Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор технических и алгоритмических решений при построении систем автоматизированного управления в энергоснабжении. Постановка задачи 15
1.1 Краткая историческая справка развития АСУ метрополитена 15
1.2 Решение SIEMENS 19
1.3 Решение компании ДЭП 22
1.4 Постановка задачи создания АСДУЭ 25
1.5 Критерии эффективности АСДУЭ 27
Выводы 32
2. Решение конструктивных и математических задач технических средств АСДУЭ 34
2.1 Выбор и обоснование путей решения задачи. 34
2.2 Принятие решений при выборе оборудования 37
2.3 Разработка стратегии перевода старой телемеханики на АСДУЭ 48
2.4 Когнитивный подход к моделированию и управлению АСДУЭ с учетом рисковых ситуаций 50
2.5 Продление ресурса оборудования с использованием экспертно-диагностической системы 66
Выводы 73
3. Состав и структура комплекса технических средств автоматизированной системы диспетчерского управления энергоснабжением 74
3.1 Состав и технические показатели системы 78
3.2 Комплекс для разработки и отладки систем управления (КРСУ) 84
3.3 Архитектура построения электропитания и кабельных соединений составных частей КТС АСУ ДПЭ 90
3.4 Разработка локальной вычислительной сети АСДУЭ 92
3.5 Математическое и программное обеспечение системы 94
Выводы 102
4. Технические решения и функционирование составных частей АСУ ДПЭ 104
4.1 Оборудование контролируемых пунктов КТС УСО 104
4.2 Сервер связи 109
4.3 Оценка функциональной надежности 109
4.4 Оценка функционирования 122
4.5 Расчет надежности комплекса технических средств устройства сопряжения с объектом 125
4.6 Расчет надежности ДПЭ 126
4.7 Расчет надежности АСУ ДПЭ 128
Выводы 130
Заключение 130
Список литературы. 133
- Постановка задачи создания АСДУЭ
- Разработка стратегии перевода старой телемеханики на АСДУЭ
- Архитектура построения электропитания и кабельных соединений составных частей КТС АСУ ДПЭ
- Оценка функциональной надежности
Введение к работе
Актуальность работы. Городской пассажирский транспорт в Москве, как и в других мегаполисах, постоянно развивается и функционально расширяется, потому что увеличивается пассажиропоток, устаревает оборудование, а это, в свою очередь, требует совершенствования системы управления транспортом и процедур принятия решений. Одним из основных видов пассажирского транспорта является Московский метрополитен, представляющий собой крупное транспортное предприятие с большим числом разнородного основного и вспомогательного оборудования, тесно связанного с программным обеспечением. Управление функционированием Московского метрополитена строится по линиям (радиусам) или по так называемым "диспетчерским кругам". Каждая линия управляется четырьмя основными службами: службой движения; службой электроснабжения; электромеханической службой; эскалаторной службой.
Служба электроснабжения, включающая специальное оборудование, аппаратуру и программное обеспечение, является одной из важнейшей служб метрополитена. Для обеспечения бесперебойной работы метрополитена внедрена автоматизированная система диспетчерского управления энергоподстанциями (АСДУЭ), в разработке и освоении которой активное участие принимал автор диссертации. При создании АСДУЭ возникла потребность в разработке новых научных подходов к подбору и компоновке технических средств системы, оптимальному планированию замены старых систем управления электрооборудованием, обоснованию автоматизации управления метрополитеном в условиях рисковых ситуаций. Эти факторы определяют актуальность темы диссертации и необходимость разработки методов и средств поддержки управленческих решений в системе электроснабжения Московского метрополитена, в том числе с учетом возникающих рисковых ситуаций.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью настоящей работы является разработка методов и средств поддержки управленческих решений в системе электроснабжения Московского метрополитена для повышения эффективности функционирования оборудования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
1. Проведение анализа основных направлений развития автоматизированной системы диспетчерского управления энергоснабжением метрополитена.
