ГЛАВА ПЯТАЯ
ОПТИМИЗАЦИЯ УРОВНЕЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПАРАМЕТРЫ ОПТИМИЗАЦИИ И УРОВНИ НАДЕЖНОСТИ
С увеличением сложности объекта возрастает трудность и ответственность выбора параметра оптимизации и уровня надежности его функционирования. Неправильный выбор параметра оптимизации может привести к ошибочному выводу.
Это можно видеть на следующем примере [36, 38]. Во время второй мировой войны несколько сотен английских торговых судов на Средиземном море для защиты от вражеских самолетов были вооружены зенитными орудиями и укомплектованы соответствующими боевыми расчетами. Поскольку это мероприятие отвлекало ограниченные и дорогие ресурсы, через некоторое время было решено оценить его эффективность. Когда в качестве критерия эффективности рассматривались число и стоимость уничтоженных самолетов, атаковавших суда, это мероприятие оказалось мало эффективным, поскольку существовали более эффективные средства для этой цели — авиация, военный флот. Следовательно, не было смысла оснащать торговые суда защитными установками. Если же оценивать эффективность этих зенитных установок сопоставлением потерь в судах, оснащенных орудиями, с потерями в судах без орудий, то это мероприятие оказалось весьма эффективным. Самолеты, атаковавшие суда, были вынуждены использовать противозенитные маневры и бросать бомбы с большой высоты, что значительно снижало потери в судах. Из числа атакованных самолетами торговых судов с зенитными орудиями было потоплено 10% судов, а потери в судах без орудий составили 25%. Затраты на установку зенитных орудий и содержание боевых расчетов окупались очень быстро. Таким образом, оценка одного и того же решения по разным параметрам оптимизации приводила к противоположным выводам. Но назначением зенитных установок было не уничтожение самолетов, а защита торговых судов, поэтому только последний параметр (потери в судах) мог правильно оценить эффективность рассмотренного мероприятия.
Для системы энергетического хозяйства, представляющей собой комплекс больших развивающихся систем энергетики, выбор параметра оптимизации и уровня надежности является сложной задачей. Неправильный выбор оптимизации, уровня надежности может привести к неоптимальному распределению весьма крупных средств между подсистемами и элементами системы и в то же время не обеспечить электроснабжение народного хозяйства на должном уровне.
Рассмотрение вопросов надежности энергосистем выходит за рамки книги, однако можно отметить некоторые положения. Поскольку энергосистема состоит из ряда подсистем, то следует различать параметры оптимизации системы в целом и ее отдельных подсистем. При этом каждая подсистема может характеризоваться своим локальным параметром. Так, применительно к энергосистеме в целом в качестве экономического критерия надежности ее работы можно использовать потерю национального дохода, вызванную нарушением нормального функционирования системы или необеспеченностью народного хозяйства энергией в размерах (и качестве), предусмотренных планом. В соответствии с этим целесообразно установить определенные уровни надежности работы энергосистем и гарантированные уровни надежности ее узлов нагрузки.
Для оборудования энергосистем (генерирующего и др.) экономическим критерием надежности следует считать затраты на его резервирование и ремонт. Следует отметить, что предлагаемая некоторыми авторами экономическая оценка надежности энергоблоков (и другого оборудования) по недовыработанной этими блоками электроэнергии (и соответствующему этому ущербу) неприемлема, поскольку выход из строя любого блока в энергосистеме обычно непосредственно к ущербу у потребителя не приводит. Эти же соображения относятся к экономической оценке надежности межсистемных связей. Ее также следует оценивать по затратам, необходимым на их резервирование, учитывая, что надежность работы энергосистемы должна сохраняться на определенном уровне.
