НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
Буткевич Олександр Федотович
УДК 621.311 : 681.3
ІНТЕЛЕКТУАЛІЗАЦІЯ СИСТЕМ ДИСПЕТЧЕРСЬКОГО
УПРАВЛІННЯ ТЕРИТОРІАЛЬНО-РОЗПОДІЛЕНИМИ
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИМИ ОБ'ЄКТАМИ
Спеціальність 05.14.02 – “Електричні станції, мережі і системи”
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано у відділі № 9 – моделювання електроенергетичних об'єктів – Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.
Науковий консультант – доктор технічних наук, професор,
член-кор. НАН України Кириленко Олександр
Васильович, Інститут електродинаміки НАН
України, заступник директора з наукової роботи.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
академік НАН України Кулик Михайло
Миколайович, Інститут загальної енергетики
НАН України, м. Київ, директор;
доктор технічних наук, професор Зорін Владлен
Володимирович, Національний технічний
університет України “КПІ”, Інститут
енергозбереження і енергоменеджменту МОН
України, професор кафедри електропостачання;
доктор технічних наук, старший науковий
співробітник Тисленко Віктор Васильович,
Державний технологічний університет МОН
України, м. Чернігів, завідувач кафедри
електротехніки і автоматики.
Провідна установа : Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН
України, відділ спеціалізованих засобів моделювання, м. Київ.
Захист дисертації відбудеться 9 жовтня 2001 р. о 14-00 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ – 57, пр. Перемоги, 56, тел.: 446-91-15.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України ( м. Київ – 57, пр. Перемоги, 56 ).
Автореферат розіслано “ 28 ” серпня 2001 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради О.І. Титко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Автоматизація диспетчерського управління (ДУ) територіально-розподіленими електроенергетичними об'єктами – ТРЕЕО [розуміючи під ТРЕЕО електроенергетичні об'єкти (ЕЕО) різного рівня інтеграції і ієрархії управління, структуру яких можна зобразити у вигляді мереж] – це процес, розвиток якого зумовлений як змінами умов функціонування ТРЕЕО, змінами самих ТРЕЕО, так і можливістю використання для вдосконалення ДУ досягнень, що мають місце в інших галузях науки і техніки. Автоматизована система диспетчерського управління (АСДУ) об'єднаною енергосистемою (ОЕС) України у своєму розвитку пройшла кілька етапів. При цьому кожна нова черга АСДУ, крім змін у складі комплексів технічних засобів (КТЗ), відрізнялася від попередньої також і складом задач, що розв'язувалися, зміною постановок окремих задач, зумовлених як новими можливостями одержання і обробки інформації, так і змінами, що відбувалися в об'єкті управління і умовах його функціонування. Зазначені зміни призводили до морального старіння окремих засобів прикладного програмного забезпечення (ППЗ) розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, що знаходилися в експлуатації. Через моральне старіння засобів ППЗ виникає потреба в їхній модернізації або ж у розробці нових засобів. Існуючі технології, що їх застосовують для розробки або модернізації ППЗ, пов'язані з необхідністю програмування і здебільшого призводять до відносно великих матеріальних витрат у загальній сумарній вартості апаратно-програмних КТЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО (за різними оцінками фахівців витрати на розробку ППЗ вдвічі і більше разів перевищують витрати на апаратурні засоби відповідних комплексів). Різні затримки з розробкою і використанням більш досконалих засобів ППЗ і вимушене використання тих, що вже не враховують нових моделей, нових критеріїв функціонування, призводять до певної втрати адекватності результатів математичного моделювання планових і ефективності ведення поточних режимів ТРЕЕО. У кінцевому підсумку використання традиційного підходу до зазначеного генезису ППЗ пов'язане з істотними матеріальними витратами.
Сучасний аспект забезпечення ефективності управління в електроенергетиці безпосередньо пов'язаний з її інформатизацією та інтелектуалізацією, розуміючи під цим, перш за все, використання для управління досягнень в області інформаційних технологій, що охоплюють цифрову обробку і передачу даних, програмування, штучний інтелект. Проблему інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО України за існуючих умов слід розглядати в аспекті багатогранної проблеми інформатизації електроенергетики. Інформатизація – це найбільш перспективний і найменш витратний шлях удосконалення системи управління електроенергетичним виробництвом, який не потребує значних інвестицій (у порівнянні з іншими шляхами), але дозволяє якісно вплинути на можливості розв'язання технологічних задач і, як наслідок, – на надійність і ефективність електроенергетичного виробництва.
Існуючий рівень інформатизації електроенергетики України, на жаль, не дозволяє визнати його задовільним: здебільшого не забезпечується спостережуваність об'єктів управління, особливо це стосується ТРЕЕО нижніх рівнів ієрархії ДУ – електричних мереж (ЕМ) напругою 110 кВ і нижче. Неповнота інформації про стан ТРЕЕО в нормальних і аварійних (післяаварійних) режимах знижує ефективність ДУ, оскільки диспетчерський персонал при веденні режимів не володіє у повній мірі поточною ситуацією.
