CC BY
45
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
УДК 621.311.16
Дубицкий Михаил Александрович,
канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматизация и электроснабжение промышленных предприятий», Ангарская государственная техническая академия (АГТА), тел. (3955) 67-89-15
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ АВАРИЙНОМ ОТКЛЮЧЕНИИ КРУПНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
M.A. Dubitsky
SAFETY OF POWER SYSTEMS AT EMERGENCY SWITCHING-OFF OF LARGE POWER PLANTS
Аннотация. Рассмотрено соотношение свойств безотказности, живучести и безопасности систем. Предложена методика обеспечения безопасности электроэнергетических систем при аварийном отключении крупных электрических станций.
Ключевые слова: надежность, безопасность, живучесть, безотказность, электроэнергетическая система, электрические станции, мобильный резерв мощности.
Abstract. The parity of properties of nonfailure operation, survivability and safety of systems is considered. The technique of power systems safety promotion at emergency switching-off of large power plantsis offered.
Keywords: reliability, safety, nonfailure operation, survivability, power system, power plants, mobile reserve of capacity.
Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования[1-2]. Заданные функции для электроэнергетической системы (ЭЭС) определяются, с одной стороны, ее назначением, а с другой - самим фактом ее создания [1]. Заданной функцией ЭЭС, определяемой ее назначением, является снабжение потребителей электрической энергией в необходимом количестве требуемого качества. Заданной функцией, определяемой фактом создания ЭЭС, является недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, которые могут возникнуть при различных аварийных условиях [1]. Надежность ЭЭС является комплексным свойством, которое включает в себя несколько единичных свойств. Надежность «в широком смысле» включает в себя безотказность, долговечность, восстанавливаемость, сохраняемость, устойчивоспособность, режимную управляемость, живучесть и безопасность[1, 1], а в «узком» - то же самое, но без безопасности [2].
Таким образом, понятие надежности (и в том числе безопасности) в настоящее время продолжает еще формироваться. Поэтому целесообразно рассмотреть соотношение таких свойств, как безотказность, живучесть и безопасность, т.к. проблемы безотказности, живучести и безопасности могут иметь не только одинаковые [2], но и разные причины, влияющие факторы и средства их обеспечения и разграничиваться будут не только по характеру последствий.
Безопасность характеризует недопущение ситуаций ЭЭС, опасных для людей и окружающей среды. Безопасность является единственным единичным свойством надежности [1], отражающим уровень выполнения функций, заданных фактом создания ЭЭС, а не их назначением. Неполнота безопасности может проявиться и в нормальных условиях работы ЭЭС из-за их технического несовершенства. Далее будет рассматриваться только так называемая «аварийная» безопасность с анализом ситуаций, вызывающих опасность для людей и окружающей среды в результате отказов, происходящих в процессе функционирования ЭЭС.
Безотказность - свойство ЭЭС непрерывно сохранять работоспособное или рабочее состояние в течение некоторого времени.
Живучесть - свойство ЭЭС противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей электроэнергией. При исследовании живучести целесообразно рассматривать все возмущения независимо от того, большие они или малые, внешнего они или внутреннего происхождения. Не все возмущения, которые привели к отказам по безотказности, будут причиной отказов по живучести (рис. 1 ). Поэтому по характеру учитываемого возмущения еще нельзя сказать, что проводятся исследования не только безотказности, но и живучести.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
ш
Рис. 1. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и по живучести: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести
Возмущения, которые могут быть причиной отказов по живучести будут, и причиной отказов по безопасности, т.к. массовое ограничение потребителей электрической энергией, как показывает анализ крупных аварий, приводит к ситуациям, которые имеют опасность для жизни и здоровья людей. Вместе с тем, не все возмущения, которые могут привести к отказам по безопасности, будут причиной отказов по живучести. Например, отказы электрофильтров на тепловых электростанциях приведут к увеличению выбросов вредных веществ с дымовыми газами и отказу по безопасности, но при этом в ЭЭС не будет отказа по живучести (рис. 2).
