Разработка модели оценки функционального состояния системы электроснабжения мегаполисов

Система электроснабжения (СЭС) крупных городов имеет иерархическую многоуровневую и многослойную структуру. СЭС охватывает всех потребителей города, включая коммунально-бытовой сектор, промышленные предприятия, электрифицированный транспорт всех видов и т. д. Сложный характер организации * СЭС требует адекватного уровня управления этой системой. По мере развития СЭС система управления электросетевым предприятием крупного города (также становится многоуровневой и распределенной по функциональным и иерархическим признакам. Оптимальное построение системы управления электросетевым предприятием мегаполиса, правильное определение ее структуры, формирование функций управленческих подразделений и механизмов их взаимодействия является сложной задачей. От степени организации системы администрирования зависит достижение конечной цели: надежное обеспечение потребителей электроэнергией в необходимом объеме и с требуемым качеством.

Необходимо выделять два' основных вида управления административно-хозяйственное и техническое. Административно-хозяйственное управление включает финансово-экономическое, бухгалтерское и кадровое управление. Хозяйственной род деятельности неразрывно связан с такими видами технического управления, как развитие и строительство (ввод нового оборудования), технологическое диспетчирование, управление ремонтами и организация учета транспортируемых объемов электроэнергии1. Высокие темпы роста электропотребления мегаполисов и динамичное развитие СЭС усложнило задачу управления. Кроме того, в течение последних лет все больше ускоряются темпы появления на рынке нового технологического оборудования, обновления материально-технической базы.

Современное оборудование обладает лучшими техническими и эксплуатационными характеристиками. Элегазовые силовые выключатели, рекомендованные в настоящее время к применению на распределительных устройствах (РУ) высокого и сверхвысокого напряжения, имеют высокие показатели надежности — 4 отказа на 10 тысяч выключателей в год. Такие выключатели не требуют технического обслуживания в течение десяти лет или до 10 тысяч циклов включения-отключения номинального тока, а также до 40 отключений номинального тока короткого замыкания (КЗ). Кроме того, в таких выключателях в течение всего срока эксплуатации не требуется обслуживать дугогасительные камеры. Устаревшие модели масляных выключателей позволяют выполнять до 150 операций включения и отключения-номинальноготока и до12*операций коммутации номинального тока КЗ. Гарантийный срок эксплуатации масляных выключателей. составляет 2 года с момента ввода в эксплуатацию. Современные коммутационные аппараты практически не требуют затрат на техническое обслуживание и ремонт, тогда как поддержание технически, исправного состояния устаревших и выработавших свой ресурс выключателей требует финансовых и трудовых затрат и не увеличивает уровень надежности СЭС.

Уровень надежности электрооборудования и, соответственно, системы электроснабжения зависит не только от качества изготовления и технического совершенства, но и от системы технического обслуживания и ремонта (ТОР). В настоящее времяв соответствии с требованиями нормативно-технической документации, применятся система планово-предупредительных ремонтов (ППР). Основным технико-экономическим критерием, заложенным в систему ППР, является минимум простоев оборудованиякоторый достигается при жесткой регламентации ремонтных циклов.

Проблема ППР заключается в том, что назначение профилактических работ выполняется регламентно, т. е. в соответствии с продолжительностью > эксплуатации, и не зависит от технического состояния оборудования.

Все выше перечисленное приводит к необходимости формирования нового вида управления, который можно охарактеризовать как управление технической политикой (УТП) электросетевого предприятия.

Цель УТП заключается, во-первых, в определении вектора развития СЭС, то есть в дефиниции оптимального распределения имеющихся финансовых средств между всеми расходными составляющими бюджета предприятия. Как известно финансовые ресурсы любого предприятия всегда ограничены и проблема их распределения неизменно актуальна. Поступающие на предприятие финансовые средства определяются транспортируемыми до потребителей объемами электроэнергии и тарифами ^ на транспорт для разных классов номинального напряжения. В процессе эксплуатации СЭС возникают задачи"поддержания ее внутренних элементов в надежном состоянии работоспособности. Это касается замены первичного и вторичного оборудования, имеющего высокую степень" моральной и физической изношенности. Данное оборудование может быть как первичным, например воздушные и кабельные линии электропередачи, силовое оборудование подстанций (трансформаторы, выключатели, разъединители и т. п.), так и вторичным (релейная защита и автоматика, системы учета электроэнергии, системы оперативного тока на подстанциях). Все это оборудование определяет степень работоспособности и надежности электроснабжения потребителей. При этом достаточно сложно расчетным путем определить степень влияния каждого отдельного компонента СЭС на результирующую надежность системы и невозможно оценить возможный.

