Прогнозирование аварийного резерва запасных элементов сетевых районов по обслуживанию сельских распределительных сетей
На правах рукописи
МАЛЫШЕВ Михаил Александрович
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АВАРИЙНОГО РЕЗЕРВА ЗАПАСНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ СЕТЕВЫХ РАЙОНОВ ПО ОБСЛУЖИВАНИЮ
СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2012
Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и экс плуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Буторин Владимир Андреевич
Официальные оппоненты: Рыбаков Леонид Максимович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение и техническая диагностика» ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет»
Знаев Александр Степанович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники»
ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится «25» мая 2012 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Че лябинская государственная агроинженерная академия» по адресу:
454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «20» апреля 2012 г. и размещен на офи циальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.
Ученый секретарь диссертационного Возмилов совета Александр Григорьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Надежность электроснабжения агропро мышленных потребителей в значительной мере определяется со стоянием сельских распределительных сетей. Отличительной осо бенностью сельских распределительных сетей является их высокий удельный вес в общем объеме распределительных сетей. Для усло вий Курганской области он составляет: воздушные линии (ВЛ) на пряжением 10 кВ – 96% от 13 355 км, ВЛ 0,38 кВ – 95% от 8 288 км, кабельные линии ВЛ 10 кВ – 38% от 401 км, трансформаторные под станции – 87% от 6 813 шт., автоматические выключатели – 80% от 15 147 шт., предохранители 10 кВ – 87% от 20 439 шт., предо хранители 0,38 кВ – 82% от 46 584 шт., изоляторы 10 кВ – 96% от 573 270 шт., изоляторы 0,38 кВ – 94% от 104 135 шт., разрядники 10 кВ – 82% от 26 167 шт., разрядники 0,38 кВ – 82% от 21 594 шт.
Согласно территориальной структуре, ответственность за тех ническую эксплуатацию электрооборудования сетевого хозяйства на определенной территории несут районы электрических сетей (РЭС).
Большой объем электрооборудования сельских распределительных сетей, имеющего износ более 50%, значительный выход его из строя связан с необходимостью создания аварийного резерва запасных элементов РЭС.
Формирование аварийного запаса вызывает значительные ма териальные расходы. К настоящему времени сложилось два спо соба расчета аварийного резерва для обслуживания распредели тельных сетей. Первый способ строится на нормировании запасов исходя из среднестатистических данных, второй – на принципе до статочности исходя из заданного уровня вероятности обеспечения запасами. Однако оба способа не учитывают экономических затрат на запасы.
В условиях развивающихся рыночных отношений оптимизация резерва запасных элементов согласно теории управления запасами на основе минимизации связанных с ними статей расходов имеет актуальное значение.
Цель исследования. Совершенствование системы техническо го обслуживания и ремонта сельских распределительных сетей, на ходящихся на обслуживании РЭС, путем оптимизации аварийного резерва запасных элементов на основе теории управления запасами.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить сле дующие задачи:
1. Разработать модель управления аварийными запасами сете вых районов, занимающихся обслуживанием сельских распредели тельных сетей.
2. Теоретически обосновать функцию затрат на аварийные запасы, позволяющую оптимизировать параметры резерва элемен тов сельских распределительных сетей.
3. Разработать методику оптимизации аварийного резерва за пасных элементов для обслуживания электрических сетей сельско хозяйственного назначения.
4. При отсутствии статистики отказов элементов оборудования распределительных сетей произвести оценку спроса на аварийный резерв этих элементов с помощью ускоренных стендовых испытаний.
Объект исследования. Процессы резервирования аварийного запаса РЭС для обслуживания сельских распределительных сетей и оценки спроса на реле с использованием ускоренных стендовых испытаний.
Предмет исследования. Закономерности, связывающие вели чину поставок и критический уровень аварийного резерва запас ных элементов с технико-экономическими показателями и спросом на запасные элементы, а также скорость изменения сопротивления контактов реле от воздействующих эксплуатационных факторов.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
1. Для условий эксплуатации сельских распределительных се тей получено выражение для расчета ущерба, который несет РЭС при отсутствии на складе запасных элементов аварийного резерва, служащее для разработки аналитического аппарата по расчету об щих издержек на запасы.
2. Теоретически обоснована функция затрат с учетом случай ного характера потока отказов и времени пополнения, технических и экономических показателей, обеспечивающая оптимизацию ава рийного резерва различных номенклатур запасных элементов для обслуживания сельских распределительных сетей.
3. Разработана методика оптимизации параметров аварийного резерва запасных элементов в РЭС, обеспечивающая минимальные экономические затраты, связанные с этими запасами.
