Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы и задачи управления автономными многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 12
1.1. Характеристика автономных многоагрегатных электроэнергетических комплексов 12
1.2. Системный анализ процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 27
1.3. Способы управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами в процессе эксплуатации 35
1.4. Выбор решения задачи управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 45
Глава 2. Разработка основ управления многоагрегатными электро энергетическими комплексами 49
2.1. Формализация процессов управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами (в том числе и в заранее не предвиденных условиях) 49
2.2. Критерий выбора структуры управления многоафегатными электроэнергетическими комплексами 52
2.3. Выбор стратегий реализации управления на основе критерия глобального минимакса 58
2.4. Алгоритм управления многоафегатными электроэнергетическими комплексами 79
Глава 3. Информационное обеспечение процесса управления много афегатными электроэнергетическими комплексами 88
3.1. Структура информационного обеспечения управления многоаг регатными электроэнергетическими комплексами 88
3.2. Анализ методов информационного обеспечения управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 92
3.3. Диагностирование технических средств многоагрегатных электроэнергетических комплексов 120
3.4. Алгоритм информационного обеспечения управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 124
Глава 4. Моделирование и статистический анализ процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими ком плексами и оценка эффективности принятых решений 128
4.1. Способ моделирования процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 128
4.2. Алгоритмическое обеспечение моделирования и статистического анализа процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 134
4.3. Статистический анализ процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами 141
4.4. Оценка эффективности принятых решений 149
Заключение 152
Список использованных источников 155
Приложения 161
Приложение 1 162
Приложение 2 167
Приложение 3
Приложение 4 185
- Характеристика автономных многоагрегатных электроэнергетических комплексов
- Формализация процессов управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами (в том числе и в заранее не предвиденных условиях)
- Структура информационного обеспечения управления многоаг регатными электроэнергетическими комплексами
- Способ моделирования процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами
Введение к работе
Актуальность работы
Современные автономные многоагрегатные электроэнергетические комплексы (МЭК), включают от трех до нескольких десятков генераторов с произвольной структурой распределения электроэнергии. МЭК обеспечивают электроэнергией корабли, крупные суда, например, атомные ледоколы, морские буровые платформы, а также используются в береговых условиях в малой электроэнергетике газовой и нефтедобывающей промышленности. В перспективе широкое использование МЭК связано с обеспечением энергетической безопасности ответственных объектов страны.
По данным отечественных и зарубежных литературных источников МЭК характеризуются достаточно высоким уровнем автоматизации регулирования процессов [1, 2], таких, как регулирование напряжения, частоты, синхронизации генераторов, распределения нагрузки между генераторами и т. п. [3, 4]. Этими вопросами на протяжении последних десятилетий занимались ученые, специализирующиеся в области автоматизации процессов управления в транспортных системах: В.В. Сахаров, С.А. Попов, Р.Э. Францев, Д.В. Гаскаров, К.В. Недялков, Б.В. Грек, В.В. Клюев, В.А. Одинаев, П.П. Пархоменко и другие. Однако управление структурой электрической сети МЭК до сих пор осуществляет человек-оператор. Это объясняется не достаточным уровнем теоретических исследований в области управления МЭК современными микропроцессорными промышленными контроллерами, которые имеют высокую степень надежности, но лишены многих функций, присущих обычным ЭВМ.
Между тем процесс управления требует полной автоматизации по следующим причинам:
- человек-оператор не является живучим звеном процесса управления. Он подвержен стрессу, медленно разбирается в ситуациях, характеризующихся наложением аварий и отказов;
- человек не является надежным звеном в сфере управления. Он отвлекается, требует сравнительно большого времени на анализ сложной ситуации, медленно и не точно исполняет принятое решение.
