Управління експлуатаційним ризиком у підсистемі електроенергетичної системи в умовах змінення технічного стану електрообладнання та повітряних ліній
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Заклюка І.В. Управління експлуатаційним ризиком у підсистемі електроенергетичної системи в умовах змінення технічного стану електрообладнання та повітряних ліній. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
У цій дисертаційній роботі розглядаються питання зі створення нових та покращення наявних математичних моделей та методик для діагностики технічного стану і визначення ресурсу працездатності повітряних ліній енергосистем, прийняття рішень щодо визначення пріоритету виведення з експлуатації ПЛ, розробки моделей розподілу річного виділеного енергокомпанією ремонтно-експлуатаційного фонду для задач управління експлуатацією і сегментації парку обладнання енергосистеми. У першому розділі проведено аналіз особливостей функціонування та поточного етапу реформ вітчизняної електроенергетичної сфери, розглянуті проблеми та завдання подальшого розвитку електромережевого комплексу України на фоні швидкого старіння електрообладнання та повітряних ліній, а також перспективи переходу до інтелектуальних технологій в енергетиці. Встановлено, що з розвитком ринкових відносин у сфері електроенергетики ключовим завданням є підтримання необхідного рівня надійності електропостачання споживачів. Виявлено, що в умовах новітніх реалій, на надійність електроенергетичної системи (ЕЕС) України найбільше впливають такі ключові фактори, як лібералізація електроенергетики та важкий режим роботи електрообладнання, яке працює в умовах ринкових відносин; значне зростання частки обладнання з виробленим ресурсом працездатності і низькими темпами його оновлення; збільшення частки відновлювані джерела енергії; збільшення ймовірності терористичних атак зовні на ключові об’єкти електроенергетики, які можуть призвести до порушення стабільності енергосистем та каскадного розвитку аварій. Наведено узагальнену характеристику стану та технологічних порушень силового і комутаційного обладнання, а також повітряних ліній енергосистем. Аналіз статистичних даних відмов електрообладнання та ПЛ виявив, що суттєва частина обладнання має великий термін напрацювання, що збільшує ймовірність його відмов. З'ясовано те, що повітряні лінії мають найвищу частку відмов, що значною мірою впливає на ризик порушення нормальної роботи, зокрема, втрати стійкості енергосистеми. Це вимагає першочергового знаходження ресурсу працездатності та складання прогнозу щодо ризику можливих відмов. Проаналізовано особливості режимів роботи ЕЕС України і світу при відмовах електрообладнання і ПЛ в умовах каскадного розвитку аварій. На основі аналізу причин і сценаріїв розвитку системних аварій, які трапилися у світі протягом минулих десятиріч, встановлено основні причини їх виникнення. Виділено етапи можливих змін станів в ЕЕС з точки зору ризику виникнення аварії та запропоновано і наведено узагальнений сценарій розвитку аварії в ЕЕС. Проведено поглиблений аналіз сучасних стратегій ТО, які застосовуються в світовій практиці. Орієнтуючись на вище розглянуті стратегії встановлено, що новим напрямком в розвитку системи ТО та ремонту електрообладнання і ПЛ України слід вважати розробку підходів, які засновані на індивідуальному спостереженні за реальними змінами ТС в процесі експлуатації і врахуванні схемно-режимних умов роботи. Обґрунтована необхідність розробки методів та засобів отримання діагностичної інформації, а також моделей оцінки ТС ПЛ. Розглянуто питання застосування стратегії ризик-менеджменту для управління експлуатацією ЕЕС. Встановлено, що використання цієї стратегії дає змогу здійснити детальний аналіз причинно-наслідкових зв’язків між технічним станом електричного обладнання та аварійними режимами в електроенергетичній системі, а також визначити загальний показник ефективності роботи електроенергетичної системи у різноманітних аварійних ситуаціях, які спричинені відмовами обладнання. Обґрунтовано використання показника ризику як основного критерію для аналізу аварійних режимів енергосистем. Враховуючи важливість показника індексу ризику функціонування ЕЕС в частині виділення коштів на ТО і Р чи оновлення обладнання як одного з критеріїв, проведено аналіз і наведено опис методів оцінки ймовірності появи аварійних ситуацій в системі внаслідок відмов або виведенні з роботи електричного обладнання, зокрема застосування критерію «n – 1». У другому розділі представлено комплексну лінгвістичну математичну модель повітряної лінії для оцінки ресурсу працездатності і ймовірності відмови. Використовуючи проведений аналіз, було обґрунтовано потребу у розробці моделей для оцінки