I ущерб для потребителей в зависимости от текущего уровня (не)надежности отдельных компонентов системы. В период кризиса 90-х годов прошлого века не выполнялось большинство требуемых ремонтных программ и к настоящему времени степень изношенности основных фондов остается достаточно высокой, несмотря на предпринятые усилия по их восстановлению. В этих условиях важным вопросом является выбор наиболее узких в смысле надежности мест в СЭС мегаполиса и планомерное повышение надежности всех остальных элементов системы.

Во-вторых. цель, УТП заключается в определении типов современного оборудования, которое должно заменять собой устаревшее. В последние годы существует большой выбор современного отечественного и импортного оборудования, используемого во всех сферах деятельности электросетевого предприятия. Уже отмечалось, что некоторое оборудование, а в первую очередь коммутационные аппараты, имеет лучшие показатели по надежности и практически не нуждается в ремонтах' и обслуживании. Особенно существенный" прогресс наблюдается, в развитии вторичной аппаратуры,. используемойв СЭС. Использование цифровых-микропроцессорныхтерминалов открывает. возможности для автоматизированного и автоматического управления многими процессами. В настоящее время имеется ряд проблем, связанных с совместимостью первичного и вторичного оборудования' разных, фирмпроизводителей. Поэтому грамотное выстраивание технической политики в части перехода на современное оборудование весьма важная задача, которая осложняется двумя основными факторами. К первому можно отнести отсутствие опыта эксплуатации инновационного оборудования, а вторым можно считать оптимальное определение соотношения «цена-качество».

Таким образом, в части УТП имеется множество вопросов, которые требуют финансово-экономического обоснования для правильного принятия решений. Однако получить такое финансово-экономическое обоснование весьма затруднительно в связи со сложностью формирования строгой математической постановки задачи УТП. Сложность формулировки задачи УТП обусловлена как формированием целевой функции, для данной задачи, так и формированием самой математической модели объекта СЭС с позиций технического и экономического управления. Следует отметить, что задача УТП является многокритериальной. В условиях ограниченности финансовых ресурсов одним из главных критериев УТП является критерий экономичности, который для электросетевого предприятия сводится к минимальным затратам на передачу электроэнергии до потребителя. Данный критерий в первую очередь связан с минимизацией потерь электроэнергии при ее передаче и учете. Вторая составляющая экономического критерия связана с минимизацией эксплуатационных издержек. Другие критерии УТП обычно противоречат критерию экономичности. К одному из наиболее важных критериев можно отнести максимумжадежности или минимум ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям. Естественно, что для повышения надежности необходимо большее резервирование, более дорогостоящее оборудование и большие эксплуатационные иремонтные затраты. Критерий* надежности весьма сложно перевести в рублевый эквивалент, в связи с этим/при сопоставлении критерия экономичности и надежности возникают теоретические и практические сложности. Такие критерии УТП, как экологичность и минимум отчуждаемой внутри^ города территории, могут противоречить л. критерию, экономичности и критерию надежности. Таким, образом, для задачи УТП весьма сложно сформировать единый критерий оптимизации. Сложность задачи дополнительно увеличивается необходимостью принимать решения во временном разрезе. Причем основные управленческие решения должны приниматься на основе прогнозной информации, степень точности и достоверности которой может быть весьма низкой. Учет динамических свойств модели и весьма слабо прогнозируемый «эффект последействия» еще больше усиливают степень ее неопределенности и слабую степень формализации. Тем. не менее, для адекватного принятия решений по УТП электросетевого предприятия нужна достаточно формализованная модель анализа текущих и будущих ситуаций, которая могла бы облегчить руководящему административно-техническому персоналу электросетевой компании процедуру принятия решений.

Отдельное место в УТП должны занимать вопросы развития и инвестирования в СЭС. Формирование электрических сетей (ЭС) города Екатеринбурга, так же как и других крупных городов, расположенных на территории Российской Федерации, до 90-х годов. было неразрывно связано с темпами ввода промышленных предприятий, жилищного и гражданского строительства. Сооружение энергообъектов производилось за счет средств государства (бюджета). В условиях плановой экономики, т. е. единой государственной собственности, построенные потребителем новые элементы сетей безвозмездно отчуждались в пользу энергоснабжающей организации. Такое отчуждение имело формальный характер. При. наличии государства как единого источника финансирования было безразлично, какая организация — потребитель или энергоснабжающее предприятиебудут выполнять работы по развитию и модернизации сетей, с последующей безвозмездной передачей построенных энергообъектов. Совершенно иная картина складывается в условиях* перехода, к рыночным отношениям, которые характеризуются разграничением собственности.

