Нештатные ситуации в электросетях. Анализ и решения

Введение

Определение нештатных ситуаций в электросетях

Электросети служат жизненно важной артерией современного общества, обеспечивая подачу электроэнергии в дома, предприятия и сооружения, играют ключевую роль в экономике, образовании, здравоохранении и многих других сферах жизни. Однако, как и любая инфраструктура, электросети подвержены различным рискам, которые могут привести к нештатным ситуациям. Понимание, анализ и своевременное решение таких проблем имеют первостепенное значение для обеспечения надежности и безопасности электроснабжения.

На данный момент Стандарты качества электрической энергии в России регламентированы ГОСТ 32144-2013, который устанавливает параметры напряжения в электросетях, определяя, что его активное значение должно лежать в районе 220 В с допустимыми отклонениями ±5%, а в крайних случаях – до ±10%.

Что касается частоты напряжения в электросети, еt стандартный показатель равен 50 Гц. При этом вариации в пределах ±0,2 Гц допустимы 95% времени за неделю, а колебания до ±0,4 Гц – 100% этого времени. Эти нормы указываются при проектировании бытовых приборов, офисного оборудования и промышленных устройств с сетевым питанием, чтобы гарантировать надtжность и стабильность работы устройств при подключении к электросети.

Однако практика показывает, что действительные параметры сети могут отличаться от нормативных из-за различных факторов. Влияние природных условий, таких как грозы, и техногенные процессы, например, коммутация в промышленности или переключение электросетей, могут вызвать нестабильность. Добавим к этому возможные ошибки в проектировании, эксплуатационные проблемы или недостатки в ремонте, и получим полное представление о многочисленных вызовах, с которыми может столкнуться система электроснабжения.

Подобные помехи и отклонения могут серьезно повлиять на эффективность работы устройств — под воздействием нестандартных условий питания они могут быстрее выходить из строя или работать некорректно. Можно выделить сразу несколько типов нештатных ситуаций:

1. Перебои в питании — это, пожалуй, самый распространенный тип проблемы, с которым сталкиваются потребители электроэнергии. Перебои могут возникать по многим причинам: от технических неполадок до природных катастроф. Их последствия варьируются от кратковременного отключения электроэнергии до длительных перерывов в электроснабжении;
2. Короткие замыкания — короткое замыкание происходит, когда электрический ток проходит через не предназначенный для него путь, вызывая перегрев и повреждение оборудования. Это может произойти из-за износа изоляции, повреждения проводов или других причин. Короткие замыкания могут привести к серьезным повреждениям оборудования и даже пожарам;
3. Перегрузки – перегрузки возникают, когда оборудование или часть сети подвергается нагрузке, превышающей их номинальную мощность. Это может происходить из-за несбалансированного спроса или ошибок в планировании. Длительные перегрузки могут привести к износу и преждевременному выходу оборудования из строя;
4. Потеря управления и связи – современные электросети всё больше зависят от автоматизированных систем управления и мониторинга. Но что если эти системы перестанут работать или потеряют связь? Результатом может быть неконтролируемая работа сети или даже её полное отключение.
5. Природные и человеческие факторы – многие нештатные ситуации вызваны факторами, которые сложно предугадать или контролировать. Природные катастрофы, такие как ураганы, землетрясения или наводнения, могут нанести серьезный урон инфраструктуре. Человеческие факторы, включая ошибки, неосторожность или даже саботаж, также могут стать причиной серьезных проблем.

Отклонения характеристик электросети от установленных стандартов могут вызвать нарушения, при которых нормальная работа оборудования и технологических процессов нарушается, создавая потенциал для аварийных ситуаций.

Так, значимым инцидентом в российской энергетике стала авария в энергосистеме Москвы 25 мая 2005 года, которая затронула приблизительно 7 миллионов жителей в различных уголках страны. Авария на электростанции «Чагино» спровоцировала нестабильность в сети, приведя к прекращению работы ЛЭП вj многих районах, включая Москву и ее пригороды.

