Методическое и программное обеспечение экологической безопасности воздушных линий электропередачи разного класса напряжения

В настоящее время общая протяженность воздушных линий электропередачи напряжением 6110 кВ в России составляет более 3 млн . км .

Неуклонный рост энергопотребления влечет за собой увеличение плотности размещения магистральных и распределительных сетей . Расширение воздушных электрических сетей сопряжено с возрастающим многофакторным разнонаправленным взаимодействием агрессивной техногенной среды , окружающей природы и человека . Результатами такого взаимодействия являются биоповреждения воздушной электрической сети и ее биоцидное действие на человека и природу .

Воздушные линии электропередачи , образующие в районах интенсивного хозяйственного освоения густые сети , до сих пор не стали традиционным объектом экологической экспертизы . Их многофакторное влияние на окружающую среду изучено недостаточно . В лучшем случае оценка производится лишь на локальном местном уровне и только по узко ограниченному набору параметров ( медицинский аспект , отчуждение территории ) [1].

Оптимальным следует считать проведение экологической экспертизы при эксплуатации и строительстве воздушных ЛЭП .

Учитывая вышеизложенное , вопросы , связанные с обеспечением экологической безопасности воздушных электрических сетей , являются актуальными и требуют глубокого изучения .

На сегодняшний день в мире идет интенсивная разработка " индексов устойчивости ", способных отображать в показателях , доступных практике , состояние окружающей среды , характеризовать допустимость увеличения техногенной нагрузки на окружающую среду . Однако поставленная на Конгрессе в Рио - де - Ж анейро (1992 г .) задача перехода стран мира к " устойчивому развитию " до сих пор существует , как политическая метафора и не обеспечена готовыми теоретическими разработками [2].

Экологическая оценка воздушных линий электропередачи при проектировании , строительстве и эксплуатации – сложная научная задача , решение которой требует объединения усилий специалистов электроэнергетического профиля , охраны окружающей среды и ряда других .

Решением данной задачи может являться принципиально новый способ экологической оценки биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа , разработанный на кафедрах « Электроснабжение » и « Безопасность жизнедеятельности на производстве » ФГБОУ ВПО ОрелГАУ [3,4].

Разработка способа осуществлялась в рамках целевой комплексной областной программы « Энергосбережение в агропромышленном комплексе , сфере экологии и природопользования ». Полученный авторами результат ( разработанные методика и программное обеспечение ) в настоящее время представлены на областной конкурс на лучшую научно - исследовательскую работу молодых ученых .

Для оценки экологической безопасности биотехнической системы авторы предлагают использовать метод , применяемый ( причем не очень широко ) в социологии и практически не знакомый специалистам , связанным с техникой [5].

Формально метод базируется на графическом изображении причинных зависимостей между переменными с помощью потоковых графов . Эти графы – наглядное выражение систем структурных уравнений , легко воспринимаются на инженерном уровне и образуют мостик между вербальными и абстрактными математическими построениями . На потоковых графах могут иметься цепочки связей , циклы и петли обратных связей , вызываемых влиянием переменной на само себя через промежуточные переменные .

Переходя от слов к делу , представим потоковый граф , наглядно отражающий взаимосвязи в замкнутой биотехнической системе ЛЭП - Человек - Природа ( рис . 1).

Рисунок 1 – Потоковый граф взаимосвязей в замкнутой биотехнической системе ЛЭП - Человек - Природа

Представленный граф отражает степени взаимного влияния пяти элементов : ЛЭП , санитарной зоны , флоры , фауны , человека . При детальном рассмотрении представленного графа следует , что в него входят 10 циклов , образованных двумя вершинами ( Θ 2.1- Θ 2.10), 20 циклов , образованных тремя вершинами ( Θ 3.1- Θ 3.20), 30 циклов , образованных четырьмя вершинами ( Θ 4.1- Θ 4.30) и 24 цикла , образованных пятью вершинами ( Θ 5.1- Θ 5.24).

Таким образом , имеются следующие эффекты влияния отдельных циклов : Θ 2.1- Θ 2.10, Θ 3.1- Θ 3.20, Θ 4.1- Θ 4.30, Θ 5.1- Θ 5.24. Выражая совместное влияние указанных циклов , получим :

Θ =1/(1- ( Θ 2.1- Θ 2.10) – ( Θ 3.1- Θ 3.20) – ( Θ 4.1- Θ 4.30) – ( Θ 5.1- Θ 5.24) (1)

На основании вышеизложенного , для рассматриваемой замкнутой биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа можно выразить степень воздействия отдельных элементов друг на друга . Например , на линию электропередачи (L) воздействуют элементы : человек ( Н ), санитарная зона (S), флора (F), фауна (G).

