Системный анализ безопасности электроустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Россия, г. Барнаул, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Системный анализ безопасности электроустановок

Никольский О.К.

Воробьев Н.П.

Основные понятия. Одной из характеристик опасности, широко используемой в настоящее время, является риск. При этом риск трактуется как количественная характеристика степени опасности, возникающая в результате деятельности человека [1]. Вопросам оценки и анализа техногенных рисков посвящено множество работ, которые отличаются неоднозначностью и противоречивостью сущности и трактовки самого понятия риска. Очевидно, что объяснением этому является многогранность и сложность самого явления риска. Анализируя различные определения риска, следует отметить, что они проявляются через множество других понятий, ключевыми из них являются опасность и ущерб, которые, в свою очередь, интерпретируются в широком спектре семантики.

Риск, являясь наиболее емким интегральным понятием, фактически служит своего рода объективной мерой осознаваемой человеком опасности его жизни и деятельности. С этих позиций опасность техногенного характера может рассматриваться как состояние, внутренне присущее какому-либо техническому объекту. Такое состояние может проявляться в виде поражающих, вредных или деструктивных воздействий в форме прямого или косвенного ущерба для человека и окружающей среды в процессе эксплуатации этих объектов или при создании нештатных ситуации. Изложенные общие соображения относительно сущности техногенного риска в полной мере относятся к рассматриваемому нами объекту - системе электроснабжения и различным электроустановкам. Причем техногенная опасность (риск) здесь трактуется более широко: создаются не только угрозы жизни и здоровью человека, но и снижается качество электроэнергии потребителей, увеличиваются потери, возникают помехи, т.е. ухудшается электромагнитная совместимость (ЭМС). Здесь ЭМС рассматривается как способность электроустановок надежно функционировать с заданным (нормативным) качеством и не создавать при этом угроз жизни и здоровью человека, а также недопустимых электромагнитных помех для других технических средств [2].

Необходимость изучения проблемы анализа и управления риска вытекает из признания многими исследователями, с одной стороны, факта полной неустранимости риска антропогенного происхождения, а с другой - возможности его коррекции. В настоящее время при анализе техногенного риска используются следующие его трактовки:

1. Риск рассматривается как вероятность появления какого-либо опасного события.

2. Риск интерпретируется в виде ущерба (материального, социального, экологического), наносимого в результате наступления неблагоприятного события.

3. Риск представляется в виде двухпараметрической модели, включающей в себя как вероятность наступления опасного события, так и величину связанных с ним потерь.

Отдавая должное используемым трактовкам риска, отметим, что представление риска электроустановки в виде двухпараметрической случайной величины наиболее полно отражает его сущность. Вместе с тем, несмотря на значительное число исследований [3, 4, 5] посвященных методам оценки рисков на особо опасных объектах (химическое производство, нефтегазовый комплекс, энергетика и др.), в настоящее время отсутствуют методические основы разработки математических моделей рисков систем электроснабжения (в т.ч. электроустановок), не обоснованы также соответствующие критерии и показатели в контексте рассмотрения объекта исследования как человеко-машинной системы [6].

Интегральный риск, его структура и математическая модель. Под интегральным риском электроустановки (ИРЭ) будем понимать показатель потенциальной техногенной опасности, учитывающий социальный, материальный и экологический ущерб, выраженный в едином денежном эквиваленте. Тогда математическая модель ИРЭ может быть представлена как

, (1)

где - риски социального, материального и экологического ущерба ().

Интегральный риск должен учитывать все виды опасности электроустановки, включая электрическую, пожарную, электромагнитную и экологическую, обусловленные неконтролируемым высвобождением электрической энергии, ее распространением и негативным воздействием на людей и сельскохозяйственных животных, материальные и природные ресурсы, электромагнитную обстановку.

