Разработка методов и средств повышения надёжности релейной защиты электроэнергетических систем

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка методов и средств повышения надёжности релейной защиты электроэнергетических систем

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопросам эффективности и надёжности релейной защиты и автоматики (РЗА) электроэнергетических систем традиционно уделяется много внимания.

Значительный вклад в решение задачи оценки и повышения надёжности устройств и систем РЗА внесли многие отечественные и западные учёные: Бронштейн Р.А., Вавин Н.В., Гельфанд Я.С., Гук Ю.Б., Гарке В.Г., Жарков Ю.И., Жуков С.Ф., Зейлидзон Е.Д., Касьянов Г.П., Китушин В.Г., Коновалова Е.В., Манов Н.А., Нудельман Г.С., Рипс Я.А., Рубинчик В.А., Поляков В.Е., Сарапулов Г.А., Смирнов Э.П., Саухатас А.С., Стихин Г.П., Фабрикант В.Л., Шалин А.И., H.Ungrad (Швейцария), H. Klemenz, K. Rothe (Германия), Н. Аврамова (Болгария) и др.

Развитие в нашей стране РЗА электроэнергетических систем и изменение аппаратной базы от электромеханических реле к микросхемам и микропроцессорам, с одной стороны, привело к значительному повышению её технического совершенства, а с другой - к значительному снижению надёжности,

Большое внимание специалисты уделяют аспектам надёжности срабатывания защит. Основная часть неправильных действий систем РЗА - это ложные и излишние срабатывания, что показывают статистические данные, накопленные на протяжении ряда лет. Именно эти виды неправильных действий защиты сопровождаются наибольшими ущербами от ненадёжности.

Сейчас перед специалистами энергосистемы России стоит одна из главных задач - это перевооружение техники релейной защиты и автоматики для существующих и вновь вводимых объектов энергетики. Недостаточное знание данных о работе различных типов защит не позволяет решить прямую задачу надежности, т.е. по показателям надёжности отдельных элементов релейной защиты определять показатели надёжности всей системы РЗА в целом.

Выбор показателей и критериев эффективности и надёжности, а также методов выбора оптимального по эффективности варианта релейной защиты защищаемого объекта играют решающую роль в выборе основных направлений развития техники РЗА, методах повышения надёжности и т.д. Эта проблема выбора рассматривается в диссертации.

Цель и задачи работы. Разработка принципов и методов выбора схем резервирования систем РЗА на основании теории надёжности для оборудования электрических подстанций и сетей напряжением 110-750 кВ, что позволяет повысить надёжность систем РЗА. Совершенствование методов и средств расчёта аппаратной надёжности релейной защиты электроэнергетических систем.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

1. Развитие теории надёжности в отношении систем РЗА энергосистем.

2. Анализ факторов, влияющих на надёжность систем РЗА, выявление их достоинств и недостатков.

3. Совершенствование методов расчёта надёжности с учётом влияния человека на процесс функционирования систем РЗА.

4. Совершенствование методики расчёта показателей надёжности систем РЗА.

5. Разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования системы РЗА с целью оценки её надёжности.

6. Определение количества и схем резервирования систем РЗА по информации о неправильных действиях конкретных типов защит.

7. Разработка алгоритма и программы для расчёта на ЭВМ показателей надёжности систем РЗА.

Объектом исследования является релейная защита энергообъектов федеральной сетевой компании единой энергосистемы России напряжением 110-750 кВ.

Предметом исследования являются надёжность функционирования систем РЗА, схемы резервирования комплектов релейной защиты применительно к защищаемым объектам (линий электропередач, силовых трансформаторов, сборных шин).

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использованы: методы исследования информации (теория надёжности, теории вероятностей и математической статистики), методы исследования процессов (теории массового обслуживания, теория цепей Маркова), вычислительные эксперименты (теории имитационного моделирования и компьютерные технологии).

Достоверность. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы приведенными теоретическими положениями, экспериментальными расчетами, опытом применения полученных результатов, апробацией результатов на конференциях и семинарах. Результаты внедрены в практику ОАО «Институт «Энергосетьпроект», о чем имеется акт внедрения.

Научная новизна работы.

1. Разработана модель функционирования систем РЗА для современной элементной базы, что позволило выявить такие составляющие эффективности работы систем релейной защиты в современных условиях, как надёжность программного обеспечения, защищённость от внешних электромагнитных и других воздействий, человеческий фактор.

2. Предложена схема учета влияющих факторов (параметр потока коротких замыканий (КЗ), действие обслуживающего персонала («человеческий фактор»), одновременность восстановления), что позволило найти зависимость результирующих показателей надёжности от влияющих факторов и оценить степень влияния факторов на результаты расчётов показателей надёжности.