Из-за увеличения спроса на электроэнергию произошло последовательное автоматическое отключение высоковольтных линий. Это привело к отключению питания в пяти московских районах, было затронуто множество зданий, медицинских учреждений и инфраструктуры водоснабжения.

Транспортная инфраструктура также пострадала: многие поезда остановились, а 43 поезда метро остались без питания в туннелях, в которых на тот момент находились примерно 20 тысяч человек. Эти инциденты породили проблемы с банковской и телекоммуникационной системами, а также с доступом в Интернет.

Финансовые потери были колоссальными. Только ущерб для Москвы был оценен в более чем 1,7 миллиарда рублей, а последующий простой увеличил убытки еще на 3 миллиарда. Другие регионы и компании также понесли значительные финансовые потери из-за этого сбоя в энергоснабжении.

Как показывает этот пример, перегрузка оборудования и дисбаланс мощности и электроэнергии могут стать провокаторами значительных аварийных ситуаций в энергосистеме. Эти проблемы, возникающие по разным причинам, требуют профессионального и своевременного вмешательства.

Технический анализ причин нештатных ситуаций

Для минимизации рисков возникновения катастрофических ситуаций важно не только поддерживать все компоненты энергосистемы в оптимальном состоянии, но и инвестировать в их современное развитие. Также необходима стратегия, пресекающая любые негативные последствия потенциальных нарушений.

С течением времени любое оборудование подвергается износу. Отсутствие регулярного технического обслуживания, перегрузки и воздействие окружающей среды (влажность, перепады температур) могут ускорять процесс старения. Важно понимать, что устаревшее оборудование не только становится менее эффективным, но и может стать источником аварий.

Даже на этапе планирования и проектирования возможны ошибки, которые могут привести к проблемам в будущем. Неправильно спроектированные схемы, недооценка потенциальной нагрузки или неправильное распределение ресурсов могут создавать уязвимые точки в сети. Тут важную роль играет сложный аспект управления сетью — это диспетчерский анализ. Диспетчеры должны быстро и правильно диагностировать ситуации, определяя природу возникающих проблем.

Для эффективного контроля электросетей диспетчерам и дежурным специалистам необходимы современные инструменты. Эти инструменты предоставляют актуальные данные при возникновении проблем на энергетических объектах, обеспечивая корректную диагностику и быстрое устранение нарушений.

Системы мониторинга и диагностики

С развитием технологий появилась возможность в реальном времени отслеживать состояние оборудования и реагировать на возможные проблемы еще до их проявления. Сенсоры, системы диагностики и аналитика позволяют определять признаки износа, перегрева или других отклонений от нормы. Благодаря применению цифровых технологий на подстанциях, теперь можно реализовать умную систему экспресс-анализа для автоматического подведения итогов и выявления нарушений.

Такая система, опираясь на информацию о манипуляциях с выключателями и активности устройств РЗА, может детализировать происшествия, акцентируя внимание на критических для управления инцидентах.

Основная задача этой системы – различать исключительные и стандартные процессы, например, отключение оборудования для проведения плановых работ. В ходе анализа исключительных ситуаций система должна определить:

• источник проблемы (например, причину короткого замыкания);
• эффективность автоматической защиты;
• неполадки при активации выключателей;
• задержки в действиях выключателей;
• ошибки в действиях РЗА;
• лишние или нецелевые реакции РЗА;
• деактивацию компонентов (например, линий или трансформаторов).

Эта информация критически важна для диспетчеров и оперативных служб для правильной оценки состояния сети и разработки стратегии по устранению и предотвращению дальнейших нарушений.

Искусственный интеллект и анализ больших данных становятся всё более важными инструментами в области электроэнергетики. Алгоритмы могут анализировать огромные объемы данных, предоставляемых сенсорами, и выявлять сложные закономерности или предвидеть потенциальные проблемы.

