Надежность электроснабжения промышленных предприятий - Оценка ущерба, вызванного нарушением нормального режима электроснабжения

При решении задач, в которых учитывается надежность, необходимо уметь оценивать ущерб, вызванный нарушением нормальной работы системы. Даже если ущерб не поддается экономической оценке, он должен быть оценен хотя бы качественно. Без этого нельзя решать вопрос о целесообразном уровне надежности или о допустимой ненадежности рассматриваемой системы. В равной мере это относится и к системам энергоснабжения. Поэтому возможность оценки ущерба в той или иной мере всегда рассматривалась при решении различных задач энергетики. По мере развития энергетики, расширения масштабов электрификации и роста капитальных вложений в народное хозяйство возрастала актуальность правильной оценки ущерба, вызванного нарушением нормального энергоснабжения. Однако единого мнения в оценке ущерба не существовало. Была развернута дискуссия по этому вопросу, которая показала, что предлагаемые методы оценки ущерба, вызванного перерывами электроснабжения или снижением качества электроэнергии, отличаются не только способами учета тех или иных экономических показателей производства, но и различными экономическими предпосылками. В 1966 г. секцией промышленной энергетики научного совета по проблеме энергетики и электрификации Госкомитета по науке и технике была организована комиссия, которая подготовила единую межотраслевую методику для оценки ущерба от перерывов электроснабжения потребителей, у которых они приводят к материальным потерям. Она не распространяется на потребителей, перерыв электроснабжения которых приводит к аварии, взрывам и т. п., и на тех потребителей, где он недопустим.

При разработке исходили из методики экономических предпосылок, указанных в «Типовой методике определения экономической эффективности капитальных вложений», и учитывали вероятностный характер ущерба. Утвержденная. «Методика определения ущерба потребителей от перерыва электроснабжения» явилась основой для разработки аналогичных отраслевых методик, и по ним проведен широкий, круг исследований, позволяющих оценить ущерб разных производств и технологических процессов.
Во многих работах хотя и признается ущерб как экономический критерий надежности систем электроснабжения, возможность пользования им при выборе оптимального уровня надежности отвергается или ставится под сомнение по следующим причинам: а) ущерб зависит от глубины и продолжительности ННРЭ, а также от совпадения с той или иной зоной технологического процесса, вида выпускаемой продукции, используемых материалов, сырья и т. п.; б) невозможно проследить влияние недовыпуска продукции, вызванного ННРЭ, на экономику всего народного хозяйства; в) ущерб зависит от степени неожиданности возникновения ННРЭ; г) ущерб определяется производственной структурой предприятия, последняя же, как правило, неизвестна на сколько-нибудь дальнюю перспективу, поэтому нельзя нормировать некий средний ущерб; д) законы распределения вероятности будущих значений ущерба можно получить только на основе надежных массовых обобщений, но получить такую информацию вряд ли возможно; е) для ряда потребителей последствия ННРЭ не поддаются экономической оценке.
Обобщение результатов исследований и анализ большого числа фактического материала позволяют установить следующее.

Возможность определения и учета ущерба, его структуры и формы необходимо рассматривать по отношению к конкретной задаче. К решению задач оптимизации надежности энергоснабжения народного хозяйства в целом, энергосистем, конкретных систем электроснабжения нужны разные подходы. Соответственно следует использовать и различные методы экономической оценки ущербов. Более того, форма учета ущерба, его структура зависят от иерархии рассматриваемой системы.

Например, при решении вопроса о надежности энергоснабжения народного хозяйства ущерб от необеспеченности его запланированным количеством энергетических ресурсов (неосвоение намеченных топливных баз, опоздания со вводом новых мощностей и т. п.) можно считать по потере национального дохода, поскольку безусловно существует зависимость
Д=
(где Д — национальный доход; Wi — количество i-го энергетического ресурса, намеченного к добыче и использованию). В этом случае можно пользоваться показателями удельного ущерба, оцениваемого по потере национального дохода на единицу недополученных в народном хозяйстве энергетических ресурсов (тысячи тонн условного топлива, миллионы киловатт-часов электроэнергии и т. д.). Преимуществом использования такого показателя в данных задачах является возможность обоснованной оценки прогноза ущерба, поскольку в планах развития народного хозяйства на пятилетие или более отдаленный период достаточно точно определяются и национальный доход и количество намеченных к добыче (выработке) твердого, жидкого и газообразного топлива, электроэнергии. Например, если на уровне 1990 г. планом развития народного хозяйства предусмотрено получение национального дохода Д, а суммарное производство энергоресурсов намечено W, то в первом приближении можно считать, что на единицу энергоресурса приходится национальный доход d=Д/W [28]. Следовательно, если народное хозяйство в 1990 г. не получит энергетических ресурсов, то это приведет к уменьшению национального дохода (т. е. к ущербу) на
Таблица 3.1

В табл. 3.1 и на рис. 3.2—3.4 приведены данные о национальном доходе, производстве энергетических ресурсов и электроэнергии по годам.

