Оценка обеспечения безотказности электроснабжения потребителей при использовании в системе временной избыточности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Применение комбинированного дискретно-частотного способа регулирования температурных режимов УВОГ связано с некоторой потерей экономии электроэнергии за счет использования ЧРП. Например, для варианта 4ДР-8ЧР примерно на 10%, а для варианта 8ДР-4ЧР на 25%. Однако предполагается и снижение затрат на формирование и функционирование систем автоматического управления в рамках САУ ГПА в целом.

6. Комбинированный дискретно-частотный способ регулирования температурных режимов УВОГ может быть интересен и в случае ограничений по компоновке оборудования в блок-боксе САУ ГПА в рамках модульной технологии.

Библиографический список

3. Загоринский, Э. Е. Эффективность применения частотно-регулируемых приводов в ABO газа на КС / Э. И. Загоринский, А. И. Гулиенко // Газотурбинные технологии. — 2007. — № 9. — С. 32-35.

4. Модернизация вентиляторов ABO газа при реконструкции КС МГ / С. B. Алимов [и др.] // Газовая промышленность.— 2009. — № 4. — С. 54-56.

5. Белянкин, Р. B. Частотное регулирование для предотвращения образования гидратов природного газа при его охлаждении / Р. B. Белянкин, Е. B. Устинов, К. С. Хромов// Газовая промышленность. — 2011. — № 2. — С. 79-83.

6. Крупников, A. B. Анализ эффективности регулирования режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях / A. B. Крупников, А. Д. Ваняшов, И. А. Январев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2010. — № 1. — С. 19-23.

1. Алимов, С. В. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования / С. В. Алимов,

B. А. Лифанов, О. Л. Миатов // Газовая промышленность. — 2006. — № 6. — С. 54-57.

2. Шпотаковский, М. М. Один из путей энергосбережения при трубопроводном транспорте природного газа / М. М. Шпотаковский // Технологии нефти и газа. — 2012. — № 6. —

C. 59-64.

ЯНВАРЕВ Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 21.03.2014 г. © И. А. Январев

удк 6213 Г. В. КВАШНИНА

Липецкий государственный технический университет

ОЦЕНКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СИСТЕМЕ ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ

Существующие методы обеспечения безотказности систем электроснабжения предусматривают введение избыточных мощностей, что ведет к росту объёмов энергопотребления и эксплуатационных расходов. В статье описывается взаимодействие элементов электрической системы в условиях временной избыточности на основе теории случайных импульсных потоков. Приведён пример расчета изменения параметров схемы электроснабжения с установкой в ней электрического накопителя. Проанализировано соответствие расчетных и теоретических параметров; дана оценка соответствия полученных результатов технологически необходимым. Полученные результаты позволяют отследить изменение влияния временной избыточности на безотказность электроснабжения потребителя при различных параметрах системы, используемого накопителя и длительностях отказов.

Ключевые слова: временная избыточность, система электроснабжения, накопитель, безотказность.

Распространённым способом повышения надёжности функционирования систем электроснабжения является введение избыточностей. Широко используется в электроснабжении структурное резервирование [1]. Недостатками структурной избыточности являются потребность в большом числе элементов, подвергающихся резервированию, и высоконадежных переключающих элементов. Это вызывает противоречие между требованием к снижению эксплуатационных расходов на содержание и покупку резервного оборудования и требованием к обеспече-

нию безаварийности эксплуатации, что в условиях износа существующего оборудования и роста электропотребления требует как раз наличие резервных мощностей. Разработка способов решения данной проблемы рассматривается при частичной поддержке программы УМНИК по проекту «Аппаратный комплекс оценки и оптимизации функционирования высоковольтного оборудования».

Работы, выполненные ранее [2-4], показали, что одним из путей снижения эксплуатационных расходов при одновременном сохранении безаварийности

I 104

¡2

103 10210 -1 -

<а 10т

Нагрузка

Продолжительность работы

Нагрузка

Рис. 1. Области оптимального использования различных

типов автономных источников тока: 1 — аккумуляторные батареи; 2 — солнечные батареи; 3 — электрохимические генераторы;

4 — ядерные реакторы; 5 — радиоизотопные источники [5]

Рис. 2. Структурная схема расчетной системы электроснабжения: а) до введения избыточности; б) с накопителем

Рис. 3. Влияние временного резерва на изменение вероятности отказа системы при разной длительности времени восстановления 9: 1 — при Рв = Рв = 0,5; 2 — при Рв = Рв = 0,8; 3 — при Рв = Рв = 0,9

Ар,0/», 6040200.