Засоби ППЗ, що традиційно входять до складу АСДУ (АСУ – на ієрархічних рівнях ЕМ) ТРЕЕО, не орієнтовані на розв'язання задач ДУ, які не мають детермінованих алгоритмів розв'язання. До них належать задачі, зумовлені виникненням позаштатних, у першу чергу, аварійних ситуацій, які вимагають оперативного прийняття правильних рішень. До найбільш важливих задач ДУ ТРЕЕО належить задача визначення місця (місць) аварійного пошкодження ЕМ. Розв'язання зазначеної задачі базується на використанні алгоритмів цифрової обробки інформації, отриманої за допомогою мікропроцесорних пристроїв реєстрації аварійних процесів, зумовлених пошкодженням елементів ТРЕЕО. Але наявність таких пристроїв в ЕМ напругою 110 кВ і нижче – це, скоріше, окремі прояви інформатизації, ніж типове оснащення ЕЕО України. Тому при виникненні складних аварійних станів (САС) ТРЕЕО України, обумовлених відмовами функціонування окремих пристроїв релейного захисту і автоматики (РЗА) та вимикачів, хибним спрацьовуванням окремих пристроїв РЗА, відмовами функціонування окремих засобів збору і передачі в центри диспетчерського управління (ЦДУ) ТРЕЕО аварійної інформації (без “позначки часу” події), розв'язання задачі визначення місця (місць) аварійного пошкодження ЕМ істотно ускладнюється. Потрібні засоби ППЗ, які надають інтелектуальну підтримку диспетчерському персоналу ТРЕЕО при розв'язанні задач, які не мають детермінованих алгоритмів розв'язання.
Таким чином, проблема інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО в аспекті інформатизації електроенергетики України має три основні складові-підпроблеми. Одна з них – це забезпечення спостережуваності ТРЕЕО для забезпечення розв'язання задач ДУ ТРЕЕО шляхом інформатизації електроенергетики "знизу", використовуючи для цього засоби сучасної мікропроцесорної техніки. За масштабністю і багатовимірністю ця складова теж є проблемою, розв'язанню різних задач якої присвячено багато досліджень та успішних розробок колективів Інституту електродинаміки НАН України, Національного технічного університету України “КПІ”, Національного університету “Львівська політехніка”, НВК “Київський Інститут автоматики”, Харківського Національного технічного університету “ХПІ”, НДІ “Енергія”, ДП “Укренергоефективність”, ДП “Укренергоналадка і вимірювання”, НЕК “Укренерго” та цілої низки інших організацій і колективів.
Друга підпроблема полягає у необхідності створення засобів ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, які б забезпечували адаптацію існуючих моделей і використання нових без суттєвих витрат (матеріальних і часу) на модернізацію ППЗ. Третя підпроблема полягає у створенні засобів розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, які не можна розв'язати за допомогою традиційних засобів ППЗ АСДУ (АСУ) ТРЕЕО, перш за все це стосується задач, які доводиться неавтоматизовано (через відсутність відповідного ППЗ) розв'язувати диспетчерському персоналу за умов виникнення аварійних ситуацій.
Розв'язанню різних задач зазначених підпроблем присвячені дослідження колективів (крім зазначених вище) Донецького, Вінницького та інших державних технічних університетів, Інституту кібернетики НАН України ім. В.М.Глушкова, Інституту “Укренергомережпроект”, а також низки організацій і закладів України. Аналогічні дослідження і розробки виконуються науковими колективами і компаніями як в ближньому зарубіжжі, наприклад, в Росії, Латвії, Польщі, так і в дальньому, наприклад, в Японії, США, Франції, Германії, Південній Кореї та інших країнах. Проте комплексний характер проблеми і особливості існуючого стану електроенергетики України потребують методологічного поєднання і подальшого розвитку засад розв'язання зазначених підпроблем – складових проблеми інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з академічними і державними програмами, у виконанні яких здобувач брав безпосередню участь як співавтор та один з основних виконавців або керівник проектів, а саме:
а) в рамках планових досліджень НАН України:
у відповідності з Державною (загальноакадемічною) програмою фундаментальних досліджень “Докорінне підвищення ефективності енергетичних систем” і планом найважливіших робіт (шифр 1.9.2.2) у 1989-1992 р.р., згідно постанові Бюро ВФТПЕ АН УРСР №12 від 12.12.1988 р. за темами: “Разработать научные основы, принципы и методы построения интегрированных систем автоматизации крупных электроэнергетических объектов” (“Базис”, 1989-1992 р.р.), держ. реєстр. №01.89.0044490; “Розробити принципи і засоби побудови інформаційних структур оперативного і автоматичного управління для електроенергетичних об'єктів і систем та створити їхні окремі елементи” (“Інтерфейс”, 1993-1997 р.р.), держ. реєстр. №093U032012; “Розвинути теоретичні засади, методи побудови та створити дослідні зразки засобів технологічної підтримки оперативного персоналу територіально-розподілених електроенергетичних об'єктів” (“Вибір”, № 1.7.3.156, 1998-2002 р.р.), держ. реєстр. №0198U004658; “Створити систему інформаційного забезпечення моніторингу та управління в електроенергетиці з урахуванням нових технічних можливостей та особливостей режимів роботи ЕЕС України” (ІНФОТЕХ П3 №1.7.3.168, 1998-2002р.р.), держ. реєстр. №0198U007069;
б) в рамках державних програм за проектами:“
Інтегрована система управління режимами розподільчих електричних мереж” – 05.51.05/185-92 (“Мережа”), “Інтегрована система інформаційного забезпечення електроенергетичних об'єктів розподільчих мереж” – 04.11.00/02-95 (“Мережа-Р”), держ. реєстр. №0195U027772; “Підвищення ефективності функціонування та технологічні засади розвитку систем генерування, передачі, розподілу та перетворення електроенергії” – 04.09/03554 (“Мета”, 1997–1998р.р.), держ. реєстр. №0197U019028; “Розробити засади побудови інформаційного середовища систем диспетчерського управління енергосистемами та впровадити зразки його компонентів” – 04.08/01938 (“ІНСЕР“, 1997-1998 р.р.), держ. реєстр. №0197U014824; “Створення технології побудови та зразків систем підтримки диспетчерського персоналу електричних мереж у прийнятті рішень і впровадження їх у виробництво” – держ. замовл. 4.96.176 (1996–1997 р.р.), держ. реєстр. №0197U014822; “Впровадити в електричних мережах систему вибору оптимальних рішень, у тому числі в дефіцитних та аварійних режимах”. – Держ. замовл. 4.98.18 (1998–2000 р.р.), держ. реєстр. № 0198U003544;
в) в рамках українсько-польської виконавчої програми з науково-технічного співробітництва між Інститутом електродинаміки НАН України і Університетом м.Лодзь за проектом “Методи інтелектуалізації засобів диспетчерського управління режимами електричних мереж” (№ 2М/206-99, 1999-2001 р.р.), держ. реєстр. №0100U004630.
