Разработка методов и алгоритмов автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем

1. Актуальность проблемы.

Комплекс работ по переключениям в электрических сетях является одной из важнейших составных частей общей системы управления работой энергообъединений и энергосистем. Оперативное управление электрическими сетями — это прежде всего оперативное управление переключениями. Объем и сложность задач оперативного управления электросетями, требования к надежности операций и режимов вызывают необходимость автоматизации планирования и контроля оперативных переключений.

Необходимость в осуществлении переключений в электрических сетях возникла с создания самых первых в мире электроустановок и связанных с ними электрических сетей. Исторически проблема переключений в электрических сетях развивалась одновременно с развитием электроэнергетики. Соответственно усложнялись задачи, требовавшие решения, и совершенствовались методы и правила осуществления переключений.

Многие десятилетия начального периода развития технологии переключений связанные с ней задачи получали решение только применительно к конкретным условиям переключений электроустановок, электрических сетей и энергосистем. Несколько позже решения ряда задач обеспечивалось использованием различного рода релейной техники: столов для расчета поля, короткого замыкания, физических моделей сетей и т. п.

Качественно новым этапом развития и совершенствования технологии переключений в электрических сетях стало применение для решения ее задач компьютерной техники. Вначале эта техника использовалась для решения отдельных задач. Несколько позже в связи с усложнением задач переключений и развитием техники автоматизированного управления технологическими процессами была признана необходимость создания автоматизированных систем контроля и управления переключениями (АСКУП) в электрических сетях энергосистем. Были проведены и продолжаются до сих пор теоретические исследования и практические разработки в этой области, созданы отдельные автоматизированные системы управления и контроля переключений для конкретных объектов и отдельных видов работ по переключениям, в частности по блокировкам. Существенное значение имели и имеют разработки автоматизированных тренажеров и советчиков по переключениям в электрических сетях.

В отечественной электроэнергетике значительный вклад в создание средств управления оперативными переключениями в электрических сетях внесли теоретические и прикладные разработки, выполненные под руководством и при участии С. В. Амелина [8- 9- 10- 11- 12- 13], В. П. Будовского [39- 40- 41- 42- 216], Ю. Н. Кучерова [46- 151- 152- 153- 154- 155- 156], Ю. Я. Любарского [3- 43- 120- 132- 148- 149- 150- 174- 175- 176- 177- 178- 179- 180- 181], Ю. И. Моржина [75- 78- 82- 120- 121- 177- 311], В. Г. Орнова [148- 194- 210- 211- 212- 213], М. А. Рабиновича [84- 121- 211- 212- 229- 230- 231- 232- 233- 234- 235- 236- 311], В. Д. Самойлова [2- 246- 247- 248- 249- 250- 251- 252],.

A.Г. Фишова [93- 123- 124- 218- 275- 285], A.B. Шунтова [18- 19- 20- 21- 22- 197- 287]. Существенные результаты получены также в работах A.B. Боброва [33- 34- 208- 278], В. Т. Воронина [46- 47], A.M. Гельфанда [51- 52- 53- 192], Д. В. Горевого [93], М. И. Гумина [105- 106], В. Г. Дубового [116- 117- 118], И. В. Емельянова [123- 124], И. А. Котова [263- 264- 265- 266], С. Н. Макаровского [183- 184], С. В. Машинского [183- 184], М. Ш. Мисриханова [22- 52- 53- 192],.

B.М. Пасторова [41- 42- 216], A.B. Петрищева [124- 218], И. С. Пономаренко [142- 220], A.C. Рожкова [241], О. В. Сипачевой (Дичиной) [142- 220- 257], В. Н. Сулейманова [263- 264- 265- 266], В. Т. Федина [208- 278], Л. И. Фридмана [51- 52- 53- 192], Т. А. Шиманской [33- 208], Л. С. Штейнбока [198- 200- 296- 297- 298] и др.

Разработчики АСКУП в электрических сетях энергосистем испытывали потребность в отсутствовавших тогда теоретических и методологических основах создания и функционирования таких систем. При разработке новых АСКУП возникали серьезные затруднения из-за нерешенности следующих проблем.

— Отсутствие общепринятых методов моделирования коммутационных схем электрических сетей заставляло разработчиков заново искать и создавать новые методы, что тормозило прикладные разработки.

— Несовершенство теоретических концепций и отсутствие эффективных математических методов в области АСКУП тормозили расширение функциональности программ контроля и управления переключениями, затрудняли перенос программ на другие энергообъекты.