4. С использованием стендовых испытаний получена зависи мость скорости изменения параметра технического состояния кон тактов реле, позволяющая произвести оценку интенсивности их от казов, не прибегая к длительным эксплуатационным наблюдениям.
Практическая ценность работы и ее реализация:
1. Разработанная модель управления аварийными запасами РЭС ведет к совершенствованию системы технического обслужива ния и ремонта сельских распределительных сетей.
2. Реализация разработанной методики оптимизации резерва запасных элементов в РЭС обеспечивает минимальные экономиче ские затраты, связанные с этими запасами.
3. Предложенная установка для испытания скорости изменения сопротивления контактов реле позволяет на два порядка сократить период времени получения этой информации по сравнению со сро ками эксплуатационных испытаний.
4. Внедрение разработанной методики оптимизации аварийно го резерва запасных элементов в Кетовском РЭС ОАО «ЭнергоКур ган» позволило получить годовой экономический эффект в размере 467 тыс. руб. в ценах 2011 г.
5. Материалы теоретических и экспериментальных исследова ний по оптимизации аварийного резерва запасных элементов, необ ходимых для обслуживания сельских распределительных сетей, ис пользуются в курсах лекций по дисциплинам «Эксплуатация систем электроснабжения» и «Надежность электроснабжения» в ЧГАА.
Апробация. Основные положения и результаты диссертаци онной работы доложены и одобрены на ежегодных научных конфе ренциях ЧГАА(У) (г. Челябинск, 2007–2011 гг.), на республиканской научно-технической конференции Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина (Сейфуллинские чтения-5) (г. Аста на, 2009 г.), на Международной научно-практической конференции Саратовского ГАУ (г. Саратов, 2010 г.), на совместном совещании работников КГСХА, КГУ и ОАО «ЭнергоКурган» (2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе две в изданиях, рекомендуемых ВАК, и один патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста, в том числе 133 страницы основного текста, содержит 18 рисунков, 23 таблицы, состоит из вве дения, четырех глав, основных выводов, списка используемой лите ратуры и приложений. Список используемой литературы включает в себя 126 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, указаны цель, объект, предмет, научная новизна и практическая ценность ис следования, изложены основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рас смотрены пути обеспечения эксплуатационной надежности сельских распределительных сетей, дан анализ системы их технического об служивания и ремонта. Было показано, что в условиях эксплуатации для обеспечения работоспособности сельских распределительных се тей необходимо совершенствование этой системы. Резерв запасных элементов в распределительных сетях включает в себя две составляю щие: производственную (ремонтную) и аварийную. Производственный резерв рассчитывается нормируемым путем в конце календарного года, он имеет вполне определенный объем и служит для проведения планово предупредительных работ с учетом технического состояния распреде лительных сетей. Аварийный резерв служит для устранения внезапных (труднопрогнозируемых) отказов и носит случайный характер. Одним из путей совершенствования системы технического обслуживания и ремонта сельских распределительных сетей является разработка доку ментации по оптимизации аварийного резерва запасных элементов.
Вопросам планирования резерва электрооборудования посвя щены работы Н.Н. Сырых, В.А. Буторина, О.И. Хомутова, И.А. Пя столовой, Р.В. Банина, В.И. Силаева, частным вопросам оборудо вания сельских распределительных сетей – труды Л.М. Рыбакова, И.Б. Царева, Д.Н. Микрюкова, С.В. Волкова и др.
Существующие методы расчета аварийного резерва запасных элементов сельских распределительных сетей предлагают два спо соба его определения: нормативный и из условия достаточности.
При первом способе расчет резерва проводят нормируемым путем, исходя из 100 единиц списочного состава эксплуатируемого обо рудования или 100 км линий электропередач. Такое нормирование не принимает во внимание фактический спрос на запасы. При вто ром способе задаются вероятностью достаточности, при которой резерв не будет исчерпан в течение периода между поставками.
Оценка данной вероятности является самостоятельной научной за дачей, ее произвольный выбор экономически нецелесообразен.
Перспективным направлением оптимизации резерва является ис пользование теории управления запасами. Однако к настоящему вре мени данная теория не находила применения в области оптимизации резерва запасных элементов для сельских распределительных сетей.
Во второй главе «Теоретические предпосылки оптимизации аварийного резерва РЭС» предложена модель управления аварий ным резервом запасных элементов сельских электрических сетей.
Обоснован выбор стратегии управления. Найдена функция затрат на аварийный резерв, которая приведена к виду, допускающему чис ленную оптимизацию. Для номенклатур запасных элементов, ста тистика спроса на которые неизвестна, рассмотрено планирование спроса с использованием ускоренных стендовых испытаний.
