Комплексный учет фактора надежности в оценке системного эффекта при управлении развитием современных ЭЭС

Проблема надежности в электроэнергетике возникла вместе с появлением самой электроэнергетики как отрасли народного хозяйства. Если проследить развитие теории и практики надежности электроэнергетики за многие десятилетия, то можно легко обнаружить, что возникшие на заре становления рассматриваемой отрасли задачи надежности продолжают оставаться актуальными до сих пор и можно уверенно предполагать, что будут актуальными еще долгое время. Здесь имеются в виду такие задачи, как повышение надежности энергооборудования посредством применения новых технологий и более долговечных и прочных материалов, создание высоконадежных электроэнергетических систем (ЭЭС) посредством технико-экономической оптимизации их структуры и уровней резервирования, обеспечение надежного снабжения электростанций первичными (возобновляемыми и, особенно, невозобновляемыми) энергоресурсами, обеспечение безопасного, безотказного, обладающего высокой живучестью электроснабжения потребителей.

Непреходящая актуальность перечисленных задач связана с тем, что по мере развития и усложнения электроэнергетического хозяйства усложнялись и постановки задач надежности, требовались более совершенные методы, приемы и средства их решения. Под «давлением» запросов практики управления развитием и функционированием ЭЭС и их объектов развивалась и усложнялась теория их надежности. С другой стороны, этому способствовало бурное развитие в последние двадцать — тридцать лет общей теории надежности (ОТН) больших технических систем и появление такого мощного инструментария как ЭВМ, которые революционизировали вероятностные и комбинаторные вычисления в задачах надежности, сделав доступными по времени и по точности почти любые необходимые расчеты.

Однако, развитие теории надежности ЭЭС на этом не заканчивается. Более того, по мере развития ЭЭС, их усложнения, разработки новых энерготехнологий и новых принципов управления ими, объединения ЭЭС на более высоких, межгосударственных и межконтинентальных уровнях вновь и вновь появляются новые постановки задач надежности, требуется привлечение новых методов и средств для их решения, расширение содержательности и ин-тегрированности результатов решения и многое другое.

Так, в качестве примеров можно привести проблемы внедрения в элек7 троэнергетику криогенной техники, сверхпроводящих накопителей энергии, совместной работы систем переменного и постоянного тока и т. п.

Время от времени, наряду с глобальными проблемами надежности, возникают и частные, локальные или временные, специфические задачи. Именно к таким можно отнести проблемы, стоящие сейчас перед российской электроэнергетикой и связанные со сменой в стране экономических отношений, кризисом общественного производства, социально-политическими катаклизмами и другими явлениями. Все это требует повышенного внимания к обеспечению надежного электроснабжения потребителей в складывающихся условиях. Данная проблема поднимается до уровня обеспечения в рамках государственной и экономической безопасности — безопасности электроэнергетической.

Немаловажным в новых хозяйственных условиях является гармоничное сочетание народнохозяйственного эффекта с получением прибыли соответствующей энергокомпанией.

С учетом изложенного, данную работу следует рассматривать как определенный этап на нескончаемом пути развития теории надежности электроэнергетических систем. В данной рукописи обобщены усилия и достижения автора на протяжении более чем двадцати лет работы в области комплексного исследования надежности ЭЭС при управлении их развитием. Автор является последователем школы академика Ю. Н. Руденко в надежности ЭЭС, .которая зародилась в 70-х годах и целенаправленно развивалась в стенах Сибирского энергетического института. Благодаря Всесоюзному семинару «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», взгляды этой школы получили широкое распространение в стране и за рубежом и продолжают развиваться в работах учеников Ю. Н. Руденко, к которым автор относит и себя.

Известно, что решение задач надежности необходимо не столько ради самой надежности, сколько для задач, связанных с управлением ЭЭС, оптимальное решение которых невозможно без достаточно правильного, полного и точного, учета не только экономических факторов, но и надежности и качества электроснабжения потребителей. Поэтому цели и содержание данной работы могут быть охарактеризованы как разработка методик, моделей и средств системного учета надежности как комплексного фактора при оценке технико-экономических эффектов при управлении развитием современных 8.

