ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Заболотний Іван Петрович

УДК: 621.311

Інформаційно-керуючі системи для локальних електроенергетичних об’єктів на основі

сучасних інформаційних технологій

Спеціальність 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Авраменко Володимир Миколайович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу аналізу режимів електроенергетичних систем, м. Київ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Яндульский Олександр Станіславович, Національний технічний університет України “КПІ”, декан факультету електроенерготехніки та автоматики, м. Київ;

доктор технічних наук, професор

Лежнюк Петро Дем'янович, Вінницький національний технічний університет,

завідуючий кафедрою електричних станцій і систем, м. Вінниця;

доктор технічних наук, професор,

Жуков Станіслав Федорович, Донецький національний технічний університет,

професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок, м. Донецьк;

Провідна установа:

Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра електропостачання промислових підприємств, м. Маріуполь.

Захист відбудеться “_3”_11_2005 р о _1330_годині на засіданні спеціалізової вченої ради Д.11.052.02 Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, пр. 25-річчя РСЧА, 1, 8 навчальний корпус, к. 8.704

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонНТУ за адресою: 83000, м. Донецьк, вул Артема, 58, 2 навчальний корпус.

Автореферат розісланий “___”______2005 р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.11.052.02.

к.т.н., доц. Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вдосконалення автоматизованого управління локальними об’єктами і в цілому електроенергетичною системою (ЕЕС) це процес, що обумовлений зміною об’єктів ЕЕС, умовами їх функціонування, досягненнями в розвитку засобів обчислювальної та мікропроцесорної техніки, технологій програмування та ведення інформації.

У ряді робіт зарубіжних і вітчизняних учених наголошується, що фундаментальні зміни в енергетиці, які пов'язані із структурною перебудовою і упровадженням енергетичного ринку, порушують ієрархічні зв'язки існуючої системи управління, яка раніше охоплювала єдину ЕЕС, і, як наслідок, спостерігається значне зростання кількості технологічних задач при керуванні електроенергетичними об'єктами, їх різноманітність і інтеграція через динамічність ситуацій, які необхідно аналізувати. Упровадження мікропроцесорної техніки в різні системи керування і розвиток нових телекомунікаційних технологій створює умови для побудови інтегрованих (автоматизована і автоматична) систем управління енергооб'єктами на єдиній інформаційній основі. Так, 34 комітетом СІГРЕ запропоновані функції інтегрованої системи управління підстанцією і визначені нормативи надійності для реалізації цих функцій.

Для забезпечення необхідної надійності систем електропостачання потрібне створення інформаційно-керуючих систем (ІКС) для локальних електроенергетичних об'єктів, які враховують особливості технологічних задач управління локальними об'єктами і елементами і забезпечують рішення різнопланових задач в конкретних ситуаціях, що не забезпечують принципи, методи і моделі, що становлять інструментарій програмних засобів на рівні АСДУ ЕЕС. Проте, виходячи з особливостей технологічних задач, що розв’язуються на рівні АСДУ регіональними ЕЕС і, в меншій мірі, АСДУ обленерго, зберігаються концепції позадачного підходу в технологіях програмування і ведення інформації; нарощування в режимній моделі топології комутаційних схем; виконання програмного забезпечення (ПЗ) у вигляді надбудов одних програмних засобів над другими. При цьому моделі об'єктів не є адаптивними і тому втрачають свою адекватність при зміні актуального стану оригіналу і в більшості випадків не забезпечують автоматичне формування алгоритму управління для переводу об'єкту з актуального стану до стану, що відповідає меті керування.

Рівень використовування інтелектуальних методів в енергетиці не дозволяє визнати його задовільним, бо має місце розрізнене використовування інтелектуальних способів (експертних систем, генетичних алгоритмів, нейронних мереж) для вирішення окремих задач контролю, управління, оцінки стану локальних об'єктів ЕЕС.

Сучасний стан систем автоматизованого управління електроенергетичними об'єктами ЕЕС України може бути охарактеризований неоднозначно: з одного боку створені локальні обчислювальні мережі (ЛОМ) на електричних станціях, на крупних підстанціях, а з другого боку використовуються застарілі інформаційні технології і застарілі технології програмування. Відсутність єдиної інформаційної основи і інтегрованого використовування сучасної технології ведення інформації при рішенні технологічних задач, які по функціональній ознаці можливо розбити на групи: імітаційне моделювання, інформаційна підтримка рішень персоналу, діагностування стану елементів і об'єктів, аналіз роботи релейного захисту (РЗ) і протиаварійної автоматики (ПА), не дозволяє усунути відмічений недолік автоматизованого керування.

При цьому слід підкреслити, що інформатизація є найперспективнішим і якнайменше витратним способом підвищення ефективності функціонування систем керування локальними об'єктами ЕЕС. Відмічене вимагає якісно нового рівня функціональної ефективності від ІКС локальними об'єктами ЕЕС. Через відсутність інструментарію побудови ІКС локальними об'єктами, що визначається особливостями сучасних технологічних задач, спостерігається механічне перенесення інструментарію верхнього рівня керування на рівень управління локальними об'єктами.

