Надежность системыэнергоснабжения определяется как способность бесперебойного обеспечения потребителей необходимой мощностью и энергией определенных качественных параметров. Надежность следует трактовать в двух аспектах: развития и функционирования энергосистемы. В первом случае речь идет о покрытии перспективного спроса, во втором - текущего.
Проблема надежности в аспекте развития энергосистемы осложняется высокой инвестиционной инерционностью электроэнергетики и неопределенностью будущего спроса на энергию. Она должна решаться посредством опережающего ввода генерирующих мощностей и электросетей, созданием специального компенсационного резерва, оптимизацией структуры генерирующих мощностей, активным участием энергокомпаний в формировании спроса.
Надежность функционирования энергосистемы определяется бесперебойностью и качеством топливоснабжения электростанций, безотказностью оборудования, оптимальным резервированием генерирующих мощностей электростанции и пропускной способности электрических сетей.
Для количественной оценки надежности оборудования энергопредприятий используются методы теории вероятности и математической статистики, которые рассматривают отказ оборудования как случайное событие. Существует много показателей, характеризующих различные аспекты безотказности. Для систем энергоснабжения особое значение имеют оценки математического ожидания недоотпуска энергии (мощности), а также частоты и длительности перерывов в энергоснабжении.
Надежность - технико-экономическое понятие, поскольку ее повышение, как правило, требует дополнительных затрат, связанных с применением материалов и деталей повышенного качества, созданием резервных элементов. В то же время снижение надежности ведет к росту ущерба у потребителей и увеличению расходов на ремонты. В этой связи возникает проблема оптимизации уровня надежности энергоснабжения.
Отказы оборудования энергосистем сопровождаются комплексом негативных явлений, последствия которых носят экономический, социально-экономический или социальный характер и в целом определяются как ущерб от перерывов в энергоснабжении.
Характерный пример. В октябре 1965 г. вследствие аварии в Восточном энергообъединении США произошел перерыв в энергоснабжении крупного района страны с населением 30 миллионов человек, включая Нью-Йорк. Вся жизнь города с 10-миллионным населением была полностью парализована в течение 14 часов. Транспорт, промышленные предприятия, подача воды - все остановилось. Тогда президент США расценил происшедшее как национальное бедствие. В июне 1977 г. жители Нью-Йорка вновь пережили кошмар, связанный с аварией в системе энергоснабжения. На этот раз он проявился еще драматичнее. Начались пожары, грабежи, убийства, и мэр города вынужден был объявить чрезвычайное положение.
Надежность работы ЕЭС России обеспечивается высоким уровнем оперативно-технологического управления - централизованной иерархической системой диспетчерского управления и многоуровневым многократно резервированным комплексом
устройств противоаварийной автоматики. Именно благодаря этому в течение всего времени существования ЕЭС не было катастрофических аварий, сопровождавшихся длительным нарушением электроснабжения на больших территориях, которое приводит к тяжелым экономическим и социальным последствиям.
Тем не менее в отечественной электроэнергетике проблема надежности возрастает по мере нарастания износа оборудования и вследствие снижения требований к подготовке персонала. Так, за 1998 г. на энергоблоках всех категорий мощности произошло 959 отказов с общим временем восстановления 66 078 ч. По этой причине недовыработка энергии составила более 19 млрд. кВт∙ч. Из общего числа отказов 18 % произошло из-за недостатков в эксплуатации, 14 % - из-за низкого качества ремонтных работ, 10 %-из-за дефектов изготовления и конструкций оборудования. 3 %-из-за дефектов монтажа, 17 %- из-за исчерпания ресурсов работоспособности оборудования, 38 % - из-за прочих и невыясненных причин.
Народно-хозяйственный ущерб от перерывов в электроснабжении складывается из суммы ущербов, понесенных:
энергоснабжающей организацией;
потребителями электроэнергии;
потребителями продукции или услуг, при производсгве которых происходит перерыв в электроснабжении;
окружающей (природной) средой.
Ущерб для энергоснабжающей организации определяется четырьмя составляющими:
затратами на аварийный ремонт оборудования электростанций и электрических сетей;
перерасходом топлива на низкоэкономичных резервных агрегатах:
дополнительными затратами на пуск оборудования после его восстановления:
увеличением потерь электроэнергии в электросетях при работе в режиме дополнительной (аварийной) нагрузки.
Однако доля ущерба в энергосистеме в суммарном народно-хозяйственном ущербе. как правило, невелика. Наибольшие потери несут потребители электроэнергии. На промышленных предприятиях они связаны с сокращением выпуска продукции, снижением ее качества и повышением брака, порчей сырья и материалов, поломкой инструментов и оборудования, повышением износа оборудования.