Будем рассматривать интегральный риск как результат взаимодействия системы «человек-электроустановка-среда». Здесь компонент человек (Ч) является не только потенциальной жертвой, но и причиной аварии или несчастного случая. Компонент электроустановка (ЭУ) следует интерпретировать как источник техногенной опасности. Другими словами, все три компонента являются источниками причин возникновения опасных техногенных ситуаций (ОТС) и их исходов, т.е. отказов и аварий электроустановок, ошибок и неправильных действий человека (в частном случае, обслуживающего персонала) и негативных (неконтролируемых) воздействий факторов среды. В этом случае интегральный риск условно можно представить в виде заштрихованного сегмента, образованного при пересечении трех окружностей (рисунок 1). Возникающее неравновесие человеко-машинной системы (Ч-ЭУ-С), вызванное накопленной энергией, приводит к реализации опасности риска вследствие скачкообразного или постепенного прироста энтропии в результате аварии электроустановки или по причине старения и износа электрооборудования.

Рассмотрим интегральный риск как экономическую категорию, имея в виду вложенные инвестиции в создание превентивных мер электрозащиты, а также ожидаемые потери и ущербы, связанные с техногенной опасностью. Причем, ущерб, выраженный в денежном эквиваленте, может быть как предотвращенный, так и остаточный [7].

Примем постулат, что всегда связан со стохастическими процессами и явлениями в электроустановках в условиях неопределенности исходной информации.

Согласно [8] интегральный риск электроустановки характеризуется различными неоднозначными свойствами, включая объективность и субъективность, неопределенность и альтернативность и др. Рассчитать интегральный риск последствий, достоверно отражающих социальные и экономические потери на основании доступной статистики, зачастую невозможно. Поэтому наряду с доступной статистикой (показатели пожарной обстановки и аварийности, несчастные случаи от электропоражений) рекомендуется использовать новые подходы, основанные на экспертных системах, позволяющие оценить убытки от техногенных угроз [9].

При оценке опасности электроустановок в практической деятельности надзорных органов могут быть использованы различные виды риска: технический, техногенный, социальный и т.д. Попытка введения порогового значения риска привела к понятию "приемлемого риска аварии", характеризующего уровень допустимой его величины, исходя из социально-экономических соображений.

Рисунок 1. Иллюстрация интегрального риска опасности электроустановки

Данный подход достаточно широко используется в развитых странах и положен в основу современной научно-технической политики в области техногенной безопасности в России. Его применение позволяет исследовать и учитывать весь спектр воздействий на техносферу и окружающую среду, по всему жизненному циклу объектов, и адекватно реагировать на различные источники и уровни опасностей, прогнозировать аварийные ситуации и сценарии их развития, создавать эффективные системы управления снижения риска и ущерба от аварий, ликвидации их последствий, предъявлять обоснованные требования к новым проектным разработкам.

Отметим, что в настоящее время допустимое (приемлемое) значение риска опасности электроустановок в России не регламентируется. Исключение составляет статья 82 Федерального закона "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности", в которой указывается, что уровень пожарной безопасности не должен превышать значения, равного 1·10^-6 . Такое значение, на наш взгляд, может быть принято в качестве приемлемого риска для электроустановок зданий и сооружений.

На основании обзора научных источников ниже приведены данные, которые следует рассматривать в качестве временных норм.

Риск более 1*10^-4 - зона недопустимого риска. В этой зоне необходимо производить соответствующий комплекс мероприятий по его снижению.

Риск менее 1*10^-4, но более 1*10^-6 - зона контроля риска. В этой зоне риск считается допустимым только тогда, когда приняты меры, позволяющие его снизить настолько, насколько это практически целесообразно. При этом необходимо выполнять следующие требования: в зоне должно находиться ограниченное число людей в течение ограниченного отрезка времени.

Риск менее 1*10^-6 - зона безусловно приемлемого риска. В этой зоне не требуется проведение дополнительных защитных мероприятий.

Приведенные значения интегрального риска могут изменяться на различных этапах жизненного цикла электроустановки.

