Введение к работе
Актуальность работы. В условиях участившихся случаев техногенных и природных катастроф, а также увеличения влияния человеческого фактора на развитие и результаты проявлений нештатных ситуаций в природно-промышленных комплексах, возрастает роль подготовки и повышения квалификации специалистов во всех отраслях промышленности и, особенно, в электроэнергетике.
Повышение эффективности подготовки специалистов невозможно без применения автоматизированных тренажерно-обучающих систем (ТОС).
Требования к безотказности и безопасности функционирования электроэнергетического комплекса в России в целом постоянно возрастают, о чем свидетельствуют не только принятые нормативные акты, но и законы, например, Федеральный закон от 21 июля 1997 г. №117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» (в ред. №374-ФЗ от 27.12.2009 г.), который непосредственно касается и гидротехнических сооружений РСО-Алания.
Особенности высокогорных территорий с резкими перепадами высот и температур (сложный географический ландшафт, возможность схода лавин и оползней, разливы горных рек, труднодоступное расположение линий электропередач (ЛЭП) и некоторых электроприемников и участившиеся непредсказуемые изменения климата) приводят к повышению риска возникновения неожиданных новых природных аномалий и увеличению числа аварийных ситуаций в системе снабжения и потребления электрической энергии.
Для предотвращения таких ситуаций и скорейшей ликвидации возможных последствий аварийного режима необходима не только своевременная и достоверная информация о влияющих на систему факторах, но и достаточный опыт оперативного персонала для принятия своевременного и правильного решения. В связи с этим приобретает большое значение вопрос о необходимости подготовки оператора к быстрому принятию оптимально верного решения, особенно в психологически сложной экстремальной ситуации. Исследование многовариантных аналогичных ситуаций с использованием тренажерно-обучающей системы дало положительный практический результат.
На фоне возрастающих требований к квалификации электроэнергетиков возросли требования и к функциональным возможностям и эффективности тренажерно-обучающих систем, реализация которых (с учетом увеличивающейся мощности компьютеров) приводит к необходимости разработки новых математических моделей и алгоритмов, способных охватить все разнообразие условий работы электроэнергетических объектов и, в частности, особенности их работы в горных территориях с постоянным изменением характера природных аномалий.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование математических моделей и алгоритмов эффективного функционирования тренажерно-обучающих систем в электроэнергетике (на примере РСО-Алания).
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Анализ тренажерно-обучающих систем и инцидентов в электроэнергетике РСО-Алания.
2. Разработка обобщенной математической модели работы электроэнергетического объекта и алгоритма ее применения в ТОС.
3. Разработка методики составления и способов анализа вероятностных моделей работы электроэнергетических объектов, возможности их применения как элементов системы поддержки принятия решений (СППР) в обучающей части ТОС.
4. Разработка методов и алгоритмов анализа и оценки электромагнитной совместимости электроэнергетических объектов.
5. Совершенствование контрольно-обучающего тестирования специалистов-электроэнергетиков.
6. Исследование возможности применения геоинформационной системы (ГИС) как части системы поддержки принятия решений при анализе воздействий природных факторов на электроэнергетические объекты.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:
– математическое моделирование;
– методы системного анализа;
– методы математической статистики;
– матричные методы анализа электрических цепей и метод обобщенных экспоненциальных воздействий;
– методы обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Расширены возможности тренажерно-обучающих систем на основе использования разработанной обобщенной модели установившегося режима работы электроэнергетической системы, включающей матричные уравнения состояния электроэнергетических объектов и энергетического баланса с использованием обобщенного экспоненциального воздействия и комплексной переменной частоты. Составлен алгоритм расчета различных режимов работы электроэнергетических объектов с использованием разработанной модели.
2. Предложен новый способ составления и анализа матричных вероятностных моделей работы электроэнергетических объектов, позволяющий исследовать различные вероятностные ситуации в работе электроэнергетических систем, ввести в процесс тренировки на полномасштабном тренажере элементы СППР, основанные на вероятностном анализе ситуации.
3. Разработана методика анализа электромагнитной совместимости в электроэнергетической системе для использования в тренажерно-обучающих системах (тренажерах), позволяющая оценить степень взаимного электромагнитного влияния электроэнергетических объектов.