Необходимость переустройства СЭС городов в целом должна быть продиктована нуждами каждого конкретного потребителя, в зависимости от величины требуемой дополнительной или вновь вводимой мощности и установленных сроков ее ввода. В Екатеринбурге до 2006 года развитие распределительной сети велось частными застройщиками. В таких условиях энергоснабжающая организация была вынуждена разрабатывать решения краткосрочного характера без учета плана развития города, что привело к диспропорциональному развитию системы электроснабжения (СЭС) города. С разработкой общей концепции развития сетей и инвестиционной программы появились общие принципы формирования технической политики, направленные на комплексное решение задач по строительству и реконструкции объектов электроэнергетики.

При постоянном спросе на электроэнергию (среднее увеличение за последние десять лет составило 4% в год см. табл. 1) отмечается отставание по вводу новых мощностей, а также сокращение объемов работ по реконструкции и техническому, перевооружению сетей электроснабжающих организаций:

Таблица 1-Фактическая и прогнозируемая нагрузка города Екатеринбурга.

Год Уровень электрических нагрузок города-Екатеринбурга, МВт Рост нагрузок, о.е.

2002 922 1.

2005 1090 1,18.

2010 1300 1,41.

2015 1590 1,725.

2025 2100 2,277.

В: настоящее время высокая загрузка основного электрооборудования не позволяет выполнить подключение дополнительных потребителей. Кроме того, его перегрузка в ремонтных и? аварийных режимах приводит к ускоренному старению изоляции и к выходу оборудования из строя.

Все вышеперечисленное требует поиска новых технических решений для определения принципов построения сетей.

Целью диссертационного! исследования является разработка модели развития системы электроснабжения крупных городов в зависимости от энергетической конъюнктуры, социально-экономического состояния и других возможных факторов. Разработка методики4 оценки технического состояния основных фондов (силового оборудования) необходима как для инъекционного воздействия на систему электроснабжениятак и для комплексной реконструкции существующих и строительства новых объектов электроэнергетики.

Объектом исследования является электрическая сеть как сложная 1М-мерная система, предназначенная для передачи и распределения электроэнергии с надлежащим качеством.

С одной стороны, разветвленные системы электроснабжения города характеризуются совместным использованием всеми потребителями сетей различных классов напряжения (6−10−35−110−220 кВ). Применение того или иного класса определяется при техническом обосновании и с учетом экономической целесообразности.

С другой стороны, каждый сегмент ЭС обладает определенным уровнем управления. Это обусловлено тем, что произвольный фрагмент электрическойсети имеет в* распоряжении* собственный1 набор доступной информации. Операционные технологические решения принимаются исходя из полноты и достоверности информации об объекте — фрагменте ЭС.

Комплексная организация системы электроснабжения значительно усложняет анализ ее текущего состояния, приводит к необходимости рассмотрения единой системы электроснабжения как набора связных подсистем, участвующих в едином технологическом процессе. Такое деление может быть выполнено по классам напряжения и образует многоуровневость системы (множество уровней ми). Кроме того, целесообразно выделение уровней управления системой электроснабжения, что формирует многослойность СЭС.

В таком случае система, «продольно» и «поперечно» делится на фрагменты, которые обладают едиными уровнями напряжения и набором операционных воздействий Возможность реализации мониторинга и диагностики таких объектов значительно упрощается и достигается благодаря однородности свойств и снижению размерности при анализе функциональных характеристик электрической сети.

Оценка технического состояния электрооборудования и даже ЭС в целом не дает полной картины той ситуации, в которой находятся объекты исследования. В диссертационной работе упор сделан на динамику процессов, влияющих на работоспособность, надежность и безотказное функционирование системы электроснабжения. На каждый элемент ЭС одновременно оказывает воздействие множество факторов. Следует отметить, что некоторые из них имеют латентный характер. Степень влияния таких факторов неоднозначна и может быть установлена при сопоставлении с реальными замеренными величинами.

Работа посвящена моделированию системы оценки технического состояния СЭС на базе многоуровневого подхода. Система, электроснабжения^ моделируется на^ основе графовой структуры, которая обеспечивает связность ее объектов, как топологическую, так и режимно-технологическую. Оценка состояния-объекта СЭС формируется в зависимости от занимаемого им иерархического уровня, который определяется его сущностью: внутренней структурой и множеством субобъектов.