Рис. 3.2. Динамика изменения национального дохода, производства электроэнергии, установленной мощности электростанции, производство- электроэнергии на 1 руб. национального дохода:
1 — произведенный национальный доход; 2 — производство электроэнергии; 3 — установленная мощность электростанций; 4 — национальный доход на 1 кВт·ч; 5 — производство электроэнергии на 1 руб. национального дохода

График (рис. 3.5), построенный по данным табл. 3.1, позволяет аппроксимировать зависимость уравнением прямой Д=60 + 0,31W(где 60 — в млрд, руб.; Д— в млрд, руб.; W — в млрд. кВт-ч).

 Соответственно национальный доход на 1 кВт-ч определится выражением Д/Г=дГ=60/W+ 0,31.
Ущерб, вызванный недовыработкой электроэнергии в количестве ∆W, при плане производства электроэнергии W0 будет равен y=d∆W= (60/W0+0,31)∆Э, где 60 — в млрд, руб., W0 — в млрд. кВт-ч; ∆W — в кВт-ч.

Применительно к задачам надежности энергоснабжения конкретных предприятий определение и учет ущерба становятся более определенными. При разработке системы энергоснабжения конкретного предприятия хорошо известны его производственная структура и технологические процессы, и поэтому с достаточной точностью можно оценить ущерб при различных нарушениях нормального режима энергоснабжения.

Рис. 3.3. Динамика изменения национального дохода на 1 кВт установленной мощности электростанций:
1— произведенный национальный доход; 2 — установленная мощность электростанций; 3 — национальный доход на 1 кВт; 4 — мощность на 1 тыс. руб. национального дохода

Рис. 3.4. Динамика изменения национального дохода и расхода энергетических ресурсов: Л — расход энергетических ресурсов; 2 — национальный доход; 3 — энергетические ресурсы на 1 руб.; 4 —национальный доход на 1 кг энергетических ресурсов

При заблаговременном извещении о предстоящем нарушении можно также разработать план мероприятий, позволяющих значительно снизить возникающий ущерб.

Рис. 3.5. Взаимосвязь национального дохода и годового производства электроэнергии

Нарушение нормального режима электроснабжения в той или иной степени отражается на экономических характеристиках как отдельных приемников энергий, так и предприятия в целом. Степень этого воздействия зависит от большого числа факторов, определяемых как видом и длительностью ННРЭ, так и особенностями технологических процессов.
При оценке ущерба обычно предполагают, что нормальный режим электроснабжения отвечает оптимальному режиму работы электроприемников, т. е. режиму, при котором технологический процесс осуществляется при минимальных затратах. Однако такое утверждение является весьма условным, поскольку при проектировании, например, электрических машин, аппаратов, печей, электролизных установок и технологических процессов исходят из условий оптимальной (обычно номинальной) нагрузки, а фактически в процессе эксплуатации нагрузка отличается от номинальной. Кроме того, оптимальный режим технологического процесса определяется экономическими характеристиками установки в целом, а не только электроприемников. Поэтому при оценке ущерба, вызванного ННРЭ, необходимо исходить из изменений общих экономических характеристик технологического процесса и его приемников электроэнергии. Как указано в § 3.2, общий ущерб У состоит из двух составляющих: прямого ущерба Уп и ущерба, определяемого недовыпуском продукции, — дополнительного ущерба Уд, т. е. У=Уп+Уд.
Несмотря на разнообразие возможных видов ННРЭ, разную степень их воздействия и различия технологических процессов и видов производств можно установить общую закономерность. Прямой ущерб равен сумме следующих трех составляющих: ущерба Уп0, определяемого самим фактом возникновения ННРЭ, ущерба Уп(tэ) и ущерба Уп(tтех), учитывающего дополнительные издержки на восстановление технологического процесса до номинального режима после восстановления нормального электроснабжения, т. е.

Для оценки ущерба У, возникающего в больших регионах или в стране в целом при снижении качества электроэнергии в энергосистемах, может быть рекомендована следующая формула:

где yп.f— ущерб потребителя из-за отклонения частоты; Уп.н — ущерб потребителя из-за отклонения напряжения; Уэ.f — увеличение потерь электроэнергии из-за отклонения частоты; Уэ.н — увеличение потерь электроэнергии из-за отклонения напряжения; Унс— ущерб от несимметрии и несинусоидальности напряжения.