2. Разработка критериев и методов обоснования управленческих решений по замене оборудования, находящегося в эксплуатации в системе электроснабжения метрополитена, на новые модули без рисков потери функционирования.
3. Разработка метода обоснования управленческих решений на основе анализа рисковых ситуаций в системе электроснабжения метрополитена с использованием когнитивных карт.
4. Разработка предложений по структуре и составу комплекса технических средств автоматизированной системы диспетчерского управления энергоснабжением.
5. Разработка методики мониторинга функционирования оборудования и обеспечения заданного уровня функциональной надежности.
Объектом исследования является система управления электроснабжением Московского метрополитена.
Предметом исследования являются разработка методов и средств поддержки управленческих решений в системе электроснабжения
Методы исследования. Методы системного анализа и теории принятия многокритериальных решений, когнитивного моделирования, получения и обработки экспертной информации, проектирования средств управления вычислительной техникой.
Положения, выносимые на защиту
1. Критерии и методы обоснования управленческих решений по замене оборудования в системе электроснабжения метрополитена без рисков потери функционирования.
2. Метод обоснования управленческих решений на основе анализа рисковых ситуаций в системе электроснабжения метрополитена.
3. Структура и состав комплекса технических средств автоматизированной системы диспетчерского управления энергоснабжением.
4. Методика мониторинга функционирования оборудования и обеспечения заданного уровня функциональной надежности.
Научная новизна
1. Предложены и обоснованы критерии управленческих решений и новые способы замены оборудования в системе электроснабжения метрополитена, находящегося в эксплуатации, основанные на совместном применении различных методов многокритериального принятия решений.
2. Разработан новый метод обоснования управленческих решений, который состоит в анализе рисковых ситуаций в системе энергоснабжения метрополитена с использованием когнитивных карт.
3. Разработана новая методика мониторинга функционирования оборудования в системе электроснабжения метрополитена, учитывающая особенности ее сложной топологии и перспективы развития информационно-коммуникационных технологий, что позволяет повысить функциональную надежность системы в целом.
Практическая значимость работы
Результаты исследования реализованы в службе электроснабжения Московского метрополитена на следующих линиях: Замоскворецкая, Калужско-Рижская, Таганско-Краснопресненская, Люблинская, Калининская, Филевская, Митино-Строгинская, Бутовская.
Внедрение разработанных методов и средств обеспечило повышение надежности и эксплуатационных характеристик оборудования, модульный переход АСДУЭ метрополитена на новые средства, что позволило повысить безопасность движения поездов и пассажиропотоков, уменьшить время ликвидации аварийных ситуаций и чрезвычайных положений, повысить производительность электродиспетчера и уменьшить его ошибочные действия, существенно повысить эффективность и упростить работу службы электроснабжения.
Достоверность научных положений и выводов, полученных в диссертации, обусловливается корректностью теоретических выкладок, подтверждается отсутствием противоречий с экспериментальными данными, полученными в процессе эксплуатации разработанной АСДУЭ.
Область исследования
Постановка задачи создания АСДУЭ
Идея использования вычислительной техники для целей управления технологическими процессами в метрополитене возникла еще в период его создания – в 50-е годы XX века. Система управления технологическим процессом на базе ЭВМ может быть эффективна потому, что поддерживает параметры этого процесса в режиме, близком к оптимальному.
В условиях работы метрополитена, где ни один элемент сложного и многофункционального хозяйства не может работать без электроэнергии, вопросу надежного электроснабжения уделяется серьезное внимание.
Четкая и взаимослаженная работа метрополитена (от движения поездов по строгому графику до нормальной работы турникетов) невозможна без централизации управления электрохозяйством. Такая централизация достигается путем управления энергоснабжением целого энергоучастка (например, линией) из одного места – диспетчерского пункта.