Науково-прикладна апробація результатів роботи здійснювалася в процесі виконання договірних робіт з підприємствами Міненерго України і Росії, а також з Всесоюзним державним Інститутом “Атоменергопроект” (колишнього СРСР).
Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у розвитку теорії, визначенні принципів, розробці та застосуванні моделей, методів і алгоритмів побудови інтелектуальних “у малому” систем для ефективного розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, у тому числі і тих, що не мають детермінованих алгоритмів розв'язання. При цьому повинні забезпечуватися: можливість адаптації існуючих та використання нових моделей ТРЕЕО без необхідності внесення змін в ППЗ, маловитратність при широкомасштабному впровадженні створюваних засобів.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні основні задачі:
- визначити методологічні принципи інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО, за якими будуть створені компоненти зазначених систем, що забезпечать підвищення ефективності розв'язання задач ДУ ТРЕЕО за існуючих економічних умов в Україні;
- визначити підходи до структурування і формалізації знань предметної області ДУ ТРЕЕО та формалізми зображення знань, які в найбільшій мірі відповідають специфіці ДУ ТРЕЕО, розробити уніфіковану форму зображення обчислювальних моделей елементів ТРЕЕО, яка забезпечить можливість адаптації існуючих та використання нових моделей без необхідності модернізації або розробки відповідного ППЗ; розробити інформаційні структури ТРЕЕО, які забезпечать ефективність розв'язання задач ДУ;
- розробити формальний апарат реалізації автоматизованого синтезу процедур розв'язання задач ДУ ТРЕЕО та методи, алгоритми і програмні засоби, які забезпечать обчислювальну ефективність синтезованих процедур розв'язання задач ДУ ТРЕЕО;
- визначити придатну для практичної реалізації в системах ДУ методику оцінювання режимних параметрів ЕМ напругою 110-35 кВ за існуючих в Україні умов значної неповноти оперативної інформації;
- розробити методи, алгоритми і програмні засоби діагностування складних аварійних станів ЕМ напругою 110 кВ, які дозволять: оперативно визначати аварійно пошкоджені елементи ЕМ за умов відсутності мікропроцесорних реєстраторів аварійних процесів, враховуючи можливість відмов та хибного функціонування окремих пристроїв РЗА, можливість відмов вимикачів та окремих засобів збору і передачі в ЦДУ ТРЕЕО аварійної інформації;
- визначити можливість створення інформаційного середовища розв'язання задач ДУ ТРЕЕО України за допомогою мікропроцесорних пристроїв, призначених для реєстрації інформації в нормальних і аварійних режимах ЕМ напругою 110-35 кВ, розробити алгоритми їх функціонування і реалізувати у вигляді апаратно-програмних засобів самі пристрої;
- підтвердити ефективність і дієздатність розроблених засобів впровадженням їх у виробництво.
Об'єкт дослідження – територіально-розподілені електроенергетичні об'єкти.
Предмет дослідження – диспетчерське управління територіально-розподіленими електроенергетичними об'єктами на базі автоматизованих систем.
Методи дослідження. В основу дослідження покладено елементи системного аналізу і математичне моделювання як засіб розв'язання поставлених задач. При виконанні роботи використовувалися положення теорій: електричних кіл, інформації, графів, нечітких множин, а також математична логіка, методи діакоптики, нелінійного математичного програмування, штучного інтелекту, моделювання на ЕОМ. Вірогідність одержаних результатів забезпечена коректним застосуванням методів досліджень і підтверджується результатами тестування розроблених засобів та порівняння даних експериментальних досліджень з даними, одержаними в реальних ТРЕЕО, високою ефективністю функціонування розроблених засобів та їх впровадженням у виробництво.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що з позицій системного підходу сформульовано і узагальнено задачі великої науково-технічної проблеми, що має важливе народногосподарське значення і полягає у розробці засад методології і створенні засобів інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО для підвищення ефективності оперативно-технологічного управління електроенергетичним виробництвом. Новизну роботи складають наступні конкретні положення:
1. Визначено і обгрунтовано основні принципи і наукові положення інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО на сучасному етапі інформатизації електроенергетики України, реалізація яких дозволяє при відносно незначних матеріальних витратах підвищити ефективність систем ДУ, водночас знявши гостроту проблеми морального старіння ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО.