В отраслях непроизводственной сферы - жилищно-коммунальном хозяйстве, бытовом обслуживании и торговле, на транспорте, в других отраслях социальной инфраструктуры - отказы электроснабжающих систем приводят к ухудшению условий труда и быта, росту заболеваемости, снижению количества и качества коммунальных услуг, уменьшению фонда свободного времени населения и ухудшению качества его использования.
Категория экономического ущерба и ее количественные характеристики используются при решении разнообразных технико-экономических и организационных задач, в той или иной степени затрагивающих фактор надежности, например, при обосновании организационно-технических решений по повышению надежности; выборе оптимального уровня надежности систем электроснабжения; оценке величины резерва генерирующих мощностей; определении периодичности и объема капитального ремонта электроустановок; установлении оптимального срока эксплуатации (амортизационного периода) электроустановок; расчете целесообразного уровня автоматизации электрической сети; нормировании аварийных запасов топлива, запасных частей, материалов.
Очевидно, что среди приоритетных направлений инвестирования в основной капитал оправданное повышение надежности, безусловно, должно занимать первое место. При этом общий методический принцип технико-экономических расчетов: сопоставление дополнительных затрат, необходимых для повышения надежности электроснабжения, с уменьшением экономического ущерба от отказов оборудования энергосистемы.
Во взаимоотношениях с потребителями электроэнергии экономический ущерб учитывается при построении графиков отключения и ограничения электроприемников в случае дефицитов мощности и энергии в системе. Важная область его применения, -обоснование размера штрафных санкций в результате снижения надежности по вине энергоснабжающей организации (возмещение ущерба может осуществляться полностью или частично за счет собственных средств энергоснабжающей организации либо страховыми компаниями).
Получение стоимостных (денежных) оценок ущерба связано с рядом непростых проблем. Так, ущерб у потребителей зависит от сочетания множества случайных событий, поэтому его величина не является детерминированной и представляет собой математическое ожидание в функции комплекса влияющих факторов. Определение этих факторов в каждом конкретном случае - одна из важных и одновременно самых сложных задач.
Для отраслей производственной сферы денежная оценка ущерба принципиально возможна. Однако в тех случаях, когда результатом перерыва электроснабжения становятся социальные или социально-экономические последствия, определение стоимостного выражения ущерба представляет серьезные трудности.
Известны два метода определения экономического ущерба от отказов энергетического оборудования. Первый основан на детальном подсчете всех потерь и затрат, являющихся следствием отказа как у энергоснабжающей организации, так и у потребителей электроэнергии (метод микромоделирования). Второй метод базируется на использовании удельных характеристик ущерба, определяемых с той или иной степенью приближения и агрегированных в пределах отдельных производств, отраслей народного хозяйства страны и регионов (метод макромоделирования). Логикой метода макромоделирования можно считать необходимость оценивать экономический ущерб как вероятностную характеристику.
величины ущерба дифференцированы по отраслям промышленности и отдельным производствам;
ущерб от недовыработки продукции зависит от электроемкости производства и цен на соответствующие виды продукции; ущерб существенно превосходит действующие тарифы на электроэнергию
В непроизводственной сфере обслуживания населения и в быту одной из самых важных и существенных составляющих ущерба от перерывов электроснабжения является потеря времени населением в ее экономической оценке. Существуют различные подходы к определению экономической оценки затрат времени населением и убытков индивидуальных потребителей.
Например, по данным английских энергокомпаний, люди оценивают время своего отдыха так же, как заработную плату. Шведские исследователи предлагают потери для индивидуальных потребителей подразделять на две части: составляющую ущерба, не зависящую от длительности перерыва электроснабжения, и зависящую от величины недоотпуска электроэнергии за время восстановления электроснабжения. Власти штата Калифорния (США) считают, что если имеет место перерыв электроснабжения, то затраты на приобретенное потребителем электрооборудование, приборы и аппаратуру можно рассматривать как излишние. Исходя из этого принципа была получена средняя величина ущерба для населения штата.
Пример. Определение экономического ущерба от отказов электроэнергетического оборудования энергосистемы
Описание события
Воздушная одноцепная линия электропередачи (ВЛ) 110кВ, питающая промышленное предприятие, отключилась в 16 ч 20 мин (обрыв провода одной фазы) и в тот же день в 20 ч 20 мин после выполнения аварийного ремонта была введена в работу. В момент отключения ВЛ несла нагрузку 25 МВт. Вторая питающая линия 110 кВ от той же подстанции также несла нагрузку 25 МВт, а после отключения была нагружена до 40 МВт.
Здесь и далее стоимостные показатели приведены в ценах, действующих на конец 2000 г.