Таким чином, актуальною є розробка методології і створення ІКС на основі сучасних інформаційних технологій, які адекватні задачам автоматизованого управління, для локальних об'єктів ЕЕС.

З розв’язуванням різних задач щодо керування ЕЕС зв'язані багаточисельні дослідження і розробки колективів Інституту електродинаміки НАН України, Національного технічного університету України “КПІ”, Національного університету “Львівська політехніка”, Донецького, Вінницького, Маріупольського, Одеського технічних університетів, Харківського національного технічного університету “ХПІ”, Харківської державної академії міського господарства, інститутів НАН України кібернетики імені В.М. Глушкова і проблем моделювання в енергетиці, інститутів “Укренергомережпроект” і “Сільенергопроект”, НВК “Київський інститут автоматики”, НДІ “Енергія”, ДП “Укренергоефективність”, ДП “Укренергоналадка і вимірювання”, НЕК “Укренерго”, ХП “Енерготехнологій і інформатики”, а також цілого ряду організацій і установ України.

Подібні дослідження і розробки виконуються науковими колективами і компаніями як в ближньому зарубіжжі - Росії, Латвії, Польщі, Чехії, так і в дальньому – Японії, США, Франції, Німеччині, Англії, Китаї і інших країнах. Проте, комплексний характер проблеми і особливості існуючого стану автоматизованих систем в енергетиці України викликають необхідність методологічного об'єднання і подальшого розвитку методів розв’язання даної проблеми. Все це вказує на актуальність теми досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи пов’язана з основним науковим напрямком науково-дослідницьких робіт кафедри “Електричні системи” Донецького національного технічного університету. Робота виконувалася згідно з державними бюджетними науково-дослідницькими роботами Д-2-97 “Розробка електронного тренажера по управлінню динамічними режимами електричних систем”, Д-12-97 (№ДР 0197U009303) “Розвиток наукових основ автоматизованих систем оперативного управління в енергетиці”, Д-14-01 (№ДР 0101U002090) “Розвиток наукових основ створення інтегрованих систем діагностики для підвищення ефективності управління локальними об'єктами електричних систем”, в яких автор був керівником робіт. Науково-прикладна апробація результатів роботи здійснювалась в процесі виконання договірних робіт з підприємствами Донбаської енергосистеми.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці методології побудови ІКС, багатофункціональних моделей елементів і локальних об'єктів, методів їх автоматичного формування відповідно актуальному стану електроенергетичного об'єкту і меті управління на основі загальних принципів побудови АСУТП і сучасних інформаційних технологій для підвищення ефективності функціонування локальних об'єктів ЕЕС в різних режимах.

Основна ідея роботи полягає в подоланні розриву між можливостями сучасної обчислювальної техніки і можливостями сучасних інформаційних технологій, з одного боку, і практичною відсутністю програмного інструментарію для ІКС локальними об'єктами і елементами ЕЕС, що реалізує ці можливості, тобто для технологічних задач, що не розв’язуються існуючими АСДУ, з другого боку. Створення ІКС забезпечує якісно новий рівень автоматизованого керування локальними об'єктами і елементами ЕЕС.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

- розробити методологічні принципи побудови ІКС для локальних об'єктів ЕЕС, що забезпечують створення компонент для реалізації ІКС у вигляді системи відкритого типу з автоматичним і автоматизованим створенням адаптованих моделей для імітаційного моделювання, інформаційної підтримки рішень персоналу з передбаченням можливості видачі команд управління на окремі виконуючі механізми, аналізу стану електроустаткування і роботи РЗ і ПА в аварійних ситуаціях на основі експертних систем;

- розробити інтегровану інформаційну модель і технологію ведення інформації, технологію програмування з позицій інженера-електрика для вирішення технологічних задач керування при автоматичному формуванні складових моделей (математичної, інфологічної, комутаційної, описової) при використанні принципових схем електричних з'єднань, управляючих ознак для модифікації моделі і оцінки допустимості команд керування, які визначаються на основі інформації від систем збору і що оперативно вводиться оператором. Розробки повинні забезпечити як функціонування програмного забезпечення ІКС на єдиній інформаційній основі, так і суттєве спрощення взаємодії користувача з ПЕОМ;

- розробити математичні моделі машин змінного струму і систем регулювання, електроустаткування, пристроїв релейного захисту і автоматики, що здатні перебудовуватися і зберігати високий ступінь адекватності як при зміні цільових і оціночних установок, так і інформаційної складової моделі;

- розробити методи і алгоритми адаптації моделей, що забезпечують виконання взаємозв'язаних вимог: адекватно відображати актуальний стан об’єкта, забезпечувати формування алгоритму переводу об'єкта з актуального стану в стан, що відповідає меті керування;

- розробити інструментальні програмні засоби для вирішення задач імітаційного моделювання з оцінкою режимів і команд управління з урахуванням стану елементів, РЗ і ПА, інформаційної підтримки рішень, створення прикладних експертних систем діагностування стану електроустаткування і роботи РЗ і ПА;

- підтвердити ефективність одержаних результатів і працездатність розроблених засобів дослідженнями в лабораторних умовах і упровадженням на реальних об'єктах.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є локальні об'єкти і елементи електричної системи – електричні станції, підстанції, генератори, трансформатори, асинхронні двигуни, лінії електропередачі, збірні шини.

