Загальні принципи аналізу надійності електроенергетичних систем

 

Надійність ЕЕС визначається великою кількістю чинників. Існуючі методи аналізу надійності не спроможні враховувати всі особливості ЕЕС в єдиних розрахункових схемах і алгоритмах. У зв'язку з цим дослідження надійності роботи ЕЕС виконують шляхом декомпозиції єдиної задачі аналізу надійності на певні напрями, які мають самостійне значення.

Первинні збурення виникають у різних підсистемах ЕЕС і внаслідок порушення їх структури чи режиму спричинюють недовідпуски електроенергії споживачам. Підсистеми ЕЕС, а також систему ресурсного забезпечення та систему керування режимами можна розглядати як основні спричинювачі недовідпусків електроенергії споживачам, кожен з яких характеризується своїм індивідуальним рівнем надійності й у загальному обсязі недовідпусків електроенергії (круг на рис. 1.2) має свою частку (сектори круга). Це значить, що надійність ЕЕС у цілому можна оцінювати за рівнем надійності її підсистем і що окремий розгляд надійності кожної з підсистем ЕЕС є першим кроком декомпозиції загальної задачі аналізу надійності ЕЕС.

Рис. 1.2. Недовідпуски електроенергії споживачам, створювані підсистемами ЕЕС

Підсистеми ЕЕС у структурному та режимному плані також дуже складні й оцінювати їх повну (функціональну) надійність надзвичайно важко. Для підсистем ЕЕС вдається оцінювати тільки їх часткові види надійності, які найбільш характерні для конкретної підсистеми. Такими частковими видами надійності є структурна, режимна, балансова та перехідна надійності, а також стійкоздатність та живучість як одиничні властивості надійності.

Живильні та розподільні мережі. Для цих ЕМ можна точно оцінювати структурну надійність і наближено - функціональну.

Структурна надійність визначається тільки структурними зв'язками елементів системи, тобто її схемою. Особливості режимів функціонування елементів до уваги не беруть, їх пропускна здатність не обмежується. У розрахункових схемах враховують тільки ті елементи, через які енергія передається до споживача від джерела живлення. У таких схемах можна проаналізувати тільки перерви електропостачання, які настають після повної втрати зв'язків споживача з джерелами живлення. Показники структурної надійності - це частота і середня тривалість перерв електропостачання, величина недовідпущеної енергії або народногосподарські збитки від перерв електропостачання.

Структурна надійність електричної мережі - це здатність її схеми зберігати зв'язки споживачів з джерелами живлення.

ЕМ мають високий рівень структурного резервування. Тому для них основними є часткові відмови, коли наступають обмеження, а не перерви електропостачання споживачів. Обмеження в електропостачанні споживачів наступають, як наслідок недопустимих знижень напруги на шинах споживачів або перевищень струмами ділянок ЕМ допустимих з умов термічної стійкості значень. Тобто обмеження електропостачання споживачів з вини ЕМ зумовлені недостатньою пропускною здатністю зв'язків у післяаварійних режимах. Сукупні недовідпуски електроенергії внаслідок перерв та обмежень електропостачання споживачів визначають рівень функціональної надійності ЕМ.

Під час аналізу функціональної надійності враховують функціональні властивості елементів ЕМ, їх пропускну здатність, процеси зміни навантаження, розглядають найбільш імовірні та істотні за недовідпусками електроенергії стани ЕМ і для цих станів розраховують режими, що дозволяють встановити рівні обмежень електропостачання споживачів, виходячи з технічної допустимості параметрів режиму. Модель зміни навантаження формують у вигляді системи випадкових величин або у вигляді випадкового процесу. За даними недовідпусків електроенергії в різних станах і значеннями ймовірностей цих станів визначається основний показник функціональної надійності - математичне сподівання недовідпуску електроенергії споживачам мережі протягом заданого періоду часу.

Системотвірні мережі. Методи оцінки надійності цих мереж розроблені недостатньо. З усіх відзначених вище видів надійності для системотвірних мереж розраховують переважно режимну надійність, а точніше, одну з її складових - стійкоздатність.

Системотвірна мережа з'єднує джерела живлення з вузлами навантаження, тому всякі випадкові зміни генерованої чи спожитої потужності в ЕЕС спричинюють зміну перетоків по лініях мережі. Одні лінії розвантажуються, інші - довантажуються, змінюється напруга у вузлах. Зміна параметрів режиму може започаткувати аварійну ситуацію: перевантаження ЛЕП струмом; недопустиме зниження напруги в окремих вузлах; втрату статичної стійкості зв'язків між енергосистемами чи їх частинами тощо. Подібні наслідки можуть виникати також під час порушень структури мережі.

Режим системотвірної мережі надійний, якщо балансові чи структурні зміни в ЕЕС не порушують його стабільності, тобто не створюють передаварійних ситуацій.

