Качество системы и определяющие ее свойства

Понятие «надежность» широко используется во всех сферах деятельности человека (наука, техника, медицина и т. д.), что и определяет широту его толкования. Однако практическое решение многих задач, а иногда и выяснение их сути оказывается совершенно невозможным без четкого установления некоторых понятий и соотношений между ними, выделения определенных свойств и их количественного описания. Поэтому изучение надежности целесообразно начать с рассмотрения понятий и характеристик надежности, которые используются в решении задач, возникающих при создании и эксплуатации искусственных технических систем вообще и электроэнергетических в частности.

Под системой понимается совокупность взаимо­связанных устройств, которая предназначена для самостоятельного выполнения заданных функций. К примеру, ЭЭС представляет собой совокупность взаимосвязанных ЭС (например, солнечных батарей), электрических сетей, узлов нагрузок, объединенных процессом производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии для снабжения потребителей.

Отдельные части, на которые можно подразделить систему, представляющие собой законченные устройства, способные самостоятельно выполнять некоторые локальные функции в системе принято называть элементами (например, генераторы, трансформаторы, ЛЭП и т. д.).

Деление системы на элементы — процедура условная и производится на том уровне, на котором удобно ее рассматривать для решения конкретной задачи. Например, можно рассматривать генератор, трансформатор блочных станций как отдельные элементы, но иногда их удобно объединить в один элемент. Условность подразделения системы на элементы состоит еще и в том, что любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. Например, воздушная линия электропередачи (ВЛ) состоит из таких элементов, связанных определенным образом, как гирлянды изоляторов, опоры, фундаменты, провода, тросы, заземлители и т. д.

В связи с этим, рассматривая многие свойства и характеристики элементов и систем, в тех случаях, где нет необходимости подчеркивать свойства, присущие только системам или только элементам, будем говорить об объектах. В качестве объекта могут рассматриваться система, подсистема или элемент.

Объект – это предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытаний на надежность. Объектами могут быть системы и их элементы, в частности технические изделия, устройства, аппараты, приборы, их составные части, отдельные детали и т.д.

Первичным по отношению к понятию «надежность» является понятие «качество».

Качество объекта — совокупность свойств и признаков, определяющих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением, и выражающая его специфику и отличие от других объектов.

Этап применения (эксплуатации) объекта охватывает определенный, как правило, длительный период времени. А под влиянием различных факторов может произойти изменение уровня свойств, определяющих качество объекта и эффективность его функционирования. Т.о., предметом науки о надежности является изучение закономерностей изменения показателей качества объектов во времени и разработка методов, позволяющих с минимальной затратой времени и ресурсов обеспечить необходимую продолжительность и эффективность их работы.

Специфическими особенностями вопросов надежности являются:

— учет фактора времени. Надежность является как бы «динамикой качества», поскольку исследует временное количественное изменение показателей качества, первоначальный уровень которых был заложен при разработке, обеспечен при изготовлении и реализуется при эксплуатации;

— прогностическая ценность результатов. Проблемы надежности связаны, прежде всего, с прогнозированием поведения объекта в будущем, так как простая констатация уровня надежности объекта, уже выработавшего свой ресурс, имеет, вообще говоря, малую ценность. Особенно большое значение имеет прогноз на ранних стадиях жизненного цикла объекта (разработка и изготовление), когда необходимо дать оценку эффективности принятых конструкторских решений и применяемых технологических методов для обеспечения требуемого уровня качества и эффективности применения объекта в предполагаемых условиях эксплуатации, в течение необходимого времени применения.

Следует иметь в виду, что изменение показателей качества объекта во времени может быть абсолютным и относительным.

Абсолютное изменение качества связано с различными повреждающими процессами, воздействующими на объект при эксплуатации и изменяющими свойства и состояние материалов, из которых изготовлен объект или его составные части; за счет этого происходит прогрессивное снижение показателей качества объекта и его физическое старение (физический износ).

Относительное изменение качества объекта связано с появлением новых аналогичных объектов с более совершенными характеристиками, в связи с чем, показатели данного объекта становятся ниже среднего уровня в совокупности объектов аналогичного целевого назначения, хотя в абсолютных значениях они могут не изменяться (моральный износ).

Наука о надежности изучает только абсолютное изменение показателей качества объектов, связанное с протеканием различных повреждающих процессов.

К определяющим качество свойствам технической системы наиболее часто относят надёжность, экономичность и безопасность, а при определённых требованиях к системе – также живучесть.

Итак, в соответствии с ГОСТ 27.002-89 [18] надежность трактуется следующим образом.

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Как видно из определения, надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его пребывания может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенное сочетание этих свойств.

Общей характеристикой показателей надёжности является то, что они имеют вероятностную природу и характеризуют вероятность наступления определённого события или выполнения заданных требований. Возможны оценки надёжности средним значением контролируемой случайной величины (СВ), дополненным доверительными границами.

Показатель надежности– это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.Показателем надежности принято называть признак, по которому оценивается надежность элемента, а характеристикой надежности — количественное значение этого показателя для этого элемента.

