Проблемы надежного и безопасного функционирования больших т1хнических систем

Типичными примерами больших технических систем являются энергетические комплексы и системы, телефонные сети крупных городов, междугородней и сотовой связи, системы речного, морского, воздушного транспорта, производственные процессы, информационные, экономические, банковские и другие системы.

В соответствии с информацией, полученной из ряда научных публикаций, в мире ежегодно возникает до 300 млн аварийных ситуаций, аварий и катастроф. Это до 1 млн в день! Ежегодно это число возрастает примерно на 5%. Естественно, что сегодня есть озабоченность таким развитием событий, и это относится не только к человеческим жизням, увечьям, которые происходят в результате этих аварий и катастроф, но также и к тому ущербу, который наносят эти катастрофы окружающей среде, оборудованию, людям.

Есть понятие «фоновая безопасность» — вероятность гибели человека в ситуации, не связанной напрямую с современным уровнем развития техники. Естественно, что в каждый период развития общества эта величина может быть разной. В настоящее время на 1 млн человек имеется примерно одна жертва в год, т. е. эта вероятность составляет р = 10^-6 1/год. Использование современной техники и функционирование сложных технических объектов существенно увеличивает прогнозные оценки этого неблагоприятного события.

Так, вероятность погибнуть при поездке на автомобиле возрастает в 100 раз по сравнению с фоном. На предприятиях горнодобывающей промышленности она увеличивается в 1000 раз. На предприятиях химической, металлургической, нефтеперерабатывающей промышленности, на нефте-, газои продуктопроводах ситуация также далека от того, чтобы се считать нормальной. При сейсмических воздействиях ситуация еще более осложняется.

Масштабы риска смерти на одного человека в год характеризуются данными табл. 1.1.

Для большей наглядности риск, а также вероятность отказа элемента, устройства, системы часто представляется шкалой, выраженной в баллах (табл. 1.2).

Таблица 1.1.

Таблица 1.2.

Большой практический интерес представляют временные интервалы, в пределах которых возникают критические последствия отказов функционирования больших технических систем.

Табл. 1.3 [11 наглядно иллюстрирует зависимость времени действия опасности, в течение которого зарождаются, развиваются и действуют поражающие факторы.

Считается, что прямые экономические потери от техногенных катастроф и затраты, связанные с ликвидацией их последствий, соотносятся в среднем как 1:5, а в отдельных случаях даже как 1:10.

Ущерб от бедствий и катастроф сравним с ущербом от военных действий. Военные конфликты последних десяти лет в разных странах привели к переселс;

нию 12 млн человек, природные и техногенные катастрофы — 10 млн. Проводили эти вероятностные оценки органы государственного надзора и их научные центры, а также отраслевые институты в различных отраслях промышленности. Поскольку техногенная опасность касается каждого из нас, естественно, что такая ситуация не может считаться нормальной.

Таблица 1.3.

ВРЕМЕННОЙ МАСШТАБ ОПАСНЫХ СОБЫТИЙ.

В этой связи возникает естественное желание государственных, неправительственных и других организаций быстро и с минимальными затратами всех видов ресурсов улучшить состояние дел, связанных с надежностью, безопасностью и экономичностью функционирования больших технических систем. Однако, как показывает практика, простых решений в современных системах, особенно жизнеобеспечивающих, не существует.

Рассмотрим несколько проблем на примере электроэнергетики, являющейся одной из жизненно важных больших технических систем.

Изношенность основных фондов отрасли колоссальная. За последние 15″ 20 лет более 70% основного электроэнергетического оборудования выработало свой ресурс. При анализе причин и попытке ответить на вопрос: «Кто виноват?» — существуют два основных обстоятельства, которые чрезвычайно затрудняют однозначный ответ.

Первое определяется тем, что развитие аварии — сложный технологический процесс, напрямую связанный с человеческим фактором. Поэтому не только сложно найти виновных, но и очень трудно разобраться в причинах, которые скрыты на поврежденном объекте, даже приблизиться к которому (при авариях химических и радиационных) сразу нс всегда возможно.

Второе обстоятельство, влияющее на результаты расследования, связано с некоей корпоративной круговой порукой, когда проектировщикам, изготовителям и эксплуатирующей организации просто невыгодно четко установить причину и кого-то наказать.

Следует подчеркнуть, что сегодня ситуация меняется. Это связано с выходом федеральных законов в области безопасности. Это, прежде всего «Закон о безопасности» (1992 г.), «Закон о техническом регулировании» (2002 г., с поправками 2007 и 2009 гг.), «Закон о естественных монополиях» (1995 г., с изменениями 2001 г.), «Закон об использовании атомной энергии», (1995 г. с изменениями 1997, 2001;2004, 2006, 2007 гг.) «Закон об электроэнергетике* (2003 г. с поправками 2008 г. и изменениями 2010 г.), где впервые сделана попытка четко определить ответственность.

