Содержание к диссертации
Введение
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
1.1 Современное состояние электрохозяйства промышленности 17
1.2 Основные проблемы функционирования электрооборудования в современных условиях 21
1.2.1 Используемая терминология 22
1.2.2 Технические аспекты влияния изношенного электрооборудования на электротехнические комплексы 26
1.2.3 Методологические аспекты эксплуатации изношенного электрооборудования 31
1.2.4 Организационные и экономические аспекты эксплуатации изношенного электрооборудования 36
1.2.5 Информационные аспекты автоматизированного управления энергохозяйством 40
1.2.6 Причины неопределенности информации в электротехнических комплексах 43
1.3 Применение методов теории нечетких множеств для информационной поддержки функционирования электрооборудования 50
1.4 Поиск новых форм обслуживания электрооборудования 59
1.5 Анализ опыта использования информационных систем для поддержки функционирования электрооборудования 66
1.6 Принципы построения систем поддержки принятия решений 71
1.7 Постановка цели и задач исследования 77
1.8 Выводы
2 МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ФОРМАЛИЗАЦИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 83
2.1 Информационная модель поддержки функционирования электрооборудования по его состоянию 83
2.2 Моделирование информационных структур электротехнических комплексов 87
2.3 Межуровневые информационные отношения в электротехнических комплексах 108
2.4 Представление и классификация расширенных нечетких чисел 116
2.5 Формализация специфических видов информации в электротехнических комплексах 129
2.5.1 Противоположная информация 129
2.5.2 Противоречивая информация 132
2.5.3 Текстовая информация 136
2.6 Организация поиска решения на основе нечеткой модели 143
2.6.1 Общая методика доопределения нечеткой и неопределенной информации 143
2.6.2 Методика принятия решения при взаимодействии четких и нечетких параметров 145
2.6.3 Методика поиска решения при взаимодействии нечетких параметров 148
2.6.4 Принятие решения при управлении параметрами режима электротехнических систем 150
2.7 Методы многокритериального поиска решений в нечеткой среде ЭТК 157
2.7.1 Поиск решения при нечетких отношениях предпочтения 161
2.7.2 Поиск решения при нечетких ограничениях и нечеткой цели .... 162
2.7.3 Принятие решения на основе модели нечеткой ожидаемой полезности 164
2.8 Выводы 165
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО МЕНЕДЖМЕНТА ЭЛЕКТРОХОЗЯЙСТВА 168
3.1 Упорядочение данных, используемых для управления электрохозяйством 170
3.2 Методы представления и использования знаний в технологии поддержки функционирования электрооборудования 176
3.3 Организация поддержки принятия решений в управлении электрохозяйством по ситуационным информационным отношениям 182
3.3.1 Методика классификации ситуаций по степени нечеткого включения 190
3.3.2 Методика классификации ситуаций по нечеткой эквивалентности и равенству 194
3.3.3 Методика классификации по нечеткой общности ситуаций 196
3.3.4 Особенности функционирования компонента принятия решений 197
3.3.5 Методика поиска решений в условиях параметрической зависимости режимных данных 202
3.4 Особенности поиска управляющих решений в пространстве подзадач 207
3.5 Организация автоматизированного управления в функции причинно-следственного следования событий 212
3.6 Методы поиска управляющих решений по нечеткой ситуационной фреймовой сети 213
3.7 Выводы 227
4 РАЗРАБОТКА СЕРВИСНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 229
4.1 Синтез экспертной системы для диагностики и управления в электротехнических комплексах 229
4.1.1 Принцип действия диагностической экспертной системы 221
4.1.2 Особенности работы компонента формализации ситуации 233
4.1.3 Особенности работы классифицирующего компонента 235
4.2 Формирование базы знаний экспертной системы ДЭСТР 236
4.3 Особенности функционирования решателя экспертной системы ДЭСТР при поиске управляющего решения 239
4.4 Особенности правил ранней и пост-диагностики силовых трансформаторов 247
4.5 Особенности формирования четкого управляющего решения 250
4.6 Состав и структура уровней АСУЭ, оснащенных экспертными системами 252
4.7 Выводы 263
5 ОБСУЖДЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ УПОРЯДОЧЕННОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 266
5.1 Информационная поддержка функционирования крупного электрооборудования 267
5.2. Оценка состояния изношенных силовых трансформаторов 269
5.2.1. Внешнее исследование 269
5.2.2 Ресурсная диагностика 282
5.2.3 Специализированная диагностика и ревизия 294
5.3 Направления совершенствования методов эксплуатации электрооборудования 297
5.3.1 Технические и методологические аспекты компонента разрешения 300
5.3.2 Организационные аспекты компонента разрешения 307
5.4 Инвестиционная поддержка реализации технологии упорядоченного функционирования электрооборудования 311
5.4.1 Оптимизация амортизационной политики 311
5.4.2 Лизинговое инвестирование 324
5.4.3 Технико-экономические аспекты применения экспертных систем 327
5.5 Выводы 329
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 331
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 334
ПРИЛОЖЕНИЕ. Документы, удостоверяющие использование результатов исследований в промышленности и учебном процессе ....... 359
- Современное состояние электрохозяйства промышленности
- Информационная модель поддержки функционирования электрооборудования по его состоянию
- Упорядочение данных, используемых для управления электрохозяйством
- Синтез экспертной системы для диагностики и управления в электротехнических комплексах
- Информационная поддержка функционирования крупного электрооборудования
Современное состояние электрохозяйства промышленности
Большинство промышленных предприятий связано с объединенной в уникальный электротехнический комплекс Единой энергосистемой (ЕЭС) России. ЕЭС объединяет около 90 % энергосистем для энергоснабжения потребителей электрической и тепловой энергией. Часть крупных промышленных предприятий, расположенных в северных и отдаленных регионах страны, питается от изолированно работающих энергосистем. Общее энергопотребление в России приближается к 900 млн. т. условного топлива [47, 48, 80].