Для полной автоматизации управления МЭК необходимо формализовать процесс управления структурой (коммутационными связями между элементами МЭК) с большим числом элементов, каждый из которых может иметь несколько состояний. Объективно существует закон разнообразия редких событий, согласно которому вероятность конкретного события с несколькими отказами сразу весьма мала. Поскольку таких событий много, то суммарная вероятность попасть в одно из них становится весьма ощутимой и составляет около 20 %. Таким образом, не верно предположение, что маловероятное событие, состоящее в наложении отказов в произвольной комбинации, не может иметь место в эксплуатации МЭК. Автоматика должна быть рассчитана на любую непроектную ситуацию, под которой понимается ситуация, не предусмотренная разработчиком системы управления. Поэтому первой задачей является разработка алгоритмов управления коммутационной структурой МЭК, в том числе в условиях непроектных ситуаций.
Система автоматического управления структурой коммутационного состояния МЭК не будет работать удовлетворительно, если ей не представить вовремя достоверную информацию о техническом состоянии генераторных агрегатов и других компонентов. Поскольку на запуск и введение в действие генераторных агрегатов требуется относительно большое время, то достоверная информация о повреждениях должна быть выработана как можно раньше [5].
Современные системы защиты и аварийно предупредительной сигнализации используют, как правило, измеримые рабочие параметры. Они выдают сигнал неисправного состояния тогда, когда предельное отклонение от нормы указанных параметров уже состоялось, и неисправный агрегат надо немедленно выключить. Это влечет за собой (в случае, когда не предусмот-
рена параллельная работа генераторов) перерыв электроснабжения потребителей комплекса. Такой, пусть даже кратковременный (на время ввода в действие резервных генераторных агрегатов), перерыв питания не допустим для современных автоматизированных систем. Дело в том, что любая автоматизированная система содержит элементы памяти. Их отключение (или частичное отключение) может привести к совершенно не предсказуемой реакции автоматики [6]. Системы автоматического управления не только теряют работоспособность, но и становятся опасны.
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения в дополнение к указанному управлению структурой МЭК необходимо разработать методы и комплекс программ, для обнаружения повреждений генераторных агрегатов. Под повреждением, согласно ГОСТ 27.002-83 «Надежность в технике (термины и определения)», понимается такое отклонение внутренних, конструктивных, параметров от их нормального значения, когда сам генераторный агрегат функционирует, и его рабочие параметры находятся в пределах обычных эксплуатационных норм [7].
В связи с этим возникает вторая актуальная научно-техническая задача - раннее диагностирование МЭК в процессе эксплуатации с целью обнаружения неисправностей и их устранения для повышения эффективности функционирования систем.
Разработка способов решения двух указанных задач (управления структурой и диагностика повреждений МЭК на ранней стадии их возникновения) позволит обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией транспортных средств и объектов с большой мощностью механизмов. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках НИР «Версия» по заданию Секции прикладных проблем при Президиуме РАН РФ (Гос. № 931 от 04.08.1999г.).
Цель работы
Разработать алгоритмы и программы автоматизации процессов управления структурой МЭК, повышающие надежность и живучесть электроснабжения транспортных объектов.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены, обоснованы и решены следующие задачи:
Анализ процесса управления и разработка способа формализации основных положений управления структурой МЭК на основе конструктивного подхода с применением современных контроллеров, обладающих высокой надежностью и живучестью, но имеющие ограничения в свободе программирования по сравнению с ЭВМ (битовое представление операндов, трудность организации циклов, ограниченный ресурс памяти, программирование на языках, предусмотренных международным стандартом IEC 1131-3 и др.);
Создание методики представления графов управления в форме таблиц секвенций, удобных для описания графов структуры МЭК на языке Ladder Diagrams, в отличие от традиционных представлений графов в форме матриц инциденций или матриц смежности;
Разработка специальной технологии программирования, названной "пас-технологией", для решения задач, определяемых фразой "первый из упорядоченного множества элемент, имеющий определенные свойства (например, исправный, но не работающий генератор)". Разработка алгебры высказываний на базе указанной пас-технологии, а также определение необходимых условий для конструктивного управления генераторами, как составной частью автоматизации управления МЭК, в том числе в условиях непроектных ситуаций;
Анализ методов адаптивной диагностики агрегатов МЭК, поведение которых описывается дифференциальными уравнениями и разработка структуры математического обеспечения системы раннего диагностирования;
Создание системы выявления повреждений объектов МЭК в динамических режимах эксплуатации с целью получения достоверной исходной
информации о техническом состоянии объектов и своевременного ввода резервных агрегатов в процессе управления.
