Автоматизированная система прогнозирования остаточного ресурса контактных соединений электрических сетей в условиях ограниченного объема диагностической информации

Актуальность проблемы и общая характеристика работы.

В современной технике важное значение приобрели вопросы надежности различного рода ответственных устройств. Перерыв в работе ответственного устройства может привести не только к ухудшению качества производимой продукции или к полному прекращению производственного процесса, но и к весьма серьезным авариям, выходящим за локальные рамки предприятия.

Одним из приоритетных направлений в энергетической отрасли является разработка средств, направленных на повышение надёжности, безопасности и эффективности функционирования объектов-энергетики. Преимущественными являются исследования, направленные на изучение закономерностей функционирования объектов и, развития процессов, повышения эффективности управления ими с использованием современных средств обработки информации. Реализация данного направления невозможна без построения систем мониторинга и. поддержки принятия! решений, которые, в свою очередь, охватывают круг вопросов, связанных с подготовкой и организацией получения данных, обработкой и содержательной интерпретациейинформации. Сложность объектов и взаимосвязей их состояния с влияющими факторами, обуславливающие априорную неопределенность условий, разнообразие целей и средств решения задач определяет необходимость интеллектуализации процессов диагностирования и прогнозирования состояния объектов на основе реализации теоретических положений и практических разработок информатики.

Разработка обеспечения систем мониторинга предусматривает изучение условий эксплуатации энергетических устройств, определение диагностических параметров и выявление основных воздействующих на них факторов, оценку показателей надежности электрооборудования, составление математического описания объекта и получение на его основе диагностической модели, ее анализ, выявление диагностических признаков и оценка их достоверности, выбор методики диагностирования, точек контроля и обработки результатов.

Построение пакетов прикладных программ, объединенных в рамках комплекса для решения задач диагностики объектов, связано с выработкой интегрированной концепции такого построения.

Системный подход к методологии построения диагностических моделей, входящих в состав комплекса, повышающих достоверность диагностирования, обеспечивающих формализованное описание и адекватное моделирование исследуемых объектов^ необходимых для решения, задач термографии, предполагает последовательность этапов моделирования, включающих: выбор концепции и синтез структурыструктурная идентификация моделейразработка и создание физических моделей, проведение физических экспериментовпараметрическая, идентификация, моделейвыбор диагностических параметровучет определяющих фактороввыбор входных переменных факторного пространства моделидиагностика объектовприменение моделей для оценки технического состояния и энергоэффективности.

Основу общей структурной идентификации моделей комплекса составляют физические законы, описанные в главах 1,2. Эти законы и известные закономерности, а также результаты экспериментальной части работы заложены в основу комплекса, объединяющего совокупность математических моделей процесса и вероятностный подход, реализуемый созданием статистических моделей компонентов системы энергообеспечения. Центральными задачами на этапе моделирования являются: современные методы обработки и интерпретации данных, оценка технического состояния, эксплуатационных режимов, выбор научно-обоснованных и оптимальных экспертных решений.

При анализе состояния энергетического оборудования в. процессе эксплуатации существенную' роль играет разработка частных физико-математических моделей для описания процессов изменения состояния и режимов функционирования оборудования. Элементами такой разработки является как собственно создание модели, её рациональное математическое описание, так и детальное исследование частных процессов с целью получения конечных соотношений или функциональных зависимостей, описывающих взаимосвязь между диагностическими факторами и агрегированными функциями, характеризующими состояние исследуемого объекта. Подобная методика обеспечивает построение обобщенных параметров состояния в виде функций, зависящих как от качественных, так и количественных факторов.

Системный подход позволяет разработать частные модели для5 расчета агрегированных функций, не только качественно, но и количественно описывающих различные аспекты ипараметры состоянияэнергетического оборудования-в процессе его длительного функционирования, вплоть до-образования дефектов, несовместимых с требованиями по эксплуатации.

Актуальность темы

исследования обусловлена необходимостью использования системного подхода для-повышения надежности, безопасности неэкономичности ответственного электротехнического оборудования, потенциально «слабым звеном» которого являются многочисленные контактные соединения. Проблема становится особенно важной в связи с постоянным ужесточением требований к безопасности энергетических и промышленных предприятий, отказы которых могут привести к значительным экономическим и экологическим последствиям, а также к возникновению опасности для* персонала.

Исходя из этого, существенное значение имеют мероприятия по мониторингу текущего состояния электроконтактных соединений и оценке их остаточного ресурса.