Здатність мережі підтримувати стабільність усталеного режиму у разі випадкових змін його параметрів називають режимною надійністю.

Режимну надійність оцінюють на основі показників, що визначаються частотою викидів стаціонарного випадкового процесу зміни параметрів режиму за межі їх допустимих значень.

Для системотвірних мереж найбільш характерним порушенням режиму є втрата статичної стійкості міжсистемними зв'язками. Таке порушення виникає значно частіше від інших. Тому його досліджують окремо і на основі цих досліджень встановлюють рівень стійкоздатності мережі. Дуже часто стійкоздатність утотожнюють з режимною надійністю, оскільки інші види порушень режиму в системотвірних мережах менше ймовірні. Стабільність режимів міжсистемних зв'язків забезпечується достатніми запасами їх статичної стійкості.

Генерувальна частина ЕЕС. Призначення генерувальної частини полягає в тому, щоб у будь-який момент часу підтримувати баланс активної потужності в системі. Надійність її роботи визначається неперервністю підтримання цього балансу. У ситуаціях, коли генерувальна частина не справляється зі своїм завданням, обмежують електропостачання споживачів.

Балансовою надійністю називають здатність ЕЕС неперервно підтримувати свій баланс активної потужності.

Балансову надійність аналізують за допомогою методів, які дозволяють оцінювати фактичний рівень надійності електропостачання споживачів для заданої величини резерву потужності, визначати оптимальну величину резерву, встановлювати місця розміщення резерву в системі.

Під час розв'язання цих задач детально враховують склад генерувальних агрегатів станцій, імовірнісні характеристики навантаження та спрощено подають структуру системотвірної мережі. Методи аналізу будуються на принципах співставлення характеристик потужностей ЕС і характеристик навантаження з урахуванням пропускних здатностей основних каналів передачі енергії від джерел живлення до вузлів навантаження.

Система керування режимами. Вплив системи керування режимами на надійність роботи ЕЕС найповніше виявляється у проміжках часу, коли ліквідують аварії. З моменту порушення режиму в роботу вступають засоби автоматичного керування й оперативно-диспетчерський персонал, які локалізують аварію та ліквідують її. Під час ліквідації аварії можуть наступити обмеження електропостачання системами автоматики та диспетчерські вимикання споживачів. Тривалість обмежень і вимикань визначається часом від моменту виникнення аварії до моменту припинення дій персоналу та систем керування щодо стабілізації режиму. Цьому перехідному періодові ліквідації аварії відповідає перехідна надійність ЕЕС.

Перехідна надійність ЕЕС - це її здатність виконувати функцію електропостачання споживачів в умовах аварійного режиму.

Перехідна надійність значною мірою залежить від ефективності системи керування режимами, а також від режимної керованості ЕЕС та ступеня резервування потужності ЕС і структури ЕМ. Відмови, хибна робота, неправильне налаштування засобів автоматики, помилки оперативно-диспетчерського персоналу різко збільшують обсяги вимикань споживачів. Низький рівень режимної керованості та низький ступінь резервування затягують процес “гасіння” аварійного режиму і також призводять до збільшення обсягів вимикань споживачів.

Враховуючи складну залежність перехідної надійності від характеристик системи керування режимами та від властивостей ЕЕС, її аналіз надзвичайно важкий. Ще не розроблено доступного методу, який дозволив би хоч наближено оцінити недовідпуски електроенергії споживачам для сукупності аварійних режимів ЕЕС протягом заданого періоду часу. Недовідпуски електроенергії можуть встановлюватися тільки для окремих видів аварій та окремих видів порушень в роботі засобів РЗА.

Система ресурсного забезпечення. Обсяги використаних протягом деякого періоду часу енергоносіїв (води на ГЕС, органічного палива на ТЕС, ядерного палива на АЕС) відповідають виробленій електроенергії. На кожен наступний період часу, наприклад рік, прогнозують споживання електроенергії та відповідно до прогнозу планують поставки палива і використання гідроресурсів. У поточному році плани реалізують.

Відповідність між потребами в електроенергії та надходженнями енергоносіїв може бути порушена такими непередбачуваними обставинами:

- реальне споживання електроенергії перевищило прогнозоване;

- поточний рік виявився маловодним;

- знизилися обсяги поставок органічного чи ядерного палива.

Ці обставини враховують у реальних умовах роботи ЕЕС. На ЕС у зв'язку з цим утворюють запаси енергоносіїв. Проте можливі випадки кризового (глибокого чи затяжного) недоотримання енергоресурсів або прорахунків у прогнозах, на які запаси енергоресурсів на ЕС не розраховані. Тоді виникає необхідність обмежувати електропостачання споживачів. Якраз ці випадки і визначають надійність системи ресурсного забезпечення. В основі методики аналізу надійності системи ресурсного забезпечення лежить принцип порівняння інтегральних характеристик потреб в енергоносіях та їх наявності і надходження на ЕС.