к.т.н., доц. Бардик Є.І.; асистент Болотний М.П.

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра електричних станцій

МОДЕЛЮВАННЯ І ОЦІНКА РИЗИКУ ВІДМОВИ ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ ПРИ ЗБУРЕННЯХ В ЗОВНІШНІЙ ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ

Вступ. Наразі важливим є визначення одиниць електрообладнання ЕЕС, які мають найвищу імовірність відмови і тих, відмови яких можуть призвести до виникнення аварійної ситуації в енергосистемі.

Силові трансформатори (СТ) сучасних ЕЕС є одними з найвідповідальніших елементів основного електрообладнання ЕЕС від надійності функціонування яких значною мірою залежить надійність складної ЕЕС в цілому [1]. Обмотки СТ в найбільшій мірі піддаються впливам з боку зовнішньої електричної мережі. В першу чергу це стосується коротких замикань, дія котрих в залежності від кількості і величини струмів короткого замикання (КЗ) в обмотках СТ може призвести до їх невідновлювальної відмови [3]. Відмова СТ для ЕЕС є збуренням, яке може спричинити виникнення аварійної ситуації в ЕЕС.

Постановка задачі. Найбільш важливими показниками, котрі характеризують рівень технічного стану обмоток СТ є: зношення виткової ізоляції; небезпечні деформації, котрі викликані великими струмами наскрізних КЗ і несинхронними включеннями. У відповідності з [3] у випадку відсутності розвинутих дефектів ресурс СТ в значній мірі визначається ресурсом паперової ізоляції, котрий залежить від ступені полімеризації паперу. Другий показник, котрий характеризує можливість відмови СТ є величина небезпечних деформацій обмоток, спричинених дією струмів КЗ і визначається на основі вимірювання опору короткого замикання Z_K. В рамках даної роботи розглядаються питання моделювання і оцінки ризику відмови СТ, пов’язаного зі зміненням опору КЗ СТ ΔZ_K.

В умовах значної кількості факторів, що впливають на ТС СТ і складному характері розвитку деградаційних процесів в ізоляції обмоток, задача визначення ресурсу є погано формалізуємою і потребує використання якісних оцінок. Необхідність використання як кількісної так і якісної вхідної інформації щодо ТС обмоток СТ і рівня збурень в електричній мережі потребує використання підходу, що ґрунтується на застосуванні експертних оцінок, теорії нечітких множин і нечіткої логіки при побудові даних моделей відмов [1,4].

Матеріали і результати досліджень. В якості вхідних лінгвістичних змінних нечіткої моделі оцінки ризику відмови СТ при зовнішніх КЗ у відповідності із загальним підходом [1,3,4] використано наступні: ΔZ_K - ступінь деформації обмоток внаслідок дії струмів КЗ СТ: ; І_KZ – величина аварійного наскрізного струму КЗ, що проходить через обмотки СТ: ; P_KZ - імовірність виникнення струму в обмотках СТ певного рівня при зовнішньому КЗ: , де - "низьке", "середнє", "високе" значення параметрів СТ і мережі відповідно.

В якості вихідної лінгвістичної змінної нечіткої моделі прийнято ризик R_KZ відмови СТ при зовнішніх КЗ з термами: , де - "дуже низьке", "низьке", "середнє", "високе", "дуже високе" значення ризику відмови СТ відповідно. Функції належності вхідних і вихідної лінгвістичних змінних наведено на рис. 1-4. База правил для оцінки ризику відмови СТ при КЗ в зовнішній електричній мережі містить 27 продукційних правил.

