Разработка методов управления эксплуатацией релейной защиты : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

В процессе эксплуатации в энергосистеме периодически возникают повреждения силового оборудования. Функцию их локализации выполняет релейная защита (РЗ), целью функционирования которой является снижение ущерба от ненормальных режимов работы линий и оборудования. Учитывая важность устройств РЗ для электроэнергетической системы (ЭЭС), с одной стороны, и тот факт, что они являются причиной 25% технологических нарушений [3], с другой стороны, целесообразен учет РЗ при решении задач надежности ЭЭС.
Вторичные цепи современных подстанций представляют собой сложный технический комплекс, выполняющий измерения параметров режима, его анализ и выдачу управляющих воздействий. Степень влияния устройства РЗ на ЭЭС определяется направлением приложения управляющих воздействий, которые могут распространяться как на близлежащий коммутационный аппарат, так и на значительные объемы удаленной нагрузки с использованием каналов связи противоаварийной автоматики. Непосредственно устройство РЗ подвержено влиянию не только защищаемого элемента, но и всей прилегающей сети, повреждения в которой могут вызывать как правильные, так и неправильные его срабатывания. Кроме того, на функционирование устройства РЗ оказывают влияние такие факторы, как схемное исполнение, реализуемые алгоритмы, надежность элементной базы и эффективность подхода к эксплуатации.
Важным свойством ЭЭС является подключение новых потребителей и периодическая необходимость в реконструкции существующих объектов. Это ставит перед инженерами задачи многокритериального выбора с необходимостью обоснования рационального решения. В условиях многообразия субъектов отношений и их интересов требуется учет и согласование мнений всех заинтересованных сторон в выборе наилучшего
5
варианта развития и функционирования сети, поэтому каждое решение должно быть строго обосновано. На сегодняшний день решения о приоритетности замены того или иного оборудования РЗ принимаются на основании мнения отдельных специалистов, качество таких решений зависит от квалификации экспертов и потому не всегда объективно. Для объективизации процесса принятия решений целесообразна его формализация, по средствам использования численного показателя, учитывающего технические и экономические аспекты. Сказанное свидетельствует о потребности в развитии методов технико-экономического обоснования подходов к управлению эксплуатацией РЗ.
Существующие методы расчета надежности электроэнергетических систем (ЭЭС) моделируют вторичные цепи упрощенно, традиционно устройства РЗ учитываются путем умножения показателей надежности первичного оборудования на коэффициент, характеризующий надежность РЗ. Вопросам схемной (структурной) надежности энергосистем посвящен ряд основополагающих работ таких авторов, как Гнеденко Б.В., Гук Ю.Б., Китушин В.Г., Обоскалов В.П. и др. Для решения задач структурной надежности в проанализированных работах используются таблично- логические методы различных формаций, методы логических преобразований, и строгие аналитические методы. Гельфандом Я.С., Розановым М.Н., Смирновым Э.П., Федосеевым А.М. влияние вторичных цепей на надежность ЭЭС учитывается при помощи результирующего коэффициента надежности РЗ. В работах Рипса Я.С. и Смирнова Э.П. проведен анализ обоснованности применяемых обобщенных показателей, однако эффективность того или иного показателя не доказана, что позволяет говорить о том, что никаким единичным коэффициентом невозможно достоверно описать надежность функционирования РЗ в различных режимах. Также стоит отметить, что методы, использующие обобщенные коэффициенты надежности, не учитывают схемные и конструктивные
6