Проанализируем наиболее значительные примеры техногенных аварий, относящихся к электроэнергетике.

• 9 ноября 1965 г. в объединенной энергосистеме группы северо-восточных штатов США и Канады отключение одной линии с нагрузкой 350 МВт (примерно 2,5% мощности от двух непосредственно связанных частей энергосистем) привело к крупнейшей системной аварии и длительному' перерыву электроснабжения в районе с населением 30 млн человек (7 штатов США и 2 провинции Канады). Остановились промышленные предприятия, остались без света города и поселки, был парализован транспорт, прекратило работу телевидение и часть радиостанций, нарушилась телефонная связь. Аэропорты не могли принимать и выпускать самолеты, образовались заторы на железнодорожных вокзалах, тысячи людей застряли в остановившихся лифтах. Электроснабжение было восстановлено через 14 час. Убытки этой «аварии века» составили на тот момент 100 млн дол.
• 13 июня 1977 г. в Нью-Йорке произошла крупнейшая системная авария, уступающая по своим масштабам лишь аварии 1965 г. Восстановилась нормальная работа энергосистемы лишь через 25 час. Убытки составили 300 млн дол.
• 20 декабря 1978 г. произошла крупнейшая в истории Франции системная авария, причиной которой стал выход из строя в результате перегрузки одной из высоковольтных линий электропередачи. Полностью была нарушена деловая жизнь страны, остановились 1 100 пригородных электропоездов, прекратил работу метрополитен Лиона, Марселя, других городов. Последствия аварии отразились и на Швейцарии. Ушерб, по предварительным оценкам, составил 4 млрд франков.

Во время крупной аварии в Алма-Ате с 7 по 11 февраля 1986 г. по причине смога произошло одновременное перекрытие изоляции на 6 опорах различных линий электропередачи 110 кВ. ТЭЦ-1 «села на нуль». ТЭЦ-2 и ГРЭС отключились от перегрузки. Отключились больницы, кинотеатры, аэропорт, правительственные здания. Смог стоял до 17 февраля; включались одни, но отключались другие ЛЭП.

В апреле 1986 г. произошла крупнейшая авария на Чернобыльской АЭС, последствия которой привели к международной техногенной катастрофе.

В 1987 г. в двух крупных электроэнергетических системах (ЭЭС) (французской и токийской) возникли сложные аварийные ситуации, обусловленные дефицитом мощности. 12 января западная часть французской ЭЭС работала с высокой нагрузкой из-за низкой температуры воздуха. Аварийные события начались с отключения четырех энергоблоков на одной из ТЭС, затем отключились еще девять блоков на четырех АЭС. В сети 330 кВ напряжение упало до 180 кВ. Общий объем разфузки составил 12 млн кВт. Аварийный режим был ликвидирован через 10 час.

23 июля режим токийской энергосистемы определялся высокой температурой наружного воздуха (36−39°С) и чрезвычайно большой скоростью нарастания нагрузки — 400 Мвт/мин (до этого максимально зафиксированная скорость нарастания нагрузки составляла 190 МВт/мин). Напряжение в сети 500 кВ упало до 370 кВ. Аварийный режим был ликвидирован за 4 час.

Короткие замыкания часто являются причиной пожаров. 23 марта 1982 г. на Бакинском нефтеперерабатывающем заводе в результате короткого замыкания на подстанции возник пожар на комплексе по первичной переработке нефти. Из деформированных трубопроводов текло горючее. Возникла опасность взрыва емкостей с бензином.

Пожар на Останкинской телебашне в 2000 г. произошел в результате короткого замыкания на перегруженных кабельных линиях.

Известны случаи пожаров в общественных зданиях из-за коротких замыканий в неисправной электропроводке.

11 августа 1996 г. из-за жары и резкого роста электропотребления произошли отключения потребителей в западных штатах США, которые затронули 4 млн человек и продолжались до 10 час.

В июле 1999 г. рекордная трехдневная жара в Нью-Йорке (США) привела к искривлению опор ЛЭП, в результате чего электроснабжение отдельных районов города было прервано на 19 час.

В 2000 г. в системе «Свердловскэнерго» произошла крупная каскадная авария, распространившаяся на сети «Челябэнерго* и «Курганэнерго». Она привела к остановке в течение 7 мин не только трех тепловых станций, но и ядерных объектов: Белоярской АЭС и ПО «Маяк». Непосредственной причиной аварии стал «человеческий фактор»: ошибки оперативного персонала и органов диспетчерского управления.

Из-за короткого замыкания в 2001 г. на складе боеприпасов в Приморье последствия взрывов снарядов и разлета ракет ликвидировались более недели.

При бомбардировках американской авиацией Югославии в 2000 г. были применены так называемые «графитовые бомбы*. Они сбрасывались на объекты электроэнергетики с целью вызвать короткие замыкания на открытых распределительных устройствах и линиях электропередачи.