Поддержание стабильного состояния инфраструктуры электросети и решение оперативных задач управления в условиях роста объема и скорости информационного обмена подчеркивает необходимость обновления коммуникационных систем. Для повышения надежности и эффективности работы сети нужно активное применение современных цифровых решений.

Современные интеллектуальные системы мониторинга предполагают интеграцию различных программных решений в единое информационное поле, что позволяет более гибко и эффективно управлять ресурсами и отслеживать состояние электросетевого оборудования.

Рассмотрим примеры реализации интеллектуальных систем, которые демонстрируют разнообразие и сложность задач, решаемых современными экспертными системами в области управления и мониторинга электроэнергетических объектов:

1. ЭСОРЗ (Экспертная система оперативной режимной заявки) е это экспертная система, предназначенная для помощи в принятии решений при оперативной проработке ремонтных заявок на оборудование. Разработана ВНИИЭ с участием ЦДУ ЕЭС, внедрена в службе режимов ЦДУ. Она анализирует потенциальные риски, связанные с выполнением этих заявок, и выдает рекомендации по ограничениям и предосторожностям. Система позволяет улучшить качество и надежность принимаемых решений, уменьшая вероятность ошибок и непредвиденных последствий. Ее преимущество — в том, что она учитывает все возможные сценарии и ограничения, связанные с режимом работы оборудования.
2. ЭСПЛАН (Экспертная система оперативного планирования) фокусируется на оперативном планировании ремонта оборудования, позволяя оперативно адаптироваться к изменяющимся условиям и избегать конфликтов в графиках ремонта. Отличие от ЭСОРЗ заключается в том, что система активно участвует в рассуждениях и способна быстро корректировать планы ремонта для предотвращения противоречий.
3. ЛОК (Локализация и обслуживание компонентов) — экспертная система, направленная на поиск неисправностей и оптимизацию движения ремонтных бригад, что позволяет сократить время на устранение неисправности и уменьшить затраты. Она также учитывает сложные аспекты релейной защиты и автоматики.
4. ТРАНС — тренажер для анализа нештатных ситуаций в сетях, что позволяет обучать персонал адекватно реагировать на аварийные ситуации, предоставляя им реалистичные сценарии нарушений и требуя выработать правильные решения.

Общий тренд в этих примерах заключается в использовании экспертных систем для более эффективного управления и обслуживания энергосистем. Они помогают учитывать множество факторов, ограничений и технических сложностей, что значительно повышает качество оперативных решений и снижает риски возникновения аварийных ситуаций.

При разработке таких систем важно учитывать следующие факторы:

• необходимость интенсивного взаимодействия с экспертами в области, чтобы уточнить и углубить базу знаний системы;
• требования к надежности и оперативности работы в реальном времени;
• постоянное обновление и адаптацию системы к изменяющимся условиям и технологиям;
• интеграцию с другими информационными и управляющими системами предприятия.

Внедрение интеллектуальных систем в электроэнергетику позволяет эффективно управлять сложными системами и ресурсами, учитывая множество переменных и предотвращая нештатные ситуации. Это яркий пример того, как применение современных технологий может значительно улучшить функционирование критически важных инфраструктурных систем.

Методы решения и предотвращения нештатных ситуаций

Поддержание оборудования в исправном состоянии – залог его долгой и безопасной работы. Регулярные осмотры, диагностика и замена изношенных частей помогают предотвращать многие нештатные ситуации. Кроме того, модернизация устаревшего оборудования позволяет повысить его эффективность и надежность, а также уменьшить риск аварий.

АСУ (автоматизированные системы управления) могут значительно улучшить процесс управления электросетями, делая его более точным и оперативным. С их помощью можно контролировать загрузку оборудования, отслеживать возможные проблемы и быстро реагировать на непредвиденные ситуации, минимизируя их последствия.

Современные АСДУ активно используют цифровые технологии. В их числе – микропроцессоры для защиты, средства измерений, связь между микрочипами и визуальные системы управления для подстанций и сетевых структур.