Рис. 2. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по живучести и безопасности: В - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести; С - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности
Некоторые возмущения, приводящие к отказам по безопасности, не оказывают влияния на электроснабжение потребителей и, следовательно, на безотказность ЭЭС. К числу таких возмущений можно, например, отнести возмущения, связанные с разрушением дамбы золоотвалов ТЭС и после-
дующим разрушением других объектов, а также загрязнение территории, водоемов и т. д. На рис. 3 показано соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и безопасности.
Рис. 3. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности;
С - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; Д - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности
На рис.4 показано соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности.
Рис. 4. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности: А - множество возмущений, приводящих к отказам
по безотказности; В - множество возмущений, приводящих к отказам по живучести; С - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности; Д - множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Как видно на рис.4,множество возмущений, обозначенное буквой В, будет множеством возмущений, приводящих одновременно к отказам по безотказности, живучести и безопасности. Эти возмущения будут оказывать влияние на энергетическую безопасность [4-5].
На территории России большая часть ЭЭС объединена в Единую электроэнергетическую систему (ЕЭЭС). Суммарная установленная мощность электростанций ЕЭЭС на начало 2010г. составляла около 220 ГВт. Более половины установленной мощности размещено на станциях мощностью более 1 ГВт [1]. Аварийное отключение крупных электростанций и последующее массовое отключение потребителей (прекращение их электроснабжения) означает мгновенную остановку электронасосов, обеспечивающих циркуляцию воды в теплотрассах. При этом останавливаются не только ТЭЦ, но и все котельные, попавшие в зону аварии. В зимнее время подобные ситуации представляют особую опасность для жизни и здоровья людей. Аварийное отключение электронасосов в системе водоснабжения приводит к прекращению подачи воды потребителям, а в системе канализации- к аварийному сбросу отходов, загрязняя при этом территорию и водоемы. Отключен будет электрифицированный трубопроводный и железнодорожный транспорт и т. д. Таким образом, аварийное отключение крупных электрических станций будет соответствовать множеству возмущений, которые могут одновременно привести к отказам по безотказности, живучести и безопасности. Вероятность возникновения таких аварий возрастает по ряду причин:
а) старения оборудования (износ оборудования составляет 65-75%, но при этом до 40% оборудования гидроэлектростанций и не менее 20 % оборудования тепловых электростанций России выработало 100% ресурс) [5];
б) снижения инвестиций в строительство и реконструкцию генерирующих мощностей, особенно в 90-е годы [5];
в) некомпетентного руководства, ориентированного, в основном, на получение прибыли.
Нельзя также забывать и о возможности террористической угрозы объектам энергетики и в том числе электроэнергетики.
Для компенсации небалансов мощности, связанных с аварийным отключением крупных электростанций, ЭЭС должны иметь в достаточном количестве мобильный резерв мощности (Ям) и возможность его использования с учетом огра-
ниченных пропускных способностей межсистемных связей. Мобильного резерва генерирующей мощности для компенсации таких небалансов обычно не хватает. Поэтому дополнительно отключается нагрузка, которую можно рассматривать как аварийный резерв мощности системы, размещенный у потребителей. Таким образом, мобильный резерв мощности размещается, во-первых, на генерирующем оборудовании электрических станций (оперативный включенный резерв активной генерирующей мощности системы -—оет), а во-вторых, у потребителей (кратковременно отключенная нагрузка - Якоя) при недостаточной величине мобильного резерва генерирующей мощности в системе. Тогда
Ям = Я + Я . (1)
М о.вкл кон V '
После загрузки агрегатов невключенного (холодного) резерва подключается отключенная нагрузка и потребители продолжают свою работу в нормальном режиме. Таким образом, резерв у потребителей (Якоя) замещается менее мобильным невключенным резервом генерирующей мощности (ЯоквМ!). Это оправдано и с экономической точки зрения. «Погашение» крупной электрической станции является редким событием, и поэтому нечасто будет кратковременно в большом объеме отключаться нагрузка. Иметь же в качестве мобильного резерва только оперативный включенный резерв для компенсации таких небалансов мощности было бы связано со значительно большими затратами.
