ПОНЯТИЕ ОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
10.1. ЭНЕРГЕТИКА КАК БОЛЬШАЯ СИСТЕМА
Энергетика как большая система дает возможность:
гибко маневрировать резервами мощности при сокращении их суммарного размера, следовательно, компенсировать последствия непрерывно возникающих непредвиденных ситуаций, в том числе и остановки топливоснабжения;
облегчать проведение ремонтов оборудования при сохранении нормального энергоснабжения;
снижать общее максимальное потребление мощности за счет несовпадения во времени максимальных нагрузок отдельных районов;
оптимизировать режим ее работы при использовании электростанций в соответствии с их экономичностью и маневренностью;
способствовать развитию энергетики применением агрегатов и электростанций, имеющих экономически целесообразную и экологически обоснованную мощность.
Свойства большой системы не ограничиваются суммой свойств элементов, а дополнены своими существенными свойствами. Взаимосвязи между элементами системы называются внутренними, а взаимосвязи со средой — внешними. Система характеризуется определенными структурой, организацией и упорядоченностью (структуре присуще иерархическое строение).
Область территории, в пределах которой сформировался определенный народнохозяйственный комплекс, обслуживается ЭЭС. Мощность, потребляемая в пределах одной ЭЭС, равна 1 — 5 млн. кВт. Оптимального размещения источников энергии в пределах небольших территорий, обслуживаемых ЭЭС, добиться трудно. Поэтому эта задача решается в пределах больших территорий, охватывающих регионы страны. Энергосистемы объединяются межсистемными связями в объединенные энергосистемы (ОЭС). При этом появляется возможность обмена потоками мощности между крупными электростанциями различных типов и маневренными потоками между ЭЭС, реализующими функции резервирования.
Для обеспечения межрегиональных обменов мощностью ОЭС объединяются в ЕЭС, дающую возможность маневрирования энергетикой в рамках всего народного хозяйства.
Система функционирует в соответствии с определенными закономерностями. В каждое мгновение система находится в определенном состоянии. Последовательный набор состояний определяют как поведение системы. Под пассивным поведением понимают процессы, происходящие под влиянием среды, а под активным — процессы, противодействующие влиянию среды. Поведение энергосистемы, в котором участвует человек и созданная им автоматика управления, можно рассматривать как целенаправленное.
Важной проблемой поддержания функционирования (эксплуатации) системы является обеспечение ее жизнеспособности, т. е. способности в зависимости от воздействия окружающей среды постепенно изменять свое состояние и переходить в новое устойчивое положение. Система при этом осуществляет отбор устойчивых состояний, обеспечивая свою жизнеспособность. Известно, что для этого необходимо гарантировать самоорганизацию на низших иерархических уровнях структуры при наличии координации с верхних уровней.
10.2. СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ
Рис. 10.1. Матричная иерархическая структура:
1 — руководитель организации; 2, 3, 4 — руководители предприятия; 5 — оперативный руководитель организации; б, 7, 8 — оперативные руководители предприятий; 9, 10, 11 — предприятия
В энергетике используется иерархическая структура управления. В этой многоуровневой системе некоторый орган управляет несколькими органами более низкого уровня, находящимися в его подчинении. Сам же управляется органом более высокого уровня.
Для иерархической структуры характерна известная автономность органов управления промежуточных и низших уровней. Решение стратегических задач происходит на высших иерархических уровнях, где оно наиболее эффективно. Тактические задачи в зависимости от их сложности и требуемых ресурсов могут решаться на более низких иерархических уровнях, что обеспечивает оперативность принятия решений, а в большинстве случаев и более высокую точность.
В управлении энергетикой используется матричная иерархическая структура (рис. 10.1). В ней разделены функции хозяйственного и оперативного управления.
Назначение хозяйственного управления сводится к поддержанию оборудования в работоспособном состоянии и доставке топлива и других ресурсов, необходимых для функционирования ЭЭС.
Хозяйственное управление соответствует подразделениям на предприятиях, имеющих цеховую структуру. Оно организует диагностирование состояния оборудования, весь комплекс ремонтных работ, создание и поддержание технических средств производства и управления.
Оперативное управление заключается в технологическом планировании режима ЭЭС, управлении производством и распределении электрической и тепловой энергии, выбору состава работающего оборудования и его загрузки. Оперативное управление обладает иерархической структурой, приведенной на рис. 10.2. Здесь центральное диспетчерское управление (ДДУ) Единой энергосистемы осуществляет оперативное управление энергетикой страны через несколько объединенных диспетчерских управлений (ОДУ); в оперативном ведении которых находится энергетика регионов страны. ЦДУ рассматривает межрегиональные вопросы, которые не могут быть решены в рамках ОДУ. В рамках каждой ОЭС оперативное управление которыми осуществляет ОДУ, действуют около десяти ЭЭС. На уровне ОДУ решаются межсистемные проблемы, которые не могут быть решены в пределах ЭЭС.