2. Показано, що процес розв'язання числових задач ДУ ТРЕЕО зводиться до використання у різних послідовностях низки базових обчислювальних процедур, а до істотних чинників, які впливають на ефективність розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, належать структурування і зображення даних і знань предметної області у вигляді інформаційних структур. Запропоновано інформаційні структури, які враховують особливості ТРЕЕО і забезпечують універсальність опису ієрархії успадкування та приналежності (is_a та part_of-ієрархія) інформаційних об'єктів, що дозволило забезпечити формалізацію і ефективність розв'язання задач ДУ на різних рівнях ієрархії ТРЕЕО, одночасно унеможливлюючи виникнення протиріч в базах даних і знань, можливих за іншої організації інформації.
3. Визначено найбільш “придатні” на роль базових формалізми зображення знань для розв'язання задач ДУ ТРЕЕО та засоби їх “посилення”, запропоновано нові, що відрізняються від відомих, формалізм зображення та метод синтезу обчислювальних знань для розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, що дозволило автоматизувати побудову обчислювальних структур розв'язання зазначених задач та реалізувати принцип зовнішнього доповнення Ст. Біра шляхом модифікації існуючих та використання нових моделей елементів ТРЕЕО на рівні користувача-технолога, не вдаючись до програмування.
4. Запропоновано і уніфіковано на базі послідовностей елементарних функцій (ПЕФ) методи, які забезпечують обчислювальну ефективність розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, а саме: структурного упорядкування систем рівнянь, розв'язання задач аналізу чутливості, розв'язання розріджених, у тому числі і блочних, систем рівнянь, автоматичної класифікації елементів ТРЕЕО, кодування інформації для розв'язання задач, розбиття схем на підсхеми у відповідності з заданими критеріями. Реалізація запропонованих методів дозволила суттєво підвищити ефективність обчислювальних процесів: кількість операцій при розв'язанні відповідних задач зменшується в 4 і більше разів.
5. Запропоновано модель оцінювання режимних параметрів ЕМ напругою 110-35 кВ за умов значної неповноти оперативної інформації, реалізація якої дозволила забезпечити “експертно-розрахункову” спостережуваність реальних ЕМ, одночасно створюючи інформаційний базис для розв'язання інших задач ДУ, яке без цього було неможливим.
6. Враховуючи реальну технічну оснащеність ЕМ України, запропоновано метод оперативного визначення пошкоджених елементів ЕМ, що базується на евристично керованому логічному моделюванні функціонування пристроїв РЗА і вимикачів. Його реалізація дозволила знаходити розв'язок зазначеної задачі для реальних ЕМ (яка “традиційними” засобами АСУ ЕМ не розв'язувалася) протягом 20-25 с (використовувалася ПЕОМ з процесором i-486/33 MГц ).
7. Запропоновано та обгрунтовано логіко-структурний підхід до оцінювання САС ЕМ, який забезпечує простоту формалізації задачі та підготовки вихідної інформації, швидкодію та інваріантність розроблених алгоритмів до особливостей конкретних ЕМ. Це дозволило уникнути недоліків, притаманних “логічним” експертним системам (ЕкС), та забезпечити можливість розв'язання зазначеної задачі за існуючих умов України. Визначено умови застосування штучних нейронних мереж у складі гібридних систем при розв'язанні зазначеної задачі.
8. У відповідності з основними напрямами інформатизації електроенергетики України набула подальшого розвитку методологія інформатизації ЕМ напругою 110-35 кВ: створення інформаційного середовища розв'язання задач ДУ з використанням мікропроцесорних багатофункціональних вимірювальних перетворювачів, розроблених за принципом “найменшої взаємодії” та з використанням “задачного підходу”, відбувається з мінімальними матеріальними витратами, при цьому забезпечується можливість реалізації гнучкого підходу до “нарощування” об'ємів пріоритетної в аспекті розв'язання задач ДУ інформації.
Практичне значення одержаних результатів визначене їх спрямуванням на підвищення ефективності систем ДУ ТРЕЕО. Використання одержаних результатів дозволило:
- забезпечити побудову інтегрованих гібридних систем розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, у першу чергу систем підтримки диспетчерського персоналу ЕМ у прийнятті рішень (СПДПР ЕМ), здатних до адаптації для розв'язання нових задач без необхідності програмування нових засобів ППЗ, завдяки чому знімається гострота проблеми морального старіння ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО і зникають витрати, обумовлені (за традиційного підходу до розробки ППЗ) модернізацією і розробкою ППЗ;
- забезпечити ефективність розв'язання задач ДУ ТРЕЕО шляхом структурування і формалізації знань предметної області та реалізації методів і алгоритмів збільшення ефективності обчислювальних процесів;
- забезпечити оцінювання режимних параметрів ЕМ напругою 110-35 кВ за умов значної неповноти оперативної інформації;
- з урахуванням існуючих умов технічної оснащеності засобами збору і передачі інформації ЕМ України напругою 110-35 кВ, розв'язати засобами СПДПР ЕМ актуальні задачі ДУ - визначення пошкоджених елементів зазначених ЕМ при виникненні САС з аналізом функціонування засобів РЗА;
- забезпечити за існуючих умов перехід до створення розподілених автоматизованих систем оперативно-технологічного управління ЕМ напругою 110-35 кВ на базі розроблених засобів реєстрації і обробки сигналів в нормальних і аварійних режимах роботи електричних приєднань ЕЕО.