H1 + H 2 S1 + H 3 G1 + H4

10            20            3024

1 - Z ©2i - Z ©3i - Z ©4i - Z i=1               i=1               i=1

L ^ S =

S 1 + S 2 H 1 + S 3 G 1 + S 4 F 1

10           20          30           24

1 - Z ©2i - Z ©3 i - Z ©4 i - Z ©5 i i=1                i=1               i=1                i=1

L ^ F =

F 1 + F 2 S 1 + F 3 H 1 + F 4 G1

10            20            30            24

1 - Z ©2i - Z ©3 i - Z ©4 i - Z ©5 i i=1                i=1               i =1                i=1

L ^ G =

G 1 + G 2 S 1 + G 3 H 1 + G 4 F 1

10            20            30            24

1 - Z ©2i - Z ©3 i - Z ©4i - Z ©5 i i =1                i=1               i=1                i=1

Полное воздействие замкнутой биотехнической системы (HSFG) на линию электропередачи (L) определяется по формуле :

L ^ HSFG =

S 1(1 + H 2 + F 2 + G 2) + H 1(1 + S 2 + F 3 + G 3) + F 1(1 + H 4 + S 4 + G 4) + G 1(1 + H 3 + S 3 + F 4)

1 - Z 0 2 , - Z 0 3 , - Z 0 4 , - Z 0 5 , i = 1              i = 1              i = 1              i = 1

Обратная задача – установление воздействия некоторого элемента на всю замкнутую биотехническую систему (LSFG) – решается суммированием всех влияний этого элемента на остальные элементы .

Например , влияние человека (H) на замкнутую биотехническую систему « ЛЭП - Человек - Природа » определяется выражением :

LSFG ^ H =

H 1 + H 2 + H 3 + H 4

10           20           30           24

1 - Z © 2 i - Z © 3 i - Z © 4 i - Z © 5 i i = 1               i = 1               i = 1               i = 1

Теперь рассмотрим вопрос , как определить степени влияния на систему параметров F1-F4, G1-G4, H1-H4, S1-S4, L1-L4.

Получить их статически невозможно , поскольку набрать такие данные , непрерывно наблюдая за биотехнической системой не реально . Необходимо анализировать степень влияния , исходя из некоторых физических и логических предпосылок , которые можно рассматривать как

экспериментальные данные . При этом нужны количественные оценки , т . е . необходим подход для упорядочения экспериментальных описаний . В качестве такого подхода предлагается использовать лингвистические переменные , базирующиеся на определении терминов для лингвистических переменных , например степени влияния , величины влияния и т . п ., приведенных в работе Ostergaard J.[6]. Функции принадлежности предлагаемых лингвистических терминов приведены в таблице 1.

Функции принадлежности устанавливаются для непрерывных значений переменных , на практике можно пользоваться их точечными оценками : средними величинами , дисперсиями , медианами и т . п . В таблице 2 приведены значения мод , математических ожиданий и среднеквадратичных отклонений , соответствующих функциям принадлежности , приведенным в таблице 1.

При анализе экологической безопасности , использование величин , приведенных в таблице 2, позволяет оценивать экологичность биотехнической системы непосредственно на основе лингвистических терминов . Зная степени влияния отдельных элементов друг на друга и их влияние на систему , несложно оценить степень экологической безопасности этой системы , а использование теории нечетких множеств , вероятностей и других позволяет получать результаты с четко определенной величиной достоверности .

Таблица 1 – Функции принадлежности предлагаемых лингвистических терминов

Лингвистический термин

Выражения для функции принадлежности

Лингвистический термин

Выражения для функции принадлежности

Весьма положительное

1 - exp

-

■

( 0,25 J V 1 - x J

2,5

Нейтральное

1 - exp

_ ( 0,25 J 2 V | x | J

5 1

Положительное

1 - exp

-

■

( J

0,25 0,75 - x

2,5 J 7

1

По крайней мере отрицательное

1 - exp если 0

- < x

0,25 - 0,1 + 4 1

2,5 " 7

,

Довольно

1 - exp

(

0,25

J 2,5 "

Вроде бы

1 - exp

"

(

0,25

2,5

1

положительное

L

V

0,5 - x

J .