В 2003 г. по крупнейшим энергосистемам мира прокатился каскад аварий. 14 августа в энергосистеме США и Канады отключились 263 электростанции (531 блок) с нагрузкой 61 800 МВт. Район с населением 50 млн человек остался без электричества (Нью-Йорк, Детройт, Кливленд, Торонто, Оттава). Последствия аварии были ликвидированы за двое суток; ущерб — 10 млрд дол.

• 18 августа вся территория Грузии осталась без электроэнергии, что привело к прекращению подачи воды и срыву работы других важнейших систем жизнеобеспечения.
• 28 августа в Великобритании на 1 час были обесточены 3 системные подстанции с нагрузкой 724 МВт в районе с населением 250 тыс. человек.
• 2 сентября произошла крупная авария в Мексике. Город Мехико с населением 4 млн человек остался без электроэнергии.
• 28 сентября вся энергосистема Италии была погашена из-за дефицита мощности.

Крупнейшая московская авария — 25 мая 2005 г. Столица и еще 24 города Московской, Калужской и Тульской областей остались без электричества. Не работало 5 линий метро; наземный электротранспорт: отменено 145 пригородных поездов, с опозданием прибыли 32 и отправлены 27 пассажирских поездов дальнего следования, прекратилось движение трамваев и троллейбусов; не работали светофоры, лифты, телефоны, кондиционеры, холодильники (жара: / = 30 °С), интернет, электронные замки, в дома перестала поступать вода, главные московские биржи ММВБ и РТС вынуждены были прервать торги; в Москву-реку было сброшено 150 тыс. кубометров сточных вод, на птицефабриках Московской, Тульской области из-за отсутствия вентиляции погибли около 1 млн кур. В первый момент после катастрофы специалисты прогнозировали ущерб более 30 млрд руб., через полгода в официальных сводках приведена явно заниженная цифра — 2 млрд. Но вряд ли можно экономически оценить страх людей, оказавшихся запертыми в полной темноте в метро или в лифте, тревогу за оставшегося дома ребенка, если даже ситуация разрешилась благополучно.

Сентябрь 2006 г. — взрыв на водонасосной станции в Подмосковье (г. Красногорск) из-за несанкционированного сброса в канализацию продуктов, содержащих ацетон. Более 3 суток 260 тыс. жителей оставались без централизованного водоснабжения и канализации.

17 августа 2009 г. произошла крупная системная (техногенная) авария на крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС.

В августе 2010 г. — каскад аварий в электросетях Северо-Запада Росии.

Конец декабря 2010 г. сопровождался обильными снегопадами, которые привели к массовым отключениям потребителей в центральной России.

11 марта 2011 г. в результате землетрясения и последовавшего за ним цунами произошли аварии на японских АЭС «Фукусима-1» и «Фукусима-2*. Из строя вышли системы охлаждения первого, второго и третьего реакторов на «Фукусиме-1*, и первого, второго и четвертого на «Фукусиме-2».

Короткие замыкания в сетях автономных объектов (суда, самолеты, поезда, космические аппараты и т. п.), кроме возможности полного уничтожения объекта, несут угрозу жизни людей.

Есть примеры непредусмотренных, практически мгновенных, изменений электрической нагрузки, что выдвигает угрозу нарушения устойчивости жизненно важных систем. В начале 60-х гг. XX в. это происходило из-за не согласованных с диспетчерским управлением энергосистемы телевизионных трансляций футбольных и хоккейных матчей, популярных в тот период мультфильмов. Нагрузка практически мгновенно изменялась на 1 млн кВт, что приводило к ударным воздействиям на генерирующее и распределительное оборудование электрических сетей.

Из приведенных примеров наглядно видно, что человечество живет в искусственно созданном мире — техносфере. Через нее происходит взаимодействие с Природой.

Техносфера — технико-социальная система, которая образуется определенным образом организованными людьми с соответствующим уровнем культуры, образования и специализации в процессе их деятельности. Сложился даже взгляд на историю и современное состояние общества через изучение техникосоциальных систем, на которых базируется жизнеустройство. Каждая общественная формация строит «свою» техносферу под воздействием природных условий и культурных норм. Эго видно на примере таких древнейших технических устройств как одежда и жилье. У собирателей и охотников, крестьян и скотоводов-кочевников, ремесленников и торговцев были сформированы техносферы, соответствующие условиям их жизни и деятельности.

В истории Древнего Мира выделялись «гидравлические цивилизации», когда жизнеустройство складывалось вокруг больших ирригационных систем.

Становление жизнеустройства современного индустриального общества связано с возникновением и развитием больших технических систем жизнеобеспечения населения (электро-, тепло-, водо-, газоснабжение, системы ЖКХ, средств связи и прессы, компьютерных сетей, системы экономики и управления и др.). Сложившись в зависимости от природных условий, состояния экономики, культурного и образовательного уровня развития общества, доступности ресурсов большие технические системы стали институциональными матрицами, на которых воспроизводится данное общество.

