Аварийные ситуации систем электроснабжения, возникающие вследствие влияния гелиогеофизических и космических факторов

Аварийные ситуации систем электроснабжения, возникающие вследствие влияния гелиогеофизических и космических факторов

АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ВСЛЕДСТВИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ И КОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) МЧС России, Москва

Аварийные ситуации в электрических сетях (АСЭС) являются катастрофами синергетического или каскадного типа и происходят по многим причинам природного и техногенного характера включая влияние человеческого фактора. В данном исследовании принимается, что АСЭС − это нарушение электроснабжения, связанное с любой причиной, как то аварии с электрооборудованием, повреждение электрических линий или ошибка оператора.

Для проведения аналитического исследования аварий в электрических сетях принимаются следующих гипотезы.

Все процессы и явления любой физической природы в окружающем систему пространстве и в самой системе имеют энергетический эквивалент, едины во времени и локальны (идентичны) в пространстве и прямо или косвенно (опосредованно) взаимосвязаны.

Катастрофа не возникает сразу, а имеет специфический период подготовки и является следствием длительного взаимодействия внешних влияющих факторов и внутренних системных процессов.

Катастрофа системы – это нарушение устойчивого равновесия, которое происходит при изменении энергетических характеристик системы, что соответствует экстремальным изменениям внешних влияющих факторов и внутренних переходных процессов.

Аналитическая модель АСЭС (рис.1) в общем виде раскрывает механизм подготовки и развития катастрофы и является основой для определения частотно-временных закономерностей влияния того или иного фактора на возникновение АСЭС.

Разработана методика[1] и исследовано влияние изменения гелиогеофизических и космических факторов на возникновение аварий на объектах и в сетях электроснабжения. В данном исследовании принято, что условием возникновения аварий являются экстремумы переходных процессов изменения этих факторов[2], создающих переменные энергетические нагрузки на окружающую среду и соответственно на объекты и сети электроснабжения, находящиеся или непосредственно взаимодействующие с этой средой. Изменение солнечной активности, что соответствует изменению количества пятен, или чисел Вольфа, вызывает изменение электрических параметров ионосферы и атмосферы Земли. Смещение и неравномерное изменение положения земной оси вызывает дополнительные механические напряжения и деформации литосферы и как следствие теллурические электрические токи и напряжения. Аналогично влияние изменения фаз Луны, которое, вследствие гравитационного взаимодействия в системе Солнце – Земля – Луна, активизирует электрические процессы и явления в литосфере.

Анализ влияния гелиогеофизических факторов проводился на основе статистики имевших место аварий по следующей математической модели:

ΔTn = Tn – T0. (1)

Здесь ΔTn – интервал времени между временем экстремального изменения влияющего фактора и временем аварии; T0 – время экстремального изменения влияющего фактора; Tn – время аварии; n – ее статистический учетный номер.

Рис. 1. Аналитическая модель аварий в электрических сетях и мониторинг их подготовки (рамкой выделены факторы, влияние которых исследовано в этой работе)

За время экстремального изменения влияющего фактора принимается время экстремального значения гелиогеофизического параметра: увеличение или уменьшение количества солнечных пятен или линейных параметров сдвига земной оси. Как показали исследования, на возникновение аварий влияет как повышение солнечной активности, так и её уменьшение. То же относится и к ускорению или торможению смещения земной оси.

Набор вычисленных по формуле (1) интервалов времени ΔTn распределяется в порядке возрастания величин. Суммарное количество аварий, попавших в последовательный суточный интервал времени, позволяет построить гистограмму их распределения от момента изменения влияющего фактора. С помощью этой модели определяется интервал между временем экстремального изменения влияющего фактора и временем аварии и интегральный частотно-временной спектр учтенных аварий. В дальнейшем эта гистограмма может быть интерполирована или преобразована с помощью сплайн-функций в непрерывные дифференцируемые частотно-временные спектры или функции Ts (x), где х − текущее время (ч, сут) после экстремума влияющего фактора.

Влияние изменения фаз Луны и соответствующий циклический частотно временной спектр TL (x) продолжительностью 29, 53 сут определяется по суммарному количеству аварий, возникающих в каждые сутки от новолуния до новолуния.

Определены математические закономерности и частотно-временные спектры возникновения аварий объектов и сетей электроснабжения, возникающих вследствие изменения солнечной активности (рис. 2), а также положения земной оси (рис. 3) и фаз Луны (рис. 4). Так как при расчете частотно-временных закономерностей использовалась статистика АСЭС всего Северного полушария, то они являются глобальными. Для локализации прогноза ожидаемой аварии необходимо учитывать соответствующую региональную статистику аварий.

Рис. 2. Частотно-временной спектр возникновения аварий в электросетях Северного полушария вследствие изменения солнечной активности

Рис. 3. Частотно-временной спектр возникновения аварий в электросетях Северного полушария вследствие изменения положения земной оси

Рис. 4. Частотно-временной спектр возникновения аварий в электросетях вследствие изменения фаз Луны после новолуния

Основной гипотезой наличия спектральных закономерностей возникновения АСЭС являются экстремальные изменения внешних влияющих факторов и внутренних переходных процессов в системах электроснабжения, а также проявление эффекта возврата колебательной активности Ферма-Паста-Улама (Ф-П-У) в системе атмосфера - система электроснабжения - литосфера, являющейся сложным осциллятором с нелинейными связями.

