Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №3 (21) Май-Июнь 2008 / Тема номера

Анализ надежности как элемент планирования электрических распределительных сетей

Для распределительных электрических сетей в Западной Европе тема анализа надежности сетей стала актуальной еще в конце прошлого века. Тогда же алгоритмы по анализу надежности были реализованы в программном обеспечении и запущены в эксплуатацию. В России тема оптимального использования активов электрических сетей также является очень актуальной, но не получила еще такого широкого применения, как на Западе. Мы подготовили перевод статьи, написанной экспертами из Института энергетики (Финляндия), и надеемся, что системное изложение западных подходов в управлении активами электрических сетей будет интересно нашим российским электроэнергетикам.

Краткий обзор

Одной из наиболее сложных задач, стоящих перед предприятиями электрических сетей, является сокращение затрат с одновременным повышением надежности сети. Для решения оптимизационных задач по управлению активами необходимы современные IT-решения, обеспечивающие анализ надежности сети как составную часть процесса планирования.

В данной статье представлены современные методы анализа надежности распределительной сети, такие как: модель частоты отключений, разработанная на основе статистики отключений и инженерных оценок; процесс управления повреждениями сети; модель затрат на отключения, которые позволяют улучшить финансовые результаты и оптимизировать затраты. В статье представлено описание моделей и приведены наглядные примеры.

Введение

За последние годы рынок, на котором работают электросетевые предприятия, претерпел кардинальные изменения. Если еще в начале 90-х годов электросетевые предприятия находились в ведении муниципалитетов и об эффективном управлении никто не задумывался, то в настоящее время продолжается активный процесс приватизации сетевых предприятий. Теперь внимание менеджмента электросетевого бизнеса направлено на грамотное управление средствами, т.е. фокус внимания нацелен на максимизацию прибыли и оптимизацию затрат. При этом для обеспечения качества электроэнергии власти различных стран устанавливают нормы и правила ведения электросетевого бизнеса.

Таким образом, основными вопросами управления электросетевыми компаниями являются обеспечение качества энергии и надежности сети. Многие компании направляют усилия на оптимизацию оперативно-диспетчерского управления и сокращения расходов на всем сроке службы всех компонентов сети. Анализ постоянных затрат вследствие износа сетей является важной составляющей этой деятельности. Так, например, электрическим сетям Финляндии в ближайшее время необходим капитальный ремонт, т.к. сетевая инфраструктура была построена в основном в 1960- 1970-е годы и имеет достаточно большой износ. Данная ситуация усугубляется тем, что квалифицированный персонал уходит на пенсию и комплексные знания по сетям, накопленные этими специалистами, могут быть утеряны.

Оптимизацию затрат по обслуживанию всего жизненного цикла сети можно рассматривать как одно из наиболее важных направлений по управлению активами. Управление активами — это достаточно новый подход в управлении предприятиями электрических распределительных сетей, контролируемых на уровне правительства. Он основывается на максимизации прибыли при оптимальном использовании активов. Управление активами требует комплексного подхода, охватывающего все аспекты распределения энергии: инвестиции, обслуживание, диспетчеризация и т.д.

При управлении активами распределительных сетей необходимо одновременно обрабатывать и анализировать множество различных данных. Это влияет и на задачи планирования сетей, которые становятся все более сложными. Кроме того, при рассмотрении задач по развитию сетей и обеспечению их надежности, необходимо учитывать экономические и экологические аспекты. Таким образом, необходимы современные методики и средства, помогающие управлению электрическими сетями. Одним из наиболее важных инструментов при планировании является анализ надежности сети, который может также применяться для оценки эффективности управления активами.

Первая версия программного обеспечения для анализа надежности была разработана еще в 1980 году и использовалась для определения оптимального количества и местоположения переключателей с дистанционным управлением. Современные средства анализа надежности сети включают в себя: моделирование частоты отключений, моделирование затрат на отключения и непосредственно анализ надежности, т.е. являются достаточно всеобъемлющими, но при этом они продолжают развиваться и совершенствоваться. Накапливаются статистические данные о надежности компонентов сети, данные по новым типам неисправностей, по ремонтным работам и т.д. — все это в дальнейшем может использоваться при планировании, эксплуатации и развитии сети. Кроме того, алгоритмы, которые традиционно использовались только в сетевых информационных системах (NIS — Network Information Systems), могут применяться также и в анализе надежности.

Надежность, основанная на анализе сети

В современном анализе частота отключений компонентов сети рассчитывается по сложным алгоритмам. Входными параметрами анализа надежности являются значения частот отключений компонентов сети.

