Мероприятия по повышению пропускной способности городской сети

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Технико-экономическая оценка целесообразности модернизации электросетевого оборудования

К одному из наиболее эффективных направлений совершенствования эксплуатации распределительной электрической сети относится разработка и внедрение принципиального нового оборудования (малогабаритные трансформаторные подстанции и распределительные устройства с твердой или элегазовой изоляцией, вакуумные выключатели, кабели с пластмассовой изоляцией и т. д.), требующего значительно меньшего объема технического обслуживания и ремонта и имеющего сниженное значение параметра потока отказов. Однако стоимость такого оборудования превосходит стоимость традиционно используемых изделий в электротехнических установках. В связи с этим встает задача оптимизации капитальных затрат с целью выявления условий применения новой техники в электрических сетях.
Технико-экономический анализ систем электроснабжения, имеющих как одинаковую, так и различную степень надежности, базируется на определении приведенных затрат. Основные трудности, которые возникают при проведении отмеченного анализа с учетом надежности электроснабжения потребителей, состоят в отсутствии объективной количественной оценки показателей, характеризующих стоимость недоотпуска электроэнергии потребителям, в частности параметра потока отказов, времени аварийного простоя, удельных дополнительных затрат от недоотпуска электроэнергии, нагрузки сети.
Вышесказанное обусловливает поиск путей решения задачи при ограниченной информации об исходных данных. Реализацию этого могут обеспечить методы многоцелевой оптимизации, а также нечетких множеств, позволяющих получать решение по каждому из противоречивых и несопоставимых критериев с последующим нахождением компромиссной области и выбором результирующего решения. Здесь представляется возможным учет многих целей, имеющих как количественную, так и качественную характеристику.
Рассмотрим вначале возможность применения более дорогого электросетевого оборудования, обеспечивающего ту же самую степень надежности, что и традиционные изделия, и сниженные годовые издержки на эксплуатацию.
Приведенные (дисконтированные) затраты по сети с традиционным оборудованием
(1)
где Енорм — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К — капитальные затраты по сети с традиционным оборудованием; И — годовые издержки по сети с традиционным оборудованием.
Приведенные затраты по сети с вновь созданным оборудованием
(2)
где К\ > К — капитальные затраты по сети с вновь созданным оборудованием.
Использование более дорогого оборудования экономически целесообразно, если 3] (формула (1)) будет больше З2 (формула (2)), т. е.
(3)
Здесь а = И\/И — коэффициент, указывающий долю уменьшения годовых издержек на эксплуатацию при внедрении нового оборудования (0 < а < 1); β = KJK — коэффициент, отражающий долю увеличения капитальных затрат по сети при использовании более дорогого оборудования стоимостью К\($ >1).
Из формулы (3) следует, что
(4)
С учетом того, что И = (раи + ρτο)Κ, выражение (4) примет вид
(5)
где Рам, Рт.о — доля отчислений от капитальных затрат на амортизацию, текущий ремонт и обслуживание.
Отношение (рш +Рт.0)/ЕНорм Для силового электрооборудования, воздушных и кабельных линий городской электрической сети составляет соответственно 0,693, 0,26, 0,386.
При снижении издержек на эксплуатацию нового оборудования по сравнению с соответствующими издержками на содержание традиционных установок в 1,5—100 раз (а — 0,7—0,01) значение β, вычисленное по формуле (5), не должно превосходить 1,21—1,69 для силового электрооборудования, 1,07—1,26 для воздушных линий электропередачи, 1,11—1,38 для кабельных линий электропередачи.
Таким образом, эффективность применения нового оборудования достигается при незначительном увеличении его стоимости и существенном снижении годовых затрат на эксплуатацию. Это обстоятельство, на наш взгляд, послужило причиной значительного отставания в оснащении электрических сетей современным оборудованием по сравнению с аналогичными объектами в других странах, т. е. по принятым у нас методикам большинство нововведений оказываются невыгодными.