Объект исследования
Объектом исследования является многосвязная сеть распределения электрической энергии со своими управляемыми элементами: генераторными агрегатами и коммутационными аппаратами, которая может быть практически в необозримом множестве состояний. Поэтому при проектировании системы управления МЭК традиционными методами (построение графов переходов из некоторого исходного состояния в новое состояние при смене внешних воздействий) невозможно обеспечить должную надежность, живучесть и безопасность эксплуатации МЭК. Такие методы не учитывают большого множества непроектных ситуаций, которые заранее невозможно предусмотреть, но МЭК может оказаться в них в процессе эксплуатации. Отсюда возникает проблемная ситуация, избранная для решения в диссертации относительно управления структурой МЭК.
Предмет исследования
Предметом исследования являются алгоритмы автоматизации процессов управления МЭК и их применение в современных логических контроллерах.
Методы исследования
Методы исследования процессов управления структурой МЭК основаны на положениях теории графов, решении оптимальных задач на графах, в частности, разработка алгоритма построения минимаксных (по пропускным способностям) трасс распределения электроэнергии. Методы анализа диагностических процессов основаны на положениях теории параметрической идентификации применительно к программному обеспечению микропроцессорных контроллеров.
Научная новизна
Совокупность научных результатов, полученных в диссертационной работе, является новым решением задачи управления электроэнергетикой в различных областях народного хозяйства (судостроение, кораблестроение, нефтегазодобывающая промышленность и др.).
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
методика разработки алгоритма управления коммутационной структурой МЭК способом активации вершин графа и применением таблиц решения;
пас-технология программирования для конструктивного управления генераторами, как составной частью автоматизации управления МЭК, в том числе в условиях непроектных ситуаций. Преимущество пас-технологии состоит в конструктивности построения алгоритмов управления генераторами электростанций, которая обеспечивает линейный рост объема алгоритма от числа генераторов;
модель возникновения повреждений и способы их выявления в динамических режимах эксплуатации МЭК методом параметрической идентификации на основе теории функций Ляпунова;
представление структуры математического обеспечения системы раннего распознавания повреждения агрегатов МЭК и ее реализация в микропроцессорных вычислительных комплексах;
- способ моделирования управления МЭК, представляющего собой
комбинацию имитационного моделирования и статистического исследования
функционирования системы управления структурами МЭК в том числе в
условиях непроектных ситуаций.
Практическая ценность
Диссертационная работа ориентирована на создание комплекса программ, реализующих методы управления структурами МЭК, в том числе в
условиях непроектных ситуаций. Разработана модель раннего диагностирования элементов МЭК, а также способов выявления повреждений в динамических режимах эксплуатации на базе микропроцессорных контроллеров.
Апробация работы
Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (г. СПб. 2003г.), на первой всероссийской научно-практической конференции «Опыт практического применения языков и программных средств имитационного моделирования в промышленности и прикладных разработках» (г. СПб. 2003 г.), на научно-технических семинарах кафедры «Эксплуатации судового электрооборудования и систем автоматики» (г. СПб. 2002-2004г.). Способы и решения управления МЭК применены при создании учебного тренажера на кафедре ЭСЭ и СА СПГУВК, а также при разработке систем автоматического управления электростанциями следующих судов: сухогрузного судна «Петербург» - пр.17310 (2002г.), танкеров «Капитан Бармин» пр. 15790 (2003г.), «Капитан Зимин» - пр. 15790 (2004г.).
Характеристика автономных многоагрегатных электроэнергетических комплексов
Комплекс (от латинского complexus - связь, сочетание) - это совокупность предметов и явлений, составляющих единое целое. Многоагрегатными электроэнергетическими комплексами (МЭК) или электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии [8].
Преобразование электроэнергии в другие виды энергии осуществляется приемниками и потребителями электроэнергии.
