CC BY
50
УДК 621.3.03
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В.М. Степанов, А. А. Шпиганович
Рассмотрены основные исходные данные для повышения эффективности функционирования систем электроснабжения. Оценка эффективности функционирования осуществлялась на основе экономического анализа, позволяющего получить оптимальную методологическую систему.
Ключевые слова: электроснабжение, эффективность, функционирование систем электроснабжения, аппаратно-программный комплекс.
Для повышения эффективности функционирования систем электроснабжения необходимо разработать критерии для прямой и косвенной оценки безотказности обеспечения приемников электрической энергией многоуровневыми системами электроснабжения со всеми видами избыточностей. Требуемый уровень безотказности электроснабжения определяется затратами на избыточности в системе, создающие резервные связи, которые должны быть минимальными
З= шт(рнК+Сэ), при условии Р(т) < Ртт, доп (т), где Рт1п, доп (т) - минимальная допустимая вероятность безотказной работы относительно, рассматриваемой подсистемы, отдельной единицы оборудования, приемника электрической энергии и т.д.
Решение задачи выполняется в общем виде, не привязываясь к конкретным схемам электроснабжения и условиям их работы. Для этой цели использована математическая модель, построенная на базе не статистических параметров и динамических характеристик, то есть применены не средние значения, а функции распределения. Совместное распределение суммы случайных величин определяется зависимостью
W (Х1,Х2,Хз,к,Х„ ) = П [р,5( х. -1) + р8( X,)]
Математическое ожидание длительности отказа выражается уравнением
¥ ¥ ¥ ¥
ёп = I ¿Х,1 ¿Х2| ¿Хз- I
—¥ —¥ —¥ —¥
Не всегда негативные факторы приводят к отказам оборудования. Поэтому при п воздействиях негативных факторов может возникнуть т
отказов. Их возникновение соответствует вероятности рп(т). От 1-го воздействия отказ появится с вероятностью р,(1 =1,2,3,—,п). Значение этой ве-
W (
ХрХ^Хз
Х
.) £
Х,
1Хп
(2)
=1
роятности Рп(т) можно определить согласно формуле
1 с!
(р.-Р.)
х х" " А17 х=0. (3)
Период, за который происходят отказы, лежит в пределах от тх до ш2. Вероятность отказов для этого случая равна
— 1
Рп(шгШ2) = ^[ехР
2
X
/прр л/одр
Это позволяет определить критерий соответствующего вида распределения отказов. В качестве критерия экспоненциального распределения длительности отказов электрооборудования является выполнение условия
п 1
i=\ о 1
"01
(5)
где п - число негативных факторов, участвующих в отказах.
Функция распределения плотности вероятности для экспоненциального распределения отказов характеризуется только одним параметром-временем восстановления. При логарифмически-нормальном распределении отказов необходимо учитывать уже два параметра, время восстановления, и среднеквадратическое отклонение, а в случае усечено-нормального распределения таких параметров три: математическое ожидание и среднеквадратическое отклонения и нормирующий множитель. Для экспоненциального распределения изменение вероятности (частоты) появления отказов от их длительности является плоскостной характеристикой, в случае логарифмически-нормального распределения - объемной, а усечено-нормального - набором объемных характеристик, число которых зависит от рассматриваемых нормирующих множителей. Математическое ожидание наработки на отказ электрооборудования равно
п 1
1=1 т 1*1
1
ц(оо)
(6)
где
В определенном интервале времени, то есть в пределах 1:, система будет исправно работать с вероятностью
1=1 Х Т X
где - плотность вероятности наработки на отказ ¿-ой единицы электрооборудования.
Вероятность отказа для электрического оборудования промышленных предприятий лежит в пределах р »(0,2 - 0,9)10 , а вероятность работы соответственно равна р (0,9999998 -1-0,9999991). В этом случае наработка на отказ электрооборудования составляет порядка 10 часов, в то время как, продолжительность отказов - часы.
