ФУНЦИОНАЛЬНОЕ ВРЕМЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Время – это айсберг в океане: верхушка всегда под солнцем, все остальное – в морской тьме.

Актуальность. Основными составляющими анализа в данной работе являются понятия «энергетика» и «время», и их сочетание. Понятие «время» до сих пор не имеет однозначного толкования и наверное, будет подлежать исследованию еще долго, специалистами самых разных уровней, начиная с фундаментального, научного и кончая различными прикладными, отраслевыми ситуациями.

Основное понятие. Время – всеобщая форма бытия материи, выражающая длительность бытия и последовательности смены состояний всех материальных системипроцессов в мире [1].

Историческая справка.      Примерно 400 лет назад в науке господствовал механицизм. Признавая механическую форму движение материи единственно объективной, Филипп Болл [2] приводит следующее высказывание Гоббса в 1642 г.: « Для лучшего понимания любого процесса или вещи их следует разложить на составные части и простейшие действия. Изучение работы даже небольшого по размеру, но сложного устройства типа часов лучше всего начинать с исследования материала, формы и функций каждого из колесиков и лишь затем переходить к оценке работы всего механизма в целом ». На современном языке предложение Гоббса - это анализ и синтез проблемы.

1.      Научные, прикладные и функциональные понятия времени. Объект и предмет данной работы. Объектом данной работы является энергетика, предметом работы является время – рис.1. Лауреат Нобелевской премии И. Пригожин высказал по проблеме «времени» следующее [3] «Время не является чем-то готовым, предстающим в завершенных формах перед гипотетическим сверхчеловеческим разумом. Нет! Время — это нечто такое, что конструируется в каждый данный момент. И человечество может принять участие в процессе этого конструирования» «Фундаментальное время – от времени солнечных циклов до времени распада и полураспада отдельных природных элементов. Объективно-реальное время (времена всех ранее известных концепций являются постулированными, придуманными человеком), существующее независимо от человека, его сознания, является функцией конкретных, конечных материальных объектов, процессов»[4].

В работе Кудрина Б.И. [5] по ценологическим исследованиям, приводится следующе: «Функциональное время. Элементы системы образуют не только свое функциональное пространство, но и собственное время» и далее там же «Функциональное время. Это, например, режим функционирования оборудования, который заключается в результате последовательной смены состояний компонентов, частей и элементов, процессов и событий»[5].

Кравченко И.И [6]. «Функциональное время само представляет собой отрезок хронологического времени, который делится на две части – прошлое и настоящее, но в отличие от времени природы, включает еще и отрезок будущего времени, к которому и устремлено все функциональное время». Инфельд [7]: «Время движется только тогда, когда человек думает или действует».

Исходные факторы анализа времени с их классификацией. В различных ситуациях (категории, классы, параметры), «время» может рассматриваться с разных позиций, например по содержанию и форме [8]. Содержание: 1) общие направления – с позиций философской, гносеологической, межотраслевой;

2) прикладные направления – с позиций функциональной, технологической, отраслевой (география, климатология, экономика, гидрология, экономика, гидроэнергетика и др.)

Форма - способ представления информации о времени: хронологический (продолжительности); метрологический (единиц измерения); графический – графики электрических нагрузок, накопления и сработки объема водохранилищ, математический (линейность, нелинейность, цикличность, дискретность) и т.д.

Фундаментальное (приведенное выше) и прикладное (функциональное) направления – это хронологическое время. В прикладных (отраслевых) направлениях практически каждое научное и технические направление выполняет оценку своего понятия времени – в физике, географии, климатологии, энергетике в целом и гидроэнергетике, в частности, математике и т.д.

Одной из целей и задачей данной работы является разработка вопросов анализа и оценка понятия «функциональное время» на объектах энергетики и определение единицы его измерения.

Функциональное время объектов энергетики определяется при анализе выполнения его основных функции в нормальных режимах:

-            по функции выработки электроэнергии (ЭЭ) обеспечиваемой от неуправляемых человеком

первоисточников энергии: от солнца, в режиме солнечных циклов, преимущественно, годовым, 12, 22, 44 и 90- летними периодом, внутригодовой и суточной неравномерностью ветра.