В настоящее время возможности методов информационной поддержки принятиярешений по предотвращению аварийных ситуаций на ранней стадии развития повреждения, используются в энергетических системах не в полной мере. Зачастую они ограничиваются лишь фактом обнаружения того или иного дефекта. При этом не ставится задача предупредить его возникновение. Периодические измерения переходного сопротивления применяются в основном только для коммутационных аппаратов высокого напряжения во время планового техобслуживания, или при контроле восстановленных соединений после уже имевших место отказов. Мероприятия, осуществляемые в рамках ИК-инспекций, ограничиваются фактом обнаружения того или иного дефекта. Подобный подход не позволяет превратить тепловизионный осмотр в метод технической диагностики, в том числе прогнозирования на основе вероятностных оценок полученной информации.

Таким образом, данные методы необходимо развивать, чтобы дать возможность специалисту принимать решения о необходимости управляющего воздействия по предотвращению аварийной ситуации на основе достоверной оперативной информации. В процессе принятия решений ЛПР приходится осуществлять выбор в условиях неопределённости исходных данных, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке, следовательно, для решения указанных проблем необходимым является привлечение инструментария системного анализа с использованием различных методов прогнозирования. Следовательно, задача разработки и внедрения системы прогнозирования остаточного ресурса электроконтактных соединений электрических сетей на основе анализа информации об их текущем состоянии является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка системы информационной поддержки принятия решений в условиях малого объёма и недостаточной точности информации о состоянии электроконтактных соединений электрических сетей на основе мониторинга ресурсного параметра. В соответствии с указанной целью определены следующие задачи исследования:

1. Провести математическую формализацию процессов деградации контактных соединений для построения системы прогнозирования их остаточного ресурса.

2. Установить закономерности развития процесса деградации и-разработать модель изменения ресурсного параметра.

3. Разработать^ методику, алгоритм и систему прогнозирования-остаточного ресурса контактного соединения на основе мониторинга ресурсного парат метра в условиях ограниченного объёма исходной информации.

4. Разработать программную реализацию системы для информационной, поддержки принятия решений о выборе управляющих воздействий по предотвращению аварийных ситуаций.

5. Произвести проверку адекватности разработанной системы реальным процессам в электроконтактных соединениях.

Методы^ исследования. В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, статистического анализа временных рядов, поддержки принятия решенийобъектно-ориентированного программирования. Припроведении экспериментальных. исследований* использовались, современные методы неразрушающего-контроля-и диагностики энергетического оборудования^ статистического анализа результатов экспериментов.-. Достоверность и обоснованность теоретических выводовшодтверждена многочисленными экспериментальными данными.

Объектом исследования является совокупность контактных* соединений электрических сетей, выполняющих различные функции (передача мощности, информации, управляющих импульсов), и составляющих вместе контактную систему энергообъекта, функционирующую в промышленных условиях и подверженную воздействию неблагоприятных факторов, ведущих к деградационному отказу.

Научная новизна.

1. Разработана формализованная постановка задачи обработки информации о текущем состоянии электроконтактного соединения и прогнозирования процессов его деградации.

2. Разработана модель для* описания процесса деградации электроконтактных соединений в условиях эксплуатации на. основе анализа процессов диффузии окислителя вглубь области контактирования.

3. Разработан алгоритм обработки диагностической информации, отличающийся использованием комплекса прогнозных моделей, объединяющих численный метод и статистические методы анализа временных рядов, и последующим выделением лучшего прогноза с учетом опыта эксперта.

4. Разработана методика планирования ремонтных работ, позволяющая повысить качество принимаемых специалистом решений по предупреждению аварийной ситуации в условиях ограниченности исходных данных о состоянии объекта, и реализующая новый способоценки остаточного ресурса электроконтактных соединений, защищённый патентом.

Практическая ценность и реализация работы. На основе результатов, диссертации создана информационно-аналитическая система. поддержки принятия: решений, позволяющая прогнозировать момент наступления параметрического отказа электрических контактных соединений, и предлагающая возможные варианты примененияуправляющих воздействий. Применение данной, системы для расчета предполагаемого остаточного срока службы, контактного соединения на основе* построения временных рядов контактного сопротивления «или температуры контакта (далеересурсного параметра) при заданных условиях эксплуатации позволяет на ранних стадиях предсказать, возможный выход соединения из строя и обеспечить своевременное принятие мер по недопущению аварийных ситуаций, обоснованному планированию профилактических и ремонтных работ и более экономичному расходованию средств и материалов.

Программная реализация данной системы в виде независимого программного приложения позволяет использовать её как средство контроля и обработки данных при энергетических обследованиях, а также как инструмент для проведения анализа и предсказания эксплуатационных характеристик электроконтактных соединений. Возможность работы одного расчетного блока с разными типами и источниками данных, а также возможность импорта результатов мониторинга удаленно, по сети Internet, позволяет оперативно выдавать результаты прогноза по многим удаленным объектам, не имеющим своей расчетио-аналитической базы. Использование современных форматов баз данных позволяет обеспечить доступ к архиву данных в любой момент для последующего анализа. Применение принципа совместимости в совокупности с методом неразрушающего контроля на этапе получения данных позволит в перспективе использовать систему для комплексного мониторинга оборудования энергетических объектов.

