевого) по отдельности. Декомпозиция* системной надёжности позволяет определить уровень надёжности каждого звена системы и степень ответственности субъектов рынка.

3. Оценка сетевой надёжности является важным аспектом функционирования и планирования развития сети. Определение сетевой надёжности позволило провести синтез надёжности сети с учётом выбранного норматива системной надёжности и надёжности генерирующего звена. При повышениинадёжности сетевого звена важна оценка экономической эффективности, т.к. сооружение и реконструкция ЛЭП — капиталоёмкий проект с большой долей риска. Трудность в оценке эффективности вызвана тем, что ЛЭП, зачастую дают не какой-то конкретный эффект выдачи мощности, а системный, который трудно определить, не выполняя расчётов надёжности больших сложных систем.

4. В представленной работе автором даны определения новых понятий и уточнение старых в области надёжности ЭЭС. Для оценки надёжности технологических звеньев основной структуры ЭЭС разработана методика декомпозиции. Использование данной методики позволяет определить уровни надёжности звена генерации и сетевого звена относительно системной* надёжность, что, в свою очередь, обеспечивает более наглядное отражение процессов, происходящих в системе с позиций надёжности, по сравнению с подходами, применяемыми ранее. Произведён анализ основных. показателей системной, надежности с адаптацией для* предложенной методики. Разработана методика анализа надёжности связей ЭЭС, которая позволяет определить м.о. недоотпуска электроэнергии потребителям в результате ненадёжной работы (аварийностималой пропускной способности) конкретной связи.

5. Гармонизация (согласование) надёжности звеньев основной-структуры ЭЭС является действенным методом для1 синтеза системной надёжности ЭЭС. В рамках данной работы рассмотрены и проанализированы экономические характеристики сооружения объектов «генерирующего и сетевого звеньев:

6. На современном этапе развития Российской электроэнергетики необходима глубокая детализация схем" ЭЭС с целью-адекватного учёта конфигурации и параметров системообразующей сети. В данной’работе показана-возможность такой" детализации на базе имеющейся модели оценки надёжности больших ЭЭС.

7. В практической части диссертации произведена проверка предлагаемой методики на тестовых и реальных схемах. Полученные результаты подтвердили её работоспособность. В частности, произведены исследования системной надёжности ЕЭС России на уровне 2016 г. Результаты показали, что надёжность генерирующего звена ЕЭС России находится на достаточно высоком уровне относительно рекомендованного норматива: вероятности безотказной работы, равной 0,999. Повышение надёжности в узлах, где показатели системной надёжности приняли значение, не удовлетворяющее нормативу, целесообразно посредством «усиления» надёжности сетевого звена. Был произведён синтез сетевой надёжности и получены дополнительные пропускные способности связей, при добавлении которых показатели системной надёжности приняли значения, удовлетворяющие нормативу.

8. Таким образом, разработанная методика подтвердила свою работоспособность. Получены результаты, дающие возможность декомпозиции и на её основе гармонизации составляющих системной надёжности. Методика может использоваться в практике планирования и проектирования развития ЭЭС. Целесообразно также применение в учебном процессе ВУЗов, готовящих инженеров-электриков. В рамках широко развиваемых инновационных преобразований в электроэнергетике рекомендуемая методика, модели и алгоритмы также могут найти применение.