- по функции передачи ЭЭ большие проблемы создает неравномерность распределения потребителей электроэнергии по территории и, следовательно, состояние электрических сетей в целом, динамика и изменение их эквивалентного сопротивления по сезонам года и на многолетнем отрезке времени

-              пофункциипотребленияэлектроэнергии (промышленность и быт) и водных ресурсов: регулирование стока для зашиты от паводков, накопление воды в водохранилищах, поддержка необходимого уровня воды для нормальной работы береговых насосных и т.д.

по функции определение характерных режимов работы энергосистем « Статья 13. Основные принципы оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике приоритетность режимов комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в осенне-зимний период регулирования режимов работы генерирующего оборудования: Закон «Об электроэнергетике» N 196-ФЗ. .[9]

В работе [10] задача решается путем совмещения результатов решения частных задач: определения характерных режимов и режимов работы источников гидро- и тепловых и др. электростанций и потребления электроэнергии

В электроэнергетике для анализа режимов ее работы проводят контрольные замеры нагрузок, как правило, два раза в год – летом и зимой, т.е. их соответствие минимальному и максимальному режиму работы энергосистем с определением продолжительности и величины нагрузки характерных режимов путем выделения анализа и синтеза проблем на каждый момент времени:

на стадии анализа: 1) предварительная оценка характерных режимов и их параметров у потребителей электроэнергии; 2) оценка характерных режимов работы и их параметров у ГЭС, работающих в пиковой части графика нагрузок; 3) оценка базовых режимов работы тепловых электростанций с учётом выдачи тепловых нагрузок;

на стадии синтеза: окончательный выбор параметров характерных режимов путём наложения (совмещения) вышеуказанных режимов работы потребителей, электро- гидро- тепловых электростанций. Периоды оперативного управления в электроэергетике составляют, например, от несколько часов до одного месяца с учётом отопительного режима.

Прикладное направление оценки времени. В прикладных измерениях: ( отраслевых) направлениях практически каждое научное и технические направление выполняет оценку своего понятия времени- в физике, географии, климатологии, энергетике в целом и ее отдельных составляющих в частности, в математике, и т.д.       в своих прямых и косвенных измерениях времени.

В прямых измерениях:  Шкала времени может быть представлена в основных общепринятых единиц времени: UT – всемирное время вращение Земли вокруг своей оси; ST – эфемерное время обращение Земли вокруг солнца и AT – атомное время [11], определяемое с помощью высокоточных атомных часов.

1. ЭНЕРГИЯ. Качество электроэнергии.

Время в качестве оценки показателей электроэнергии. Показатели качества электроэнергии приведены в Государственном стандарте [12]. Рекомендуется уточнить термины:

«3.1.9 напряжение электропитания: Среднеквадратическое значение напряжения в определенный момент времени в точке передачи электрической энергии пользователю электрической сети, измеряемое в течение установленного интервала времени». На наш взгляд не просто в «определенный момент» времени, а добавить: в «течение времени заранее заданного нормального характерного режима по договорным условиям производителя и потребителя ЭЭ» и далее по тексту этого пункта «3.1.38 качество электрической энергии (КЭ): Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей КЭ» добавить: «по договорным условиям производителя и потребителя ЭЭ»

В таблице 1 приведены выписки из стандарта [12]. по качеству электроэнергии в минимальных и максимальных значениях

Таблица 1. Показатели качества электроэнергии, зависящие от времени (выписки из [12])

2. КАСКАДЫ ГЭС и режимы

2.1.   Фактор времени в гидроэнергетике. Гидроэнергетика «живет» по своему времени, которое сильно отличается от обычного механического времени, поскольку зависит от глобальной топологии системы. Частично это находит применение и в создании «План ГОЭЛРО (был принят 22 декабря 1920 г.) и утверждён СНК 21 декабря 1921 г.» и создана «Единая энергетическая система» (ЕЭС) Европейской части России с пуском в работу Куйбышевской ГЭС в 1956 г.

В настоящее время объективной единицей измерения функционального (технологического) времени в гидроэнергетике может служить солнечный цикл ST - 11 лет в календарном исчислении, который определяется по появлении на Солнце пятен Вольфа. Отсчёт циклов ведется от 1749 года, когда в Цюрихской обсерватории начали постоянно следить за изменениями солнечной активности.

Оценкой случайного (мгновенного) режима может служить значение напряжения в контрольной точке взаданноевремя или уровень напряжения в контрольной точке  в заданный интервал времени.

