Надёжность электроэнергетических сетей и систем

    Постановка  задачи управления надежностью  в энергосистемах 
    Во времена предреформенной энергетики, в период административного и централизованного корпоративного управления отраслью, надежность электроснабжения потребителей основывалась на следующих базовых принципах: ответственности за территориальное обеспечение электрической и тепловой энергией и комплексе требований к уровню надежности энергоснабжения, прописанных в различных межотраслевых и отраслевых документах. 
    Реформирование электроэнергетики, образование самостоятельных генерирующих сетевых и сбытовых компаний исключило элемент территориальной ответственности за надежность энергоснабжения потребителей, не предложив взамен никакого другого эффективного инструмента, тем более в условиях ослабления действия положений, обозначенных в отраслевых документах. Скупо сформулированные в законе "Об электроэнергетике" требования к Системному оператору об обеспечении надежности энергосистем проблемы не решают. 
    Следует добавить, что высокая цена обеспечения повышенного уровня надежности электроснабжения для ответственных потребителей в силу особенностей формирования цены на электроэнергию оплачивается всеми потребителями, в том числе, не претендующими на такую степень надежности. Практически это означает перекрестное субсидирование потребителей по "фактору надежности", что в дальнейшем по мере углубления коммерциализации отношений в рамках энергорынка вызовет активное противодействие. "Бесплатность" надежности в свою очередь будет стимулировать потребителей завышать свои требования и рассматривать любое отклонение уровня надежности от абсолюта как повод для предъявления исков к энергокомпаниям. У последних же при отсутствии внятных нормативов и неявно выраженной ответственности за надежное электроснабжение практически будет полностью отсутствовать мотивация действенного поддержания этого уровня. 
    Развивающийся рынок электрической энергии и мощности никак не охватывает проблему обеспечения надежного электроснабжения потребителей. Отсутствуют ориентиры, необходимые для ее реализации, никак не прописана ответственность за ее обеспечение, не предполагается координации действий по надежности, оборот надежности как товара или услуги отсутствует и нет необходимых нормативно-правовых документов для его организации. 
    Вывод, который следует из вышеизложенного, состоит в том, чтобы дополнить концепцию развития рынка в электроэнергетике системой управления надежностью электроснабжения потребителей, основанной на экономических и нормативно-правовых механизмах, охватывающих всех участников процесса, включая и потребителей электроэнергии.

Основные  мероприятия по повышению  надежности систем электроснабжения объектов

 К основным мероприятиям по повышения надежности СЭС относятся: -  повышение надежности ИП; -  повышение надежности отдельных элементов СЭС; -  уменьшение числа последовательно включенных элементов в СЭС (применение глубоких вводов высокого напряжения, применение упрощенных схем включения, уменьшение числа трансформаций и коммутаций и т.п.); -  резервирование элементов СЭС (увеличение числа независимых ИП ,   в том числе применение агрегатов бесперебойного питания (АБП), числа ЛЭП, числа систем шин или секционирование одинарных систем шин РУ и др.), а так же элементов технологической системы; -  внедрение или усовершенствование релейной защиты, противоаварийной автоматики (АЧР, АВР, АПВ), современных систем управления, самозапуска ответственных механизмов и др.; -  изменение технологических процессов с целью снижения требований к надежности электроснабжения, включая внедрение технологических защит, блокировок и противоаварийной автоматики, а так же сооружение складов-накопителей промежуточной или готовой продукции; -  совершенствование системы технического обслуживания и ремонта электроустановок, а также повышение культуры их эксплуатации; -  подготовка, переподготовка и противоаварийная тренировка обслуживающего персонала с целью повышения его квалификации и практических навыков при локализации или ликвидации аварийных ситуаций СЭС; - увеличение стойкости элементов ЭУ к воздействию окружающей среды (применение электрооборудования и электрических ЛЭП с усилен ной изоляцией, электрооборудования в специальном исполнении: с химостойкими элементами конструкции, пылезащищенном, влагозащищенном, взрывозащищенном и др.). Как при проектировании СЭС, так и в процессе ее эксплуатации уровень надежности, способы повышения надежности выбираются на основании проведения технико-экономических расчетов. Таким образ,  повышение надежности СЭС является комплексной задачей, которая может быть успешно решена на основе технического и экономического анализа ИП, СЭС, технологического производства и условий их функционирования.    