Согласно [8], приемником электрической энергии (электроприемником) называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии. Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
Если приемники и потребители электроэнергии входят в состав МЭК, то совокупность электроприемников и электропотребителей по отношению к МЭК является непосредственно преобразуемой средой, то есть средой, которую МЭК делает работоспособной после подачи напряжения. В свою очередь непосредственно преобразуемая среда «нагружает» МЭК, то есть оказывает обратное воздействие, определяющее наряду с отказами и поражениями тот или иной эксплуатационный или аварийный режим. В соответствие с диалектическим законом перехода количества в качество, когда нагрузка достигает некоторого предела, за которым наступает угроза отказа элементов МЭК, последний изменяет свою конфигурацию или структуру коммутационных связей.
Проектирование и выбор схем, компоновок и конструкций электроустановок должны производиться с применением простых и надежных схем, внедрения новой техники, с учетом опыта эксплуатации. Таковы требования, которые предъявляются «Правилами устройства электроустановок» [8]. То же можно сказать и относительно проектирования МЭК.
Центральные вычислительные машины, которые применяются в контуре управления техническими системами, обычно называют контроллерами. Современные контроллеры обладают следующими качествами: модульность, компактность, высокое быстродействие, простота использования, возможность адаптации к требованиям заказчика. Программируемые логические контроллеры разработаны с учетом требований изготовителей оборудования, станков и агрегатов. Они позволяют решать самые разнообразные задачи: ввод, обработку и формирование дискретных и аналоговых сигналов, позиционирование, быстрый счет, организацию диалога с человеком-оператором, сокращение времени реакции устройства управления на внешние воздействия и т.д. С применением новых контроллеров, управление можно автоматизировать, если формализовать опыт эксплуатации электроэнергетических установок человеком-оператором до такой степени, что его можно реализовать в программах современных контроллеров. Тогда простота схем обеспечена тем, что сложная логика управления оказывается внутри контроллеров, а электрические схемы значительно упрощаются и тем самым повышается их надежность [9]. Аппаратурная надежность определяется надежностью контроллеров, параметры которых, такие как наработка на отказ и ресурс, весьма высоки. Решив вопрос аппаратурной надежности, надо решить также и проблему алгоритмической надежности, которая состоит в том, что в программе контроллера может быть не запрограммировано имеющее место реальное событие. Тогда контроллер окажется не способным принять по нему решение, и произойдет, так называемый, алгоритмический отказ. Такие события назовем непроектными. Таким образом, проблема алгоритмической надежности заключается в создании методов и алгоритмов, с помощью которых управляющие контроллеры могут принимать решение, в том числе в условиях непроектных решений.
До сих пор в области программирования контроллеров преобладают методы просмотра возможных ситуаций, описание их условий по входам контроллера и сопоставление указанным условиям соответствующий выход, который связан с исполнительным механизмом меняющим конфигурацию или настройку системы. Если некоторой комбинации входных сигналов по логике событий должны соответствовать разным выходам, то это различие оформляется изменением внутренних переменных, представляющих собой элементы памяти. Взаимодействие входов, выходов и внутренних переменных формализуется на основе теории конечных автоматов. Конечный автомат это не набор реле, элементов памяти или других материальных элементов - это язык, логическая система, в которой определен процесс, развивающийся во времени по строго определенным правилам. Работа схем с внутренними элементами памяти хорошо описывается указанным языком конечных автоматов и потому в быту такие схемы часто называют конечными автоматами [10]. В настоящей работе под термином «Конечный автомат» понимается логическая система с конечным количеством входов, выходов и элементов памяти.
Для перехода от концепции конечных автоматов к новым представлениям, позволяющим управлять, в том числе в условиях непроектных ситуаций, требуется глубокий анализ всего круга представлений об управлении МЭК. Этот анализ выполняется в следующей последовательности: рассмотрим типовые структуры МЭК, проанализируем понятие «Управление», выработаем терминологию, определим начальные фундаментальные положения для формализации принятых терминов. В качестве многоагрегатного электроэнергетического комплекса рассмотрим корабельные электроэнергетические установки (ЭУ), как наиболее сложные многоуровневые автономные ЭУ. Далее представлена эволюция проектирования и создания корабельных ЭУ, в которых были реализованы передовые научно-технические и конструкторские решения [11].