Институциональная матрица — большая технико-социальная территориально распределенная система, которая сложилась в характерной для данной цивилизации форме и предопределяет образ жизни и деятельности людей.

Исторически складывающиеся объединения и пересечения этих матриц достаточно жестко задают пространство техносферы, соответствующее данному уровню развития общественной формации. Естественно, что такие институциональные матрицы инерционны и имеют большое количество связей с другими техническими, социальными и общественными системами.

Современная техносфера располагает огромной энергетической базой, которая имеет различные виды полей и излучений. Диапазоны размеров технических устройств и сооружений простираются от 10*⁹ м (функциональные элементы микроэлектроники) до 10⁶ м (железные дороги, линии электропередачи). Диапазон энергопотребления, или энерговыделения — от долей микроватта (микроэлектроника) до тысяч гигаватт (объединённые электроэнергетические системы). Одно устройство (вычислительная система) может содержать десятки миллионов элементов. Однако этот огромный технический мир, в котором мы живём и который совершенствуем, относительно прост. Вся техносфера проще, чем организм любого млекопитающего, а любое устройство (механическое, электрическое, электронное) несравненно проще единственной биологической клетки.

Преобразования больших технических систем, которые соединяли огромные территории в единое государство — новый, глобальный проект. Поэтому очевидно, что реструктуризация или замена их на более совершенные требует колоссальных экономических и больших временных затрат, учета непредвиденных потерь. Успех преобразований зависит от продуманности реализуемых структур, постепенности их введения, строгого и глубокого научного анализа возможных экономических и социальных последствий каждого шага, рациональных механизмов исключения доминирования отдельных субъектов конкурентного рынка.

Попытки механически перенести в иную культуру большую техникосоциальную систему, которая хорошо зарекомендовала себя в других условиях, часто заканчивались крахом или были сопряжены с тяжелыми потрясениями. Так, попытка демонтажа больших технико-социальных систем бывшего СССР и создания новых, соответствующих рыночной экономике западного образца, длится более 20 лет.

Естественно, что нарушения работоспособности больших технических систем влияют на процессы жизнеобеспечения (технической, экономической и социальной безопасности государства). Однако даже в случаях крупных системных аварий при стабильном состоянии институциональных матриц, построенных для удовлетворения потребительского спроса, а не извлечения прибыли, последствия их обычно не выходят за критические пределы устойчивости функционирования конкретной отрасли.

Восстановление происходит относительно быстро, поскольку основная цель существования таких систем — обеспечение реально допустимого, надежного и бесперебойного спроса общества в целом.

По Конституции РФ обеспечение безопасности населения — важнейшая функция государства. Поэтому должна существовать возможность создания и привлечения по мере необходимости значительных технических и экономических резервов на длительном периоде эксплуатации любых жизненно важных систем и в первую очередь энергетических, транспортных, информационных.

Другое дело, когда вся техносфера или ее отдельные подсистемы находятся в стадии принципиальной реструктуризации.

Переход от плановой экономики к рыночным отношениям связан с расчленением единых систем и индивидуализацией выделенных подсистем:

• — разделение систем производства и передачи электрои теплоэнергии;
• — разработка и внедрение автономных источников энергии вместо централизованных и т. п.

Делается это с целью извлечения максимальной прибыли {удовлетворения платежеспособного спроса потребителей товаров и услуг).

При этом происходят глубокие структурные изменения основных систем жизнеустройства, меняются принципы вложения инвестиций, структура систем управления на всех уровнях территориальной и временной иерархии.

Возникают проблемы, связанные с неопределенностью долгосрочного развития таких систем, сохранения показателей их надежности, живучести и экономичности на допустимом по условиям безопасности уровне, проведением регулярных ремонтно-профилактических работ, созданием эксплуатационных и аварийных резервов.

Рост числа аварийных отказов и затрат на их ликвидацию, увеличение угроз крупных системных аварий (катастроф), при снижении материального уровня жизни многих людей превращается в политическую проблему общественной и государственной безопасности.

На основании изложенного можно констатировать, что в рамках институциональных матриц существует класс больших систем техники и экономики для которых критерии надежности для потребителей и экономической выгоды для производителей товаров и услуг рынка нс совпадают. Здесь нс работают классические законы рыночных отношений, а создать идеальный экономический механизм, позволяющий функционировать на основе рыночных принципов без участия государственных структур, чрезвычайно сложно.

Рассмотрим несколько классических примеров.

Сравнение величин системного резерва в области электроэнергетики для бывшего СССР и США показывает, что в США он был в 3 — 5 раз больше. Однако за счет системного эффекта ЕЭС СССР имела показатели надежности существенно выше. Это подтверждено анализом последствий крупных «аварий прошлого века», произошедших в США, которые приводили к полному «погашению» территорий с населением около 30 млн человек. Кроме того, следует учитывать, что содержание дополнительных дорогостоящих резервов источников энергии, магистральных и распределительных сетей увеличивает себестоимость тепловой и электрической энергии, что через тариф практически целиком ложится на потребителя.