отрицательное

.

V

- 0,25 - x

JJ 7

Вроде бы

1 - exp

(

0,25

2,5

-

Довольно

1 - exp

0,25 '

2' "

положительное

J

0,25 - x

J

.

отрицательное

L

J- 0,5 - x y

1 J

1 - exp

(

0,25

J 2,5 "

Отрицательное

1 - exp

(

0,25

J 2’5

1

По крайней мере положительное

V

0,1 - x.

7

,

.

V

- 0,75 - x

если1 <  x <  0 1 - x , еслиО <  x <  1 1 + x , если - 1 <  x <  1

Весьма отрицательное

1 - exp

- L

(J V н 1 - x J

2,5

Таблица 2 – Значения мод , математических ожиданий и среднеквадратичных отклонений , соответствующих функциям принадлежности

Лингвистический термин	E(x)	G(x)	Мода
Весьма положительное	0,64	0,24	1,0
Положительное	0,55	0,30	0,75
Довольно положительное	0,44	0,35	0,5
Вроде бы положительное	0,23	0,37	0,25
По крайней мере положительное	0,13	0,37	0,1
Нейтральное	0,00	0,44	0,00
По крайней мере отрицательное	-0,13	0,44	-0,1
Вроде бы отрицательное	-0,23	0,37	-0,25
Довольно отрицательное	-0,44	0,35	-0,5
Отрицательное	-0,55	0,3	-0,75
Весьма отрицательное	-0,64	0,24	-1,0

Степени влияния отдельных элементов биотехнической системы друг на друга оцениваются комплексным , разнонаправленным воздействием наиболее значимых факторов . Выбор фактора и коэффициента весомости , являющегося численным выражением его значимости будет находиться в компетенции ведущих специалистов – экспертов [7].

При проведении экологической экспертизы биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа , согласно разработанной методики , эксперту будет необходимо оперативно обрабатывать большой объем информации . Для того , чтобы интенсифицировать процесс проведения экологической экспертизы было разработано программное обеспечение «ECOLOGY-EXPERTS» (for system Power line – Human – Nature), которое зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ ФИПС Роспатент РФ [8].

В основе работы компьютерной программы заложены математические модели , позволяющие оценивать влияние каждого из элементов биотехнической системы друг на друга и на всю систему в целом , а также оценивать влияние всей системы на любой из ее элементов .

Программное обеспечение реализовано в среде Delphi и представляется в виде файла в формате *.exe ( исполняемая программа DOS Windows). Разработанная программа не требует инсталляции . Минимальные требования к вычислительной технике : Pentium II (266 МГц и выше ) с объемом оперативной памяти 64 Мб и выше , ОС - Windows 98 и выше .

Стартовое окно программы «ECOLOGY-EXPERTS» (for system Power line–Human–Nature) - экологическая экспертиза биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа при запуске автоматически отображает краткую информацию о программном обеспечении и ее разработчиках ( рис . 2).

Рисунок 2 – Стартовое окно программного обеспечения «ECOLOGY-EXPERTS»

Программа реализует следующие возможности :

• -    ввод индивидуальных данных пользователя программы - эксперта : ФИО , организация , должность , стаж работы ;

• -    ввод индивидуальных данных объекта экспертизы : наименование питающей станции ( подстанции ), номер отходящей линии , оцениваемый участок , название населенного пункта ;

• -    интерактивное представление модели потокового графа взаимосвязей замкнутой биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа , наглядно отображающего выбор текущего влияния одного элемента на другой ;

• -    выбор лингвистического термина для оценки степени влияния одного из элементов биотехнической системы ЛЭП - Человек - Природа на любой другой элемент ;

• -    расчет степени влияния каждого из элементов системы друг на друга и на всю систему в целом , а также расчета полного влияния системы на любой из ее элементов с последующим выводом результатов расчета на экран ;

• -    легкий и быстрый сброс данных ;

• -    сохранение отчета на жестком диске в виде отдельного файла , в котором содержатся индивидуальные данные пользователя - эксперта , объекта экспертизы , а также результаты проведенного расчета .

Разработанное программное обеспечение официально внедрено на предприятиях Орловской области ( НИПИ ГРАДОАГРОЭКОПРОМ , ЧОУ « Орловский учебный комбинат », ОАО « Орелоблэнерго »), а также Тамбовской области ( ОАО « Рематра », ОАО « Завод низковольтной аппаратуры »), что подтверждается соответствующими актами о внедрении .