Предлагаемый подход определения аналитических частотно-временных закономерностей возникновения аварий может быть использован для решения задачи прогнозирования АСЭС, и точность прогноза может составлять от суток до часов. На основе полученных спектров могут быть рассчитаны прогностические функции, определяющие время возникновения условий и процессов, способствующих активизации АСЭС и появляющиеся вследствие совместного влияния космических и гелиогеофизических факторов. Для расчета прогностической функции необходимо суммировать функции частотно временных спектров, рассчитанных по изменениям гелиогеофизических факторов и влияния изменения фаз Луны:

Tprognoz (x) = TL(x - l) + S Tggf (x - ai). (2)

Здесь Tprognoz(x) – прогностическая функция влияния изменения космических и гелиогеофизических факторов в текущем масштабе времени; TL(x-l) – частотно временной спектр влияния изменения лунных фаз; STggf(x-ai) – суммарная прогностическая функция влияния гелиогеофизических факторов, рассчитанная как сумма частотно−временных спектров влияния солнечной активности и смещения земной оси; l – дата новолуния; аi – дата экстремального изменения соответствующего гелиогеофизического фактора; х – текущее время.

Дальнодействие прогностических функций составляет по влиянию гелиогеофизических факторов 20 – 90 дней, и её необходимо ежесуточно корректировать по мере изменения гелиогеофизических параметров. Влияние изменения фаз Луны является циклической функцией и может быть учтено сразу на много лет вперед. На рис.5 представлены расчетные прогностические функции влияния космических и гелиогеофизических факторов на 2008 год.

Прогностические функции могут быть использованы для прогноза аварийности в системах электроснабжения и проведения предупредительных и профилактических мероприятий. В таблице даны расчетные даты возникновения крупных аварий в электрических сетях Северного полушария на конец 2008 и в 2009 гг. по данным на 1 октября 2008 г. Особенностью расчета ожидаемых АСЭС является то, что необходимо ежесуточное уточнение расчетных дат, связанное с влиянием текущего изменения гелиогеофизических факторов. На период после 1 октября 2008 г. в данном расчете учитывается только влияние изменения фаз Луны. Учет влияния изменения солнечной активности и смещения земной оси по данным текущего ежесуточного мониторинга даст дополнительные пики и соответственно даты активизации АСЭС.

Рис. 5. Прогностические функции возникновения аварий в электросетях Северного полушария вследствие изменения космических и гелиогеофизических факторов в 2009 году (расчет сделан по данным на 1 октября 2008 г.)

Таблица. Расчетные даты проявления условий, способствующих возникновению крупных аварий в электрических сетях Северного полушария в 2009 г. (по данным на 1 октября 2008 г. без учета влияния текущего изменения гелиогеофизических факторов)

Год	Месяц	День
2008	Ноябрь	10-11, 12, 14, 18, 20-21, 25, 27, 30
2008	Декабрь	4, 7, 10, 12, 14, 17-18, 20, 25, 27, 30
2009	Январь	3, 6, 9, 11, 13, 16-17, 19, 23-24, 27, 28, 31
2009	Февраль	3, 6-7, 9, 11, 14, 16-17, 21, 24, 26-27
2009	Март	2-3, 5, 8, 10-11, 12-13, 16, 18-19, 23, 25
2009	Апрель	1, 4, 7, 9, 11, 14-15, 17, 21-22, 24, 27, 30
2009	Май	3, 6, 9, 10, 13-14, 16-17, 21, 23-24, 26, 29-30
2009	Июнь	2, 5, 7, 12-13, 15, 19-20, 22, 24, 28
2009	Июль	1, 4, 6, 8, 12, 14, 19, 21, 24, 27, 30
2009	Август	2, 4, 6, 10, 12-13, 17, 19-20, 22, 25-26, 28-29
2009	Сентябрь	1, 2-3, 5, 9, 10-11, 15-16, 17-18, 20, 24, 27, 30
2009	Октябрь	2, 4, 8, 10, 15, 17, 19-20, 23-24, 26, 29-30, 31
2009	Ноябрь	2, 6, 9, 13, 16, 18, 22, 25, 28, 30
2009	Декабрь	2, 6, 8, 13, 15, 18, 22, 24, 28, 30, 31
2010	Январь	4-5, 7, 12, 14, 17

Для локального прогнозирования места и объекта АСЭС результаты расчета прогностических функций необходимо совмещать с данными мониторинга гелиогеофизических параметров окружающей среды и параметров внутренних процессов в системе и на объектах электроснабжения, для которых делается прогноз.

[1] Bayda S. E. New principles of the short-term forecast of time and place of occurrence of mega-catastrophes// Proceedings of the International Disaster Reduction Conference, Davos, Switzerland, August 27th – September 1th. Extended abstracts, Birmensdorf and Davos, Switzerland, 2006. V. 2. P. 62−65.

[2] О некоторых подходах в прогнозировании времени и места катастроф. Проблемы прогнозирования ЧС// Докл. и выступления V н-п конф. 15-16 ноя. 2005 г. М.: МТП-инвест, 2006. С.295-305.