При создании аварийного резерва запасных элементов теория управления запасами исходит из экономической оптимальности системы их поставки, хранения, омертвления средств и покрытия убытков в связи с возможной недообеспеченностью запасными эле ментами. Предметом теории управления запасами является выбор стратегии управления, а также отыскание и оптимизация функции затрат. Под стратегией управления понимают правила определения момента восполнения запаса и величину поставок. Функция затрат представляет собой математическое выражение, описывающее об щие издержки, связанные с резервом запасных элементов.
Выбор стратегии управления аварийным резервом запасных элементов сельских районов электрических сетей и отыскание функ ции затрат основаны на предложенной модели управления аварий ным резервом, которая вытекает из рассмотрения элементов задачи управления запасами. Указанная модель включает в себя: случайный спрос на запасные элементы, имеющий пуассоновское распределе ние;
систему снабжения, которая характеризуется неисчерпаемым источником запасных элементов, находящихся на складе вышестоя щего производственного отделения электрических сетей;
случайное время задержки пополнения аварийного резерва с равномерным рас пределением его длительности. Последнее было доказано методом экспертных оценок.
Исходя из предложенной модели управления аварийным резер вом обосновано, что наиболее рациональной стратегией управления является двухуровневая стратегия типа (m, n), при которой воспол нение происходит при снижении количества запасных элементов до минимальной критической величины m. Уровень пополнения фик сирован и равен максимальному количеству запасных элементов n.
Годовые затраты L, связанные с аварийным резервом РЭС, включают в себя затраты на поставку запасных элементов Lп, затра ты на их физическое хранение Lхр, издержки на омертвление денеж ных средств Lо, ущерб, вызванный авариями, Lу:
L Lп Lхр Lо Lу. (1) Функция (1) носит стохастический характер, т.к. зависит от спроса на запасные элементы, обусловленного авариями, количе ство которых является случайной величиной. В стоимость постав ки функции (1) не входят затраты на закупку запасных элементов, т.к. за достаточно длительное время суммарные затраты на при обретение запасных элементов обусловлены суммарным спросом на них, т.е. величиной, не зависящей от стратегии управления ре зервом. Поэтому соответствующее слагаемое не повлияет на выбор параметров m и n.
Затраты Lп на поставку запасных элементов одной номенклату ры можно рассчитать по формуле ав, (2) Lп Сп n где Сn – стоимость поставки, включающая расходы на оформление документации, погрузочно-разгрузочные работы, организацию рей са транспортного средства, руб.;
ав – среднее количество аварий в год, вызванное отказом элемен тов этой номенклатуры, год-1.
Отметим, что ав n равно среднему количеству поставок в год.
Среднее количество находящихся на складе запасных элемен тов рассматриваемой номенклатуры равно 2m n 1 2, поэтому Lxp Cxp 2m n 1 2, (3) где Сxp – стоимость хранения одного запасного элемента в течение года, руб./год.
Затраты Lo на омертвление денежных средств возникают пото му, что существуют запасные элементы, которые на текущий момент не востребованы, но деньги в них уже вложены.
Эти затраты составляют:
n, ln 1 E ;
2m n 1 (4) t t 1 ;
Lo C ав n T где Сэ – стоимость одного запасного элемента, руб.;
Е – нормативный коэффициент капиталовложений;
ТГ = 1 год – коэффициент, введенный для согласования размер ности.
Поясним формулы (4). Время t n ав есть среднее время между пополнениями аварийного резерва, поэтому C e t 1 есть омертвление денежных средств, вложенных в один запасной эле мент, которое затем умножается на среднее количество 2m n 1 запасных элементов, находящихся на складе, чтобы все затраты привести к году, они умножаются на среднее количество ав n вос полнений в год.
Годовой ущерб Ly, наносимый аварийными отказами элементов одной номенклатуры, описывается выражением X m ав kWtcp CX, Ly n kWtcp CX WtэC X m, X m, (5) где W – средний недоотпуск электроэнергии за час простоя при от казе элемента данной номенклатуры, кВт·ч/ч;
tср – среднее время устранения аварии при отказе запасного эле мента этой номенклатуры, ч;
С – тариф на передаваемую по сетям района электрических сетей электроэнергию, руб./кВт·ч;
Х – количество аварийных отключений из-за отказов элементов данной номенклатуры за промежуток времени от момента, когда ава рийный запас достиг критического уровня m, до конца квартала;
tэ – время экстренной доставки запасного элемента из соседних сетевых районов или производственного отделения в случае, если их количество на складе исчерпано;
коэффициент k = 1 для всех номенклатур, кроме автоматических выключателей, для которых он равен их количеству, подсоединенно му к общей шине.