,71,9

12 ичас

час

129 6 -3 -

0

6 9 12 9,час

Рис. 4. Взаимосвязь вероятности работы системы и времени разрядки накопителя:

а) при лвх = 10-5 год-; б) при !вх = 0,5 • 10-4 год1;

, X = 2 • 10-4 год-1

в) при вх и

Рис. 5. Изменение времени питания сети от накопителя в зависимости от времени восстановления системы: а) теоретический график; б) расчетная кривая

3

работы является использование в системах временной избыточности. Для осуществления временного резервирования в качестве устройства для накопления электрического заряда в системе может быть использован автономный источник тока (далее «накопитель»). Выбор типа накопителя, уровня требуемой мощности и ресурса его работы зависят от эксплуатационных параметров резервируемой схемы (рис. 1).

Рассмотрим влияние накопителя на работу электроприёмников III категории, электроснабжение которых допускает питание по одной линии, в том числе с кабельной вставкой, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более одних суток. В общем случае представим резервируемую схему как совокупность последовательного, параллельного и смешанного соединения элементов, обеспечивающих питание потребителя (на рис. 2 условно не показан). Принимаем известными время наработки на отказ каждой ветви блоков смешанного соединения А и С; время восстановления каждого элемента 91 и вероятность работы элементов В и D.

Описание взаимодействия элементов электрической системы в условиях временной избыточности выполним на основе математического аппарата теории случайных импульсных потоков [6]. Будем считать, что в системах с временным резервированием отказы оборудования, с длительностью восстановления, меньше времени полного разряда накопителя не оказывают влияния на работу системы. В этом приближении значимыми можно считать отказы, длительность восстановления которых превышает время разряда накопителя. Вероятность их появления при экспоненциальном законе распределения времени восстановления системы можно оценить согласно:

Рви = Рви | ввиРви

(1)

Ар =

Рв

р

Рв

• 100%

(2)

ность использования временной избыточности монотонно снижается вплоть до отрицательных значений Ар. Это говорит о том, что использование временного резерва в рассматриваемой схеме, при перерывах электроснабжения, необходимых для ремонта или замены поврежденного элемента системы, длительностью более 7,5 часа, не приведёт к увеличению безотказности по сравнению с системой без использования резерва.

Как видно из рис. 1, для резервного питания потребителей от автономных источников, могут быть использованы различные типы накопителей. При этом для временного резервирования электроприёмников III категории наиболее предпочтительным представляется использование аккумуляторов, надежность и срок службы которых во многом зависят от их ёмкости. Действительно, использование избыточной ёмкости аккумулятора сопровождается не только увеличением продолжительности его разряда на нагрузку, но и ужесточает требования к циклу заряда/перезаряда, в частности к величине токов и времени заряда, т.к. продолжительная работа аккумулятора в режиме неполного заряда резко снижает срок его службы. Поэтому для повышения срока службы аккумуляторов в случае их использования в качестве накопителей в схемах временного резервирования ёмкость аккумуляторов желательно выбирать из требования минимально допустимого времени их разряда. В то же время продолжительность работы накопителя на нагрузку в значительной степени влияет на безотказность работы системы с временным резервированием. Рассмотрим взаимосвязь объема накопителя с повышением вероятности работы системы (рис. 3). При этом учитываем, что, согласно [4],

ар = Ро ]еЭоРЭо (в)ав,

(3)

где Р ви и Рви(9) — средняя частота и плотность вероятности распределения длительности не поступления заряда в накопитель, соответствующие отказам оборудования, подвергшегося временному резервированию; 9ви— длительность времени восстановления при наличии временного резервирования.

Тогда изменение вероятности отказа резервируемой системы удобно оценить:

где р и рви — вероятность работы системы без временной избыточности и с её использованием соответственно.

График изменения вероятности отказа при введении временного резервирования приведен на рис. 3. Видно, что риск возникновения отказа при установке накопителя в рассматриваемой системе электроснабжения значительным образом зависит от надежности элементов резервируемой схемы электроснабжения. Так, при временном резервировании схемы с надежностью составляющих её элементов 0,5, вероятность отказа снижается на 75 %. Однако с ростом надежности составляющих схемы электропитания, влияние временного резервирования снижается, и при повышении вероятности работы элементов до уровня 0,9, вероятность отказа системы уменьшается на 19%. При этом с ростом продолжительности электропитания от резервного источника эффектив-

где рэо и Рэо(9) — средняя частота и плотность вероятности распределения пауз в электроснабжении, соответствующих времени восстановления электрооборудования части системы, находящейся после накопителя; 9эо — время восстановления резервируемого электрооборудования.

