Совершенствование системы оперативного обслуживания электрических сетей 35-110 кВ

Актуальность проблемы. Повышение надежности работы электроэнергетических систем является одной из главных задач современной электроэнергетики. Решение этой задачи зависит от правильного подхода к организации оперативного обслуживания (00) электрооборудования, от совершенства методов обоснованного принятия решений по ОО. Для этого необходимо всестороннее исследование нормальных и аварийных режимов работы электроэнергетической системы и принятие мер по обеспечению их надежного функционирования.

Актуальность проведенных в диссертации исследований определяется проблемами функционирования и развития электроэнергетики России связанными с износом и старением электрооборудовании, снижением качества и объемов ОО при сохранившихся требованиях к надежности электроснабжения.

Рыночные условия и снижение надежности стареющего электросетевого оборудования ведут к повышению риска возникновения технологических нарушений работы как на подстанциях (ПС), так и на линиях электропередач, к росту расходов на поддержание требуемого уровня надежности в распределительном электросетевом комплексе. Поэтому необходим научный анализ и принятие мер, направленных на повышение надежности за счет рациональной организации и новой стратегии системы ОО электрических сетей (ЭС). Это, в свою очередь, требует разработки соответствующих математических моделей.

Отмеченные обстоятельства определяют актуальность темы, как в теоретическом, так и практическом аспектах и востребованность ее результатов в деятельности проектных организаций, центров управления сетями, структур оперативно-диспетчерского управления и перспективного развития энергосистем.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы».

Соответствие диссертации формуле специальности:

— в соответствии с формулой специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки), объединяющей исследования по связям и закономерностям при планировании развития, проектировании и эксплуатации электрических станций, электроэнергетических систем, электрических сетей и систем электроснабжения, в диссертационном исследовании разработаны комплексы математических моделей и методов их реализации, выполненные для оптимизации работы системы ООЭС 35−1 ГОкВ.

Соответствие диссертации области исследования специальности:

— отраженные в диссертации научные положения соответствуют. области исследования специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы»: по развитию и совершенствованию системы ОО ЭС 35−110 кВ и разработке моделей по её оптимизации с целью обеспечения экономичного и надежного электроснабжения потребителей.

Результаты диссертационного исследования, отраженные в поставленных задачах и имеющие научную новизну, соответствуют пунктам: 1) № 6 «Разработка методовматематического и физического моделирования, в электроэнергетике» -, 2) № 8 «Разработка1, методов: статической? и динамической оптимизации для решения задач в электроэнергетике» — 3)<�№ 11 «Разработка методов, анализа структурной и функциональной^ надежности электроэнергетических систем и? систем электроснабжения" — 4) № 13″ Разработкаметодов использования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки).

Рассмотренные математические модели и алгоритмы оптимизации структуры системы ООЭС. 35 110 кВ позволяют обслуживать все требования- (заявки) ЭС 35−110 кВ: 1) в среднем- 2) с заданным средним временем обслуживания- 3) с заданной? вероятностью обслуживания и надежностью выполнения требования при минимальных.затратах. Математическиемодели учитывает надежность оборудования электрических сетей и характеристики обслуживающих приборов (ОП), с точки зрения теории массового обслуживания (ТМО), таких как устройства телемеханики и автоматики (ТМиА), а также возможные различные формы организации ОО ПС персоналом сетей. Разработана модель и алгоритм адаптивного управления структуройсистемы' ОО ЭС 35—110 кВ по критерию минимума затрат. Разработан комплекс программ, реализующий предложенные алгоритмы и подходы по оптимизации? системы ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат. Внедрение программ дает экономический эффект, заключающийся в сокращении затрат на ОО ЭС 35−110 кВ, и технический эффект, заключающийся в сокращении средней продолжительности аварийного отключения потребителей 1 и 2 категории.

Целью работы является разработка новых и совершенствование существующих методов оптимизации системы ОО ЭС 35−110 кВ. В соответствии с указанной щелью были поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработана математическая модель, и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при" обслуживании всех требований в среднем.

2. Разработана математическая модель и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований с заданным средним временем обслуживания.