ЭЭС. Под современными ЭЭС здесь понимаются системы, которые в настоящее время насчитывают десятки электростанций разного вида, тысячи единиц основного (генерирующего и сетевого) оборудования большой мощности, сложнозамкнутую конфигурацию сетей и которые обеспечивают электроснабжение разнообразных потребителей на обширных территориях. При управлении развитием и функционированием таких ЭЭС, кроме указанных технических особенностей, необходимо учитывать современные экономические и социально-политические условия, которые, как показала жизнь, оказывают большое влияние на управление технико-экономическими системами общественного производства, к которым относятся и ЭЭС.

При этом под комплексностью понимается учет всех свойств й сторон объекта исследования (технологических, экономических, территориальных, временных и др.), а под системностью — учет как внутренних взаимосвязей и взаимозависимостей, так и внешних факторов с позиций рассмотрения объекта исследования как элемента множества более высокого уровня (в нашем случае — элемента экономического пространства более высокого уровня, то есть ЭЭС — как части народного хозяйства).

Научная новизна работы состоит в том, что проработаны вопросы надежности как комплексного свойства в оценке системных эффектов при управлении развитием ЭЭС. С учетом отечественного и зарубежного опыта показано, что методы зависят от внешних и внутренних условий развития ЭЭС. К внешним условиям, оказывающим влияние на надежность ЭЭС, относятся принципы хозяйствования и особенности отечественной экономики на современном этапе, связанные с переходом от централизованного управления народным хозяйством к рыночным отношениям. Дана оценка влияния на исследуемые свойства надежности внутренних условий, к которым относятся такие факторы, как глубина приватизации, развитие оптовых рынков энергии разных уровней, возможности инвестирования развития ЭЭС и прочее.

В работе, в рамках комплексности, выполнен анализ последовательности рассмотрения и обеспечения различных единичных свойств надежности, необходимости согласованного формирования уровней надежности различных технологических звеньев ЭЭС: обеспечения первичными энергоресурсами, генерации и транспорта электроэнергии.

Сделана попытка обоснования целесообразности предлагаемого ком9 плекса методов и моделей (от упрощенных до достаточно сложных и уточненных) на различных территориальных и временных уровнях управления развитием ЭЭС.

Научную новизну составляют сопоставительные анализы различных методов и моделей надежности: марковского случайного процесса с общей теоремой о повторении опытов, детерминистических критериев с вероятностными и т. д.

Выполненное в работе исследование надежностных свойств современных ЭЭС позволило обнаружить новые и в некотором смысле неожиданные особенности и явления, а также закономерности и зависимости надежности от новых условий функционирования и управления ЭЭС.

Новые подходы к проблеме надежности ЭЭС позволили решить значительное число практических задач разного плана.

Практическая ценность состоит в том, что предложенные методики и вычислительные средства нашли применение при технико-экономическом сравнении вариантов развития ЭЭС, для оценки системного эффекта различных мероприятий по обеспечению надежности, для анализа отдельных критических и чрезвычайных ситуаций при исследовании живучести и электроэнергетической безопасности, а также для исследования факторов, влияющих на надежность ЭЭС. Полученные результаты в ряде случаев были использованы при принятии решений по управлению ЭЭС, при разработке упрощенных методик учета надежности, в которых обоснованно не учитываются или учитываются упрощенно некоторые факторы функционирования.

Выносимые на защиту результаты исследований были использованы при выполнении работ по темам и научным программам координационных планов Госкомитета по науке и технике при СМ СССРОФТПЭ РАНПостановлениям правительства РФ и Минтопэнерго РФ:

— 1.9.3.5 «Теория и методы исследования и обеспечения надежности систем энергетики». Тема «Развитие критериев, методов и алгоритмов исследования и обеспечения надежности ЭЭС, ГСС и ТСС во взаимоувязке с ТЭК и с учетом новых экономических и социально-политических условий (1990 — 1995 г. г.);

— 1.9.3.2 (1.4) «Методические основы, математические модели и методы исследований надежности систем энергетики и обоснование мер обеспечения энергетической безопасности России и ее регионов» (1996 — 1998 г. г.) и др.

По тематике исследований выпущены отчеты по НИР.

