Алгоритмы автоматизации процессов управления многоагрегатными электроэнергетическими комплексами

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 предусмотрена 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 04.08.1999 г.).

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:

1. 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.);

2. 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;

3. 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;

4. Анализ методов адаптивной диагностики агрегатов МЭК, поведение которых описывается дифференциальными уравнениями и разработка структуры математического обеспечения системы раннего диагностирования;

5. 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. 2003 г.), 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. 17 310 (2002г.), танкеров «Капитан Бармин» пр. 15 790 (2003г.), «Капитан Зимин» — пр. 15 790 (2004г.).

Выводы по главе 4 .

1. Предложен новый способ моделирования управления МЭК, представляющий собой комбинацию имитационного моделирования и статистического исследования функционирования системы управления структурами МЭК в том числе в условиях непроектных ситуаций.

2. Разработан метод исследования многообразия управляющих воздействий на МЭК, суть которого сводится к фиксации переключений вместе с их вызывающими воздействиями, в том числе и произвольных непроектных ситуаций. Формализация этих переключений названа переходом.

3. Произведено статистическое моделирование управления структурой конкретной МЭК. Исследование результатов этого моделирования показали справедливость разработанных положений теории управления МЭК. Определена эффективность новых методов управления, повышающих надежность управления на 20 — 30%.

4. Введено понятие неопределенности перехода. Показано, что даже с повышением надежности элементов актуальность разрабатываемого конструктивно-логического подхода к управлению МЭК остается, так как неопределенность остается постоянной. В таких надежных, но многоэлементных системах, рано или поздно отказ произойдет, но какой именно остается неопределенным. Система управления должна быть готова к любой комбинации.

Заключение

.

По совокупности полученных теоретических результатов можно считать, что поставленная в диссертационной работе задача принципиально решена.

Существенные научные результаты диссертационной работы могут сформулированы следующим образом:

1. Выполнен анализ процесса управления в сложных ситуациях (поражающие воздействия, аварии отказы аппаратуры и др.). Анализ показал, что МЭК имеют сетевую структуру с различным числом элементов, число которых достигает нескольких десятков. Причем каждый из элементов может быть в нескольких технических состояниях. В отличие от развитых в настоящее время научных методов алгебры логики и конечных автоматов, которые оперируют, как правило, с двоичными логическими переменными для МЭК необходимо развивать теорию и методы управления на основе новых математических принципов, т. к. методов с анализом логических переменных со многими состояниями (более трех) нет. Эти математические принципы должны основываться на теории графов и быть адаптированы к современным вычислительным средствам. То есть, опираться на конструктивные методы построения эффективных (в математическом смысле) алгоритмов управления МЭК в различных режимах эксплуатации.

2. Разработаны способы управления структурой МЭК на базе современных логических контроллеров. Они позволяют полностью автоматизировать процесс управления МЭК в отличие от существующих способов, при которых управление структурой электрической сети до сих пор осуществляет человек-оператор. Поскольку он не является живучим и надежным звеном, необходимо исключить его из управления, а его функции предоставить автоматике.

3. В основу алгоритмизации управления МЭК положена минимизация максимальной опасности. В электрических системах выходы из строя ее элементов происходят, главным образом, вследствие их перегрузки. Критерием управления МЭК является максимум опасности перегрузки элементов системы. Целью управления является минимизация этого критерия. Таким образом, в основу управления МЭК предлагается положить теорию минимизации максимальной опасности.

4. Формализованы для автоматизации типовых структур МЭК основные положения управления применительно к современным микропроцессорным контроллерам, обладающим высокой надежностью и живучестью.

5. На базе пасс-технологии сформулированы необходимые условия для конструктивного управления генераторами, как составной частью автоматизации управления МЭК, в том числе в условиях непроектных ситуаций. Преимущество пасс-технологии состоит в конструктивности построения алгоритмов управления генераторами электростанций, которая обеспечивает линейный рост объема алгоритма от числа генераторов, освобождая специалиста-программиста от большого объема работ в части перебора всех комбинаций состояния генераторов.

6. Создана модель раннего диагностирования агрегатов МЭК, которая позволяет выявить отклонение конструктивных внутренних параметров задолго до того, как рабочие измеримые параметры достигнут своих предельных значений, за которым следует отказ элементов МЭК. В основу методологии технической экспертизы объектов МЭК для ранней технической диагностики в динамических режимах с целью своевременного ввода в работу резервных агрегатов положены методы теории распознавания образов. Из рассмотренных методов теории распознавания образов целесообразно применить метод параметрической идентификации на основе теории функций Ляпунова.

7. Разработана структура математического обеспечения системы раннего диагностирования агрегатов МЭК, которая реализуется в микропроцессорных вычислительных комплексах, сочетается с алгоритмами управления структурой МЭК и обеспечивает бесперебойность питания электроэнергией.

8. Разработан способ моделирования управления МЭК, который представляет собой комбинацию имитационного моделирования и статистического исследования функционирования системы управления структурами МЭК, в том числе в условиях непроектных ситуаций. Данный способ показал справедливость теоретических положений, при которых повысится надежность и живучесть системы, так как позволит устранить человека-оператора, как ненадежного звена управления. Кроме того, это приведет к снижению численности квалифицированного персонала управления МЭК.

9. Создана методика статистических испытаний, которая позволяет оценить вероятность появления непроектных ситуаций, что в свою очередь выявило ряд закономерностей, присущих всем системам, таких как большое разнообразие редких событий, придающих им в совокупности весомую вероятность одного из множества, то есть подтвердить актуальность множества непроектных ситуаций. В практике эксплуатации многократные аварии и отказы весьма вероятны и их необходимо учитывать уже на стадии проектирования МЭК.

10. Технические решения управления МЭК внедрены в тренажерной практике, в электроэнергетике кораблей и судов в части управления судовыми электростанциями, в автономных электроэнергетических комплексах нефтегазодобывающей промышленности.