Кудрявцева Марина Сергіївна

УДК 007.51

МОДЕЛІ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ задач контролю

й управління електроенергетичним комплексом

Спеціальність 05.13.06 – інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному

університеті радіоелектроніки

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Левикін Віктор Макарович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

завідувач кафедри інформаційних

управляючих систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Федорович Олег Євгенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»,

завідувач кафедри інформаційних

управляючих систем.

доктор технічних наук, професор

Тевяшев Андрій Дмитрович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

завідувач кафедри прикладної математики.

Захист відбудеться 21.05. 2008 р. о 13-ї годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою:

61166, м. Харків, пр. Леніна, 14. тел.: (057) 702–14–82

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 20.04. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чалий С.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Основними проблемами сучасного рівня розвитку української електроенергетики є відставання по ряду технологій, по технічному рівню електрообладнання і систем управління. В умовах набуваємих роками технічних недоглядів, організаційних помилок, недостатнього контролю за обладнанням і недостатнього підготування персоналу не видається можливим використовувати загальновідомі методи підвищення надійності функціонування електроенергетичного комплексу, який містить в собі сукупність основного та допоміжного обладнання, машин, апаратів, ліній, призначених для виробництва, перетворення, передавання, розподілення електричної енергії, а також сукупність персоналу, що обслуговує дане обладнання.

Великий внесок в розвиток моделей, методів, інструментальних засобів формального опису реальних об’єктів, процесів їх функціонування, обробки інформації, що містить нечіткі дані, імітаційного моделювання внесли дослідження вчених: В.М. Глушкова, М.П. Бусленка, І.Б. Сироджа, Ю.П. Шабанова-Кушнаренко. Дослідженню проблем підвищення безвідмовності й безаварійності роботи електроенергетичного обладнання, функціонування та управління технічними системами в аварійних ситуаціях присвячені роботи В.А. Венікова, А.С. Яндульского, М.І. Воропая, М.Г. Сухарєва, А.Д. Тевяшева.

Оцінка реального стану енергетичного обладнання, своєчасне виявлення порушень його роботи за рахунок проведення організаційних і технічних заходів є важливішими науково-технічними задачами. Тому актуальною є розробка математичних моделей та інструментальних засобів автоматизації виконання функцій організаційного управління електроенергетичного комплексу для вибору можливих шляхів запобігання або локалізації аварій й поновлення режиму роботи обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася автором на кафедрі інформаційних управляючих систем Харківського національного університету радіоелектроніки в межах госпдоговірної НДР «Розробка підсистеми оперативного контролю стану електроенергетичного обладнання в ДП НЕК «Укренерго» (№ держ. реєстрації: 0105U004525) за договором №05-23 від 01.06.2005 р., замовник – ТОВ «Резонанс». Автор дисертації є відповідальним виконавцем роботи за договором.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка моделей та інструментальних засобів задач автоматизованого контролю й управління електроенергетичним комплексом, що забезпечують підвищення ефективності експлуатації електроенергетичного обладнання, профілактичних і діагностичних заходів для запобігання аварій і відмов.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

– провести аналіз процесів контролю й управління електроенергетичним комплексом, існуючих систем, технологій обслуговування життєвого циклу електроенергетичного обладнання, методів його діагностики, аналіз методів, моделей, інструментальних заходів контролю й управління електроенергетичним комплексом;

– розробити функціональну структуру підсистеми контролю й управління електроенергетичним комплексом;

– розробити математичну модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу;

– розробити математичну модель вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу;

– розробити математичну модель вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів обладнання електроенергетичного комплексу;

– розробити математичну модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання;

– розробити прикладну інформаційну технологію для автоматизації контролю й управління електроенергетичним комплексом для забезпечення безаварійності й безвідмовності його роботи;

– впровадити основні положення та результати дослідження у практику автоматизації контролю й управління електроенергетичним комплексом.

Об'єкт досліджень: процеси контролю й управління електроенергетичним комплексом для забезпечення безаварійності й безвідмовності його роботи.

Предмет досліджень: моделі та інструментальні засоби контролю й управління електроенергетичним комплексом для забезпечення безаварійності й безвідмовності його роботи.

Методи досліджень: системний аналіз, алгебра регулярних подій, теорія нечітких множин і нечіткої логіки, теорія імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. В межах виконаного дослідження в якості нових результатів можна виділити наступні:

1. Вперше розроблено модель вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу, основана на алгебрі регулярних подій, яка описує впорядковані послідовності у вигляді виду порушення, його причини, додаткових ознак, наслідків, результатів порушень, що дає можливість за результатами контролю поточних вимірювань або виявлених порушень роботи обладнання прийняти заходи по його усуненню, тим самим підвищити ефективність ремонтних робіт.