В комплект АСДУ входит оборудование и ПО, создающие интегрированную систему для мониторинга, коммуникаций, контроля, аналитики и обеспечения безопасности. Эти компоненты действуют в рамках общей стратегии автоматизации управления.

Прогресс в области автоматизированных систем управления сетями включает:

• повышение уровня автоматизации для более эффективного управления и контроля;
• быстрый анализ показателей сети и профилактику нештатных режимов;
• уменьшение времени на устранение нарушений;
• поддержание стандартов качества электроэнергии и эффективности сетей;
• усиление энергоэффективности и устойчивости сетевых систем;
• уменьшение потерь электроэнергии благодаря актуальным данным о состоянии сети и возможности оперативного реагирования на изменения;
• гарантированное качество работы благодаря полному доступу к информации об оборудовании.

Ключом к успешному внедрению систем управления является разработка специализированных ПО для мониторинга и обработки нештатных режимов в электросетях. При возникновении аварии система быстро обрабатывает доступные данные и предлагает стратегию восстановления или рекомендации по устранению проблемы.

Отсюда следует важность разработки и применения программных решений для управления сетями, что поможет уменьшить риски аварий и улучшить обслуживание потребителей.

Обучение персонала и культура безопасности

Большинство аварий в электросетях связаны с человеческим фактором. Поэтому обучение персонала, повышение его квалификации и формирование культуры безопасности имеют решающее значение. Персонал должен быть подготовлен к различным ситуациям, уметь применять необходимые инструменты и методы работы, а также осознавать ответственность за безопасную эксплуатацию оборудования.

Обучение персонала включает в себя не только знание технических аспектов работы с оборудованием и системами, но и обучение навыкам реагирования в экстренных ситуациях. Это включает понимание протоколов действий, коммуникации и координации в условиях стресса. Практические тренировки и симуляции помогают персоналу приобрести опыт и уверенность в реальных сценариях.

Кроме технической подготовки, культура безопасности становится фундаментом успешной работы во время внештатных ситуаций. Поддержание культуры безопасности означает строгое соблюдение инструкций, но также и внутреннюю мотивацию каждого сотрудника заботиться о своей безопасности и безопасности своих коллег.

Внедрение современных методов обучения, таких как виртуальные симуляторы, интерактивные курсы и обучающие платформы, позволяет персоналу эффективнее и гибче осваивать необходимые навыки. Однако классическое обучение, проводимое опытными инструкторами, также остается незаменимым в формировании навыков реальной работы в экстренных ситуациях, как и подключение удобных систем автоматики.

Так, сейчас в России для обеспечения стабильности электропередачи и предотвращения аварий используется система противоаварийной автоматики (ПА). Эта система включает в себя отдельные устройства или комплекс автоматизированных устройств, созданных с целью предотвращения, обнаружения и устранения нарушений стандартного режима.

Для большинства противоаварийных систем предъявляются следующие основные требования:

1. Отклик. Устройства ПА должны оперативно реагировать на изменения, обеспечивая своевременное вмешательство, особенно при риске нарушения стабильности системы.
2. Точность. ПА должны точно определять объекты и минимальные действия для эффективного реагирования на нарушения. Если на ситуацию реагируют несколько систем, их совместные действия также должны быть координированы.
3. Чуткость. ПА должны способствовать быстрому и точному определению любых отклонений от стандартного режима.
4. Надежность. Устройства должны действовать строго по установленной программе, гарантируя исполнение своих функций в нужные моменты и исключая ошибочное вмешательство в непредусмотренных ситуациях.

Структура каждой системы ПА формируется в зависимости от ее задач и условий эксплуатации. Но общим для всех является разделение на три основных компонента:

• Выявительная часть (ВЧ), которая обнаруживает отклонения;
• Логическая часть (ЛЧ), обрабатывающая полученные данные;
• Исполнительная часть (ИЧ), ответственная за реализацию решений.

При обнаружении аномалий детектирующая часть передает сигналы в аналитическую часть, где данные анализируются и определяются наилучшие методы реагирования. Затем исполняющая часть приступает к непосредственному выполнению данных решений.