Инструментом управления всем электрохозяйством является система телемеханики, позволяющая диспетчеру оперативно производить переключение агрегатов подстанций, иметь всестороннее представление об их состоянии и, кроме того, о состоянии вспомогательного оборудования.
Первая система телемеханики появилась на метрополитене еще до Великой Отечественной войны. На управлении находились всего три тяговые подстанции – Белорусская, Динамо и Аэропорт.
Массовый перевод подстанций на телеуправление начался после войны. К 1967 году на телеуправлении находилось 52 подстанции. В то время использовалась релейно-контактная система телемеханики РТА-141 (распределительная, токовая, с амплитудным признаком). Она позволяла осуществлять управление 47 двухпозиционными объектами, получать и воспроизводить 141 телесигнал в однопозиционном исчислении и телеметрическую информацию по вызову (14 телеизмерений). [35]
Время передачи команды управления 5 – 6 секунд, с учетом интервалов, время всех сигналов телеуправления 3 группы 18 – 25 секунд.
Каждое устройство телемеханики состояло из диспетчерского и подстанционного полукомплектов аппаратуры, пульта и щита диспетчера. Применялись телефонные и кодовые реле, шаговые искатели ШИВ-50/4 и ШИ-11. Каждая телеустановка имела программное устройство для снятия и подачи напряжения на контактный рельс.
Отображение информации осуществлялось по принципу «светлого» щита с использованием коммутаторных ламп КМ-5 и световых ячеек СВМ. Квитирование и управление производилось индивидуальными ключами объектов типа КТ-4. Все телесигналы разбивались на 3 группы по 47 сигналов в каждой. Передавались сигналы той группы, к которой относится переключаемый объект.
Линии связи между диспетчерским пунктом и управлением (контролируемым) объектом могли достигать длины 25 – 30 км. Ввиду использования в системе релейных элементов, резерв повышения их надежности был исчерпан. Кроме того, система РТА-141 требовала отдельного помещения для размещения шкафов с аппаратурой и разветвлнных кабельных связей между релейными шкафами и аппаратурой диспетчера.
Вследствие этого на метрополитене с 1976 года началось поэтапное внедрение системы телемеханики ТЭМ-74 (телемеханика электронная, для метрополитенов, окончание разработки 1974 год).
Система позволяла осуществлять телеуправление 64 двухпозиционными объектами, получать и воспроизводить 120 телесигналов в однопозиционном исчислении, принимать телеметрическую информацию с аналоговым воспроизведением значений токов и напряжений по вызову (14 телеизмерений).
Каналы связи рассчитаны на использование 6 жил кабеля, по две на тракт: ТУ (телеуправление), ТС (телесигнализация) и ТИ (телеизмерение). Система непрерывного действия включения по распределительному принципу с временным импульсным признаком и тактовой синхронизацией.
Система ТЭМ-74 выполнена в двух стойках: одна предназначена для установки на КП, другая – на ДП. Командные ключи и кнопки размещены рядом со световыми элементами мнемосхемы, т.к. пульт и щит совмещены в одной стойке на ДП.
В стойках КП и ДП расположены функциональные блоки устройства телемеханики и приборы телеизмерения. Аппаратура выполнена по блочному принципу. Блоки соединены жгутиками через разъемы и состоят из модулей. В модулях с использованием печатного монтажа собраны однотипные схемы: триггеры, инверторы, логические схемы и т.п.
Для осуществления внешних соединений в стойке КП установлено 8 панелей клеммников, а в стойке ДП – одна такая панель. К панелям подводятся кабели питания, линии связи. Кроме того, непосредственно к клеммникам стойки КП подводятся сигнальные кабели от блок-контактов аппаратуры подстанции.
Разработка стратегии перевода старой телемеханики на АСДУЭ
Результаты, полученные методом парных сравнений, не дают ясного понимания, какой системный блок наиболее предпочтителен. Для построения упорядоченной последовательности системных блоков по предпочтительности, результаты, полученные методом парных сравнений, были обработаны при помощи методов АРАМИС и метода лексикографического упорядочивания по градациям критериальных оценок[63].