Недостаточность применяемых в настоящее время при технико-экономических расчетах электрических сетей нормативов покажем также на примере внедрения новых средств механизации работ в электрических сетях. Уровень механизации работ в электрических сетях в настоящее время не превышает 50% и, следовательно, нуждается в существенном улучшении. Новая техника (промышленные роботы или манипуляторы) способна дать многократное повышение производительности труда, а также освободить электросетевой персонал от сложной и опасной работы. Кроме того, станет возможным выполнение некоторых видов работ под напряжением. Какова же должна быть стоимость новых средств механизации технического обслуживания электрический сетей?
Расходы на заработную плату персоналу до внедрения новой техники составляют

где т — количество электросетевого персонала, выполняющего работы по техническому обслуживанию; с средняя заработная плата одного человека за год; — коэффициент {а\ — коэффициент, учитывающий потери рабочего времени, вызванного удаленностью места работы от базы сетей; aj — коэффициент роста уровня производительности труда; а3 — коэффициент отставания роста заработной платы от роста уровня производительности труда).
После внедрения роботов или манипуляторов стоимостью К приведенные затраты будут равны

Отсюда следует, что внедрение новой техники (например, роботов) для технического обслуживания и ремонта электросетевых объектов оправданно, если
(6)
где т' — количество электросетевого персонала при внедрении роботов; а’г — коэффициент, отражающий рост уровня производительности труда за счет использования новой техники.
При получении выражения (6) предполагалось, что коэффициенты и аз не изменяются при изменении уровня механизации работ.
Если т' = т, αί = aj или m'ai - maj, то целесообразность внедрения более совершенной техники может объясняться лишь соображениями обеспечения наилучшего уровня безопасности или удобства производства работ.
При £Норм = 0,15 соотношение К и годового фонда заработной платы персонала не должно превышать 6,67.
Если промышленные роботы обеспечивают повышение производительности труда работающих в 1,5—5 раз (отношение0,7—0,2), то внедрение новой техники будет оправданным при

Новые средства механизации работ для обеспечения выполнения возложенных на них функций потребуют расхода топлива или электроэнергии, а также технического обслуживания и ремонта. При учете указанных расходов долей от капитальных затрат, составляющей 20—30%, соотношение (6) примет вид
(7)
где h = 2,2—2,84.
При повышении уровня производительности труда в 1,5—5 раз стоимость манипуляторов должна составлять 0,66—2,27 (см. выражение (7)) годового фонда заработной платы персонала предприятий сетей. Заметим, что в Японии, например, данное соотношение за 12 лет (с 1971 по 1983 г.) изменилось с 10,5 до 3,0—3,5 при отмеченном повышении уровня производительности труда.
Таким образом, существующая методика технико-экономических расчетов электрических сетей существенно ограничивает капитальные затраты на совершенствование, реконструкцию электрической сети, а также внедрение средств механизации электросетевых работ.
Оценим целесообразность модернизации электросетевого оборудования с помощью метода многоцелевой оптимизации. Сформулируем задачу в следующем виде: требуется оценить эффективность применения новой техники в электрических сетях при обеспечении минимума капитальных затрат, годовых расходов на эксплуатацию и максимума надежности работы. Структуру целевой функции Е зададим среднеарифметической величиной в виде формулы (40).
Положим, что если Vt < 0,2, то происходит обесценивание цели. Поэтому нижний предел V/ = 0,2. Тогда максимально возможное значение V, для наиболее важной цели при условии, что все остальные имеют весовые коэффициенты 0,2, найдется так:
(8)
где Vj min = 0,2 — нижний предел V,-; п — количество целей. При и = 3 F/max, определенное по формуле (8), равно 0,6. Таким образом, 0,2 и Vi < 0,6.
Значения V/ могут быть определены экспертным путем. В тех случаях, когда не может быть обеспечена низкая погрешность результата оценок Vh рассматриваются наиболее употребительные варианты значений, получающихся как при равнозначных оценках важностей цели (вариант 1, табл. 1), так и в случаях одной (варианты 2—4) или двух (варианты 5—7) главных целей.
Нами установлено, что использование других структур целевой функции (среднегармонической, среднегеометрической) приводит к получению одного и того же результата.
Относительная эффективность еу i-й цели в j-u варианте определится по формулам (41) и (42).
В качестве показателя, отражающего изменение надежности работы оборудования, примем продолжительность наработки на отказ iHap = l/λ, где λ — параметр потока отказов. Для новой техники λ уменьшается, а /нар возрастает.