4. Разработаны методические основы адаптивного контрольно-обучающего тестирования с использованием многоуровневых подсказок до ввода ответа, что дало возможность существенно повысить обучающую функцию тестирования, эффективно сочетать процесс контроля и обучения.
Объект исследований – Тренажерно-обучающие системы в электроэнергетике РСО-Алания.
Предмет исследований – Модели и алгоритмы для тренажерно-обучающих систем, повышающие эффективность обучения специалистов-электроэнергетиков на тренажерах и обеспечивающие наибольшую вероятность принятия правильных решений в различных нештатных ситуациях.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Использование предложенных математических моделей и алгоритмов в тренажерно-обучающих системах электроэнергетики расширяет их функциональные возможности, позволяет моделировать различные режимы работы электроэнергетических объектов практически в любых пределах изменения влияющих переменных, получать характеристики работы объектов. Это, в свою очередь, позволяет реализовать наиболее качественную и разностороннюю подготовку специалистов-электроэнергетиков. Совокупность разработанных методик, правил, рекомендаций составляет инструментарий для разработчиков тренажерно-обучающих систем и может быть использована в СППР в электроэнергетике.
2. Разработанные методика анализа электромагнитной совместимости электроэнергетических объектов и применение статистического моделирования были использованы для анализа опасных ситуаций, которые встречаются в условиях горных территорий РСО-Алания, например, влияния ЛЭП на электровзрывные цепи. Были получены результаты, позволившие сформулировать конкретные рекомендации по достижению необходимой электромагнитной совместимости этих объектов, предотвращению возникновения аварийных ситуаций, по включению полученных рекомендаций в рамки функционирования тренажерно-обучающих систем.
3. Предложен вариант адаптивного тестирования с подсказками до ввода ответа на поставленный вопрос, разработана программа его реализации (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617609); результаты проведенного эксперимента позволяют рекомендовать его для применения при подготовке специалистов-электроэнергетиков и повышения их квалификации.
4. Выработана методика применения разработанных моделей как дополнения при функционировании тренажерно-обучающих систем, позволяющего получать необходимые данные по результатам анализа режимов работы электроэнергетических объектов, обосновать и использовать статистические прогнозы для принятия правильных решений в штатных и нештатных ситуациях.
5. Разработан модуль визуализации системы поддержки принятия решений при анализе воздействия природных факторов на электроэнергетические объекты в условиях РСО-Алания, использующий картографическую привязку электроэнергетических объектов, источников экологических рисков и параметров электромагнитной совместимости, позволяющий прослеживать возможность одновременного возникновения нескольких природных аномалий и их воздействия на электроэнергетическую систему, что позволяет повысить эффективность использования СППР.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждается: совпадением результатов применения классических уравнений состояния электроэнергетических объектов и предложенных математических моделей; достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований; эффективностью применения предложенных алгоритмов; положительными результатами внедрения предложенных в работе рекомендаций и разработанного программного обеспечения.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в СОф ОАО «МРСК СК» при обучении и контроле знаний оперативного персонала; в ЗАО «Шахтострой-Сервис» для достижения необходимой электромагнитной совместимости ЛЭП и электровзрывных цепей.
Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ), научных семинарах кафедры информационных систем в экономике СКГМИ (ГТУ) (2008 – 2011 гг.), а также на следующих международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: Х Международная научно-практическая конференция «ИТ-технологии: Развитие и приложения», Владикавказ, 2009; VII Международная конференция «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», Владикавказ, 2010; XI Международная юбилейная научно-техническая конференция «ИТ-технологии: развитие и приложения», Владикавказ, 2010; Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2010; Круглый стол, посвящённый 25-летию Чернобыльской катастрофы «Экологически безопасная возобновляемая энергетика для устойчивого развития и как альтернатива АЭС», Владикавказ, 2011; II Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2011; VI Форум Молодых ученых Юга России, Нальчик, 2011; Научно-практическая конференция, посвящённая Дню эколога «Природа. Общество. Человек», Владикавказ, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 8 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов, 1 патент на полезную модель, 1 зарегистрированная программа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 97 наименований; содержит 162 страницы машинописного текста, 36 рисунков, 7 таблиц и приложения.