Реализация предложений по внедрению децентрализованных источников энергии успешно решает проблему энергоснабжения конкретного объекта, но снижает загрузку общесистемных объектов, что приводит к увеличению себестоимости энергетической продукции для абсолютного большинства остальных потребителей. Инвестиции, заложенные в эти источники, могут нс окупиться в связи с ожидаемым завершением газовой паузы (льготных условий поставки газа на внутренний рынок). После этого они не составят конкуренции мощным, и поэтому более экономичным, энергетическим объектам. При этом следует учесть, что в силу большой инерционности систем энергетики невозможно в короткий период восстановить дефицит системных энергетических мощностей, и последствия подобных действий могут быть соизмеримы с последствиями Калифорнийского кризиса начала XXI в.

В результате повышения тарифов на промышленное тепло сложилось положение, противоречащее здравому смыслу и рыночной логике. Промышленным потребителям стало невыгодно покупать тепло ТЭЦ из-за резкого повышения тарифов. Они начали строить «свои» котельные. При этом тепловые мощности ТЭЦ становятся невостребованными, практически все затраты относятся на электроэнергию, стоимость которой может существенно превысить цены оптового рынка. Вследствие этого электрические мощности ТЭЦ снижаются, она переходит в менее экономичный режим, становится неконкурентоспособной и, в предельном случае, выводится из эксплуатации. В условиях, когда основные энергетические мощности на 70% и более выработали свой ресурс, это приведет к возрастанию дефицита электрической мощности и энергии в системе и, как следствие, необходимости отключения потребителей.

Эти примеры наглядно показывают, что реализация механизма чисто рыночных отношений в энергетике сопровождается угрозой нарушения ее устойчивого развития и функционирования, что отражается в тенденции приближения индикаторов безопасности ее функционирования к пороговым уровням. Особенно остро проблема безопасности проявляется в последние годы из-за нарушения условий развития и эксплуатации технических систем:

• — резко снижен ввод новых мощностей;
• — отсутствуют и (или) сокращены объемы профилактических работ;
• — снизилась квалификация проектировщиков, эксплуатационного и ремонтною персонала;

~ возникла проблема неплатежей за использованные ресурсы;

— происходят хищения отдельных элементов технических систем (проводов и опор воздушных линий электропередачи, кабелей, цветного металла защиты изоляции наружных тепловых сетей, контрольно-измерительных приборов и систем и т. п.).

На основании общей теории надежности известно, что в конце жизненного цикла технического устройства интенсивность отказов его элементов X близка к экспоненте (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Интенсивность отказов элементов технического устройства: т/ «Ь ~ *1;^т; ^к 'з ~ Ы tj > tj; а* >> J* > Ч Следовательно, при достижении определенных пороговых значений (/3) она выходит из-под контроля и возрастает лавинообразно. Поэтому очевидно, что критическое состояние может быть достигнуто уже в ближайшее время. Переход в близкое к этому состояние резко увеличивает длительности аварийных простоев, а стоимость ликвидации последствий аварийных отказов становится несоизмеримой с затратами на проведение профилактических ремонтов, средства на которые «съедаются» аварийными. Поскольку аварии создают чрезвычайные ситуации, для их устранения выделяются средства из федерального бюджета, что при больших объемах приводит к изменению показателей безопасности уже на государственном уровне.

Большое влияние на безопасность и устойчивость функционирования институциональной матрицы оказывают связи отдельных подсистем, се формирующих. Так, многие системы централизованного теплоснабжения еще достаточно надежно функционируют только благодаря примитивности оборудования, поддающегося восстановлению простейшими ремонтами и большому запасу прочности, заложенному в их элементах. Нарушение режимов теплоснабжения населения приводит к резкому увеличению потребления электроэнергии на обогрев жилища. Часто (особенно в районах старой застройки) это приводит к перегрузке внутридомовых сетей, как правило, не рассчитанных на такое увеличение нагрузки. В лучшем случае бытовые потребители отключаются автоматически и остаются уже без тепла и света. При нарушении технологической дисциплины энергетическими службами ЖКХ, в части установок защиты от перегрузок, возникает опасность пожара и (или) даже каскадного развития повреждений оборудования электрических сетей и трансформаторных подстанций, переходя в пределе и на системы водои газоснабжения.

В отличие от рассмотренных ситуаций, в плановой экономике и при государственном регулировании отдельные жизненно важные элементы институциональных матриц не конкурировали, а «складывали усилия». Глобальный оптимум соответствовал рациональным (с точки зрения технико-экономического состояния общества) значениям критериев безопасности, надежности, экономичности, что и составляло социальную эффективность технических систем.

В Федеральном законе об электроэнергетике РФ сделано заявление, что разрабатываемые модели функционирования, развития и регулирования рыночных отношений в отрасли должны быть рассчитаны на сохранение ряда исторически сложившихся элементов развития этой институциональной матрицы, включающей:

• — единую национальную системообразующую сеть,
• — централизованную систему оперативно-диспетчерского управления,
• — систему государственного регулирования.