3. Разработана математическая модель и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

4. Разработана модель и алгоритм адаптивного управления структурой системы ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат.

5. Разработан комплекс программ, реализующий предложенные алгоритмы и подходы по оптимизации системы ОО ЭС 35−110 кВ.

Объектом исследования являются-ЭС 35−110 кВ.

Предметом исследования является система ОО ЭС 35−110 кВ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены: системный анализ, методы теории надежности, теории1 массового обслуживания, теории вероятности и математической статистики, булева линейного программирования.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели и алгоритмы, позволяющие оптимизировать систему ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат, которая обслуживает все требования: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

2. Разработана методика позволяющая создать рациональную систему ОО ЭС 35−110 кВ, обслуживающую с минимальными затратами все требования: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения. Методика отличается от известных более полным учетом надежности оборудования ЭС и характеристик ОП с точки зрения ТМО, таких как устройства ТМиА, а также различных форм организации 00 ПС персоналом.сетей.

3. Впервые получены расчетные и аналитические зависимости влияния основных составляющих и ограничений целевой функции оптимизации на величину затрат на систему 00 ПС 110(35)/10(6) кВ.

4. Впервые получены расчетные и аналитические зависимости влияния абсолютной и относительной чувствительности к величине затрат на систему 00 ПС 110(35)/10(6) кВ от основных составляющих и ограничений целевой функции оптимизации.

Практическая ценность.

1. Предлагаемые модели, алгоритмы и способы управления системой 00 ЭС 35−110 кВ позволяют при ограниченных финансовых, трудовых и временных ресурсах обеспечить надежность электроснабжения и повысить эффективность 00.

2. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы для построения рациональной системы 00 ЭС 35−110 кВ. Программы позволяют создать рациональную систему 00 ЭС 35−110 кВ, обслуживающую с минимальными затратами все требования, связанные с аварийным отключением потребителей 1 и 2 категории: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

Программа «Определение оптимальной формы обслуживания электрических подстанций» зарегистрирована в государственном Реестре программ для ЭВМ № 2 010 617 933 от 2 декабря 2010 г.

3. При изменении структуры системы 00 Печорской РЭС экономический эффект составляет 1 млн. 332 тыс. руб. в год.

4. Практические рекомендации по снижению затрат на систему ОО и повышению надежности электроснабжения потребителей ЭС 35−110 кВ.

5. Для методики создания рациональной системы 00 ЭС 35−110 кВ была проанализирована повреждаемость электрооборудования ПС и линий электропередач с указанием причин и признаков последствий отказов в зависимости от сезонных и суточных колебаний. Проанализирован объем и состав потока требований, поступающий в систему ОО при плановых и аварийных работах.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений и результатов, изложенных в диссертации обеспечивается корректным применением теории, многосторонним учетом большого числа факторов и условий функционирования электрических сетей, адекватностью используемых математических моделей. Подтверждается расчетом большого числа примеров для реальных электрических сетей и совпадением полученных результатов с экспертными оценками специалистов, занимающихся эксплуатацией электрических сетей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Математическая модель и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему 00 ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований в среднем.

2. Математическая модель и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему 00 ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований с заданным средним временем обслуживания.

3. Математическая модель и алгоритм, позволяющие оптимизировать систему 00 ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

4. Методика более полно учитывающая надежность оборудования ЭС и характеристики ОП, позволяющая создать рациональную систему ОО ЭС 35 110 кВ, обслуживающую с минимальными затратами все требования: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

5. Впервые полученные расчетные и аналитические зависимости влияния основных составляющих и ограничений целевой функции оптимизации на величину затрат на систему 00 ПС 110(35)/10(6) кВ.

6. Впервые полученные расчетные и аналитические зависимости влияния абсолютной и относительной чувствительности к величине затрат на систему ОО ПС 110(35)/10(6) кВ от основных составляющих и ограничений целевой функции оптимизации.

Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит разработка математических моделей [10, 14, 15], алгоритмов [11], выбор аппаратного и программного обеспечения оперативно-информационного комплекса АСУ ТП электроснабжением [8, 9], анализ результатов [5, 6, 7,13, 104].

