 |
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ РЗА
Оценка эффективности и надежности
Принять обоснованное техническое решение при оснащении энергосистемы микропроцессорными устройствами РЗА помогают критерии эффективности, учитывающие
особенности нового поколения релейной техники.
Года Семенович Нудельман в соавторстве с Алексеем Ивановичем Шалиным наметили своего
рода программу действий, цель которой – дать энергетикам современный инструмент для адекватной оценки результативности цифровых РЗА.
Года Нудельман,
к.т.н., генеральный директор ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары
д.т.н., профессор кафедры «Электрические станции» НГТУ, г. Новосибирск
Переход к рыночным отношениям в энергетике предполагает
технико-экономический анализ предлагаемых решений, в частности, для оценки привлекательности инвестиционных проектов.
Качественно выполнить такой анализ на базе принятых методик
невозможно хотя бы потому, что прежде уровень технического совершенства вообще не оценивался интегральными показателями,
а надежность оценивали безразмерными показателями, которые
весьма трудно сопоставить со стоимостными характеристиками
оборудования, эксплуатации и т.д. К тому же разработанные методы
относились к старой элементной базе, а устройства микропроцессорной релейной защиты и автоматики (МП РЗА) имеют целый ряд
особенностей, которые не могут быть учтены при этих методах расчета. Необходимо выработать новые подходы к оценке показателей
эффективности систем РЗА.
ПОНЯТИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЗА
Роль системы РЗА – минимизировать отрицательный эффект
от возникающих в энергосистеме разного рода повреждений и
анормальных режимов. Кроме того, внедрение в практику более
совершенных (например, быстродействующих) защит в ряде
случаев улучшает характеристики использования имеющегося
силового оборудования (скажем, повышает пропускную способность линий электропередачи), что дает дополнительный положительный эффект.
Понятие «эффективность РЗА» характеризует степень целесообразности применения устройства или системы в определенных
условиях.
Сама по себе система РЗА не обладает собственной эффективностью, так как не производит реальный материальный продукт,
она эффективна только применительно к конкретному объекту,
который она обслуживает. Иными словами, устройства РЗА в энергосистеме выполняют сервисные функции и эффективны лишь
постольку, поскольку влияют на эффективность работы первичного
оборудования.
Таким образом, термин «эффективность» применительно к
РЗА имеет особый смысл и может быть определен как свойство
системы РЗА снижать отрицательный эффект от повреждений в
энергосистеме.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Эффективность РЗА зависит от свойств защищаемого объекта, т.е. от его аварийности и аварийности окружающей его части
электрической системы, от функций, которые объект выполняет в
энергосистеме.
Основной составляющей эффективности РЗА является достигнутый технический уровень устройств и систем РЗА, включающий в
себя ряд показателей (табл. 1):
- техническое совершенство (быстродействие, селективность, чувствительность) [1];
- надежность функционирования [1];
- уровень технологии аппаратных средств [2];
- уровень программного обеспечения [2];
- функциональность [2];
- возможность интеграции в систему АСУ ТП (АСУ Э и др.) [2].
Показатели технического совершенства и надежности функционирования устройств и систем РЗА должны рассматриваться
в плане их соответствия основным требованиям защиты объектов
энергосистем.
Уровень технологии определяет исполнение устройством
встроенных в него алгоритмов. Это касается и каждой отдельной
функции, и полной функциональной структуры и относится как к
аппаратному обеспечению (АО), так и к программному обеспечению
(ПО) устройства.
Многофункциональная структура МП РЗА является их существенным преимуществом. Однако, если ее неправильно использовать, она может создать много проблем. Проблемы возникнут и
в случае, когда предлагаемые схемы недостаточно выверены.
Современные интеллектуальные устройства МП РЗА функционально самостоятельны. Однако их возможности могут быть полностью реализованы только тогда, когда эти устройства становятся
неотъемлемой частью АСУ ТП. Они должны иметь возможность легко
встраиваться в современные системы связи других подсистем: в автоматизированные системы управления подстанции, мониторинга,
диспетчеризации и др.
Дополнительные составляющие, отнесенные в таблице 1 к влияющим факторам, сказываются как на надежности функционирования,
так и на реализованных показателях технического совершенства.
Это и условия работы РЗА (электромагнитная среда и др.), и существующая система технического обслуживания (ТО) и ремонта, и
качество нормативно-технической документации (НТД), в том числе
методических материалов по выбору параметров срабатывания, и
уровень информационного обеспечения в части режимов работы
объектов (определяемый главным образом характеристиками измерительных трансформаторов тока и напряжения).
На отдельные показатели, а следовательно, на эффективность
систем РЗА в целом существенно влияет также человеческий
фактор.
Таким образом, эффективность систем РЗА является более общей характеристикой по сравнению с надежностью систем РЗА.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
Свойство надежности в принципе присуще отдельно взятому
устройству РЗА и без его взаимодействия с защищаемым объектом. Реально используемые на практике показатели надежности,
как правило, учитывают некоторые характеристики защищаемого
объекта. Показатели надежности устройств РЗА в общем случае
различны при использовании одного и того же устройства на разных
силовых объектах.
Как известно, к РЗА объектов электроэнергетической системы
предъявляются следующие основные требования:
- срабатывать при повреждениях на объекте в зоне действия защиты;
- не срабатывать при отсутствии повреждений на защищаемом объекте;
- не срабатывать при повреждениях вне зоны действия защиты.
В соответствии с этими требованиями классифицируют отказы
системы РЗА:
- отказы в срабатывании (отказы в срабатывании при повреждениях в зоне действия защиты);
- ложные срабатывания (срабатывания при отсутствии повреждений на защищаемом объекте);
- излишние срабатывания (срабатывания при повреждениях вне зоны действия защиты).
И, как следствие, в надежности РЗА выделяют два показателя:
- надежность срабатывания (при повреждении защищаемого объекта);
- надежность несрабатывания (при отсутствии повреждения на защищаемом объекте).
Одной из основных задач сегодня является разработка и внедрение в практику комплекса мероприятий, повышающих эффективность и надежность устройств и систем РЗА. При этом следует отметить, что, как правило, способы улучшения показателей надежности
одного вида отрицательно влияют на показатели другого вида.
Аспекту надежности несрабатывания в настоящее время уделяется недостаточное внимание. Статистические данные, полученные
Филиалом ОАО «Инженерный центр ЕЭС» – «Фирма ОРГРЭС», показывают, что подавляющее количество отказов в функционировании
устройств релейной защиты – это ложные и излишние срабатывания.
Именно эти виды неправильных действий защиты (ненадежность)
наносят наибольший ущерб. Так, судя по некоторым зарубежным
источникам, отказы в функционировании релейной защиты сопровождаются убытками, которые соизмеримы с потерями из-за
повреждений самого ненадежного элемента силовой схемы сети –
линии электропередачи.
В России около половины всех неправильных действий РЗА
происходят из-за ошибок персонала на этапах проектирования,
изготовления, наладки и эксплуатации этих систем.
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
Известен ряд показателей надежности функционирования системы РЗА: средний процент правильных или неправильных действий,
коэффициенты готовности и неготовности РЗА к выполнению своих
функций, математическое ожидание снижения эффективности изза неидеальной надежности релейной защиты, параметры потоков
ложных и излишних срабатываний, параметр потока отказов защиты
в срабатывании и т.д. При решении разных типов задач применяют
те показатели, которые соответствуют поставленной цели [3].
Основной используемый в России статистический показатель,
относящийся к надежности, – процент неправильных действий
(либо дополняющий его до 100 процент правильных действий).
Этот показатель используется при оценке результатов эксплуатации РЗА.
Процент неправильных действий D,% определяют следующим
образом:
В (3), (4), (5): Nс – количество правильных срабатываний защиты;
Nf – количество отказов в срабатывании; NU – количество ложных и
излишних срабатываний.
Представляется, что оценка результатов эксплуатации устройств
и систем РЗА показателями (3)…(5) более информативна и дает
большие возможности для сопоставления надежности различных
вариантов исполнения систем РЗА и разработки рекомендаций
по повышению их надежности и эффективности. Целесообразно в
отечественной практике также перейти к оценке эксплуатационной
надежности РЗА посредством этих показателей, отдельно выделив
при этом ложные и излишние срабатывания, поскольку их последствия для энергосистемы могут существенно отличаться.
В некоторых странах (например, в Норвегии) ведется также
статистическая оценка недоотпуска электроэнергии и ущербов,
возникающих при неправильных действиях релейной защиты в
энергосистемах. Эти данные наиболее представительны и позволяют достаточно точно оценить эффективность инвестиций в новые
системы РЗА. Желательно хотя бы выборочно фиксировать такие
данные и в отечественной практике.
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
При расчете показателей эффективности в процессе разработки и проектирования систем РЗА необходимо учитывать все
элементы, которые входят в состав рассматриваемого канала
РЗА (измерительные трансформаторы тока и напряжения, кабели,
собственно устройства РЗА, цепи оперативного тока, выходные
цепи защиты и т.д.).
Предлагается [3] использовать следующий интегральный показатель эффективности:
где М[Э] – математическое ожидание снижения эффективности из-
за неидеальных характеристик устройства РЗА;
k1, kСТ.i, kСТ.j – стоимостные коэффициенты, учитывающие стоимость последствий рассматриваемого отказа в функционировании (в денежном или другом выражении);
qРЗi, qРЗj – коэффициенты неготовности (или усредненные на
расчетном интервале времени значения функций неготовности)
системы РЗА, учитывающие как отказы в функционировании
из-за неидеального технического уровня, так и отказы из-за
неидеальной надежности;
Wi, Wj – параметры потоков повреждений соответственно вне
зоны защиты и на защищаемом объекте;
ТО.СР – средняя наработка на отказ в режиме дежурства.