Наведені в дисертації результати є складовою частиною виконаних, або тих, що виконуються в Інституті електродинаміки НАН України, робіт за участю або під керівництвом автора. Результати роботи впроваджені наступним чином:–
при розробці проекту АЕС нового покоління Всесоюзним державним Інститутом "Атоменергопроект" використані принципи побудови систем підтримки оперативного персоналу і вимоги до їхньої реалізації, рекомендації по вибору технічних і програмних засобів (1990 р.);–
в Мінпаливенерго України у вигляді розробленої “Концепції побудови і реконструкції АСУ електричних мереж державних акціонерних енергозабезпечуючих компаній (ДАЕК) за умов переходу енергетики України до ринкових відносин” (затвердженої Міненерго України 29.08.1996 р., має статус галузевого нормативного документу);–
в Сургутських електричних мережах при побудові інтегрованої автоматизованої системи управління (ІАСУ) ЕМ використані принципи, засоби і алгоритми побудови і функціонування компонентів зазначеної ІАСУ, впроваджено розроблені багатофункціональні вимірювальні перетворювачі сигналів нормальних і аварійних режимів електричних приєднань ЕЕО напругою 110-35 кВ – базових компонентів територіально-розподіленої автоматизованої системи оперативно-технологічного управління ЕМ напругою 110-35 кВ (1997 р.);–
у Львівських електричних мережах впроваджено “Систему підтримки диспетчерського персоналу у прийнятті рішень” з підтвердженим річним економічним ефектом у 778,41 тис. грн. (1998 р.);–
у мережах РДЦ “Донбасенерго” впроваджено експертну систему оцінювання САС ЕМ, що орієнтована як на автономне використання на робочому місці диспетчера, так і у складі “Системи підтримки диспетчерського персоналу у прийнятті рішень” (1998 р.);–
основні положення і результати наукових досліджень дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на факультеті електроенерготехніки та автоматики при читанні лекцій з курсів “Засоби диспетчерського і технологічного управління енергосистемами” і “Математичні задачі енергетики”, при організації лабораторних і практичних робіт, при виконанні курсового і дипломного проектування студентами спеціальностей 7.090615 і 7.090602.
Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертації, одержані здобувачем самостійно. У друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: – засоби інтелектуалізації систем [1];– алгоритми [2,5,7,10,11,13,31]; – формалізація процедури адаптації-навчання експертних засобів моделювання режимів ТРЕЕО [3]; – методи кодування при використанні послідовностей елементарних функцій для розв'язання задач ДУ ТРЕЕО [4]; – принципи структурування і формалізації знань предметної області ДУ ТРЕЕО, архітектура систем [6]; – алгоритми [7]; – формалізація зображення моделей елементів ТРЕЕО, алгоритми [8]; – формалізація задачі, логічне обгрунтування стверджень, організація керованого пошуку розв'язку задачі [9,42]; – аналіз життєвого циклу АСДУ ТРЕЕО, формалізація знань, компоненти IST-технології розв'язання задач ДУ ТРЕЕО [15,41];– архітектура систем, структурування і формалізація знань ДУ ТРЕЕО, механізми взаємодії компонентів системи [17,29]; – архітектура і алгоритми функціонування системи, структурування і формалізація знань [19]; – зображення і синтез обчислювальних знань [20,36,40]; – структурування і синтез знань ДУ, механізми інтеграції компонентів систем [21,28]; – структурування процесу розв'язання задач, інформаційні структури [22]; – спосіб і алгоритм розв'язання [23]; постановка задачі досліджень і її формалізація, архітектура системи, механізми взаємодії компонентів системи [24]; – аналіз особливостей застосування експертних систем в електроенергетиці, концепція гібридизації експертних і синтезованих обчислювальних знань [25]; – підходи до формування інформаційних структур, спосіб і алгоритми розв'язання [26]; – аналіз і декомпозиція технологічних процесів, визначення вимог до систем ДУ ТРЕЕО [27]; – принципи побудови, функціонування, визначення технічних умов, алгоритми функціонування, експериментальні дослідження [30,37]; – дослідження можливостей застосування нових інформаційних технологій для розв'язання задач ДУ ТРЕЕО [32]; – структурування і формалізація знань [34,43]; – структурування і формалізація знань, структурування бази знань експертної системи розв'язання задач ДУ ЕМ [39]; – опрацювання питань, пов'язаних з функціями, задачами, вимогами до інформаційного, технічного та програмного забезпечення диспетчерського управління ІАСУ ДАЕК [44].