Результаты расчета (3) приведены на рис. 4. Видно, что с увеличением времени разряда накопителя безотказность системы нелинейно возрастает. Таким образом, повышение безотказности электроснабжения электроприёмников III категории возможно как путем повышения времени разряда накопителя при временном резервировании, так и структурным резервированием системы электропитания. В последнем случае (рис. 2) избыточное структурное резервирование в значительной степени уменьшает эффективность применения временной избыточности при решении задачи повышения безотказности функционирования электросистемы. Таким образом, можно предположить, что для обеспечения временного резервирования при сокращении непроизводительных издержек в накопителе, время разряда накопителя должно быть равно времени восстановления системы (рис. 5, прямая а). Рассмотрим, как изменится эффективность временного резервирования, если в обеспечение минимальной ёмкости аккумулятора, время разряда накопителя будет отличаться от времени, необходимого для восстановления системы. Полагаем, что накопитель обладает единичной производительностью, потери в сети отсутствуют. Тогда:

0

% А

100 90 80 -70 -

9, час

Рис. 6. Доля обеспечения необходимого уровня безотказности анализируемой системы для разных значений времени её восстановления

(-) _ рвых _ (рвх^вх ~ 1) ' 9В,

Л' ' " _ - / . \

" W -I1 - Рвы, )

^в.

(4)

где рвх и Хвх, 9вх — вероятность работы, интенсивность отказов и время восстановления системы на входе накопителя; I — интенсивность потерь сети; Т — производительностью накопителя; рвых — вероятность осуществления питания электрооборудования на выходе накопителя.

Результаты расчета (4) приведены на рис. 5 (кривая б). Из него следует, что с увеличением времени восстановления системы увеличивается разница между реальным и теоретическими значениями времени питания сети от источника. Это объясняется снижением вероятности работы системы с ростом времени восстановления её элементов при наличии временной избыточности.

С целью оценки обеспечения требуемого уровня безотказности рассматриваемой системы (рис. 2) при введении в её структуру временной избыточности провели анализ теоретической и расчётной кривых, представленных на рис. 5. Для этого нашли долю длительности отказа, в течение которой питание сети отсутствует, относительно полного времени восста-

" Г )

х_вых / _

новления как

0„,

-100%. Отняв полученную

величину от 100% (требуемая величина безотказности), получили процент обеспечения необходимого уровня безотказности функционирования системы при разной длительности времени восстановления (рис. 6).

Выводы.

1. Вывили, что для выбранной в качестве примера сети, введение временной избыточности позволяет снизить вероятность отказа системы более чем на 25%.

2. Показали, что изменение влияния временного резервирования на вероятность работы системы является нелинейной зависимостью, и определяется как частотой отказов, так и параметрами самого накопителя. Таким образом, для достижения необходимого уровня безотказности системы введением временного резервирования возможно варьировать как параметры самой системы, так и время разряда накопителя.

3. Выяснили, что реальное время питания системы от накопителя отличается от теоретически необходимого значения. При этом с ростом времени восстановления системы снижается доля обеспечения необходимого уровня безотказности системы, что вносит свои коррективы в процесс выбора резервного источника.

Библиографический список

1. Шпиганович, А. Н., Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения / А. Н. Шпиганович,

B. А. Пестунов. — Елец : ЕГУ им. И. А. Бунина, Липецк : ЛГТУ, 2004. — 281 с.

2. Шпиганович, А. А. Формирование параметров элементов, определяющих функционирование технических систем /

A. А. Шпиганович, С. А. Ляпин, Г. В. Квашнина // Вести высших учебных заведений Черноземья. — 2012. — № 1 (27). — С. 3 — 5.

3. Квашнина, Г. В. Повышение эффективности функционирования сложных систем посредством применения избыточностей / Г. В. Квашнина // Состояние и перспективы развития электротехнологии : материалы XVII Междунар. науч.-техн. конф. (Бенардосовские чтения). — Иваново, 2013. — Т. 1. —

C. 240-242.

4. Квашнина, Г. В. Временное резервирование как актуальный способ повышения эффективности сложных систем / Г. В. Квашнина, А. Н. Шпиганович // Материалы Междунар. заочной науч.-практ. конф. — Липецк, 2013. — С. 25-27.

5. Введение в специальность : учеб.-метод. пособие / Е. А. Чащин [и др.]. — Ковров : ФГБОУ ВПО «КГТА им.

B. А. Дегтярева», 2012. - 368 с.

6. Шпиганович, А. Н. Случайные импульсные потоки / А. Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, В. И. Бош. — Елец : ЕГУ им. И.А. Бунина ; Липецк : ЛГТУ, 2004. — 292 с.

КВАШНИНА Галина Владимировна, аспирантка кафедры «Электрооборудование». Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 28.01.2014 г. © Г. В. Квашнина

Книжная полка

621.3/Н64

Никонов А. В. Электротехника и электроника : учеб. электрон. изд. локального распространения: конспект лекций / А. В. Никонов ; ОмГТУ. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. — 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

Приведены основные теоретические положения электротехники, понятия нелинейных и индуктивно связанных цепей, сведения об электромагнитных устройствах и электрических машинах, необходимые аспекты электроники и данные об электронных компонентах. Показана физическая суть работы типовых функциональных узлов в электрических модулях. Приведены рекомендации по использованию теоретических данных в проектных работах. Конспект лекций предназначен для студентов специальности 230102 и направления 230100.