— Отсутствие отработанных структур моделирования переключений в электросетях препятствовало созданию сложных многофункциональных АСКУП, их интеграции с другими программными комплексами, с базами данных и человеко-машинным интерфейсом АСДУ.

Разнобой применяемых подходов, отсутствие общепринятого теоретического языка моделирования переключений затрудняли обмен научно-технической информацией о достижениях в этой области.

Неполнота теоретических концепций препятствовала созданию достаточно полных и объективных методик оценки качества разработок комплексов АСКУП.

В разработках компьютерных систем для моделирования и управления такими сложными объектами, какими являются электрические сети, с течением времени обострялась проблема управления сложностью создаваемых компьютерных моделей. Она состоит в том, что чем больше и сложнее становится автоматизированный управляющий комплекс, тем труднее обеспечить его собственную управляемость, т. е. его надежность (минимизацию возможности ошибок), диагностику и устранение неполадок в нем, его модифицируемость и расширяемость. В этой проблеме имеются две составляющие: более общая — управляемость программистских моделей и специализированная — управляемость прикладных моделей. Управляемость на уровне программистской модели в основном не зависит от прикладного назначения программного комплекса. Ее обеспечению посвящена обширная литература по программированию. Однако проблема управления сложностью компьютерных моделей не поддается решению только программистскими методами. Эти методы в каждой области приложений дополняются специализированными методами управления сложностью прикладных моделей. Это осуществляется применением проблемно ориентированных теоретических и математических методов. Математические методы обеспечивают «свертывание» информации, качественно упрощают сложные структуры и алгоритмы. Моделирование переключений в электрических сетях требует построения сложных математических моделей, управляемость которых не может быть обеспечена только методами программирования.

Разработки в области автоматизации управления оперативными переключениями в электросетях выдвинули задачу создания общей теории переключений в электросетях, определения ее математических методов. Попытки создания такого фундамента, несмотря на отдельные достижения, в целом не привели к решению этой проблемы. Высказывалось мнение о невозможности универсальных теоретических методов и решений по автоматизации контроля и управления переключениями [118].

В последние годы необходимость общей теории переключений в электросетях и совершенствования прикладных алгоритмов еще более возросла в связи с принятием «Концепции интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью» (ИЭС ААС) и задачей создания «умных сетей» (smart grid) [29- 30- 144].

Указанные обстоятельства позволяют заключить, что тема данной диссертации, посвященной разработке основных концепций, теоретической и методологической базы создания автоматизированных систем управления и контроля переключений в электрических сетях энергосистем, актуальна и имеет важное научное и практическое значение для электроэнергетики. В процессе разработки методологических основ АСКУП автор произвел анализ известных математических методов и выбрал среди них пригодные для применения к задачам, подлежащим решению. Автором разработаны также новые математические методы. Обоснование последних в содержание диссертационной работы не входит.

7.7. Выводы.

В данной главе описаны тренажеры и советчики по оперативным переключениям в электросетях, программная реализация которых выполнена самостоятельно автором диссертации или при его значительном участии. Разработанные автором диссертации методы автоматического планирования и блокировки оперативных переключений в электросетях реализованы им в ряде тренажеров и советчиков диспетчера: КОРВИН-3, ЭСПЕР, КОРВИН-КАСКАД. Эти методы использованы им и другими разработчиками при создании также других программных комплексов: ЭНКОРТ, «50 ГЕРЦ», ЭЦС КУ ПС. Автором разработаны методы и программные средства интеграции тренажеров и советчиков по переключениям с комплексами SCADA (СК-2003 и ОИК ACT) и EMS (КАСКАД).

На основе теоретических методов, разработанных автором диссертации, в совокупности тренажеров и советчиков им самим и другими разработчиками реализованы: автоматическое применение правил логической блокировки переключений;

— автоматический контроль коммутационного состояния оборудования электрической сети и контроль выполнения тренировочных заданий;

— редактор программ и бланков переключений с функциями их автоматизированного развертывания;

— методика и программные средства интеграции тренажеров и советчиков с программными комплексами SCADA/EMS/DMS как имеющими описание топологии электросети (ОИК ACT, КАСКАД), так и не имеющими ее (СК-2003);

— механизм интеграции коммутационной модели электрической сети и статических моделей режима на основе Унифицированного формата данных режимной модели (в тренажере КОРВИН-3 — с программами КУРС и ЭРА);

— для программных комплексов SCADA/EMS/DMS, имеющих описание топологии, — универсальный интерфейсный формат представления коммутационных схем электросетей, позволяющий подключать к базе данных.