В России в 1908 году были разработаны и изданы специальные Правила по электротехнике для кораблей флота. Первым в серии кораблей, построенных по этим правилам был линкор «Севастополь». Электроэнергетическая система корабля получала питание от генераторов постоянного тока 225В. Дело в том, что от электроэнергетической установки корабля прежде всего требовалось вращать башни и наводить мощные орудия корабля с весьма большой точностью, что могли сделать в то время только электроприводы на постоянном токе. Кроме того электрики того времени столкнулись с проблемой неустойчивости параллельной работы корабельных генераторов. Неустойчивость проистекала от того, что применялись генераторы смешанного (компаундного) возбуждения, у которых на полюсах наряду с обмоткой параллельного возбуждения укладывалась последовательная обмотка, компенсирующая падение напряжения при увеличении нагрузки от реакции якоря и сопротивления его обмотки.
Формализация процессов управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами (в том числе и в заранее не предвиденных условиях)
Любой объект управления находится в некоторых отношениях с окружающими системами (средой), которые предъявляют к его функционированию различные требования. Отклонение от них наносит ущерб среде. Т. к. управление - есть воздействие на объект с целью минимизации этого ущерба, то управлять надо так, чтобы не только удовлетворять требования в текущий момент времени, но чтобы и в будущем, в условиях различных возмущений (возможно, заранее не определенных), ущерб для среды был бы минимальным. Ориентация не только на текущий момент, но и на будущее - требование, которое обеспечит стойкость объекта управления.
Например, пусть работают два генератора МЭК, вырабатывая мощность, равную номинальной мощности одного из них. Система управления может полностью загрузить только один генератор, обеспечив тем самым текущие нужды, а второй генератор выключить. Однако потребители (выступающие в роли "среды") могут потерять электроэнергию, если в случае пуска крупного электропривода от полностью загруженного генератора сработает защита от перегрузки. При рациональном управлении нагрузка будет распределена по возможности так, чтобы максимизировать резерв мощности каждого из генераторов на случай будущего внезапного увеличения нагрузки или других возмущений.
Под опасностью будем понимать угрозу нанесения ущерба среде в недопустимых пределах [32]. Обычно предупреждение главных видов ущерба обеспечивается совокупностью руководящих положений, определяющих область значения функции решения. Остальные опасности минимизируются в ходе управления.
За меру опасности примем физически измеримую степень приближения к порогу, за которым следует недопустимый ущерб среде. Под функцией опасности той или иной природы будем понимать зависимость меры опасности от координат объекта управления. Множеству отношений объекта со средой соответствует множество функций разных опасностей, связанных между собой в силу единого объекта управления.
Минимизация максимальной опасности предполагает выбор максимальной опасности из множества имеемых. То есть мы имеем дело с задачей оптимизации многокритериальной ситуации в структуре МЭК. Для таких задач разработан математический аппарат Парето оптимума. Оптимум по Парето представляет собой множество для которого справедливо выражение (которое сформулируем для Парето минимума) «Из существования в оптимуме по Парето параметра с меньшим показателем обязательно следует существование другого параметра, у которого показатель увеличится» [33]. Так же, но заменив слова «меньшим» на «большим» и «увеличится» на «уменьшится», формулируется определение максимума по Парето. Поясним это понятие рисунком.
Разумная стратегия управления состоит в минимизации максимальной опасности, т.е. стратегии минимакса. Обычно при минимизации максимальной опасности некоторая другая опасность увеличивается. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока они не станут равны друг другу. Однако при этом может существовать возможность уменьшения максимальной опасности среди других. Эту возможность надо, конечно, реализовать.
Минимизация максимума предполагает снижение максимальной опасности. Поэтому оптимальный вариант должен лежать в области Парето минимума.
Далее следует формализовать понятие минимизации максимальной опасности, как процесс, который будет происходить до тех пор пока они не станут равны друг другу. Область К1 К2 лежит ниже биссектрисы координатного угла, область К2 К1 - выше. Поэтому надо ввести индексы i, j. Индексу і придадим значение большего критерия, a j - меньшего. Но как только некий критерий становится больше, принимаются меры, чтобы индексы поменялись. При этом, если указанные действия выполняются, то параметры должны быть равны друг другу, то есть лежать на биссектрисе координатного угла. Поэтому минимакс должен лежать на пересечении биссектрисы с минимумом по Парето.