Поясним выражение (5). Множитель ав n вводится по анало гии с формулой (4), чтобы привести ущерб к годовому. Множитель k появляется в связи с тем, что при замене одного автоматического вы ключателя остальные, подсоединенные к общей шине с вышедшим из строя выключателем, также отключаются. Слагаемое WtэC X m появляется вследствие возрастания периода устранения аварии на время tэ при условии исчерпания аварийного резерва.
В результате вычислений нами получено выражение для мате матического ожидания случайной величины (5):
авWC max i 0ktcp iPi tэ iPi mtэ Pi, (6) M Ly n j 1 i m 1 i m max где j ав i e ав j ;
max t, (7) P ав ав p кв i i!
где i и j – индексы суммирования;
р – спрос на запасные элементы для планово-предупредительного ремонта;
tкв = 90 сут. – количество дней в квартале.
Подстановка выражений (2), (3), (4) и (6) для отдельных со ставляющих затрат в формулу (1) приводит к математическому ожи данию функции затрат на аварийный резерв запасных элементов для районов электрических сетей в развернутом виде:
ав 2m n M L Сп Схр n ln 1 E n 2m n ав Сэ exp 1 ав n Tг max WC i ktcp iPi tэ iPi mtэ Pi.
ав (8) max n j 1 i m 1 i m Оптимальное управление аварийным резервом сводится к опти мизации функции (8) по двум переменным: минимальному критиче скому m запасных элементов и уровню n их пополнения. Численная оптимизация функции затрат в виде (8) не представляется возмож ной из-за наличия сумм бесконечных рядов. Функцию (8) удалось привести к виду, допускающему численную оптимизацию:
ав 2m n M L Сп Схр n ln 1 E n 2m n ав Сэ exp 1 ав n Tг авWC m 1 m max ав j ktcp tэ 1 Pi mtэ 1 Pi min. (9) max n j 1 i 0 i Оптимизация аварийного резерва требует, как видно из форму лы (9), знания ав элементов данной номенклатуры. При отсутствии статистики отказов указанных элементов можно произвести оцен ку ав с помощью стендовых испытаний и с использованием данных об эксплуатации этих элементов на других (базовых) объектах сельских распределительных сетей. В работе получено выражение для оценки спроса на реле в обследуемом сетевом районе:
n ав ав, (10) NV где ав, ав – спрос на реле в обследуемом и базовом сетевых районах соответственно;
n и N – количество реле, эксплуатируемых в обследуемом и базо вом сетевых районах соответственно;
и V – скорость изменения параметра технического состояния реле соответственно в обследуемом и базовом сетевом районе.
Для реализации выражения (10) значение v и V целесообразно установить по результатам ускоренных стендовых испытаний.
В третьей главе «Методики проведения исследований» рас смотрена методика оценки технико-экономических показателей, входящих в качестве параметров в функцию затрат, методика про ведения ускоренных стендовых испытаний и методика оптимизации целевой функции.
Целевая функция (9) зависит от одиннадцати параметров: Cn, Cxp, Cэ, С, Е, ав, р, W, tср, tэ, k. Стоимость поставки Cn, стоимость хра нения запасных элементов Cxp и их собственная стоимость Cэ могут быть найдены по данным бухучета. Тариф С за передачу электро энергии по сетям района определяется постановлением департамен та государственного регулирования цен и тарифов об установлении тарифов на услуги по передаче электрической энергии. Величина нормативного коэффициента капиталовложения Е в условиях сель ского хозяйства определялась по данным литературных источников.
Количество аварийных отключений ав, спрос на запасные элементы для ремонтных работ р, недоотпуск электроэнергии за час аварий ного простоя W, среднее время ликвидации аварии tср, время экстрен ной доставки запасных элементов tэ находились по данным отчета о нарушениях в работе района электрических сетей.
При выводе целевой функции (9) было сделано предположе ние, что количество аварийных отказов в год является случайной величиной с пуассоновским законом распределения. Это предпо ложение было проверено на примере предохранителей ПКТ-10-101, повреждение которых является одной из распространенных причин отключения электроснабжения. Для проверки были обработаны ста тистические данные пятилетних наблюдений. В основу проверки положена сложившаяся в математической статистике методика, опи рающаяся на критерий согласия Пирсона 2.
При изучении скорости изменения параметра технического со стояния реле (см. формулу (10)) в качестве последнего было выбрано переходное сопротивление контактов, которое измерялось мостом по стоянного тока Р-333. Основными эксплуатационными факторами, влияющими на указанную скорость, как показал анализ литературных источников, является напряжение U, подаваемое на катушку реле, и от носительная влажность W воздуха. Для сокращения перерывов между срабатываниями реле и ускорения испытаний по изучению зависимо сти скорости изменения сопротивления контактов от напряжения на ка тушке и относительной влажности воздуха были разработаны техниче ские средства, в том числе схема управляющего устройства (рисунок 1).