Предмет дослідження. Предметом досліджень є автоматизоване управління локальними об’єктами і елементами ЕЕС.

Методи досліджень. Методологічною основою досліджень виступає математичне моделювання, системний підхід, натурні експерименти.

При розробці методології побудови ІКС використовувалися загальні принципи побудови АСУТП і сучасних інформаційних технологій. При розробці методів, алгоритмів створення математичних моделей використовувалася теорія графів, теорія електроенергетичних систем. Розробка математичних моделей машин змінного струму і управління їх режимами здійснювалася на основі теорії електричних машин, операційного числення, теорії оптимального управління, а розробка інформаційної моделі предметної області – на основі алгебри логіки. При створенні експертних систем використовувалися теорія штучного інтелекту і теорія нечітких множин.

Вірогідність наукових положень, що виносяться на захист, забезпечено логічним узагальненням результатів аналізу вітчизняної і зарубіжної теорії і практики управління ЕЕС, коректним використанням методів досліджень і підтверджується результатами тестування розроблених методів, моделей, алгоритмів і програмних засобів, співставленнями дослідних даних з результатами моделювання, ефективністю функціонування розробок та їх впровадженням в виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертації визначена розв’язанням наукової проблеми, що обумовлена розривом між можливостями технічних засобів для управління, які є у інженера - електрика на локальному об'єкті, і практичною відсутністю ІКС відкритого типу, що базується на сучасних високоефективних інформаційних технологіях, яка реалізована з позицій інженера технолога. Це відноситься як до принципів і методів обробки інформації, так і до принципів і методів інтеграції складових моделей: математичної, інфологічної, комутаційної і до самих складових моделей адекватних актуальному стану об'єкта і поточної мети управління, а також до архітектури ПЗ і технології програмування.

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 в розробці методології побудови ІКС для локальних об'єктів ЕЕС на основі сучасних інформаційних технологій. Новизну роботи відображають наступні конкретні положення:

1. На основі системного, подієвого, експертного підходів до побудови ІКС з позицій інженера - технолога при урахуванні особливостей технологічних задач управління локальними об'єктами ЕЕС розроблені положення, правила і принципи цілісного представлення об'єктів в актуальному стані, в динаміці при взаємодії один з одним і з системою управління для аналізу різних альтернативних ситуацій і редукції безлічі альтернатив на основі цільових критеріїв; формування законів управління динамічними режимами роботи генераторів на основі бажаної якості перехідного процесу, зокрема:

- представлення елементів ЕЕС для урахування дій, на відміну від існуючого розподілу об'єктів за функціональними ознаками, узагальненим об'єктом з параметрами, частина яких залежить від зв'язків з іншими об'єктами і їх стану, а також від збурень;

- опис моделі об'єкту у вигляді складових, що роздільно адаптуються з подальшою їх інтеграцією на відміну від існуючих підходів, які призводять до створення моделей, що важко адаптуються через нарощування в режимній моделі комутаційної і математичної моделі;

- автоматичне створення моделей, що адаптуються під актуальний стан об'єкту для імітаційного моделювання, інформаційної підтримки рішень персоналу, діагностування;

- універсальне представлення об'єктів у інфологічній складовій моделі у вигляді множин в графічній і табличних формах і керована інтеграція інформації за допомогою імен, посередників, асоціативних списків на відміну від існуючого позадачного підходу в технологіях програмування і ведення інформації.

2. Для побудови експертних систем визначені і обґрунтовані положення, правила, принципи, функціонально-структурні моделі вертикального та горизонтального управління знаннями; багаторівневої ієрархії задач з виділенням відношень між задачею і під задачею; класифікації задач по типам; структуризації множин можливих рішень задач, елементів, дій; виділення типів і способів збудження правил, зокрема:

- представлення ситуацій за допомогою причинно-наслідкових зв'язків у вигляді дерев з джерелами сигналів у вершинах у вигляді локальних задач і створення бібліотек знань для класів об’єктів при забезпеченні адаптації бібліотек в бази знань згідно зі складом датчиків і особливостями конкретного об’єкта;

- представлення глобальної задачі діагностування послідовністю локальних універсальних задач (безліч ситуацій), формування рішення у вигляді адаптуємого графа підлеглості локальних задач, введення виду відносин між локальними задачами і використовування ознаки відносин;

- використовування багаторівневої структури побудови знань з розташуванням на нижньому рівні локальних задач діагностування, а на верхньому рівні об'єкту графа підлеглості, що адаптується до актуального стану при урахуванні особливості конструкції елементу і розміщення датчиків, у тому числі і графічним зображенням;

- створення єдиного конструктора для запису правил в БЗ у вигляді символьних змінних і єдиного інтерпретатора для витягання символьних змінних з БЗ і виконання на відміну від існуючої реалізації знань безпосередньо в програмному коді при використовуванні позадачного підходу діагностування, навіть, в межах елементу ЕЕС.