В общем случае оценка (измерение) риска электроустановки предполагает определение прогнозной эффективности человеко-машинной системы (Ч-ЭУ-С). На основании анализа на рисунке 2 приведена таксономия опасностей - классификация видов риска электроустановки.

Рассмотрим риск как количественную меру опасности

(2)

при условии, что могут возникнуть n опасных событий i с различными вероятностями и соответствующим им ущербом . Тогда выражение интегрального риска может быть представлено как

, (3)

где - весовая функция потерь, с помощью которой последствия опасностей различной природы приводятся к единой (стоимостной) оценке ущерба; - плотность распределения случайной величины Y.

В такой формулировке риск, как уже отмечалось выше, являющийся количественной мерой опасности, фактически определяется как математическое ожидание ущерба (потерь).

Рисунок 2. Таксономия рисков

Интегральный ущерб. Будем считать ущерб как некоторый экономический количественный показатель, являющийся составной частью вреда от происшествий, наносимых физическим и юридическим лицам. В этом случае вред можно интерпретировать как цепь последовательных взаимосвязанных негативных событий, распределенных в пространстве и во времени. Для учета наносимых электроустановкой разновидностей вреда введем понятие интегрального ущерба - комплексного показателя последствий наступивших техногенных опасностей объекта, выраженного в едином денежном эквиваленте. Этот показатель позволяет применить механизм исчисления экономической эффективности при оптимизации системы обеспечения безопасности электроустановок на этапах проектирования и эксплуатации (рисунок 3).

Рисунок 3. Структура интегрального ущерба в человеко-машинной системе

В соответствии с принятой классификацией полный ущерб складывается из прямого и косвенного, каждый из которых, в свою очередь, содержит социальную, материальную и экологическую составляющую ущерба. Считаем, что полный ущерб в достаточной степени отражает все издержки, являющиеся компонентом интегрального риска. Поэтому полный ущерб в определенной степени отражает интегральный ущерб электроустановки.

Условимся считать, что прямой (непосредственный ущерб) обусловлен утратой работоспособности ЭУ (выход из строя, т.е. отказ). Косвенный ущерб, являясь следствием прямого, в общем случае определяется разрушением связей между электроустановкой и другими (сторонними) объектами, использующими электроэнергию для технологических нужд.

Рассмотрим составляющие интегрального ущерба:

- социальный ущерб (Y_c). Этот вид ущерба проявляется в виде гибели людей, вызванной электрическим поражением, или при пожаре из-за повреждения электроустановки, а также потерями трудоспособности, обеспечения услугами здравоохранения, социальными льготами и другими компенсационными затратами.

- материальный ущерб (Y_м). Объектом материального ущерба, вызванного отказами (авариями) электроустановки, являются производственные, общественные и жилые здания, готовая продукция или недоотпуск ее, убытки, вызванные перерывами электроснабжения, снижения качества электроэнергии, подаваемой потребителю.

Последствия этого вида ущерба могут привести к снижению эффективности объектов энергетики, вызванной нарушением режимов работы электроустановок, преждевременному выбытию основных производственных фондов и мощностей.

- экологический ущерб (Y_э). Этот вид ущерба обусловлен возникновением пожаров от электроустановок и опасными электромагнитными излучениями и проявляется в виде ухудшения характеристик природных ресурсов, животного и растительного мира и т.д.

Несмотря на имеющуюся условность и нечеткость отдельных компонентов структуры интегрального ущерба, предложенная классификация позволяет изучить многогранность проявления техногенного ущерба и его зависимость от большого числа перечисленных выше факторов. Все это свидетельствует о необходимости одновременного учета как вероятности возникновения аварий и несчастных случаев в электроустановках, так и издержек и потерь, являющихся следствием проявления этих опасных событий.

Таким образом, угрозы жизнедеятельности человека, сельскохозяйственных животных, отказов и аварий, чрезвычайных ситуаций (пожаров) и др. реализуются в виде опасных техногенных ситуаций, оказывающих поражающее, вредное и деструктивное воздействия, возникающие в системе (Ч-ЭУ-С).

