Моделі та інструментальні засоби задач контролю й управління електроенергетичним комплексом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

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

Кудрявцева Марина Сергіївна

Харків - 2008

АНОТАЦІЯ

Кудрявцева М.С. «Моделі та інструментальні засоби задач контролю й управління електроенергетичним комплексом». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Оцінка реального стану енергетичного обладнання, своєчасне виявлення порушень його роботи за рахунок проведення організаційних і технічних заходів є важливішими науково-технічними задачами.

Дисертація присвячена розробці моделей та інструментальних засобів 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 запобігання аварійних режимів обладнання електроенергетичного комплексу, задачі ліквідації аварійних ситуацій, пов'язаних з вимиканням обладнання.

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. Впровадження програмної реалізації дає можливість в умовах складного впливу визначальних параметрів, факторів і показників забезпечити надійну експлуатацію обладнання, проводити своєчасне виявлення порушення, ефективний контроль і діагностику стану обладнання, що дає можливість скорочувати витрати на ремонт і технічне забезпечення.

Ключові слова: електроенергетичний комплекс, електроенергетичне обладнання підстанцій, силові та вимірювальні трансформатори, контроль і управління електроенергетичним комплексом, математичні моделі, інструментальні засоби.

АННОТАЦИЯ

Кудрявцева М.С. Модели и инструментальные средства задач контроля и управления электроэнергетическим комплексом. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена разработке моделей и инструментальных средств автоматизации выполнения функций организационного управления электроэнергетическим комплексом для выбора возможных путей предотвращения или локализации аварий в целях предотвращения их развития в общесистемные аварии и восстановления режима работы оборудования.

В работе проведен анализ функционирования процессов контроля и управления электроэнергетическим комплексом, существующих систем, технологий обслуживания жизненного цикла электроэнергетического оборудования, методов его диагностики.

Проведено исследование основных проблем функционирования электроэнергетического оборудования как одной из наиболее важных проблем электроэнергетического комплекса. По результатам исследования электроэнергетического комплекса разработана функциональная структура подсистемы контроля и управления электроэнергетическим комплексом.

Для получения количественных оценок функционирования оборудования и повышения безотказности и безаварийности его работы усовершенствованы математические модели решения задачи оценки безотказности и безаварийности работы оборудования в сетях электроэнергетического комплекса, которые описывают показатели оценки научно-технического уровня оборудования подстанций и воздушных линий, позволяющие проводить комплексную оценку состояния электроэнергетического оборудования и выбирать рациональную стратегию организационно-технических мероприятий.

Для своевременного выявления развивающихся дефектов трансформаторного оборудования и поддержания требуемой эксплуатационной надежности оборудования впервые разработаны модели решения задачи определения причин и последствий нарушений работы оборудования электроэнергетического комплекса, которые описывают упорядоченные последовательности, содержащие вид нарушения, его причину, дополнительные признаки, последствия, результаты нарушений и позволяют по результатам контроля текущих измерений или выявленных нарушений работы оборудования определить причину и последствия технического нарушения, принять меры по его устранению, тем самым повысить эффективность ремонтных работ.

В условиях полностью или частично выработанного ресурса работы основного оборудования существует ряд проблем, связанных с применением конкретных методов его диагностики и предотвращения технологических нарушений с определением приоритетов выполнения данных работ. Для решения этих проблем в работе усоврешенствованы модели выбора вариантов решений задачи предотвращения аварийных режимов работы оборудования электроэнергетического комплекса, которые, в отличие от существующих, описывают совокупность методов диагностики нарушений основных элементов оборудования, оценки их применения, а также реализацию выбора методов диагностики и позволяют проводить обоснованную диагностику состояния эксплуатируемого оборудования, тем самым повышая надежноть его работы.

При нормальном функционировании автоматических устройств и защиты оборудования действия оперативного персонала сводятся к контролю за их срабатыванием и за установившимся послеаварийным режимом с последующим принятием необходимых мер. Ликвидация возникшей аварийной ситуации в значительной мере зависит от того, насколько четки, правильны и своевременны действия оперативного персонала. Для ликвидации таких нарушений и восстановления режима работы оборудования усовершенствованы модели формирования вариантов решений задачи ликвидации аварийных ситуаций, связанных с отключением оборудования, которые, в отличие от существующих, описывают упорядоченные последовательности фактов прекращения электроснабжения потребителей, причины отключения оборудования, варианты решений по принудительному включению оборудования персоналом или своевременному выведению оборудования в ремонт для ограничения масштабов аварий и восстановления работы оборудования.

На основании разработанных математических моделей и инструментальных средств задач разработана прикладная информационная технология для автоматизации контроля и управления электроэнергетическим комплексом для обеспечения безаварийности и безотказности его работы. Внедрение программной реализации дает возможность в условиях сложного влияния определяющих параметров, факторов и показателей обеспечить надежную эксплуатацию оборудования, проводить своевременное выявление нарушений, эффективный контроль и диагностику состояния оборудования, что обеспечивает снижение затрат на ремонт и техническое обеспечение.

Ключевые слова: электроэнергетический комплекс, электроэнергетическое оборудование подстанций, силовые и измерительные трансформаторы, контроль и управление электроэнергетическим комплексом, математические модели, инструментальные средства.