Блок I представляет собой источник питания управляющего устройства, который собран по бестрансформаторной схеме с конден саторным делителем напряжения. Блок II представляет собой времяза держивающий узел, который построен на базе интегрального таймера DA1. Блок III представляет собой узел управления катушкой испы туемого реле, который выполнен на основе оптронного симистора U1.
Для того чтобы обеспечить требуемую в ходе эксперимента влажность, была разработана камера влажности (рисунок 2). Уро вень относительной влажности внутри камеры регулировался зерка лом воды в поддоне и открытием смотрового окна.
Рисунок 1 – Схема управляющего устройства Рисунок 2 – Стенд для испытаний контактов реле: 1 – камера влажности;
2 – поддон;
3 – подставка;
4 – схема управления;
5 – испытуемое реле;
6 – смотровое окно Стендовые испытания проводились согласно теории активного планирования эксперимента. Был выбран план полного двухфактор ного эксперимента первого порядка. Выбор плана обусловлен тем, что он является ядром практически всех планов порядка выше, чем первый. Последнее обстоятельство позволяет начать эксперимент именно с него, и если аппроксимирующий полином окажется неа декватным, то следует переходить к планам второго порядка. Резуль татом стендовых испытаний явилась полиномиальная зависимость V = а0 + а1X1 + а2X2 + а12X1X2, (11) где а0, а1, а2, а12 – коэффициенты регрессии (рассчитываются по ито гам эксперимента);
Х1, Х2 – соответственно кодовые значения напряжения на катуш ке реле и относительной влажности (безразмерные величины, изме няющиеся от –1 до +1 при изменении напряжения и относительной влажности от минимального до максимального значения).
Обработка опытных данных проводилась согласно методике, описанной в теории активного планирования эксперимента, и вклю чала в себя проверку воспроизводимости эксперимента;
расчет ко эффициентов регрессии и оценку их значимости;
проверку полино ма (11) на адекватность.
Оптимизация целевой функции (9) осуществлялась перебор ным методом. Составлялась матрица, элементами которой служат значения функции затрат Lij(minj) от целочисленных аргументов mi и nj, каждый из них пробегает значения от единицы до некоторой максимальной величины.
Указанная матрица имеет вид L11 m1, n1 L12 m1, n2 L1 jmax m1, nmax L21 m2, n1 Limax 1 mmax, n1 Limax jmax mmax, nmax.
В данной матрице путем последовательного перебора всех ее элементов Lij находится наименьший элемент Lопт, которому соот ветствуют оптимальные значения аргументов mопт и nопт.
Таким образом, для реализация методики оптимизации аварий ного резерва запасных элементов РЭС для обслуживания распреде лительных сетей сельскохозяйственного назначения необходимо:
– произвести оценку спроса на запасные элементы путем сбо ра и обработки статистики отказов, оценку спроса на запасные эле менты с неизвестной статистикой отказов целесообразно получить с использованием ускоренных стендовых испытаний;
– на основании данных электротехнической службы и бухгал терского учета произвести оценку технико-экономических показате лей, входящих в качестве параметров в функцию затрат;
– используя программное обеспечение, определить оптималь ные параметры m и n аварийного резерва запасных элементов.
В четвертой главе «Результаты исследования и их анализ»
представлены результаты оптимизации аварийного резерва запас ных элементов на примере Кетовского района электрических сетей, который входит в состав ОАО «ЭнергоКурган», и результаты уско ренных стендовых испытаний скорости изменения переходного со противления контактов реле РН-53 в зависимости от напряжения на катушке и относительной влажности воздуха.
Обработка статистических данных пятилетних наблюдений за выходами из строя предохранителей ПКТ-10-101 показала, что аварийные отказы удовлетворительно описываются распределением Пуассона, что делает корректным вывод целевой функции (9).
По методике, описанной в третьей главе, определены технико экономические показатели, входящие в целевую функцию в качестве параметров. Эти показатели приведены в таблице 1 для основных в стоимостном исчислении номенклатур.
В таблице 1 параметры для провода берутся из расчета его длины (30 м). Такое количество провода необходимо для устранения его об рыва. По этой же причине параметры для кабеля берутся из расчета его длины (4 м).
Параметры tср и tэ характеризуют ремонтопригодность элемен тов оборудования распределительных сетей, а параметры р и ав – их безотказность.
Интенсивность аварийных отказов ав реле напряжений РН-53, указанная в таблице 1, была рассчитана по формуле (10).
Для этого с помощью ускоренных стендовых испытаний опреде лена скорость V изменения переходного сопротивления контактов реле от напряжения, подаваемого на его катушку, и относительной влажности воздуха.