Немаловажным аспектом формирования оценки являются избыточность и степень достоверности первичной информации об объекте, непосредственно влияющие на точность и полноту итогового результата.

Определение перспективного состояния, а также эффективности какого-либо воздействия на систему электроснабжения осуществляется на основе ретроспективной информации путем экстраполяции.

Научная новизна.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы, содержат следующие элементы научной новизны:

• Предложены принципы формирования модели информационного описания системы электроснабжения крупного города, использующие в качестве основы полносвязанную структуру и Л/-мерное представление (графоаналитическая многоуровневая концепция);

• Сформулирован подход к оценке и ранжированию функционального состояния отдельных элементов электрической сети, сочетающий опыт специалистов (экспертов) и технико-экономический анализ характеристик оборудования;

• Осуществлена адаптация метода индикативного анализа, позволяющего выполнить функциональную оценку состояния объектов СЭС;

• Предложен комплексный подход к определению первоочередных мер для поддержания и усовершенствования технического состояния СЭС с учетом влияния факторов, обусловленных различными" причинами.

Практическая ценность работы. Разработанные методы и созданные на их основе программы представляют интерес как для электросетевых компаний — для анализа текущего состояния распределительных сетей и определения инновационных решений, так и для проектных организацийдля решения вопросов развития районов электрических сетей, модернизации и перевооружения подстанций.

Апробация работы. Разработанная модель оценки функционального состояния системы электроснабжения прошла апробацию в Екатеринбургской электросетевой компании (ЕЭСК) и была использована при разработке ее инвестиционной программы.

Система используется для определения резерва мощности и термического износа изоляции силовых трансформаторов на основе данных телеметрии, эксплуатационных, финансово-экономических и других показателей. На базе модуля оценивания технического состояния электрооборудования был проведен мониторинг девяти подстанций ЕЭСК, которые обеспечивают электроснабжение трех районов мегаполиса, и выработаны рекомендации по их реконструкции и развитию. Программное обеспечение, интегрированное в разработанный на кафедре АЭС УрФУ программный комплекс Most, позволяет автоматизировать расчеты оценки технического состояния электрооборудования и повысить качество управленческих решений на предпроектном этапе, связанном с ремонтом и заменой оборудования, реконструкцией подстанций и вводом новых энергообъектов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Тобольск, 2004; II Всероссийской научно-технической конференции^ «Энергосистема: управление, качество" — Екатеринбург, 2004; региональном? семинаре ОДУ Урала и кафедры «Автоматизированные электрические системы», Екатеринбург, 2005; 8-й региональной научно-практической конференции «Энергосберегающая техника, и^ технологии», Екатеринбург, 2005; научно-практических конференциях с международным участием «Энергетика и электротехника», Екатеринбург, 2005 — 2006 и др.- «Energy saving technologies in scientific and technical? development for industrial corporations», Дортмунд- 2008; III международной i научно-практической конференции? «Энергосистема: управление, конкуренция, образование», Екатеринбург, 2008; Всероссийской научно-технической конференции- «Электроэнергия: от получения и распределения* до эффективного использования», Томск, 2010; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи», Екатеринбург, 2010.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 11 работах [46−56] (в том числе 4 работы в реферируемых изданиях ВАК).

4.5. Выводы.

Система управления технической политикой должна быть направлена на поддержание необходимого уровня работоспособности СЭС и ее развитие. Кроме того, УТП должно быть ориентировано на оптимальное распределение ресурсов сетевого предприятия. Для этого необходимо идентифицировать объекты с низкими показателями работоспособности и оказать воздействиеснижающее показатель аварийности.

Предложенный подход позволяет оценить объект произвольной структуры с учетом топологической связности элементов электрической сети.

Предложенная в работе комплексная4 система' диагностики? СЭС и, поддержки принятия решения" позволяет определить вектор оптимального развития сетей и систем. УПТ формируется на основе текущего состояния СЭС и ее объектов с учетом тенденций видоизменений их состояния в перспективе. Расчетный пример иллюстрирует эффективность комплексной^ системы, примененной к действующей СЭС в условиях неполноты и недостоверности исходной информации. Следует отметить, что полученные результаты соответствуют экспертным оценкам специалистов Екатеринбургской электросетевой компании. I.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ текущего состояния СЭС города Екатеринбурга показал необходимость формирования нового вида управления — управление технической политикой электросетевого предприятия. Решения о модернизации и техническом перевооружении должно разрабатываться с учетом оптимального плана развития СЭС. Комплекс мероприятий выбирается не только из множества доступных подходов в соответствии с действующими рекомендациями, но и с учетом множества ограничений нормативного, правового и финансового характера.