   Задачи  построения системы  управления надежностью                    электроснабжения в РФ    

   Анализ  ситуации в электроэнергетике нашей страны, характер и развитие рыночных отношений, опыт поддержания уровня надежности энергосистем в дореформенный период и обширный зарубежный опыт управления надежностью электроснабжения потребителей позволяют сформулировать некоторые предположения в отношении построения системы управления надежностью в электроэнергетике. Такая система должна базироваться на особенностях формирования рыночной среды в отрасли, выстроенной вертикали диспетчерского управления, созданной инфраструктуре для конкурентной торговли электроэнергией и т. д. Решая задачу построения системы управления надежностью электроснабжения потребителей, прежде всего полезно сформулировать базовые соображения, которые должны быть положены в ее основу:  
    1. При построении системы и создании ее блоков необходимо исходить из примата поддержания надежности и живучести единой энергосистемы по отношению к коммерческим интересам участников энергорынка. Истоки данного требования берут начало из представления об инфраструктурной значимости электроэнергетики для функционирования и жизнеобеспечения национального хозяйства и социальной сферы страны. 
    2. Участники энергетического рынка - предприятия энергетики и потребители энергии - должны получать справедливое возмещение относительно затрат и потерь, которые имеют место для поддержания заданного уровня надежности или возникают при снижении его ниже нормативных или договорных значений. 
    3. Потребителям электрической энергии должна быть представлена свобода выбора желательного для них уровня надежности электроснабжения, обеспечиваемого их платежеспособным спросом. В случае если нормативный или договорной уровень надежности нарушен, потребитель должен получить возмещение ущерба.  
    4. Управление надежностью электроснабжения потребителей должно базироваться на соответствующей правовой основе - законодательных документах, стандартах, нормативах, регламентах оптового и розничного рынков и т. д., - включающей:

-  разграничение зон экономической ответственности субъектов рынка электроэнергии за нарушения системной надежности и надежности электроснабжения потребителей;

-  разграничение понятий "форс-мажорные" и "нормативные" условия функционирования электроэнергетики с позиции мер ответственности за возможные отказы;

-  регламентация показателей надежности, наиболее пригодных для ее количественной оценки в сфере функционирования энергосистемы и системы электроснабжения потребителей;

-  ценовые инструменты экономического управления надежностью электроснабжения потребителя;

-  вопросы оценки имущественного ущерба потребителя от нарушения надежности его электроснабжения;

-  система страхования рисков в электроэнергетике и, в частности, касательно ответственности поставщиков за нарушение надежности электроснабжения потребителей;

-  обеспечение требуемого уровня надежности в электроэнергетике в процессе формирования прогнозов и стратегий ее развития. 
    5. Эффективное функционирование системы управления надежностью электроснабжения потребителей должно основываться на количественной оценке комплекса показателей и критериев надежности применительно к каждому из субъектов энергетического рынка. Исходя из такого комплекса показателей следует выстраивать и систему ответственности за нарушения, являющиеся причиной и системных отказов и отказов в электроснабжении потребителей. Это позволит установить виновников возникновения отказов, определять степень их вины и обоснованно привлекать к экономической ответственности. Отсутствие такой регламентации не только снижает мотивацию энергопредприятий к поддержанию надежности функционирования принадлежащих им технологических объектов, но и существенно затрудняет выполнение требований ст. 39 п. 3 ФЗ "Об электроэнергетике" и ст. 547 ГК РФ "О возмещении в полном объеме реального ущерба потребителей при нарушениях электроснабжения".    