С другой стороны, предполагается формирование принципиально новых экономических механизмов, рыночных структур и систем хозяйственных отношений между субъектами рынка, обеспечивающих целенаправленное развитие конкурентной рыночной среды, поскольку прямое экономическое регулирование функционирования больших технических систем в условиях свободного рынка не осуществляется.

Государственные органы не вправе использовать ценовые методы регулирования за исключением случаев, прямо установленных федеральными законами. Действующий Закон «О естественных монополиях» выделяет два метода такого регулирования:

• 1) ценовое ре! улирование посредством определения (установления) цен (тарифов) или их предельного уровня;
• 2) выделение потребителей, подлежащих обязательному обслуживанию и (или) установление минимального уровня их обеспечения в случае невозможности удовлетворения в полном объеме потребностей продукцией, производимой (реализуемой) большой технической системой, с учетом необходимости защиты прав и законных интересов граждан, обеспечения безопасности государства, охраны природы и культурных ценностей.

Однако при изучении опыта регулирования естественных монополий стран с рыночной экономикой установлено, что перечень возможных методов существенно шире. В США и Великобритании наблюдается тенденция восстановления части государственных регламентаций. Ожидается, что это должно положительно отразиться и на потребителях, и на производителях разных видов продукции, особенно в отраслях естественных монополий.

Малый практический опыт реализации электроэнергетической продукции на конкурентном рынке и неподготовленность рыночной среды вызывают необходимость длительного переходного периода, в течение которого должно происходить совершенствование рыночных механизмов, хозяйственных взаимоотношений и взаиморасчетов с его участниками, системы государственного антимонопольного регулирования.

Недостаточное развитие механизмов регулирования рынка предопределяет обязательное наличие системы государственного антимонопольного регулирования деятельности энергетических компаний, осуществляющих поставку электроэнергии на рынок, либо транспортировку ее по собственным или арендуемым электрическим сетям.

Основной целью такого регулирования являются защита экономических интересов потребителей (покупателей) электроэнергии, регламентирование направлений производственной деятельности энергетических компаний, контроль результатов их финансовой деятельности.

Вмешательство государства в собственно экономическую сферу оправдано и необходимо в той степени, в которой это требуется для создания и поддержания условий функционирования жизненно важных структур, самостоятельная выживаемость которых в условиях рынка становится проблематичной. Поэтому система государственного регулирования должна постоянно корректироваться и ни о какой завершенности периода реструктуризации не может быть и речи.

Следует отметить, что международный опыт проведения реформ в электроэнергетике показывает, что странам Запада понадобились десятки лет (конкуренция между некоторыми американскими фирмами продолжается уже более века) и огромные затраты для того, чтобы только приблизиться к определившейся за эти годы модели рынка.

Поскольку в рыночной среде текущие цели, как правило, превалируют над долгосрочными, результаты, полученные в разных странах при реализации краткосрочных целей, весьма спорны. Последствия реализации долгосрочных целей еще более неоднозначны и часто отрицательны, поскольку в долгосрочной перспективе свободный рынок явно нестабилен, что и ведет к большим колебаниям цен.

Это связано с главенствующей ролью сложной и неподдающейся быстрым преобразованиям электроэнергетической отрасли в обеспечении безопасности государства, а также спецификой технологии производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

Поэтому необходим строгий научный анализ существа вопроса, изучение теоретических возможностей и практических методов перехода на рыночные механизмы регулирования. Это не должно противоречить соблюдению технологических законов функционирования больших технических систем и сопровождаться затратами, понятными для всего общества.

В этой связи остро стоит вопрос, связанный с надежностью функционирования больших технических систем, к которым относится и электроэнергетика в целом.

Интерес к теории надежности, который сейчас проявляют инженеры, экономисты, математики, менеджеры и другие специалисты, привел к значительному расширению исследований и росту числа публикаций, посвященных ее общим и специальным вопросам. Проблемы надежности многогранны. В них затрагиваются конструктивные, технологические, физико-химические, экономические, экологические, организационные и социальные аспекты и выявляется необходимость разработки фундаментального математического аппарата, приспособленного к специфике рассматриваемых вопросов.

Основная задача обеспечения надежности электроэнергетических систем (ЭЭС) — снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при надлежащем ее качестве. Увеличение объема потребления электроэнергии, тесно связанное с качественными изменениями в характере потребителей, значительно увеличивает зависимость нормального функционирования отдельных потребителей и районов от надежности электроснабжения. Нарушения электроснабжения могут привести к значительному технико-экономическому и социальному ущербу. Он может быть соизмерим с национальными (аварии 2003 г. в США и Канаде; 2003 г. в Италии; 2005 г. в Москве, Калужской и Тульской областях, 2009 г. на Саяно-Шушенской ГЭС) бедствиями и даже бедствием мирового масштаба (Чернобыльская авария 1986 г.). В отдельных энергетических системах число аварий в течение года достигает десятков случаев, а годовой недоотпуск электроэнергии в результате их — нескольких миллиардов киловатт-часов.