Методические разработки используются в учебном процессе электроэнергетических специальностей ВУЗов. Автор поставил и читал в ИрГТУ (ИЛИ) ряд лет курс «Надежность систем энергетики».

Экономический эффект от обоснованного применения соответствующих методов и методик учета комплексного фактора надежности при оценке системного эффекта для конкретных ситуаций имеет место в силу того, что более точный и полный учет надежности повышает качество и обоснованность решений по управлению ЭЭС. Количественную оценку экономического эффекта привести затруднительно, так как в новых условиях не применяется практика выдачи актов о внедрении с указанием эффекта. Более того, опубликованные методики и модели могут применяться уже неподконтрольно со стороны авторов. Но в любом случае можно утверждать, что из-за больших затрат в надежность любые затраты на уточненные расчеты оправдываются.

Разработанные методы и алгоритмы проверены численно при решении многих практических задач. Проводились сопоставительные расчеты по разным моделям на разных тестовых схемах и анализировались причины совпадений и расхождений результатов.

Апробация работы проводилась на различных совещаниях и конференциях как отечественных, так и зарубежных, в том числе и на семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», Российско-Германском семинаре (первое заседание в г. Плес, сентябрь 1993 г.), 4-ом международном симпозиуме по мировой энергетической системе (Будапешт, октябрь 1994 г.), 4-ой международной конференции PSCM, Лондон, август 1996 г., Международной Летней 1997 года конференции Общества инженеров-энергетиков (IEEE), Берлин, июль 1997 г., 2-м и 3-м Российско-Японском Симпозиуме по электропередаче постоянного тока «Россия — Япония», Иокогама, ноябрь 1997 года и Иркутск, сентябрь 1998 г. и других.

Публикации. Содержащиеся в диссертации положения опубликованы более, чем в 50 работах, в том числе в 3 коллективных монографиях (1988, 1995, 1996, «Наука», Сибирское отделение, Сибирская издательская фирма РАН), из которых следует отметить «Резервы мощности в электроэнергетических системах стран — членов СЭВ. Методы исследования» [47] и «Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях» [48]. Разработанные методики и модели использовались при выполнении хоздоговорных работ, результаты которых нашли отражение более чем в 30.

11 научных отчетах.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе дается укрупненная характеристика проблемы надежности современных ЭЭС. Еще раз обосновывается необходимость учета надежности при оценке системного эффектахарактеризуются принципиальные пути и сложности такого учета и, особенно, в аспектах оценки технико-экономического эффекта и финансово-коммерческого анализа действий электрогенерирующей и (или) электроснабжающей компании. Излагаются существующие способы и средства учета надежности, дается характеристика их достоинств и недостатков. Формулируются основные задачи данной работы.

В главе 2 излагается предлагаемая автором методика учета надежности при оценке системной эффективности мероприятий в ЭЭС. Обосновывается необходимая последовательность учета единичных свойств надежности. Ставится проблема согласования надежности основных технологических звеньев ЭЭС: снабжения первичными энергоресурсами, генерирования электрической энергии, ее преобразования и передачи, а также проблема согласования надежности различных территориальных и временных уровней. Предлагаются методы и средства для решения поставленных проблем, для учета фактора надежности при проектировании ЭЭС.

Третья глава посвящается моделям исследования надежности ЭЭС и ее объектов. Описывается модель комплексной оптимизации всех видов резервирования в ЭЭСмодель анализа и синтеза надежности сложных ЭЭС (ПВК ЯНТАРЬ). При этом обсуждается проблема расчетов дефицитов мощности (РДМ) послеаварийных режимов. .Дополнительно рассматриваются некоторые упрощенные методы и модели надежности, применение которых возможно в практике технико-экономических расчетов вариантов развития ЭЭС: модель концентрированной ЭЭС, нормирование, критерий N-1 и пр.

В четвертой главе кратко излагаются выполненные автором исследования надежностных свойств современных ЭЭС. Даются выводы по выполненным исследованиям свойств ЭЭС и факторов, влияющих на надежность. Раскрывается роль и значение таких исследований.

В пятой и шестой главах приводятся результаты практической оценки.