         Ущербы  потребителей от перерывов  электроснабжения 
    В задачах организации системы управления надежностью электроснабжения потребителей категория ущерба последних от нарушений - отказов и отключений - занимает важное место. Во-первых, величина ущерба является определяющей при отнесении потребителя к категории обеспечения надежности электроснабжения, а следовательно, к масштабу резервирования его электропитания. В свою очередь это обстоятельство влияет на выбор потребителя относительно желательного для него уровня надежности электроснабжения и соответствующего "тарифного меню". Величина ущерба от перерывов электроснабжения непосредственно отражается в виде экономических санкций к стороне, виновной в нарушении нормального режима электроснабжения. 
    Разнообразие целей использования категории ущерба от перерывов электроснабжения, множество субъектов электроэнергетического рынка, заинтересованных в корректной его оценке, а также вариабельность конкретных реализаций событий, которые могут способствовать нанесению ущерба потребителям, предопределяют требования к его оценке. Можно даже говорить о необходимости консенсуса всех заинтересованных сторон относительно методологии определения убытка, нанесенного потребителям по причине сбоев в подаче электроэнергии. При этом следует учитывать, что по проблеме определения объема потерь в силу коммерческой заинтересованности сторон расхождения в подходах и величине, как правило, весьма существенны. Практически полностью устарела информация об ущербах потребителей, накопленная в период 1970-1990 гг., поэтому на сегодня ни для целей проектирования, ни для других задач управления надежностью электроснабжения потребителей сведениями мы не располагаем. 
    Теперь следует обратиться к опыту определения характеристик ущерба зарубежных стран, где экономика находится на высоком уровне развития, и в частности - США. Объемные исследования в этом направлении дали положительный результат. Американские энергокомпании и исследовательские центры располагают довольно полной информацией об ущербах предприятий практически всех технологических направлений, а также убытков от отключений в коммунальном хозяйстве и в быту. Степень подробностей располагаемой информации позволяет использовать последнюю с высокой точностью в целях управления надежностью электроснабжения практически каждого конкретного потребителя. 
    Аналогичные исследования и разработки, включая систему постоянного мониторинга за ситуацией, связанной с возникновением ущербов потребителей при перерывах в электроснабжении, необходимо организовать и в нашей стране. Такая система должна стать неотъемлемой частью общей системы управления надежностью в энергосистемах.

    Расчет  ущерба от перерыва в электроснабжении 
При выявлении ущерба от перерыва питания время фактического простоя потребителя складывается из времени перерыва электроснабжения и времени, необходимого для достижения нормальной производительности агрегата, цеха. Существует минимально допустимая продолжительность перерыва питания, которая не отражается на работе данного потребителя вследствие инерционности электроприводных и технологических механизмов. Ее значение зависит от характера процесса и специфики производства и колеблется в больших пределах от 1 с до 30 мин. 
Различают два вида ущерба от перерыва питания: прямой и косвенный. 
В прямой ущерб входят: 
1. стоимость простоя рабочей силы; 
2. выход из строя или сокращение срока службы механизмов; 
3. убытки от энергетических потерь, связанных с утечкой пара, газа, сжатого воздуха, тепла печей; 
4. убытки от расстройства технологического процесса; 
5. ущерб от брака продукции, порчи сырья, материалов и полуфабрикатов, от увеличения затрат труда, материалов и энергии на единицу продукции. 
Косвенный ущерб - убытки от недовыпуска продукции вследствие перерыва питания. 
Ущерб имеет место при отклонениях качества электроэнергии от нормированных значений: отклонения напряжения и частоты, колебания напряжения при толчковых нагрузках, несинусоидальность и несимметрия напряжения. 
Величина ущерба от перерыва электроснабжения расчитывается двумя способами. 
Первый способ основан на анализе отказов и может применяться для анализа вероятного ущерба. Второй способ применим для анализа уже случившегося перерыва в электроснабжении. 
Первый способ. 
Ожидаемый среднегодовой ущерб от перерыва в электроснабже-нии: 
У = УоТ*Эн ,  
Где У0 - удельный ущерб от недоотпуска электроэнергии потребителя, оп-ределяемый временем перерыва и характером производства, руб/кВт ч; Эн - электроэнергия, недоотпущенная потребителю вследствие нарушения электроснабжения, определяемая по формуле. 
Эн = Эпотр*qc ,  
Где Эпотр - годовая потребность предприятия в электроэнергии, кВт ч; qc - вероятность отказа системы электроснабжения, 1/год. 

Определение ущербов (убытков) от перерывов электроснабжения промышленных объектов

Для определения  оптимального уровня надежности электроснабжения потребителей второй группы необходимо знать величину годового ущерба при перерывах электроснабжения, которая определяется особенностями технологического процесса, зависит от частоты и длительности перерывов электроснабжения, а также от вероятности совпадения этих перерывов с той или иной фазой технологического процесса, если производство цикличное или периодическое.