Уровни варьирования перечисленных факторов приведены в таблице 2.
Выбор уровней основывается на наблюдениях за напряжением и данных метеослужбы для Кетовского и Половинского района элек трических сетей. Последний был принят за базовый.
В результате реализации плана полного двухфакторного эксперимента первого порядка получена полиномиальная зависи мость скорости изменения сопротивления контактов от напряжения и относительной влажности в кодированном виде:
V = (2,8 – 0,75X1 + 0,62X2)·10–2, мкОм/цикл. (12) Таблица 1 – Технические и экономические параметры функции затрат технические экономические Параметры W k С Е tср tэ p ав Cn Cxp Cэ руб. руб.
кВт ч Размерность ч ч – год-1 год-1 руб. руб. – год ч кВт ч 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ВЛ-10 кВ Провод АС-50 2,1 3,4 470 1 84,1 9,6 3310 690 540 1,835 0, Провод АС-70 2,1 3,4 490 1 98,1 12,8 4150 690 610 1,835 0, Опора деревянная 5,3 4,9 320 1 19,8 4,2 3900 1220 3400 1,835 0, Опора железобетонная 5,3 4,9 320 1 24,1 2,6 3500 1220 7800 1,835 0, Приставка железобетонная 5,3 4,9 320 1 21,4 2,8 3800 1180 2900 1,835 0, Изолятор ШФ-20 1,9 2,1 280 1 88,4 13,6 2050 470 310 1,835 0, Разрядник РВО-10 1,5 2,1 970 1 9,2 3,5 1650 610 1100 1,835 0, Разъединитель РЛНД 10-400 1,2 2,1 280 1 6,4 3,2 1790 610 7800 1,835 0, Кабель 1,7 3,4 760 1 0 1,4 2250 680 2440 1,835 0, Кабельная муфта 1,8 2,1 760 1 0 0,5 1900 590 3700 1,835 0, Предохранитель ПКТ-10-101 0,3 2,1 970 1 0 39,6 2100 390 420 1,835 0, ВЛ-0,38 кВ Провод АС-35 2,1 3,4 49 1 120 17,8 1910 690 476 1,835 0, Провод АС-50 2,1 3,4 51 1 112 29,2 2140 690 540 1,835 0, Автоматический выключатель ВА-57 1,5 2,1 220 5 15,1 7,6 1800 540 2200 1,835 0, Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Предохранитель ПН-2 0,3 2,1 57 1 0 25,4 1800 390 85 1,835 0, Опора деревянная 5,3 4,9 42 1 8,6 5,1 3800 1220 3400 1,835 0, Опора железобетонная 5,3 4,9 42 1 13,4 3,2 2700 1220 7800 1,835 0, Приставка железобетонная 5,3 4,9 42 1 9,2 4,9 2850 1180 2900 1,835 0, Изолятор ТФ-20 1,9 2,1 24 1 53 6,2 1470 470 150 1,835 0, Разрядник РВН-05 1,2 2,1 52 1 8,8 1,2 1150 610 850 1,835 0, КРУН-10 кВ Трансформатор тока ТЛМ-10 0,8 2,1 450 1 2,3 0,8 1700 520 2400 1,835 0, Трансформатор напряжения ЗНОЛ-10 0,8 2,1 450 1 2,4 0,6 1740 520 3628 1,835 0, Разъединяющий контакт первичной 0,5 2,1 520 1 1,6 0,4 1760 540 820 1,835 0, цепи РВ-10- Переходной изолятор наружной 0,4 2,1 460 1 1,9 0,8 1810 470 210 1,835 0, установки ПНБ 10- Переходной изолятор внутренней 0,4 2,1 380 1 1,6 0,4 1950 470 210 1,835 0, установки ПБ 10- Опорный изолятор ОФР-750 0,4 2,1 390 1 2,0 0,3 1690 470 350 1,835 0, Вентильный разрядник РВО-10 0,7 2,1 430 1 3,2 1,3 1790 610 700 1,835 0, Реле РТ-40 0,6 2,1 310 1 8,8 2,5 1900 420 850 1,835 0, Реле РН-53 0,6 2,1 310 1 3,1 1,6 1900 420 1050 1,835 0, Таблица 2 – Уровни варьирования факторов при проведении стендовых испытаний Уровни варьирования Полуинтервал Средний Фактор Код верхний нижний варьирования уровень (+1) (–1) Напряжение U, В X1 391 334 28,5 Относительная X2 94 64 15 влажность W, % Анализ зависимости (12) показывает, что с ростом напряже ния на катушке скорость изменения сопротивления контактов реле уменьшается, а с ростом относительной влажности увеличивает ся. Влияние напряжения и относительной влажности соизмеримо.