12 системных эффектов с учетом надежности для реальных задач. Глава 5 посвящается исследованию надежности крупных современных электрообъединений, а глава 6 — исследованию надежности электроснабжения потребителей удаленных районов, ставшей актуальной в настоящее время в связи с провозглашением политики развития социально-ориентированной экономики.

В заключении формулируются основные научные и методические достижения данной работы, указываются направления дальнейших исследований.

В разделе «Литература» приводится список публикаций и научных отчетов (125 наименований), включая 52 работы, выполненных автором или с его участием по теме диссертации.

В приложениях приводятся сведения о системе нормативов надежности ээс.

6.5. Выводы по главе 6.

Исследование надежности электроснабжения потребителей удаленных районов с учетом современных условий и на основе оценки системных эффектов с учетом надежности позволяет сделать следующие выводы.

1. Проблема электроснабжения удаленных районов имеет определенную специфику, которая делает ее актуальной и труднорешаемой даже (а, может быть, и особенно) в современных рыночных условиях. Накладывают отпечаток на решение задачи электроснабжения удаленных районов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера и российские кризисные условия.

2. Анализ выполненной в работе практической оценки систем электроснабжения для разного рода удаленных районов: золоторудного месторождения, острова Ольхон и Приольхонья, заполярных газовых промыслов, — показал, что конкретные внешние и внутренние условия электропитания разных районов очень сильно различаются и это значительным образом сказывается на параметрах выбираемых схем электроснабжения с учетом технической реализуемости, эколо-гичности, надежности, экономичности.

3. Возможности выхода на оптовые рынки электроэнергии с целью покупки и продажи излишков по невысоким тарифам с выгодой для газоснабжающей компании и потребителей электроэнергии существенно меняют вид системы электроснабжения, так как продажа излишков значительно повышает финансовый эффект компании, не сильно изменяя экономическую эффективность. В этом.

ЗАО случае большую роль играет использование дешевого энергоносителя, оплачиваемого по внутренней цене (себестоимости) для выработки электроэнергии на собственных электростанциях.

4. Поскольку удаленные энергорайоны находятся, как правило, в суровых климатических условиях и на их территории размещаются очень важные для народного хозяйства производства — учету надежности должно уделяться повышенное внимание, что в конечном счете требует более высоких, чем обычно, уровней резервирования по мощности, сетям и обеспеченности первичными энергоресурсами.

5. Несмотря на стремление использовать нетрадиционные возобновляемые источники электроэнергии, это, к сожалению, пока что редко реализуется, так как не всегда есть необходимые для этого достаточные условия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ особенностей управления развитием и функционированием ЭЭС в российских условиях в связи со сменой хозяйственных механизмов и влияния этих особенностей на учет фактора надежности при оценке эффективности управляющих мероприятий, проводимых в системах. Этот анализ обнаруживает значительное приближение принципов и практики управления ЭЭС и учета надежности при этом к принципам и практике ЭЭС развитых стран с рыночной экономикой. Однако, особенности исторического развития отечественных систем и такие факторы, как обширные территории, относительно низкая плотность нагрузки и т. п. не позволяют напрямую использовать зарубежный опыт. В работе показаны соответствующие сходства и различия. Значительное влияние оказывают на решения по надежности кризисные условия, охватившие экономику в целом и энергетику в частности.

2. Предложена методика учета надежности для оценки системных эффектов при управлении развитием ЭЭС, базирующаяся на трех аспектах комплексного подхода к данной проблеме для современных ЭЭС и современных условий их функционирования:

— надежность рассматривается как комплексное свойство, состоящее из совокупности актуальных для ЭЭС единичных свойств. На основе теоретического анализа и практики учета надежности при оценках системного эффекта в работе даются рекомендации по последовательности обеспечения единичных свойств надежности ЭЭСкомплексный подход к согласованному выбору уровней надежности основных технологических звеньев ЭЭС: снабжения первичными энергоресурсами, генерации и передачи электроэнергиипринципы применения предлагаемых методов и средств анализа и синтеза надежности, а также согласования решений для различных временных и территориальных уровней управления развитием ЭЭС.