Методологія побудови експертних систем діагностування на відміну від існуючої забезпечує інтеграцію БД і БЗ об'єктів, декомпозицію безлічі причинно-наслідкових ситуацій, які відображають стани об'єкту, і не вимагає зміни програмного коду при модифікації структури БЗ і корекції її змісту.

3. Обґрунтована і реалізована концепція створення моделі об'єкта управління, що адаптується, і яка відрізняється від відомих тим, що складові: інфологічна, комутаційна, математична не нарощуються в режимній моделі, а інтегруються складові, які роздільно адаптуються. У інфологічній і математичній складових моделі виділені частини, що враховують особливості математичного апарату їх опису і життєвого циклу. Розроблені методи адаптації складових моделі, що забезпечують розподілення робіт по адаптації складових і виконання взаємозв'язаних вимог: адекватно відображати актуальний стан об’єкта і забезпечувати формування алгоритму для переводу об'єкта управління з актуального стану в цільовий та використовувати в інтелектуальних мікропроцесорних пристроях і вузлах ЛОМ.

4. Розвинені і узагальнені технології ведення інформації і програмування у напрямі автоматичної побудови моделей на основі принципових схем електричних з'єднань; формування управляючих ознак для адаптації моделі і для оцінки допустимості команд управління на основі інформації від систем збору, інформації, яка виникає в процесі моделювання і що оперативно вводиться оператором, інтегрованого ведення графічної і символьної інформації і створення єдиної інформаційної моделі і забезпечення, на відміну від існуючих технологій, рішення задач управління з позицій інженера-електрика при спрощенні взаємодії користувача з ПЕОМ.

5. Розроблена математична модель турбогенератора для керування електромеханічним перехідним процесом на ТЕС, яка за рівнем складності відповідає класичній спрощеній моделі “повільних” перехідних процесів, але, на відміну від існуючих спрощених моделей, враховує фізичні явища в роторі: ефекти витіснення струму і насичення магнітної системи за рахунок виразів для розрахунку асинхронної потужності. Вирази одержані рішенням операторним методом спрощених рівнянь Парка-Горева при врахуванні ротора операторними опорами.

При урахуванні близько до синусоїдальної залежності ковзання ротора генератора від кута навантаження в режимі, що викликаний втратою збудження, одержані аналітичні залежності для розрахунку параметрів асинхронного режиму турбогенератора в часі, які враховують явище витіснення струму в роторі. На основі залежностей встановлений вплив електромагнітних параметрів синхронної машини на екстремальні значення параметрів асинхронного режиму турбогенератора.

Одержані узагальнені математичні моделі елементів ЕЕС, які відрізняються від відомих багатофункціональністю і здатністю перебудовуватися і зберігати високий ступінь адекватності, як при зміні цільових і оцінних установок, так і інформаційної моделі.

6. Запропоновано метод формування закону управління перехідним процесом генератора на основі пошуку управляючих дій і (або) параметрів систем управління шляхом рішення диференціальних рівнянь з послідовним використанням кількох варіантів їх правих частин. По траєкторії руху вказується довільна кількість числових значень для деяких з шуканих незалежних змінних і аргументу, досягши яких в ході рішення автоматично виконується зміна коефіцієнтів, управляючих функцій, внесення поправок в поточні значення змінних. Передбачена можливість фіксувати довільну точку траєкторії, для подальшого повернення в неї і продовження рішення з іншими параметрами модельованого руху для забезпечення проходження траєкторії руху через наступну задану точку траєкторії.

На основі методу розроблений спосіб управління генератором в асинхронному режимі подачею управляючих дій на систему регулювання швидкості турбіни, що забезпечує зменшення негативних дій режиму на електричну машину і ЕЕС, який відмінний від відомих способів симетрування режиму шляхом включення нелінійних опорів в обмотку збудження.

7. Розроблені методи побудови і інтерпретації баз знань, які на відміну від відомих не вимагають корекції інструментального ПЗ для імітаційного моделювання і для експертної системи при зміні структури і змісту правил бази знань, при зміні розташування і кількості датчиків в системі збору інформації, а також при зміні пристроїв протиаварійного керування локальним об'єктом (елементом), оскільки математичні моделі пристроїв знаходяться в БЗ.

8. Запропонований метод автоматизації аналізу аварійних ситуацій в ЕЕС, який дозволяє визначати не тільки вид короткого замикання, пошкоджений об'єкт і місце пошкодження на лінії, а й відмови релейного захисту і вимикачів, помилкову роботу релейного захисту, оцінювати стан приводів вимикачів. Метод реалізований в двох варіантах: спрощеному (на основі реєстратора аварійних ситуацій) і повному (з використовуванням для обробки інформації вузла ЛОМ). Сформульовані правила процедурного типу, що описують безліч причинно-наслідкових зв'язків при аварійних ситуаціях в ЕЕС.

9. Розроблений метод діагностування замикань витків обмотки збудження синхронного генератора, який засновано на зіставленні значень струмів збудження, що розраховуються і вимірюваного. Метод на відміну від відомих ураховує насичення магнітної системи генератора і передбачає уточнення попереднього висновку по реакціях на збурення з боку автоматичного регулювання збудження генератора. Запропонований метод діагностування замикань обмотки статора генератора, основою якого є логічні вирази, одержані в результаті моделювання процесів пошкоджень обмотки генератора і які зв'язують режимні параметри.

