Состояния и события, характеризующие надежность энергетических систем

Состояние любых объектов энергетики, и в частности СЭ, в которых они могут находиться, с точки зрения надежности можно классифицировать по способности объекта выполнять заданные функции в заданном объекта и по выполнению им заданных функций в заданном объекте. Перечень и объем функций, которые способен выполнять объект, определяет его уровень работоспособности, а перечень и объем функций, которые объект выполняет, определяет его уровень функционирования. Относительный уровень функционирования объекта энергетики определяется отношением его значения к требующемуся, и характеризует степень выполнения объектом заданных функций в данный момент или на данном интервале.

Например, рассматривая в качестве функции электростанции выдачу мощности в соответствии с заданным графиком, уровень работоспособности можно характеризовать значением включенной мощности (мощности, которая непосредственно может быть использована для покрытия нагрузки), а уровень функционирования — графиком фактически выдаваемой мощности в течение рассматриваемого периода времени. Отношение фактически выдаваемой мощности (в каждый момент времени) к требуемой, определяет относительный уровень функционирования.

Состояния, определяющие способность объекта выполнять заданные функции. В числе состояний, определяющих способность объекта выполнять заданные функции в заданном объеме, выделяют следующие состояния, характеризующиеся соответствующими уровнями работоспособности: полностью работоспособное состояние, частично работоспособное состояние (образующие в совокупности работоспособное состояние), неработоспособное и предельное состояния.

Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние объекта, при котором он способен выполнять все или часть заданных функций в полном или частичном объеме.

Полностью работоспособное состояние (полная работоспособность) — работоспособное состояние объекта, при котором он способен выполнять все заданные функции в полном объеме.

Частично работоспособное состояние (частичная работоспособность) — работоспособное состояние объекта, при котором он способен выполнять часть заданных функций в полном или частичном объеме или все заданные функции, но при этом хотя бы одну из них — в частичном объеме.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) — состояние объекта, при котором он не способен выполнять все заданные функции.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или неустранимого снижения уровня работоспособности, или недопустимого снижения эффективности эксплуатации.

Критерии, по которым определяется нахождение объекта в том или ином из перечисленных состояний с точки зрения уровня его работоспособности, устанавливается ведомственной нормативно-технической документацией в виде перечня функций и объема их выполнения. Предельного состояния практически могут достигать лишь отдельные элементы (оборудование) системы и относительно несложные системы (совокупности элементов). Чем более крупной является СЭ, тем менее вероятным будет ее неработоспособное (так же как и полностью работоспособное) состояние и тем более вероятным будет ее частично работоспособное состояние (определяемое, например, тем, что в каком-либо из множества узлов системы в данный момент времени некоторые элементы будут находиться в неработоспособном состоянии).

Вместо понятий «работоспособное (полностью работоспособное, частично работоспособное, неработоспособное) состояние» объекта могут быть использованы понятия «работоспособный (полностью работоспособный, частично работоспособный, неработоспособный) объект».

Состояния, определяющие выполнение объектом заданных функций. В числе состояний, определяющих выполнение объектом заданных функций в заданном объеме, выделяют следующие состояния, характеризуемые различными относительными уровнями функционирования: полностью рабочее состояние, частично рабочее состояние (образующие в совокупности рабочее состояние), резервное и нерабочее состояния.

Рабочее состояние — состояние объекта, при котором он выполняет все или часть заданных функций в полном или частичном объеме.

Полностью рабочее состояние — рабочее состояние объекта, при котором он выполняет все заданные функции в полном объеме.

Частично рабочее состояние — рабочее состояние объекта, при котором он выполняет часть заданных функций в полном или частичном объеме или все заданные функции, но при этом хотя бы одну из них — в частичном объеме.

Резервное состояние — состояние объекта, при котором он осуществляет резервирование других объектов.

Нерабочее состояние — состояние объекта, при котором он невыполняет все заданные функции-Критерии, по которым определяется нахождение объекта энергетики в полностью или частично рабочем, резервном или нерабочем состоянии с точки зрения относительного уровня его функционирования, устанавливаются ведомственной нормативно-технической документацией в виде перечня функций и объема их выполнения.

Как правило, полностью рабочее состояние объекта соответствует полностью работоспособному состоянию, а частично рабочее — частично работоспособному. Однако в полностью рабочем состоянии может находиться и частично работоспособный объект, если он функционирует в условиях, характеризующихся пониженными требованиями к его работоспособности по сравнению с теми, на которые он рассчитан.

Например, ЭЭС, находящаяся в частично работоспособном состоянии, вследствие непредусмотренного снижения мощности может находиться в полностью рабочем состоянии, если при этом снижении мощности (скажем, в период дневного спада нагрузки) полностью обеспечивается электроснабжение и теплоснабжение всех потребителей.

Если полностью работоспособное состояние оказывается тем менее вероятным, чем более крупной является СЭ, то полностью рабочее состояние, напротив, и для крупных СЭ является состоянием, в котором она находится большую часть времени.