Метод АРАМИС (Агрегирование и Ранжирование Альтернатив около Многопризнаковых Идеальных Ситуаций) позволяет упорядочивать многокритериальные варианты по близости к опорной точке, когда варианты представлены в виде мультимножеств. В качестве опорных точек были взяты две идеальные (возможно, гипотетические) конфигурации: системного блока, получившего, высокие оценки по всем критериям, и системного блока, получившего низкие оценки по всем критериям. относительную близость конфигурации i-го системного блока: близость к наилучшему системному блоку + и близость к самому неудачному системному блоку -. По возрастанию значения относительной близости к наилучшему варианту упорядочиваются варианты системных блоков, причем наиболее предпочтительный вариант имеет наименьшее значение L. Последовательное сравнение вариантов по общему числу соответствующих градаций экспертных оценок составляет Метод лексикографического упорядочивания. Сначала варианты сравнивают по числу высоких оценок или числу первых мест, затем по числу средних оценок или вторых мест, далее по числу низких оценок или третьих мест. Наиболее предпочтительным вариантом становится тот, у которого наибольшее число высоких экспертных оценок. Если вариантов с одинаковым количеством высоких оценок несколько, то сравнение этих вариантов происходит по средним оценкам, соответствующим второму месту и т.д. Для определения рангов оценок зададим шкалу 0-0,4 – низкая оценка, 0,4-0,6 – средняя оценка и 0,6-1 – высокая оценка. [63] Таблица 2.2.6.
Весакритериев Надеж ность Взаимо заменяе мость Производительность Шумностьработы Охлажд ение Цена ПоказательблизостиМАИ L (ВКг) 1м 2м 3м По рассмотренным выше трем методам (МАИ, АРАМИС и лексикографического упорядочивания) может быть сформирована результирующая таблица, из которой вытекает, что системный блок СБ1 предпочтительнее системного блока СБ3, а системный блок СБ3 предпочтительнее системного блока СБ2. При выборе контролеров изначально предпочтение отдавалось импортному оборудованию, но после тщательного изучения показателей цена-качество, решено было взять ряд единиц оборудования российского производителя.
В частности, в качестве промышленных контролеров изначально предполагалось использовать контроллеры немецкой фирмы Siemens, но после сравнения характеристик выяснилось, что контроллеры, разработанные в институте управляющих вычислительных машин (ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука») СМ1820М ПК, не уступают иностранным аналогам, а по некоторым характеристикам их превосходят, а именно: не требуется принудительного охлаждения (охлаждение происходит за счет естественной конвекции воздуха); малое потребление электроэнергии; широкий диапазон рабочих температур (от -40 до +70). 2.3 Разработка стратегии перевода старой телемеханики на АСДУЭ
Для устройства сопряжения с телемеханикой ТЭМ-74 необходимо было разработать модули, позволяющие перекодировать аналоговые сигналы в цифровые с протоколом обмена, близким к протоколу АСДУЭ. Для каждой стойки ТЭМ-74 необходимо одно устройство сопряжения, что позволит модульно, по одной подстанции, переводить старую телемеханику на АСДУЭ. При этом уникальность и принципиальная новизна такой системы состоит в том, что в режиме сигнализации система работает в параллель с существующей системой отображения и не влияет на ее работу, что немаловажно для ММ. Для управления необходимо переключить переключатель ТУ на АСДУЭ, и тогда только появится возможность управлять с помощью новой телемеханики, при этом ТЭМ-74 управлять объектами не сможет, что исключает двойное управление.
При такой архитектуре возможно, как уже указывалось выше, частями переводить управление подстанциями на АСДУЭ не мешая работе ТЭМ-74. Уникальность такой системы состоит в том, что в России, а возможно и за рубежом (отсутствует информация в литературных источниках) нет аналогичных систем. Проще всего заменить старую телемеханику на новую полностью, но в условиях кризиса в целях экономии средств и человеко-часов, этот подход наиболее приемлем.