Это определение весьма сходно с определением оптимума по Парето, но оператор справа после знака Л определяет на множестве Парето точку с равными опасностями.
На основе системного анализа, изложенного в первой главе, для разработки алгоритма определим методологии управления. К настоящему времени исторически сложились три основных положения, определяющих цели управления МЭК (образование коммутационной структуры):
1. Недопущение параллельной работы генераторов электроэнергии. Такая доктрина используется сейчас там, где по тем или иным техническим соображениям не устанавливаются приборы обеспечения длительной параллельной работы генераторов
2. Допущение параллельной работы генераторов одной электростанции и запрещение длительной параллельной работы генераторов разных электростанций.
3. Допущение параллельной работы генераторов всех электростанций. Эта "доктрина" возможна для реализации в перспективе, для этого надо решить проблемы ограничения токов коротких замыканий, чтобы они стали ниже динамической стойкости коммутационной аппаратуры, распределения активной и реактивной нагрузки между всеми работающими генераторами, а также проблему гибкого централизованного управления генераторами [35].
Дальнейшему рассмотрению подлежат первая и вторая методологии, которые можно разделить на две разновидности для управления автономными МЭК в рамках раздельной работы электростанций и генераторов. 1. Управление без учета нагрузки секций электроэнергетической системой. 2. Управление с учетом нагрузки секций электроэнергетической системой.
В первом случае нагрузка секций и перемычек не измеряется соответствующими датчиками. Измеряется только загрузка генераторов для управления составом генераторов, а сеть строится исходя из состава генераторов, выработанного системой управления ими. При этом предполагается, что линии передач электроэнергии имеют достаточную номинальную мощность, чтобы передавать все возможные в автономной системе потоки энергии. Это большинство современных систем, в которых линии передач электроэнергии имеют достаточно большие пропускные способности.
Во втором случае мощность электроэнергетических систем настолько велика, что приходится считаться с ограниченной пропускной способностью линий. В этом случае необходимо измерять нагрузку секций. Делается это так. Секция отделяется от главной распределительной сети технологическими перемычками, в которых размещены датчики тока или мощности. Информация от этих датчиков поступает в управляющее устройство.
Структура информационного обеспечения управления многоаг регатными электроэнергетическими комплексами
Для распознавания неисправностей на ранней стадии возникновения дефекта по совокупности взаимосвязанных параметров, и принятия необходимых мер по производству переключений в сети заранее, не ожидая, когда наступит предаварийное состояние, необходимо разработать соответствующие программы [48]. Основная цель этих программ - обеспечение канала информации о неисправностях элементов МЭК. Этот канал в отличие от канала информации об аварийном состоянии либо ничем не обеспечен, либо обеспечивается той же информацией о том, что тот или иной параметр подошел к аварийному пределу с той или иной степенью близости [49].
Задача программы первичного анализа входных сигналов - определить техническое состояние элементов МЭК, то есть автоматически диагностировать. Диагностика состоит в классификации совокупностей сигналов, характеризующих работу объекта. Классификация совокупностей сигналов базируется на теории распознавания образов, что и составило существо программы первичного анализа входных сигналов [50].
Теория распознавания образов занимается классификацией совокупностей сигналов, характеризующих работу объекта. Простейшим классификатором является сигнализатор - датчик параметра с пороговым элементом (сигнализаторы предельных температур проводников обмотки, давления масла в подшипнике, времени срабатывания того или иного устройства и т.д.). Недостатком такого рода распознавания технического состояния или, как говорят, технического диагноза, является то, что пределы обычно выставляются по значению, за которым следует авария (поджог изоляции, сухое трение вала о подшипниковый вкладыш, отсутствие срабатывания того или иного устройства спустя определенное время и т. п.). Поэтому такой метод хорош для организации аварийной защиты объекта. Дефекты в работе, которые могут перерасти со временем в аварию, можно определить только на основе анализа нескольких взаимно связанных параметров. Например, если определяется техническое состояние подшипника генератора, то надо взять в расчет нагрузку генератора, температуру окружающего воздуха, температуру самого подшипника и темп ее роста, как это делает человек, когда освидетельствует подшипник по температурному диагностическому параметру.