особенности устройств РЗ, их состояние, готовность к действию в конкретный момент времени и условия эксплуатации.
Проведенный анализ работ Зеленцова Б.П., Смирнова Э.П., Трофимова А.С., Шалина А.И., Billinton R., Kumm J.J., Schweitzer III E.O. показал, что требованиям повышенной детализации процессов и учета множества факторов соответствуют методы, основанные на цепях Маркова. Математический аппарат марковских цепей традиционно применяется для систем обслуживания, для РЗ он получил распространение одновременно с увеличением числа эксплуатируемых микропроцессорных (МП) устройств. Готовность традиционных устройств РЗ определяется при выполнении технического обслуживания (ТО), однако за время межпроверочного интервала их состояние может измениться. МП устройства РЗ позволяют частично или полностью контролировать свое состояние с помощью самодиагностики, являющейся регулярным событием. Увеличение потока регулярных событий повышает обоснованность применения методов, основанных на марковских процессах.
Анализ научно-технической литературы выявил, что вопросы применения расчетных показателей надежности РЗ для обоснования подходов к управлению эксплуатацией вторичных цепей подстанций недостаточно проработаны. Это обусловило характер исследований, в рамках которых автором выполнена разработка метода определения характеристик ненадежности РЗ с использованием модели состояния РЗ, а также метода применения полученных характеристик для анализа технических решений в части РЗ в энергосистеме.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов управления эксплуатацией РЗ, позволяющих повысить надежность РЗ при недопущении повышения затрат на эксплуатацию.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
7

– анализ традиционных и современных подходов к эксплуатации устройств РЗ, для оценки характера его влияния на технические характеристики системы;
– анализ существующих подходов к расчету риска отказов и надежности в ЭЭС с учетом устройств РЗ, для оценки перспективы их применения для решения практических задач;
– анализ устройств РЗ в промышленной эксплуатации с целью определения уровня надежности, свойственного комплексу РЗ и выявления возможных способов повышения надежности без сверхнормативного увеличения затрат;
– разработка метода определения вероятности нахождения устройств РЗ в неработоспособном состоянии в зависимости от значимых факторов с целью обоснования объемов воздействия на устройства РЗ, необходимых для достижения целевого уровня надежности;
– разработка метода определения влияния отказов устройств РЗ на технико-экономические характеристики ЭЭС, с целью его применения для обоснования первостепенной значимости для ЭЭС конкретных технических решений в части реконструкции РЗ;
– разработка метода обоснования подхода к эксплуатации конкретных устройств РЗ для рационализации баланса надежности и издержек.
Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области анализа надежности и рисков.
Информационную базу диссертационной работы составляют монографии, материалы научно-технических конференций, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме, техническое описание устройств РЗ, нормативно техническая документация (НТД) и реальные данные об отказах.
8

9
При проведении исследований использовалась следующая методология
и методы исследования:
– графо-вероятностный подход при моделировании устройства РЗ для определения влияния на надежность его функционирования внутренних и внешних факторов;
– методы теории графов, решения дифференциальных уравнений, математической теории надежности, корреляционного анализа;
– методы моделирования и алгоритмизации.
Научная новизна работы состоит в разработке моделей состояния устройств РЗ и их использовании в разработанных методах решения инженерных задач по выбору состава оборудования РЗ и его эксплуатации с точки зрения лучшего результата по технико-экономическому критерию.
1. Модель готовности РЗ на основе марковских процессов уточнена путем возможности учета таких значимых факторов, как ближнее резервирование устройств РЗ, качество связи и частота периодических мероприятий по техническому обслуживанию;
2. Разработан метод расчета потенциальной длительности отключенного состояния элемента по причине отказа РЗ любого вида, учитывающий многообразие потенциально возможных случаев неправильной работы устройств РЗ. Метод позволяет установить влияние реальной сетевой топологии, наличия дальнего резервирования и межобъектного взаимодействия на характеристики надежности;
3. Разработан метод определения ущерба, вызванного ненадежностью РЗ, позволяющий определить влияние ненадежности РЗ на ЭЭС, учитывающий внутренние для устройств РЗ значимые факторы. Метод отличается от существующих возможностью учета влияния этих факторов не только на защищаемое РЗ оборудование, но и на смежные с ним элементы ЭЭС;
4. Разработан обобщенный метод технико-экономического обоснования подходов к управлению эксплуатацией РЗ подстанций, позволяющий анализировать комплекс РЗ с точки зрения технического и экономического критерия для повышения эффективности решений при эксплуатации и планировании развития сети.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода определения вероятности нахождения устройства РЗ в неработоспособном состоянии, метода определения длительности отключенного состояния элемента ЭЭС по причинам, связанным с отказами РЗ любого вида, а также в обеспечении возможности выполнения технико-экономического обоснования подходов к управлению эксплуатацией РЗ подстанции.
Основные положения, выносимые на защиту:
– способ модификации существующих моделей состояния устройств РЗ
позволяющий обеспечить учет таких факторов, как наличие ближнего резервирования, периодичность технических осмотров, надежность связи между ПС и диспетчерским центром при расчете показателей надежности;
– разработанный метод определения вероятности нахождения устройства РЗ в неработоспособном состоянии, предназначенный для оценки возможности достижения целевого уровня надежности РЗ с использованием имеющегося состава технических средств и формирования требуемого для этого метода управления эксплуатацией;
– разработанный метод определения длительности отключенного состояния элемента ЭЭС по причинам, связанным с отказами РЗ любого вида позволяющий осуществить оценку влияния РЗ на надежность смежного ей энергоузла;
– разработанный метод расчета потенциально недоотпущенной электроэнергии, по причинам связанным с отказами РЗ любого вида, позволяющий осуществлять управление программами замены оборудования с точки зрения технико-экономического критерия;
– разработанный метод расчета потенциально недоотпущенной электроэнергии, по причинам связанным с отказами РЗ любого вида позволяющий осуществлять оценку влияния подходов к управлению эксплуатацией конкретных устройств РЗ на технико-экономическую эффективность ЭЭС;
10