При рассмотрении параметров надежности конкретных категорий потребителей электроэнергии также необходим дифференцированный подход. Так, на наш взгляд, неправомерна оценка надежности бытовых и коммунальных потребителей по ущербу, выраженному в стоимостных показателях. Основным параметром здесь должен быть уровень комфорта. Конечно, само понятие уровня комфорта весьма условно. Тут необходим ретроспективный анализ. Надежность электроснабжения крупных городов весьма высокая. За исключением весьма редких и чрезвычайных условий жители городов имеют практически абсолютно бесперебойное электроснабжение. Этот уровень надежности устанавливался постепенно многолетней практикой эксплуатации городских систем электроснабжения и достиг своего оптимального значения, обеспечивая приемлемый комфорт. В связи с этим следует указать на неприемлемость дифференциации уровня комфорта, как это делают некоторые авторы, рассматривая вопросы электроснабжения городов и сел. Применительно к рассматриваемой категории потребителей надежность электроснабжения следует устанавливать по уровню, обеспечивающему установившиеся, приемлемые уровни комфорта. Соответственно необходимо формировать и оптимизационную задачу — достижение заданного уровня надежности электроснабжения при минимуме капитальных вложений в систему электроснабжения.
Надежность энергоснабжения промышленных предприятий охватывает надежность всей совокупности элементов энергосистем и их объединений — от агрегатов электростанций до непосредственного потребителя электроэнергии. Однако практически невозможно при каждом конкретном решении о присоединении того или иного предприятия рассматривать и оценивать надежность всей системы. Целесообразно надежность энергосистем и собственно систем электроснабжения потребителей рассматривать раздельно, имея в виду, что они взаимосвязаны. Для этого можно использовать декомпозицию системы по узлу нагрузки, т. е. заменить энергосистему ее узлом, имеющим гарантированный (заданный) или известный уровень надежности.
Очевидно, что гарантированный уровень надежности отдельных узлов нагрузки энергосистемы будет различным. При оценке надежности схемы электроснабжения конкретного потребителя, присоединяемого к узлу нагрузки энергосистемы, этот узел необходимо рассматривать как источник питания, имеющий определенный заданный уровень надежности. Если надежность узла нагрузки не обеспечивает требуемую для потребителя надежность, то необходимо пли повысить надежность или предусмотреть дополнительный источник электроснабжения.
По условиям выбора уровня надежности все потребители следует разделить на две группы. К первой группе относятся потребители и отдельные приемники электроэнергии, нарушение электроснабжения которых может привести к взрыву, пожарам, гибели людей или недопустимо из-за важной роли этих потребителей в жизни государства. Надежность электроснабжения этой группы определяется специальными требованиями. Ко второй группе относятся потребители, уровень надежности которых определяется по минимуму народнохозяйственных затрат на рассматриваемую систему электроснабжения с учетом ущерба, вызванного ННРЭ. Внутри каждой группы потребители могут быть разделены на подгруппы как по условиям нормированной надежности, так и по уровню возможного ущерба. Соответственно формулируется и задача оптимизации надежности систем электроснабжения.
Для потребителей, уровень надежности которых задается специальными нормами, необходимо обеспечить надежность системы электроснабжения не ниже заданного уровня при минимуме приведенных затрат.
Для потребителей, последствия от нарушения нормального режима электроснабжения которых могут быть оценены экономически (ущербом), необходимо определение оптимальной степени надежности при минимуме приведенных затрат в систему электроснабжения с учетом возможного ущерба. Нормы или специальные указания к минимальному уровню надежности системы электроснабжения должны достаточно однозначно определять соответствующие требования. Например, требование необходимости питания приемников электроэнергии от нескольких источников является недостаточным, поскольку не раскрывает требования к надежности этих источников и связей с ними. Формальное выполнение этого указания может привести к решению, при котором будут выбраны несколько источников питания с общей надежностью ниже требуемой.
Приведенное деление потребителей на две группы не следует рассматривать формально. Например, полный перерыв электроснабжения всех приемников электроэнергии некоторых химических предприятий может привести к ситуации, которая для рассматриваемого завода может считаться катастрофической. В то же время сохранение питания ограниченного количества приемников электроэнергии гарантирует безаварийную остановку предприятия, при которой последствие от перерыва электроснабжения основной массы приемников электроэнергии сводится к минимуму.
Если для предприятия ограничиться требованиями к надежности электроснабжения приемников электроэнергии, обеспечивающих безаварийную остановку, то можно прийти к такой схеме электроснабжения, при которой будет обеспечена безаварийная остановка без гарантирования нормальной работы предприятия.
Однако и для конкретного предприятия может быть определен ущерб, вызванный внезапным перерывом электроснабжения (при условии исключения катастрофических последствий).