3. Разработаны рекомендации для проведения экспертного анализа информации, необходимой для расчёта показателей надёжности систем РЗА с учётом разделения неправильных действий на излишние, ложные и отказы в срабатывании.

4. Разработан алгоритм расчёта показателей надёжности релейной защиты для трёх защищаемых объектов (ЗО): линии электропередач, сборных шин, силового трансформатора, позволивший обосновать схемы резервирования систем РЗА.

5. Предложена методика выбора количества комплектов РЗА и схем резервирования для рассматриваемого защищаемого объекта по критериям: недоотпуск электроэнергии и процент неправильных действий защит.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

1. Схема учёта основных влияющих факторов, таких как параметры потока внешних КЗ, воздействие обслуживающего персонала («человеческих фактор»), одновременность восстановления при расчёте показателей надёжности систем РЗА.

2. Зависимость вероятности безотказной работы систем РЗА от вероятности внесения ошибки по вине персонала в процесс функционирования системы РЗА.

3. Получение экспертной информации о функционировании систем РЗА.

4. Методика расчёта показателей надёжности систем РЗА для трёх типов защищаемых объектов, позволившая обосновать схемы резервирования систем РЗА, что обеспечило необходимый уровень надёжности защищаемых объектов.

Практическая полезность и реализация результатов работы.

Повышение надёжности системы РЗА является эффективной мерой предотвращения аварийных последствий, вызываемых отказами в её функционировании.

Основные практические результаты заключаются в следующем:

1. Выделение существенных составляющих эффективности работы систем РЗА позволило обосновать показатели надёжности систем РЗА при поиске оптимальных решений в РЗА.

2. Исследование влияния человеческого фактора на показатели надёжности функционирования РЗА показало, что человеческий фактор оказывает такое же по значимости влияние, как и надёжность аппаратной части систем РЗА.

3. Собранная информация о функционировании систем РЗА позволила сделать вывод о том, что в настоящее время надёжность несрабатывания систем РЗА гораздо ниже надёжности срабатывания.

4. Методика расчёта показателей надёжности систем РЗА для различных защищаемых объектов позволила выбрать оптимальный по надёжности вариант резервирования систем РЗА на защищаемых объектах и снизить ущерб от неправильных действий РЗА.

5. Расчеты показателей надёжности систем РЗА выполнялись для подстанции «Центральная» ОАО «ФСК ЕЭС».

6. Результаты диссертационной работы использованы в производственной деятельности ОАО «Институт «Энергосетьпроект» г. Москва при выполнении в соответствии с планами НИОКР ОАО «ФСК ЕЭС» на 2006-2007 г.г. НИР «Концепция развития систем релейной защиты и линейной автоматики ЕНЭС в условиях реформирования электроэнергетики» в части разработки и подготовки отчёта «Анализ надёжности и разработка рекомендаций по оптимизации структуры комплектов релейной защиты энергообъектов ЕЭС России напряжением 110-750 кВ».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции» Новосибирского государственного технического университета (НГТУ), на Всероссийской научной конференции молодых учёных «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ» в 2004 г., на Всероссийской научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА: ЭКОЛОГИЯ, НАДЁЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ», в 2004, 2005 и 2006 гг., на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» в 2006 г., на Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации» в 2004 г., на Всероссийском семинаре «Кибернетика энергетических систем» в 2006 г., на Международной конференции CIGRE «Релейная защита и автоматика современных энергетических систем».

Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 14 публикациях, из них 1 научная статья, входящая в перечень рецензируемых ведущих изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 научные статьи в сборниках научных трудов, 9 научных статей в материалах всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, состоящего из 206 наименований, и приложений. Работа содержит 220 страниц основного текста, в том числе 29 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, положения научной новизны и практической значимости результатов работы, описана структура диссертации в целом. Рассмотрена необходимость обоснования показателей и критериев эффективности и надёжности систем РЗА, а также методов выбора оптимального по эффективности варианта резервирования систем РЗА защищаемого объекта.

В первой главе выполнен обзор и классификация существующих методов расчёта надёжности в электроэнергетике по относительным показателям эффективности и надёжности, а также по экономическим показателям эффективности, рассмотрены особенности расчёта надёжности систем РЗА.

Все существующие на сегодняшний день методы расчёта можно подразделить на аналитические и метод имитационного моделирования. Метод цепей Маркова - единственный из аналитических методов расчёта надёжности, который позволяет описать процесс смены состояний системы РЗА и в результате расчёта получить переходные значения функции неготовности.