Для повышения эффективности функционирования систем используется многочисленное число всевозможных мероприятий. Независимо от вида мероприятий все они образуют избыточности в системе. Таких избыточностей три. Это структурная избыточность, временная и информационная. Очень широко для обеспечения необходимого уровня безотказности в системах используется резервирование, которое распространяется как на отдельные элементы, так и целые подсистемы, их соединения, а также средства автоматики и релейной защиты. В результате возникает структурная избыточность, позволяющая повысить безотказность обеспечения электрической энергией приемников технологических машин. При этом вероятность вынужденных остановок приемников сократится на величину
ск
Параметры, отображающие работу системы будут
= (ц)-1 -э/^рнэ^а ^ (8)
В формулах (8) интеграл |3(в)с10=£сн показывает на сколько ослабевает связь между отказами электрооборудования в системе по отношению к остановкам приемников электрической энергии. Она зависит от времени перехода на резервное электрооборудование 0СН и функции распределения длительности отказов [3(9) <10. От функции распределения зависит сложность расчетов. Так, если рассчитывать степень взаимосвязи между отказами электрооборудования и остановками приемников электроэнергии, то при экспоненциальном распределении получаемое значение от отношения ^/д выражается кривой на координатной плоскости (рис.3),
для логарифмически-нормального распределения отказов это объемная фигур (рис.4), а в случае усечено-нормального распределения отказов степень взаимосвязи представляется набором объемных фигур число, которых равно числу рассматриваемых нормирующих множителей.
Одновременно со структурной избыточностью в системах электроснабжения для повышения эффективности их функционирования применяются и другие виды избыточностей, в первую очередь временная избыточность. Степень взаимосвязи между отказами электрооборудования и вынужденными остановками электроприемников может быть оценена при использовании выражений
Рви = де | (3(9еви = ^ - (ц | (З(е)с^ ;
Рви = 1 - ре 15 РШв; тви = т Ц р(е)<*е) - в - Ц (В(е)сге^
^ 00
Рви = Р РОЖ
■'5
где / (3(0) сШ =5ВИ- отображает степень взаимосвязи между отказами электрооборудованием и вынужденными остановками электроприемников при временной избыточности.
Рис.1. Изменение степени взаимосвязи между электрооборудованием при его отказах в случае структурной избыточности для экспоненциального закона распределения отказов
Рис.2. Изменение степени взаимосвязи между электрооборудованием при его отказах в случае структурной избыточности для логарифмически-нормального распределения отказов
Рис. 3. Изменение степени взаимосвязи между электрооборудованием при его отказах в случае структурной избыточности для усечено-нормального распределения отказов с нормирующим множителем соответствующим 1,5
Рис.4. Изменение степени взаимосвязи между электрооборудованием при его отказах в случае структурной избыточности для усечено-нормального распределения отказов с нормирующим множителем соответствующим 2,0
Как и для структурной избыточности, при экспоненциальном распределении, в случае временной избыточности зависимость [3(9)сШ =
5еи от отношения носит плоскостной характер, для других распределений, учитывающих среднеквадратическое отклонение это уже объемные фигуры, набор объемных фигур получается, когда распределение характеризуется также и нормирующим множителем.
17
Электрооборудование систем электроснабжения может одновременно подвергаться структурной и временной избыточностям. Для определения параметров систем в данном случае предлагается применять следующие зависимости
Данные зависимости можно применять и в случае использования одного вида избыточности. Для неиспользуемой избыточности интегралы отображающие ее степени взаимосвязи в выражениях приравниваются к единице.
Информационная избыточность позволяет управлять процессом влияния структурного и временного резервирования на эффективность функционирования системы, выполнять заранее запланированное ремонт-но-профилактическое обслуживание электрооборудования, не дожидаясь его отказа. Осуществляется это за счет микропроцессорных средств, которые в основном применяются в системах автоматики и релейной защиты. Именно их наличие позволяет в зависимости от условий производственного процесса изменять периоды проведения профилактического обслуживания электрооборудования. Чтобы оценить переход на резервное электрооборудование по новому периоду обслуживания Тр рассчитываются пара-
"(2) (2) "(2)
метры "пр, рпр, "пр. Они соответствуют новому периоду проведения профилактических ремонтов. Осуществив их сравнение с аналогичными параметрами, соответствующими первоначальному периоду обслуживания Тпр в относительных единицах выполнена оценка такого изменения периодичности обслуживания. Результатом служат полученные зависимости
_{ т2 ■"'
- вСл г -ы ^ 1-4ЦР
(2) ' °
= - --Ь---^-: (10)
1р р р Г ее (г) йт Г пР.