Рассмотрим пример. Если на зрелищном предприятии, когда там находятся зрители, будет полностью отключено освещение, может возникнуть паника. Сохранение минимального аварийного освещения и электроснабжения средств оповещения исключает возникновение паники. Однако при высоком уровне обеспечения надежности питания аварийного освещения и средств оповещения зрелищное предприятие не может работать, если не будет обеспечено электроснабжение, необходимое для проведения зрелища. Ущерб от того, что зрелищное предприятие не будет работать, поддается оценке. Поэтому и в данном случае надежность общей схемы электроснабжения необходимо выбирать с учетом ущерба, вызванного прекращением (или невозможностью) проведения зрелищных мероприятий, а надежность аварийного освещения и средств оповещения должна соответствовать нормам и требованиям.
Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие требования к выбору оптимального уровня надежности системы электроснабжения: надежность системы электроснабжения рассматриваемого объекта в целом необходимо выбирать из условий минимума народнохозяйственных затрат с учетом ущерба, вызванного нарушением нормального электроснабжения объекта; надежность электроснабжения отдельных электроприемников рассматриваемого объекта, нормальная работа которых исключает возникновение пожаров, паники, катастроф, должна быть обеспечена в соответствии с установленными нормами и правилами.
Поэтому при проектировании системы электроснабжения предприятия необходимо тщательно проанализировать его технологический режим, выявить электроприемники, нормальная работа которых исключает возникновение катастрофических последствий. Учитывая, что для достижения высокого уровня надежности, как правило, нужны большие затраты, необходимо избегать излишнего завышения числа и мощности приемников электроэнергии, относимых к указанной категории. Если по условиям надежности должен быть предусмотрен независимый источник питания, то следует гарантировать соответствующую надежность этого источника и его готовность в любой момент обеспечить питание ответственных потребителей.
Надежность электроснабжения предприятия определяется выбранными показателями надежности, которые в свою очередь зависят от характеристики рассматриваемых электроприемников или предприятия в целом.
Например, анализ ущерба, вызванного внезапным перерывом электроснабжения (§ 3.6), показывает, что У=У0+У(t). Если для рассматриваемого предприятия У0 много больше У(t), то очевидно, что в данном случае к надежности системы электроснабжения должно быть предъявлено условие снижения числа перерывов электроснабжения, т. е. должна быть повышена вероятность безотказной работы. Если же У(t) много больше У0, то основным требованием к системе электроснабжения является высокая ремонтопригодность, т. е. малое время восстановления нормального режима электроснабжения.
Требования, предъявляемые к уровню надежности системы электроснабжения, обусловлены технологией производства. В ряде случаев они могут привести к дорогим решениям и соответственному увеличению стоимости всего объекта. Эти требования, как правило, определяют исходя из локальной оптимизации технологической части рассматриваемого объекта. Однако, как известно, локальная оптимизация отдельных элементов системы не гарантирует общий оптимум системы. Поскольку конечной целью является обеспечение нормального режима работы предприятия при минимуме народнохозяйственных затрат, рациональные решения могут быть найдены только при совместном рассмотрении вопросов технологической схемы производства и системы электроснабжения. Это даст возможность значительно снизить требования к высокому уровню надежности системы электроснабжения при относительно небольшом увеличении затрат на технологическую часть. Например, устройство для ручного прокручивания бурильного инструмента на забое скважины снижает возможность прихвата инструмента и значительно повышает t0.
В ряде случаев требования к системе электроснабжения. Например на химических заводах, по обеспечению ресинхронизации синхронных электродвигателей поршневых компрессоров после кратковременных посадок напряжения являются невыполнимыми. Однако, если приняты меры, обеспечивающие при резких снижениях напряжения снижение противодавления на поршневых компрессорах, ресинхронизация синхронных электродвигателей этих компрессоров может быть обеспечена, что приведет к значительному уменьшению ущерба, вызванного кратковременными резкими снижениями напряжения.
Сооружение промежуточных складов, газгольдеров и т. д. может значительно уменьшить ущерб, вызванный перерывами электроснабжения, и, следовательно, снизить требования к уровню его надежности.
Из изложенного следует, что при оптимизации надежности системы электроснабжения необходимо рассмотреть все мероприятия, позволяющие изменять требования к надежности. При этом должны быть учтены реальные условия работы оборудования (среда, режимы работы) и его качество.