Рисунок 1 − Функції належності для лінгвістичної змінної ΔZK	Рисунок 2 − Функції належності для лінгвістичної змінної ІKZ
Рисунок 3 − Функції належності для лінгвістичної змінної PKZ	Рисунок 4 − Функції належності для лінгвістичної змінної RKZ

На імовірність виникнення небезпечних струмів КЗ в обмотках СТ, викликаних КЗ в електричній мережі впливають наступні фактори [1,2]: топологія зовнішньої мережі; рівень навантаження у вузлах енергосистеми; елемент мережі, який зазнає пошкодження; вид і місце КЗ; фаза, яка пошкоджується. Отримання розподілу імовірності струмів в обмотках СТ певної величини для оцінки ризику їх пошкодження при зовнішніх КЗ з урахуванням вищезазначених випадкових факторів виконано на основі статистичного моделювання (метод Монте-Карло) стану електроенергетичної системи з розглядаємим силовим трансформатором [1,2].

Зокрема, імовірність виникнення певного виду КЗ в алгоритмі статистичного моделювання, визначається згідно [2], на основі аналізу отриманих статистичних даних по КЗ даної розглядаємої енергосистеми. Потужність навантаження у вузлах схеми енергосистеми в процесі статистичного моделювання стану ЕЕС, якщо є випадковим рівномірно розподіленим числом між 0 та 1, визначається: .

Результати тестового моделювання. Досліджуваний трансформатор Т1 працює в електричній мережі еквівалентна заступна схема якої представлена на рис. 5. Тестове ІСМ виконувалось на інтервалі часу спостереження міс з інтенсивністю потоку КЗ для весняно-літнього періоду 3,5 рік-1. Гістограми частот наскрізних струмів КЗ в обмотках СТ та функція розподілу імовірностей перевищення значень струмів КЗ з можливого діапазону їх змінення представлені на рис.6. За результатами розрахунків для весняно-літнього періоду величина імовірність виникнення максимального струму однофазного КЗ в обмотці ВН величиною 4,81 кА складає 0.0006, а струм, що має найбільшу відносну частоту дорівнює 0,345 кА з імовірністю перевищення цього значення 0,812.

З використанням в якості вхідних даних значення зміни опору ΔZ_K = 2,5% та отриманих імовірнісних характеристик наскрізних струмів в обмотках ВН СТ при КЗ в зовнішній електричній мережі за допомогою програмного забезпечення RISK – СТ та нечіткого моделювання в програмному середовищі MatLab за алгоритмом нечіткого логічного висновку Мамдані визначено дефаззіфіковане значення ризику відмови СТ, котрі для весняно-літнього періоду дорівнюють 0,65 відповідно.

	ІKZ, А

	ІKZ, А

а)

Рисунок 5 - Розрахункова схема тестової шестимашинної моделі підсистеми ЕЕС

Рисунок 6 - Гістограми частот та функція розподілу імовірностей перевищення значень наскрізних струмів КЗ в обмотці ВН СТ при КЗ в зовнішній електричній мережі

Висновок. Для визначення кількісних показників ризику виникнення аварійних ситуацій в ЕЕС запропонована нечітка модель та програмне забезпечення оцінки ризику відмови СТ внаслідок зовнішніх КЗ за наявності дефекту обмоток.. Наведено результати тестового моделювання оцінки технічного стану СТ та режиму електричної мережі в умовах КЗ на ПЛ в зовнішній електричній мережі підтверджують адекватність розробленої математичної моделі.

Перелік посилань

1. Костерєв М.В., Бардик Є.І. Питання побудови нечітких моделей оцінки технічного стану об'єктів електричних систем. – К.: НТУУ «КПІ», 2011. – 148 с. (монографія).

2. Бардик Є. І. Моделювання електроенергетичної системи для оцінки ризику виникнення аварій при відмовах електрообладнання [Текст] // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія Електротехніка і енергетика, 2013,N Вип. 1.-С.15-22.

3. Анализ методов оценки ресурса бумажной изоляции силовых трансформаторов [Текст] / В. Н. Бондарева [и др. ] // Электроэнергетика. - 2009. - N 3. - С. 77-84.

4. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLab. – М. : – Телеком, 2007. – 288 с.

5. Шалин А.И. Надежность и диагностика релейной защиты енергосистем. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002, 384 с.