Проанализированы формулы расчета статистических показателей надёжности РЗА, используемые как в России, так и за рубежом. Представляется целесообразным в отечественной практике также перейти к оценке эксплуатационной надёжности РЗА по показателям: надёжность срабатывания и надёжность несрабатывания. В работах западных авторов отсутствует выделенная категория ложных срабатываний, как это принято в России.

В некоторых странах (например, в Норвегии) ведётся статистическая оценка также недоотпусков электроэнергии и ущербов, возникающих при неправильных действиях релейной защиты в энергосистемах. Эти данные наиболее представительны и позволяют достаточно точно оценить эффективность инвестиций в новые системы РЗА. Желательно хотя бы выборочно фиксировать такие данные и в отечественной практике.

Свойство системы релейной защиты и автоматики снижать отрицательный эффект от повреждений в энергосистеме назовём ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ.

Сформулированы составляющие эффективности систем РЗА:

- техническое совершенство;

- структурная и параметрическая надёжность системы РЗА;

- наличие эффективной системы обслуживания и восстановлений, автоматических проверок исправности, высокая надёжность комплектующих;

- надёжность программного обеспечения (для микропроцессорных терминалов);

- защищённость от внешних электромагнитных и других воздействий;

- наличие доступных проектантам чётких методик выбора уставок и проверки чувствительности защиты, методик оценки её эффективности, оптимизации надёжности и т.д;

- совершенство и надёжность источников информации (ТТ и ТН);

- вид защищаемого объекта и его роль в энергосистеме;

- человеческий фактор.

Рассмотрены два аспекта надёжности:

- надёжность срабатывания (при повреждении защищаемого объекта);

- надёжность несрабатывания (при отсутствии повреждения на защищаемом объекте).

Как правило, при улучшении показателей надёжности одного вида показатели второго вида ухудшаются.

В настоящее время специалисты, занятые разработкой и проектированием систем РЗА, учитывают в основном первый аспект надёжности (надёжность срабатывания), мало внимания уделяя второму аспекту (надёжности несрабатывания). Статистические данные показывают, что подавляющее количество отказов в функционировании устройств релейной защиты - это ложные (35,2%) и излишние срабатывания (38,2%). Именно эти виды неправильных действий защиты сопровождаются в настоящее время наибольшими ущербами от ненадёжности.

В России около половины всех неправильных действий РЗА происходят из-за ошибок персонала при их изготовлении, проектировании, наладке и эксплуатации.

Количество устройств РЗА на современной элементной базе, эксплуатирующихся в России на подстанциях высших классов напряжения, в последние годы (по сравнению с данными фирмы ОРГРЭС за предыдущий период) значительно возросло. Например, на напряжении 330 кВ почти 12% устройств автоматики выполнено на микропроцессорной базе. Среди устройств релейной защиты на напряжении 220 кВ эксплуатируется почти 7% микропроцессорных терминалов. Это означает, что активное внедрение микропроцессорных устройств в России уже началось и для того, чтобы это не привело к резкому снижению надёжности релейной защиты и автоматики, необходимо обратить пристальное внимание на разработку и внедрение в практику методов обеспечения необходимого уровня их надёжности.

Во второй главе описаны особенности модели функционирования систем РЗА с точки зрения надёжности. Рассматриваемые особенности модели учтены при расчёте аппаратной надёжности систем РЗА.

Модель функционирования систем РЗА с точки зрения надёжности базируется на следующих основных положениях:

1. Степень важности выполнения исследуемым устройством РЗ той или иной функции может быть оценена лишь через показатели общей эффективности системы «устройство релейной защиты - защищаемый объект - окружающая часть электроэнергетической системы».

2. Возникновение дефекта в схеме РЗ, как правило, не эквивалентно отказу этой схемы. Для того, чтобы произошёл отказ необходимо наложение «заявки на функционирование» на отказ схемы. В свою очередь, отказ схемы может возникнуть при появлении одного дефекта (если схема не имеет резервирования) или лишь при возникновении нескольких дефектов (в схемах с резервированием).

3. Системы РЗ считаются системами с аддитивной эффективностью.

4. Имеются несколько различных аспектов надёжности с точки зрения «источника дефектов»:

· «аппаратная надёжность» - надёжность самой аппаратуры, входящей в состав релейной защиты (при этом могут быть учтены не только катастрофические, но и параметрические отказы элементов);

· «надёжность персонала» - аспект, связанный с отказами защиты в функционировании за счёт ошибок обслуживающего персонала;

· для микропроцессорных терминалов следует учитывать «надёжность программного обеспечения»;

· существенное влияние на поведение защиты (особенно микропроцессорных терминалов) оказывает уровень её помехозащищённости.