18
Выполненные исследования позволяют осуществлять анализ основных параметров (вероятностей, длительностей, частот), характеризующих наработки на отказ и времени восстановления отказов электрического оборудования рассматриваемых систем их соединений, узлов. Основой послужили установленные в процессе исследований функции распределения рассматриваемых параметров.
Список литературы
1. Луцкий В. А. Расчет надежности и эффективности радиоэлектронной аппаратуры [Текст]: справочное руководство / В.А. Луцкий. Киев: Изд-во АН УССР, 1963. 148 с.
2. Цветков В.А. Математическая модель для анализа надежности генераторов с учетом развития дефектов [Текст] / В.А. Цветков // Электричество. 1992. № 11. С. 64 - 66.
3. Фотиев Н.М. Электрооборудование для прокатных и трубных цехов [Текст]: учебник для средн. спец. учеб. заведений / Н.М. Фотиев. М.: Металлургия, 1995. 256 с.
4. Сапожников Р.А. Основы технической кибернетики. Учебное пособие для студентов Вузов. М., 1970. 464 с.
5. Федотов А.В. Основы теории надежности и технической диагностики. Омск : ОмГТУ, 2010. 64 с.
6. Дорофейчик А. Н. Пути повышения надежности электрических сетей. Гродно: ГрГУ, 2007. 203 с.
7. Плосков С.Ю. Расчет надежности при проектировании сетей Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций «Информика». Москва.
8. Зацепина В.И. Зависимости показателей безотказности систем электроснабжения при возмущающих факторах // Энергообеспечение и строительство: сб. материалов III междунар. выставки - Интернет-конф. Орел, 2009. Т. 1. С. 42-46.
9. Зацепина В.И. Функционирование восстанавливаемых систем при учете компенсации искажений напряжения [Текст] / В.И. Зацепина, А.Н. Шпиганович, И.Г. Шилов // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №4. С. 3-7.
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, епег[email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шпиганович Алла Александровна, канд. техн. наук, доц., san@,stu.lipetsk.ги, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
ESTABLISH BASELINE DATA TO ENHANCE THE OPERATION POWER SYSTEMS
V.M. Stepanov, A.A. Shpiganovich
Considered the major inputs to enhance the functioning of electrical systems. Assessment of efficiency of functioning was carried out on the basis of economic analysis, allowing to obtain an optimal methodological system.
Key words: electricity, efficiency, operation of power systems, hardware-software
system.
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, head the department, energy@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Spiranovich Alla Aleksandrovna, candidate of technical science, docent, sanastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.39
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЖНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В.М. Степанов, А. А. Шпиганович
Рассмотрены динамические свойства сложных систем электроснабжения. Определены однотипности электрических систем, установлены причины возникновения негативных возмущений, их влияние на безотказность систем.
Ключевые слова: электроснабжение, эффективность, релейная защита систем электроснабжения, компенсирующие устройства.
На основе анализа динамических свойств сложных многоуровневых систем электроснабжения должно быть выполнено в общем виде, а именно определены однотипности электрических систем, установлены причины возникновения негативных возмущений, их влияние на безотказность систем, изменения основных параметров для реальных систем, особенности избыточностей структурной и временной, управление избыточностями посредством средств автоматики и релейной защиты, возникновения отказов в системах после использования всех видов избыточностей, необходимость применения электроценоза для повышения эффективности функционирования систем.
В качестве анализа однотипности систем электроснабжения, в первую очередь необходимо использовать системы таких мощных производств, как металлургических заводов, а именно доменного, кислородно-конверторного, электросталеплавильного, прокатного, ферросплавного и