SUMMARY

Kudryavtseva М.S. The tasks' models and instrumental facilities of the electrical energy complex control and management. - Manuscript.

Thesis for candidate degree in technical science by specialty 05.13.06 - information technologies. - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2008.

Real state value of electrical energy equipment, timely exposure disturbances of its operating irregularity owing to realization of organizational and technical measures are all-important scientific and technical problems.

Dissertation dedicates to the models and instrumental facilities of the tasks' of the electrical energy complex control and management development. These tasks are: the task of the faultness and fail-safety valuation of functioning equipment in the circuit of the electrical energy complex, the task of the causes and consequences decision of the equipment operating disturbances of the electrical energy complex, the task of equipment malfunction prevention of the electrical energy complex, the task of emergency conditions liquidation, constrained with equipment disconnection.

On the basis of developing models and instrumental facilities of the tasks' are develope applied information technology for electrical energy complex control and management automation for ensuring faultness and fail-safety of its' functioning. Application of the program realization allow to increase operating efficiency of the electrical energy equipment, faultness and fail-safety of its' functioning, control and diagnostics at the suggestion of damage and failures in conditions of complicated impact of determinative operation factors, factors, indices and enable to give reducing expense on repairs and maintenance works of equipment.

Keywords: electrical energy complex, electrical energy equipment of substations, power and measure transformers, electrical energy complex control and management, models, instrumental facilities.

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 радиЧалий 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. автоматизований контроль електроенергетичний аварія

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 P_i ? ймовірності виникнення аварійних подій або подій відмов;

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

(1?P_i) ? ймовірність безвідмовності роботи обладнання;

Y_i ? 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 Y_тн в загальному вигляді визначається

, (3)

де Y_баI, Y_баII, ? відповідно НТУ оцінки безаварійності (I, II категорії) ;

Y_бвI, Y_бвII ? 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;

Y_i, Y_j ? відповідно ваги критеріїв, визначені для аварійних подій (I, II категорії);

Y_k, Y_l, Y_нед.I ? відповідно ваги критеріїв, визначені для подій відмов ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії I категорії;

Y_m, Y_n, Y_нед.II ? відповідно ваги критеріїв, визначені для подій відмов ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії II категорії;

P_i, P_j, ? відповідно ймовірності виникнення аварійних подій (I, II категорії);

P_k, P_l, P_{недов.I,} ? відповідно ймовірності виникнення подій відмов обладнання ПС, ПЛ і недовідпуску електроенергії I категорії;

P_m, P_n, P_{недов.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 y_т визначається у вигляді

,

де x_k - 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;

y_n - 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}}:

y_в - вводи, y_о - обмотка, y_мг - елементи магнітопроводу, y_і - ізоляція, y_к - контакти, y_м- маслонасос, y_рпн - пристрій РПН, y_тс -трансформатор силовий, y_втс - вимірювальний трансформатор струму, y_втн - вимірювальний трансформатор напруги, y_стан - 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 t_поет з використанням рівносильних перетворювань алгоритмів із ГСА в РССМ визначається у вигляді

,

де t_m - 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}}:

x_tj - логічні умови, j = [1..10];

a_k - варіанти вибору елементів, k = [1..24];

x_l - 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 t_тпст можна подати у вигляді

,

де x_p - 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;

t_n - 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;

x_tj - логічні умови, j = [3..4; 11..12];

a_k - 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 t_тптс визначається

,

де x_tj - логічні умови, j = [13];

a_k - варіанти вибору елементів порушень, k = [30..31];

t_r - 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 t_тптн визначається



,

де x_tj - логічні умови, j = [3..4; 14];

a_k - варіанти вибору елементів порушень, k = [7..10; 32..33];

t_s - 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 a_k: . Застосування кожного методу діагностики порушення a_k можна оцінити за допомогою різних критеріїв С_k. Тоді для кожного критерію С_k може бути розглянута нечітка множина

, (4)

де µ_c(b_i) - оцінка методу b_i за критерієм С_k (функція приналежності), яка характеризує ступінь відповідності кожного методу поняттю, визначеному критерієм С_{k ,} ).

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 u_c, u_min, u_max - 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

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 x_i, z_j - змінні, між якими існують нечіткі відносини, які можна подати у вигляді матриці експертних оцінок R_t 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

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;

R_t - 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;

Q_АПВ - 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»;

N_АПВ - 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 y_p з використанням модифікованого апарату регулярних схем алгоритмів визначається у вигляді

,

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

y_i - 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: y_втс, y_втв - відповідно вимикання силового та вимірювального трансформатора; y₁, y₃, y₅, y₇ - з припиненням електропостачання споживачів; y₂, y₄, y_6, y₈ - без припинення електропостачання споживачів; y_ДА - вимикання трансформатора дією автоматики; y_ДЗВП - вимикання трансформатора дією захисту від внутрішніх пошкоджень; y_ДРЗ - вимикання трансформатора дією резервного захисту; y_ССРН - вимикання трансформатора, що з'єднує мережі різних напруг;

x₁, x_{2 ,} 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, t_ДА з використанням рівносильних перетворювань алгоритмів із ГСА в РССМ представлена у вигляді

,

де x_tj - логічні умови, j=[1..12];

a_k - 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;

...