АСДУ логические модули сторонних разработчиков (использован при стыковке с ОИК ACT и ПК КАСКАД) — механизм координации работы логических модулей контроля переключений с функциями АСДУ (в стыковке с СК-2003 ОИК ACT и ПК КАСКАД).

— автоматический контроль послеаварийных переключений;

— автоматическая оценка квалификации тренируемых;

— автоматизированное построение модели электросети.

В результате разработки тренажеров и советчиков автором диссертации: разработана концепция функционально-логических тренажеров оперативных переключенийсформулированы принципы технологии противоаварийных переключений в электрических сетях;

— разработана методика противоаварийных тренировок на основе системы правил противоаварийного управленияразработаны предложения по повышению эффективности противоаварийного обучения.

Высокий уровень автоматизации подготовки тренировок, контроля команд и выполнения заданий в тренажере КОРВИН-КАСКАД позволяет тренируемым самостоятельно, без помощи инструктора, готовить тренировки, выполнять их и оценивать результаты. Возможность тренироваться без инструктора обеспечивает более комфортные условия обучения, способствует его индивидуализации. За счет этого повышается эффективность тренажерной подготовки.

По уровню автоматизации на всех этапах пользования тренажер КОРВИН-КАСКАД существенно превосходит другие тренажеры по оперативным переключениям. Этот уровень близок к максимально возможному. В тренажере КОРВИН-КАСКАД автоматизировано практически все, что в принципе можно автоматизировать: подготовка схем подстанций, подготовка заданий на тренировку, контроль команд тренируемых, проверка выполнения заданий. Это минимизирует трудозатраты на эксплуатацию тренажера, в том числе благодаря исключению ошибок пользования программой при подготовке схем и тренировок, при проведении тренировок и при оценке их выполнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработана совокупность теоретических методов и прикладных алгоритмов, обеспечивающая расширение функциональности автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях энергосистем. Результаты диссертационной работы служат повышению надежности управления оперативными переключениями, что имеет важное хозяйственное значение для электроэнергетики.

Результаты диссертационной работы следующие.

1. Разработаны основы теории переключений в электрических сетях. Сформулированы основные принципы этой теории. Разработана отсутствовавшая ранее общая концепция Автоматизированной системы контроля и управления переключениями в электрических сетях — АСКУП. Намечены некоторые направления дальнейшего развития теории оперативно-диспетчерского управления электрическими сетями.

2.Разработана методика математической формализации и алгоритмизации правил оперативных переключений, требований диспетчерских инструкций. Описана структура формализованных баз знаний по технологии оперативных переключений.

3.Для математической формализации и алгоритмизации технологии оперативных переключений в электрических сетях впервые применены такие методы дискретной математики, как алгебра графов, комбинаторный анализ, теория решеток, теория логического вывода. Разработанный математический аппарат прикладных задач обеспечивает возможность автоматизации любых требований технологии переключений, содержащихся в диспетчерских инструкциях и других нормативных документах по оперативному управлению электросетями.

4. Разработаны методы, алгоритмы и программы оперативного планирования переключений, применимые к любым схемам электрических сетей. Впервые разработаны и реализованы две методики автоматического формирования предварительных бланков переключений и программ переключений: а) нисходящим развертыванием по типовым правилам планирования переключенийб) автоматической очисткой протоколов тренировок от ошибочных и лишних команд.

Создан механизм «автоматизированных инструкций по переключениям». Он автоматически преобразует в бланки переключений типовые инструкции по выводу электроустановок в ремонт, в резерв и вводу в работу для разных типов устройств и присоединений.

Реализовано тестирование бланков переключений посредством правил логической блокировки.

Автоматизация составления бланков переключений существенно сокращает время принятия решений по переключениям в электросетях, снижает вероятность ошибок.

5.Разработаны методы, алгоритмы и программы контроля и блокировки оперативных переключений, применимые к любым схемам электрических сетей. Впервые произведена математическая формализация типовых алгоритмов блокировки. Она основана на применении алгебры графов и теории логического вывода.

Автоматизация сложных логических блокировок переключений существенно снижает вероятность ошибок при переключениях в электросетях.

6.Разработанные алгоритмы планирования и блокировки переключений инвариантны относительно топологии схем подстанций и электросетей. Представление типовых алгоритмов блокировки на языке алгебры графов принципиально упрощает и сокращает их запись. Оно существенно облегчает их программную реализацию, поскольку является эффективным средством передачи заданий на разработку от проектировщика программистам. Определены принципы построения Универсального топологического процессора — совместимого, в частности, с С1М-форматом.