Оценкой общего режима может рассматриваться значение потерь энергии на каком-либо участке ЛЭП за    какой-либо интервал времени. Конечно, для выполнения данных требований должна применяться соответствующая измерительная техника.

В Европейской части России Волжско-Камский каскад ГЭС суммарной мощностью 310 МВт работает в оперативном режиме и покрывает пики нагрузок потребителей на этой территории России, которые на ТЭЦ, по своей технологии могут принять нагрузку за несколько часов.

Тот же самый кубометр воды из Енисея, который может храниться в своем водохранилище Саяно- Шушенской ГЭС несколько лет и «сбрасывается» вниз по частям на Майнскую ГЭС в ее водохранилище в течение суток , а потом на Красноярской ГЭС хранится в течение одного года.     Аналогично работает каскад ГЭС на Ангаре: Иркутская, Братская, Усть-Илимская и Богучанская ГЭС.

Но кроме этого, каждый объект гидроэнергетики имеет свое функциональное время или даже несколько его вариантов по текущей технологии выбора режимов работы оперативным диспетчерским персоналом между разными генераторами.

2.2.   ГРАФИКИ нагрузок

Время рабочих режимов. График нагрузок – один из важнейших показателей режимов работы электроэнергетики и его коэффициенты, используется как компактные носители обобщенной информации, и применяются при проектировании энергоустановок, при анализе режимов их работы за прошлые периоды и т.д.

Для правильного понимания изложения обратимся к старому изданию 1939 г. Золотарева Т.Л [13], где описан принцип получения коэффициентов графиков нагрузок. Согласно рис.1, при известных минимальной, средней, максимальной нагрузке и установленной мощности потребителя.

В работе [14] приведены сведения о наличии 63 вариантов применения графиков и из них в четырёх учтён фактор времени, например, время паузы и работы одного станка, средняя нагрузка по цеху и т.д.

1.1.   Характеристики графиков работ нагрузок насосных станций

В описании энергетических характеристик насосных станций [15] приведено описание разных видов графиков и, соответственно, разных по времени: 1 – равномерный работа (график) при нескольких параллельно включенных насосов; 2 – ступенчатая работа параллельных насосов – неравномерная по сезонам года; 3 – неравномерная работа насосов в течение суток; 4 – ступенчатая работа насосов в течение суток; 5 – ступенчатая работа в течение суток и неравномерная по сезонам года и другие.

Необходимо учесть, что любой потребитель ЭЭ может иметь в свое время не один, а два и более пиковых моментов, т.к. у всех из них разный, например, договорной уровень потребления ЭЭ. При этом возникают вопросы экономики: в сроках оплаты, не совпадающих, т. е.    календарным временем  и распределенным лагом.

На наш взгляд несколько насосных станций в даже в одном городе – это очень удобная физическая модель каскадов ГЭС.

2. ОБЪЕКТЫ

4.1 По функции, работа с персоналом, подготовка и проверка знаний , приведена в таблице 2 [16]

Таблица 2. Время работы с персоналом (выписки)

Время по этапам жизненных циклов объектов электроэнергетики приведено ниже в расширенном виде: оценка их состояния по изоляции, времени срабатывания силовых коммутационных аппаратов и РЗА, плавки гололеда на проводах воздушных ЛЭП и т.д.

4.2. По функции эксплуатации объектов электроэнергетики.     Ресурс выключателей.

«3.11.7. Срок службы до списания- 25 лет.» [17]. И далее там же « 6.8.3. Периодические испытания должны проводиться не реже одного раза в 5 лет».

Необходимо также доработать ПТЭ в следующем виде: «3.6.8. … заключение о пригодности электрооборудования к эксплуатации выдается не только на основании сравнения результатов испытаний и измерений с нормами, но и по совокупности результатов всех проведенных испытаний, измерений и осмотров... и должны быть сопоставлены с результатами измерений однотипного электрооборудования», например, по ниже приведенным графикам».

Прогноз времени эксплуатация масляных выключателей МКП-110 Кв. Известно, что для оценки надежности и долговечности могут быть использованы модели слабейшего звена, резервированных звеньев и пропорционального эффекта. По данным рис. 1 можно сказать, что в данном выключателе для его надежности необходима зачистка рабочих силовых контактов через каждые 3 года. Замена или зачистка траверсы необходима через 6 -7 лет.

4.2. Прогноз времени эксплуатация воздушных ЛЭП.