Результаты анализа надежности используются в качестве входных параметров при моделировании затрат. Анализ надежности позволяет получить два показателя критичности компонентов сети — с точки зрения механической надежности и электрической. Основываясь на этих показателях критичности (механической и электрической) и рассчитывая затраты на обеспечение надежности сети, пользователь может легко определить ключевые (наиболее значимые) точки сети. Основная идея надежности, основанной на анализе сети, показана на рисунке 1. Более подробно о моделях и алгоритмах будет рассказано далее.

Моделирование частоты отключений

Традиционно частота отключений (количество отключений в год) рассматривается как постоянная величина (константа) для каждого компонента сети. На практике оказывается, что эксплуатационные нагрузки, условия окружающей среды и срок службы оказывают индивидуальное влияние на частоту отключений каждого компонента сети. Например, частота отключений воздушной линии существенно зависит от проложенного маршрута, т.к. вероятность выхода из строя линии в лесной зоне значительно выше, чем в поле.

Частоту отключений для ключевых объектов сети можно представить в виде суммы нескольких парциальных коэффициентов отключений, которые определяются различными весовыми коэффициентами. Частоту отключений определяют индивидуально для каждого компонента, основываясь на факторах окружающей среды и данных о надежности участка сети. Общая частота отключений рассчитывается как сумма парциальных весовых коэффициентов отключений. Это показано в уравнении 1: 

λТОТ = w1_1*…*wn_11 + w1_2*…*wn_22 + … + w1_n*…*wn_nn, (1) 

где: λ1, λ2, λn — парциальные коэффициенты отключений компонентов;

w1_i, w2_i, wn_i — веса i-тых парциальных коэффициентов отключений;

λТОТ — общая частота отключений моделируемого компонента.

Классификация кратковременных повреждений по компонентам или по километражу также была получена из парциальных частот автоматических повторных включений и весов, подобно тому, как показано в уравнении 1. Парциальные коэффициенты отключений и весовые коэффициенты моделирования компонентов сети для долговременных и кратковременных отключений показаны в таблице 1. 

Таблица 1. Парциальные и весовые коэффициенты отключений
Компоненты сети Парциальные коэффициенты отключений Весовые коэффициенты
Воздушная линия Ветер / снег Местоположение (лес, дорога, поле), заземление нейтрали (изолированная нейтраль/компенсирующее заземление)
Молнии Тип защиты от перенапряжения
Другое Условия, выбранный тип линии
Закрытая кабельная линия Ветер / снег Местоположение (см. выше)
Другое Тип линии
Кабель Исполнение Тип кабеля
Окружающая среда Местоположение (вероятность повреждения)
Другое Состояние, количество соединений в кабели
Трансформатор Молнии Защита от перенапряжения и местоположение
Животные Защита от животных, заземление нейтрали, сложность схем
Другое Состояние, сложность схем
Переключатели и разъединители   Защита от животных, состояние, заземление через нейтраль
Другие компоненты   Определяются пользователем

Парциальные частоты отключений и веса были разработаны для моделирования характеристик компонентов с учетом его эксплуатации в естественной среде, т.е. более точно по сравнению с традиционным подходом к моделированию частоты отключений. Например, для воздушной линии определены парциальные частоты отключений из-за ветра, снега, ударов молний, которые вызывают наибольшее количество повреждений сети. Остальные парциальные частоты отключений для воздушной линии включают другие типы повреждений, которые можно предусмотреть при моделировании сети, но при этом их не разделяют на отдельные парциальные коэффициенты, основанные на статистике. Такой подход позволяет достаточно просто получить парциальные коэффициенты отключений для каждого компонента сети.

Падения напряжения нежелательны для потребителей, которые чувствительны к уровню напряжения. Падение напряжения обычно затрагивает большее количество потребителей, чем отключение электроэнергии, поэтому оно требует особого внимания и также учитывается при анализе надежности. Обычно короткие замыкания вызывают падение напряжения в сети, поэтому в модели уровень падения напряжения, вызванный тем или иным компонентом, определяется общей частотой коротких замыканий (как долговременных, так и кратковременных отключений). Расчет коэффициентов падения напряжения представлен в уравнении 2: 

λDIP = λ1*w1*e1 + λ2*w2*e2 + λn*wn*en, (2)

где: λi — i-тый парциальный коэффициент отключений;

wi — вес для парциального коэффициента отключения λi; 

en — коэффициент короткого замыкания для общего количества отключений.