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на чотирнадцяти міжнародних, одній всесоюзній, двох республіканських конференціях, одному міжнародному симпозіумі і трьох міжнародних семінарах, а саме на: Першій Всесоюзній науково-технічній конференції "Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем на основе микропроцессорной техники", Київ, 1990 р.; Міжнародній конференції-ярмарку "Технология программирования 90-х", Київ, 1991р.; Республіканській науково-технічній конференції "Проблемы и опыт внедрения автоматизированных систем управления в энергетике на основе микропроцессорной техники", Ташкент, 1991р.; Четвертій науково-технічній конференції "Проблемы нелинейной электротехники", Київ, 1992 р.; Першій і Другій Міжнародних науково-технічних конференціях "Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці", Львів, 1995 і 1997р.р.; Другій Міжнародній науково-практичній конференції "Управління енерговикористанням", Львів, 1997 р.; Сьомій Міжнародній конференції імені академіка М.Кравчука, Київ, 1998р.; Другому Польсько-українському семінарі “Проблеми електроенергетики”, Лодзь (Польща), 1998 р.; Четвертому Міжнародному симпозіумі “Математичні методи в електроенергетиці”, Закопане (Польща), 1998 р.; Міжнародних науково-технічних конференціях “Силова електроніка і енергоефективність”, Алушта, 1998, 1999 і 2000 р.р.; семінарі Четвертої Кримської Міжнародної Математичної Школи “Метод функций Ляпунова и его приложения”, Алушта, 1998 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві і споживанні енергії”, Київ, 1999р.; Третій Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, Львів, 1999 р.; Міжнародній конференції “Сумісність приладів силової електроніки”, Слюбіч (Польща), 1999 р.; Міжнародній конференції “Енергетична безпека Європи. Погляд у XXI століття”, Київ, 2000 р.; Четвертій Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки-2000”, Київ, 2000 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Управління режимами роботи об'єктів електричних систем-2000”, Донецьк, 2000р.; українсько-польській школі-семінарі “Актуальні проблеми теоретичної електротехніки: наука і дидактика”, Соліна (Польща), 2000 р.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 65 наукових праць, у тому числі: 38 статей – у виданнях, що входять до переліку наукових фахових видань, затвердженого ВАК України, 9 статей – у збірках наукових праць Інституту електродинаміки НАН України і в збірках матеріалів міжнародних конференцій і симпозіуму, 16 – у збірках доповідей і тез доповідей на конференціях та семінарах, 1 навчальний посібник для студентів вузів електроенергетичних і електротехнічних спеціальностей, 1 концепція, яка затверджена Міненерго України і має статус галузевого нормативного документу.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел (437 найменувань) і 11 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 574 сторінки, у тому числі 311 сторінок основного тексту, 55 рисунків, 46 таблиць, список літератури та додатки – на 231 сторінці.
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено відомості: про зв'язок роботи з науковими програмами, про наукову новизну і практичну цінність роботи, про апробацію і публікації результатів досліджень та їхнє впровадження.
У першому розділі дано характеристику ТРЕЕО як об'єктів управління. Показано, що на відміну від існуючого в теорії управління трактування поняття диспетчеризації, специфіка електроенергетичного виробництва і властивості електроенергетичних систем (ЕЕС) як об'єктів управління визначають функції ДУ, реалізація котрих потребує розв'язання широкого спектру задач, які виходять за часові межі оперативного управління, оскільки реалізація зазначених функцій базується на результатах розв'язання задачі комплексної багатокритеріальної оптимізації режимів функціонування ЕЕС. Через многозв'язність, нелінійність і багатовимірність складного ТРЕЕО та стохастичну природу збурень, які впливають на його режими, практично неможливо заздалегідь передбачити усі ситуації, які можуть виникати в результаті аварійних збурень і розвитку аварійного процесу, а значить неможливо апріорі знати ті конкретні керуючі дії, які будуть потрібні для переведення ТРЕЕО з післяаварійного стану в стан допустимий або бажаний. У загальному випадку при виникненні САС ТРЕЕО процес переведення ТРЕЕО з післяаварійного режиму в допустимий може апріорі зображуватися тільки у вигляді стратегії, яка реалізується поетапно і вимагає залучення відповідних знань – як експертних, так і у формі обчислювальних програм. Тому, не дивлячись на широке використання в електроенергетиці засобів автоматичного керування, в силу зазначених особливостей ТРЕЕО на рівні оперативного управління – рівні часової декомпозиції процесів ДУ – зберігається визначальна роль диспетчерського персоналу – основного інтелектуального "елемента" системи ДУ, який приймає рішення і виконує як функції розв'язання ще не формалізованих задач, так і функції "метарозв'язування" в частині використання засобів ППЗ при розв'язанні складних комплексних задач. Але цей основний інтелектуальний "елемент" системи ДУ теж не цілком надійний і досконалий (може припускатися помилок і приймати невірні рішення, особливо в цейтнотних аварійних ситуаціях), тому одночасно з інформаційною він потребує і інтелектуальної підтримки.
Показано, що технічна оснащеність систем ДУ ТРЕЕО України на поточний час не відповідає сучасним вимогам ДУ, перш за все це стосується ЕМ напругою 110 кВ і нижче. Обмежені об'єми телеметричної інформації, яка надходить в ЦДУ ЕМ Мінпаливенерго України, забезпечує спостережуваність таких ЕМ тільки фрагментарно. У складі АСДУ (АСУ) ТРЕЕО України відсутні інтелектуальні системи, які набувають все більшого поширення в електроенергетиці технічно розвинутих країн. В аспекті ДУ ТРЕЕО використання інтелектуальних систем актуально, перш за все, в оперативному контурі управління у вигляді систем підтримки диспетчерського персоналу ТРЕЕО у прийнятті рішень (СПДПР ТРЕЕО).
Ефективність ДУ ТРЕЕО великою мірою залежить від спостережуваності об'єкта управління, яка досягається шляхом інформатизації ТРЕЕО "знизу" – з рівнів ЕЕО та електроспоживання, тому в процесі інформатизації ТРЕЕО повинно створюватися середовище розв'язання задач ДУ, до основних компонентів якого належать програмовані пристрої розподілених інформаційних (ІС) та інформаційно-управляючих (ІУС) систем ЕЕО. На базі цього середовища стає можливим не тільки більш ефективне розв'язання "традиційних" задач ДУ, але з'являється і можливість автоматизації розв'язання якісно нових задач.