Провода ЛЭП. В документе [18] «4. Общие положения П.4.1. Поскольку в энергосистемах ОАО «ФСК ЕЭС» более 40% ВЛ эксплуатируется 25 лет и более, актуальными становятся необходимым проводить инструментальные замеры на более коротких промежутках времени». На наш взгляд, самым неудобным для инструментальной оценки состояния частей ЛЭП, являются провода ЛЭП. Например, равномерность натяжки тросов портальной опоры. «4.7. Амортизационный период ВЛ по действующим нормам составляет 40-50 лет.

п.1.2. Параметр потока отказа- 1.2/100 км в год за 25 лет для ЛЭП – 220 кВ.

Верховой осмотр проводов не реже чем1раз в год и в зонах загрязнения 1 раз в12 лет». 1.Требуемая работа – капитальный ремонт и техническое обслуживание воздушных ЛЭП напряжением 35 –110 кВ:

1.1.Уровень напряжения сети - отдельно 35, 110 – 220, 330, 500, 750 кВ.

1.2. Условия производства работ, всего 10 видов; болотистая местность, городская территория и т.д. Значения поправочных коэффициентов - от 1,2 до 1,6. Количество поправок на каждое условие работ может составлять несколько десятков.

2.Подготовка

2.1. Участки ЛЭП на расстояние каждые-от 5 до 50 км, 2.2. Дороги – шоссе, грунт и трасса. 2.3. Время года – летом и зимой. 2 3. Нормы времени на проезд, например, 10 км, от 0.2 до 10 часов. Работа на земле и на высоте.

3. Затраты времени (в часах) на проезд [19] персонала от базы к месту работы и обратно, рассчитываются отдельно для лета по шоссейной дороге (45 км/ч), грунтовой дороге (30 км/ч) и по трассе (15 км/ч), и зимой на 5 км/ч меньше по всем дорогам.

7.    Время работы релейной защиты и автоматики. Например, автоматическая частотная разгрузка реализует две взаимосвязанные функции: быстродействующие очереди АЧР I с общей уставкой по времени 0,3–0,5 с, приостанавливающие снижение частоты, и очереди АЧР II с различными уставками по времени (от 5 до 60 – 90 с.), восстанавливающие частоту после действия АЧР I и ликвидирующие возможное зависание частоты.[20, 21].

5 . КЛИМАТ.

5.1.       Гололед. Время плавки гололеда на проводах воздушных ЛЭП различных марках проводов приведено в формулах и на 66 рисунках, в каждом из которых имеется по 4 – 8 гипербол. Например, для проводов АСО-600[22] «4.4…... При выделении для плавки отдельного трансформатора возможности произвести регулирование напряжения во всем диапазоне имеющихся ответвлений, т.е. в пределах ±2 ´ 2,5 % для обычных трансформаторов (автотрансформаторов) и ±16 % для трансформаторов, снабженных устройствами для регулирования коэффициента трансформации под нагрузкой».

В таблице приведены несколько (5 – 8) гиперболических зависимостей.

Но остается открытым вопрос: а сколько дней в году будет гололед? Наверное, по местным условиям...

5.2.       Потери мощности на корону происходят при разных состояниях погоды. Характеристики погоды определяются для четырёх состояний погоды и их продолжительность, например, для Свердловска [23]: 1 – хорошая погода Тх=6890 ч., 2 – снег Тс = 880 ч, 3 – дождь Тд = 410 ч. и 4 - изморозь Тиз = 580 ч. т.е. всего 8760 ч.

Из них в течение 1790 ч. были потери ЭЭ на корону. Далее расчёт потерь ЭЭ на корону определяется по графическим характеристикам в зависимости от номинального напряжения ЛЭП, радиуса проводов в ней и расстояния между фазами, высоту прохождения ЛЭП над уровнем моря и т.д. По приведенным в Интернете данным [24] по состоянию на 0.1,01.2010 г. в России находилось 461тыс. км напряжением 110 – 1150 кВ в одноцепном исчислении. Расчётные значения потерь ЭЭ на1 км составляли от 0,027 кВт/км до 29 кВт/км.