3. На основе отечественного и зарубежного опыта исследования надежности, анализа спектра методов, моделей и средств обеспечения надежности при управлении развитием ЭЭС для разных иерархических уровней сформулированы рекомендации по применению различных (нормативных, детерминистических, упрощенных и уточненных вероятностных) подходов к.

312 учету фактора надежности отечественных ЭЭС в новых условиях.

4. Автором предлагаются собственные разработки подходов и моделей исследования надежности ЭЭС. При этом уделено внимание формированию комплексной, взаимосогласованной и непротиворечивой системы нормативов надежности ЭЭС. Показано, какие характеристики надежности еще требуют разработки нормативов.

Даются конструктивные предложения по применению детерминистических критериев, широко распространенных за рубежом, для ЭЭС в российских условиях. Делается вывод, что детерминистический критерий п-1 целесообразно использовать при исследовании режимной надежности в форме, получившей в отечественной практике название «ситуативного исследования режимной надежности», то есть экспертного назначения вариантов множественных или каскадных отказов системы для анализа последствий и назначения необходимых мероприятий по обеспечению при этом безотказного электроснабжения потребителей.

Приводятся также описания упрощенных (РИФ и др.) и уточненных (ЯНТАРЬ) программ оценки надежности ЭЭС, разработанных под руководством автора в СЭИ СО РАН.

5. Учитывая важность стратегии и критериев оптимизации режимов, особенно дефицитных, было разработано несколько модификаций моделей оптимизации расчетных режимов для вычислительных комплексов по оценке надежности сложных ЭЭС. С помощью этих моделей можно распределять дефициты мощности в системе по узлам пропорционально нагрузкам с учетом и без учета потерь в основной сети объединенияс учетом «важности» нагрузокпо критерию экономической и коммерческой эффективности покрытия нагрузокс учетом оптовых цен на электроэнергию на рынках мощности и энергии различного уровня и т. д.

6. В работе значительное место занимают исследования надежностных свойств современных ЭЭС на базе разработанной методологии таких исследований. По мнению автора, этому вопросу уделяется недостаточное внимание, поэтому в диссертации приводятся результаты большого числа исследований, выполненных автором. При этом обнаруживаются принципиальные зависимости и ~ явления, учет которых позволяет выбирать более обоснованные мероприятия по обеспечению надежности ЭЭС.

7. На основе методических проработок выполнены оценки системных эффектов с учетом надежности для крупных проектов развития отечественных энергообъединений и при возникновении особых условий (например, при выводе из работы ненадежных атомных блоков), при оценке энергетической безопасности страныпри объединении мощных ЭЭС нескольких государств и т. д. Предложены методические рекомендации по учету надежности электроснабжения для таких проектов.

8. В некоторых регионах страны остро стоит проблема обеспечения надежного энергоснабжения потребителей удаленных районов. Как показала практика исследования конкретных проектов, учет надежности при оценке системных эффектов в этих случаях имеет свои особенности. К этим особенностям можно отнести.

• введение в рассмотрение вариантов, альтернативных централизованному электроснабжению от районных ЭЭС, а именно,—вариантов сооружения местных (негосударственных) источников электроэнергии;

• наличие у некоторых промышленных потребителей собственных первичных энергоресурсов низкой стоимости;

• наличие оптовых рынков по купле и продаже электроэнергии, дающие возможность повысить доход за этот счет.

Обнаружены интересные явления, которые можно использовать для эффективного обеспечения надежности электроснабжения с учетом особых условий, в частности, даются рекомендации по согласованию противоречий между разными видами эффективности.

9. Комплексное исследование надежности крупных проектов в электроэнергетике России, результаты которых частично изложены в работе, дают значительный экономический эффект и являются научной основой для принятия обоснованных решений по управлению ЭЭС.

10. Направлением дальнейших исследований проблемы комплексного учета надежности при оценке системных эффектов будет являться развитие методов и моделей надежности ЭЭС в части учета новых технологических и технических решений, тенденций к интеграции ЭЭС на межгосударственном и межконтинентальном уровнях, в части разработки подходов и математического обеспечения для решения задач по анализу и синтезу живучести, управляемости, а также электроэнергетической безопасности страны.