Анализ надежности

Анализ надежности распределительной сети достаточно прост, так как обычно рассматривается радиальная сеть (применение в распределительных сетях нормально замкнутых схем на практике достаточно редко). Входными данными для анализа являются частота отключений каждого компонента и топология сети. Однако при выполнении анализа необходима и другая информация, которая также влияет на результаты расчетов (например, время отключений и наличие автоматических устройств). Учет этих параметров делает анализ более трудоемким.

При анализе надежности радиальных сетей сеть анализируется последовательно линия за линией (фидер за фидером), район за районом. Район определяет участок линии, который может быть изолирован от остальной сети одним или несколькими переключателями. Предполагаемое количество отключений в районе рассчитывается как сумма отключений каждого компонента сети в районе.

Определение нормы времени на выполнение ремонта в случае повреждения — довольно сложная задача, т.к. время ремонта при повреждении, может варьироваться, в зависимости от типа переключателя, который применяется для изоляции этого участка сети.

Подача электрической энергии на некоторые участки сети может быть восстановлена при помощи дистанционного переключателя за несколько минут, а на другие участки сети — вручную за несколько десятков минут, при этом есть участки, время восстановления электроснабжения которых сопоставимо со временем ремонта сети. Возможна также ситуация, когда времени, заложенного в нормах на «ручное» восстановление, может быть не достаточно, это делает задачу планирования еще более сложной.

Современные средства анализа позволяют применять нормы «ручного» восстановления с учетом «человеческого фактора».

В зависимости от типов переключателей могут применяться следующие нормы времени при отключении (примеры значений нормативного времени представлены в скобках):

  • дистанционная изоляция повреждения (10 минут);
  • изоляция повреждения вручную (45 минут);
  • восстановление вручную (60 минут);
  • общее время ремонта (120 минут);
  • замена трансформатора (150 минут);
  • замена кабеля с временным резервным кабелем (240 минут).

Моделирование затрат на отключения

Затраты на отключения доставляют неудобство как предприятию, так и потребителям, которые были отключены. Оценка затрат предприятия на отключения основывается на значении нераспределенной энергии. При определении затрат потребителя, кроме недопоставленной энергии, принимаются во внимание и другие затраты, такие как потери на производстве. В Финляндии проводились различные исследования, оценивающие влияние отключений энергии для различных групп потребителей. Согласно этим исследованиям потери в связи с отключением для потребителя могут более чем в сто раз превышать значения недопоставленной энергии. В рассматриваемой модели затрат принимаются в расчет стоимостные параметры, которые зависят от типа потребителя. Стоимость определяется суммой затрат клиентов с учетом потребляемой энергии, разделенной на общее количество энергии, переданной через узел сети. Предполагаемая почасовая стоимость длительного отключения (С), вызванного повреждением, может рассчитываться при помощи уравнения 3: 

С = ∑jJ ∑jJ I  λzone (ai + bitj)*Pij nij, (3)

где: j — множество точек потребления;

i — множество групп потребителей;

λzone — сумма отключений отдельных участков сети в районе, за год;

ai — постоянные параметры стоимости отключений группы потребителей i (€/кВт);

bi — параметры стоимости отключений группы потребителей i, зависящие от времени (обусловленные временем) (€/кВт);

tj — ожидаемая продолжительность отключения точки подключения j (часы);

nij — количество потребителей группы i в точке подключения j; 

Pij — среднее потребление энергии пользователем группы i в точке подключения j (кВт).

Подобный подход используется также и для кратковременных отключений и падений напряжения. Параметры затрат определяются индивидуально для каждой группы потребителей, что позволяет более точно моделировать ситуацию.

Программное обеспечение

При выполнении анализа используется информация, хранящаяся в существующей информационной системе, и анализ осуществляется как часть существующей системы. Поэтому важно понимать функциональность и принципы интеграции существующих информационных систем. Для оценки надежности на основе анализа сети была разработана новая группа приложений.

На рисунке 2 показано перспективное видение развития информационных систем для реализации целей управления активами. Традиционно Информационная система о потребителях (CIS), Сетевая информационная система (Network Information System — NIS) и SCADA были относительно самостоятельными системами, не требующими какой-либо интеграции. Однако в настоящее время эти самостоятельные системы в распределительных компаниях часто уже интегрированы для решения задач оперативно-диспетчерского управления (Distribution Management System — DMS). Одна и та же схема системной интеграции может применяться как для решения задач по управлению качеством энергии, так и для управления активами.

Надежность, основанную на анализе сети, можно рассматривать как одну из частей современного управления активами, которая включает, помимо традиционных функций планирования, например, расширенный анализ надежности и анализ амортизационных затрат. Основа анализа надежности обеспечивается NIS-системой (данные о сети, связь с данными о потребителях и ГИС-интерфейсом). SCADA и DMS могут использоваться, для обеспечения оперативной информации и статистики отключений, которые являются входными данными для расчета надежности сети.