Рабочее состояние объекта энергетики принято характеризовать режимами его работы: нормальным, утяжеленным, ремонтным, аварийным и послеаварийным (рис. 1.9).

Нормальный режим — рабочее состояние объекта, при котором обеспечиваются значения заданных параметров режима работы и резервирования в установленных пределах.

Утяжеленный режим — рабочее состояние объекта, при котором независимо от значения заданных параметров режима не обеспечивается резервирование в установленных пределах.

Ремонтный режим — рабочее состояние объекта, при котором часть его элементов находится в состоянии предупредительного или аварийного ремонта.

Аварийный режим — рабочее состояние объекта, в котором он находится в результате отказа его элементов от момента возникновения отказа до его локализации.

Послеаварийный режим — рабочее состояние объекта, в котором он находится в результате отказа его элементов после локализации отказа до установления заданного режима.

Перечисленными режимами, как правило, характеризуются состояния системы, но не элементов. Нормальный режим всегда соответствует полностью рабочему, а утяжеленный — частично рабочему состоянию. Основные параметры нормального и утяжеленного режимов для различных СЭ различны. В качестве основных параметров режима работы ЭЭС, например, рассматриваются частота электрического тока, напряжение на сборных шинах источников питания и узлов нагрузки и степень удовлетворения потребности потребителей в электрической энергии. Степень резервирования при этом может определяться, например, схемой коммутации системы, величиной резерва генераторной мощности на электростанциях и запасами пропускной способности линий электропередачи.

Ремонтный режим в общем случае может быть как нормальным, так и утяжеленным. Как правило, если какой-либо элемент (элементы) системы находится (находятся) в состоянии предупредительного, а не аварийного ремонта, то ремонтный режим является нормальным, так как нахождение части элементов системы в состоянии предупредительного ремонта является состоянием, на которое система рассчитывается.

Аварийный режим, как правило, соответствует частично рабочему состоянию системы, хотя возможны отказы ее элементов, не приводящие к ухудшению заданных параметров режима работы и резервирования, — в этих случаях аварийный режим соответствует полностью рабочему состоянию. Локализация отказа элементов системы заключается обычно в выводе из работы отказавших элементов и вводе в работу элементов, находящихся в резервном состоянии.

Послеаварийный режим системы обычно является утяжеленным. Однако в ряде случаев он может быть и нормальным, если обеспечивается поддержание заданных параметров режима работы и степени резервирования в установленных пределах. Послеаварийный режим может соответствовать не только рабочему, но и нерабочему состоянию системы, если переход к нему характеризуется полным прекращением выполнения заданных системе функций (например, полным погашением всех потребителей в результате каскадного развития первичного возмущения). Случай этот, однако, является крайне редким, и поэтому послеаварийный режим на рис. 1.9 отнесен к рабочему состоянию, а связь его с нерабочим состоянием указана пунктиром.

В резервном состоянии может находиться как полностью, так и частично работоспособный объект. Резервное состояние объекта энергетики подразделяется на два состояния: нагруженного резерва и ненагруженного резерва (см. рис. 1.9).

Состояние нагруженного резерва — резервное состояние объекта, при котором он находится в работе.

Состояние ненагруженного резерва — резервное состояние объекта, при котором он не находится в работе.

Нерабочее состояние объекта энергетики подразделяется на состояние ремонта (предупредительного и аварийного) и простоя (зависимого и аварийного).

Состояние предупредительного ремонта ~ нерабочее состояние объекта, при котором ведутся работы по выявлению, предупреждению и устранению его неисправностей, которые могут привести к отказу объекта.

Состояние аварийного ремонта — нерабочее состояние объекта, при котором ведутся работы по восстановлению его работоспособности, нарушенной в результате отказа элементов объекта.

Состояние зависимого простоя — нерабочее состояние объекта, возникшее вследствие отключения других объектов или проведения на них работ, требующих отключения данного объекта, работоспособность которого при этом не нарушается.

Состояние аварийного простоя — нерабочее состояние объекта, при котором не ведутся работы по восстановлению его работоспособности, нарушенной в результате отказа элементов объекта.

В нерабочем состоянии может находиться как неработоспособный объект, так и полностью или частично работоспособный. Последний случай соответствует состояниям предупредительного ремонта (при условии, что в процессе ремонта работоспособность объекта не нарушается или нарушается только частично) и зависимого простоя.

Резервные и нерабочие состояния в большей степени характеризуют надежность не систем энергетики, а их элементов.

В случаях, когда из контекста ясно, что речь идет о состоянии объекта, вместо понятий «рабочее состояние», «резервное состояние», «состояние нагруженного (ненагруженного) резерва», «состояние предупредительного (аварийного) ремонта», «состояние зависимого (аварийного) простоя» могут быть использованы понятия «в работе», «в резерве», «в нагруженном (ненагруженном) резерве», «в предупредительном (аварийном) ремонте», «в зависимом (аварийном) простое».