Обработка результатов эксперимента показала, что в соответствии с критерием Стьюдента коэффициент регрессии а12, описывающий взаимодействие факторов, оказался незначимым.
В натуральных факторах после раскодирования зависимость (12) принимает вид V = (87 – 0,26U + 0,46W)·10–3 мкОм/цикл. (13) Формула (13) совместно с данными таблицы 3 позволяет по формуле (10) оценить спрос ав на реле РН-53.
Таблица 3 – Данные об эксплуатации реле РН–53 в базовом и обследуемом сетевых районах Базовый район Обследуемый район ав, год–1 N n u,В w, % W,% U,В 1,28 24 371 69 38 382 Расчет показал, что ав = 1,6 год-1. Знание ав позволяет произ вести оптимизацию целевой функции (9) для реле: mопт = 1, nопт = 8, M[L](mопт, nопт) = 2 033 руб./год.
Данные таблицы 1 являются исходными для оптимизации ава рийного резерва запасных элементов. Результаты оптимизации при ведены в таблице 4.
Для наглядности на рисунке 3 представлен график функции затрат для автоматических выключателей. Как видно из графика, функция затрат имеет выраженный минимум.
Таблица 4 – Оптимальные параметры стратегии управления аварийным резервом M[L](mопт, nопт), Номенклатура mопт nопт руб./год ВЛ-10 кВ Провод АС-50 44 370 2 Провод АС-70 52 350 3 Опора деревянная 18 320 1 Опора железобетонная 14 690 1 Приставка железобетонная 21 380 1 Изолятор ШФ-20 35 190 3 Разрядник РВО-10 5 640 2 Разъединитель РЛНД 10-400 5 066 2 Кабель 1 008 2 Кабельная муфта 1 857 1 Предохранитель ПКТ-10-101 11 060 19 ВЛ-0,38 кВ Провод АС-35 57 290 3 Провод АС-50 86 300 4 Автоматический выключатель ВА-57 2 422 2 Предохранитель ПН-2 50 160 12 Опора деревянная 19 600 2 Опора железобетонная 14 040 1 Приставка железобетонная 17 270 2 Изолятор ТФ-20 14 180 1 Разрядник РВН-05 2 430 1 КРУН-10 кВ Трансформатор тока ТЛМ-10 72 1 Трансформатор напряжения ЗНОЛ-10 523 1 Разъединяющий контакт первичной цепи 57 1 РВ-10- Переходной изолятор наружной установки 2205 1 ПНБ 10- Переходной изолятор внутренней установки 842 1 ПБ 10- Опорный изолятор ОФР-750 194 1 Вентильный разрядник РВО-10 812 1 Реле РТ-40 3 178 2 Реле РН-53 2 033 1 Рисунок 3 – График функции затрат для автоматических выключателей Использование предлагаемой методики оптимизации аварий ного резерва запасных элементов позволило получить годовой эко номический эффект в размере 467 тыс. руб. за счет сокращения ма териальных затрат, связанных с физическим хранением и омертвле нием средств, а также затрат, обусловленных неоправданно частыми восполнениями неснижаемого аварийного резерва.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Обоснована модель управления аварийным резервом запас ных элементов сетевых районов по обслуживанию сельских распре делительных сетей, включающая в себя:
– случайный спрос, имеющий пуассоновское распределение;
– систему снабжения, которая характеризуется неисчерпаемым источником запасных элементов, находящихся на складе вышестоя щего производственного отделения электрических сетей;
– случайное время задержки пополнения аварийного резерва с равномерным распределением длительности;
– стратегию управления аварийным резервом с фиксирован ным уровнем его пополнения и критическим уровнем минимального количества запасных элементов на складе;
– функцию затрат для определения оптимальных параметров выбранной стратегии управления аварийным резервом.
2. Для выбранной стратегии управления аварийным резервом получено аналитическое выражение, позволяющее произвести оцен ку ущерба, который несет район электрических сетей из-за недоот пуска электрической энергии.
3. Получена функция затрат на аварийный резерв запасных элементов для районов электрических сетей, включающая в себя за траты на поставку, физическое хранение аварийного резерва, омерт вление денежных средств, вложенных в невостребованные запасные элементы, и ущерб, вызванный недоотпуском электрической энер гии при авариях. Оптимизация функции затрат обеспечивает мини мизацию расходов, связанных с аварийным резервом.
4. Разработана методика планирования аварийного резерва запасных элементов района электрических сетей, реализация ко торой предусматривает оценку интенсивности аварийных отка зов, определение технических и экономических параметров функ ции затрат и отыскание ее минимума, позволяющая с использо ванием программного обеспечения оптимизировать параметры этого резерва. Например, для железобетонных опор ВЛ-0,38 кВ mопт = 1, nопт = 5.