2. Удосконалено модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу, отримана за допомогою методики оцінки науково-технічного рівня систем, в частині опису показників оцінки науково-технічного рівня електроенергетичного обладнання, що дає можливість проводити комплексну оцінку стану обладнання і вибирати раціональну стратегію організаційно-технічних заходів.

3. Удосконалено модель вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи обладнання електроенергетичного комплексу, основана на нечіткій логіці, в частині опису сукупності методів діагностики порушень основних елементів обладнання, оцінки їх застосування з урахуванням їх невизначеності, а також реалізації вибору методів діагностики, що дає можливість проводити обґрунтовану діагностику стану експлуатованого обладнання, тим самим підвищуючи надійність його роботи.

4. Удосконалено модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання, основана на алгебрі регулярних подій, в частині опису впорядкованих послідовностей фактів про припинення електропостачання споживачів, причин вимикання обладнання, варіантів рішень щодо примусового вмикання обладнання персоналом або своєчасного виведення його в ремонт, що дає можливість обмежити масштаби аварій і відновити роботу обладнання.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані в роботі моделі та інструментальні засоби доведені до рівня програмних засобів і дають можливість забезпечити підвищення рівня безаварійності й безвідмовності роботи електроенергетичного обладнання, проводити ефективні профілактичні й діагностичні заходи для запобігання аварій і відмов обладнання, тим самим знизити витрати на його експлуатацію.

Розроблені моделі та інструментальні засоби можуть бути використані для опису процесів функціонування усіх видів обладнання електроенергетичного комплексу: автоматичних вимикачів, пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики, елементів повітряних ліній.

На основі запропонованих моделей та інструментальних засобів розроблено програмну реалізацію задач автоматизованого контролю й управління електроенергетичним комплексом, яка може бути встановлена на різних підприємствах енергетичної галузі України.

Задачі контролю й управління електроенергетичним комплексом впроваджені на підприємстві Південно-Західна електроенергетична система ДП НЕК «Укренерго», (акт від 22.06.2007 р.), та на підприємстві ТОВ «Резонанс» (акт від 24.12.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: в роботах [1, 6, 7] розроблені математичні моделі вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу; в роботі [2] розроблені математичні моделі вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу; в роботах [4, 8] розроблені математичні моделі вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи обладнання електроенергетичного комплексу; в роботі [3] розроблені математичні моделі задачі формування вимог до пристроїв автоматичного управління й захисту обладнання; в роботах [5, 9] розроблені математичні моделі формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й отримали позитивну оцінку на конференціях і форумах: 10-ом Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, 2006 г.; другій науково-технічній конференції з міжнародною участю «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технологій», Кременчуг, 2006 р.; 11-ом Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, 2007 г. (дві доповіді).

Публікації. Матеріали дисертації достатньо повно викладені у 5 публікаціях у виданнях, зазначених в переліку фахових видань ВАК, та у 4 тезах доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів основного змісту, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації складає 239 с., у тому числі: основний текст дисертації – 131 с., 9 малюнків за текстом, 4 таблиці за текстом; 18 малюнків на 28 окремих стор., 9 таблиць на 13 окремих стор., список використаних джерел з 122 найменувань на 11 стор., п’ять додатків на 56 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, визначені об’єкт та предмет дослідження, наукова новизну і практична цінність отриманих результатів, наведено дані про публікації й особистий внесок здобувача, надані відомості про апробацію роботи.

У першому розділі для виділення невирішених проблем роботи електроенергетичних систем і обладнання виконаний огляд і системний аналіз проблем сучасного стану функціонування процесів контролю й управління електроенергетичним комплексом, існуючих систем, моделей, методів та інструментальних засобів. На основі даного аналізу виділені основні задачі, розробка яких дозволить підвищити ефективність і надійність експлуатації, профілактичних і діагностичних робіт по запобіганню відмов і аварій електроенергетичного обладнання.

Другий розділ присвячений дослідженню й моделюванню електроенергетичного комплексу, розробці математичних моделей задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу.

У розділі виконано дослідження функціональності основного електроенергетичного обладнання, проблем його старіння, причин порушень у роботі, а також організаційних і технічних причин аварій і відмов.

Запропоновано функціональну структуру автоматизованої розподіленої системи управління електроенергетичним комплексом і підсистеми контролю й управління електроенергетичним комплексом, сформульовані вимоги до забезпечуючого комплексу.

Досліджені існуючі ознаки й принципи методики визначення порядку організації розслідування, усунення, класифікації і обліку технічних порушень в роботі обладнання. Проте, дана методика не надає кількісних оцінок цих робіт виконавцям.

Застосування методики оцінки науково-технічного рівня (НТУ) для оцінки безаварійності та безвідмовності роботи обладнання дозволить враховувати невизначеність і ризик, пов’язані з конкретними умовами майбутнього розвитку порушення. У загальному вигляді значення показників НТУ визначаються як сума значень показників нижніх рівнів ієрархічної структури з урахуванням показників (ваги критеріїв) по формулі

, (1)

де Pi ? ймовірності виникнення аварійних подій або подій відмов;

i ? кількість усіх показників НТУ, i=1,n;

(1?Pi) ? ймовірність безвідмовності роботи обладнання;

Yi ? ваги критеріїв, визначені для аварійних подій або подій відмов.

Показники або ваги критеріїв повинні задовольняти наступним умовам:

,

, (2)

Однією з основних проблем електроенергетичної галузі є забезпечення безвідмовності й безаварійності роботи як мережі в цілому, так і всіх її ланок у ієрархічній структурі мережі – підстанцій (ПС) і повітряних ліній (ПЛ). Сьогодні ця проблема вирішується за допомогою розвитку рівня безвідмовності й безаварійності в електроенергетичних мережах на базі постійно набуваємих статистичних матеріалів по видам порушень і прийняття організаційно-технічних заходів. Але кількісних оцінок цих робіт співробітники функціональних служб не мають.

Математичні моделі вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу розроблені з урахуванням технічних порушень і з урахуванням пошкоджень основних елементів обладнання. Для визначення структури показників НТУ проведені декомпозиція технологічних порушень і декомпозиція пошкоджень основних елементів обладнання на функціональні області й окремі елементи, введені шкали оцінки класів елементів і шкали оцінки інтегральних властивостей досліджуваних об’єктів.

Математична модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу з урахуванням технічних порушень Yтн в загальному вигляді визначається

, (3)

де YбаI, YбаII, ? відповідно НТУ оцінки безаварійності (I, II категорії) ;

YбвI, YбвII ? відповідно НТУ оцінки безвідмовності роботи обладнання (I, II категорії);

Y11, Y12 ? відповідно ваги критеріїв безаварійності (I, II категорії);

Y13, Y14 ? відповідно ваги критеріїв безвідмовності (I, II категорії);

З урахуванням (1–3) і значень введених елементів математична модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу з урахуванням технічних порушень визначається у вигляді

,

де Y131, Y132, Y133 ? відповідно ваги критеріїв безвідмовності роботи обладнання ПС, ПЛ, недовідпуску електроенергії I категорії;

Y141, Y142, Y143 ? відповідно ваги критеріїв безвідмовності роботи обладнання ПС, ПЛ, недовідпуску електроенергії II категорії;

Yi, Yj ? відповідно ваги критеріїв, визначені для аварійних подій (I, II категорії);

Yk, Yl, Yнед.I ? відповідно ваги критеріїв, визначені для подій відмов ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії I категорії;

Ym, Yn, Yнед.II ? відповідно ваги критеріїв, визначені для подій відмов ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії II категорії;

Pi, Pj, ? відповідно ймовірності виникнення аварійних подій (I, II категорії);

Pk, Pl, Pнедов.I, ? відповідно ймовірності виникнення подій відмов обладнання ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії I категорії;

Pm, Pn, Pнедов.II ? відповідно ймовірності виникнення подій відмов обладнання ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії II категорії;

n, m ? відповідно кількість аварійних подій (I, II категорії);

p, r ? відповідно кількість подій відмов ПС, ПЛ I категорії;

s, t ? відповідно кількість подій відмов ПС, ПЛ II категорії.

Імовірності виникнення аварійних подій технологічних порушень визначаються на основі аналізу статистичних даних о технологічних порушеннях в мережах Національної енергетичної кампанії (НЕК) «Укренерго» за 1998-2007 рр. і обчислюються по біноміальному закону. Ваги критеріїв безвідмовності й безаварійності визначаються на основі методів експертних оцінок.

Аналогічно визначається математична модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу з урахуванням пошкоджень обладнання.

Отримані математичні моделі дозволяють визначити оцінки досягнутого науково-технічного рівня, який характеризується значеннями показників елементів і умовами роботи мережі, виявленими в результаті аналізу функціонування об’єкту управління у виробничих умовах, і дозволяють проводити раціональну систему організаційних, технічних та інших заходів, спрямованих на підвищення безвідмовності й безаварійності роботи обладнання.

Основні результати розділу опубліковано в роботах [1, 6–7].

Третій розділ присвячений розробці математичних моделей задач контролю й управління електроенергетичним комплексом: моделей вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу, моделей вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів обладнання електроенергетичного комплексу, моделей формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання.

Велика кількість обладнання з тривалим терміном служби не дозволяє у найближчий час провести його заміну, тому для підтримання вимагаємої експлуатаційної надійності трансформаторного обладнання важливо забезпечити його діагностичний контроль і своєчасне виявлення розвиваючихся дефектів.

Задача визначення причин і наслідків роботи обладнання електроенергетичного комплексу здійснюється оперативним персоналом на основі власного досвіду, діючих інструкцій і нормативних документів. Але при цьому не завжди вдається точно і швидко встановити причину ненормального режиму роботи обладнання, а навіть самі незначні відхилення параметрів можуть приводити до серйозних відмов а, отже, великих матеріальних витрат.

Для реалізації даної задачі розроблено загальну структурну схему визначення причин і наслідків порушень роботи трансформаторного обладнання, яка містить основні структурні елементи трансформаторів: силові трансформатори, вимірювальні трансформатори тока й напруги; розподілення найбільш типових порушень кожного типу трансформаторів, розподілення основних пошкоджень елементів трансформаторного обладнання, причинно-наслідкові зв’язки порушень роботи трансформаторів з наднормативним терміном служби.

Для формалізації даної структури був використаний модифікований аппарат регулярних схем алгоритмів з побудовою на його базі регулярних схем системних моделей (РССМ). Математична модель вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи трансформаторного обладнання yт визначається у вигляді

,

де xk – умова вибору трансформатора: k=ТС – трансформатор силовий, k=ВТС – вимірювальний трансформатор струму, k=0 – вимірювальний трансформатор напруги;

x1, x4, x5 – умови пошуку порушень роботи відповідно серед найбільш типових для силового трансформатора, трансформатора струму, трансформатора напруги;

x2 – умова пошуку порушень роботи серед найбільш типових для основних елементів силового трансформатора;

x3 – умова пошуку порушень роботи, які виникли із-за експлуатації трансформатора більше нормативного строку служби;

yn – елементи трансформаторного обладнання і процеси, які визначають його функціонування, відповідно з структурною схемою задачі визначення порушень трансформаторного обладнання, n={{1..15},{в, о, мг, і, к, м, рпн; тс, втт, втн; стан}}:

yв – вводи, yо – обмотка, yмг – елементи магнітопроводу, yі – ізоляція, yк – контакти, yм– маслонасос, yрпн – пристрій РПН, yтс –трансформатор силовий, yвтс – вимірювальний трансформатор струму, yвтн – вимірювальний трансформатор напруги, yстан – аналіз стану роботи трансформаторів з наднормативним строком служби.

В межах структурної схеми задачі визначення причин і наслідків порушень роботи трансформаторного обладнання розроблені відповідні алгоритми та моделі.

Алгоритм вирішення задачі визначення порушень в основних елементах трансформаторного обладнання представлений у вигляді граф схема алгоритму (ГСА) і містить стратегію визначення порушень у вводах, обмотці, елементах магнітопроводу, ізоляції, контактах, маслонасосі, пристрої РПН; причинно-наслідкові зв’язки і наслідки порушень роботи основних елементів трансформаторного обладнання. Математична модель вирішення задачі визначення порушень в основних елементах трансформаторного обладнання tпоет з використанням рівносильних перетворювань алгоритмів із ГСА в РССМ визначається у вигляді

,

де tm – елементи трансформаторного обладнання і процеси, які визначають його функціонування згідно алгоритму вирішення задачі визначення порушень в основних елементах трансформаторного обладнання, m={{1..64}, {в, о, мг, і, к, м, рпн}}:

xtj – логічні умови, j = [1..10];

ak – варіанти вибору елементів, k = [1..24];

xl – умова вибору елементів трансформатора: l=В – вводи, l=О – обмотка, l=МГ – елементи магнітопроводу, l=І – ізоляція, l=К – контакти, l=М – маслонасос, l=0 – РПН.

Алгоритм вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для силових трансформаторів представлений у вигляді ГСА і описує порушення, що найбільш часто відбуваються, їх причини та наслідки. Математична модель вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для силових трансформаторів tтпст можна подати у вигляді

,

де xp – умова вибору найбільш типових порушень: p=65 – вимикання дією захисту, p=73 – сильний нерівномірний шум, потріскування усередині, p=74 – постійно зростаючий нагрів при навантаженні нижче номінального, p=75 – викид мастила з розширника або розрив діафрагми вихлопної труби, p=76 – теча мастила зі зниженням рівня, p=77 – незадовільний лабораторний аналіз мастила;

tn – елементи трансформаторного обладнання і процеси, які визначають функціонування трансформаторного обладнання згідно алгоритму вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для силових трансформаторів, n = {23..27; 65..77}: t65 – вимикання дією захисту, t73 – сильний нерівномірний шум, потріскування усередині, t74 – постійно зростаючий нагрів при навантаженні нижче номінального, t75 – викид мастила з розширника або розрив діафрагми вихлопної труби, t76 – теча мастила зі зниженням рівня; t77 – незадовільний лабораторний аналіз мастила;

xtj – логічні умови, j = [3..4; 11..12];

ak – варіанти вибору елементів порушень, k = [7..10; 25..29].

По аналогії розроблений алгоритм вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання, які є найбільш типовими для трансформаторів струму. Модель задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для трансформаторів струму tтптс визначається

,

де xtj – логічні умови, j = [13];

ak – варіанти вибору елементів порушень, k = [30..31];

tr – елементи, які визначають усі операції функціонування трансформаторів струму, згідно алгоритму вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для трансформаторів струму, r = {78..85}.

По аналогії розроблений алгоритм вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для трансформаторів напруги. Модель вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для трансформаторів напруги tтптн визначається

,

де xtj – логічні умови, j = [3..4; 14];

ak – варіанти вибору елементів порушень, k = [7..10; 32..33];

ts – елементи, які визначають усі операції функціонування трансформаторів напруги, згідно алгоритму вирішення задачі визначення порушень трансформаторного обладнання серед найбільш типових для трансформаторів напруги, s = {23..37; 89..94}.

Перевагами розроблених моделей є гнучкість, повноцінність опису структури і алгоритмів задачі, можливість адаптації при розширенні властивостей і складу об’єкта дослідження. Моделі вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу описують впорядковані послідовності, що містять вид порушення, його причину, додаткові ознаки, наслідки, результати порушень і дозволяють за результатами контролю поточних вимірювань або виявлених порушень роботи обладнання визначити причину і наслідки технічного порушення, прийняти заходи по його усуненню, тим самим підвищити ефективність ремонтних робот.

В умовах повністю або частково використаного ресурсу роботи основного обладнання існує ціла низка проблем, пов’язаних, з використанням конкретних методів його діагностики і усунення порушень із визначенням пріоритетів виконання цих робіт.

Ця проблема ставить задачу отримання моделі вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи обладнання електроенергетичного комплексу. У якості математичного апарату вирішення даної задачі пропонується використання теорії нечітких множин і нечіткої логіки, що дозволяє описувати нечіткі поняття та знання, враховуючи усі види невизначеності, оперувати цими знаннями і робити нечіткі виводи.

Для вирішення даної задачі отримана схема визначення порушень роботи трансформаторного обладнання і методів їх діагностики, яка описує взаємозв’язок основних елементів трансформаторного обладнання, в яких найбільш часто відбуваються порушення (вводи, обмотка, елементи магнітопроводу, ізоляція, контакти, маслонасос, пристрій регулювання напруги під навантаженням), з альтернативними методами діагностики кожного порушення (метод хроматографічного аналізу мастила, метод тепловізійного контролю, метод вимірювання часткових розрядів, метод електромагнітної локації зон розрядних явищ, метод вимірювання ізоляційних характеристик, вібродіагностика, осцилографування, діагностика з використанням комплексу засобів).

Нехай A – множина порушень основних елементів трансформаторного обладнання: . Існує множина альтернативних методів B діагностики кожного порушення ak: . Застосування кожного методу діагностики порушення ak можна оцінити за допомогою різних критеріїв Сk. Тоді для кожного критерію Сk може бути розглянута нечітка множина

, (4)

де µc(bi) – оцінка методу bi за критерієм Сk (функція приналежності), яка характеризує ступінь відповідності кожного методу поняттю, визначеному критерієм Сk , ).

Насамперед, експертам пропонується оцінювати максимальні й мінімальні можливі значення критеріїв методів у натуральних показниках, після чого ці значення переводяться в інтервал [0, 1] вираженням

,

де uc, umin, umax – відповідно оцінка застосування методу, її мінімальне і максимальне значення, визначені експертами.

З урахуванням (4) та видів порушень основних елементів трансформаторного обладнання модель задачі оцінки застосування методів для діагностики порушень роботи трансформаторного обладнання L подано у вигляді системи нечітких множин

L= | ,

,

,

,

,

;

де b11 – аналіз трансформаторного мастила, що забезпечує контроль вводів від окислювання й зволоження; b12, b23, b32, b45, b53, b61 – метод тепловізійного контролю елементів трансформаторного обладнання (відповідно вводів, обмотки, магнітопроводу, ізоляції, контактів, маслонасосу); b21, b41– метод вимірювання часткових розрядів елементів трансформаторного обладнання (відповідно обмотки, ізоляції); b22, b44, b51– метод електромагнітної локації зон розрядних явищ елементів трансформаторного обладнання (відповідно обмотки, ізоляції, контактів); b24, b31, b42, b52 – метод хроматографічного аналізу мастила для визначення порушень елементів трансформаторного обладнання (відповідно вводів, обмотки, магнітопроводу, ізоляції, контактів); b43 – метод вимірювання ізоляційних характеристик; b62 – метод вібродіагностики маслонасосу; b71 – метод осцилографування пристроїв РПН; b72 – метод діагностики контактів контактора регулятора напруги з використанням комплексу програмних і апаратних засобів.

Для вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи трансформаторного обладнання розглянемо механізм нечіткого виводу на основі композиції двох нечітких відношень, в якому композиційне правило виводу задає закон реалізації нечіткої моделі вибору методів діагностики та запобігання порушень трансформаторного обладнання.

Нехай xi, zj – змінні, між якими існують нечіткі відносини, які можна подати у вигляді матриці експертних оцінок Rt відповідності застосовуваних методів конкретному порушенню. Конкретні входи А (порушення) між X і Y та виходи B (методи діагностики) між Y і Z можна розглядати як нечіткі множини на просторах X і Z. Відношення множин A і B можна позначити у вигляді композиції матриць: . Тоді для процедури нечіткого виводу функцію приналежності можна подати у вигляді

. (5)

Ця операція виконується як звичайний добуток матриць, в якому операція поелементного множення замінюється знаходженням мінімуму елементів, а підсумовування – знаходженням максимуму елементів.

Тоді з урахуванням (5) модель вибору варіантів рішень задачі діагностики і запобігання аварійних режимів роботи трансформаторного обладнання може бути представлена у вигляді системи

T= | ,

,

,

,

,

,

;

де a11 – електродугове пошкодження вводу; а21 – виникнення часткових розрядів в обмотці; а22 – дефект ізоляції обмотки; а23 – виткове замикання; а31 – підвищений нагрів поверхні магнітопроводу; а32 – порушення ізоляції елементів магнітопроводу; а41 – зволоження ізоляції; а51 – погіршення контактів; а52 – виникнення дуги, дефекти контактних з’єднань; а61 – тертя крильчаток; а62 – виткові замикання в обмотці електродвигуна, а7 – порушення в пристрої РПН;

Rt – матриці експертних оцінок ефективності методів діагностики порушень трансформаторного обладнання. Матриця визначається співробітниками функціональних служб, виходячи з оцінок критеріїв застосування методів для діагностики порушень,

.

В результаті проведених досліджень розроблено модель задачі оцінки застосування методів для діагностики порушень роботи трансформаторного обладнання, яка дає можливість оператору виконати оцінку методів діагностики порушень роботи і стану обладнання, що сприяє усуненню порушень в основних елементах трансформаторного обладнання. Модель вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи трансформаторного обладнання дає можливість співробітникам функціональних служб встановити пріоритети виконання робіт по діагностиці обладнання.

При нормальному функціонуванні автоматичних пристроїв і захисту обладнання дії оперативного персоналу зводяться до контролю за їх спрацьовуванням і за сталим післяаварійним режимом з наступним прийняттям необхідних заходів. Ліквідація виниклої аварійної ситуації в значній мірі залежить від того, наскільки чіткі, правильні та своєчасні дії оперативного персоналу енергооб’єктів.

Тому актуальною є формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням трансформаторів дією захисту за умови неуспішної роботи пристроїв автоматики або неуспішної ручної подачі напруги. Основними видами пристроїв автоматичного управління і захисту трансформаторного обладнання є пристрій автоматичного повторного вмикання (АПВ), пристрій автоматичного вмикання резерву (АВР), газовий захист, диференційний захист, резервний захист, токове відсічення.

Продукційна модель вирішення задачі формування вимог до пристроїв автоматичного повторного вмикання трансформаторного обладнання можна подати у вигляді

,

де (АПВ) – пристрій АПВ трансформаторного обладнання;

QАПВ – усі одиночно працюючі трансформатори 1000 кВА і більше, трансформатори, живлячі відповідальне навантаження;

P1=1 умова істинна, P1=0 умова ложна;

– продукційне правило: якщо «виникають хитливі короткі замикання (КЗ)», то «спрацьовує АПВ»;

NАПВ – подальша успішна робота трансформатора.

По аналогії розроблені продукційні моделі вирішення задачі формування вимог до інших пристроїв автоматичного управління та захисту трансформаторного обладнання, які дають можливість сформувати алгоритми формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання.

Для вирішення даної задачі розроблено загальну структурну схему задачі опису видів захисту при вимиканні трансформаторів. Дана структурна схема являє собою сукупність видів захисту силових та вимірювальних трансформаторів, умов їх вимикання: з припиненням електропостачання споживачів або без їх знеструмлення.

Математична модель задачі опису видів захисту при вимиканні трансформаторів yp з використанням модифікованого апарату регулярних схем алгоритмів визначається у вигляді

,

де xk – умова вибору трансформатора, який був вимкнений: k=ВТС – вимикання силового трансформатора, k=0 – вимикання вимірювального трансформатора;

yi – елементи і процеси, які визначають функціонування трансформаторного обладнання при виникненні порушень і подальшому вимиканні обладнання згідно структурної схеми задачі опису видів захисту при вимиканні трансформаторів: yвтс, yвтв – відповідно вимикання силового та вимірювального трансформатора; y1, y3, y5, y7 – з припиненням електропостачання споживачів; y2, y4, y6, y8 – без припинення електропостачання споживачів; yДА – вимикання трансформатора дією автоматики; yДЗВП – вимикання трансформатора дією захисту від внутрішніх пошкоджень; yДРЗ – вимикання трансформатора дією резервного захисту; yССРН – вимикання трансформатора, що з’єднує мережі різних напруг;

x1, x2 , x3 – умови вимикання силового трансформатора відповідно дією автоматики, дією захисту від внутрішніх пошкоджень, дією резервного захисту;

x4 – умова вимикання силового трансформатора, що з’єднує мережі різних напруг;

x5 – умова вимикання вимірювального трансформатора.

В межах структурної схеми розроблені алгоритми і моделі формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням трансформаторів.

Алгоритм формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією автоматики, представлений у вигляді ГСА і містить стратегію вибору варіантів рішень о необхідності примусового ручного вмикання обладнання або своєчасного виведення в ремонт при вимиканні трансформаторного обладнання дією АПВ, АВР з припиненням електропостачання споживачів або без їх знеструмлення; причини вимикання обладнання.

Математична модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією автоматики, tДА з використанням рівносильних перетворювань алгоритмів із ГСА в РССМ представлена у вигляді

,

де xtj – логічні умови, j=[1..12];

ak – варіанти вибору елементів: a1 – АВР; a2 – АПВ; a3, a5, a7, a11, a13, a15, a17, a21, a23 – Так; a4, a6, a8, a12, a14, a16, a18, a22, a24 – Ні; a9 – навантаження менше номінального; a10 – перевантаження трансформатора; a22 – трансформатори напругою 220 кВ і нижче; a24 – трансформатори напругою 330 кВ і вище;

tt – елементи, які визначають усі операції функціонування при вимиканні силових трансформаторів згідно алгоритму формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією автоматики, t=[1..27];

n – заздалегідь задана кількість повторів циклу, n=3.

По аналогії розроблений алгоритм формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією захисту від внутрішніх пошкоджень, представлений у вигляді ГСА. Модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією захисту від внутрішніх пошкоджень, tДЗВП визначається вираженням

,

де xtj – логічні умови, j=[13..15];

ak – варіанти вибору елементів: a25, a27, a29 – Так; a26, a28, a30 – Ні;

tu – елементи, які визначають усі операції функціонування при вимиканні силових трансформаторів згідно алгоритму формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією захисту від внутрішніх пошкоджень, u=[29..39].

По аналогії розроблений алгоритм формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією резервного захисту, представлений у вигляді ГСА. Модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією резервного захисту, tДРЗ визначається

,

де tВОЗ – відмовлення основного захисту;

xtj – логічні умови, j=[12..19];

ak – варіанти вибору елементів: a31, a33, a35, a37, a39, a41 – Так; a32, a34, a36, a38, a40, a42 –Ні;

tv – елементи, які визначають усі операції функціонування при вимиканні силових трансформаторів згідно алгоритму формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням силових трансформаторів дією резервного захисту, v=[24..47].

По аналогії розроблений алгоритм формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням вимірювальних трансформаторів, представлений у вигляді ГСА. Модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням вимірювальних трансформаторів, tВТВ визначається

,

де tw– елементи, які визначають усі операції функціонування при вимиканні вимірювальних трансформаторів згідно алгоритму формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням вимірювальних трансформаторів, w=[56..58];

xtj – логічні умови, j=[22..23];

ak – варіанти вибору елементів: a43, a45 – Так; a44, a46 – Ні.

Удосконалені моделі формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання, які описують впорядковані послідовності фактів припинення електропостачання споживачів, причини вимикання обладнання, варіанти рішень щодо примусового вмикання обладнання персоналом або своєчасного виведення його в ремонт. Моделі дозволяють співробітникам функціональних служб проаналізувати причини виникнення аварійних ситуацій обладнання на основі ознак їх вимикання дією захисту і забезпечити проведення заходів щодо локалізації і попередження порушень.

Розроблено структуру імітаційної моделі задач контролю й управління електроенергетичним комплексом. Реалізація імітаційної моделі здійснюється за допомогою таблиць варіантів рішень функціональних задач контролю й управління електроенергетичним комплексом. Розроблені таблиці варіантів рішень наступних задач контролю й управління електроенергетичним комплексом: задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу, задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу, задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання.

Основні результати розділу опубліковано в роботах [2–5, 8–9].

Четвертий розділ присвячений практичній реалізації задач контролю й управління електроенергетичним комплексом. В межах даного розділу розроблені інформаційний, програмний і технічний комплекси реалізації задач контролю й управління електроенергетичним комплексом. Розроблено структуру бази даних і схема програми. Розроблено прикладну інформаційну технологію для автоматизації контролю й управління електроенергетичним комплексом з урахуванням вимог користувачів; практична реалізація задач з використанням конкретних даних.