7. Разработаны методы и программные средства для диалоговой корректировки (редактирования) пользователем бланков переключений и правил логических блокировок с целью учета индивидуальных особенностей электроустановок. Это выполнено путем:

— анализа и формализации содержания инструкций по переключениям в электрических сетях;

— описания семантической (смысловой) структуры требований инструкций по переключениям в виде системы формализованных правил переключений;

— разработки программ-редакторов и интерпретаторов специальных (индивидуальных) правил переключений, а также исключений из типовых правил;

— создания баз знаний для различных классов правил технологии переключений.

Эти средства обеспечивают «тонкую настройку» типовых правил г планирования и блокировки переключений на местные условия и временные факторы.

В диссертации разработаны также теоретические основы конструктора (программы-редактора) типовых правил переключений (в том числе требующих анализа топологии электросети) для технолога-непрограммиста.

8. Разработаны методы формализации правил противоаварийного управления переключениями. Показано, что планирование и блокировки оперативных переключений для утяжеленных и послеаварийных режимов реализуются в основном теми же логическими механизмами, которые разработаны в диссертации для планово-ремонтных переключений. Главные отличия от управления планово-ремонтными переключениями: а) необходимость анализа нештатных ситуаций (в задачи диссертации не входит) — б) поэтапность восстановления работоспособности оборудования, функциональности электросети и режимной надежности.

9.Формализована структура правил противоаварийного управления. Эти правила выражают либо логику срабатывания устройств противоаварийной автоматики, либо — при отсутствии соответствующих устройств — требования инструкций к действиям оперативно-диспетчерского персонала.

Унификация структуры и языка правил противоаварийного управления упрощает их применение, в том числе автоматическую реализацию. Открывается перспектива интеграции АСКУП с цифровыми системами защиты и автоматики.

Разработаны методики противоаварийных тренировок оперативно-диспетчерского персонала на базе тренажера КОРВИН-3.

10.Разработаны методы интеграции АСКУП с режимными моделями. Интеграция с режимными моделями разработана и реализована в двух вариантах:

— построение коммутационной модели путем расширения и детализации топологической части режимной модели (например, динамической модели ПК КАСКАД) — построение топологической части режимной модели путем автоматического преобразования топологии коммутационной модели в Унифицированный формат данных режимной модели (в тренажере КОРВИН-3 — для стыковки с модулями расчета потокораспределения КУРС и ЭРА).

Для этого применены операции преобразования графов — стягивание и подстановка (развертывание посредством графопорождающей грамматики).

11. Разработаны методы интеграции системы планирования и блокировки оперативных переключений с базами данных и человеко-машинным интерфейсом комплексов SCADA/EMS/DMS. Интеграция разработана и реализована для двух вариантов:

— В БД SCADA/EMS/DMS описана топология электросети. Эта топология конвертируется в топологию собственной коммутационной модели АСКУП. Реализовано при стыковке с ОИК «АСТ» (разработка фирмы «Диалог», г. Минск).

— В БД SCADA/EMS/DMS нет топологии электросети. Сначала формируется топология в собственной модели АСКУП. Затем она используется как общая топологическая модель интегрированного комплекса. Реализовано при стыковке с СК 2003.

12.Разработаны и программно реализованы методы автоматической оценки квалификации персонала по оперативным переключениям. На основе статистики протоколов тренировок вычисляются оценки по трем уровням квалификации персонала:

— знание правил технологии переключений;

— владение операциями переключений — умение правильно планировать операции на основе знания правил технологии;

— умения выполнять задания по оперативному управлению электросетями на основе владения операциями переключений.

Владение персоналом технологией противоаварийного управления (в утяжеленных и послеаварийных режимах) оценивается автоматически по статистике нарушений правил противоаварийного управления.

Оценка автоматизма навыков выполнения операций производится по хронометражу тренировок.

На этой основе может быть реализован автоматический мониторинг квалификации оперативно-диспетчерского персонала в процессе исполнения им своих функций.

Наличие структурированной и формализованной базы знаний по технологии переключений и автоматической их оценки у обучаемых позволяет перейти к организации индивидуализированного учебно-тренировочного процесса, осуществляемого без преподавателя.

13. Разработанные методы, алгоритмы и программы обеспечивают максимальную степень автоматизации технологии планирования и блокировки оперативных переключений. В том числе — путем реализации принципа «живая технология». Этой цели служит также автоматизация сопряжения АСКУП с режимными моделями и с комплексами SCADA/EMS/DMS.