Данная информационно-аналитическая система используется на электроэнергетических предприятиях г. Твери, Тверской и Ярославской областей при выполнении и анализе данных тепловизионного контроля, что подтверждено соответствующими актами о внедрении:

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях: «Научное программное обеспечение в образовании и научных исследованиях» (Санкт-Петербург, 2008) — международная, конференция «Электрические контакты и электроды» (Украина, Кацивели, 2007), международный семинар. «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008), семинарах Федеральной Сетевой Копании «Стратегическое планирование», «Оптимизация процессов, принятие управленческих решений» (Москва, 2006;2008), совместном семинаре кафедр физики и АТП Тверского государственного технического университета (Тверь, 2008).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах, содержит 19 таблиц, 53 рисунка и состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 124 наименований.

Выводы к главе 5

В рамках исследовательской работы была построена система, позволяющая в автоматическом режиме выбрать наилучший из представленных методов и построить прогноз по нему. Выбор осуществляется на основе информационных критериев путём последовательного прогона каждой модели.

На практике часто возникают задачи, требующие построения прогноза, при этом не разработано универсальной модели прогнозирования на все случаи жизни. Выбор наиболее подходящей модели осуществляется на основе каких-либо критериев или предположений. Этот процесс можно автоматизировать.

Показано, что предложенные в главе 3 критерии оценки качества прогнозирования адекватно описывают истинное качество прогноза.

Разработанная программа позволяет получать и использовать для анализа данные замеров с удаленного сайта и использовать их в качестве входных данных для прогнозирования. Модульная структура разработанной программы позволяет беспрепятственно добавлять методы прогноза, не изменяя самой программы. Количество методов не ограничено, можно увеличить число используемых методов прогнозирования путем добавления библиотеки в каталог программы.

Заключение

Основные результаты работы

В диссертации предложены, успешно апробированы и внедрены методика, математическое и программное обеспечение системы прогнозирования на основе анализа временных рядов образованных результатами мониторинга ресурсного параметра. Система предназначена для решения задачи прогнозирования, поддержки принятия управленческих решений, направленных на повышение надёжности, эффективности и безопасной эксплуатации энергетического оборудования энергетических объектов: Получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Проведена математическая формализация процессов деградации контактных соединений, на основе которой установлены закономерности развития процесса деградации и разработана математическая модель процесса, позволяющая прогнозировать изменение ресурсного параметра.

2. Доказано, что адекватное прогнозирование остаточного ресурса-электроконтактных соединений возможно в условиях ограниченного объёма информации о текущем состоянии объекта в процессе его эксплуатации. Предложено осуществлять индивидуальное прогнозирование остаточного ресурса разборных электроконтактных соединений по результатам периодического измерения ресурсного параметра в процессе его эксплуатации. Для прогнозирования могут применяться статистические методы анализа временных рядов, однако лучшие результаты получены при использовании различных методов, объединённых в комплекс прогнозных моделей. Выбор наиболее адекватной из них для каждого конкретного объекта осуществляется при участии ЛПР с использованием системы поддержки принимаемых решений и библиотеки критериев качества прогноза.

3. Разработаны методика, алгоритм построения прогнозов с использованием комплекса прогнозных моделей, и система прогнозирования остаточного ресурса контактного соединения, позволяющая на основе обработки поступающей информации прогнозировать изменение ресурсного параметра. Методика является адаптивной, что позволяет корректировать прогноз по мере поступления новой информации.

4. Разработана программная реализация системы, позволяющая эксперту принимать обоснованное решение о применении управляющих воздействий в условиях малого объёма и недостаточной точности исходной информации. Результатом информационной поддержки является обоснованное решение о выводе конкретного узла из эксплуатации или назначение сроков следующего обследования.

5. На основе математической формализации разработан способ прогнозирования остаточного ресурса как показателя надёжности электроконтактного соединения на основе мониторинга ресурсного параметра, — на который получен патент.

6. На основе разработанной модели произведено обоснование выбора ресурсного параметра.

7. Произведённая проверка адекватности теоретических моделей реальным процессам в контактных соединениях на 280 контактных соединениях, показала, что разработанная система достоверно прогнозирует остаточный ресурс контактных соединений разных типов. Разработанная система используется для планирования объёмов и сроков ремонтных работ и профилактического обслуживания на энергоснабжающих предприятиях и подстанциях г. Твери, Тверской и Ярославской областей, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.