Табл. 1. Оценка важности целей

Для традиционного оборудования уровень капитальных затрат, издержек на эксплуатацию и наработка на отказ принимались равными единице. Для нового оборудования отмеченные показатели выражались относительно принятых базисных единиц. Предполагалось, что значение издержек на эксплуатацию для нового оборудования уменьшалось, а наработка на отказ и капитальные затраты увеличивались.
Определялись показатели еу по формуле (41) для двух целей - минимума капитальных затрат и минимума издержек на эксплуатацию, а по формуле (42) — для третьей цели.
Далее по формуле (6.40) с использованием данных табл. 1 определялось значение критерия многоцелевой оптимизации Е для всех рассматриваемых вариантов. Вариант с наибольшим значением критерия Е наиболее целесообразен; здесь имеется возможность при фиксированных значениях показателей издержек на эксплуатацию И, и наработки на отказ rHap, найти такое значение К,, при котором применение традиционного и нового оборудования равноценно.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим пример. Пусть вновь вводимое оборудование характеризуется уменьшением издержек на эксплуатацию в 1,5 раза, увеличением наработки на отказ в 1,5 раза. Необходимо установить, во сколько раз допустимо увеличение капитальных затрат, при которых применение традиционного и нового оборудования равноценно. Таким образом, имеем: для нового оборудования И, = 0,7, ?нар, = 1,5, для традиционного оборудования К, = 1, И, = 1, Vp* = 1. Величину К, для нового оборудования будем варьировать, например, в интервале от двух до трех. Значения ву, определенные по формулам (6.41), (42), приведены в табл. 2.

Табл. 2. Показатели относительной эффективности целей

Значения критерия оптимизации Е, найденной по формуле (40) для вариантов, приведенных в табл. 1, указаны в табл. 3. Из табл. 3 видно, что при принятых исходных данных капитальные затраты на новое оборудование могут достигать значений, в 2,5 раза превышающих стоимость традиционного оборудования. Если капитальные затраты на создание новых установок превосходят стоимость традиционного оборудования более чем в 2,5 раза, то их применение нецелесообразно.
Зависимости допустимого увеличения капитальных затрат на внедрение нового оборудования от степени повышения надежности его работы и снижения расходов на эксплуатацию приведены на рис. 1.

Табл.  3. Значения критерия оптимизации Е

Рис.  1. Зависимости допустимого увеличения капитальных затрат на внедрение нового оборудования от степени повышения его надежности и снижения расходов на эксплуатацию

Из рисунка видно, что в условиях снижения расходов на эксплуатацию и повышения надежности вновь вводимого оборудования более чем в 2,5 раза стоимость последнего не может служить препятствием для его внедрения.
Рассмотрим возможность увеличения капитальных затрат в условиях повышения расходов на эксплуатацию и увеличения надежности работы объекта сети. Такие задачи возникают при рассмотрении, например, вариантов сооружения линий электропередачи одного номинального напряжения в габаритах или с изоляцией более высокого (как правило, следующей ступени) номинального напряжения. Увеличение капитальных затрат на усиление конструктивных элементов линии (например, сооружение линии напряжением 10 кВ в габаритах линии напряжением 35 кВ) приводит (при существующем подходе к определению издержек на эксплуатацию как доли от капитальных затрат) к увеличению расходов на амортизацию, текущий ремонт и обслуживание и при неучете показателей надежности работы электрической сети не может превышать значений, уровень которых оценивается выражением (4).

Капитальные вложения на сооружение линии напряжением 35 кВ и расходы на ее эксплуатацию превышают такие же затраты по линии напряжением 10 кВ в 2,8 раза. Следовательно, сооружение линии напряжением 10 кВ в габаритах линии напряжением 35 кВ нецелесообразно.
Если учесть, что повреждаемость линий напряжением 35 кВ в 18 раз меньше повреждаемости линий 10 кВ, то расчеты, выполненные на основе метода многоцелевой оптимизации, показывают возможность увеличения капитальных затрат и расходов на эксплуатацию не более чем в 1,5 раза. Следовательно, даже такое большое снижение повреждаемости линий напряжением 35 кВ не обеспечивает эффективность имеющих место дополнительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов.