Министерство Образования и Науки Республики Казахстан
Атырауский Институт Нефти и Газа
Факультет «Экономика и информационные системы»
Кафедра «Информационные системы»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему «Основы теории живучести»
по дисциплине: «Надежность систем автоматизации»
Выполнил: ст. гр. АиУ-05 к\о
Мухамедияров Д.
Проверила: доцент
Алымов Н.К.
Атырау – 2008 г.
Введение
Впервые вмире понятие живучести было сформулировано русским адмиралом СтепаномОсиповичем Макаровым – это способность судна продолжать бой, имея повреждения вразличных боевых частях.[1]
В энергетикепод живучестью понимается свойство объекта противостоять возмущениям, недопуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей.[2]
Толчком кразвитию методов оценки и прогнозирования цепочечных аварий в энергосистемах(ЭС) послужила авария, случившаяся 9 ноября 1965 года в США, которая привела ктому, что на территории с населением около 30 млн. человек более чем на 10часов была прекращена подача электроэнергии. Ущерб от аварии составил более 100млн. долларов. Последовавшие после этого десяток мелких (с экономической точкизрения), но подобных аварий по стране завершились 13 июля 1977 года аварией вНью-Йорке. В течение 25 часов была парализована жизнь Нью-Йорка. Ущерб отпоследствий этой аварии составил более 1 млрд. долларов.[3,4]
Спустя 26лет, 14 августа 2003 года в 16 часов 11 минут по местному времени из-заповреждения на линии Ниагара – Мохок без электричества осталась почти всявосточная часть Северной Америки, т.е.50 млн. человек.[5]
О каждой изперечисленных аварий можно сказать, что данная энергосистема потерялаживучесть. Живучесть электроэнергетической системы (ЭЭС) зависит от ееструктуры, конфигурации, надежности электрооборудования, средств релейнойзащиты и противоаварийной автоматики, а также от квалификации обслуживающегоперсонала, запаса устойчивости, резерва активной мощности и т.д.[6] Приэксплуатации ЭЭС наблюдается появление так называемых цепочных аварий из-запоследовательного отказа в срабатывании нескольких выключателей при отключенииповреждений.[7]
Цепочныеаварии наблюдались в 25 ЭЭС и двух ОЭС бывшего СССР. За 5 лет былозафиксировано 75 цепочных аварий. В 81 % случаев цепочные аварии происходилииз-за повреждений в сети и отказа в функционировании защитных коммутационныхаппаратов.[8] На цепочечные аварии приходится 90 % народнохозяйственногоущерба.[9]
Под глубинойцепочной аварии понимается уровень расстройства функционирования установокэнергосистемы при авариях и нарушениях в работе.[7,8,10]
Показателемживучести может служить частота появления системных цепочных аварий с различнойглубиной нарушения электроснабжения.[8]
Поэтомуработа, направленная на разработку новых и совершенствование известныхматематических моделей и методик по оценке живучести узлов нагрузки, являетсяактуальной. Решение этих проблем позволит практически не допускать появлениекаскадных аварий в энергосистемах.
Научнаяценность работы
В этой работерассматривается живучесть электрической подстанции В работе 110\10 В. полученановая аналитическая зависимость живучести подстанции от интенсивности появленияКЗ в ее элементах, надежности систем отключения защитных коммутационныхаппаратов и сроков ее контроля.
Практическаяценность работы
Полученная вработе зависимость позволяет прогнозировать живучесть подстанции, сравниватьполученный результат с нормируемым отраслевыми документами уровнем и еслиполученный уровень живучести узла нагрузки будет больше нормируемого />, топредставляется возможность разрабатывать организационные и техническиемероприятия, при которых нормируемый уровень будет обеспечен, т.е. />.
Состояниевопроса
Насовременном этапе развития техники и технологии для оценки живучести узловнагрузки и надежности схем систем электроснабжения (СЭС) широкоераспространение получили элементные методы. В этих методах предполагается, чтоСЭС состоит из отдельных самостоятельных (в смысле анализа надежности) элементов,исключаются из рассмотрения функциональные зависимости между параметрамиотдельных элементов устройства.[11-14] Рассматриваемые СЭС состоят из элементов: линии электропередачи, трансформаторы, выключатели, отделители,разъединители, автоматические выключатели и т.д.
Под узламисхемы понимают физические пункты СЭС, которые непосредственно связаны не менеечем с тремя направлениями передачи энергии, т.е. обычно это сборные шины илисекции распределительных устройств и т.д.[13]
Для элементовСЭС в работе[14] введены понятия: отказ типа «обрыв цепи» и отказ типа«короткое замыкание» («КЗ»). В работе кроме перечисленных видов отказовпредлагается учитывать и переход аварии через коммутационный аппарат. Факторы,которые целесообразно было бы учесть при расчетах надежности СЭС, перечислены в[15]. В работе [16] обосновано, что нецелесообразно делить отказы, которымподвергается электрооборудование в процессе эксплуатации более чем на три вида.
Результатыисследований
ДляДонбасской электроэнергетической системы (Артемовские МЭС, Чайкинские МЭС,Мариупольские МЭС, Луганские МЭС) за 5 лет была обработана статистическаяинформация о повреждениях электрооборудования подстанций.
Полученыфункции распределения интервалов времени между выходами из строя оборудования повине человека. Установлено, что для различных энергосистем число выходов изстроя оборудования по вине человека колеблется в пределах от 50 % до 54%.
В работерассматриваются следующие виды отказов элементов схемы: отказ типа «короткоезамыкание», отказ типа «обрыв цепи» и отказ в срабатывании (скрытый отказ).
Все остальныеотказы, которые встречались в СЭС промышленных предприятий Украины, появлялисьна порядок реже отобранных и поэтому в расчетах не учитывались.
Перечисленныевиды отказов следует относить к следующим типам электрооборудования:
1.Отказ типа «короткое замыкание». Такой вид отказа может происходить вовсех элементах схемы, через которые проходит ток нагрузки в нормальном режимеработы. Короткие замыкания (КЗ) в таких элементах отключаются основной релейнойзащитой, в зоне действия которой находится рассматриваемый элемент сети, либорезервной с выдержкой времени. Перекрытие изоляции в самом защитномкоммутационном аппарате в этих расчетах не учитываем, так как повреждениявстречаются на порядок реже, чем КЗ в защищаемых этими коммутационнымиаппаратами элементах сети. 2.Для защитных коммутационных аппаратовучитываются два вида отказов: а) отказ выключателя типа «обрыв цепи». Ктаким отказам будем относить ложные и излишние отключения выключателей врезультате действия релейной защиты, которые ликвидируются с помощью ручногопереключения (т.е. без средств автоматики), а также автоматические отключениявыключателей в результате повреждений во вторичных цепях релейной защиты; б) отказ выключателя в срабатывании. Эти отказы выявляются в результатепрофилактических осмотров выключателей: привода, катушки отключения,дугогасительной камеры, контактной системы, оценивается возможностьперекрытия изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях, проверяются путиутечки тока. Производится осмотр релейных защит, контактов самих реле,проверяются уставки защит, оперативные цепи питания, работа устройстваавтоматического повторного включения (АПВ), устройства автоматического вводарезерва (АВР) и т.д.
Всевыявленные в результате профилактики отказы, которые могли бы привести к отказув срабатывании выключателя при появлении КЗ в зоне действия его релейнойзащиты, заносятся в специальный журнал и эта информация используется дляопределения параметров потока отказов системы отключения выключателя.
В качествепоказателя живучести узла нагрузки в работе используется частота появленияцепочной аварии, т.е. частота отключения узла нагрузки при возникновении КЗ взащищаемом элементе сети и отказе в срабатывании ряда защитных коммутационныхаппаратов(ЗКА), через которые прошел сквозной аварийный ток [17]
/> , (1)
где/> — параметрпотока независимых КЗ в j-том элементе сети;
/> — параметрпотока отказов в срабатывании i- го защитного коммутационного аппарата;
/>– интервалвремени между профилактическими осмотрами системы отключения i-го защитногокоммутационного аппарата вместе с его релейной защитой или системы АВР;
m – число защитныхкоммутационных аппаратов, через которые прошел сквозной аварийный ток (при этомдействие их основной или резервной релейной защиты обязательно), или числокоммутационных аппаратов с АВР, которые отказали во включении; n –число единиц электрооборудования, получающих электроэнергию от данного узланагрузки. Формула (1) справедлива при выполнении двух условий: -интервал времени между появлениями КЗ в элементе сети и интервалы времени междуотказами в срабатывании системы отключения защитного коммутационного аппаратане противоречат экспоненциальной функции распределения вероятностей спараметрами соответственно/>и />; - должно выполнятьсянеравенство/>. В том случае, если второе условие не соблюдается на кафедреэлектроснабжения промышленных предприятий и городов Донецкого национальноготехнического университета предложены математические модели в виде системлинейных дифференциальных уравнений, позволяющих прогнозировать вероятностьпоявления цепочечных (каскадных) аварий практически любой глубины вэнергосистемах и сетях промышленных предприятий. Там же разработаны принципыпостроения схем замещения для оценки сложных аварийных ситуаций, дана методикасбора и обработки необходимой для расчетов статистической информации.
При выводеформулы (1) приняты следующие допущения: - устройства релейной защитымогут выходить из строя только тогда, когда они находятся в режиме ожидания; - если к моменту возникновения повреждения в сети, на которое должнареагировать релейная защита, она находилась в работоспособном состоянии, томаловероятен ее выход из строя в режиме тревоги [18,19]; - отказы всхемах релейной защиты и приводе выключателя выявляются и устраняются только врезультате абсолютно надежных профилактических проверок />; - под отказом всрабатывании защитного коммутационного аппарата будем понимать такой, которыйприводит к отказу в отключении поврежденного элемента сети при КЗ в зонедействия его релейной защиты [20]. В том случае, если сроки профилактикисистем отключения всех защитных коммутационных аппаратов рассматриваемойсистемы будут одинаковы (т.е. />), тогда формула (1) примет вид
/>, (2)
Для подстанции,изображенной на рис.1, была составлена схема замещения и получена формула дляопределения ее живучести.
Под потерей живучестиподстанции будем понимать вероятность наступления такого события в течениевремени t, при котором подстанция перестает снабжать электроэнергией всепотребители.
/>
Рис. 1- Схема подстанции Смолянка-220 кВ
/>
Телекоммуникационныесистемы и услуги.
В этом разделерассматривается живучесть и надежность телекоммуникационных систем. Бурный рост телекоммуникационных услуг (на фоне всеобщегопромышленного спада) определил необходимость разделения отдела на два содновременным усилением направлений, связанных с моделированием системинформатики. Таким образом, новый отдел телекоммуникационных систем был основанс целью разработки новых технологий в области информационныхтелекоммуникационных систем и доведения этих технологий до реальногопользователя.
В связи сэтим перед отделом были поставлены следующие задачи:
— разработкаматематических и имитационных моделей и методов анализа и синтезаинформационных сетей, удовлетворяющих заданным требованиям. Например,живучестью, надежностью или качеством функционирования;
— разработкаГИС-технологий проектирования и эксплуатации сетей электросвязи различногоназначения;
— разработкановых информационных технологий и систем для предоставления принципиально новыхуслуг для населения и организаций.
Работы попервым двум направлениям ведутся почти с самого основания института. Здесьполучены практически важные и интересные результаты. Так, например, разработканового математического объекта «гиперсети» и соответствующей теориипозволили провести еще в 1981 году системный анализ живучести правительственныхсетей связи СССР, который показал их высокую уязвимость. Было показано, что припроектировании этих сетей не учитывались специальные требования к трассировкеарендных каналов на магистральных сетях связи страны.
Новаяматематическая модель и разработанные в связи с данной задачей методы позволилине только анализировать живучесть любых сетей, но и решать задачи синтезакоммуникационных и транспортных сетей с заданными структурными требованиями иограничениями. В настоящее время эти методы могут использоваться при созданиисовременных цифровых сетей связи.
Методыавтоматизации проектирования сетей электросвязи, разработанные в те же годы,нашли свое продолжение в технологии паспортизации сетей электросвязи г.Бердскаи Искитимского района с помощью геоинформационной системы, созданной нашимиколлегами, сотрудниками фирмы «СОТО».
В настоящеевремя эти работы интегрируются в единую систему моделирования и оптимизациитранспортных и коммуникационных сетей различного назначения (связь, дороги,трубопроводы, ж.д. транспорт и т.д.). Система используется не только в науке иучебном процессе, но и в различных отраслях. В этой системе будут заложеныранее полученные результаты по оптимальному построению систем дискретногоимитационного моделирования и их интеллектуализации — работы велись еще вотделе моделирования систем информатики. В последние два года они получилиразвитие уже в рамках отдела телекоммуникационных систем.
К сожалению,по третьему направлению прошла черная полоса. Что касается научных итехнологических результатов, то здесь все в порядке, а вот их практическоговоплощения, несмотря на принятые колоссальные усилия, не получилось. Например,разработанные нами еще в 1992 году программно-аппаратные средства дляпредоставления услуг «речевой почты» и организации автоматическихсправочных служб для населения не нашли своего заказчика. Работа выполнялась врамках программы «Информатизация России». В те годы таких услуг небыло не только у нас, но и за рубежом. Впрочем, и сейчас населению недоступныавтоматические телефонные справочные, управляемые абонентом.
Новыетехнологии можно было бы использовать для создания автоматическихаудио-библиотек для слепых (да и не только для них): заказываешь по телефонунужную литературу и тут же прослушиваешь (данный проект финансировался РФФИ).
Еще болееинтересен и достаточно хорошо проработан проект создания городской системыприема-передачи сигнальной информации для принципиально новых услуг, а также — существующих, но по более низким расценкам.
Суть системызаключается в том, что на структуру городской телефонной сети накладываетсясеть передачи данных для обработки сигналов, полученных от абонентов, порадиоканалу. Причем, число приемопередатчиков на сети достаточно, для тогочтобы определить место нахождения абонента с точность до 10 метров. Компьютеры сети вычисляют место передачи сигнала и определяют посланный код, затемпринимается решение по соответствующей услуге. Система позволяет организовать:
· технологиюнаблюдений за объектами (как подвижными, так и стационарными) с цельюпредупреждения чрезвычайных ситуаций;
· комплексуслуг по охране и помощи подвижных объектов для предприятий и граждан города;
· поисковыеслужбы и определения местонахождения абонента (поиск и навигация);
· дуплекснуюсвязь передачи данных по радиоканалам.
Очевидно, чтосистему можно использовать и для сотен других полезных услуг, так как онауниверсальна и значительно дешевле любой известной городской навигационнойсистемы.
Кроменазванных направлений, в отделе проводятся исследования в областипроектирования и развития интеллектуальных сетей связи. Создаем статистическиеи динамические математические модели сетевых систем и занимаемся решениемоптимизационных задач на сетях.
Результатыисследования в области математических моделей связности и соответствующихразделов теории живучести информационных сетей нашли применение в практикепроектирования реальных сетей связи специального назначения. Разработанныеалгоритмы решения NP-трудных задач теории графов и гиперграфов, потоковыхзадач, задач составления расписания использовались в процессе моделированиясложных иерархических структур.
Решены задачимоделирования ремонтных и регламентных работ и оптимизации их расписания.
Проводятсяисследования и разрабатываются методы проектирования сетей абонентского доступана базе ГИС-технологий. Разработана технология описания сети, позволяющаямоделировать структуру сети и ее анализ с применением цифровой карты и втрехмерном пространстве.
Созданыпрограммно-аппаратные средства для интеллектуальных сетей связи и работы вобласти компьютерной телефонии. В частности, разработан программный комплексавтоматизированного телефонного сервиса, включающий в себя речевую почту, факспо телефону, систему оповещения абонентов и автоматизированную справочнуюслужбу.
Проводятсяисследования экономических и технических предпосылок создания автономныхцифровых радиосетей для общественных телекоммуникационных услуг. Разработанаконцепция автономной цифровой радиосети быстрого развертывания с использованиемаэростатов в качестве носителей антенн и части приемо-передающего оборудования.Данный проект финансировался институтом CNET Francs-Telecom и получил одобрениефранцузских специалистов. Такие системы связи могли бы быть полезными причрезвычайных ситуациях или в районах, где разворачивание обычных средств связиневозможно.
Разрабатываютсяматематические модели, программные системы моделирования и оптимизации цифровыхинформационных систем для различных режимов их функционирования. В частности — модели катастрофических процессов в информационных сетях.
На базечитаемых сотрудниками отдела курсов в различных вузах Новосибирска и полученныхнаучных результатов ведутся работы по созданию открытой обучающей системымоделирования и оптимизации сетевых структур. Ставятся и решаются актуальныевопросы разработки автоматизированных обучающих систем, методика построениякоторых основана на комплексе математических моделей. Ведется разработкадиалоговой системы гибридного моделирования и оптимизации транспортных икоммуникационных сетей.
Развернутыработы по проекту «Опорная оптоволоконная сеть Новосибирского научногоцентра». Главная целью проекта — создание высокоскоростной транспортнойсети ННЦ для интегрированной передачи аудио- и видеоинформации и данных.Основное научное направление в этой области — создание и моделированиепротоколов для обмена в сетях передачи данных. В рамках проекта создаетсясовременная цифровая сеть в здании ИВМиМГ СО РАН.
Многопроцессорныевычислительные системы реального времени.
Рассматриваетсявозможность использования принципов теории живучести многопроцессорныхвычислительных систем реального времени (МВС РВ) с целью увеличения срока ихфункционирования в условиях локальных радиационных воздействий на их аппаратуру.
Естественнымспособом борьбы за работоспособность системы в условиях локальных радиационныхвоздействий можно считать резервирование. При этом ВС с резервированиемвычислительного элемента формально является многопроцессорной, однакопроизводительность такой системы не превосходит производительности однопроцессорнойВС. Выбор соотношения между эффективностью использования аппаратуры и еебезотказностью в условиях локальных радиационных воздействий являетсяактуальной проблемой при проектировании любой высоконадежной аппаратуры,включая бортовую РЭА. Однако специальные методы проектирования МВС, основанныена использовании аппарата теории живучести, позволяют значительно повыситьэффективность использования аппаратуры, имея при этом стойкость МВС к локальнымнеблагоприятным воздействиям различной природы близкой к стойкостирезервированной ВС с тем же объемом аппаратуры. МВС РВ представляет собойсовокупность аппаратных и программно-алгоритмических средств, в совокупностиобеспечивающих допустимую (оптимальную) реализацию алгоритма функционирования.МВС, подвергнутая ограниченному в пространстве радиационному воздействию,теряет часть своей аппаратуры, что, как следствие, ведет к потере не толькоаппаратной поддержки какой-либо ветви рабочего алгоритма, но и кнеработоспособности программ, тем или иным образом связанных с отказавшейчастью аппаратуры. Без использования возможностей повышения живучести,потенциально заложенных МВС, следствием локального воздействия на аппаратуруМВС обычно является полный функциональный отказ системы, чем можно считать какаварийный останов, так и работу с выдачей неверных результатов или снижениепроизводительности системы ниже критического уровня.
Теорияживучести предоставляет методы повышения живучести МВС, следствием чего
являетсяувеличение времени функционирования МВС в условиях локальных радиационныхвоздействий.
Вработе живучесть понимается как способность МВС функционировать с заданнымкачеством благодаря самоорганизации и адаптации системы к текущим условиямфункционирования путем выбора оптимального режима функционирования в данныхусловиях за счет своих внутренних ресурсов, взаимосвязанных программной иаппаратной реконфигурации перестраиваемой структуры, изменения функцийотдельных подсистем и их поведения на основании результатов внутреннегоконтроля и самодиагностирования системы. Использование в системе некоторогомножества С методов оперативного контроля и самодиагностирования, определениетекущего состояния S, безусловно, увеличивает время решения основных задач.Однако взаимосвязанная аппаратно-программная реконфигурация R системы порезультатам контроля с переходом к оптимальной в текущих условиях конфигурации,продолжение функционирования в новой конфигурации с допустимой потерейкачества функционирования, значительно увеличивает эффективное время работыМВС до наступления функционального отказа. Особый уровень реконфигурации –алгоритмический, когда МВС РВ выполняет лишь некоторое приоритетноеподмножество из первоначального множества возложенных на нее задач сиспользованием работоспособных ресурсов, отбираемых у менее приоритетных задач.Приоритетное подмножество задач является динамически изменяющимся по меренакопления отказов компонентов системы и формируется с учетом временныхограничений на время выполнения каждой задачи, ее важности для системы идопустимой потери качества функционирования МВС РВ.
Математическаямодель МВС РВ с повышенной живучестью содержит модель состояния, модельконтроля и диагностики, модель реконфигурации. Взаимосвязь моделей состояния S,контроля и диагностики С, реконфигурации R в МВС РВ с повышенной живучестьюпредставлена на рис.2.
/>
Рис.2.Взаимосвязь моделей состояния, контроля и диагностики, реконфигурации для
МВСс повышенной живучестью
Такимобразом, применение средств и методов теории живучести МВС РВ позволяет болееэффективно использовать аппаратуру системы и значительно увеличить времяфункционирования МВС РВ в условиях локальных радиационных воздействий.
Литература
1. Макаров С.О.Разбор элементов, составляющих боевую силу судов.// Морской сборник, 1894,№6,с.1-106.
2. 2.Надежность систем энергетики. Терминология. М.: Наука, 1980. Вып.95 – 44с.
3. 3. КитушинВ.Г. Надежность энергетических систем. М.: высшая школа, 1984. – 256 с.
4. 4. Prevention of power failures Vol.3 studies of the task groups on thenortheast power interruption. Areport to the federal power commission. June1967, 142 p.
5. 5. Горохов К. Америке устроили темную.Комсомольская правда в Украине, 16 августа 2003 г.
6. 6. РуденкоЮ.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. М.: Наука, 1986. – 276 с.
7. 7. КитушинВ.Г. Определение характеристик отказов системы при цепочечном развитии аварий.– Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, №3. с. 20-30.
8. 8. ГукЮ.Б. Теория надежности в электроэнергетике: Учеб. Пособие для вузов. – Л.:Энергоатомиздат, 1990. – 208 с.
9. 9. ГукЮ.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок – Л.: Энергоатомиздат.Ленинградское отделение, 1988. – 224 с.
10. 10.Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем.: Энергоатомиздат, 1984. –176 с.
11. 11.Рябинин И.А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетическихсистем. -2-е изд. – Л.: Судостроение, 1971. – 456 с.
12. 12. НечипоренкоВ.И. Структурный анализ систем(эффективность и надежность). – М.: Сов. радио,1977. – 216 с.
13. 13. ФокинЮ.А., Харченко А.М. Расчет надежности систем электроснабжения. – Электричество,1982, № 8, с. 5-10.
14. 14.Константинов Б.А., Лосев Э.А. Логико-аналитический метод расчета надежностивосстанавливаемых систем электроснабжения. — Электричество, 1971,№ 12, с.21-25.
15. 15.Синьчугов Ф.И. Основные положения расчета надежности электроэнергетическихсистем. – Электричество, 1980, №4, с. 12-16.
16. 16. ЛосевЭ.А. Отклик на статью Синьчугова Ф.И. – Электричество, 1981, №9, с. 72-73.
17. 17.Ковалев А.П., Якимишина В.В. О живучести объектов энергетики. – Промышленнаяэнергетика, 2006, №1, С. 20-26.
18. 18.Фабрикант В.П. О применении теории надежности к оценке устройств релейнойзащиты. – Электричество, 1965, №9, с. 36-40.
19. 19.Белоусенко И.В., Ершов М.С., Ковалев А.П., Якимишина В.В., Шевченко О.А. Орасчете надежности систем электроснабжения газовых промыслов. – Электричество,2004, №3, с. 23-28.
20. 20.Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетическихсистемах. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 336 с.