На підставі виконаного аналізу та концептуальних положень інформатизації електроенергетики України визначено три ключові підпроблеми, які утворюють проблему інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО України: 1) забезпечення спостережуваності ТРЕЕО шляхом інформатизації електроенергетики "знизу" і створення необхідного інформаційного середовища розв'язання задач ДУ ТРЕЕО; 2)створення засобів побудови ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, здатного до адаптації моделей та розв'язання нових задач; 3) створення засобів ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, що не мають детермінованих алгоритмів розв'язання і потребують використання формалізованих знань.
Показано, що при розв'язанні першої підпроблеми і створенні мікропроцесорних засобів – компонентів формування інформаційного середовища ДУ, доцільно керуватися відомим у кібернетиці принципом "найменшої взаємодії", який в аспекті інформатизації ДУ ТРЕЕО України можна трактувати як принцип розподілених обробки та використання інформації. Одночасно при розробці зазначених засобів, беручи до уваги їхнє призначення та необхідність забезпечення низької собівартості, слід використовувати "задачний підхід" (який орієнтований на реалізацію доцільних систем, призначених для виконання певних функцій). Враховуючи обмежені матеріальні можливості більшості ЕМ ОЕС України, при створенні інформаційного середовища розв'язання задач ДУ ТРЕЕО необхідно забезпечити можливість поступового нарощування об'ємів інформації (враховуючи її приорітетність в аспекті розв'язання задач ДУ).
Ключовими питаннями розв'язання другої підпроблеми є забезпечення автоматизованої побудови засобів ППЗ та запобігання їхнього морального старіння шляхом адаптації моделей до змін ТРЕЕО та умов їхнього функціонування. Показано, що забезпечення зазначеної адаптації таких систем ППЗ залежить від реалізації етапів структуризації даних і знань та формалізації знань предметної області. Створення систем ППЗ, здатних до адаптації і розширення функціональних можливостей, дозволяє усунути невідповідність (протиріччя), яке виникає між новими умовами функціонування ТРЕЕО (і зміною самого ТРЕЕО) і можливостями системи ДУ. В якості методологічного принципу побудови таких адаптивних систем ППЗ визначено принцип "зовнішнього доповнення" Ст. Біра (Stafford Beer), реалізація якого за даних умов забезпечується шляхом надання користувачеві (експертові, технологу) можливості самому адаптувати (без програмування) ППЗ, застосовуючи засоби дружнього інтерфейсу системи. Це рівносильно включенню в контур управління "чорного ящика" Ст. Біра (його роль у даному випадку відіграє користувач), який забезпечує введення нових формулювань рішень мовою управління більш високого рівня, які сама система (АСДУ ТРЕЕО) "генерувати" не може. Такий підхід узгоджується і з висновками, що випливають з теорем Геделя про неповноту (про неповноту формалізованої арифметики і про неможливість доведення несуперечності формальної системи засобами самої системи), які в узагальненому вигляді по відношенню до проблеми, що розглядається, можна трактувати як висновки про неможливість повної формалізації мислення людини і про використання в процесі розвитку інтелектуальних систем все більш потужних засобів формалізації.
Показано, що реалізація третьої підпроблеми потребує використання структурованих та формалізованих знань предметної області ДУ ТРЕЕО та методів штучного інтелекту для розв'язання відповідних задач ДУ ТРЕЕО.
У другому розділі розглянуто методологічні питання інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО. Проблема інтелектуалізації систем ДУ ТРЕЕО пов'язана з побудовою проблемно-орієнтованих програмних систем, які мають властивість "інтелектуальності" (принаймні, "інтелектуальності у малому" – нижня класифікаційна границя "інтелектуальності" систем управління, яка визначається за ознакою використання системою знань). Керуючись системним підходом і враховуючи специфіку ДУ ТРЕЕО, уточнено задачі і визначено особливості виконання основних етапів робіт, які є обов'язковими при розробці інформаційних систем і мають свою специфіку при створенні систем, які "інтелектуальні у малому" і орієнтовані на розв'язання задач ДУ ТРЕЕО. Показано, що на етапі аналізу предметної області необхідний рівень декомпозиції ТРЕЕО визначається умовами виділення інформаційних зв'язків його складових та зв'язків, які забезпечують можливість управління. Показано близькість етапів формування моделей предметної області ДУ ТРЕЕО та формалізації знань. При цьому формалізація повинна забезпечувати збереження особливостей предметної області і можливість відтворення істотних процесів. Показано, що при виборі формалізму одночасно з його виразністю слід враховувати прагматичний аспект розв'язання задачі.
Сутність необхідних етапів робіт зображується у вигляді загальної схеми форм існування (K) та процедур трансформації знань (W) ДУ ТРЕЕО (рис. 1):
Рис. 1
Км – знання, які знаходяться у “матеріалізованому” загальнодоступному вигляді; Кп– знання, які має оперативно-технологічний персонал: теоретичні, евристики, досвід (це як інтенсиональні, так і екстенсиональні знання); Кнф – напівформальний опис знань предметної області ДУ ТРЕЕО (на вербальному та частково на формальному рівнях); Кс – структуровані знання; Кф – знання у формалізованому вигляді; Кк – зображення формалізованих знань предметної області ДУ ТРЕЕО в ЕОМ; процедури трансформації знань: Wв – добування; Wс – структурування; Wф – формалізація; Wр – реалізація (для зображення в ЕОМ).