5. Поток профилактического контроля рассматривается как регулярный с неизменным периодом контроля.

6. При введении аппаратной избыточности (резервирования) следует учитывать следующее: расчётная схема при использовании двух взаиморезервируемых устройств, панелей релейной защиты будет выглядеть так, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Расчётная схема для резервированных цепей

А и В - взаиморезервируемые блоки; С - «общая цепь».

Общая цепь появляется вследствие следующих причин:

- общего влияния помех на оба комплекта;

- для микропроцессорных терминалов - из-за неидеальной надёжности программного обеспечения обоих комплектов РЗА;

- из-за неидеальной «надёжности персонала» и т.д.

В связи с изложенным, коэффициент неготовности системы из двух взаиморезервируемых комплектов определится следующим образом:

(1)

где - коэффициент неготовности каждого из взаиморезервируемых блоков; k - коэффициент учёта взаимозависимости функционирования каналов и регулярности контролей состояний; для релейной защиты ЛЭП принимается при наличии элемента рассогласования 0,5; а при отсутствии этого элемента 0,2; для релейной защиты трансформатора принимается 0,8.

Для защиты, выполненной на микропроцессорных терминалах коэффициент k может лежать в пределах 0,05-0,5 в зависимости от того, в какой степени выполнены требования МЭК к контуру заземления, в какой степени выполнены условия помехозащищённости и т.д.

7. При ремонтах защита не может отказывать в функционировании, поэтому временной промежуток, в течение которого производится ремонт рассматриваемой системы РЗА, не учитывается при рассмотрении времени, за которое возможны неправильные действия защиты.

8. В предлагаемой модели рассматриваются только независимые устойчивые отказы элементов.

9. В модели рассматриваются только катастрофические отказы элементов, т.е. элемент может находиться лишь в двух состояниях - «исправен» или «неисправен». Восстановление исправности повреждённого элемента, таким образом, приводит к восстановлению исправности всей системы в целом.

10. Потоки отказов, относящиеся к каждому элементу устройства релейной защиты в отдельности, считаются простейшими, т.е. удовлетворяющими условиям ординарности, стационарности и отсутствия последействия. Предполагается, что периоды приработки и старения элементов исключаются специальными мероприятиями, что позволяет считать потоки отказов элементов аппаратуры РЗА стационарными.

11. Потоки «заявок на функционирование» РЗ могут быть нестационарными. Параметр потока коротких замыканий (КЗ) на оборудовании, установленном на «открытом воздухе», летом может быть гораздо выше, чем зимой.

12. Некоторые события, входящие в потоки восстановлений, нельзя считать независимыми. Отказ защиты в функционировании приводит к одновременному устранению двух имеющихся в системе дефектов, т.е. события, заключающиеся в устранении этих дефектов, являются зависимыми.

Проведённые исследования показывают, что частые восстановления приводят к необходимости рассчитывать показатели надёжности устройств РЗ в «переходном» режиме эксплуатации.

На рис. 2 приведены функции неготовности q₁(t) и q₂(t) для двух устройств релейной защиты, причем ₁ = 7 [1/год], ₁ = 20 [1/год], ₂ = 2 [1/год], ₂ = 3 [1/год].

По установившимся значениям q₁ = 0.259 и q₂ = 0.4 можно сделать вывод о том, что первое УРЗ надёжнее второго.

Если же раз в месяц проводится проверка исправности (и, если требуется, то ремонт), то расчёты дают следующие результаты: q_1ср = 0.232, q_2ср = 0.136. Отсюда следует, что второе УРЗ надёжнее первого.

Из приведённого примера ясно, что оценку надёжности релейной защиты следует вести не по установившимся значениям коэффициентов неготовности, а по средним значениям функции неготовности за период между регулярными проверками.

Рассмотрены составляющие, входящие в поток восстановлений РЗА и описана методика их учёта в методах расчёта показателей надёжности систем РЗА.

Проанализировано влияние параметра потока КЗ на показатели надёжности. Проведено исследование закона распределения коротких замыканий, для чего был составлен алгоритм и программа имитационного моделирования.В результате моделирования получен закон распределения потока коротких замыканий в зависимости от очерёдности прихода на защищаемый объект. Закон распределения потока коротких замыканий описывается распределением Эрланга.