Практичне значення одержаних результатів визначено їх спрямованістю на підвищення ефективності керування локальними об’єктами в нових умовах. Використання одержаних результатів дозволило:

1. Забезпечити розробку алгоритмів і ПЗ ІКС, що задовольняють критеріям побудови систем відкритого типу і функціонують на єдиній інформаційній основі.

2. Забезпечити розробку інструментального ПЗ для побудови прикладних експертних систем.

3. Розробити ІКС для ТЕС, АРМи персонала різних служб електроенергетичних підприємств

4. Створити прикладні експертні системи діагностування блоків ТЕС, трансформаторів підстанцій, аналізу роботи пристроїв РЗА.

5. Розробити бази знань і даних для оцінки стану генераторів потужністю 200 і 300 МВт і систем, що забезпечують їх роботу, трансформаторів і аналізу роботи РЗ і ПА ліній електропередач, збірних шин підстанцій.

Результати роботи впроваджені наступним чином:

1. Уніфіковані БЗ для ліній електропредач, збірних шин, алгоритми їх адаптації до конкретних ліній і шин і каналів реєстрації аналогової і дискретної інформації від пристроїв РЗ, ПА, систем управління вимикачами, класифікатор інформації використані в ПЗ для ІКС, яке впроваджене у електричних мережах Донецькобленерго.

2. Експертна система діагностики генераторів використовується при створенні АСУТП ТЕС ТОВ “Східенерго”, а результати розробок, у вигляді автоматизованих робочих місць начальників змін, передані на ТЕС ТОВ “Східенерго”.

3. Метод управління генератора в асинхронному режимі, математичні моделі генераторів, метод діагностування замикань витків обмотки збудження турбогенератора прийняті для упровадження на ТЕС ТОВ “Східенерго”.

4. Інструментальні програмні засоби створення ІКС, схеми заміщення асинхронних генераторів, рекомендації, що одержані на основі експериментального аналізу стаціонарних і динамічних режимів використовуються персоналом Новоазовської вітрової електричної станції.

5. Основні положення і результати досліджень дисертаційної роботи використані для створення дисципліни “Управління режимами електричних систем на основі сучасних інформаційних технологій” (лекції і лабораторні роботи). Дисципліна включена в учбовий план спеціальності “Електричні системи і мережі” в Донецькому національному технічному університеті. Крім того, результати роботи використовуються при виконанні курсового проектування з дисципліни “Електричні системи і мережі” і дипломному проектуванні студентами спеціальності 7.090602.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, принципи, методи, й результати які містяться в дисертації і що виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи оприлюднено більш ніж на 20-ти науково - технічних конференціях, симпозіумах, семінарах, серед яких 12 є міжнародними, 6 всеукраїнськими. А саме: науково – технічна конференція "Динамічні режими роботи електричних машин. Ч2. Перехідні процеси в синхронних машинах" (Каунас, 1988 р.); Konferencyjne XXXI miedzynarodowe sympozyum maszyn elektrycznych Maszyny synchroniczne Gliwice, 1995. Sept. 1995; республіканська науково - методична конференція "Нові технології підготовки спеціалістів з вищою технічною освітою за триступеневою системою" (Вінниця, 1996 р.); II, III, IV міжнародні науково-технічні конференції “Математичне моделювання в електротехніці і електроенергетиці” (Львів, 1997, 1999, 2003 рр.); V міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в складних системах (Вінниця, 1999 р.); Всеросійський електротехнічний конгрес з міжнародною участю (ВЭЛК – 99, Росія, Москва, 1999 р.); семінар “Кібернетика електричних систем” (Росія, Новочеркаськ, 2000 р.); міжнародні науково-технічні конференції “Управління режимами об’єктів електричних систем” (Донецьк, 2000; 2002; 2004 рр); Всеросійська науково-технічна конференція “Енергосистема: управління, якість, безпека” (Росія, Єкатеринбург, 2001 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Інформаційна техніка і електромеханіка на порозі ХХI-го століття (ITEM-2001, Україна, Луганськ, 2001 р.); міжнародні симпозіуми “Проблеми вдосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика SIEMA 2001 і SIEMA 2003 (Харків, 2001, 2003 рр.); наукова конференція “Донбас -2020: наука і техніка – виробництву” (Донецьк, 2002 р.), міжнародна науково-технічна конференція “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізація” (Кременчук, 2004); International Conference on Electrical Machines and Power Electronics ACEMP 2004 (Istanbul, Turkey, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 47 наукових праць, в тому числі: 43 статті (з них без співавторів - 14) – в виданнях, що входять до переліку наукових фахових видань, затвердженого ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, списку використаних джерел і п’яти додатків. Загальний обсяг дисертації складає 399 сторінок, у тому числі 233 сторінки основного тексту, 96 рисунків на 53 сторінках, 19 таблиць на 10 сторінках, бібліографічного списку з 244 найменувань на 24 сторінках і додатків на 79 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі дана характеристика локальних об'єктів ЕЕС, технологічних задач, які вирішує персонал, сучасних технологій ведення інформації і програмування, виконаний аналіз існуючих АСУ в електроенергетиці, а також виділені основні чинники і тенденції їх розвитку в умовах структурної перебудови електроенергетики і роботи енергетичного ринку.

У розділі відзначається, що при наявному підході в імітаційному моделюванні в режимній моделі шляхом нарощування математичної моделі враховується топологія комутаційних схем, правил виконання перемикань, інформаційних властивостей елементів. Цей підхід є причиною побудови моделей, які складно адаптувати під актуальний стан об'єкта і згідно мети управління, що створює проблеми щодо підвищення ефективності математичного моделювання. В розділі відзначається, що технічні засоби управління, які встановлені на локальних об'єктах ЕЕС, дозволяють ефективно вирішувати технологічні задачі на основі сучасних інформаційних технологій. Показано, що використовуване ПЗ розділяється згідно групам задач, а технологія управління локальними об'єктами і елементами ЕЕС передбачає оцінку фактичної ситуації, виконання імітаційного моделювання з подальшим аналізом економічності та надійності режимів, оцінки допустимості команд, отримання інформаційної підтримки рішень персоналу, тобто інтегрованого рішення задач різних груп.

Показана актуальність організації ефективного діагностування електроустаткування, особливо в умовах значної його зношеності. Показано, що застосування систем, які реалізують принципи штучного інтелекту, характеризується спрямованістю на окремі технологічні задачі, для одного об'єкту створюються індивідуальні програми контролю окремих режимів, вузлів і, відповідно, декілька БЗ, які відрізняються як за способами уявлення і зберігання, так і за методиками обробки.

Використовувана технологія програмування в більшій мірі відповідає вимогам інженера-дослідника, ніж інженера-технолога, оскільки не забезпечує автоматичного формуванні складових моделей на основі принципових схем електричних з'єднань, адаптації складових до актуального стану локального об'єкта і цільової посилки та інтеграції складових моделі при рішенні задачі. З проведеного аналізу зроблений висновок, що розробка ІКС, що забезпечать реалізацію управління з позицій інженера-технолога при ефективному рішенні різноманітних технологічних задач, що динамічно складаються, обумовлює необхідність застосування системного підходу до автоматизації процесів щодо прийняття персоналом рішень. Для побудови ефективної системи обґрунтування рішень необхідно створити механізми, які забезпечують, як мінімум, цілісне бачення об'єктів в навколишньому середовищі, причому не тільки в їх актуальному стані, але і в динаміці і у взаємодії як один з одним, так і з системою управління.

Сформульовані задачі, які необхідно вирішити, обґрунтовані основні напрями для розв’язання задач і зроблено висновок, що реалізація сформульованого може бути виконана тільки на підставі формування концептуальних і методологічних принципів створення ІКС на базі сучасних інформаційних технологій. Зроблено висновок про необхідність розробки відповідного інструментарію ПЗ.

У другому розділі обґрунтовані основні компоненти архітектури, їх функції, визначені і обґрунтовані основні положення, правила, принципи, структури і алгоритми для побудови ІКС локальними об'єктами ЕЕС, які забезпечують створення ІКС у вигляді системи відкритого типу, реалізація яких при відносно незначних витратах підвищує ефективність автоматизованого управління локальними об'єктами і елементами ЕЕС. Так наприклад, при побудові ІКС, що враховує особливості технологічних задач керування, елементи ЕЕС представлені у вигляді узагальненого об'єкта з параметрами - властивостями і керуючими параметрами; використовується інтегрований опис об'єкта в графічній (з безліччю модифікацій графічного образу) і табличній формах і ін. Принципи і алгоритми можуть бути корисними і для вдосконалення АСДУ ЕЕС.

У розділі викладена технологія моделювання, яка відрізняється від існуючих тим, що з позицій інженера-електрика розв'язуються задачі керування при автоматичному формуванні складових моделей на основі принципових схем електричних з'єднань, при формуванні управляючих ознак для адаптації моделі і оцінки допустимості команд управління на основі інформації від систем збору і інформації, що оперативно вводиться персоналом; обґрунтована і реалізована концепція роздільної адаптації складових моделі локального об'єкта ЕЕС і подальшої інтеграції складових для створення моделі даних, яка є адекватною до поточної ситуації; розвинена методологія ведення інформації, що відрізняється від відомих технологій методами для інтегрованого ведення графічної і символьної інформації і створення інтегрованої інформаційної моделі предметної області з метою функціонування прикладного програмного забезпечення (ППЗ) на єдиній інформаційній основі і спрощення взаємодії користувача з ПЕОМ.

За допомогою підмножин, які визначають відповідно надійність, якість, економічність вироблення, передачі, розподілу і споживання енергії, сформульовані умови для режимів: нормальний (НР), коли виконуються всі три умови ; аварійний (АР), коли порушується умова надійності ; післяаварійний (ПР), коли відновлюється тільки умова надійності, де М – безліч всіх станів об'єкта.

На підставі аналізу вимог до сучасних систем управління, а також на основі аналізу діяльності персоналу сформульований ряд вхідних положень, правил і принципів, що становлять основи теорії побудови ІКС.

Так наприклад, розроблений метод адаптації моделі засновано на використанні положення про узагальнений об'єкт з параметрами, до яких входять і ті, які визначаються зв'язками з іншими об'єктами та збуреннями і що впливають на складові моделі об'єкта на відміну від об'єктно-орієнтованого програмування, при якому вони розділені на різноманітні групи по функціональному призначенню (що роблять об'єкти) і (або) подібністю декількох функцій (як вони щось роблять).

Реалізація концепції роздільного ведення складових моделі з їх подальшою інтеграцією заснована на положеннях і правилах взаємозв'язку графічних образів елементів і реляційного опису їх властивостей.

Використовування положень про безліч станів елементів і структур моделей, з якими працює інженер-технолог стало основою для створення методів адаптації складових моделі до актуального стану об'єкта і мети управління. Положення про складові математичної моделі, методах їх зберігання і способах виконання дозволило уникнути необхідності заміни програмного коду при корекції моделей пристроїв РЗ і ПА, директивних вказівок по експлуатації об'єктів ЕЕС. На підставі сформульованих положень і правил обґрунтовані основні принципи побудови ІКС для локальних об'єктів ЕЕС.

Використовування ЛОМ з функціональним розподілом вузлів (рис. 1) дозволяє не тільки розподілити процеси і тим самим підвищити швидкодію, але й підвищує надійність роботи ІКС.

Рис. 1. ЛОМ з функціональним розподілом вузлів

Побудова ПЗ у вигляді системи, що налічує три рівня і складається з: інформаційного забезпечення (БД і БЗ), координуючого рівня, ППЗ забезпечує відкритість системи і відповідає міжнародному стандарту побудови відкритих систем. Координуючий рівень (графічний інтерфейс користувача) забезпечує зв'язки інформаційної моделі і ППЗ і є основою для роботи всього ПЗ. Координуючий рівень – це засіб реалізації моделей, що адаптуються, і діалогової взаємодії з користувачем. ППЗ з керованим ступенем інтеграції технологічних задач: імітаційного моделювання, інформаційної підтримки рішень оперативного персоналу, оцінки режимів і стану устаткування, аналізу причин ситуацій при використовуванні систем штучного інтелекту. Взаємодія людини з системою відбувається на основі запитів, що включають вид устаткування, умови експлуатації, стан і тенденції зміни параметрів, аналіз ситуацій і ін. Організація системи запитів призводить до того, що всі реалізуємі модулем звіти, доступні користувачу через механізм запитів до БД. Наявний набір запитів забезпечує поточні потреби як технічних служб, так і апарату управління і реалізується у вигляді списку меню, що максимально спрощує взаємодію користувачів з ПЗ.

Відображаючи реальні зв'язки між компонентами електричних мереж, модулі програмного комплексу взаємодіють між собою, реалізовуючи механізми для встановлення зв'язку між об'єктами на графічних зображеннях і символьною (з таблиць) інформацією, яка відноситься до цих об'єктів, а також між безліччю модифікацій графічного образу елемента з технологічною задачею; для встановлення зв'язків між модулями з використанням загальних об'єктів обліку, пойменованих в різних модулях; для об'єднання даних з декількох модулів для вирішення однієї задачі.

Розроблений графічний інтерфейс користувача (ГІК), що забезпечує роботу інженера з термінологією його предметної області. ГІК відрізняється тим, що забезпечує оцінку допустимості команд, ведення БЗ за допомогою універсального будівника, створення і використовування багаторівневих зображень за допомогою графічного редактора; формування режимів роботи електроенергетичного об'єкту за допомогою редактора режимів; автоматичну і при необхідності в режимі інтерактивного діалогу побудову моделей даних задач на підставі поточного режиму електроенергетичного об'єкта; оцінку стану устаткування за допомогою інтерпретатора стану. Метод позапроцедурної технології програмування включає методологію побудови ІКС і набір інструментальних засобів, що дозволяють в наочній формі моделювати предметну область, аналізувати вид моделі на всіх етапах роботи ІКС і забезпечення інформаційної підтримки шляхом агрегації інформації (рис.2).

Рис. 2. Структурна схема управління інформаційною моделлю

Технологія агрегації інформації заснована на реалізації різних вихідних форм інформації, що динамічно адаптуються за допомогою команд, кнопок, випадних меню, перемикачів.

Графічне зображення визначається розв’язуваною прикладною задачею. Оскільки в процесі прийняття рішення необхідне виконання задач, що відносяться до різних функціональних напрямів, то необхідне забезпечення зв'язку між відповідними графічними зображеннями. Графічний редактор працює з бібліотеками графічних образів елементів мережі, які розбиті на характерні: сполучні елементи і наборів блоків. Кожен блок має ряд точок, що названі портами.

У розділі обґрунтоване і реалізоване введення для графічних образів ряду параметрів (стану, зв'язку, математичної моделі елемента і ін.), які дозволяють підвищити ефективність адаптації складових моделі, оскільки визначаються або сигналами, переданими дистанційно, або введеними вручну, або одержаними розрахунковим шляхом.