Для розв'язання підпроблеми створення інформаційного середовища розв'язання задач ДУ ЕМ напругою 110-35 кВ у роботі розроблено технічні вимоги, алгоритми функціонування та самі багатофункціональні вимірювальні перетворювачі (БВП) сигналів електричних приєднань ЕЕО. Згідно з принципом найменшої взаємодії, такий БВП – базовий (він же і периферійний) пристрій розподілених ІС та ІУС – самостійно виконує усі функції збору та попередньої обробки інформації на нижньому рівні ієрархії дворівневої ІУС ЕЕО, на його працездатність не впливає стан верхнього рівня системи – "середовища", з яким відбувається "найменша взаємодія". Обмін з центральним блоком (ЦБ) розподіленої ІУС (контролером ЕЕО) інформаційними посилками ("найменша взаємодія") здійснюється лише по команді зі сторони ЦБ або згідно установленого регламенту, при цьому зберігається "право на активність" БВП для інформування ЦБ про свій стан та про виникнення особливих подій. Відповідно до розроблених вимог, БВП мусить мати наступні характеристики: швидкодія контролера – не менше 1 млн. регістрових операцій за секунду, число каналів уводу аналогових сигналів – не менше 8, число каналів уводу дискретних сигналів – не менше 24, об'єм оперативної пам'яті для зберігання інформації про одну аварійну подію при частоті опитування датчиків у 800 Гц (частота дискретизації не повинна бути меншою, виходячи з вимог забезпечення заданої точності оцінок параметрів у нормальному та аварійному режимах роботи ЕМ), повинен складати не менше 106,3 кбайт, число реєструємих аварій тривалістю 8,3 с (враховуючи доаварійний режим) – не менше 3, об'єм енергонезалежної пам'яті для зберігання інформації про нормальний режим – 1 кбайт, кількість необхідних цифрових розрядів АЦП – 12; для забезпечення необхідних обробки і виводу інформації контролер повинен мати не менше двох рівнів переривань і розвинуту систему портів вводу-виводу.
Враховуючи результати техніко-економічних досліджень та потребу в зазначених пристроях, при розробці БВП вибір було зроблено на користь мікроЕОМ (на момент розробки найбільш доступними і дешевими мікросхемами, що задовольняли зазначеним вимогам, були однокристальні мікроЕОМ КМ1816ВЕ31 і КМ1816ВЕ51). Створені БВП мають засоби самодіагностування, які здійснюють діагностування пам'яті, окремих вузлів і схем контролера в процесі експлуатації.
Розроблено дві модифікації БВП, орієнтовані на реєстрацію і обробку сигналів в нормальних та аварійних режимах і призначені для встановлення на електричному приєднанні ЕЕО. Одна з модифікацій (БВП1) орієнтована на збір і попередню обробку інформації про стан комутаційного обладнання та режимні параметри (напругу, струм, активну та реактивну потужності) електричного приєднання в нормальних режимах, при цьому здійснюється і облік електроенергії прямого та зворотного напрямів. Інша модифікація (БВП2) орієнтована на реєстрацію та обробку інформації, пов'язаної з виникненням аварійних подій. На відміну від існуючих підходів, при реалізації БВП використано відносний "локальний" час кожного пристрою (у вигляді числа відліків при вибраній частоті дискретизації), який перетворюється в астрономічний час за даними верхнього рівня (системи). Тобто значення астрономічного часу достатньо "встановити" і контролювати лише в системі (періодично коригуючи його значення або синхронізуючи систему за сигналами точного часу).
Перехід від відносного часу (вимірюваного в БВП кількістю дискретних відліків Nс) виникнення події, зареєстрованої БВП2, до астрономічного часу (tс) здійснюється відповідно до виразу:
t с = t o + Nс Dt = t3 – N P Dt + Nс Dt + Dt п ,
де to – час (астрономічний) останнього обнулення "лічильника" часу; t3 – час (астрономічний) посилання запиту системою; NP – число відліків часу з моменту останнього обнулення "лічильника" часу до одержання запиту з системи; Dt – тривалість одного відліку часу; Dtп – поправка, яка враховує тривалість передачі запиту системи та його одержання БВП.
Оскільки усі події, які відбуваються на електричному приєднанні ЕЕО, у тому числі і функціонування пристроїв РЗА, фіксуються БВП2 у відносному локальному часі, відлік якого відбувається з моменту обнулення відповідного "лічильника" (обнулення відбувається після кожного перезапуску БВП – автоматичного чи примусового), то при визначенні астрономічного часу зазначеного обнулення усі події також легко "прив'язуються" до цього астрономічного часу.
У роботі виконано аналіз відомих розробок систем, які використовують формалізовані знання, та особливості їхнього використання. Визначено особливості процесів розв'язання задач ДУ ТРЕЕО, обумовлені специфікою предметної області, та передумови, необхідні для автоматизації зазначених процесів. Визначено принципи побудови та створено IST-технологію (від Intelligent Simulation Tools) побудови ППЗ розв'язання задач ДУ ТРЕЕО на базі відкритої інструментальної оболонки, орієнтованої на синтез ППЗ та розв'язання класів задач, до сукупності яких