Результатом этих воздействий является изменения объектов и среды, выражающиеся в нарушении их целостности, ухудшении режимов функционирования и т.д. Поэтому следует различать понятие последствий от техногенных опасностей, носящий обобщенный неэкономический характер, и понятие ущерба, представляющего количественную величину, т.е. экономическую категорию. В контексте сказанного ущерб трактуется как оцененные последствия.

Будем рассматривать интегральный ущерб Y_? от ОТС, вызванных электроустановками объектов АПК и инфраструктуры сельских поселений, как сумму базовых составляющих

(4)

где - ущербы человеку (населению, персоналу) - медико-биологического характера (утрата здоровья и жизни);

- ущербы объектам техносферы, определяются суммированием от повреждения и разрушения основных фондов инфраструктуры объектов электроэнергетики (электрические сети, электроустановки, технологическое оборудование и т.д.);

- ущербы окружающей среде определяются суммированием ущербов, включая упущенную выгоду и дополнительные затраты на ликвидацию неблагоприятных последствий для жизнедеятельности человека, животного и растительного мира.

Основы принятия решений в области менеджмента техногенных рисков. Управление рисками опасности электроустановок объектов АПК будем рассматривать как процесс, включающий разработку методов и мер, призванных эффективно реализовать решения по обеспечению техногенной безопасности. Основной целью такой деятельности следует считать оптимальное распределение ограниченных материальных и финансовых ресурсов на снижение различных видов риска функционирования человеко-машинной системы (Ч-ЭУ-С) для достижения приемлемого уровня безопасности населения и окружающей среды.

В общем случае структура управления техногенными рисками ЭУ включает следующие основные элементы:

- мониторинг окружающей среды для обнаружения областей повышенного риска;

- оценку степени риска и анализ приемлемости данного его уровня;

- разработку мер по предупреждению или снижению риска, включая обоснование превентивных мер электрической защиты и рациональное распределение ресурсов;

- уменьшение (ликвидацию) негативных последствий аварий, пожаров и т.д. (путем реабилитационных и компенсационных мероприятий, возмещения потерь и ущерба).

Методической основой управления техногенными рисками является теория принятия решений (ТПР) [10]. Эта теория предназначена для обоснования управленческих решений (выбор наилучшей альтернативы из числа имеющихся) на этапах анализа, разработки и эксплуатации сложных человеко-машинных систем. Отличительная особенность ТПР состоит в том, что она позволяет формализовать определенный вид человеческой деятельности, ориентированной на установление наилучшего варианта решения путем определения количественных зависимостей между компонентами системы (Ч-ЭУ-С) и критериями её эффективности.

В настоящее время система поддержки принятия решений получила широкое применение в задачах охраны окружающей среды. Обзор компьютерных систем поддержки ТПР для ликвидации последствий экологических аварий, связанных с загрязнением окружающей среды, представлен, в том числе в работе [11]. Вместе с тем, методология управления техногенными рисками и, в частности, электроустановками зданий, находится на ранней стадии развития и, как правило, носит фрагментарный характер.

Принятие решений, направленных на оптимизацию техногенных рисков в электроустановках, затруднено:

- сложностью (неясностью) процессов взаимодействия компонентов различной природы человеко-машинной системы «Ч-ЭУ-С»;

- значительностью количества рискообразующих случайных факторов, влияющих на выбор управленческих решений;

- непрерывностью потока энергоэнтропийных «возмущений» на объекте, вследствие чего образуется причинная цепь предпосылок (неисправность и отказы электроустановки, ошибочные действия персонала и т.д.);

- расплывчатостью целей и наличием разнообразных ограничений технологического, социального и экономического характера.

Учет основных рискообразующих факторов системы требует применения эффективных информационных технологий. Причем, получаемая информация постоянно меняется и не является устойчивой. Это приводит к тому, что образуемые знания (база данных) с течением времени утрачиваются и при повторном возникновении опасной техногенной ситуации не всегда могут быть использованы. Входные данные в систему (Ч-ЭУ-С) не обладают свойствами полноты, достоверности и четкости, вследствие чего могут возникать издержки от недостаточного учета и анализа исходных данных. Стремление к улучшению качества входной информации, в том числе за счет увеличения ее объемов, также может привести к определенным трудностям экономического и организационного характера.

Отмеченные обстоятельства ставят задачу поиска новых подходов, направленных на предупреждение и минимизацию техногенных рисков электроустановок объектов.

Процесс формирования принятия решения может быть представлен в виде циклической последовательности действий субъекта управления техногенной безопасностью электроустановок и заключается в анализе ситуаций, генерации альтернатив и выборе из них оптимальной, дальнейшей практической реализации принятого решения и организации его выполнения с последующим контролем и оценкой полученных результатов (рисунок 4).

Рисунок 4. Функциональная структура системы принятия решений

Принятие обоснованного решения в значительной степени определяется наличием и правильностью использования информации. Обладая нужной информацией, лицо, принимающее решения (ЛПР), анализирует статистические данные, учитывает опыт прошлого, ориентируется в возможном изменении окружающей среды, намечает целесообразные варианты действий с учетом перспектив развития. Здесь ЛПР приходится сталкиваться с неопределенностью, обусловленной:

а) недостоверностью исходных статистических данных;

б) качественным характером информации и невозможностью количественной оценки рискообразующих факторов;

в) отсутствием необходимых данных и значительными затратами времени и средств для их получения;

г) многокритериальностью (нечеткостью) целей, альтернатив и ограничений. Обобщая изложенное, отметим, что неопределенность, присущая аналитическим задачам принятия решений, имеет более общую природу, а не только статистическую. Сущность этой природы кроется в конфликтности функционирования и развития человеко-машинных систем типа (Ч-ЭУ-С). Причем, конфликтующими факторами здесь является не противодействие сторон (в прямом смысле этого слова), а такие системные свойства как многокритериальность, стохастичность функционирования компонентов, неопределенность исходной и текущей информации и т.д.

На этапе постановки задачи основными являются формирование цели и альтернатив - вариантов (способов) построения системы безопасности электроустановок (СБЭ), а также определение ресурсов, требуемых для осуществления каждой из альтернатив. Этап информационно-аналитической подготовки предполагает построение моделей функционирования рассматриваемой человеко-машинной системы с помощью некоторого формального языка (математики, логики, экспертных оценок, семантического описания), отражающего связи между целями, альтернативами и затратами. На этапе принятия решения обосновывается критерий (или система критериев), с помощью которого сопоставляются альтернативные варианты и выбирается их них наиболее предпочтительный с учетом затрат и вклада каждой альтернативы в достижение поставленной цели. При выборе наиболее предпочтительного варианта СБЭ следует учитывать существующее состояние и возможные изменения внешней среды, т.е. рискообразующих факторов, которые не поддаются регулированию со стороны ЛПР, но могут оказать существенные влияния на реализацию этого варианта. При сравнении и выборе вариантов решения возникает проблема многозначности их оценки по различным показателям (критериям). При этом, чем большее число показателей (надежность, безопасность, экономичность и эргодичность) характеризует обобщенный критерий (интегральный риск), тем точнее можно сделать выбор наилучшего решения. Однако многозначность и качественное различие показателей выступают серьезным препятствием для получения общей оценки, необходимой для принятия решения.

Объединение качественно различных показателей и критериев в один обобщенный требует обязательной оценки относительной значимости каждого из них.

На рисунке 5 приведена концептуальная схема принятия решений по управлению техногенными рисками, имея в виду, как снижение возможности появления ОТС, так и минимизацию потерь и ущербов от них.