Выводы

1.   Время в энергетике можно представить в виде пирамиды айсберга. Его вершина – это солнечные многолетние циклы - 11.5, 22, 44 и 90 летние циклы. Но солнце одно,     а дальше тьма различных объектов и технологий в энергетике, наверное, миллионы. В основании айсберга время измеряется по отдельным объектам и процессам годами, месяцами, днями, часами и секундами. В данном случае говориться о количественной    оценке элементов энергетики, связанных с фактором времени. Укрупненная блок-схема элементов энергетики по рис.1            построена с необходимостью качественной проблемы анализа оценки факторов времени, существующих в энергетике.

2.   Вся энергетика работает в жестких рамкахпространства,времени и климата, с учётом действующих документов, человеческого фактора и обеспечения её безопасности.

3. На эксплуатационные и ремонтные работы наложена«печатьвремени».

4.     Использование воды        с     ее потенциальной     и кинетической энергией по режимам времени: многолетние, годовые, суточные и оперативные, принимая на себя пиковую нагрузку тепловых электростанций, управляется персоналом энергетиков службы режимов по иерархии их уровней.

5.      Рекомендуется продолжить работу исследование фактора времени в энергетике.

Список литературы

1.    Философский энциклопедический словарь. /Л.Ф. Ильичев и др. М.: Советская энциклопедия. 1983. – 840 с.

2. Филип Болл. Критическая масса. Как одни явления порождают другие. М.: Изд.дом Гелиос. 2013– 522 с.

3. Пригожин И. Философия нестабильности. Вопросы философии. 1991, №6. – С.46 – 57.

4.   Лолаев Т. П. Пространственно-временная структура вселенной и закон ее функционирования. Владикавказ. - СОГУ, 1994.- 189 с.

5. Кудрин Б.И. Три доклада строенной конференции. М.: Электрика, 2002. – 136 с.

6. Кравченко И.И. Бытие и политика.- М.:-ИФРАН- 2001.-259с.

7. Инфельд: Слова о науке. Афоризмы, Изречения. М.: Наука, 1986. – 288 с.

8.    Фролов В.А Функциональное время в гидроэнергетике/Энергетика, управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сб. трудов 6-я ВНТК с международным участием, в 2-х томах. т. 2.Благовещенск : Изд. Амурского университета, 2011. – С. 173 –176.

9. Об электроэнергетике. Закон N 196-ФЗ. (с изм. на 2 августа 2019 года)

10.     Герасименко А.А. Фролов В.А. Определение характерных режимов работы энергосистем. Повышение эффективности ТЭК. - III-я ВНПК и выставка. 14-15 ноября. Красноярск. ИПЦ КГТУ, 2002. – С.187 –188.

11.   Атомное время https:/ /ru.wikipedia.org/ wiki/

12.          ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. – 14 с.

13.Золотарев Т.Л. Гидроэлектроцентраль в электроэнергетических системах. М.-Л. Изд. АН СССР,1939. – 200 с.

14.   Ступин С.А., Фролов В.А., Андрюхов С.В. Коэффициенты графиков нагрузок. Информационно-аналитический сборник ГУ « Красноярскгосэнергонадзор», 2002, № 2. – С.. 47 – 62.

15.    Тихоненков Б.Л., Шаповал А.Ф., Богомолов .В.П.. Энергетические характеристики насосных станций. /Промышленная энергетика,1998, N2. – С 49 – 53.

16.    Об утверждении Правил работы с персоналом в организациях электроэнергетики Российской Федерации ПРИКАЗ Минэнерго РФ от 19 февраля 2000 года N 49.

17.   ГОСТ 18397-86. Выключатели переменного тока на номинальные напряжения 6 - 220 кВ для частых коммутационных операций . Общие технические условия.

18.     СТО 56947007- 29.240.55.111-2011. «Методические   указания    по    оценке    технического состояния ВЛ и остаточного ресурса компонентов ВЛ»

19.    НР 34-00-114-86. Вып.1. Нормы времени на капитальный ремонт и техническое обслуживание воздушных ЛЭП напряжением 35 – 110 кВ.

20.    Портной М.Г., Рабинович Р.С. Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости. – М.: Энергия, 1978. – 352 с.

21.      Совалов С.А., Семёнова С.А. Противоаварийное управление в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат , 1988. – 416 с.

22. МУ 34-70-027-82 РД 34.20.511 «Часть 1. Методические указания по плавке гололеда переменным током».

23.   Михалков А.В. Электрические сети и системы в примерах и задачах. М.: Энергия, 1967. – 160 с.

24.   Общие сведения по ЛЭП в России injgeogis.ru / proektirovanie