Это уравнение говорит о том, что мощность на нагрев и отдачу тепла в окружающую среду равна части мощности тепловых потерь в обмотке (пропорциональных квадрату тока нагрузки) и потерям от трения в подшипнике, последние характеризуют техническое состояние подшипника.
Все величины в левой части уравнения меняются в процессе эксплуа тации в широких пределах; но во взаимосвязи левого выражения они должны давать инвариантную величину, близкую к 0, т.к. потери на трение исправного подшипники не велики. Рост левого выражения свидетельствует о неисправности подшипника, что может быть определено задолго до того, как температура подшипника достигнет предельного значения за которым следует плавление его вкладыша.
Физические основы технической диагностики базируются на том, что выходные параметры внутренних процессов, происходящих в работающем механизме, содержат определенный объем информации о его техническом состоянии. Следовательно, состояние технической системы может быть описано совокупностью определяющих ее параметров и (или) признаков. Изменение технического состояния механизма или его элементов в процессе эксплуатации (износ, увеличение зазоров, появление трещин и др.) вызывает количественные изменения выходных параметров (мощности, температуры, давления, уровня вибрации и т. д.).
В левых частях выражений мы видим параметры, которые можно измерить датчиками, и, пропустив через усилители, подать на сумматор. Допустимые потери обозначим Рдоп.
Реализовав схему, вычисляющую левую часть уравнения, и сравнивая ее величину с порогом Рдоп можно ответить на вопрос: исправно ли устройство (в примере подшипник)? На вопрос отвечают словами «да» или «нет» (1 или 0). Функция, которая определена на некоторых параметрах, а имеет значение в области двух объектов «да» или «нет» (логические 1 или 0, false или true и т.п.), носит специальное название предиката. Предикаты имеют большое мировоззренческое значение, поскольку именно они определяют переход от количественных к качественным изменениям, требующим новой структуры связей в системе [51].
Снова возвращаясь к проблемам технической диагностики скажем, что любой сигнализатор реализует предикатную функцию, схематично которую можно представить в виде комбинации датчиков параметров, усилителей и сумматора, которые реализуют диагностическую инварианту, а также порогового элемента (рис. 42), решающего предикатную функцию: "
В структуре сигнализатора все входные элементы Xj определены внешними датчиками, однако внутренние коэффициенты oij остаются неизвестными. В настоящее время на практике они выставляются по интуиции настройщиков, что хорошо для одного или двух параметров, но неприемлемо для многих параметров. Поэтому алгоритм предусматривает автоматическое определение коэффициентов в процессе самонастройки, осуществляемой этим алгоритмом на этапе «обучения» системы диагностики. Ниже рассмотрены основные теоретические положения [52, 53, 54], позволившие создать алгоритм такого «обучения».
Теория диагностики основывается на предположении о том, что любому элементу технической системы соответствуют определенные параметры процесса преобразования энергии в этом элементе. Характер процессов, происходящих в элементах технической системы, как правило, известен, т.е. можно составить математическую модель объекта диагностики. Но это будет лишь структурная модель, так как коэффициенты модели обычно неизвестны. Адекватность модели техническому объекту можно определить путём адаптации модели на ранней стадии эксплуатации объекта.
Способ моделирования процесса управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами
Непроектной ситуацией, как сказано выше, называется комбинация отказов и поражений, выражающаяся в результирующем техническом состоянии типа «Обрыв» и «Замыкание». Такие отказы являются случайными. Поэтому надо привлекать методы моделирования случайных величин. Когда приступают к моделированию процесса на ЦВМ, то прежде всего ставят перед собой вопрос: для чего производится данное исследование [67]. Цель должна оправдать затраты машинного времени и затраты на составление программы моделирования. Моделирование на ЭВМ производят в следующих целях: исследование статистических закономерностей, определяющих рациональные пути автоматизации процесса управления МЭК, отработка алгоритма управления с учетом особенностей конкретного проекта, определение надежности и живучести МЭК. Известны методы статистического моделирования, когда формируются потоки случайных событий и определяются их статистические закономерности, а также методы имитационного моделирования, когда воспроизводится сам технический процесс функционирования системы [68].