Исследовано влияние нестационарности потока КЗ на показатели надёжности устройств релейной защиты (УРЗ). В качестве метода исследования выбрано имитационное моделирование (ИМ) на ЭВМ. Были разработаны алгоритм и программа ИМ, с помощью которых производились исследования влияния вероятностных характеристик потока КЗ (рис. 3) на показатели надёжности.

На рис. 4 представлены построенные таким образом функции неготовности q₁(t) - при стационарном потоке КЗ и q₂(t) - при нестационарном потоке. По результатам моделирования для каждой функции неготовности были определены средние значения q_1.ср и q_2.ср.



Человеческий фактор играет особую роль в обеспечении надёжности релейной защиты при эксплуатации. Персонал служб релейной защиты и автоматики обеспечивает правильную работу устройств, но в то же время может стать виновником и отказов срабатывания, ложных и излишних срабатываний.

Предложен способ учета некоторых ошибок персонала в процессе эксплуатации РЗА в рамках метода имитационного моделирования. Ошибки персонала также предложено учитывать при определении показателей надёжности систем РЗА в рамках метода цепей Маркова. Были смоделированы следующие виды обслуживания персоналом систем РЗА:

1) Нулевой период (наладка оборудования);

2) Послеаварийный (ремонт после аварии);

3) Профилактические проверки;

4) Полное восстановление (после регулярной проверки).

Третья глава посвящена разработке алгоритма расчёта показателей надёжности релейной защиты для трёх защищаемых объектов (ЗО): линия электропередач, сборные шины, силовой трансформатор, позволившие обосновать схемы резервирования систем РЗА на основе процента неправильных действий.

Для получения исходных данных для расчётов, а именно информации о надёжности функционирования систем РЗА, были составлены анкеты для опроса специалистов в области релейной защиты.

Комплекс анкет для получения экспертной информации о функционировании систем РЗА состоит из девяти анкет.

Анализ данных, по итогам опроса специалистов более 70 подстанций, позволил выявить следующие основные причины отказов в функционировании устройств РЗА, выполненных на современной элементной базе (микросхемах среднего уровня интеграции и микропроцессорных терминалах) в условиях России:

- низкое качество контура заземления подстанции, вызывающее ложные срабатывания защит, например, при близких ударах молнии;

- слабая помехозащищённость устройств РЗА;

- ошибки при проектировании, часто вызванные отсутствием доступных проектантам чётких методик выбора уставок и проверки чувствительности защит (особенно - для импортных микропроцессорных терминалов), методик оценки эффективности систем релейной защиты, оптимизации надёжности и т.д.;

- высокий уровень погрешностей измерительных трансформаторов тока, используемых в защитах, особенно в переходных режимах, когда должны работать быстродействующие защиты;

- влияние на микропроцессорные терминалы помех, наводимых расположенными поблизости устройствами РЗА на устаревшей элементной базе и т.д.

В связи с описанным выше, микропроцессорные терминалы целесообразно вводить в действие в первую очередь на вновь строящихся подстанциях, где необходимо реализовать все необходимые мероприятия по обеспечению высокого качества контура заземления, повышению помехозащищённости по всем аспектам (помехи по цепям питания оперативным током, цепям переменного тока и напряжения защиты). Необходимо также категорически запретить использование поблизости от таких терминалов источников электромагнитного излучения (сотовых телефонов, электродрелей с искрящим коллектором и др.).

Принципиальная структура алгоритма расчёта показателей надёжности РЗА для различных защищаемых объектов состоит из шести шагов. Для каждого шага представлена схема и аналитические выражения для расчёта показателей надёжности систем РЗА.

При разработке методики сравнения вариантов построения систем защиты на микропроцессорных терминалах, на этапе проектирования, учитывалось следующее:

- в процессе проектирования не ставится задача оптимизации внутренней структуры шкафа, панели, необходимо оптимизировать количество и алгоритм взаимодействия панелей;

- расчёты не должны быть слишком трудоёмкими, необходимо максимально упростить методику, не допуская при этом больших неточностей в результатах;

- показатели надёжности и эффективности должны учитывать особенности защищаемого объекта.

Схемы резервирования систем РЗА приведены на рис. 6.



Рис. 6. Резервирование комплектов защит РЗА

Алгоритм расчёта показателей надёжности защиты ЛЭП

Сначала необходимо определить какие типы защит будут установлены на защищаемом объекте (ЛЭП). Предположим, что на линии будет установлена в качестве основной дифференциально-фазная высокочастотная защита, в качестве резервных - токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) и дистанционная защита.

Шаг 1. Исходные данные. Определяем последовательно для каждой из защит (основной и резервной) следующие величины:

- коэффициенты частоты отказов в функционировании;

- расчётный процент неправильных действий защиты;

- суммарный процент неправильных действий защиты;

- параметр потока КЗ для защищаемого объекта;

- суммарный параметр потока отказов защиты в функционировании;

- параметр потока отказов в срабатывании;

- параметр потока излишних срабатываний;

- параметр потока ложных срабатываний;

- коэффициент неготовности к срабатыванию при повреждении защищаемого объекта;

- параметр потока внешних КЗ;

- коэффициент неготовности защиты при внешних КЗ.

Шаг 2. Показатели надёжности шкафа защиты при междуфазных КЗ (основная и резервная защита независимо действуют на отключение ЛЭП) аналогичные шагу 1.

Шаг 3. Общие показатели надёжности шкафа защиты (основная и резервные защиты независимо действуют на отключение ЛЭП, резервирование считаем полноценным, при срабатывании как основной, так и резервной защит последствия для системы - одинаковые):

- общий параметр потока отказов защиты в срабатывании;

- общий параметр потока излишних срабатываний защиты;

- параметр потока ложных срабатываний;

- процент неправильных действий защиты;

- средний, теряемый при отключении, переток активной мощности по защищаемой ЛЭП;

- среднее время восстановления нормальной схемы при ложных отключениях Т_{восст.ЛО} задается исходными данными.

Зная «теряемые» при соответствующих отказах защиты в функционировании мощности и время восстановления нормального режима, можем рассчитать математические ожидания недоотпуска энергии из-за отказов защиты в функционировании.

- недовыдача электроэнергии при одном ложном отключении:

;

- математическое ожидание недовыдачи электроэнергии из-за ложных отключений защитой защищаемой ЛЭП:

;

При ложных отключениях, вызванных дефектом в защите, АПВ не может устранить его последствия, т.к. после действия АПВ защита вновь сработает ложно.

- стоимость одного недовыданного кВт.ч задаётся исходными данными;

- математическое ожидание недовыдачи электроэнергии из-за излишних отключений защитой ЛЭП:

;

q_АПВ - вероятность неуспешного действия АПВ защищаемой ЛЭП в процессе её включения после излишнего срабатывания защиты;

Определение последствий отказов защиты в срабатывании:

- средний, теряемый при отказе защиты в срабатывании, переток активной мощности по защищаемой ЛЭП, МВт;

- среднее время восстановления нормальной схемы при отказах защиты ЛЭП в срабатывании и действии резервных защит смежных элементов ;

- математическое ожидание недовыдачи электроэнергии при отказах защиты ЛЭП в срабатывании и действии резервных защит смежных элементов:

;

- суммарный недоотпуск электроэнергии в год:

;

- математическое ожидание ущерба от неидеальной надёжности защиты:

.

Аналогичные расчёты можно провести также для резервных комплектов защит.

Шаг 4. Общие показатели надёжности шкафа защиты при установке второго, аналогичного первому, комплекту защиты, оба комплекта действуют на отключение защищаемого объекта независимо друг от друга (рис. 6.а.), резервирование считаем полноценным (включая каналы связи) определяем аналогично шагу 3.

Шаг 5. Общие показатели надёжности шкафа защиты при установке второго, аналогичного первому, комплекта защиты, комплекты действуют на отключение защищаемого объекта только при одновременном срабатывании (включены по схеме И рис. 3.б.) определяем аналогично шагу 3.

Отличие в определении показателей надёжности состоит только в определении коэффициентов неготовности. Рассмотрим подробнее расчет коэффициентов неготовности для этой схемы.

- коэффициент неготовности к срабатыванию при повреждении защищаемого объекта (КЗ на землю):

;

- коэффициент неготовности к срабатыванию при повреждении защищаемого объекта (междуфазные КЗ);

- коэффициент неготовности защиты при внешних КЗ на землю:

.

Результирующие показатели надёжности релейной защиты рассчитываются аналогично шагу 3.

Шаг 6. Установка трёх аналогичных шкафов защиты. Система действует на отключение защищаемого объекта при одновременном срабатывании двух шкафов. При срабатывании только одного шкафа персоналу выдаётся сигнал о неисправности защиты рис. 6.в.

- коэффициент неготовности к срабатыванию при повреждении защищаемого объекта (КЗ на землю):

;

Значение k^I принимаем равным 0,3, т.к. предполагаем наличие соответствующего диагностического устройства.

- коэффициент неготовности к срабатыванию при повреждении защищаемого объекта (междуфазные КЗ).

- коэффициент неготовности защиты при внешних КЗ на землю:

;

- коэффициент неготовности защиты при внешних междуфазных КЗ.