Архитектура построения электропитания и кабельных соединений составных частей КТС АСУ ДПЭ
В последнее время все больше специалистов в электроэнергетике выступает за переход от системы планово-предупредительных ремонтов оборудования к ремонтам по его техническому состоянию и оценке рисков. И если необходимость такого перехода кто-то готов оспорить, то невозможность осуществления данного процесса без точной и своевременной диагностики оборудования уже не поддается сомнению.
Проведение эффективной диагностики оборудования как выполнение далеко не тривиальной задачи требует не только знаний и определенных психологических качеств от персонала, но и богатого практического опыта. Во многом решить задачи, которые ставит перед нами диагностика, помогают системы искусственного интеллекта (ИИ) – сегодня они становятся естественным и необходимым инструментом работы. [5]
Внедрение корпоративных информационных систем на базе экспертно-диагностических, способствует обучению персонала и росту его дисциплинированности, сокращению времени на составление отчетов и анализ ситуации, повышает оперативность, надежность и качество принимаемых решений. С ростом интеллектуальности информационных систем повышается уровень обобщения информации, степень сложности решаемых задач, увеличивается отдача от их внедрения и влияние на работу предприятия в целом.
Использование информационных технологий в производственном процессе эксплуатации электрооборудования, включая его диагностику, это реальность, обусловленная как современными тенденциями развития энергетики, так и необходимостью более эффективной работы электроподстанций в целом. Успешность работы предприятия во многом определяется эффективностью его работы с циркулирующей в нем информацией, подразумевающей оперативность, достоверность, всесторонность, глубину и степень обработки данных.
Применение информационных технологий (ИТ) в разработке и организации технической политики электроснабжения можно разделить на четыре уровня, соответствующих уровням их исторического развития. Ниже приводятся сведения , определяющие обобщение информации и полезный эффект от их использования: создание баз данных (БД) для упорядоченного хранения информации; создание программ, автоматизирующих рабочее место (АРМ) для автоматизации легко формализуемых действий персонала по анализу оперативных данных; использование систем ИИ для решения тактических задач (диагностика оборудования, планирование действий персонала, прогноз хода событий, обучение персонала); использование систем ИИ для решения стратегических задач (анализ структуры эксплуатационных затрат, состава и технического состояния парка оборудования электроподстанций, автоматизация элементов научных исследований с целью получения новых знаний).
Каждый уровень обладает своими функциональными и информационными особенностями, своим уровнем обобщения, анализа и защищенности информации в соответствии с существующей иерархией организации эксплуатации электрооборудования. При использовании экспертно-диагностической системы в качестве корпоративной ее работа делится на 3 функциональных уровня: - производственное отделение (службы изоляции производственного отделения); - управление филиала (диагностическая служба или служба технической эксплуатации и хим.лаборатория филиала); - управление МРСК (службы, отвечающие за вопросы оценки технического состояния оборудования).
Ниже приведены задачи функциональных уровней и реализующие их структурные части экспертно-диагностической системы. Первый уровень (производственные отделения): заполнение БД основного оборудования паспортными характеристиками и оперативной информацией; выполнение необходимых расчетов, верификация оперативной информации; сравнение значений контролируемых параметров и динамики их изменения с нормированными значениями (тестовый этап диагностики), а также первичная оценка технического состояния оборудования; проведение экспертно-диагностической системы глубокой диагностики оборудования, не прошедшего тестовый этап. При этом указывается характер дефекта, степень его опасности, (по возможности) локализация, составляются рекомендации по дальнейшей эксплуатации объекта с указанием объемов и (по возможности) сроков, видов дополнительного контроля, ремонта и др. эксплуатационных мероприятий, изменению режимов работы; верстка годовых планов эксплуатационных мероприятий (в т.ч. планы измерений), их мониторинг, составление планов-заданий измерителям; составление и экспорт на верхние уровни отчетов по характеристикам и техническому состоянию парка основного оборудования, проведенным эксплуатационным мероприятиям, ремонтам, сводок оборудования, находящегося на учащенном контроле
Оценка функциональной надежности
ARCSRV – Программа для ведения логов событий, происходящих в реальном времени. Занесение их в файлы и разбиение их по дате. Находится на сервере связи.