– разработанный метод осуществления выбора системы обслуживания устройств РЗ с использованием предложенного в работе метода расчета потенциально недоотпущенной электроэнергии, по причинам связанным с отказами РЗ любого вида предназначенный для снижения затрат на эксплуатацию РЗ при сохранении целевых значений надежности ЭЭС.
Практическая значимость состоит в:
– предложенных решениях задач определения коэффициентов неработоспособности устройств РЗ. Указанные коэффициенты рассчитываются с применением многофакторного подхода и позволяют определить эффективность методов управления эксплуатацией;
– предложенном решении задачи структурной надежности сети с учетом вклада устройств РЗ;
– разработке метода определения влияния отказов отдельных устройств РЗ на систему для принятия обоснованных технических решений;
– возможности использования полученных результатов в учебном процессе по тематике надежности.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на 8 конференциях, в том числе:
– VII Международная молодежная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи-2016», Иваново, 2016.
– Научно-практическая конференция и выставка «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России», Чебоксары, 2017.
– XVII Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM’2017), Санкт-Петербург, 2017.
– VIII международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2017», Самара, 2017.
– 58th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Latvia, Riga, 2017.
11

– 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED), Екатеринбург, 2018.
– 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Latvia, Riga, 2018.
– XLII научно-техническая конференция «Кибернетика энергетических систем – 2020», Новочеркасск, 2020.
Степень достоверности разработанной методики подтверждается корректным использованием математического аппарата и качественным анализом результатов расчета численных примеров, детально рассмотренных в работе. Полученные результаты в части определения вероятности нахождения устройств РЗ в неработоспособных состояниях численно сопоставимы с рассмотренными исследованиями смежной тематики при значительно большей детализации входной информации. Полученные результаты в части определения технико-экономических критериев эффективности функционирования ЭЭС с учетом РЗ получены впервые и в работах других авторов не представлены. Результаты работы были успешно представлены в рамках ряда международных и всероссийских конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, определенных ВАК РФ и 8 – в зарубежных изданиях, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus.
Личный вклад. Рассмотренная в работе проблематика выявлена лично автором в ходе работы в подразделениях, выполняющих функции эксплуатации РЗ. Его вклад в теоретическую часть исследования заключается в разработке моделей и методов, используемых для технико-экономического обоснования подходов к управлению эксплуатацией РЗ подстанций, их алгоритмизации, а также в проведении расчетов с их использованием.