Эти результаты позволяют минимизировать вероятность ошибок персонала и трудозатраты при эксплуатации программ планирования и блокировки переключений, в том числе тренажеров. Они позволяют также максимально автоматизировать подготовку, проведение и анализ тренировок по оперативным переключениям.

14. Методы и алгоритмы, разработанные в диссертации, реализованы в составе программных комплексов:

— Тренажер-советчик по переключениям в составе ПК КАСКАД (разработка ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»);

— Коммутационно-режимный тренажер КОРВИН-3 (разработка ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»);

— Электронный советчик диспетчера по переключениям ЭСПЕР в стыковке с ОИК СК-2003;

— Тренажер по оперативным переключениям «50 ГЕРЦ» (разработка БНТУ и «Витебскэнерго»);

— Тренажер по оперативным переключениям ЭНКОРТ (в составе ОИК «ACT», институт электроники HAH Беларуси);

— ОКР «Энергосберегающая цифровая система контроля и управления электрическими подстанциями» — ЭЦС КУ ПС (разработка ОАО ЗИТЦ -«Зеленоградский инновационно-технологический центр»).

ПЕРСПЕКТИВЫ.

1. Дальнейшее развитие основ теории оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике.

2. Развитие методов автоматизированного управления режимной надежностью. В том числе — автоматизация распознавания и развязки узких мест в электросети. Под узкими местами понимаются сечения, не обладающие необходимым запасом надежности. Они возникают при непредвиденных (неплановых) скачках нагрузки и генерации. В задачу входит:

— распознавание узких мест в электросети;

— определение возможностей увеличения пропускной способности электросети за счет оперативного ввода в работу оборудования, находящегося в резерве и ремонте;

— при обнаружении недостаточности резерва пропускной способности электросети — определение минимально необходимых ограничений потребления;

— планирование переключений для устранения узких мест и перегрузок;

— выполнение переключений с автоматическим контролем операций.

3. Интеграция с цифровыми системами защиты и автоматики. В перспективе АСКУП должна строиться как расширение программируемых систем защиты и автоматики. Последние реализуют переключения, которые должны выполняться максимально быстро. АСКУП должна принимать решения в утяжеленных (в том числе послеаварийных) режимах. Время принятия и выполнения этих решений человеком ограничено в пределах обычно от нескольких минут до не более одного часа.

4. Реализация Универсального топологического процессора (УТП), совместимого с С1М-форматом, в составе различных БСАВА/ЕМЗЛЗМЗ, на базе новых математических методов анализа и преобразования графов. УТП должен представлять собой библиотеку программ для реализации приложений:

— контроля коммутационного состояния электросети:

— обобщенного отображения топологического состояния электросети;

— анализа и контроля надежности электрической связности в электросети;

— автоматизированного планирования переключений;

— автоматического контроля переключений, выполняемых персоналом;

— обработки отказов и ошибок при автоматизированном дистанционном выполнении бланков переключений;

— автоматического контроля выполнения заданий на переключения;

— автоматизированного анализа ситуации и планирования переключений после срабатывания защит;

— диспетчерского тренажера по переключениям;

— автоматической поддержки соответствия между коммутационной и режимной моделями электросети при переключениях;

— управления «узкими местами» и оптимизации реконфигурации электросети.

5. Разработка для технолога-непрограммиста конструктора (программы-редактора) типовых правил переключений, в том числе требующих анализа топологии электросети, на основе проекта КОНЭКС («Конструктор экспертных систем»). В диссертации разработаны теоретические основы редактора типовых правил переключений и методика их формирования, но не дана практическая реализация.

6. Автоматический мониторинг квалификации оперативно-диспетчерского персонала в процессе исполнения им своих функций. Функции автоматической оценки квалификации, разработанные для тренажера, могут быть использованы отделом управления персоналом энергопредприятия для контроля квалификации специалистов (диспетчера, электромонтера и др.) при выполнении их текущей работы и тестовых заданий на рабочих местах.

7. Индивидуализация учебного процесса по технологии переключений, не требующего преподавателя. Автоматизация индивидуализированных учебных курсов реализована в известных зарубежных обучающих программах. Они заменяют живого преподавателя, но требуют трудоемкой «ручной» подготовки модели учебного процесса. Эти программы тестируют знания студента и по достигнутому студентом уровню знаний определяют очередные знания, доступные ему для усвоения на данном шаге учебного процесса.

В тренажерах по оперативным переключениям, созданным при выполнении диссертационной работы, модель последовательного учебного процесса как допустимой очередности шагов усвоения знаний обучаемым не требует сложной подготовки. Она уже присутствует благодаря наличию системы формализованных правил технологии переключений.