Dinamičko modelovanje i simulacija preventivnih eksploatacionih aktivnosti u analizama pouzdanosti električne opreme

Abstract

Predmet disertacije je modelovanje i simulacija ponašanja električne opreme tokom planskog eksploatacionog perioda radi razvoja modela za dinamički proračun pokazatelja pouzdanosti i tehničko - ekonomsku procenu efekata pojedinih vidova i mera u sklopu preventivnog održavanja. Ustanovljeno je da je učestanost kvarova veoma niska za većinu električne opreme tokom prvih 10 - 20 godina pogona, a da ona raste tokom kasnijeg perioda eksploatacije. Zbog toga se preventivne aktivnosti planiraju za svaku godinu pojedinačno. Polazna osnova ove disertacije je reprezentativna međunarodna statistika o kvarovima na električnoj opremi. Sve analize su urađene za energetski transformator na pragu distributivne mreže, čija pouzdanost je od posebnog značaja za neprekidnost napajanja potrošača električnom energijom. Transformator je „razložen“ na funkcionalne celine, a pouzdanost svake od njih je modelovana mešavinom eksponencijalne i Weibull-ove raspodele. Takođe, zavisno od stepena oštećenja, definisane su tri kategorije kvarova, shodno vremenu koje je potrebno za njihovo otklanjanje. Za stvarne vrednosti parametara opreme, sprovođenja aktivnosti i isporučene električne energije, primenom razvijenog modela ustanovljeni su trenuci i obim aktivnosti i mera koje su opravdane za primenu na svakoj komponenti energetskog transformatora. Potvrđeno je da se može postići naizgled kontradiktoran efekat, da se smanje troškovi preventivnog održavanja, a da pri tome dođe do povišenja nivoa raspoloživosti. Osim konvencionalnih mera preventivnog održavanja, analiziran je uticaj ugradnje sistema za kontinualni nadzor, nabavka rezervne opreme i sprovođenje revitalizacije energetskog transformatora. Analiza kombinovane primene mera i aktivnosti pokazuje da se nabavka najskupljih elemenata u potpunosti može izbeći, dok se neke mogu primeniti u kasnijem periodu eksploatacije, omogućavajući maksimalno sniženje eksploatacionih troškova i produženje životnog veka postojeće opreme. Radi potpunosti modela, prikazan je značaj različitih vrsta simulacija u analizama pouzdanosti sistema. Kao najčešće korišćena, opisana je sekvencijalna Monte Carlo simulacija kojom se simulira nastanak kvarova električne opreme i dat je model uticaja ekstremnih vremenskih prilika na održavanje opreme koja je instalisana na otvorenom prostoru. Primenom softverskog alata Vensim PLE razvijen je model preventivnih eksploatacionih aktivnosti dinamičkih sistema. Metoda za simulaciju dinamičkih sistema (System Dynamics Simulation - SDS) je primenjena na formiranje modela opšteg sistema održavanja korišćenjem dijagrama uzročnih petlji i dijagrama tokova. Izvršeno je modelovanje i simulacija minimalnih i maksimalnih troškova održavanja energetskog transformatora. Predloženi model za dinamičku analizu preventivnih aktivnosti energetskog transformatora je softverski realizovan u programskom jeziku Java.

The subject of the thesis is modeling and simulation of electrical equipment during the planned exploitation period aimed to develop dynamic model for reliability analysis and technical and economic assessment of preventive maintenance effects. Very low frequency of failures for most of electrical equipment was established in the first 10–20 years of exploitation as well as an increase in failure occurrence over the later period. Therefore, prevention activities are planned annually. The starting point of this thesis is the representative international statistics of electrical equipment failures. All analyses were done for the power transformer at the boundary of the distribution network, whose reliability is very important for continuous electricity supply. Transformer is ‘decomposed’ to functional units, and the reliability of each unit was modelled with mixture of exponential and Weibull’s distribution. Also, depending on the damage degree, three categories of failures were established, based on time required for their removal. Time of performance and scope of activities as well as measures reasonable apply to each component of the power transformer were specified in terms of actual cost of the equipment, the implementation of activities and electricity supply using the developed model. It has been confirmed that seemingly contradictory effects can be produced, i.e. costs of preventive maintenance will be reduced and availability increased. In addition to conventional measures of preventive maintenance, the influence of installing continuous monitoring system, spare parts supply and revitalisation of the power transformer were analysed. The analysis of the combined application of measures and activities shows that the supply of the most expensive elements can be avoided, while some can be used in the later period of exploitation, which enables maximum reduction in maintenance costs and lifetime extension of the existing equipment. The importance of different types of simulations in the system reliability analysis has been shown here. Most commonly employed Sequential Monte Carlo simulation, used to simulate the occurrence of electrical equipment failures, as well as the model of the impact of extreme weather on maintenance of the equipment installed outside are showed in the thesis. The dynamic system model for preventive maintenance activities was developed by using Vensim PLE software tools. Sytem Dynamic Simulation (SDS) method was applied to model general system maintenance using causal loop diagrams and flow charts. Modeling and simulation of minimum and maximum maintenance costs of the power transformer was performed. The software for the proposed dynamic model analysis of activities relative to preventive maintenance of the power transformer was developed using the Java programming language.