Рис. 10.2. Иерархическая структура оперативного управления в энергетике
Центральные диспетчерские службы энергосистем (ЦДС) осуществляют оперативное управление районными диспетчерскими службами сетевых предприятий (РДС), режимом электростанций (Ст), и крупных подстанций (Пст1)у имеющих системное значение. ЦДС занимается вопросами, требующими согласованности смежных сетевых предприятий. РДС согласовывают работу подстанций (Пст2), входящих в сферу деятельности сетевых предприятий, а также сетевых районов, находящихся в пределах сетевого предприятия. На низшем уровне находятся сетевые участки (су) и подстанции.
Таким образом, каждый из уровней оперативного управления имеет дело с ограниченным числом подчиненных ему звеньев (10— 20), что обеспечивает хорошую управляемость.
Каждый из уровней оперативного управления обладает большой самостоятельностью. Обязанности, решаемые каждым из уровней, перекрываются (дублируются) незначительно (около 5%). Можно сказать, что вышестоящие оперативные уровни управления занимаются координацией работы нижестоящих уровней. В то же время смежные уровни управления при необходимости могут брать на себя функции друг друга (по вертикали), обеспечивая технически допустимую работу ЭЭС, хотя, возможно, и с большим отклонением от оптимальной. Этим обусловлена высокая надежность иерархической структуры оперативного управления.
Три верхних уровня оперативного управления (ЦДУ, ОДУ, и ЦДС) занимаются оперативным управлением на уровне систем, каждое применительно к своему масштабу деятельности. В их работе много общего, однако имеются и определенные различия, обусловленные тем, что межсистемные электрические сети, контролируемые этими уровнями управления, имеют пропускную способность, не превышающую мощности связываемых ими ЭЭС и составляющую не более 10% от мощности связываемых ОЭС. Поэтому для ОДУ и ЦДУ, наравне с обеспечением баланса активной мощности, первостепенны проблемы, связанные с поддержанием целостности и жизнеспособности ОЭС и ЕЭС. С этой целью для ОДУ и ЦДУ на первый план ставятся задачи, связанные с предупреждением и предотвращением аварий, приводящих к потере целостности (разделению) и нарушениям балансов мощности. Они уделяют большое внимание разработке средств противоаварийного управления и управления активной мощностью в нормальных режимах, а также вопросам перспективного развития энергетики.
ЦДС, ОДУ и ЦДУ, как правило, оснащены мощными вычислительными центрами, с помощью которых формируются математические модели ЭЭС для анализа аварийных и текущих нормальных режимов. Математические модели позволяют проверять эффективность противоаварийного управления, поддерживать оптимальные режимы, получать информацию об их надежности в данный момент и консультации по поводу желательных действий.
На более низких уровнях оперативного управления используются терминалы вычислительного центра ЭЭС, мини- и персональные ЭВМ.
Из рассмотренного следует, что основной задачей оперативного управления является обеспечение надежности функционирования и соответствия выработки энергии спросу на нее. Управление для обеспечения оперативного соответствия производства энергии спросу на нее очень важно в любой отрасли народного хозяйства. Однако в энергетике, практически не обладающей возможностями аккумуляции энергии, необходимость в нем особенно очевидна. Без него энергетическая технология невозможна.
В соответствии с этим персонал также подразделяется на эксплуатационный и оперативный. Оперативный персонал ведет технологический процесс, осуществляет оперативные переключения, подготовку рабочих мест для ремонтного персонала, отвечает за надежность и безопасность.
Иерархическая система оперативного управления хорошо регламентирована. Распоряжения и указания заносятся в оперативные журналы; все действия, связанные с оперативной работой, также письменно фиксируются в них. Полученные распоряжения повторяются вслух исполнителем для того, чтобы убедиться в правильном их понимании. Оперативные переговоры в аварийных ситуациях автоматически фиксируются звукозаписывающей аппаратурой для последующего анализа и т. д.
Административный персонал не имеет права изменять оперативные распоряжения, если они не угрожают целостности оборудования и безопасности персонала.
10.3. ОПЕРАТИВНАЯ ПОДЧИНЕННОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЭС
Оборудование ЭЭС в соответствии с его значимостью находится в распоряжении различных иерархических уровней управления. Сам процесс управления операциями с оборудованием производится в зависимости от того, требуется ли координация действий персонала на различных объектах или нет.
Если операции с оборудованием, значимость которого для соответствующего уровня управления высока, не связаны с координацией действий персонала различных объектов ЭЭС, то оно находится в оперативном ведении данного уровня управления. Операции с подобным оборудованием производятся по указанию и под контролем этого уровня управления. Так, например, по указанию диспетчера ЭС персонал электростанции пускает котлы и турбогенераторы, проводя самостоятельно весь комплекс операций, необходимых для этого. Аналогично проводятся операции, связанные с остановом оборудования или выводом его в ремонт.
Существует и оборудование, управление которым связано с действием персонала не одного, а двух или большего числа объектов. Такое оборудование находится в оперативном управлении соответствующего иерархического уровня управления. Так, например, электрическая линия отключается в ремонт персоналом как минимум двух объектов, расположенных по ее концам. В этом случае вышестоящий оперативный персонал сам дает указания для производства всех операций, требующих координации действий на различных объектах. Такая координация необходима при действиях с коммутационной аппаратурой и противоаварийной автоматикой, имеющей общесистемное значение. Пооперационные указания, связанные с какими-либо другими действиями в цепях вторичной коммутации, во многих случаях практически нереальны. Поэтому используются программы оперативных переключений, с помощью которых весь комплекс разделяется на фрагменты действий, производящихся по указанию вышестоящего оперативного персонала, и фрагменты самостоятельных действий. Первые производятся на основе указаний свыше, а вторые — на основе программ переключений (персоналом).
10.4. ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ЭЭС
Одиночные события, такие, как отключение одной ЛЭП, автотрансформатора связи или обесточения шин одного РУ, имеют локальный характер, и с точки зрения надежности работы ЭС интерес к ним ограничен. Одиночные отключения элементов обычно приводят к перераспределениям потоков мощности по оставшимся в работе элементам без ущерба для электроснабжения.
Надежность работы ЭЭС определяется взаимосвязанностью элементов. За одиночным событием часто следуют аварийные события, образующие лавинный процесс (цепную реакцию событий). В этом проявляется отличие свойств системы от суммы свойств ее элементов — она обладает комплексом свойств, присущих ей как системе, и это называется аддитивностью.
Анализ надежности работы ЭЭС с учетом зависимых событий достаточно сложен.
Рис.
10.3. Ход управления лавинным аварийным процессом
Более радикального повышения надежности и режима функционирования энергосистем можно добиться придав существующим элементам определенные свойства, проявляющиеся в процессе возникновения аварийного процесса в последовательности, необходимой для предохранения от лавинного (каскадного) развития аварий. При этом должно быть учтено присутствие персонала и его качества: способность ориентироваться в сложных ситуациях, быстрота реакции, преобладающие мотивы действия и т. п. Эти свойства образуют своеобразную систему защиты. Надежность формируется с помощью принципа «глубокого эшелонирования» — способности к действию на любом этапе развития лавинного процесса [1, 2, 15, 16].
Основой понимания принципов эксплуатации ЭЭС является четкое представление об опасностях развития лавинных аварийных процессов, которые обязательно должны рассматриваться [2, 3, 15, 16].
Первым этапом противоаварийных действий можно считать предупреждение возникновения лавинного аварийного процесса (рис. 10.3). После этого необходимо предполагать успешный и неуспешный исходы. Наличие системы предупреждения позволяет в значительном числе случаев рассчитывать на успешный исход. При неуспешном исходе начавшийся лавинный процесс необходимо разорвать, остановить, локализовать. При локализации каждого из вариантов развития аварийного процесса должна также учитываться многовариантность исходов и необходимость в противовес им обеспечить многообразие свойств системы и ее элементов. После локализации состояние системы должно быть возвращено к доаварийному или хотя бы к состоянию, близкому к нему по своему характеру, т. е. необходимо восстановление режима.
Лавинный аварийный процесс протекает на значительных территориях и даже при наличии развитых систем отображения плохо наблюдаем. Поэтому персоналу трудно сориентироваться в ситуации и понять характер события. Несмотря на противоаварийное обучение стереотипные реакции на похожие, но меньшие по масштабам явления, проявляющиеся в нормальных режимах, приходят в противоречие с требуемыми действиями. В результате действия персонала часто ошибочны и ухудшают положение. Необходимо также иметь в виду, что персонал отдает предпочтение действиям, направленным на спасение оборудования, а не на сохранение работы ЭЭС.
При разработке противоаварийных средств целесообразно ориентироваться на худший случай, приводящий к решениям, исключающим вмешательство персонала в процесс вплоть до послеаварийного состояния ЭЭС. Но персонал должен обучаться сущности аварийных ситуаций и правильным действиям при отказах и для устранения не предусмотренных ситуаций. Для этого используются противоаварийные тренировки и работа на тренажерах.
Для уяснения свойств, которые должны придаваться ЭЭС и их элементам, необходимо рассмотреть типичные лавинные аварийные процессы.