Нормируемый показатель надежности – это показатель, значение которого регламентировано НТД и (или) конструкторской (проектной) документацией на объект.

Отечественный и зарубежный опыт решения задач по оценке надёжности систем электроэнергетики [2, 11, 17] показывает, что показатели надёжности в общем случае образуют три группы.

Первая группа – это вероятность какого-либо события, например, отказа.

Вторая группа – это интенсивность событий, например, число отказов в единицу времени.

Третья группа – это средняя продолжительность события (математическое ожидание), например, средняя продолжительность времени между отказами, средняя продолжительность времени восстановления после отказа.

В практике получило применение задание пороговых значений показателей надёжности, выполняющих роль нормативных требований. Нормативные требования принимаются соглашением с соответствующими обоснованиями и зависят от достигнутого в данный момент времени технического прогресса в области используемых технологий и оборудования, уровня организации эксплуатации и других факторов, и с течением времени должны пересматриваться.

Другим важным свойством является экономичность, которая характеризуется показателями использования средств, вкладываемых в объект. Такими показателями экономичности могут быть себестоимость оказываемых услуг по передаче единицы энергии, прибыль, рентабельность и другие, а для оценки решений по развитию электрической сети – чистый дисконтированный доход, индекс доходности, внутренняя норма доходности и другие.

В последнее время всё большую значимость приобретает свойство безопасности технических систем.

Безопасность — это способность системы функционировать, не переходя в критические состояния, угрожающие здоровью и жизни людей, окружающей среде, другим техническим системам, или наносящие другой ущерб в больших масштабах.

В проблеме безопасности сложных технических комплексов следует выделить два направления. Первое из них относится к их нормальной повседневной эксплуатации. Неизбежные техногенные воздействия на человека и природную среду, а также отходы производства выдвигают ряд практических задач по охране труда и экологичности используемых технологий. Второе направление связано с технологическими нарушениями и получило название промышленная безопасность.

Под промышленной безопасностью технического объекта (системы)понимается его способность обеспечить защиту человека, природной среды и собственности от опасных воздействий, возникающих при авариях и инцидентах на этом объекте.

Если при анализе надёжности основное внимание уделяется изменению состояния исследуемого объекта, например, нарушению способности выполнять свои функции из-за произошедшего технологического нарушения, то при изучении промышленной безопасности выявляются причинно-следственные связи возникновения аварий и других нарушений с их последствиями (социальными, экологическими, экономическими). Показателями промышленной безопасности являются риски последствий от аварий и инцидентов, которые показывают меру опасности неблагоприятных последствий от нарушений за определённый период времени и включают в себя частоту событий и последствия от них.

Оценки надёжности, экономичности и безопасности дают достаточно полное представление о качестве (эффективности) функционирования технического объекта (системы) в определённых условиях эксплуатации – нормальных условиях. Однако, при эксплуатации электрической сети, хотя и редко, возможны опасные воздействия на элементы сети, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации и приводящие к чрезвычайным ситуациям. В качестве примера можно привести известные случаи массового повреждения ВЛ на обширной территории из-за воздействий гололёдно-ветровых нагрузок на провода и конструкции опор, превосходящих проектные. Высока вероятность террористических актов и случаев вандализма против объектов электроэнергетики, нельзя исключить из рассмотрения военные конфликты и действия.

Во всех указанных случаях речь идёт о живучести технического объекта (системы) в «широком» смысле –способности объекта полностью или в ограниченном объёме выполнять свои функции при воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, а при полной или частичной утрате работоспособности – восстанавливать её за допустимое время.

В электроэнергетике имеет место понятие живучести объекта в «узком» смысле – свойство объекта противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей на длительное время.

Показатели живучести имеют вероятностный характер и отражают риск возникновения чрезвычайной ситуации, оценки времени восстановления и другие.

Поэтому современные количественные теории надежности и живучести в основном базируются на вероятностных моделях, для которых обязательным условием является устойчивость частот таких массовых событий, как отказ. А количественная мера безопасности, пригодная для практического применения относительно отдельных объектов, пока отсутствует, так как безопасность не имеет устойчивых частот даже для инициируемых событий (ошибки персонала, внешние воздействия и пр.).

Отсутствие объективной информации привело к созданию теории нечетких множеств как своеобразного инструмента для формализованного описания и преобразования качественных и субъективных экспертных оценок [13].

В целях инженерных расчетов по оценке надежности отдельного оборудования, станций и подстанций в целом ограничиваются рассмотрением устойчивых процессов, связанных с отказами устройств и схем электрических соединений.

Все перечисленные свойства сложных технических комплексов, определяющие качество их функционирования, должны учитываться при принятии решения на управляющие воздействия в задачах управления. Концентрация внимания, например, только на показателях экономичности, не гарантирует соблюдения допустимых уровней социальной и экологической безопасности или выполнения договорных обязательств по надёжности энергоснабжения потребителей. В свою очередь, надёжная электрическая сеть в части выполнения требуемых функций может быть не экономичной и не соответствовать требованиям безопасности.