События, характеризующие надежность.

Классификация событий. Основные виды отказов. Переход объекта энергетики из одного состояния в другое может происходить в результате целенаправленного (под действием систем управления) изменения его структуры и параметров режима, а также в результате отказов (аварий) и восстановительных операций;

С учетом классификации состояний объектов энергетики с позиций надежности (см. § 1.3) выделяются три группы событий: события, приводящие к снижению уровня работоспособности (отказы работоспособности); события, приводящие к снижению уровня функционирования.

Под структурой объекта (системы) энергетики понимаются состав его элементов, их взаимосвязи и соотношение эидов продукции, запасов энергоносителя, мощностей (про-иэводителыюстей) и пропускных способностей его элементов в цепи добычи (производства, получения), переработки (преобразования), передачи, хранения и распределения соответствующей продукции.

Если объектом энергетики является система, а не элемент, то отказ (работоспособности или функционирования) или авария здесь происходят в результате возмущений, которые по отношению к системе можно назвать первичными. Первичными возмущениями могут быть следующие: отказы (одиночные или групповые), формирующие систему элементов (основного оборудования, оборудования и аппаратуры систем управления); ошибки эксплуатационного персонала; снижение обеспеченности системы ресурсами по отношению к требуемой для выполнения системой заданных функций в заданном объеме.

Один конкретный отказ, приводящий к снижению уровня работоспособности или функционирования, является проявлением неполноты того или иного единичного свойства надежности или надежности объекта в целом. Однако нельзя, как иногда делают, говорить о нарушении того или иного единичного свойства надежности или нарушении надежности в результате отказа Понятия отказа работоспособности и отказа функционирования — наиболее важные при характеристике отказов.

Отказ работоспособности — событие, заключающееся в переходе объекта с одного уровня работоспособности на другой, более низкий.

Отказ функционирования — событие, заключающееся в переходе объекта с одного относительного уровня функционирования на другой, более низкий.

Различия между отказом работоспособности и отказом функционирования возникают вследствие того, что перечень и объем функций объекта, определяющих его работоспособность, понимаются как единовременный акт, реализуемый с определенной заблаговремен-ностью и предусматривающий возможность различных требований к функционированию объекта в будущем. При этом процесс смены требования функционирования (например, процесс изменения спроса продукции потребителем) может рассматриваться как случайный. Возникновение отказа работоспособности объекта необязательно приводит к отказу его функционирования, во-первых, вследствие наличия избыточности (резервов), а во-вторых, вследствие возможности предотвращения отказа функционирования восстановлением (или повышением) уровня работоспособности объекта еще до появления соответствующего требования функционирования.

Пояснить различие двух рассматриваемых видов отказов — работоспособности и функционирования — можно на примере ЭЭС с одним узлом потребления. В момент t₁ в связи со спадом нагрузки N снижена включенная мощность системы за счет вывода части агрегатов в ненагруженный резерв; тем самым мощность ненагруженного резерва увеличена с R₁ до R₂. В момент t₂ произошло аварийное отключение (аварийный останов) одного из генерирующих агрегатов системы (мощностью ДN), в результате чего включенная мощность и рабочая мощность системы понизились на величину ДN. Произошел отказ работоспособности системы. Однако отказ работоспособности не сопровождался отказом функционирования системы, поскольку включенная мощность по-прежнему превышала нагрузку N. В момент t₃ в результате роста нагрузки включенная мощность оказалась недостаточной для покрытия требуемой нагрузки. Произошел первый отказ функционирования. В момент t₄ был обеспечен ввод в работу всей мощности ненагруженного резерва R₂ (время ввода резерва t₄ — t₂), что привело к восстановлению нормальных условий функционирования (продолжительность первого отказа функционирования t₄ — t₃). К моменту t₅ в результате продолжающегося роста нагрузки включенная мощность вновь оказалась недостаточной для покрытия нагрузки. Произошел второй отказ функционирования, продолжавшийся до момента t₆, когда нагрузка снизилась до значения включенной мощности. График нагрузки, покрытие которой обеспечено в рассматриваемом периоде времени, показан на рис. 1.11 жирными линиями, непокрытая часть графика нагрузки заштрихована.

Для объектов с временным резервирование кроме рассмотренных выделяют также неразрушающие (необесценивающие) и разрушающие (обесценивающие) отказы их элементов. Неразрушающим называют такой отказ элемента, который вызывает лишь задержку в выполнении задания, но не разрушает результатов предыдущей работы объекта, разрушающим — отказ элемента, при котором результаты предыдущей работы объекта полностью или частично разрушаются.

События, приводящие к снижению уровней работоспособности и функционирования. Как отказ работоспособности, так и отказ функционирования объекта энергетики может быть полным или частичным, внезапным или постепенным, независимым или зависимым, устойчивым или неустойчивым.