Внешние возмущения (отказы, восстановления и т.д.) в нашем исследовании имитируется с помощью формирования потока отказов для каждого элемента по известным параметрам надежности [69]. Ответ на каждую из ситуаций вырабатывается с помощью имитационного моделирования процесса управления. Только конструктивный подход дает уверенное моделирование процесса в самых разнообразных ситуациях потому, что подход с применением теории конечных автоматов будет охватывать только те ситуации, которые продуманы человеком заранее и заложены в его граф переходов.
Известно, что программа, составляемая для ЭВМ, является правилом преобразования состояния элементов памяти [70]. Поэтому началом составления любой программы должно быть описание объектов преобразования, т.е. ячеек, куда должна быть занесена информация. Будем делить весь информационный массив на справочный, куда будут занесены характеристики элементов МЭК, такие, как надежность, сведения о структуре МЭК и др., и массивы динамической информации [71], т.е. массив, информация которого меняется в процессе решения задачи.
Обозначим число ребер графа МЭК - z, число вершин - у. Каждый вид характеристики необходимо дать для каждого элемента. Машинный номер соответствует порядковому номеру ячейки или строки в многомерном массиве характеристик.
В алгоритме принимается экспоненциальное распределение времени безотказной работы. Практика в области статистики показала, что этот закон достаточно распространен, так как каждый элемент по сути дела есть сложная подсистема. Для таких подсистем справедлив известный закон Пальма-Хинчина, согласно которому суммарный поток событий от потоков, создающихся элементами системы распределен по экспоненциальному закону.
Отрезок времени безотказной работы моделируется известной формулой T(i)= - TOln (RAND), где TO - время наработки на отказ, RAND это случайное число, равномерно распределенное между нулем и единицей. 2. Среднее время восстановления, ТВ [ 1 :z] В исследовании принят экспоненциальный закон времени восстановления. В каждую ячейку этого массива заносится среднее время восстановления соответствующего элемента по указанной выше формуле экспоненциального распределения. Принималось ТВ = 10 [14]. 3. Вероятность восстановления, BB[l:z] Статистически эта характеристика определяется как отношение числа восстановленных силами обслуживающего персонала отказов к числу всех отказов и повреждений, требующих ремонт. 4. Вероятность обрыва, В О [ 1 : z ] Статистически вероятность обрыва определяется отношением числа отказов типа «обрыв» (невозможность включения) к общему числу отказов типа «обрыв» и «замыкание» (невозможность отключения или остановки). 5. Наличие датчиков предаварийного состояния, НД[ 1 :z] Каждый элемент может иметь или не иметь датчики предаварийного состояния. Если таковые имеются, то считается, что такой отказ постепенный и может быть выявлено предаварийное состояние, которое должно вызывать отключение неисправного элемента только после ввода в строй резерва. У тех элементов, у которых нет датчиков предаварийного состояния отказы будут представляться как внезапные. Например, система управления дизель-генератором выдает два рода сигналов: «неисправности» и «аварии». Первый относится к постепенному отказу, а второй к внезапному. У автоматических выключателей, как правило, таких датчиков нет. Поэтому их отказы будут внезапными.
Все параметры, характеризующие работу механизмов, проконтролировать невозможно, поэтому, несмотря на наличие датчиков, часть отказов происходит вследствие выхода за критические пределы неконтролируемых параметров. Вероятность постепенного отказа статистически определяется как отношение отказов, информация о которых получена от датчиков, к общему числу отказов.
Выявленное техническое состояние - это то техническое состояние, о котором получена информация в данный момент. Выявленное техническое состояние может отличаться от технического состояния, определенного ранее. Например, резервный генератор был остановлен в исправном состоянии, но во время стоянки произошел его отказ типа «обрыв», который не может быть выявлен на стоянке, так как все датчики выключены, а сам генератор стоит, и мы считаем его исправным, поэтому в массиве ВТС он по-прежнему представляется исправным, а в массиве ТС будет записан ноль. В следующем параграфе эти ситуации будут разобраны подробно.