Первые рекомендации по выбору резерва генерирующей мощности в ЭЭС были сделаны еще в 30-е годы прошлого века советским ученым С.А. Кукель-Краевским. Им было предложено выбирать величину оперативного резерва генерирующей мощности исходя из фактически имевших место в ЭЭС аварийных отключений генерирующего оборудования. Тогда выбранное резервное оборудование, если бы оно было в ЭЭС, должно было компенсировать фактически имевший место аварийный недоотпуск электрической энергии [6]. В настоящее время вопросы рационального использования резервов генерирующей мощности достаточно подробно рассмотрены в монографии [7], где наряду с классификацией резервов по их мобильности и функциональному назначению рассматриваются методы и модели выбора каждой очереди оперативного резерва генерирующей мощности.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
ш
Целью настоящей работы является разработка методики определения величины и размещение в системе резерва у потребителей -(мощности кратковременно отключаемой нагрузки), необходимого для предотвращения развития аварии, вызванной отключением в ЭЭС крупной электрической станции.
Следует отметить, что экономические последствия от ограничения электроснабжения потребителей представляют собой не ущербы у потребителей от перерывов электроснабжения, а дополнительные издержки системы, связанные с предоставлением ей предприятиями некоторой услуги по ограничению потребляемой ими мощности. Предоставленная предприятиями услуга оплачивается системой в соответствии с заключенными между ними договорами. Величина этих издержек для системы, как правило, превышает величину ущербов у потребителей.
Решение задачи содержит два этапа. На первом этапе в соответствии с рекомендациями [8] определяется величина и размещение в системе оперативного включенного резерва генерирующей мощности, на втором - величина и размещение резерва мощности у потребителей (мощности кратковременно отключаемой нагрузки).
Выбор и размещение резерва мощности у потребителей осуществляется на основе анализа режима работы системы, когда в течение рассматриваемых суток для каждой т -й подсистемы
(т = 1,М) известна располагаемая мощность N (т), суммарная нагрузка потребителей Ын (т),
величина мощности в плановом Л (т) и аварийном простое Na (т), а также включенная Ковкл(т) и невключенная мощность оперативного резерва Л .
о. н. вкл
Решение начинается с обоснования необходимости привлечения резерва мощности у потребителей, необходимого для ликвидации небалансов мощности, возникающих при аварийном отключении в любой из подсистем наиболее крупной электрической станции. Математическая формулировка этой задачи запишется в следующем виде.
Минимизировать
ММ
X Nнeб (т);
(2)
N. (т)-N н (т) + £ Рк (т)-Лр (т)-Na (т)-
к=1
-КЛт)-2(т) = 0;т = 1М ;
Рш (т)< Р.. (т)< Р лк (т); к = 1,Б
(3)
(4)
/ ч П2(т),2(т)< 0; -
(т) = \1 ( ( ч< п; т = 1,М . (5) 2 (т)> 0;
N неб (т) =
0
при ограничениях
Условие (2) позволяет миними-
зировать небалансы мощности (Nне6) в системе. Уравнения (3) являются уравнениями баланса мощности подсистем. В этих уравнениях принято: РДК (т) - значения перетоков мощности по к -й связи (к,К - текущий номер и число связей, примыкающих
к т -й подсистеме); 2 (т) - текущая переменная, которая в зависимости от своей величины может рассматриваться как небаланс мощности в т -й подсистеме (когда она отрицательная), либо как оперативный включенный резерв мощности с учетом обменной мощности между подсистемами (когда она положительна). Неравенствами (4) учитываются ограничения перетоков мощности по связям между подсистемами. Формулы . (5) позволяют определить величину небалансов мощности в подсистемах.
Величина небалансов мощности, а также их распределение по подсистемам определяется решением задачи (2) - . (5), которое может быть получено с использованием метода внутренних точек [9]. Аварийное отключение крупной электрической станции в рассматриваемой подсистеме учитывается в уравнениях (3) соответствующим увеличением мощности в аварийном простое. В результате решения задачи (2) - .