5. С помощью разработанных технических средств установлен вид аппроксимирующего полинома, описывающего зависимость скорости изменения переходного сопротивления контактов реле от напряжения на его катушке (а1 = –0,75) и влажности воздуха (а2 = 0,62), совместное влияние перечисленных факторов на изу чаемую скорость (а12 = –0,14) несущественно. Данная зависимость позволяет произвести оценку спроса этого реле, ав = 1,6 год-1.
6. Годовой экономический эффект от внедрения методики опти мизации аварийного резерва запасных элементов в Кетовском райо не электрических сетей ОАО «ЭнергоКурган» составил 467 тыс. руб.
в ценах 2011 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 1. Малышев, М. А. Изменение параметров реле в зависимости от эксплуатационных факторов [Текст] / И. Б. Царев, М. А. Малышев, И. В. Зайцев // Механизация и электрификация сельского хозяй ства. – 2011. – № 3. – С. 20–21.
2. Малышев, М. А. Стратегия прогнозирования аварийного ре зерва запасных элементов для обслуживания сельских распредели тельных сетей [Текст] / М. А. Малышев // Международный технико экономический журнал. – 2012. – № 1. – С. 95–99.
Публикации в других изданиях 3. Малышев, М. А. Метод оценки качества восстановления электрооборудования по комплексным показателям надежности [Текст] / В. А. Буторин, Е. В. Бабыкин, М. А. Малышев // Информли сток ЦНТИ. – № 83-055-07. – Челябинск, 2007.
4. Малышев, М. А. Средства измерения параметров техниче ского состояния контактов реле [Текст] / И. В. Зайцев, М. А. Малы шев // Материалы 47-й Международной научно-технической конфе ренции «Достижения науки – агропромышленному производству». – Челябинск, 2008. – Ч. 4. – С. 23–26.
5. Малышев, М. А. Резервирование запасных элементов для об служивания электрооборудования [Текст] / И. Б. Царев, М. А. Малы шев, Д. В. Буторин, Д. Н. Елагин // Вестник ЧГАУ. – 2009. – Т. 55. – С. 123–126.
6. Малышев, М. А. Методы расчета запасов элементов элек трооборудования в сельском хозяйстве [Текст] / В. А. Буторин, М. А. Малышев, Д. В. Буторин // Материалы 48-й Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропро мышленному производству». – Челябинск, 2009. – Ч. 4. – С. 24–27.
7. Малышев, М. А. Прогнозирование значений единичных и комплексных показателей надежности электрооборудования [Текст] / В. А. Буторин, М. А. Малышев, А. В. Панов // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». – Саратов : КУБик, 2010. – С. 81–85.
8. Малышев, М. А. Расчет затрат, связанных с омертвлени ем денежных средств, при функционировании электроремонтных предприятий [Текст] / В. А. Буторин, И. Б. Царев, М. А. Малышев, И. А. Пястолова // Вестник науки Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина. – Астана, 2010. – № 4(66). – С. 128–132.
9. Малышев, М. А. Функция затрат и количественная оценка ава рийного запаса основной номенклатуры в РЭС [Текст] / М. А. Малышев // Материалы 50-й Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству». – Челя бинск : ЧГАА, 2011. – Ч. 5. – С. 80–84.
10. Малышев, М. А. Планирование и результаты испытания ско рости изменения сопротивления контактов реле [Текст] / И. Б. Царев, М. А. Малышев // Материалы 50-й Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производ ству». – Челябинск : ЧГАА, 2011. – Ч. 5. – С. 130–135.
11. Малышев, М. А. Планирование аварийного резерва запасных элементов районов электрических сетей с позиции теории управле ния запасами [Текст] / М. А. Малышев // Информлисток ЦНТИ. – № 74-041-11. – Челябинск, 2011.
12. Малышев, М. А. Результаты оптимизации аварийного ре зерва запасных элементов Кетовского РЭС для обслуживания сель ских распределительных сетей [Текст] / М. А. Малышев // Вестник ЧГАА. – 2012. – Т. 60. – С. 98–101.
Авторские свидетельства, патенты 13. Пат. на полезную модель № 84963 РФ, МПК G01В 3/00.
Устройство для измерения износа контактов реле [Текст] / В. А. Буто рин, Д. В. Буторин, И. В. Зайцев, М. А. Малышев. – № 2008144764/22 ;
заявл. 12.11.2008 ;
опубл. 12.11.2008, Бюл. № 20.
Подписано в печать 10.04.2012 г. Формат 6084/ Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № КЗ- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»
454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина,