автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов и алгоритмов автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем.

На правах рукописи

^<9

005534928

Головинский Илья Абрамович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Специальность 05.14.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 О ОКТ 2013

Москва-2013

005534928

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

Официальные Кучеров Юрий Николаевич, доктор технических

оппоненты: наук, доцент, ОАО «Системный оператор Единой

энергетической системы», Начальник департамента технического регулирования

Суханов Олег Алексеевич, доктор технических наук, ст.н.с., ООО «Распределенные технологии», Генеральный директор

Шунтов Андрей Вячеславович, доктор технических наук, профессор, ОАО «Специализированное проектно-конструкторское бюро по ремонту и реконструкции», Генеральный директор

Ведущая организация: ОАО «Институт «Энергосетьпроект», г. Москва.

Защита состоится 06 ноября 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО /(<НТЦ ФСК ЕЭС» (по адресу: 115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3, 2 этаж, МалыйзалГ'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 512.002.01 д.т.н., ст.н.с.

Н.Л. Новиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Комплекс работ по переключениям в электрических сетях является одной из важнейших составных частей общей системы управления работой энергообъединений и энергосистем. Оперативное управление электрическими сетями - это прежде всего оперативное управление переключениями. Объем и сложность задач оперативного управления электросетями, требования к надежности операций и режимов вызывают необходимость автоматизации планирования и контроля оперативных переключений.

Необходимость в осуществлении переключений в электрических сетях возникла с создания самых первых в мире электроустановок и связанных с ними электрических сетей. Исторически проблема переключений в электрических сетях развивалась одновременно с развитием электроэнергетики. Соответственно усложнялись задачи, требовавшие решения, и совершенствовались методы и правила осуществления переключений.

Многие десятилетия начального периода развития технологии переключений связанные с ней задачи получали решение только применительно к конкретным условиям переключений электроустановок, электрических сетей и энергосистем. Несколько позже решения ряда задач обеспечивалось использованием различного рода релейной техники: столов для расчета поля, короткого замыкания, физических моделей сетей и т.п.

Качественно новым этапом развития и совершенствования технологии переключений в электрических сетях стало применение для решения ее задач компьютерной техники. Вначале эта техника использовалась для решения отдельных задач. Несколько позже в связи с усложнением задач переключений и развитием техники автоматизированного управления технологическими процессами была признана необходимость создания автоматизированных систем контроля и управления переключениями (АСКУП) в электрических сетях энергосистем. Были проведены и продолжаются до сих пор теоретические исследования и практические разработки в этой области, созданы отдельные автоматизированные системы управления и контроля переключений для конкретных объектов и отдельных видов работ по переключениям, в частности по блокировкам. Существенное значение имели и имеют разработки автоматизированных тренажеров и советчиков по переключениям в электрических сетях.

В разработку средств управления оперативными переключениями в электрических сетях значительный вклад внесли теоретические и прикладные разработки, выполненные под руководством и при участии C.B. Амелина, В.П. Будовского, Ю.Н. Кучерова, Ю.Я. Любарского, Ю.И. Моржина, В.Г. Орнова, М.А. Рабиновича, В.Д. Самойлова, А.Г. Фишова, A.B. Шунтова. Существенные результаты получены также в работах A.B. Боброва, В.Т. Воронина, A.M. Гельфанда, Д.В. Горевого, М.И. Гумина, В.Г. Дубового, И.В. Емельянова, И.А. Котова, С.Н. Макаровского, C.B. Машинского, М.Ш. Мисриханова, В.М. Пасторова, A.B. Петрищева, И.С. Пономаренко, A.C. Рожкова, О.В. Сипачевой

(Дичиной), В.Н. Сулейманова, В.Т. Федина, Л.И. Фридмана, Т.А. Шиманской, JI.C. Штейнбока и др.

Разработчики АСКУП в электрических сетях энергосистем испытывали потребность в отсутствовавших тогда теоретических и методологических основах создания и функционирования таких систем. При разработке новых АСКУП возникали серьезные затруднения из-за нерешенности следующих проблем.

- Отсутствие общепринятых методов моделирования коммутационных схем электрических сетей заставляло разработчиков заново искать и создавать новые методы, что тормозило прикладные разработки.

- Несовершенство теоретических концепций и отсутствие эффективных математических методов алгоритмизации планирования и контроля оперативных переключений тормозили расширение функциональности прикладных программ, затрудняли перенос программ на другие энергообъекты.

- Отсутствие отработанных структур моделирования переключений в электросетях препятствовало созданию сложных многофункциональных АСКУП, их интеграции с другими программными комплексами, с базами данных и человеко-машинным интерфейсом АСДУ.

Разнобой применяемых подходов, отсутствие общепринятого теоретического языка моделирования переключений затрудняли обмен научно-технической информацией о достижениях в этой области.

Неполнота теоретических концепций препятствовала созданию достаточно полных и объективных методик оценки качества разработок комплексов АСКУП.

Разработки в области автоматизации управления оперативными переключениями в электросетях выдвинули задачу создания общей теории переключений в электросетях, определения ее математических методов. Попытки создания такого фундамента, несмотря на отдельные достижения, в целом не привели к решению этой проблемы. Высказывалось мнение о невозможности универсальных теоретических методов и решений по автоматизации контроля и управления переключениями.

В последние годы необходимость общей теории переключений в электросетях и совершенствования прикладных алгоритмов еще более возросла в связи с принятием «Концепции интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью» (ИЭС ААС) и задачей создания «умных сетей» (smart grid).

Указанные обстоятельства позволяют заключить, что тема данной диссертации, посвященной разработке основных концепций, теоретической и методологической базы создания автоматизированных систем управления и контроля переключений в электрических сетях энергосистем, актуальна и имеет важное научное и практическое значение для электроэнергетики. В процессе разработки методологических основ АСКУП автор произвел анализ известных математических методов и выбрал среди них пригодные для применения к задачам, подлежащим решению. Автором разработаны также новые математические методы. Обоснование последних в содержание диссертационной работы не входит.

Цель диссертационной работы

Целью работы является:

Разработка теоретических методов и эффективных практических алгоритмов автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем.

Задачи исследований и разработок

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

- Определение видов работ по планированию и контролю оперативных переключений в электрических сетях энергосистем, которые целесообразно автоматизировать.

- Анализ отечественного и мирового опыта разработок в области планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем. Оценка недоработок и общих методологических задач создания таких систем.

- Разработка теоретических основ решения задач планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях. Выбор и применение математических методов к задачам моделирования переключений в электросетях.

- Разработка эффективных прикладных алгоритмов автоматизированного решения основных типов задач.

- Апробация теоретических и прикладных результатов в практических разработках программных комплексов.

Методы исследования

Выбор методов исследования в диссертационной работе определялся необходимостью:

- анализа и обобщения состояния разработок в области создания автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях;

- разработки теоретических основ создания автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях;

- выбора и применения методов математического моделирования;

- алгоритмизации решений задач планирования и контроля переключений;

- программной реализации разработанных алгоритмов;

- практических испытаний разработанных систем и средств.

Особенность системы планирования и контроля переключений состоит в

дискретном характере используемых в ней моделей электрических сетей, алгоритмов и операций управления - операций переключения. Соответственно математический аппарат теории переключений в диссертации составили методы дискретной математики. К ним относятся: теория графов, теория конечных

автоматов, комбинаторный анализ, теория конечных решеток, теория логического вывода.

В основу построения баз данных больших промышленных систем при автоматизации управления ими кладутся, как правило, реляционные модели. При моделировании электрических сетей важную роль играют также графовые (бинарные) модели как особая разновидность реляционных моделей. В диссертации математическая (информационная) модель электрических сетей и переключений в них разработана на базе реляционных, графовых и фреймовых систем.

В современных разработках программного обеспечения важное значение имеют объектно-ориентированные методы. Формализация и реализация информационных и функциональных структур для задач автоматизированного контроля и управления переключениями осуществлена в диссертационной работе в соответствии с принципами объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Разработка алгоритмов планирования и контроля оперативных переключений выполнена в соответствии с требованиями типовых инструкций по переключениям в электросетях и других нормативных документов, действующих в ОАО «ФСК ЕЭС» и в целом в электроэнергетической отрасли Российской Федерации.

В реализации человеко-машинного интерфейса применены методы структурной лингвистики.

Экспериментальную часть диссертационной работы составило практическое программирование разработанных алгоритмов, отладка и тестовые испытания программ.

Научная новизна

В диссертации впервые получены следующие научные результаты.

1. Разработаны основы теории оперативных переключений в электрических сетях энергосистем. Сформулированы задачи этой теории, предложены методы их решения, подобран и апробирован математический аппарат. Применены методы дискретной математики: алгебры графов, алгебраической теории конечных автоматов, комбинаторного анализа, теории решеток, теории логического вывода.

2. Определены принципы и методы построения модели переключений в электросетях. Разработана концепция графореляционной модели электрической сети и «метод семантической границы» для поиска в графовых моделях.

3. Разработана математическая модель технологии переключений в электрических сетях как совокупность модели электросети и модели системы правил переключений. Определен состав баз знаний по технологии переключений. На основе метода резолюций разработаны схемы автоматического логического вывода решений о допустимости (блокировке) или необходимости переключений (в виде бланка переключений).

4. Разработаны универсальные методы автоматического применения (конкретизации) типовых правил переключений, инвариантные к схемам

подстанций. Они снимают необходимость заново разрабатывать алгоритмы и программы при переходе на другой энергообъект, что неизбежно при применении классических методов теории релейно-контактных схем. Разработана концепция Универсального топологического процессора. Определены его приложения.

5. На основе теории решеток разработаны:

- представление многовариантных планов переключений алгебраическими «формулами переключений»;

- представление систем параллельных взаимосвязанных процессов оперативных переключений;

- метод автоматического преобразования системы условий задачи переключений, выраженных правилами блокировки, в формулу общего решения задачи переключений.

6. Сформулированы общие принципы послеаварийного управления переключениями.

7. Разработаны общие математические методы интеграции разноуровневых моделей электрической сети, например - коммутационной и режимной моделей.

Практическая значимость

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение по следующим направлениям.

1. Повышение надежности функционирования электрических сетей за счет снижения числа ошибок при ручном и автоматическом выполнении оперативных переключений.

2. Повышение эффективности и качества оперативного управления электросетями путем сокращения трудозатрат и сроков оперативного планирования переключений, автоматизации блокировки ошибочных операций.

3. Автоматизация применения диспетчерских инструкций: принцип «живая технология».

4. Повышение квалификации оперативно-диспетчерского персонала в области переключений. Повышение эффективности тренажерного обучения.

5. Минимизация вероятности ошибок персонала и трудозатрат при эксплуатации тренажеров и советчиков по оперативным переключениям.

6. Упрощение и ускорение разработок в области автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электросетях. В том числе - посредством упрощения и повышения надежности интеграции программ управления оперативными переключениями с другими программными комплексами, такими как модели электрического режима и базы данных 8САОА/ЕМ8/Т)М8.

По этим направлениям разработаны:

1. Методики формализации требований диспетчерских инструкций по технологии оперативных переключений. Методы формирования компьютерных баз знаний по оперативным переключениям.

2. Алгоритмы и программы для автоматизированного составления и тестирования программ и бланков переключений.

3. Алгоритмы и программы оперативного контроля коммутационного состояния электросети. Благодаря интеграции с моделями режима (статическими и динамическими) контроль и блокировка переключений осуществляются не только по коммутационным состояниям схемы, но и по параметрам режима электросети, прогнозируемым на ее состояние после переключения.

4. Алгоритмы и программы логических блокировок оперативных переключений.

5. Алгоритмы и программы интеграции разнотипных моделей электрической сети, в том числе - для интеграции коммутационной модели с моделями электрического режима и базами данных SCADA/EMS/DMS.

6. Советчики и тренажеры по оперативным переключениям, интегрированные с программными средствами SCADA/EMS/DMS.

7. Для повышения эффективности тренажерного обучения разработаны:

- алгоритмы и программы автоматической оценки квалификации оперативно-диспетчерского персонала в области оперативных переключений путем статистической обработки протоколов тренировок, в том числе в противоаварийных тренировках;

- принципы противоаварийного обучения;

- средства проведения тренировок без инструкторов, обеспечивающие комфортные условия обучения и его индивидуализацию.

8. Минимизация вероятности ошибок персонала и трудозатрат при эксплуатации тренажеров и советчиков по оперативным переключениям достигнута за счет максимальной автоматизации всех операций по сопровождению (эксплуатации) этих программных комплексов. Это достигнуто за счет того, что:

- средства автоматизированной интеграции с базами данных SCADA/EMS/DMS позволяют избежать повторного рисования схем ПС и электросетей для тренажеров и советчиков по переключениям;

- средства интеграции устраняют необходимость топологической разметки схем специально для тренажера или советчика по переключениям, если топология схем описана в базе данных SCADA/EMS/DMS;

- минимизирован объем ввода данных при подготовке тренировки;

- максимально автоматизировано составление бланков переключений;

- автоматизированы контроль и блокировка команд тренируемых, в том числе по параметрам режима;

- автоматизированы проверка и оценка выполнения тренировочных заданий.

Результаты диссертационного исследования использованы в разработках:

- Тренажер-советчик по переключениям в составе программного комплекса (ПК) КАСКАД;

- Коммутационно-режимный тренажер КОРВИН-3 (Коммутационно-Режимный тренажер для Windows);

- Электронный советчик диспетчера по переключениям ЭСПЕР в стыковке с ОИК СК-2003;

- Тренажер по оперативным переключениям «50 ГЕРЦ» для оперативно-диспетчерского персонала электросетей и энергосистем (разработан А.В.Бобровым в Белорусском национальном техническом университете (БНТУ) и Витебскэнерго);

- Тренажер по оперативным переключениям ЭНКОРТ (в составе ОИК «ACT» - «Автоматизированная система телеуправления», разработка Института электроники HAH Беларуси);

- ОКР по государственному контракту № 16.526.12.6014 от 11.10.2011 г. «Разработка энергосберегающей цифровой системы контроля и управления электрическими подстанциями 35 -1150 кВ на основе стандартов МЭК 61850 и МЭК 61968/61970» (разработка ОАО ЗИТЦ - «Зеленоградский инновационно-технологический центр»).

Апробация работы

Тренажер КОРВИН-3 сертифицирован Свидетельством о соответствии «Нормам годности программных средств подготовки персонала энергетики» № 20, выданным Департаментом Генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» 27.12.2002. С 2002 г. тренажер КОРВИН-3 применялся в Корпоративном образовательном научном центре (КОНЦ) электроэнергетики на курсах повышения квалификации диспетчеров энергосистем и электросетей.

Тренажер КОРВИН-3 применен для работы с оперативным и оперативно-диспетчерским персоналом Липецких электрических сетей и принят к применению в Тамбовэнерго. С 2004 г. он используется на Энергетическом факультете Белорусского национального технического университета при выполнении лабораторных и дипломных работ.

Тренажер по оперативным переключениям «50 ГЕРЦ», внедрен в БНТУ, Витебскэнерго, Могилёвэнерго и Брестэнерго.

Тренажер ЭНКОРТ, работающий в составе АСДУ «ACT», внедрен в Столбцовских и Борисовских ФЭС Минскэнерго в 2007 г.

Технологические и педагогические требования, сформированные для коммутационно-режимного тренажера КОРВИН-3, использованы при подготовке технической части конкурсной документации для тендера на поставку тренажеров по оперативным переключениям для ОАО «ФСК ЕЭС». Они использованы также в разработанных по заказу концерна «Белэнерго» «Технических и организационных требованиях к программным средствам подготовки персонала в организациях энергетики Республики Беларусь» (Стандарт предприятия).

Советчик по переключениям ЭСПЕР принят заказчиком - Диспетчерской службой ОАО «ФСК ЕЭС» - и зарегистрирован Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам в Реестре программ для ЭВМ 8 июня 2007 г. (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612432).

Опыт автоматизации контроля и управления переключениями, накопленный при создании тренажеров, использован при разработке

методического обеспечения и алгоритмов автоматического управления узкими местами ЕНЭС (заказчик - ОАО «ФСК ЕЭС»),

Результаты диссертационной работы вошли в состав научно-технических отчетов по теме «Разработка теоретических основ управления большими системами энергетики с неоднородными субъектами с учетом скорости протекания процессов в разных режимах, согласование и распределение между уровнями зон, объемов и объектов управления», выполненной в ОАО «НТЦ электроэнергетики» в 2010-2011 гг. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС».

Результаты разработки Тренажера-советчика в составе ПК КАСКАД описаны в отчете по теме «Анализ структуры Системы Сбора и Передачи Информации, имеющихся алгоритмов и программ оценки состояния ЕНЭС на возможность их использования для целей адаптивного управления», выполненной в ОАО «НТЦ электроэнергетики» в 2011-2012 гг. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС».

Результаты исследований и разработок автора, образующих основное содержание диссертации, обсуждались на:

- Консультационном семинаре «Опыт подготовки диспетчерского персонала энергосистем в России и за рубежом» (доклад совместно с В.И.Куклевым; Москва, НТЦ ГВЦ Энергетики, 11-15 октября 1999 г.);

- Выставке-семинаре «Компьютерные средства подготовки персонала» (Москва, ВВЦ, 16-20 октября 2000 г.);

Научно-техническом семинаре «Опыт разработки, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций» (Москва, ВНИИЭ, 2000 г.);

- Четвертом международном научно-техническом семинаре «Современные компьютерные технологии в АСУ электрических сетей» (Москва, ВНИИЭ, 2001

г.);

- Открытой Всероссийской научно-технической конференции «Управление режимами Единой энергосистемы России» (Москва, ВНИИЭ, 28-30 мая 2002 г.);

- Втором и Третьем специализированных научно-технических семинарах «Современные системы контроля и управления электрических станций и ПС (АСУ ТП) на базе микропроцессорной техники» (Москва, ВНИИЭ, 2001-2003 гг.);

- 75-м заседании Всероссийского научного семинара с международным участием им. Ю.Н.Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Минск, 20-23 сентября 2004 г.; докладчик -А.В.Бобров);

- заседании Рабочей группы по НТД Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ (Москва, Исполком Электроэнергетического Совета СНГ, 26 апреля 2005 г.);

Учебно-практическом семинаре «Использование программно-технических средств при подготовке оперативно-диспетчерского персонала» (Минск, Белэнерго, 13-17 июня 2005 г.; докладчики - А.В.Бобров, Т.А.Шиманская, И.В.Крупа);

- Научно-практической конференции «Тренажерные комплексы и системы» (Партенит, Крым, 10-14 октября 2005 г.);

и

- семинаре для диспетчеров ПЭС в ИПК электроэнергетики (Москва, ИПК электроэнергетики, 2 декабря 2005 г.);

Международной конференции «Новые технологии обеспечения надежного электроснабжения мегаполисов» (Москва, НТЦ электроэнергетики, 29-30 ноября 2006 г.);

- с Первого по Седьмой и на Девятом научно-технических семинарах «Современные средства телемеханики, организация рабочих мест и щитов управления» (Москва, ВНИИЭ, 2000-2008 гг.);

семинарах Международных специализированных выставок «Электрические сети России - 2005» (Москва, ВВЦ, 30 ноября - 1 декабря 2005 г.) и «Электрические сети России - 2008» (Москва, ВВЦ, 2-5 декабря 2008 г.);

- семинаре «Теория автоматов» кафедры Математической теории интеллектуальных систем механико-математического факультета МГУ им. М.ВЛомоносова (25 февраля 2009 г.);

- демонстрации Тренажера-советчика по переключениям, входящего в состав ПК КАСКАД, на Международном электроэнергетическом Форуме «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие» UPGrid 2012 (Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 23-25 октября 2012 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 38 опубликованных статьях. Из них 17 статей опубликованы в российских рецензируемых журналах, включенных в международные базы цитирования: 13 статей - в журналах Российской академии наук «Известия РАН. Энергетика», «Известия РАН. Теория и системы управления», «Электричество»; 3 статьи - в журнале «Электрические станции»; 1 статья - в журнале «Энергетик». Переводы 4 статей из журнала «Известия РАН. Теория и системы управления» опубликованы в «Journal of Computer and Systems Sciences International». Три статьи опубликованы в рецензируемом журнале «Электронное моделирование» Национальной Академии наук Украины. По практическим результатам диссертационной работы получены 4 свидетельства на программы для ЭВМ.

Положения, выдвигаемые на защиту

1. Математическая модель технологии оперативных переключений в электрических сетях. Методика математической формализации и алгоритмизации правил оперативных переключений, требований диспетчерских инструкций.

2. Методы, алгоритмы и программы оперативного планирования переключений, применимые к любым схемам электрических сетей.

3. Методы, алгоритмы и программы контроля и блокировки оперативных переключений, применимые к любым схемам электрических сетей.

4. Методы и интерактивные программы ввода и редактирования бланков переключений и правил логической блокировки, позволяющие учитывать индивидуальные особенности электроустановок.

5. Методика формализации правил противоаварийного управления переключениями. Методика противоаварийных тренировок.

6. Методы, алгоритмы и программы интеграции системы планирования и блокировки оперативных переключений с режимными моделями и комплексами БСАВА/ЕМБ/ОМВ.

7. Методы, алгоритмы и программы автоматической оценки квалификации персонала по оперативным переключениям.

8. Факторы эффективности разработанных и реализованных методов и алгоритмов.

9. Результаты разработок компьютерных тренажеров и советчиков по переключениям на базе предложенных в диссертации методов и алгоритмов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, семи глав, Заключения и Приложения. Список литературы, приведенный в диссертации, включает 314 наименований. Текст диссертации (без Приложения) содержит 350 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении охарактеризованы актуальность темы диссертации, ее общие цели, основные научно-технические задачи и методы исследования. Определены научная новизна и личный вклад автора. Описаны практическая значимость работы и апробация ее результатов. Сформулированы положения, выдвигаемые на защиту.

В диссертации исследованы теоретические, методические, математические и алгоритмические вопросы автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях. Аппаратные обеспечение этих задач рассматривается лишь в той мере, которая требуется для формулировки их алгоритмов.

В главе 1 рассматриваются предшествующие исследования и разработки. В следующих главах излагаются методы структурного и коммутационного анализа моделей электросетей (главы 2), структурно-семантической формализации правил переключений (глава 3)

Глава 4 посвящена методам автоматизации планирования и выполнения переключений, глава 5 - методам автоматизации правил контроля и блокировки переключений.

Задачи и методы интеграции различных моделей электросетей рассматриваются в главе 6. В главе 7 описаны компьютерные реализации разработанных методов АСКУП: универсальные тренажеры оперативных переключений и советчик диспетчера по переключениям.

Заключение содержит сводку основных результатов диссертационной работы.

Глава 1 - «Обзор достижений и проблем в области автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях». Здесь дан обзор отечественных и зарубежных исследований и разработок в указанной области. Рассмотрены разработки ВНИИЭ, института «Энергосетьпроект», Московского энергетического института, Новосибирского государственного технического университета, автоматизация управления переключениями на Пермской ГРЭС, а также опыт фирм Siemens, ABB, General Electric. Охарактеризованы разработки тренажеров по оперативным переключениям «Модус» и TWR12.

Отмечено, что до конца 1990-х годов системы автоматизированного блокирования и управления реальными переключениями создавались индивидуально для каждого энергообъекта. На другом энергообъекте воспроизвести такую систему можно только в случае подобия его схем и оборудования исходному энергообъекту. Сформировалась задача создания универсальных систем оперативного управления переключениями.

Структура коммутационных схем электрических сетей и технология переключений в них регламентируются отраслевыми нормативными документами. Точность, однозначность, строгость формулировок этих норм и правил говорят о возможности их математической формализации. До работ автора предпринимались попытки создания общей теории переключений в электрических сетях с соответствующим математическим аппаратом. Однако, при наличии отдельных достижений, в целом задача создания теории переключений в электросетях решена не была.

Для разработки алгоритмов автоматизированного планирования и контроля переключений в электросетях необходима дискретная математическая модель, позволяющая:

- воспроизводить и исследовать дискретные коммутационные состояния и переходы состояний электрической схемы, вычислять по ее топологии обобщенные характеристики коммутационных состояний оборудования электрической сети (например: наличие транзита через подстанцию по ее высшему классу напряжения, наличие видимого разрыва у заземленного оборудования, наличие шунта у коммутационного аппарата, существование феррорезонансного контура и многие другие свойства);

- на основе найденных коммутационных характеристик осуществлять логический вывод решений о необходимости и допустимости операций;

- формировать планы оперативных переключений.

Исследования автора диссертации показали, что такие математические методы, которые можно было бы прямо и непосредственно приложить к формализации теории переключений, отсутствовали не только в учебниках для инженеров. По-видимому, они вообще в недостаточной степени наличествовали в дискретной математике. Для восполнения недостающих математических методов автору пришлось провести специальные математические исследования. Их результаты опубликованы в ряде статей, содержание которых не входит в состав диссертации. Эти результаты не выносятся на защиту как собственно математические. Но они систематически использованы в диссертационной

работе для разработки методов и алгоритмов автоматизации планирования и контроля переключений.

Для математической формализации теории переключений в первую очередь необходимы две группы математических методов: 1) методы моделирования структуры и состояния коммутационных схем электросетей; 2) методы описания динамики состояний коммутационных схем.

Моделирование структуры и состояний электрической схемы при переключениях предназначено прежде всего для распознавания коммутационных состояний технологических участков электросети. Распознавание коммутационных состояний именуется в диссертации коммутационным анализом электрических схем. Исторически его методы развивались по двум направлениям: 1) применение булевой алгебры, 2) анализ топологии графов.

Метод булевой алгебры можно рассматривать как применение классической теории релейно-контактных схем, начало которой положили работы А. Накашимы, В.И. Шестакова и К. Шеннона в 1935 - 1941 гг. Данный метод позволяет кодировать любые логические комбинации положений коммутационных аппаратов и тем самым получать алгоритмические решения любых задач коммутационного анализа. Однако каждый такой алгоритм справедлив только для той схемы соединений устройств, для которой он составлен. Причина этого недостатка в том, что информация о топологии коммутационной схемы используется в данном методе косвенно и не полностью. Топология графа коммутационной схемы остается за рамками математической формализации.

С неучетом топологии связан и другой недостаток метода булевой алгебры. Определенное коммутационное состояние схемы может быть реализовано значительным числом различных сочетаний положений коммутационных аппаратов. В решении задачи необходимо предусмотреть перебор всех комбинаций, реализующих одно и то же разделение. Их число может оказаться очень значительным.

Эти недостатки метода булевой алгебры вызвали к жизни поиски более общих методов анализа коммутационных схем электросетей. Были созданы топологические методы анализа коммутационных схем. В них информация о топологии схемы используется явным образом.

Если электрическая цепь состоит только из последовательно соединенных коммутационных аппаратов, то она реализует наличие электрической связи тогда и только тогда, когда все ее коммутационные аппараты включены. Электрическая цепь произвольной топологии осуществляет электрическую связь между двумя узлами тогда и только тогда, когда она содержит хотя бы одну цепь между этими узлами, состоящую из последовательно соединенных включенных коммутационных аппаратов. Последнее правило по существу лежит в основе всего анализа коммутационных схем. Это правило знал по сути еще Накашима, но не дал его математического эквивалента. Математически это правило сводится к вычислению множества компонент связности графа, содержащих заданное множество вершин графа. Автор диссертации ввел эту операцию в систематическое употребление для решения прикладных задач моделирования и управления переключениями в электросетях.

В диссертации дан обзор топологических методов, возникших до работ автора, посредством которых может выполняться коммутационный анализ. Ими являются:

- алгебра булевых матриц (А.Г. Лунц и Б.И. Аранович, 1947-1952 гг.);

- язык логического программирования Пролог (А. Кольмероэ, 1972 г.);

- реляционные языки запросов типа SQL (Д.Д. Чемберлин и Р.Ф. Бойс, 1974

г.);

- язык запросов в сетевых базах данных LSL (Link and Selector Language, Д. Цикритзис, 1976 г.);

- семантические сети (Ю.Я. Любарский, 1978 г.).

Общим недостатком всех этих методов являлось отсутствие упомянутой выше операции вычисления множества компонент связности графа, содержащих заданное множество вершин графа. Однако данная операция будет естественной и удобной для применения в таком языке, который оперирует графами, а не матрицами или только множествами. Такой язык - алгебра связности графов -был создан автором, как система операций над графами. Подробнее он рассматривается в главе 2.

По сравнению с другими методами коммутационного анализа язык алгебры связности графов обладает большей естественностью, так как оперирует непосредственно графами коммутационных схем. В то же время он математически лаконичен: запись алгоритмов посредством формул этой алгебры графов оказывается значительно короче и проще, чем любыми другими методами. Кроме того, формулы этого языка удобны для программирования. В программе на объектно-ориентированном языке программирования графы естественным образом определяются как объекты класса графов, операции над графами — как функции (методы) этого класса.

Для автоматизации планирования переключений нужны математические методы, относящиеся к теории автоматов. Идея применить методы теории автоматов к моделированию переключений в коммутационных схемах электросетей, к описанию поведения коммутационных схем как дискретных динамических систем, высказывалась до работ автора. Однако немногие попытки, предпринятые в этом направлении, успеха не имели. Причины неудач, как показали исследования автора диссертации, заключались как в сложности устройства автоматов, моделирующих переключения в электросетях, так и в отсутствии в теории автоматов методов, пригодных для построения таких моделирующих автоматов. Необходимые методы автору диссертации пришлось разрабатывать по существу с нуля. Они опубликованы в ряде его статей.

Эти исследования привели к двум основным результатам - негативному и позитивному. С одной стороны, оказалось, что алгебраическая теория Крона-Роудза, рассматриваемая в теории конечных автоматов как важнейший метод их декомпозиции, непригодна для декомпозиции автоматов, моделирующих переключения в электрической сети. С другой стороны, сформировалось осознание необходимости обратиться к теории решеток: использовать для моделирования переключений такие автоматы, диаграммы переходов которых являются конечными решетками, прежде всего - дистрибутивными решетками. Решеточность диаграмм процессов переключений возникает как следствие того,

что очередность операций регламентируется системой правил логической блокировки.

Упомянутые математические исследования автора в состав настоящей диссертационной работы не входят. В диссертационной работе методы теории решеток применяются для выражения общих решений задач переключений -общих планов переключений. Широкое практическое использование теории решеток для планирования операций является задачей на будущее.

Глава 2 - «Моделирование и анализ коммутационных схем электрических сетей». Излагается обоснование выбора типа логико-математической модели для представления электрических сетей, для исследования переключений в них и управления переключениями. Описывается разработанное автором применение математического аппарата алгебры графов к решению задач коммутационного анализа.

Для выполнения коммутационного анализа база данных управляющего комплекса электрической сети должна содержать описание топологии последней. Соединения элементов электрической схемы естественно описывать неориентированным графом. Наиболее подробное описание электрической схемы предусмотрено в CIM-стандарте. Описание менее подробное, но достаточное для анализа коммутационных схем, дает «звездный граф» - графовая «звездная модель».

В звездной модели каждое устройство электрической схемы представлено неориентированным графом - n-звездой. Центральная вершина п-звезды представляет само устройство, а окружающие ее п периферийных вершин - узлы соединения данного устройства со смежными устройствами в схеме. Звезда имеет столько лучей, сколько узлов соединения имеет данное устройство со смежными устройствами. Звездообразный граф каждого устройства имеет столько точек соединения, сколько присоединений имеет это устройство. Объединение всех звездообразных графов первичных устройств схемы образует «звездный граф» - граф соединений первичных цепей. Обозначим его Net.

В современных базах данных преобладают структуры реляционного типа. Граф обычно представляют реляционной моделью, состоящей из двух таблиц: таблицы вершин и таблицы ребер как пар вершин. Эту структуру дополняют данными чисто реляционного характера - атрибутами вершин и ребер. К их числу принадлежат наименования устройств, их функциональные и конструкционные типы, физические характеристики, состояния и т.п. Поскольку состав этих данных, вообще говоря, различен для разных типов устройств (ЛЭП, трансформаторов, выключателей, разъединителей и т.д.), целесообразно устройства разных типов описывать в разных реляционных таблицах.

Узлы соединения смежных устройств целесообразно описать в отдельной таблице. Еще в одной таблице следует привести все ссылки этих узлов на соединяемые устройства. Первая таблица должна содержать для каждого такого узла единственную запись (строку) об этом узле. Вторая таблица для каждого узла соединения будет содержать столько записей, сколько устройств соединены посредством этого узла. Запись в ней описывает связь узла соединения с одним из устройств, соединяемых через данный узел. Эта запись просто содержит ссылку на устройство, соединенное через данный узел.

Реляционная модель электросети должна содержать также таблицы для атрибутов подстанций, описаний структуры и настроек автоматических устройств и т.д. Совокупность всех перечисленных реляционных таблиц образует реляционную модель ПС или электрической сети. Обозначим ее R.

Для описания и исследования структуры реляционной модели строится граф G, вершины которого взаимно-однозначно представляют записи (строки) реляционных таблиц системы R. Записи в таблицах системы R ссылаются друг на друга. Эти ссылки рассматриваются как определения ребер графа G. Граф G представляет топологическую структуру реляционной системы R, ее топологический каркас. Граф Net, представляющий электрические соединения элементов коммутационной схемы, является подграфом графа G.

Поиск данных в реляционной системе R и логические преобразования данных должны производиться, во-первых, средствами реляционного языка, например языка SQL. Вместе с тем анализ коммутационной схемы, описываемой графом Net, требует анализа связности графа Net и различных его подграфов. Реляционные языки оказываются для этого недостаточно эффективными. Например, в качестве одной из базисных операций языка анализа коммутационных схем желательно иметь операцию вычисления компоненты связности графа, содержащей заданную вершину этого графа. А также более общую операцию - вычисление множества компонент связности графа, содержащих заданное множество вершин данного графа. Эти операции составляют основу алгоритмов анализа коммутационных схем. Но их нет среди базисных операций реляционных языков и реляционной алгебры.

Чтобы соединить преимущества реляционных систем с графовым подходом к моделированию и анализу, в диссертации разработана концепция графореляционной системы. Автором также осуществлена ее программная реализация. Основная идея этой концепции состоит в добавлении к реляционной системе R ее структурного графа G. Графореляционная система определяется как пара (R,G), где G есть топологический каркас реляционной системы R.

Сочетание реляционных операций с операциями анализа топологии графов позволяет анализировать структуру и состояния графореляционной модели. В диссертации показано, что применение этого аппарата резко упрощает алгоритмы решения прикладных задач. Получаемое значительное упрощение облегчает проверку алгоритмов и соответствующих программ, способствует расширению спектра решаемых задач, повышает производительность труда программистов-разработчиков.

Для анализа топологии коммутационных схем автором разработан состав базисных операций трех вариантов алгебры графов. Это: 1) алгебра связности неориентированных графов; 2) алгебра семантических множеств (для систем двудольных графов); 3) алгебра связности гиперграфов. Специально для анализа топологии в состав этих алгебраических систем автором включены некоторые новые операции над графами.

Алгебра связности неориентированных графов содержит пять бинарных операций над неориентированными графами:

А + В - объединение графов А и В;

А & В - пересечение графов А и В;

А - В - разность графов А и В;

А * В - приращение графа А в графе В;

А А В - замыкание графа А в графе В.

Первые три операции - объединение, пересечение и разность, - являются стандартными в теории графов. Операции приращения и замыкания введены автором. Они служат для вычисления отношений связности в графах. Приращение А*В графа А в графе В определяется как объединение графа А со всеми такими ребрами графа В, у которых хотя бы один конец принадлежит графу А. Замыкание графа А в графе В определяется как объединение графа А со всеми компонентами связности графа В, имеющими непустое пересечение с графом А.

Показано применение алгебры связности неориентированных графов на примерах анализа коммутационного состояния ПС, контроля и блокировки переключений. Примеры применения двух других вариантов алгебры графов содержатся в статьях автора, указанных в диссертации.

Применявшиеся ранее средства записи алгоритмов топологического анализа коммутационных схем приводят к многословным текстам и длинным программным кодам. С помощью алгебры графов эти алгоритмы выражаются небольшим числом простых формул. Нередко - одной формулой. Пусть, например, требуется узнать, имеется ли у разъединителя шунт. Под шунтом здесь понимается замкнутая цепь с достаточно малым сопротивлением, соединяющая полюсы разъединителя при его отключенном положении.

В звездной модели разъединитель изображается двухлучевой звездой. Пусть Isol - центральная вершина этой звезды, Polel и Ро1е2 - узлы ее соединения со звездами смежных устройств. Ответ дается формулой:

Polel A (Net - (Isol + ComsOff + LineSet + TransSet)). (1)

Шунт у разъединителя имеется тогда и только тогда, когда граф, выражаемый этой формулой, содержит узел Ро1е2. Здесь ComOff обозначает множество всех отключенных коммутационных аппаратов в схеме, LineSet — множество центральных вершин звезд всех ЛЭП, TransSet - множество центральных вершин звезд всех силовых трансформаторов.

Поясним смысл формулы (1). Выражение

Net-(Isol+ComsOff+LineSet+TransSet) есть граф, полученный из графа первичных цепей Net удалением центрального узла звезды разъединителя Isol, центральных узлов звезд всех отключенных коммутационных аппаратов (множество ComsOff), всех линий (множество LineSet) и всех силовых трансформаторов (множество TransSet). Вместе с удаляемыми вершинами (узлами) удаляются также все инцидентные этим вершинам ребра графа. Полученный граф будет объединением всех замкнутых цепей, проходящих через шины, но не проходящих через ЛЭП и силовые трансформаторы. Этот граф образован совокупностью его компонент связности. Каждая компонента связности объединяет замкнутые цепи с незначительным сопротивлением. Формула (1) выражает ту из компонент связности, которая содержит полюс Polel

анализируемого разъединителя. Если эта компонента связности содержит также и полюс Ро1е2, то у разъединителя есть шунт. В противном случае шунта нет.

Чтобы убедиться в эффективности алгебры связности графов, стоит сравнить изложенное решение с любым решением данной задачи, использующим какие угодно средства из приведенного выше перечня методов, применимых для коммутационного анализа.

Аппарат графореляционных систем эффективен не только в задачах планирования и контроля переключений, но также и в связанных с ними других задачах оперативно-диспетчерского управления электросетями. Например, при реализации обобщенного отображения коммутационных состояний электросети; при стыковке модели переключений с режимными моделями и др.

Дальнейшее упрощение алгоритмов топологического анализа дает метод семантической границы. Он разработан автором диссертации. Идея метода состоит в выделении той области графовой модели (семантической сети), в пределах которой должен осуществляться поиск данных. Метод позволяет игнорировать те элементы графовой модели и те связи между элементами, которые несущественны для проверяемого определения, проводимого вычисления или рассуждения.

Вычислительная реализация метода семантической границы основана на применении функции семантической границы X = L(g,e,a,\x). Ее аргументы - это графы и множества. Граф g - это тот подграф графовой модели, в пределах которого прослеживаются всевозможные пути, исходящие из вершины е данного графа. Аргумент а обозначает множество вершин, через которые рассматриваемые пути не должны проходить. Аргумент ц обозначает множество тех вершин, относительно которых требуется выяснить, достигаются ли они по прослеживаемым путям. Результирующее значение X - это все те вершины, которые по прослеживаемым путям достигаются.

Функция семантической границы вычисляется посредством операций алгебры связности графов. В диссертации и в статьях автора приведены примеры ее использования. Применение функции семантической границы позволяет свести многие сложные рассуждения к решению «в одно действие».

Метод семантической границы позволяет "спрятать" топологические вычисления от конечного пользователя. Последнему остается выполнять только достаточно знакомые ему действия с панелями Windows в редакторе определений семантических параметров. Единственное, чего от технолога, не являющегося программистом, дополнительно требует пользование "технологией семантической границы", - это умение видеть на электрической схеме саму эту границу.

Применение метода семантической границы покажем на следующем примере. Пусть требуется найти, с какими секциями шин трансформатор Т соединен замкнутыми цепями, состоящими только из коммутационных аппаратов. Такие задачи часто возникают при анализе схем подстанций. Решение сводится к подстановке надлежащих значений аргументов в функцию семантической границы L(g,e,<3,\i).

В качестве первого аргумента g следует принять граф первичных цепей той подстанции, где находится трансформатор Т, и входящих на подстанцию

ЛЭП. Анализ топологии нужно произвести в пределах графа g. Вторым аргументом е функции Ь^,е,<з,\)1) - исходным элементом топологического анализа - нужно взять Т. Из графа g нужно удалить все те элементы, через которые не проходят замкнутые цепи из выключателей и разъединителей. Удаляемые элементы образуют ограничивающее множество ст - третий аргумент функции Ь(%,е,а,\£). Этими элементами являются, во-первых, все отключенные коммутационные аппараты. Их множество будем считать известным. Его вычисление не представляет труда, оно описано в диссертации. В состав ограничивающего множества ст входят также все секции шин и все ЛЭП. В качестве четвертого аргумента функции - контролируемого множества

ц - следует принять множество всех секций шин. Все эти множества легко вычисляются.

ВЛ-1 500 кВ ВЛ-2 500 кВ ВЛ-3 500 кВ ВЛ-4 500 кВ

Рис. 1. Применение метода семантической границы для анализа соединений трансформатора Т4 с секциями шин. Включенные выключатели закрашены.

При этих значениях аргумента искомое множество секций шин будет равно Ц§,Г,ст,|Д Подчеркнем, что это решение не зависит от типа присоединения трансформатора Т к распредустройству: оно одинаково справедливо и для присоединений с одним или с двумя выключателем на две секции шин, и для присоединений типа 3/2 и 4/3, и для кольцевых схем, и для присоединений к одной системе шин через выключатель и без выключателя. Также не зависит оно от числа и расположения разъединителей. Поясним это решение графически на примере полуторной схемы распредустройства (рис. 1).

Речь идет о нахождении всех секций шин распредустройства 500 кВ, с которыми трансформатор Т4 связан замкнутыми цепями, состоящими только из коммутационных аппаратов. Для решения нужно найти ту часть схемы, к которой извне непосредственно примыкают искомые секции шин. Эта часть схемы обведена на рис. 1 штриховой линией. Снаружи она ограничена «поясом» следующих устройств: отключенными разъединителями Р1-В13 и Р2 220 кВ, секциями шин 1 СШ 500 КВ, 1 СШ 220 кВ и 10 кВ, линией ВЛ-1 500 кВ. Этот «пояс» и есть семантическая граница в решаемой задаче. На рис. 1 она выделена серым фоном. Из элементов семантической границы контролируемому множеству ц, состоящему из всех секций шин 500 кВ, принадлежит один. Это секция шин 1 СШ 500 КВ. Она и является решением задачи.

Алгебра связности графов и ее варианты, а также метод семантической границы образуют математическую основу Универсального топологического процессора (УТП). Операции этой алгебры предназначены для анализа графов без их изменения. Для преобразования графов добавляются еще две операции. Они рассматриваются в главе 6. УТП представляет собой библиотеку прикладных программ, достаточную для решения топологических задач в оперативно-диспетчерском управлении электросетями.

Глава 3 - «Базы знаний по технологии переключений в электрических сетях». Создание баз знаний, охватывающих значительную часть технологии оперативных переключений в электросетях, требует усовершенствования методов формализации технологических правил, средств их ввода и редактирования, приближения этих средств к профессиональным навыкам и возможностям инженеров-энергетиков, не являющихся программистами. Решения, предлагавшиеся ранее, либо предназначались для узких классов правил, либо требовали от инженера-энергетика знаний и навыков, далеко выходящих за пределы его квалификации. Автором диссертации предложены новые общие методы решения указанных задач. Они предполагают четкое разграничение между семантической структурой правил и их представлением на естественном языке.

В данной главе изложен метод анализа и формализации семантических структур правил на примере класса правил блокировки переключений в электросетях. Показано, что семантическая модель любого правила переключений может быть описана как двухуровневая иерархическая структура. Разработан метод хранения классов правил в базе данных в виде систем реляционных таблиц.

Автором разработаны методы ввода и редактирования правил посредством стандартных форм диалога Windows. Это освобождает инженера-энергетика от освоения каких-либо дополнительных умений, кроме минимальных навыков работы с Windows.

Предложенный метод формализации технологических знаний не зависит от способа реализации коммутационной модели электросети в базе данных. Для обеспечения этой независимости автором разработан метод семантической привязки правил к реализации коммутационной модели электросети в базе данных.

Предложенный метод формализации знаний можно использовать при разработке различных интеллектуальных систем управления оперативно-диспетчерского управления энергетическими объектами.

В данной главе рассмотрены также схемы логического вывода для разных классов баз знаний по оперативно-диспетчерскому управлению. В отечественной электроэнергетике накоплен опыт разработки электронных механизмов логического вывода решений по оперативно-диспетчерскому управлению в основном по трем направлениям: 1) контроль и блокировка команд оперативно-диспетчерского персонала; 2) оперативное планирование; 3) мониторинг оперативного состояния оборудования, в том числе анализ нештатных ситуаций. В главе показано, что все применяемые при этом схемы логического вывода охватываются единой общей схемой - методом резолюций.

Метод резолюций основан на применении общего правила логического вывода - правила резолюции - к формализованным прикладным правилам, совокупность которых образует содержание баз знаний. Типовые прикладные правила технологии переключений автоматически конкретизируются по результатам анализа режима на основе коммутационной и режимной моделей. Конкретизированные и частные прикладные правила формально записываются как хорновские дизъюнкты — логические формулы вида av-i/j,v-ib2v.. .v-i6m, где a,bl,b2,...,bm - булевские переменные, а символ «-!» обозначает отрицание. Это выражение тождественно импликации (bl,b2,...,bm) -> а. Переменные b1,b2,...,bm -это посылки правила, переменная а - заключение правила. Если список посылок правила пуст (т=0), то правило —> а выражает утверждение об истинности факта а.

Согласно методу резолюций, применение правила резолюции к паре дизъюнктов (правил или фактов) дает новый дизъюнкт, называемый резольвентой этой пары. Резольвента является логическим следствием исходной пары дизъюнктов. Ее можно использовать в парах с другими исходными или выведенными дизъюнктами для получения новых резольвент. Получение резольвенты из пары дизъюнктов рассматривается в диссертации как алгебраическая операция. Она названа операцией резолюции. Наличие этой операции превращает множество формализованных знаний (образующее базу знаний) в систему с алгебраической бинарной операцией. Эта алгебраическая система названа в диссертации алгеброй резолюций. На языке формул этой алгебры записываются алгоритмы логического вывода решений по переключениям в электросети. Тем самым логические рассуждения превращаются в вычисления.

Из общего правила резолюции можно получить более специальные правила логического вывода, приспособленные для тех или иных видов рассуждений. Например, решение о допустимости операции С в зависимости от действия логических блокировокр1,р2,...,р„ выражается типовым прикладным правилом

hPi л -р2л ... л -,ра) С . (2)

Посылки -ipl,-ip2,...,-ipD этого правила, представляющие действие логических блокировок, автоматически конкретизируются на основе информации в базе данных о модели электросети и ее состоянии. Логический вывод решения о допустимости операции С производится путем применения «правила проверки посылок». Этим термином в диссертации называется правило логического вывода

(-!Pi А-р2А ... Л-Рп) -»С, ->Ри ->р2, ■■■, ->ра

--(3)

С

Оно вытекает из общего правила резолюции. Горизонтальная черта в этой формуле по существу является символом операции резолюции. Частным случаем правила (3) при п=1 является известное логическое правило modus ponens.

Согласно «правилу проверки посылок», операция С разрешается тогда, когда все посылки -ipu-ip2,...,-ipn прикладного правила (2) истинны. Последнее равносильно тому, что ни одно из условийр1,р2,...,ра логической блокировки не выполнено, т.е. ни одна блокировка не действует.

Применение алгебры резолюций как универсального аппарата логического вывода служит облегчению разработки и развития средств автоматизации планирования и контроля оперативных переключений, упростит построение программ, повысит их надежность, гибкость и расширяемость.

В главе 4 - «Методы автоматизации планирования оперативных переключений» - рассматриваются основные задачи и методы автоматизации планирования переключений в электросетях. Обоснована актуальность автоматизации планирования переключений. Автором диссертации разработаны основные методы автоматизированного построения решений задач переключений. Предложена математическая модель динамики состояний коммутационной схемы при оперативных переключениях. В ее основу положена теория решеток.

Актуальность автоматизации планирования оперативных переключений определяется необходимостью:

- минимизации времени на составление разовых бланков переключений в нештатных ситуациях;

- сокращения трудозатрат и сроков при разработке типовых программ и бланков переключений;

- обеспечения надежности (достоверности) бланков переключений;

- использования большого числа бланков переключений в тренажерах по оперативным переключениям.

В качестве отправного пункта автоматизации планирования переключений автором приняты типовые сценарии переключений, изложенные в инструкциях

по переключениям для оперативно-диспетчерского персонала. Каждый такой типовой сценарий - это перечень укрупненных операций, относящийся к определенному типу устройств и топологическому типу присоединений устройства, но без конкретизации применительно к реальным схемам. Автоматизация планирования оперативных переключений сводится к тому, чтобы для каждого такого типового сценария соответствующая компьютерная программа преобразовывала его в программу и в бланк переключений. Данный подход назван в диссертации «живой технологией» - поскольку благодаря ему технология переключений, изложенная в бумажных документах (или в их электронных копиях), как бы «оживает», превращаясь в совокупность точных формализованных инструкций по переключениям. В таком виде эти инструкции может выполнять не только человек, но и автомат.