У розділі розроблені методи, що забезпечують цілісність інформації за рахунок зв'язків блоків в СЧБД і ГЧБД, модифікацію блоків і розрахункових схем за рахунок поєднання атрибутів блоку з портами, підвищення надійності формування моделі локального об'єкта ЕЕС на основі графічного зображення для блоків з трьома портами і більш, оперативну перебудову електричної схеми під вирішувану технологічну задачу.

Розроблені автоматизований і автоматичний методи формування топології розрахункової схеми. Метод автоматичного створення графа базується на наступних операціях з графами: об'єднанні; перетині; різниці; прирості і замиканні одного графа в іншому; стиснення графа. Кожна вершина графа відповідає одному елементу схеми і має тип графічного образу: точка, з’єднувальна лінія, шина, блок. Перші три типи використовуються для полегшення відображення користувачем схеми. Тип, що залишився, - блок - в свою чергу може мати ще ряд параметрів, що знаходяться в його імені. Достатньо вказати, що це інформація про стан елемента: справний, несправний, включений, відключений, в ремонті; про тип елемента: джерело енергії, трансформатор, комутаційне устаткування і ін. У розділі обґрунтовані структури відносин для зберігання графа в пам'яті ПЕОМ. Перетворення графа означає виділення з графа підграфа з урахуванням значень ознак управляючих параметрів елементів.

Основу для виконання перетворення складають стани комутаційних елементів. Вершини, що відповідають комутаційним елементам схеми, складають підмножину К = {ki} вершин. Для будь-якого ki із станом “вимкнений” виключаються всі дуги, що витікають А’ = А - Hi, де Hi - безліч дуг, що витікають з вершини ki., А – безліч дуг, що зв'язують елементи. Одержаний граф G’ = (X, А’) вже може не володіти властивістю сильної зв'язності. Особлива зв'язкова (сильна) компонента графа G’ це сильно зв'язний підграф, який не міститься в будь-якому іншому сильному підграфі. Далі виділяються сильні компоненти, що містять всі елементи типу “джерело енергії”. Враховуючи особливості даного графа: якщо є з'єднання в одну сторону, то завжди є з'єднання і в іншу сторону, окрім як для комутаційного устаткування, у вищезгаданому алгоритмі, при перетині множин R і Q будуть виключені комутаційні елементи, які сполучені з джерелами енергії і мають стан “вимкнений”. В цьому випадку, множину Q можна не визначати. Тепер алгоритм зводиться до пошуку всіх вершин, які можна досягти з “джерел енергії”. Дуги підграфа S можуть бути одержані видаленням з множини А’ дуг графа G’ всіх вхідних і вихідних, що не належать множині S: D = А’ - (R(xi) Q(xi)), xi S, де R(xi) - безліч вихідних дуг для вершини xi; Q(xi) - безліч вхідних дуг для вершини xi .

Щоб виконати перевірку на справність устаткування, необхідно визначити: чи не існує в безлічі S елемента, що має стан “несправний”. Щоб одержати спрощений варіант схеми, з графа вилучаються зайві вершини і дуги. Для кожної вершини xi S, якщо вона не несе смислового навантаження (єднальна лінія чи точка, шина, комутаційний елемент), кожна вхідна дуга (xj, xi) замінюється дугами з початкової точки xj у всі точки rk R(xi) (безліч вершин, в яких завершуються дуги, що витікають з xi). На рис. 3 представлена функціональна модель інструментарію програмних засобів для автоматичного створення графа електричних з'єднань локального об'єкта ЕЕС для задач імітаційного моделювання.

Рис. 3. Функціональна структура інструментарію побудови графів (схем: вихідної, перетворених; підсумкової)

Основою системи технологічного програмування є: об'єктний підхід; компонентна структура; технологія “проміжного шару” (рис. 4); непроцедурне програмування. Технологічна програма є сукупністю об'єктів і форм заданої структури, безлічі таблиць по напрямах: параметри моделі; виконавці команд; типи моделі; стани моделі; реакції моделі; заборони на команди і ін.; меню з різними опціями.

Технологія взаємодії об'єктів по суті є універсальним протоколом обміну даними, що є способом реалізації даної абстракції в табличній і графічній формах, і забезпечення взаємодії між ними і іншими об'єктами. Таким чином, технологія взаємодії об'єктів є синтезом декількох технологій навколо однієї ідеї: універсального представлення об'єкта і універсальної взаємодії.

Універсальна взаємодія реалізується за допомогою наступних основних компонент: механізму імен; механізму асоціацій, механізму реєстрації об'єктів; будівника логічних виразів і універсального інтерпретатора логічних виразів, які зберігаються в БЗ і використовуються для оцінки реакцій об'єкта на керуючі і збурені діяння для урахування роботи РЗ і ПА.

Рис. 4. Організація взаємодії компонент: а) звичайна технологія, б) через проміжний шар

Кожен елемент локального об'єкта ЕЕС обслуговується механізмом реєстрації таблиць, у тому числі і