В итоге обучение персонала, наличие на предприятии ПА и культура безопасности в электросетях способствуют не только снижению рисков, но и повышению эффективности, оперативности и надежности работы систем. Они содействуют созданию команды, способной эффективно реагировать на вызовы, обеспечивая безопасность и стабильность энергетических сетей в сложных ситуациях.

Перспективы развития технологий и методов обеспечения надежности и безопасности электроснабжения

Анализ прогресса в создании информационных автоматизированных систем управления в секторе электроэнергетики указывает на то, что путь к решению этой проблемы еще предстоит пройти. Отрасль электроэнергетики находится лишь в начале своей цифровой эволюции.

Несколько ключевых факторов мешают полноценной интеграции инноваций. Во-первых, далеко не все компании в полной мере осознают потенциал, который предоставляет цифровое преобразование. Многие организации всё еще привержены старым методам. Многие сотрудники из-за возраста, привычек или даже страха перед новшествами считают технологии недостойными доверия. Поэтому они часто сопротивляются новаторству и скептически относятся к технологическому прогрессу.

Другое препятствие заключается в устаревшем оборудовании, которое не соответствует стандартам цифровой эры, а также ограниченном количестве современных энергетических центров, использующих цифровые решения. Это делает сложным процесс сбора и анализа данных по электрическим сетям, особенно на низковольтных уровнях.

Финансовый аспект также играет роль. Ранее компании могли компенсировать свои неэффективные методы увеличением тарифов. Теперь они сталкиваются с необходимостью сокращения затрат и поиска альтернативных источников дохода.

Однако переход к цифровой модели работы принесет множество преимуществ. Мгновенная доступность данных, их оперативный анализ с использованием расширенной аналитики и машинного обучения помогают компании:

• принимать решения и сократить издержки: на строительство новых энергообъектов, проведение ремонтных работ,
• снизить эксплуатационные расходы;
• улучшить качество менеджмента на предприятии;
• сузить слабые места в энергосистеме;
• в автоматическом режиме собирать данные о выработке электроэнергии;
• стать более конкурентоспособной на рынке энергоуслуг.

Цифровые инновации наиболее активно внедряются в те сферы энергетического сектора, где применяется последнее слово техники и работают высококвалифицированные специалисты. Прежде всего это касается атомной энергетики. Однако в других направлениях ситуация выглядит иначе. Например, на тепловых электростанциях цифровые решения применяются в основном при создании новых объектов или модернизации существующих. Применение цифровых технологий на устаревших объектах может оказаться экономически нецелесообразным.

Уже сейчас некоторые аспекты цифровой трансформации успешно функционируют на подстанциях 110 кВ и в распределительных сетях 6-10 кВ сетевой организации «ЛОЭСК – Электрические сети Санкт-Петербурга и Ленинградской области».

В процессе модернизации энергетических узлов специалисты не только проводят замену старого оборудования на новейшие модели с интеграцией smart-технологий, но и внедряют передовые аппаратные и программные комплексы.

С другой стороны, исследования в области использования нейронных сетей, проведенные компанией «Россети», демонстрируют впечатляющие результаты в прогнозировании электропотребления, достигая точности до 96-97%. Это значительное улучшение по сравнению с классическими методами прогнозирования.

 Учитывая текущие цели и задачи «Россети», системы на базе искусственных нейронных сетей могут стать ключевым инструментом в прогнозировании потребления электроэнергии на промышленном уровне. В долгосрочной перспективе это способствует повышению надежности, безопасности и качества обслуживания клиентов в сфере электроснабжения.

Заключение

Через анализ различных типов нештатных ситуаций заметно, что многие из них могут быть предотвращены или минимизированы благодаря правильному планированию, использованию современных технологий и постоянному мониторингу. Ключевым моментом здесь является систематический подход: регулярное техническое обслуживание, обучение персонала, применение автоматизированных систем управления и анализ больших данных.