Результирующие показатели надёжности релейной защиты рассчитываются аналогично шагу 3.

Для большей наглядности расчётов предлагается свести результаты в таблицу. Из таблицы необходимо определить с экономической точки зрения преимущество схемы РЗА по сравнению с другими вариантами.

В четвертой главе проведено исследование надёжности и эффективности, а также даны рекомендации по оптимизации схем РЗА для защищаемых объектов подстанции Центральная. Расчёты проводились с использованием положений усовершенствованной модели надёжности, методов и средств, описанных в настоящей работе.

Расчёты проводились на основе разработанной методики сравнения вариантов построения систем защиты.

Таблица 1 - Результаты расчетов для защиты ЛЭП

№ п/п	Состав защиты	Процент неправильных действий,	Математическое ожидание ущерба от неидеальной надёжности защиты, $/год.
1.	Один шкаф РЗА	8,0	17 039
2.	Два шкафа РЗА по схеме ИЛИ	14,2	32 308
3.	Два шкафа РЗА по схеме И	4,1	7 710
4.	Три шкафа РЗА по схеме «два из трёх»	3,9	6 016

Из приведённой выше табл. 1 видно, что в рассматриваемом случае включение обоих шкафов по схеме ИЛИ не только не улучшает показателей надёжности, но даже ухудшает их по сравнению с одним шкафом.

Включение же двух шкафов по схеме И даёт заметные преимущества по сравнению с одним шкафом защиты.

Наиболее надёжная из рассматриваемых схем - три шкафа, включённые по схеме «два из трёх» (защита действует на отключение при срабатывании не менее чем двух шкафов; если срабатывает только один шкаф из трёх, персоналу выдаётся сигнал о неисправности защиты). С экономической точки зрения преимущество этой схемы по сравнению с двумя шкафами, включёнными по схеме И, незначительно.

По результатам расчёта для защиты сборных шин математические ожидания ущербов от неидеальной надёжности защиты сборных шин по схеме с двумя выключателями на цепь (а также с тремя выключателями на две цепи) весьма малы. Приобретение второго шкафа защиты не оправдывает себя. Этот вывод справедлив только в том случае, если отказ защиты сборных шин и отключение возникшего КЗ резервными защитами не приведёт к опасности разделения системы на части.

Если при отказе защиты шин возможна системная авария, необходимо устанавливать два шкафа защиты с независимым действием на отключение защищаемых шин.

Сделанные выводы не относятся к случаям подключения присоединений к сборным шинам через один выключатель.

Таблица 2 - Результаты расчетов для защиты трансформаторов

№ п/п	Состав защиты	Процент неправильных действий,	Математическое ожидание ущерба от неидеальной надёжности защиты, $/год.
1.	Один шкаф РЗА	33	637,8
2.	Два шкафа РЗА по схеме ИЛИ	49,6	652,5
3.	Два шкафа РЗА по схеме И	5,2	662,5

Из табл.2. видно, что в рассматриваемом случае:

- судя по проценту неправильных действий, включение обоих шкафов по схеме И несомненно лучше, чем по схеме ИЛИ;

- включение двух шкафов по схеме ИЛИ даёт худшие показатели, по сравнению с показателями надёжности одного шкафа защиты;

- с экономической точки зрения включение обоих шкафов как по схеме ИЛИ, так и по схеме И даёт примерно одинаковые результаты.

В проведённых выше расчётах не учитывалась возможность разделения системы на части при отказе в срабатывании основной защиты. Если такое событие, вероятно, то во много раз возрастают как недоотпуски электроэнергии, при отказах защиты, так и величина удельного ущерба. В этом случае преимущество схемы с двумя шкафами, включёнными по схеме ИЛИ, становится очевидным.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Оценка надёжности релейной защиты по установившимся величинам коэффициентов неготовности может привести к значительным погрешностям и принципиальным качественным ошибкам. Надёжность следует оценивать по средним значениям функции неготовности за период между регулярными проверками. Такие особенности функционирования систем РЗА, как наличие в потоке восстановлений регулярных, а также нестационарных случайных составляющих, зависимость процессов отказов и восстановлений исправности по группам дефектов и другие, могут привести при использовании метода цепей Маркова к погрешностям.

2. В рамках метода имитационного моделирования возможен корректный учёт особенностей, присущих системам РЗА, и различных факторов, влияющих на их надёжность.

3. При расчёте показателей надёжности следует учитывать в потоке восстановлений короткие замыкания в силовой части системы.

4. При экспоненциальном законе общего потока КЗ для описания функции плотности вероятности каждого короткого замыкания может быть использован закон Эрланга.