В последние годы заметно обострились задачи поддержания требуемого технического состояния актива производственных основных фондов (ПОФ) и их основного компонента - ЭО. Главной проблемой для электрохозяйств и энергопредприятий стала высокая степень износа оборудования [47-49, 81, 104, 151]. Для отечественной практики эта проблема не нова - ИЭО в промышленной энергетике эксплуатируется постоянно, начиная от первых пятилеток до настоящего времени [45-48, 79, 80, 115, 121, 125, 150, 210, 245]. Но поскольку темпы обновления и ввода нового ЭО были достаточно высоки, относительное количество эксплуатируемого ИЭО постоянно снижалось (рис. 1.1). Текущее десятилетие в силу многих причин характеризуется резким увеличением ИЭО, что приводит к снижению эффективности работы энергосистем и обслуживаемых ими промышленных предприятий.
Тенденция доминирования специфических проблем ИЭО характерна не только для России, но и для мировой энергетики, поскольку технически и экономически нецелесообразно и невозможно ликвидировать все имеющееся ИЭО. На последних сессиях международных конференций значительная часть докладов, выступлений и дискуссий посвящается проблеме эксплуатации ИЭО ввиду ее особой актуальности [49, 104, 270]. Важность, сложность и многоплановость проблемы отмечались в ключевых темах: Life Extension (продление жизни), Repair and Refurbishment (ремонт и обновление), On-line Monitoring (непрерывный сервис под напряжением). Life Management (управление жизнью) и др. Одной из основных составляющих проблемы является продление сроков службы ИЭО.
Разработка способов продления нормативных сроков службы ЭО основана на сохранении некоторым ИЭО достаточно высоких технико-экономических показателей и связана с объективными факторами, которые должны быть учтены при реализации соответствующих технологий.
Ошибочность долгосрочных прогнозов развития. Большинство крупных объектов промышленности и электроэнергетики, электрических станций и подстанций были введены в действие в 1960-70 и начале 80-х годов (рис. 1.1) с расчетом на 25-30 лет службы. Преобладающие оптимистичные прогнозы предполагали постоянный рост мощностей и замену ЭО в конце сроков эксплуатации технически и технологически более совершенными конструкциями [125]. Под влиянием разных причин многие из этих прогнозов не оправдались.
Высокая степень износа ЭО в промышленном и энергетическом комплексе России характеризуется постоянным ростом [48, 81, 115, 151, 121]. К 1991 г. ЭО энергоблоков тепловых электростанций (ТЭС) в среднем отслужили более половины нормативного срока. Только за период с 01.01.1991 по 01.01.1996 средний срок службы ЭО энергоблоков достиг 69 % нормативной величины. За последующие 5 лет фактический срок службы ЭО вырос еще на 23 % и составил две трети нормативного, 21 % установленной мощности достиг нормативного срока службы, против 7 % на 01.01.1991, а 18 % блочных турбин выработали парковый ресурс.
Информационная модель поддержки функционирования электрооборудования по его состоянию
Исследования, проведенные в первой главе, показали, что обслуживание по системе ТОР СЭО необходимо для большей части ИЭО. Вид ремонта, срок и требуемый объем выполняемых работ становятся функцией выявленных дефектов. Для организации такого обслуживания нужны средства, позволяющие оценивать состояние объекта на данный момент, проследить изменение состояния в последнее время и спрогнозировать его возможность функционирования на ближайшее будущее. Переход к ТОР СЭО связан с использованием новых диагностических параметров и методик их получения, последующего анализа и реализации управляющих воздействий в соответствии с предлагаемой моделью, параметры которой являются нечеткими [212, 213]. Для СТ модель описывается следующим образом:
где {прс} = ПРС - множество контролируемых параметров режима и состояния СТ; {Sj}- множество входных ситуаций, интерпретируемых системой диагностики, с помощью множества типовых ситуаций {s }; t\- время начала эксплуатации; t2 время завершения эксплуатации; [tl5 t2] - жизненный цикл СТ; {u}=U - множество управляющих решений по воздействиям, направленных на увеличение времени функционирования Тфмакс = {Чф}
СТ в рабочем состоянии. Для увеличения {Чф} рекомендуется принятие управляющих воздействий, приводящих ПРС в оптимальное состояние где npc(t) t - поддерживаемые оптимальные ПРС.
Состояние СТ идентифицируется по ПРС, например с помощью ЭС РВ [189, 200, 297], которая в каждый момент времени te[t1?t2] формирует
управляющее решение и дает заключение об одном из трех состояний СТ:
а) исправном - дефекты отсутствуют, ПРС приближены к оптимальным
где U - класс управляющих решений, не изменяющих ПРС;
б) условно исправном - имеются развивающиеся дефекты, пока не приводящие к аварийному отказу СТ, или есть значительные отклонения ПРС от оптимальных где \JK - класс управляющих решений, направленных на возвращение ПРС в оптимальное состояние или переводящих СТ на расширенную диагностику внутренних параметров;
в) аварийном - имеются дефекты, исключающие возможность даль нейшей эксплуатации где U - класс управляющих решений, направленных на отключение СТ; npc(t)a - аварийные ПРС.
Упорядочение данных, используемых для управления электрохозяйством
Одной из современных форм представления данных являются семантические сети, которые выражают упорядоченную систему информации через связанную дугами сеть вершин. Вершины представляют объекты, понятия, события, процессы или явления. Дуги показывают отношения между связанными вершинами. Воспользуемся для описания ЭТК семантическими сетями простыми, если вершины не имеют собственной внутренней структуры, и иерархическими, если вершины обладают структурой. Такое приложение семантических сетей может упростить систему данных и ускорить процесс вывода предлагаемых решения [174, 185, 209].
Отношения «есть», «является», «иметь» устанавливают свойства иерархии наследования в сети, т. е. элементы одного уровня (например, Синхронная машина и Электроустановка на рис. 3.1) наследуют элементы другого уровня (Синхронный генератор, Синхронный компенсатор и Асинхронный двигатель). Свойство иерархии позволяет сократить объем памяти в БЗ, т. к. данные о сходных вершинах не нужно повторять в аналогичных узлах сети. Информация при этом может быть сконцентрирована в одной центральной вершине, например, в узле «Электроустановка».
Организация поиска, нахождения данных и вывода новых данных с помощью семантической сети, возможна при использовании смысла отношений, заложенных в дугах. В семантической сети (рис. 3.1), являющейся фрагментом классификации электроустановок, данные представлены в виде утверждений: «Синхронный генератор» и «Синхронный компенсатор» являются «Синхронными машинами», «Синхронные машины» и «Асинхронный двигатель» являются «Электроустановками» и «Синхронный генератор, снабженный «Системой возбуждения», вырабатывает «активную Wa и реактивную Wp электроэнергию», «Синхронный компенсатор», снабженный «Системой охлаждения», вырабатывает «Wp», «Асинхронный двигатель получает» «Wa и Wp».
Синтез экспертной системы для диагностики и управления в электротехнических комплексах
В ряде исследований по эксплуатации высоковольтного ЭО [3, 5, 39, 63, 106, 128, 133, 224, 225, 231, 232, 238] было выявлено, что, по меньшей мере, 65 % аварий и отказов электроустановок вызваны развивающимися дефектами. Кроме того, ИЭО имеет свою специфику дефектов. Для поддержки функционирования ЭО в таких условиях при реализации нового направления нами разработаны и применяются специальные интеллектуальные компоненты [172, 184, 187, 189-191, 193, 196-198, 200, 206, 294, 296, 294]. Исследуемая ниже диагностическая экспертная система для силовых трансформаторов (в дальнейшем ДЭСТР) ориентирована на ОЛМ [231]- сервис ЭО под напряжением с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения за счет продолжения работы электроустановок во включенном состоянии. ДЭСТР осуществляет интеллектуальную поддержку мониторинга и сигнализации предельных состояний и режимов, диагностики и перевода СТ на специальный контроль, управление некоторыми ПРС, обучение пользователей.
Диагностический мониторинг осуществляется для принятия оперативных решений без отключения ЭТС - крупного ЭО в условиях сложности (отсутствия) полной теории процессов и/или невозможности прямой ее реализации. При этом использованы экспериментально установленные корреляционные связи и сформулированные экспертные правила. Функционируют два вида режимов: автоматический без участия диспетчера и автоматизированный интерактивный.
Реализованы следующие способы достижения цели: использование (минимизация) входной информации без установки дорогостоящего дополнительного диагностического оборудования. Множество параметров, необходимых для объективной диагностики, дополняется субъективными оценками обслуживающего персонала;
применение «нетрадиционных» или более доступных параметров контроля - ПКЭ. Этот способ обладает «тонким» механизмом выявления развивающихся дефектов. Экспериментально установлено, что ПКЭ связаны с изменением параметров СТ: zK, АРХ, ДРК и различными видами повреждений.
Увеличение коэффициента гармонических составляющих Кщп) свидетельствует о развитии явлений резонансного характера, а повышение коэффициента обратной последовательности К2и - характерно для повреждения высоковольтных вводов;
использование сетевых семантических дедуктивных методов эксперт ной корреляции для построения образа-ситуации дефекта.
Режим управления осуществляется с помощью коррекции ПРС через выработку взвешенных решений. Параметрами и режимами управления являются:
уровень потерь напряжения и активной мощности;
величина потребляемой реактивной мощности;
поддержка оптимальных условий эксплуатации ЭО;
Информационная поддержка функционирования крупного электрооборудования
Энергопредприятия и электрохозяйства уже имеют современную вычислительную технику, которая может обеспечить соответствующую информационную поддержку персоналу, связанному с процессом функционирования ИЭО [214]. Для обработки большого объема сложной, неопределенной, неоднозначной, противоречивой и эвристической информации необходимы специальные ИС, которые оказывают пользователям поддержку в принятии решений. Прототип ИС [206, 211], реализованный на персональной ЭВМ, состоит из реляционной БД, продукционной БЗ и ЭС. ИС предназначена для оказания информационной поддержки ЛПР с целью упорядочения функционирования крупного сетевого, подстанционного и промышленного ЭО: основного (автотрансформаторы, СТ, ЛЭП, масляные реакторы, вакуумные, воздушные, масляные и элегазовые выключатели и др.), вспомогательного ЭО и их основных элементов (высоковольтные вводы и проходные изоляторы, конденсаторы, приводы, разрядники и ограничители перенапряжений, разъединители, устройства РПН, трансформаторы тока и напряжения и др.). Номенклатура крупного ЭО потребителей электроэнергии дополнена не входящими в приведенный выше перечень высоковольтными и ответственными электродвигателями и другими установками.
Реляционная БД входит в состав типовой СУБД и содержит: паспортные данные основного и вспомогательного ЭО, включая их основные элементы; карты осмотра; журналы дежурного персонала; данные периодических испытаний ЭО; предельные допустимые нормы и испытательные критерии; технологические карты ремонта (ревизии) ЭО; учетно-контрольные карты ЭО; статистику выявляемых дефектов и повреждений ЭО; нормативные материалы и руководящие документы; ГОСТы; инструкции заводов-изготовителей ЭО; местные инструкции и стандарты предприятия; другие данные и материалы.
Продукционная БЗ состоит в основном из экспертных правил. ЭС, играющая роль надстройки в БД, использует существующую БЗ, компонент извлечения знаний и компонент объяснения (см. пп. 1.6, 4.1).
Информация в БД хранится в виде реляционных таблиц, связанных различными видами отношений. Исходная информация вводится как вручную, так и автоматически. Вводимая информация является прямой, косвенной первичной и косвенной вторичной.
Прямая информация свидетельствует о номинальных параметрах ЭО (паспортные данные) конструктивных особенностях, режимах работы и методах эксплуатации (заводские инструкции).
На основе данных проводимых измерений параметров режима, системы и состояния косвенная первичная информация позволяет в результате последующей переработки получить новую существенную информацию.
Косвенная вторичная информация (предельные значения параметров, критерии, экспертные знания) дает возможность с помощью ЭС получить сведения о состоянии ЭО на базе прямой, косвенной первичной информации и экспертных правил.
Косвенная информация не может быть абсолютно точной относительно исследуемой причины, но эти сведения представляют интерес как определенная полезная информация - поддержка подсказкой, советом в принятии решения. Знания структурированы по узким частям предметной области: ресурс, опыт эксплуатации, конструктивные дефекты и т.п.
Процедуры оценки ЭО достаточно хорошо методически проработаны и описаны в нормативных и руководящих документах [13, 35, 65, 68, 102, 119, 122, 142-145, 149, 234]. Методика оценки состояния ИЭО находится на пути становления. Нами предлагается использование обобщенного опыта и собственных исследований в этой области.