Таким образом, в части УТП имеется множество вопросов, которые требуют финансово-экономического обоснования для*правильного принятия решений. Однако получить такое финансово-экономическое обоснование весьма затруднительное в связи* со* сложностью формирования строгой математической-постановки задачи УТП. Сложность формулировки задачи УТП связана как с формированием целевой функции для данной задачи, так и с формированием самой математической* модели-объекта СЭС с позиций технического и экономического управления. Следует отметить, что задача УТП является многокритериальной. В условиях ограниченности финансовых ресурсов одним из главных критериев УТП является критерий экономичности, который для электросетевого предприятия сводится к минимальным затратам на передачу электроэнергии до потребителя. Данный критерий в первую очередь связан с минимизацией потерь электроэнергии* при ее передаче и учете. Вторая составляющая экономического критерия связана с минимизацией эксплуатационных издержек. Другие критерии УТП обычно противоречат критерию экономичности. К одному из наиболее важных критериев можно отнести надежность электроснабжения потребителей или минимум ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям.

Возможности информационно-измерительных средств, имеющихся в распоряжении электросетевой компании, в состоянии обеспечить решение задач мониторинга системы электроснабжения. Оценка технического состояния возможна при условии создания информационной графовой надстройки, отражающей топологическую связность объектов системы. Следует отметить, что не только отсутствует структура сети в виде графа, но и информация, которая содержится в информационных комплексах, не является полной и достоверной. Зачастую поля данных остаются пустыми.

Оценка влияния произвольного набора факторов на систему электроснабжения и ее объекты в частности может быть выполнена на основе индикативного анализа. Данный подход не предъявляет строгих требований, так как не учитывает внутренние взаимосвязи>межу факторами, влияющими на систему электроснабжения. Между тем он учитывает влияние различных сфер (технической, экономическойэкологической и. т.д.) на> объект исследования:. Метод индикативного анализа, адаптированный к решению задач оценки технического состояния СЭС, позволяет определить состояние работоспособности любого объекта электрической сети по той информации, которая имеется< в< наличии: Использование балльных пороговых оценок позволяет определить степень аварийности (работоспособности) состояния объекта, как текущего, так и перспективного. Оценка формируется вне зависимости от объема*информации, а также от ее достоверности, во многом определяющей итоговый результат.

В диссертационной работе предложена система индикаторов для ряда элементарных объектов системы электроснабжения — основного оборудования (трансформаторов, силовых выключателей, трансформаторов тока и напряжения, ЛЭП).

Введение

графовой структуры электрической сети позволило реализовать оценку таких комплексных объектов как РУ, ПС, РЭС и СЭС на базе оценочных характеристик элементарных объектов, которые являются их неотъемлемыми частями. Такой подход не требует разработки дополнительных показателей для сложных объектов.

Система оценки масштабируема, дополнительно в нее можно включить не только первичное оборудование, но и вторичное, например, АИИС КУЭ, ТМ, РЗиА, для которых потребуется разработка индивидуальных индикативных показателей, отражающих их состояние в каждой сфере. В том случае, если поведение объекта невозможно оценить по какому-либо индикатору или в какой-либо сфере, оценка принимается с нулевым значением. Благодаря введенной балльной шкале состояний такая оценка не оказывает значительного влияния на обобщенный результат.

Разработанная^система оценки эффективности принимаемых. решений позволяет сформировать группу первоочередных мероприятий с учетом различных ограничений, например, финансовых и< технических. Следует отметить, что, данная технология показала высокую эффективность в поиске оптимального решения. Критерием оптимума является индикативный показатель перспективного состояния объекта исследования:

Система управления технической! политикой должна быть направлена на поддержание необходимого уровня работоспособности СЭС и ее развитие. Кроме того, УТП должно быть ориентировано на оптимальное распределение ресурсов сетевого предприятия.

Предложенная в работе комплексная система диагностики, анализа и оценки СЭС позволяет определить вектор оптимального развития сетей и систем. Оптимальное развитие возможно на базе формализованной оценки. УТП формируется на основе текущего состояния СЭС и ее объектов с учетом тенденций видоизменения их состояния в перспективе. Расчетный пример иллюстрирует эффективность комплексной системы, примененной к действующей СЭС в условиях неполноты и недостоверности^ исходной информации.