Возможные последствия от ненадежности становятся такими существенными, что требуется постоянное совершенствование методов прогнозирования развития, проектирования, строительства, монтажа, эксплуатации и диагностики электроэнергетических систем, позволяющих полнее учитывать надежность и наиболее экономно расходовать выделяемые на её обеспечение средства.

Известны различные средства релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ИА), с помощью которых повышается надежность, ликвидируется или предотвращается развитие аварийных ситуаций. К ним относятся:

• — все виды РЗ от коротких замыканий;
• — автоматическое повторное включение (АПВ);
• — автоматический ввод резерва (АВР);
• — автоматическое регулирование возбуждения (АРВ);
• — автоматическая частотная разгрузка (АЧР);
• — автоматическое регулирование частоты и мощности (АРЧМ);
• — автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР);
• — автоматическая синхронизация генераторов;
• — система автоматического отключения нагрузки (САОН) и т. д.

Наряду с перечисленными средствами РЗ и ПА повышения надежности большое значение приобретают такие мероприятия, как.

• — внедрение автоматизированных систем контроля и управления электроснабжением (АСКУЭ) и автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии (АИИСКУЭ);
• — резервирование генерирующей мощности;
• — резервирование систем передачи и распределения электроэнергии;
• — увеличение пропускной способности ЛЭП, трансформаторов;
• — реконструкция подстанций.

Принятие решения о резервировании энергоснабжения большого количества потребителей связано со значительными материальными затратами, что должно быть надлежащим образом обосновано. Оценив ущерб, нанесенный потребителям перерывом электроснабжения, убытки, связанные с аварийным ремонтом, а также расходы на повышение надежности, можно ставить вопрос об оптимальном уровне надежности электроэнергетического оборудования, установок и систем.

Общая структура средств обеспечения надежности систем электроэнергетики представлена на рис. 1.3 (64, 65].

Концентрация и централизация промышленности, производства и распределения электроэнергии привели к созданию структурно сложных технических систем, под которыми понимаются производственно-технологические комплексы крупных промышленных предприятий и системы их электроснабжения. К методам оценки показателей надежности электроснабжения таких потребителей предъявляются повышенные требования и уделяется большое внимание исследователей, проектировщиков, эксплуатационного персонала.

Особенно остро эта проблема встает в связи с переходом к рыночным условиям, когда резко усложняются задачи обеспечения надежности функционирования и развития.

Здесь:

• — проявляются коммерческие требования к режиму и ограничения на изменение, что снижает надежность и управляемость системы электроснабжения;
• — разделяются интересы по поддержанию надежности и получению прибыли;

Рис. 1.3. Общая структура средств обеспечения надежности ЭЭС и СЭС

• — возникает проблема экономичного и надежного электроснабжения субабонентов;
• — образуются субъекты, существенно влияющие на надежность и не отвечающие за ее обеспечение (торговые операторы);
• — происходит постоянное давление рынка, с целью экономии издержек, стремления к снижению всех видов резервов, полноте использования энергетического оборудования и пропускной способности сети;
• — увеличивается количество «узких мест» в системе передачи электроэнергии, вследствие изменения распределения и направления потоков мощности, что стимулируется свободной торговлей.

Военные конфликты последних десяти лет в разных странах привели к переселению 12 млн человек, природные и техногенные катастрофы — 10 млн. Проводили эти вероятностные оценки органы государственного надзора и их научные центры, а также отраслевые институты в различных отраслях промышленности. Поскольку техногенная опасность касается каждого из нас, естественно, что такая ситуация нс может считаться нормальной.

Закон «Об электроэнергетике» устанавливает основные положения защиты потребителей от не предусмотренных законодательством нарушений электроснабжения со стороны рынка при проявлении различных видов его неустойчивости. В соответствии с концепцией обеспечения надежности в электроэнергетике она нс может быть абсолютной и должна рассматриваться как некоторый конечный комплексный ресурс. Требования или запросы потребителей по обеспечению того или иного уровня надежности формируют спрос на этот ресурс. При этом потребители сами выбирают необходимый уровень надежности из предоставляемого «меню» с соответствующей ценой. Это позволит избежать перекрестного субсидирования за счет перераспределения оплаты в соответствии с выбранными уровнями надежности.

Следует отметить, что качество принимаемых решений в значительной степени зависит от полноты, точности и своевременности берущейся за основу информации. Она никогда не бывает абсолютно точной и достаточной даже только по той причине, что для принятия решения, ориентированного на будущее, возможно использование лишь ограниченною объема ретроспективных данных и учет только настоящего состояния контролируемого объекта. Даже при полном отсутствии ретроспективной информации об условиях функционирования высоконадежных структурно сложных систем в экстремальных ситуациях очевидна ценность сравнительных расчетов, так как они дают возможность получить данные для дальнейшего взаимодействия с энергоснабжающими организациями.