Задачі контролю й управління електроенергетичним комплексом впроваджені на підприємстві Південно-Західна електроенергетична система ДП НЕК «Укренерго» (акт від 22.06.2007 р.), очікуваний щорічний економічний ефект становить 22 тис. (двадцять дві тис.) грн. Також задачі впроваджені на підприємстві ТОВ «Резонанс» (акт від 24.12.2007 р.), очікуваний щорічний економічний ефект становить 10 тис. (десять тис.) грн.

У додатках до дисертації наведені варіанти вирішення задач контролю й управління електроенергетичним комплексом, структура бази даних, схема програми, екранні форми основних вікон функціонального програмного комплексу, а також акти впровадження результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу розробки математичних моделей та інструментальних засобів автоматизації виконання функцій організаційного управління електроенергетичного комплексу для вибору можливих шляхів запобігання або локалізації аварій й поновлення режиму роботи обладнання.

1. Проведено аналіз процесів контролю й управління електроенергетичним комплексом, існуючих систем, технологій обслуговування життєвого циклу електроенергетичного обладнання, методів його діагностики, аналіз методів, моделей, інструментальних заходів контролю й управління електроенергетичним комплексом, на основі якого сформульована постановка основних задач.

2. Розроблено функціональну структуру підсистеми контролю й управління електроенергетичним комплексом, яка визначається на основі переліку функціональних задач і забезпечує підвищення надійності автоматизованої розподіленої системи управління електроенергетичним комплексом.

3. Удосконалено модель вирішення задачі оцінки безвідмовності й безаварійності роботи обладнання в мережах електроенергетичного комплексу, яка дозволяє проводити оцінку експлуатації основного обладнання, засобів управління та інших компонентів виробничого процесу і вибирати раціональну стратегію проведення організаційно-технічних заходів для підвищення рівня безвідмовності й безаварійності роботи обладнання.

4. Вперше розроблено модель вирішення задачі визначення причин і наслідків порушень роботи обладнання електроенергетичного комплексу, яка дозволяє за результатами контролю поточних вимірювань або даним виявлених порушень визначити вид порушення, його причину і наслідки. Модель дає можливість прийняти ефективні заходи щодо усунення або локалізації можливих порушень і підвищити ефективність ремонтних робіт обладнання.

5. Удосконалено модель вибору варіантів рішень задачі запобігання аварійних режимів роботи обладнання електроенергетичного комплексу, яка описує сукупність методів діагностики порушень основних елементів обладнання, оцінки їх застосування, а також реалізацію вибору методів діагностики, що дає можливість проводити обґрунтовану діагностику стану експлуатованого обладнання (особливо обладнання з довготривалим строком служби), тим самим підвищуючи надійність його роботи.

6. Удосконалено модель формування варіантів рішень задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов’язаних з вимиканням обладнання, яка описує варіанти рішень користувачу щодо обмеження масштабів аварій, поновлення роботи обладнання і постачання споживачів в обмежений термін за рахунок примусового вмикання обладнання персоналом або своєчасного виведення обладнання в ремонт.

7. На основі розроблених математичних моделей та інструментальних засобів задач розроблено прикладну інформаційну технологію для автоматизації контролю й управління електроенергетичним комплексом для забезпечення безаварійності й безвідмовності його роботи. Використання програмної реалізації дає можливість забезпечити надійну експлуатацію обладнання, проводити своєчасне виявлення його порушень, ефективний контроль і діагностику стану обладнання, що дає можливість скорочувати витрати на ремонт і технічне забезпечення.

8. Основні положення та результати дослідження впроваджені у практику автоматизації контролю й управління електроенергетичним комплексом: на підприємстві Південно-Західна електроенергетична система ДП НЕК «Укренерго», м. Вінниця, та на підприємстві ТОВ «Резонанс», м. Харків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Левыкин В.М., Кудрявцева М.С. Разработка математической модели оценки научно-технического уровня безаварийности работы электроэнергетического комплекса подстанций // «Нові технології». – 2006. – №1 (11). – C. 73?80.

2. Левыкин В.М., Кудрявцева М.С. Математические модели определения причин и последствий нарушений работы трансформаторного оборудования // Радиоэлектронные и компьютерные системы. – 2006. – №1 (10). – C. 42 – 50.

3. Левыкин В.М., Кудрявцева М.С. Модели вариантов решений при ликвидации аварийных ситуаций, связанных с автоматическим отключением трансформаторного оборудования // Информационные технологии и компьютерная инженерия.– 2007.– №1(8). – C. 68–76.

4. Левыкин В.М., Кудрявцева М.С. Математические модели вариантов решений по предотвращению аварийных режимов трансформаторного оборудования // Вестник НТУ «ХПИ»: Сб. научн. трудов. – Харьков, 2006. – №39. – C. 53 – 63.

5. Левыкин В.М., Кудрявцева М.С. Модели вариантов решений при ликвидации аварийных ситуаций, связанных с автоматическим отключением трансформаторного оборудования // Збірник наукових праць