(5) выявляются подсистемы, в которых возник небаланс мощности, что служит основанием для размещения (выделения) в системе мобильного резерва у потребителей. Для этого предварительно составляется общий для всей системы список потребителей, формирующих резерв мощности, в порядке возрастания затрат, связанных с их отключением. Размещение резерва мощности у потребителей
(с учетом рекомендаций [8]) начинается с выбора из этого списка самых дешевых, но принадлежащих подсистеме, где имеется небаланс мощности. На величину мощности этого потребителя уменьшается в этой же подсистеме нагрузка. Затем вновь решается задача (2)-. (5),
т=1
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
но (наряду с изменением мощности, находящейся в аварийном простое) в уравнениях (3) уменьшено для соответствующей подсистемы значение ее нагрузки на величину мощности отключаемого потребителя.
В результате ее решения проверяется наличие небалансов мощности в подсистемах. В случае наличия небалансов мощности выбирается еще один потребитель. Данная процедура повторяется до тех пор, пока не будут компенсированы все небалансы мощности, возникающие при аварийном отключении рассматриваемой крупной электрической станции. Таким образом, формируется список потребителей, которые будут отключены при отключении рассматриваемой электрической станции. Аналогично составляются списки потребителей для компенсации небалансов, возникающих при аварийном отключении других крупных электрических станций. На основе этих списков формируется общий для системы список потребителей, отключение которых позволяет компенсировать небалансы мощности, вызванные отключениями крупных электрических станций. На основе этого списка заключаются соответствующие договора между системой и потребителями. Затем определяется резерв мощности у потребителей в каждой т -й подсистеме:
I _
—кон(т) = Х(т); т = 1,М , (6)
¿=1
где ЫП1 (т) - мощность ¿ -го потребителя в т -й
подсистеме, который будет отключен для компенсации небаланса мощности в системе.
Алгоритм выбора резервов мощности у потребителей реализован с помощью вычислительной программы.
Заключение
Рассмотрено соотношение свойств безотказности, живучести и безопасности. Аварийное отключение крупной электрической станции может привести не только к отказу в ЭЭС по безотказности, но и по живучести и безопасности. Предложена методика, позволяющая выделить потребителей активной мощности, отключение которых
будет эффективным средством обеспечения безопасности ЭЭС при аварийном отключении крупных электрических станций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Надежность систем энергетики. Терминология. Сборник рекомендуемых терминов. - Вып. 95. - М. : Наука, 1980. - 43с.
1. Надежность систем энергетики и их оборудования. / Под общей редакцией Ю. Н. Руденко: В 4-х т. Т. 1 : Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики. - М. : Энергоатомиздат, 1994.- 480 с.
2. Надежность систем энергетики. Сборник рекомендуемых терминов. М. : Энергия, 2007. - 192 с.
4. Энергетическая безопасность. Термины и определения. - М. : Энергия, 2005. - 60 с.
5. Безопасность России. Правовые, социально -экономические и научно - технические аспекты. Энергетическая безопасность. (Проблемы функционирования и развития электроэнергетики). - М. : Знание, 2001. - 480 с.
6. Кукель-Краевский С. А. О величине резервной мощности проектируемой энергосистемы в связи с достижениями стахановского движения в энергохозяйстве. - «Тр. МЭИ», 1937. - Вып 1. -С. 12-17.
7. Дубицкий М. А., Руденко Ю. Н., Чельцов М. Б. Выбор и использование резервов генерирующей мощности в электроэнергетических системах. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 272 с.
8. Выбор оптимальной величины оперативного включения резерва активной мощности в электроэнергетических системах со слабыми связями / Г.А. Дубицкий, М.А. Дубицкий, Ю.Н. Руденко, М.Б. Чельцов // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. -Вып. 19. - Омск: ОмПИ. - 1979. С. 85-95.
9. Дикин И. И. Итеративное решение задач линейного и квадратичного программирования.-«Доклады Академии наук СССР». - 1967, Т. 174, № 4, С. 747-748.