технічного стану, спрацьованого ресурсу та ймовірності відмов електрообладнання для розв’язання задач оцінки ризику порушення нормального функціонування ЕЕС, оптимального розподілу коштів на ТО і Р та заміну обладнання, зокрема повітряних ліній. Встановлено, що при розробці моделей і методів для достовірної оцінки й прогнозування ТС повітряних ліній електропередачі найбільш ефективними підходами є такі, які ґрунтується на використанні штучного інтелекту. Застосування штучного інтелекту під час оцінки і прогнозування ТС ґрунтується на сполученні теорії нечіткої логіки, статистичних і ймовірнісних методів, нейронних мереж та генетичних алгоритмів. Тому, застосування нечіткої логіки для розробки комплексної математичної моделі, яка дозволяє визначити ресурс працездатності та ймовірності відмови ПЛ є досить обґрунтованим і необхідним. Враховуючи, що задачі побудови комплексних математичних моделей діагностування технічного стану об’єктивно відносяться до категорії погано формалізованих та слабо структурованих задач, доведено потребу у створенні та застосуванні таких нових моделей ПЛ. Ці моделі повинні дозволяти інтеграцію різноманітної інформації про об’єкт, включаючи суб’єктивні дані експертів, в єдину форму. Розроблено комплексну лінгвістичну математичну модель повітряної лінії для оцінки ресурсу працездатності та ймовірності відмови, що базуються на застосуванні інформації про ключові параметри ТС та ступеня важливості індивідуальних функціональних вузлів. Презентовані лінгвістичні математичні моделі ПЛ дозволяють визначити ймовірність відмови на інтервалі часу спостереження та визначити ризик порушення нормального режиму енергосистеми при відмовах та виводі електрообладнання і повітряних ліній з роботи. У третьому розділі представлено математичні моделі розподілу ремонтноексплуатаційних та інвестиційних витрат на заміну електрообладнання і ПЛ енергокомпанії. Визначено, що технічне обслуговування та ремонт електрообладнання електричних мереж енергосистем є одним з головних засобів для забезпечення надійності електропостачання споживачів, при цьому, стратегія профілактичного обслуговування є однією з найбільш ефективних стратегій ТО і Р. Встановлено, що на сьогоднішній день не існує єдиного методичного підходу щодо розподілу ремонтно-експлуатаційних та інноваційних витрат на заміну обладнання енергокомпанії з урахуванням усіх найбільш важливих експлуатаційних факторів, що не дозволяє визначити ефективність прийнятої стратегії управління експлуатацією обладнання та розробити способи її корегування. Обґрунтована необхідність розробки комплексної математичної моделі та відповідного програмного забезпечення для оптимального розподілу річного виділеного енергокомпанією ремонтно-експлуатаційного і інвестиційного фонду для задач управління експлуатацією ЕЕС з урахуванням найбільш важливих факторів впливу. Для вирішення даних задач побудована узагальнена балансова модель рознесення витрат за групами і одиницями електрообладнання, визначені фактори впливу та отримані моделі для розрахунку коефіцієнтів часткової участі електрообладнання у формуванні витрат на його ремонт, експлуатацію і можливу заміну за кожним з виділених факторів. Для агрегованої оцінки ступеню значущості одиниць і груп електрообладнання в частині розподілу ремонтно-експлуатаційних та інвестиційних витрат на заміну обладнання енергокомпанії розроблена лінгвістична математична модель. Побудовані математичні моделі і алгоритми оптимального вибору варіантів розподілу витрат на ТО і Р та заміну обладнання енергокомпанії. За допомогою розробленого математичного та програмного забезпечення проведено розрахунок розподілу ремонтно-експлуатаційних витрат енергокомпанії відповідно до поточних технічних характеристик обладнання та проведена оцінка ефективності оновлення обраного парку обладнання. В четвертому розділі вирішуються задачі сегментації експлуатуємого парку електрообладнання та повітряних ліній енергокомпанії. Проведений аналіз показав, що мінімізація ризику порушення нормального режиму ЕЕС при відмовах обладнання в межах ЕЕС енергокомпанії, яка містить сотні одиниць різнорідного електрообладнання і ПЛ різних класів напруг, можлива, за рахунок, в першу чергу оптимального розподілу виділених обмежених інвестиційних ресурсів на обслуговування, ремонт та заміну обладнання. Обґрунтовано необхідність сегментації наявного парку електрообладнання і повітряних ліній енергокомпаній за терміном експлуатації та за оціненим фактичним технічним станом. Встановлено, що питання розподілу фінансів на ТО і Р, а також прийняття рішень щодо виведення з експлуатації обладнання повинно ґрунтуватись на комплексному підході з урахуванням результатів як оцінки та ранжування технічного стану