Применяемая системная платформа предлагает графический пользовательский интерфейс с географическим представлением результатов расчетов. Географическое представление целесообразно применять, например, когда необходимо определить местоположение точек подключения, имеющих наибольшее время отключения, или компонентов сети, отключение которых приводит к наибольшим затратам. На тематических картах можно легко найти критические участки для их дальнейшего изучения. Пример графического пользовательского интерфейса показан на рисунке 3. 

При анализе надежности сети применяются различные параметры. Интерфейс (диалоговые окна) позволяет настраивать эти параметры, изменять их для улучшения возможностей изучения сети.

В результате анализа сети (например, за годичный период) определяются наиболее важные с точки зрения надежности участки сети. На основе полученной информации принимаются решения, например, о техническом обслуживании или ремонте. Другие функциональные возможности системного решения позволяют изучать альтернативные стратегии развития сети и планировать их изменение. В этом случае может быть взят длительный период анализа, например, 20 лет. Такие исследования позволяют находить наиболее эффективные стратегии развития сети.

Весь процесс моделирования сети показан на рисунке 4. Моделирование сети с применением современных инструментов является интерактивным процессом, в котором изучаются и сравниваются различные варианты развития сети. По результатам анализа сети могут быть определены наиболее критические участки и полученная информация может использоваться как основа для дальнейших более тщательных исследований. Наконец, данное решение позволяет сравнить различные альтернативные планы развития и выбрать наиболее эффективный из них.

Примеры применения системы

Существует множество практических примеров использования системного решения. Например: оптимизация типа проводника в зависимости от окружающей среды; выбор наиболее оптимального маршрута прокладки линии; оптимизация количества переключателей с дистанционным управлением и мест их установки, позволяющих локализовать неисправность; принятие решений о стратегиях защиты напряжения в определенных районах; сокращение количества мест и величины падений напряжения; определение наиболее критических участков сети и т.д. Это — только некоторые примеры того, как можно применять анализ при планировании технического обслуживания и ремонта существующих сетей или при разработке нового участка сети.

Пример из практики планирования

Использование приложения демонстрируется на примере, когда необходимо ввести новый участок сети.

Рассмотрим новый жилой район с несколькими субподрядными обслуживающими компаниями, который расположен рядом с сельскохозяйственным предприятием, планирующим перейти на три рабочие смены. В этом случае было принято решение, что все потребители будут обеспечиваться энергией от одного нового фидера. Новый фидер необходим, т.к. пропускная возможность других существующих фидеров недостаточна для обеспечения всей требуемой нагрузки. Усиление пропускной способности уже существующих линий также не является оптимальным решением, т.к. планируется дальнейшее развитие этого района, и потребление электроэнергии в ближайшее время увеличится.

Для того чтобы найти оптимальное решение для строительства нового фидера, необходимо проанализировать различные варианты его строительства. В данном случае нагрузка распределяется в основном на два удаленных района, поэтому линия имеет две основных ветви. Разветвление происходит приблизительно в 5 км от подстанции. Общая длина линии изменяется в зависимости от выбранного маршрута пролегания этих линий. Варианты маршрутов сети представлены на рисунках 5 и 6. Ниже приводятся параметры, используемые при планировании:

  • вариант 1 — маршрут проходит в лесном районе, общая длина линии приблизительно 9 км; 
  • вариант 2 — линии проложены вдоль дорог, общая длина линии приблизительно 11 км; 
  • вариант 1 — стоимость строительства воздушных линий — 6730 €/км;
  • вариант 2 — стоимость строительства закрытой кабельной линии — 10 090 €/км;
  • первый трансформатор:
    • обеспечивает нагрузку 50 жилых домов с электрическим отоплением и 8 субподрядчиков;
    • общее годовое потребление 3000 мВт•час;
  • второй трансформатор:
    • обеспечивает нагрузкой десять сельскохозяйственных районов и два промышленных района;
    • общее годовое потребление энергии 4000 мВт•час;
  • тип обоих трансформаторов определен (оценки уже оптимизированы);
  • трансформаторы снабжены искровой защитой;
  • возле точки разветвления, установлен ручной переключатель.

В исследованиях затраты на содержание сети рассчитываются в приведенных ценах. В нашем примере определен инвестиционный период в 20 лет, используемая процентная ставка — 4,5%. В данном случае необходимо принять во внимание многие аспекты планирования, например, стоимость отключений изменяется в зависимости от выбранного маршрута. Интерактивный анализ поможет определить наиболее экономичный способ реализации оптимальной структуры сети при решении поставленной задачи.