При перерыве электроснабжения длительностью более  некоторого критического времени t0 происходит расстройство технологического процесса и возникает ущерб. В общем случае время простоя технологической установки, цеха при перерыве электроснабжения может быть определено из выражения ,где t₃ - длительность перерыва электроснабжения, причем t_э > t₀; t_тех - время, необходимое для доведения параметров технологического процесса после восстановления электроснабжения до регламентируемых величин; t_пуск - время пуска технологической установки, равное времени достижения номинальной производительности после восстановления регламентируемых параметров режима. Обычно в расчетах используют так называемое приведенное время простоя (t’_n), которое равно: , где t'_э - приведенное время перерыва электроснабжения; t’_пуск - приведенное время пуска установки;

, где П_э - количество продукции, выпущенной за время перерыва электроснабжения; П_пуск - количество продукции, выпускаемой за время пуска установки после перерыва электроснабжения; Q_H - номинальная (доаварийная) производительность установки. Для многих установок t’_э=0. В общем случае ущерб предприятия при перерыве электроснабжения определяется по формуле У =Уп+Унз+Унп, где Уп - составляющая полного ущерба (прямые убытки), которая возникает на отключенной установке из-за потерь и брака продукции, перерасхода энергоресурсов, сырья и материалов, поломок оборудования при внезапной остановке, простое и послеаварийном пуске, а также из-за увеличения условно-постоянной составляющей себестоимости продукции (цеховые и общезаводские расходы, амортизационные отчисления и т.д.), если недовыпуск продукции после восстановления электроснабжения не может быть восполнен; Унз - составляющая полного ущерба, вызываемая недозагрузкой предшествующих или последующих установок технологический цепи и определяемая теми же статьями убытков, что и Уп; Унп - составляющая полного ущерба, определяемая недополучением предприятием прибыли, так называемые косвенные убытки. Унп=К*Qн*t’_n*(Ц-С), где Q_H - номинальная или доаварийная производительность установки, цеха, предприятия; t'n - приведенное время простоя установки из-за перерывов электроснабжения; Ц, С - соответственно цена и себестоимость единицы товарной продукции; К - доля в выпуске товарной продукции остановленной установки (для концевых товарных цехов К=1). Если недовыпуск продукции восполняется, например, путем форсирования режима, включением резервных агрегатов, использованием сверхурочных часов работы, то все возникающие при этом дополнительные расходы относят к составляющей прямого ущерба, но зато в этом случае не учитывается перерасход условно-постоянной составляющей себестоимости продукции и составляющая ущерба Унп принимается равной нулю. Составляющая ущерба Унз имеет место только в случае сохранения в предшествующих и последующих установках и цехах электроснабжения и отсутствия складов-накопителей промежуточной или готовой продукции, то есть в случаях, когда смежные установки, цехи останавливаются на "горячий простой" при аварийной остановке какого-либо цеха в последовательной технологический цепи из-за перерыва его электроснабжения. С достаточной для расчетов надежности точностью путем калькулирования отдельных убытков удается получить зависимости разового ущерба установки, цеха от длительности перерыва электроснабжения - У = f(t_э). Зная показатели надежности (ω_в, Т_В) и зависимости У = f(t_э) для любого узла СЭС, можно определить величину ожидаемого годового ущерба: , ω - параметр потока отказов в узле СЭС; К - число установок (цехов), питающихся от данного узла СЭС. Определение ущерба предприятия - очень объемная и многовариантная задача, которая должна решаться с использованием ЭВМ. Для предприятий нефтеперерабатывающий и нефтехимической промышленности могут быть использованы алгоритмы и программы для ЭВМ. Для ориентировочных расчетов при решении вопроса перспективного развития электроэнергетических систем или выбора системы питания предприятия часто применяются удельные показатели ущербов, отнесенные к 1 кВт отключенной мощности или 1 кВт-ч недоотпущенной электроэнергии. Для более объективных оценок расчетов необходимо пользоваться интервальными оценками удельных показателей ущерба.