Многочисленные расчеты разных авторов показывают, что составляющая ущерба Унс много меньше Уп+Уэ и поэтому из расчета может быть исключена.
Уменьшение мощности, потребляемой электроустановками при снижении частоты и напряжения, может быть оценено по регулирующим эффектам kf и кu. Для больших регионов можно принять kf и ku равными 2—3. Тогда при потреблении электроэнергии сниженного качества, характеризуемого показателем ∆П, недовыработка электроэнергии стандартного качества равна:

где Wi, Wj — потребление электроэнергии с отклонением качества электроэнергии по данному показателю на ∆П (∆П определяется как отношение отклонения к стандартному значению данного показателя, например если частота равна 49,6 Гц, то ∆Пf=0,4/50).
Соответственно ущерб потребителя, вызванный потреблением электроэнергии нестандартного качества, оцениваемый как ущерб в народном хозяйстве от недовыработки электроэнергии стандартного качества, равен У=d∆W или

Расчеты, выполненные в последние годы по оценке увеличения потерь электроэнергии в сетях от отклонения частоты и напряжения от стандартного значения, дают следующие значения для Уэ,f и Уэ,u·

где b — стоимость 1 кВт-ч; Wf— количество электроэнергии, произведенной при напряжении ниже 49,9 Гц; Wu— количество электроэнергии, потребленной при напряжении ниже 0,95Uном ·
Ущерб, вызванный ННРЭ, носит вероятностный характер. Это определяется не только вероятностным характером ННРЭ, но и тем, что ущерб зависит от совпадения этих нарушений с той или иной зоной технологического процесса.

Но даже при одной и той же вероятности совпадения нарушения режима энергоснабжения с определенным этапом технологического процесса ущерб будет разным, поскольку энергоэкономическая характеристика технологического процесса зависит от многих случайных факторов — состава сырья, номенклатуры продукции, выпускаемой в данный момент, квалификации обслуживающего персонала, организации ремонтно-восстановительной службы и т. п.

Рис. 3.6. Распределение приемников электроэнергии по категориям в соответствии с ущербом, вызванным перерывом электроснабжения

Влияние недовыработки продукции из-за ННРЭ на данном предприятии на работу последующих звеньев народного хозяйства учитывать не следует в связи
с относительно небольшой величиной этого недовыпуска и наличием запасов продукции в народном хозяйстве. Если рассматриваемая технологическая установка является отдельным звеном общего технологического процесса, то необходимо учитывать влияние нарушения нормальной работы данного звена на ведение всего технологического процесса. При этом необходимо учитывать плановые запасы соответствующих полуфабрикатов в наличие промежуточных складов.
Уровень надежности электроснабжения потребителей, для которых ННРЭ может вызвать пожары, взрывы, опасность для персонала, весьма крупные потери в народном хозяйстве или недопустимо из-за важной роли потребителей в жизни государства, должен нормироваться.

Институтами ВПИИПЭМ и Тяжпромэлектропроект для ряда приемников электроэнергии производств черной, металлургии были подсчитаны ущербы от разовых перерывов электроснабжения длительностью tэ= 1 с, 30 мин и 24 ч. Эти значения были выбраны в соответствии с разделением «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) приемников электроэнергии по допустимой продолжительности перерывов электроснабжения. На рис. 3.6 значения ущерба в. трех точках, соответствующих указанным временам перерыва электроснабжения, соединены прямыми линиями; ломаные линии сгруппировались в три зоны. В I зоне оказались приемники электроэнергии, в соответствии с отраслевыми указаниями и нормами по проектированию отнесенные к I категории, во II зоне — отнесенные ко II категории, а также другие приемники электроэнергии, отнесенные к I            категории. Анализ последствий от отключения питания последних приемников электроэнергии показал, что по этому показателю они аналогичны электроприемникам II категории, находящимся в этой зоне. Следовательно, по ущербу все приемники электроэнергии, оказавшиеся во II зоне, должны быть отнесены к одной — II категории. Приемники электроэнергии, попавшие в III зону, должны быть отнесены к III категории согласно ПУЭ. Эти данные свидетельствуют о том, что ущерб от перерыва электроснабжения может служить объективным численным критерием для определения категории приемников электроэнергии по требованиям к надежности электроснабжения.
Опыт использования «Методики определения ущерба потребителей от перерыва электроснабжения» показал возможность ее применения и в оценке ущерба, вызванного всеми видами ННРЭ. Соответственно с этим во ВНИИПИЭнергопроме разработана «Методика определения ущерба от нарушения нормального режима энергоснабжения» [32].