так і впливу відмови чи виведення з експлуатації об’єкта на режим роботи енергосистеми. Сформовано перелік ознак за якими визначався по нечіткій моделі комплексний агрегований показник, що характеризує значущість об’єкта в задачі оптимального розподілу витрат на ТО і Р та заміну електрообладнання і за яким необхідно виконати групування наявного парку електрообладнання. Проаналізовано існуючі підходи і методи групування наявного парку електрообладнання та обґрунтована доцільність і ефективність застосування методів штучного інтелекту, зокрема, кластерного аналізу для вирішення задач сегментації об’єктів підсистеми ЕЕС. Розглянуто основні особливості застосування алгоритмів чіткої і нечіткої кластеризації парку електрообладнання методом k-середніх. Виконана оцінка ризику виникнення аварійної ситуації в підсистемі ЕЕС енергокомпанії у випадку відмов, планового чи позапланового виводу з роботи електрообладнання і ПЛ. З використанням розроблених спеціальних програмних засобів була проведена сегментація парку електрообладнання підсистеми ЕЕС і визначені групи електрообладнання і ПЛ з підвищеним ризиком експлуатації. У п’ятому розділі розглядається задачі моделювання та аналізу режимної надійності підсистем енергетичної системи, зокрема моделювання і оцінка ризику порушення нормального режиму, при відмовах та виведенні з роботи ПЛ та оптимального розподілу обмежених виділених річних коштів на ТО і Р та заміну обладнання енергокомпанії. Показано, що отримання достовірної кількісної оцінки ризику виникнення аварійної ситуації в енергосистемі при відмовах електрообладнання можливе лише за умови існування адекватних моделей для діагностики ТС, визначення ресурсу працездатності та ймовірності відмови об’єкта, у тому числі і для повітряних ліній. Встановлено, що об’єктивно існуюча неповнота і невизначеність вихідної інформації, щодо технічного стану не дозволяє отримати всеохоплюючу математичну модель комплексної оцінки ТС, знаходження ресурсу працездатності ПЛ. Для розв'язання даних проблем запропоновано декілька типів моделей знаходження ресурсу працездатності та ймовірності відмови ПЛ. Для вибору оптимальних рішень відносно пріоритету виведення з роботи повітряних ліній за заданими критеріями використано метод оптимізації Парето та ймовірнісно-статистичне моделювання Монте-Карло з метою оцінення ризику появи аварійних ситуацій в енергосистемі. Розроблені математична модель і алгоритм дозволяють найти найбільш ефективне превентивне рішення відносно черговості виводу з роботи повітряних ліній. Обґрунтовано необхідність і доцільність використання суб'єктивних суджень експертів для нечіткої оцінки ступеня важливості електрообладнання і ПЛ. Запропоновано підхід для визначення ступеня важливості обладнання щодо пріоритету розподілу витрат на оновлення за результатами суб'єктивних експертних оцінок та наведено загальну схема отримання узагальненої нечіткої оцінки важливості варіанту для виділення коштів на ТО і Р та заміну обладнання. Для схеми (додаток А) електричної мережі енергопостачальної компанії на основі вище представленого підходу були отримані нечіткі експертні оцінки ступеню важливості оновлення обладнання та виконано розрахунки оптимального розподілу обмежених інвестицій між окремими виділеними групами обладнання нечітким булевим програмуванням. Результати роботи впроваджено в ТОВ «Науково-виробниче підприємство «Укренергоналадкавимірювання» та використано в курсах навчальних дисциплін «Інтелектуальні системи діагностики електрообладнання та прийняття рішень» і «Моделі технічного стану і режимів електрообладнання електричних станцій», а також при виконані кваліфікаційних та науково-дослідних робіт магістрів кафедри відновлюваних джерел енергії факультету електроенерготехніки та автоматики КПІ ім. Ігоря Сікорського.
Опис
Ключові слова
стійкість енергосистеми, відновлювані джерела енергії, залишковий ресурс, повітряна лінія електропередачі, дальня лінія електропередачі, відмова, лінгвістичні моделі, нечітка логіка, надійність електропостачання, електричні мережі, модель, електроенергетична система, аварійний режим, діагностування, технічний стан, power system stability, renewable energy sources, residual resource, overhead power line, long-distance power line, failure, linguistic models, fuzzy logic, power supply reliability, electrical networks, model, power system, emergency mode, diagnostics, technical condition
Бібліографічний опис
Заклюка, І. В. Управління експлуатаційним ризиком у підсистемі електроенергетичної системи в умовах змінення технічного стану електрообладнання та повітряних ліній : дис. … д-ра філософії : 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Заклюка Ігор В’ячеславович. – Київ, 2026. – 253 с.