В (6) стоимостные коэффициенты и параметры потоков соответствующих событий учитывают особенности работы защищаемого
объекта. Первый элемент в правой части (6) оценивает эффективность в режиме дежурства, второй – в режимах внешних КЗ, третий –
в режимах повреждений защищаемого объекта.
Этот показатель позволяет более достоверно оценить эффективность инвестиций в мероприятия, направленные на совершенствование РЗА.
Показатели эффективности и надежности релейной защиты и автоматики в большой степени зависят не только от вида защищаемого
объекта, но и функций, выполняемых им в энергосистеме. Поэтому
исполнение системы РЗА, оптимальное для одного объекта, может оказаться неэффективным для другого объекта такого же вида
(линии, трансформатора, сборных шин и т.д.). Для каждого объекта
в процессе проектирования должны быть выбраны оптимальный
состав и алгоритм взаимодействия элементов РЗА.
Надо признать, что этап внедрения МП РЗА в энергосистемах
России начат без должной подготовки в плане обеспечения эффективности этой техники. Разработка и реализация комплекса
мероприятий, обеспечивающих повышение уровня надежности
новых систем РЗА по сравнению с системами, используемыми в
настоящее время, является актуальной задачей. При ее решении
особое внимание следует уделить проблеме повышения эксплуатационной надежности.
Формирование базы данных, необходимых для выполнения
расчетов показателей надежности, требует построения системы
мониторинга уровня эксплуатационной надежности техники разных производителей, системы сбора информации по надежности
комплектующих элементов, системы анализа причин и последствий
отказов РЗА.
Разработка и внедрение в практику четких и сравнительно
простых методик оценки надежности и эффективности потребует
времени и средств, но эту работу необходимо выполнить, так как
это позволит обоснованно решать вопросы инвестиций при осуществлении различных проектов. Должны также разрабатываться
методы и средства, обеспечивающие высокий уровень надежности
систем РЗА на всех этапах их жизненного цикла.
При выполнении расчетов должно учитываться влияние на надежность и эффективность систем РЗА решений по дальнему и
ближнему резервированию, наличие устройств АПВ, УРОВ и других
моментов, способных в какой-то степени скомпенсировать те негативные последствия, которые будут вызваны отказами защиты и
повреждениями выключателей.
При оценке предложений по структурному резервированию систем РЗА необходимо принимать во внимание причины, которые могут привести к одновременным отказам всех устройств. Это означает,
например, что для двух взаимно резервирующих устройств защиты
коэффициент неготовности системы будет определяться как [3]:
где Qi – коэффициент неготовности каждого из взаимно резервируемых устройств (блоков);
k < 1 – коэффициент, учитывающий взаимозависимость функционирования каналов и существование общих причин неправильных
действий. Значение коэффициента k может меняться в широких
границах (в зависимости от помехозащищенности, качества программного обеспечения, конструкции микропроцессорного терминала). Так, коэффициент k снижается при использовании обоими комплектами защиты одного трансформатора напряжения, при
наличии общих цепей питания оперативным током и т.д.
Для повышения эффективности эксплуатации РЗА необходимо
разработать и внедрить в практику апробированную систему ТО
устройств МП РЗА и их ремонта.
ВЫВОДЫ
Подводя итог, еще раз подчеркнем, что для повышения
эффективности и надежности систем РЗА необходимо:
использовать устройства высокого технического уровня,
адаптированные к российским условиям;
развивать системы мониторинга уровня эксплуатационной надежности и системы сбора данных о причинах
отказов РЗА;
выполнить комплекс научно-исследовательских работ,
связанных с разработкой и внедрением в практику
обоснованных и достаточно простых методик оценки
надежности и эффективности систем РЗА, а также рекомендаций по повышению надежности аппаратных и
программных средств и методов повышения эксплуатационной надежности устройств.
Отдельного исследования требуют вопросы назначенного срока эксплуатации устройств РЗА на современной элементной базе, а также вопросы, относящиеся к технологии
эксплуатации устройств РЗА на этапе старения. Последнее
чрезвычайно актуально для большого количества устройств
РЗА на традиционной элементной базе, срок эксплуатации
которых в стране превысил 25–30 лет.
Надежность систем РЗА должна оцениваться с учетом
новых возможностей по резервированию, появившихся в
устройствах МП РЗА благодаря их многофункциональности
и внедрению стандарта МЭК 61850.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. – М.:
Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.
2. Нудельман Г.С., Линт М.Г., Фещенко В.А., Жуков А.В. Основные
требования к устройствам релейной защиты и управления, пред-
назначенным к применению в современных энергосистемах
России // Материалы Международной конференции «Релейная
защита и автоматика современных энергосистем», Чебоксары,
9–13 сентября 2007 г.
3. Шалин А.И. Надежность и диагностика релейной защиты энергосистем: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.
| 
|