5. Показатели надёжности релейной защиты можно рассчитывать методом цепей Маркова полагая, что параметр потока КЗ нестационарный. При этом в случае нестационарного потока КЗ погрешность при расчете математического ожидания числа излишних срабатываний не превышает нескольких процентов .

6. Зависимость событий, входящих в поток восстановлений системы релейной защиты, не оказывает существенного влияния на результирующие показатели надёжности.

7. Предложена модель учета человеческого фактора при расчете показателей надёжности релейной защиты. Метод имитационного моделирования позволяет учитывать человеческий фактор, а также этот фактор можно учесть в методе цепей Маркова.

8. Показатели эффективности и надёжности релейной защиты и автоматики в большой степени зависят от вида и функций, выполняемых защищаемым объектом в энергосистеме. Поэтому исполнение системы РЗА, оптимальное для одного защищаемого объекта, может оказаться совершенно неэффективным для другого объекта такого же вида (линии, трансформатора, сборных шин и т.д.). Для каждого защищаемого объекта в процессе проектирования должны быть выбраны оптимальный состав и алгоритм взаимодействия элементов РЗА.

9. Разработана методика расчёта показателей надёжности систем РЗА на этапе проектирования в условиях отсутствия точных исходных данных по некоторым частным показателям надёжности используемых систем РЗА.

10. Широко практикуемое в настоящее время резервирование защит «по срабатыванию» (включение двух и более комплектов на отключение защищаемого объекта независимо друг от друга) не всегда оправдано. Иногда более эффективны схемы, включённые по схеме И (действие на отключение при одновременном срабатывании двух защит).

11. На наиболее ответственных объектах может оказаться целесообразным включение трёх идентичных шкафов защиты с действием на отключение по схеме «два из трёх» - т.е. действии на отключение защищаемого объекта лишь при одновременном срабатывании двух шкафов и выдаче сигнала о неисправности в случае, если на отключение сработал только один шкаф защиты. В первую очередь такие решения следует применять, если при отказе в срабатывании защиты возможно нарушение устойчивости системы и разделение её на части, возникновение цепочечных аварий и т.д. Методика расчёта показателей надёжности систем РЗА реализована в среде Excel, что является важным для автоматизированного решения поставленных задач и их практического использования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

надежность электрический подстанция сеть

Шалин А.И. О расчете показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» Т. 1 Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2004. - С. 114 - 117.

Шалин А.И. Учет нестационарности потока КЗ при определении показателей надёжности релейной / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» Т. 1 Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2004. - С. 124 - 126.

Шалин А.И. О расчете показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Избранные труды НГТУ: Сборник научных трудов / Под редакцией А.И. Шалина, - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 88 - 98.

Шалин А.И. Исследование закона распределения потока коротких замыканий в системе / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Избранные труды НГТУ: Сборник научных трудов/ Под редакцией А.И. Шалина, - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 99 - 103.

Шалин А.И. Учет нестационарности потока КЗ при определении показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Избранные труды НГТУ: Сборник научных трудов/ Под редакцией А.И. Шалина, - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 104 - 109.

Шалин А.И. Совершенствование вероятностных моделей и методов расчета показателей надёжности релейной защиты энергосистем / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации» Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2004. - С. 223 - 226.

Шалин А.И. Разработка программы для расчета показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. Часть 3. С. 115-116.

Шалин А.И. Концепция оценки эффективности и надёжности микропроцессорных систем релейной защиты энергосистем / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - С. 123 - 126.

Шалин А.И. Проблема надёжности релейной защиты и автоматики энергосистем / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования». - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 114-116.

Шалин А.И. Учет ошибок персонала в расчетах показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. Вып. 3(37). С. 59-64.

Шалин А.И. О расчете показателей надёжности релейной защиты / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Материалы докладов двенадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 87 - 90.

12. Шалин А.И. Эффективность и надёжность релейной защиты энергетических систем / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск : Изд-во Ростовский госуниверситет . - 2006. - Приложение № 15. - С. 76-77.

13. Shalin A.I. Efficiency of Relay Protection of Power System / A.I. Shalin, A.S. Trofimov // Proceedings of IFOST 2007. The Second International Forum on Strategic Technology. Ulaanbaatar, Mongolia. 2007. S. 371-375. [Эффективность релейной защиты электроэнергетических систем].

14. Шалин А.И. Оценка эффективности релейной защиты на этапе проектирования / А.И. Шалин, А.С. Трофимов // Научный вестник НГТУ. - 2007. - № 3 (28). - С. 167-180.

Размещено на Allbest.ru

...