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на: 1-й Международной научной конференции «Автоматизация, Энергетика, Компьютерные технологии» (Псков, 2007 г.) — Международном научном семинаре им. КШ. Руденко (Харьков, 2006 г.- Вологда, 2007 г.- Иркутск, 2008 г.- С-Пб, 2009 г.- Ялта, 2010 г. — см. Приложение 1) — Международной научной-конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-22» (Псков, 2010 г.) — Расширенном заседании кафедры электропривода и систем автоматизации Псковского государственного политехнического института с участием ведущих специалистов кафедр электроэнергетики и теоретических основ электротехники (Псков, 2010 г.) — см. Приложение 2. Диссертация была апробирована и получили одобрение на 82-м заседании международного научного семинара им. Ю. Н. Руденко «Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики» (Ялта, 2010 г.).

Результаты работы реализованы в электрических сетях «Псковэнерго» МРСК «Северо-Запада». Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе (специальность 140 211 «Электроснабжение») при изучении дисциплин «Математическое моделирование технических систем», «Надежность электроснабжения» и «Электрические сети и системы» на кафедре «Электроэнергетика» Псковского государственного политехнического института. Программа «Определение оптимальной формы обслуживания электрических подстанций» зарегистрирована в государственном Реестре программ для ЭВМ № 2 010 617 933 от 2 декабря 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них — 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 — в иностранном журнале и 1 программа, зарегистрированная в государственном Реестре программ"для ЭВМ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста и состоит го введения, четырех глав, выводов, списка, литературы (113 наименований источников) и имеет 4 приложения на 25 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В диссертационной работе поставлена и решена важная научно-техническая задача современной электроэнергетики, связанная’с повышением эффективности и надежности функционирования оборудования электросетевого распределительного комплекса путем оптимизации структуры системы ОО ЭС 35−110 кВ.

2. Разработаны математические модели и алгоритмы позволяющие оптимизировать систему ОО ЭС 35−110 кВ по критерию минимума затрат при обслуживании всех требований: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

3. Разработана методика, позволяющая создать рациональную систему ОО ЭС 35−110 кВ, обслуживающую с минимальными затратами все требования: а) в среднемб) с заданным средним временем обслуживанияв) с заданной вероятностью обслуживания и надежностью выполнения.

4. Впервые получены расчетные и аналитические зависимости влияния основных составляющих и ограничений целевой" функции оптимизации на величину затрат на систему ОО ПС 110(35)/10(6) кВ.

5. Впервые получены расчетные и аналитические зависимости влияния абсолютной и относительной чувствительности к величине затрат на систему ОО ПС 110(35)/10(6) кВ от основных составляющих и ограничений целевой функции оптимизации.

6. Для методики оптимизации системы ОО ЭС 35−110 кВ была проанализирована повреждаемость электрооборудования ПС и линий электропередач с указанием причин и признаков последствий отказов в зависимости от сезонных и суточных колебаний. Проанализирован объем и состав потока требований, поступающий в систему ОО при плановых и аварийных работах.

7. Разработан комплекс программ на базе стандартного программного продукта MS Excel для исследования и проектирования системы ОО электросетевого оборудования. Программа «Определение оптимальной формы обслуживания электрических подстанций» зарегистрирована в государственном Реестре программ для ЭВМ № 2 010 617 933 от 2 декабря 2010 г. Программы могут использоваться проектными и научно-исследовательскими организациями при решении вопросов перспективного развития и организации эксплуатации ЭС.

8. Разработанная методика и комплекс программ апробированы и внедрены в электрических сетях «Псковэнерго» МРСК «Северо-Запада». Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в рамках курсов «Математическое моделирование технических систем», «Надежность электроснабжения» и «Электрические сети и системы» на кафедре «Электроэнергетика» Псковского государственного политехнического института. Основные теоретические результаты, полученные в диссертации, а также разработанные автором модели могут быть использованы: а) при организации системы 00 ЭС различных регионов Россииб) при решении задач подготовки и повышения квалификации специалистов электроэнергетического профиля.