Первые работы по современной теории надежности относятся к 1929— 1931 гг. и посвящены применению теоретико-вероятностных методов к расчетам прочности объектов. Первые формальные расчеты надежности были сделаны в ходе Второй мировой войны для объяснения плохого качества немецких реактивных снарядов ФАУ. Они собирались из большого количества деталей, каждая из которых считалась надежной. В результате этого «эксперимента» был получен следующий фундаментальный вывод: надежность системы, в которой выход из строя любого элемента приводит к отказу всей системы, определяется показателями надежности всех (независимых) элементов и поэтому может оказаться много ниже самого низкого из этих показателей. Сегодня этот простой результат хорошо известен, а в то время это было открытием.

После Второй мировой войны первые систематические попытки изучения надежности были сделаны в электронной, ядерной и космической промышленности, где от систем, сложность которых постоянно увеличивалась, требовалась и высокая надежность. Чтобы обобщить полученные частные результаты, была разработана общая теория надежности. В первых работах анализировалось время работы объекта до первого отказа, поэтому теория надежности неремонтируемых объектов развивалась особенно быстро, а теория восстановления — несколько медленнее.

В 1959 г. Академия коммунального хозяйства опубликовала брошюру Р.Я. Федосенко «Методы расчета надежности электроснабжения потребителей городских электросетей», которая явилась практически первым пособием по надежности в электроэнергетике. Вопросы оценки последствий, наносимых потребителю нарушениями электроснабжения, отражены в книге Н С. Афонина «Надежность электроснабжения промышленных предприятий», изданной также в 1959 г. Последующие работы Н.С. Афонина и академика Казахской ССР Ш. Ч. Чокина показали, что надежность — категория экономическая. Поэтому для принятия решений необходимо анализировать экономические потери потребителей. Такой подход дает решение многих проблем рыночной электроэнергетики (в частности, проблем управления режимами электропотребления).

Одним из примеров постановки задачи обоснования уровня надежности может быть выдвижение требований по уровню надежности электроснабжения R, который зависит от тарифа С за пользование электроэнергией. Тогда при повышении требуемого уровня надежности электроснабжения потребителя Я₂ > R тариф за пользование электроэнергией также возрастет С2 > Q, зато снизится отключаемая мощность ДЛГ₂ > ДУУ| и (или) уменьшится длительность ненормального режима f₂ < h- При этом эффект, получаемый потребителем из-за изменения уровня надежности его электроснабжения Э_ПУ определится как.

где.

У, Уг — потери потребителя от изменения нормального режима электропотребления при разных уровнях R и Л₂ надежности.

В современной теории надежности, относящейся к системам электроэнергетики, хорошо разработаны общие математические методы и построены «универсальные» математические модели. Но конкретные области приложений, конкретные энергетические объекты при исследовании их надежности требуют не только владения теоретическими методами и моделями, но и творческой их переработки, приспособления к особенностям этих объектов и, как следствие, создания новых, более совершенных методов и моделей. При существующих тенденциях укрупнения всех элементов систем, увеличения их единичной мощности, относительного роста доли системных аварий, с одной стороны, и расширения области использования автономных и маломощных источников энергоснабжения, с другой, проблемы надежной работы электроэнергетических систем требуют дальнейшего развития в направлении обратного перехода от универсальности к конкретизации.

Для электроэнергетических систем важен вопрос обеспечения устойчивости функционирования при различных (внутренних и внешних) возмущениях, поскольку они могут способствовать каскадному развитию аварии. В связи с этим возникает вопрос обеспечения «живучести», т. е. сохранения работоспособности после появления возмущений, приводящих к крупномасштабным последствиям, соизмеримым со стихийными или преднамеренными (террористическими) возмущениями. Наконец, должна обеспечиваться и безопасность функционирования, как в нормальных, так и в аварийных режимах.

Одним из последних обобщений результатов исследований в области надежности электроэнергетики было обсуждение их на школе-семинаре «Научные и практические проблемы надежности систем энергетики», организованной Российской академией наук |16]. Издание справочника [17, 18] обеспечивает широкому кругу специалистов возможности практического использования методов, алгоритмов и математических моделей задач обеспечения надежности электроснабжения.

Организационное реформирование энергетики заостряет и конкретизирует многие проблемы надежности, которые становятся предметом особого внимания во всех договорах и все чаще — предметом обращения в судебные инстанции. Эго, несомненно, повышает требования к образованности современного специалиста в области надежности, ее количественного измерения и экономической оценки. Таким образом, надежность — одно из главных целевых свойств функционирования и развития электроэнергетических систем и систем электроснабжения, на обеспечение которых направлены все усилия инженерноуправленческого интеллекта практически в любой сфере деятельности, что и делает знания в области надежности базовыми в образовании специалиста.