Рисунок 5. Блок-схема принятия решений

Анализируя содержание этапов принятия решений, отметим, что в основе исследования человеко-машинной системы (Ч-ЭУ-С) лежит так называемая модельная проблема [11], связанная с разработкой абстрактного формализованного описания исходной ситуации принятия решения и определения условий, ограничивающих выбор и предпочтения, которым должно удовлетворять оптимальное решение.

Выводы

1. Приведенная концепция техногенного риска электроустановки базируется на универсальной трактовке как двухпараметрической модели, учитывающей вероятность наступления опасного случайного события и его последствия, представляющие ущерб, наносимый человеку, имуществу и среде его обитания. Предложено интегральный риск выражать в едином денежном эквиваленте, что позволяет применить механизм оценки экономической эффективности при проведении оптимизации системы безопасности электроустановок.

2. Проведенный анализ структуры полного (интегрального) ущерба в рамках человеко-машинной системы (Ч-ЭУ-С) позволяет учесть многообразие последствий опасностей, вызванных ошибками персонала (человеческий фактор) и сверхнормативными параметрами окружающей среды (экологический фактор).

3. Сформулированы принципы управления (менеджмента) техногенными рисками электроустановок на основе теории принятия решений. Целью менеджмента следует считать оптимальное распределение ограниченных ресурсов для достижения уровня безопасности населения и окружающей среды, приемлемого по социальным и экономическим соображениям.

Список литературы

опасность электроустановка человек

1. Никольский, О.К. Критериальная оценка рисков сельских электрических сетей. [Текст]: статья /А.Ф. Костюков, О.К. Никольский, Н.И. Черкасова // Барнаул: Вестник АГАУ -2014. - № 10. - С. 126-131.

2. Основы электромагнитной совместимости: учебн. для вузов / Л.В. Куликова и др., под ред. докт. техн. наук, проф. Р.Н. Карякина. - АлтГТУ, Барнаул: ОАО «Алтайск. полиграф. комбинат», 2007. - 480 с.

3. Мартынюк, В.Ф. Роль анализа риска в обеспечении промышленной безопасности / В.Ф. Мартынюк // Безопасность труда в промышленности - 2007, № 1. - С. 66-67.

4. Макаров С.П. Технические и организационные мероприятия по снижению риска и смягчению последствий ЧС на магистральных нефтепродуктопроводах / С.П. Макаров // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях - 2001, - № 5. - С. 72-77.

5. Елохин, А.Н. Анализ и управление риском: теория в практике / А.Н. Елохин. - М.: Лукойл, 2000. - 185 с.

6. Махутов, Н.А. Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности: учеб. пособие / Н.А. Махутов, М.М. Гаденин, под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Изд. дом «Спектр», 2011. - 187 с.

7. Еремина, Т.В. Вероятностный анализ безопасности сельских электроустановок: монография / Т.В. Еремина, под ред. засл. деят. науки и техн. Никольского О.К. - Улан-Удэ, Изд-во ВСГТУ, 2010. - 200 с.

8. Никольский, О.К. Принципы интегральной оценки безопасности электроустановок. [Текст]: статья / О.К. Никольский, Н.И. Черкасова // Вестник ИрГСХА: - выпуск 62. - июнь 2014. Иркутск. - С. 118-121.

9. Никольский, О.К. Проблема неопределенности при анализе рисков электроустановок. [Текст]: статья / А.Ф. Костюков, О.К. Никольский, Н.И. Черкасова // Вестник ИрГСХА: - выпуск 64. - ноябрь 2014. Иркутск. - С. 106-109.

10. Ларичев О.И., Качественные методы принятия решений. Вербальный анализ решений / О.И. Ларичев, Е.М. Мошкович. - М.: Наука. Физматлит,1996. - 208 с.

11. Кульба, В.В. Методы формирования сценариев развития социально-экономических систем / В.В. Кульба, Д.А. Кононов и др. - М.: СИНТЕГ, 2004. - 296 с.

Размещено на Allbest.ru