На первом этапе планирования определяется тип линии и наиболее оптимальный маршрут. После этого проводятся сравнения по оптимизации защиты от перенапряжения, типа переключателя и его местоположения. Ниже приведены результаты анализа рассмотренных вариантов:

  1. Самый короткий маршрут (полностью проложен по лесу), состоящий из воздушных линий или закрытых кабельных линий;
  2. Оптимальный маршрут (около 65% вдоль дорог и 35% по лесу), состоящий из закрытых кабельных линий или воздушных линий.
  3. На обоих трансформаторах более рационально в качестве защиты применение громоотводов вместо искровых разрядников.
  4. Определен оптимальный тип переключателя (дистанционный или ручной).

Результаты расчетов по альтернативным проектам представлены в таблице 2. 

Таблица 2. Определение коэффициентов стоимости при различной структуре сети
Тип компонента/ затраты Инвестиции к € /год Потери к € /год Обслуживание к € /год Отключение к € /год Падения напряжения к € /год Итого к € /год
Воздушная линия
лес 7,54  1,33  0,51  0,68  7,67  17,72 
вдоль дороги 8,27  1,50  0,37  0,44  6,87  17,45 
Закрытая кабельная линия
лес 10,14  1,22  0,28  0,18  0,20  12,03 
вдоль дороги 11,31  1,38  0,32  0,15  0,22  13,27 
Другие исследования (после выбора маршрута и типа)
Громоотводы вместо искровых разрядников (инвестиционные затраты: 600 €/трансформатор) 12,24  1,22  0,28  0,18  0,20  15,12 
Использование дистанционного управления вместо ручного переключателя (разница 1000 £ ) 13,22  1,22  0,28  0,17  0,20  12,10 

Очевидно, что наименьшие затраты в рассматриваемом случае возможны при использовании закрытых кабельных линий в лесу (самый короткий путь) с искровыми разрядниками (для защиты линии трансформатора) и ручным переключателем (расположенным на ответвлении для бытовых потребителей). Из таблицы видно, что закрытая кабельная линия — оптимальное решение по сравнению с воздушной линией во всех рассмотренных вариантах, даже если инвестиционные затраты на закрытые кабельные линии более высокие. Однако при сравнении результатов использования ручного или дистанционного переключателя разница в итоговых затратах не так уж и велика. В некоторых случаях выбор переключателя с дистанционным управлением будет лучшим решением, даже несмотря на то, что затраты будут выше, чем с применением ручного переключателя.

Анализ помогает учесть различные аспекты при планировании надежной сети, однако для практического применения результатов анализа необходимы широкие знания процесса распределения энергии. Программное обеспечение пока не может учесть влияния всех аспектов на общие затраты по обслуживанию сети (например, арендная плата за землю и др.). Необходимо, чтобы эти аспекты учитывал сам проектировщик сети. Кроме того, заложенная в системе информация о затратах основана на предположительных затратах потребителей при отключениях. Поэтому результаты анализа должны применяться для разработки рекомендаций по выбору компонентов сети или для формирования принципов стратегий развития различных районов.

Заключениe

В современном бизнес-ориентированном управлении распределительными сетевыми компаниями при управлении активами необходимо уделять особое внимание повышению надежности, основанному на анализе сети. Существующие модели надежности сети являются хорошей основой для дальнейшего развития анализа.

Современный анализ надежности основывается на методах и инструментах, представленных в данной статье. Данные для анализа накапливаются в современной NIS-системе. Средние показатели по отключениям и частоты ремонта были определены путем анализа большого количества реальных статистических данных, полученных от различных распределительных компаний.

В настоящее время анализ надежности перешел от простого анализа отключений к рассмотрению падения напряжения и времени отключений, которые имеют большое значение с точки зрения надежности энергоснабжения потребителей. Моделирование затрат и современный анализ надежности сети разрабатывались для решения практических задач распределительных компаний, находящихся в бизнес-среде, регулируемой правительством.

Современный анализ надежности сети может применяться для различных процессов проектирования и реконструкции различных объектов сети. Результаты анализа дают возможность принять во внимание влияние окружающей среды и особенности управления объектами сети, что облегчает, например, процессы планирования. Результаты, анализа надежности могут быть также использованы для оптимизации общего жизненного цикла затрат по всем компонентам сети.

Светлана КИСЕЛЕВА,
коммерческий директор «ГК Инфоэнерго».