Данные для расчета ущерба
Длина ВЛ по трассе - 80 км; недоотпуск электроэнергии при простое ВЛ - 40 МВт-ч; потери мощности при работе одной ВЛ в нормальном режиме - 15 кВт/км; потери мощности при работе В Л в аварийном режиме - 40 кВт/км; затраты на аварийный ремонт ВЛ: заработная плата с начислениями-647 руб., стоимость материалов-2115 руб., расходы на автотранспорт и использование спецмеханизмов - 664 руб.
Удельный ущерб для промышленного предприятия составил 2,5 руб/(кВт∙ч). Себестоимость производства электроэнергии в энергосистеме - 0,6руб/(кВт∙ч).
Расчет ущерба энергоснабжающей организации
Затраты, связанные с увеличением потерь электроэнергии при передаче дополнительной мощности по одной ВЛ в аварийном режиме у =0,6 -(40-15-15) -80 -4= 1920руб.
Затраты на аварийный ремонт ВЛ у= 647 + 2115 + 664 = 3426 руб.
Итого ущерб энергоснабжающей организации у> =у,+у, = 1920 + 3426 = 5346 руб.
Расчет ущерба потребителей электроэнергии
Ущерб потребителей оценивается по агрегированному показателю удельного ущерба для данного производства:
уп = 2,5 • 40 000 = 100 000 руб.
Расчет народно-хозяйственного ущерба
Народно-хозяйственный ущерб от отказа воздушной линии электропередачи 110 кВ, питающей промышленное предприятие, составит: у = 5346 + 100 000 = 105 346 руб.
Доля потерь потребителей в народно-хозяйственном ущербе равна 95 %.
Следует отметить, что показатель народно-хозяйственного ущерба рекомендуется использовать для комплексной экономической оценки надежности региональных энергоснабжающих систем. Кроме того, народно-хозяйственный ущерб и его структура могут служить информацией для страховых компаний при решении вопросов о возмещении убытков в системах электроснабжения.
Совпадение во времени процессов генерирования и потребления энергии, невозможность складирования готовой продукции приводят к необходимости создавать резервы электрогенерирующих мощностей в энергосистемах. Имеется лишь ограниченная возможность резервирования энергии за счет запасов воды в водохранилищах ГЭС и топлива на ТЭС.
В соответствии с назначением различают следующие виды энергетических резервов.
Аварийный резерв предназначается для обеспечения электроснабжения в случаях снижения генерируемой мощности, вызванного аварийными простоями оборудования электростанций и электрических сетей. Величина его принимается исходя из общей мощности всей энергосистемы, числа агрегатов, установленных на электростанциях. Она должна быть не меньше мощности самого крупного агрегата в системе. В то же время величина этого резерва требует тщательного обоснования, так как затраты на его создание весьма значительны, а недостаток приводит к снижению надежности энергоснабжения.
Ремонтный резерв предназначен для компенсации мощности, которая выводится в планово-предупредительные ремонты. Он предусматривает возможность проведения текущих и капитальных ремонтов оборудования электростанций без отключения потребителей. Капитальные ремонты выполняются, как правило, при сезонном снижении нагрузки в энергосистеме (например, летом). Если этого снижения достаточно, то ремонтный резерв при максимальных нагрузках требуется в основном при проведении текущих ремонтов. Величина его зависит от общего количества агрегатов в системе, мощности ремонтируемых агрегатов, продолжительности планового ремонта, площади сезонного "провала" годового графика нагрузки энергосистемы.
Величину аварийного и ремонтного резервов можно значительно снизить за счет объединения энергосистем. Например, реализация аварийной взаимопомощи энергосистем в бывшем СССР дала эффект, эквивалентный экономии аварийного резерва в ЕЭС страны около 4-5 млн кВт. Эффект снижения максимума за счет совмещения графиков нагрузки ОЭС во время ремонтного сезона составил 4-6 млн кВт. Это позволило снизить требования к резерву мощности, необходимому для проведения капитальных ремонтов оборудования.
Нагрузочный резерв предназначен для поддержания частоты переменного тока в энергосистеме в нормативных пределах при возможных отклонениях максимума нагрузки от его расчетной величины. Он должен рассматриваться совместно с аварийным резервом, так как надежность и качество энергоснабжения тесно взаимосвязаны.
Компенсационный резерв требуется для предупреждения возможных нарушений энергобаланса системы вследствие неопределенности роста потребности в электроэнергии, а также вероятного отставания ввода новых генерирующих мощностей. Он определяется в процессе координации планов развития энергосистемы и отраслей-потребителей в данном регионе.
Все перечисленные виды энергетических резервов составляют полный резерв энергосистемы (РЭЭС, ОЭС, ЕЭС). Таким образом, под полным резервом активной мощности следует понимать разность между мощностью электростанций и общим максимумом нагрузки потребителей региона (для наиболее холодного зимнего дня). Отметим, что полный резерв энергосистемы оценивается в процентах от максимальной нагрузки, а не от установленной мощности электростанций.