AUTOUP – программа предназначена для автоматического слежения за работой всех программ на СС и при необходимости, автоматической загрузки одной из программ, при сбое в ее работе.
TS_CE (TS_TLS, TS_TM) – программа для отображения в текстовом виде состояния сигналов на подстанциях. При нулевых параметрах (/usr/local/metro/bin/ts_ce) выводит на экран состояние ячеек всех основных КП. Но можно задать параметры.
Например: «/usr/local/metro/bin/ts_ce 4» - при вводе данной команды в командной строке мы будем видеть сигналы только по 4 логическому номеру КП. Информация предоставляется в HEXе и разделена на байты. Для того чтобы определить на каком контакте КП имеется сигнал, надо число перевести в бинарный вид.
ПО, устанавливаемое на АРМ и АРМ отображения состоит из:
MY_ARM – программа вывода мнемосхем энергоподстанций с отображением состояния объектов управления на монитор диспетчера в реальном времени. Выдача управляющих воздействий на объекты управления.
ARC – программа просмотра архива (протокола) в графическом режиме. Вызывается на мнемосхеме, путем нажатия на меню «Сервис» «Протокол».
ARM_LOG – программа ведения и просмотра журнала АРМ. Вызывается на мнемосхеме, путем нажатия на меню «Сервис» «Журнал».
SYSTEST – программа тестирование системы и вывода информации на экран о состоянии СС и возможных причинах неисправности.
PAKET – программа пакетного управления всеми подстанциями и по отдельности в графическом режиме. Вызывается на мнемосхеме, путем нажатия на меню «Пакет» «Вся линия» или «№ подстанции».
PROGRAM_E – программа экстренного снятия напряжения в графическом режиме. Вызывается на мнемосхеме, путем нажатия на меню «Пакет» «Экстренное снятие напряжения».
Тестовое ПО Предназначено для тестирования работоспособности системы и заблаговременного анализа возможности ее сбоя работы и выявления прочих неисправностей. Тестовое программное обеспечение позволяет обслуживающему персоналу, не имея большого опыта работы с АСДУЭ провести анализ работы системы и получить данные ее работы.
Организационное обеспечение системы АСДУЭ представляет перечень регламентирующих правил работы оперативного и обслуживающего персонала системы, а также справочной информации для диспетчеров службы электроснабжения. Регламентирующие правила устанавливаются руководством метрополитена и согласуются с ИВЦ Метрополитена в части их компьютерной реализации.
Выводы
1. Проанализированы специфика работы службы энергоснабжения Московского метрополитена, территориальное расположение энергоподстанций и удаленность их от диспетчерского пункта. На основе этих данных было подобрано оборудование для наилучшей реализации построения АСДУЭ.
2. Разработана структурная схема АСДУЭ, определены технические характеристики надежности и безотказной работы автоматизированной системы управления энергоснабжением.
3. Смоделирован комплекс для разработки и отладки АСДУЭ, который при заключительном анализе может быть использован не только для системы диспетчерского управления энергоснабжением, но при небольшой доработке для различных автоматизированных систем управления.
4. Разработана архитектура построения электропитания и локально-вычислительной сети автоматизированной системы диспетчерского управления энергоснабжением Московского метрополитена.
5. Исследованы проблемы силового оборудования, установленного на энергоподстанциях, и разработаны алгоритмы для увеличения ресурса работы этого оборудования. Представлено также программное обеспечение с подробным анализом его составных частей и реализуемых им функций.