Для разработки алгоритмов автоматизированного планирования оперативных переключений требуются адекватные математические методы. В данной главе диссертации показано, что эти методы дают теория графов и теория конечных решеток. Необходимые методы теории графов - это алгебра связности графов, описанная в главе 2. Она используется для анализа топологии при конкретизации обобщенных операций, указанных в типовых сценариях переключений, применительно к заданной схеме.

В главе показано, что автоматическое развертывание плана операций для решения задач переключений в электросетях основано на применении системы правил планирования, имеющих вид

Т0 -> Т1;Т2,Т3,...,ТП, (4)

где Т0 есть какая-то из подзадач задачи переключений, сводимая к выполнению набора более простых подзадач Т,, Т2, Т3, ..., Тп. Если Т0 обозначает обобщенную операцию, указанную в типовом сценарии переключений без привязки к конкретной схеме, то правило (4) будет выражать конкретизацию подзадачи Т0 применительно к фактически имеющемуся оборудованию. Если описание этого оборудования имеется в базе данных, эта конкретизация может быть выполнена автоматически: для основного оборудования - по описанию топологии сети, для вторичных устройств — на основе их модели в базе данных.

Теория решеток применена в данной главе для представления общих решений задач переключений. Общее решение задачи переключений - это множество ее частных решений. Как установлено в математических работах автора, диаграммы общих решений задач переключений являются решетками -дистрибутивными решетками или антиматроидами. Вид этой решеточной диаграммы определяется свойствами системы правил иерархического планирования.

Задание дискретного процесса системой правил очередности переключений можно рассматривать как дискретный аналог задания непрерывного процесса дифференциальным уравнением. В классической математике наиболее желательной формой представления общего решения дифференциального уравнения считается «аналитическое выражение», т.е. формула, образованная алгебраическими операциями из стандартных математических функций (тригонометрических, экспоненты, логарифма и др.). По аналогии с этим

желательно иметь язык формул для представления общего вида дискретного процесса - общего решения задачи переключений. Автором разработан такой формальный аппарат - алгебра переключений. С ее помощью общие решения сложных задач переключений строятся из элементарных операций. Ниже приведен пример применения алгебры переключений для представления программы переключений по выводу в ремонт ЛЭП с учетом всех допустимых перестановок операций.

Алгебра переключений позволяет описывать параллелизм и последовательность операций. Поясним следующим примером применение разработанной математической модели системы параллельных частично упорядоченных взаимосвязанных процессов переключений в электросетях. Представим формулой алгебры переключений и сетевым графиком упрощенную программу переключений по выводу в ремонт ЛЭП. Это представление отображает допустимые перестановки операций и их параллелизм. Рассматривается ВЛ 500 кВ без отпаек, соединяющая ПС Лесная и Северная. Операции, выполняемые на ПС Северная, будем обозначать а,, а2, ...; операции на ПС Лесная - Ъх, Ь2, ... Основную часть программы переключений образует перечисление операций с указанием параллельно выполняемых групп операций:

а,: Отключить выключатели В1 и В2 на ПС Северная.

б,: Отключить выключатели В1 и В2 на ПС Лесная.

а2: Снять оперативный ток с выключателей В1 и В2 на ПС Северная.

Ь2: Снять оперативный ток с выключателей В1 и В2 на ПС Лесная. Группы операций (а,, аЛ) и Ь4) выполнять одновременно:

о,: Отключить линейные разъединители ЛР1 и ЛР2 на ПС Северная.

я4: Отключить трансформатор напряжения ТН ВЛ 500 кВ Северная-Лесная на ПС Северная.

Отключить линейные разъединители ЛР1 и ЛР2 на ПС Лесная.

Ь4: Отключить трансформатор напряжения ТН ВЛ 500 кВ Северная-

Лесная на ПС Лесная. Группы операций (а5, Ь(), Ь7 и ал, а7) выполнять одновременно:

а}: Проверить, что на ПС Северная отключены линейные разъединители ЛР1 и ЛР2.

Ь6: Со стороны ПС Лесная проверить отсутствие напряжения на ВЛ 500 кВ Северная-Лесная.

ЬП: Включить заземляющие ножи ЗН1 на ПС Лесная.

Ь5: Проверить, что на ПС Лесная отключены линейные разъединители ЛР1 и ЛР2.

а6: Со стороны ПС Северная проверить отсутствие напряжения на ВЛ 500 кВ Северная-Лесная.

я7: Включить заземляющие ножи ЗН на ПС Северная. Операции ая и Ья выполнять одновременно:

д8: На ПС Северная отключить приемник сигналов противоаварийной автоматики ВЛ 500 кВ Северная-Лесная.

Ь8: На ПС Лесная отключить приемник сигналов противоаварийной автоматики ВЛ 500 кВ Северная-Лесная.

На множестве 16 операций я,, а2, ..., а8, Ь2, ..., ¿>8, образующих эту программу переключений, определено отношение частичного порядка. Общее решение задачи переключений, определяемой этим отношением частичного порядка, выражается формулой переключений

[аи Ьи а2, Ъ2, {[аъ, а4], [Ьъ, 64]}, {[а5, Ь6, 67], [Ь5, а6, а7]}, {а8, ¿8}] . (5)

Для обозначения порядка операций используются квадратные и фигурные скобки. Квадратные скобки в формуле (5) означают, что заключенные в них операции и группы операций должны выполняться строго в том порядке, как они записаны. Фигурные скобки означают, что заключенные в них операции и группы операций можно произвольно переставлять между собой.

Общий процесс переключений распадается на два линейно упорядоченных подпроцесса, связанных перекрестными ограничениями очередности. План координации этих двух подпроцессов есть дистрибутивная решетка. Она представлена формулой (5) и изображена на рис. 2. Эта диаграмма отображает все возможные варианты последовательно-параллельного выполнения операций.

Рис. 2. Дистрибутивная решетка, представляющая

общий план координации переключений (на уровне типового сценария) на двух подстанциях при выводе в ремонт ЛЭП, с допустимыми вариантами перестановок и параллелизма операций.

Некоторые операции в рассматриваемой программе переключений состоят из более мелких операций. Например, операция а{ состоит из двух операций - отключения выключателя В1 и отключения выключателя В2 на ПС Северная. Подразумевается, что эти операции между собой перестановочны. Обозначим их а\ и я". Тогда я1 = {а\, а'/}. Аналогично через более мелкие операции выражаются и другие операции в приведенной программе переключений. Подставляя их выражения в формулу (2), получим более подробный план операций. В нем какие-то операции, в свою очередь, могут выполняться посредством ряда еще более мелких операций, а также сопровождаться вспомогательными и проверочными операциями, не упоминаемыми в плане верхнего уровня. Диаграмма детализированного плана

будет более сложной дистрибутивной решеткой, чем приведенная на рис. 2. За последней сохранится роль обобщенной картины процесса.

Формализация задачи переключений в виде задачи выполнения частично упорядоченного множества операций означает построение сетевой модели переключений как комплекса работ-операций. Это позволяет ставить и решать задачи оптимизации процедур переключений. Прежде всего - задачу минимизации времени выполнения процедуры в целом, если заданы продолжительности всех входящих в нее операций. Эта задача решается известным методом критического пути. Для сетевой модели могут быть заданы дополнительные критерии оптимальности плана операций. Например, если заданы (линейные) зависимости сокращения затрат на каждую операцию (работу) от увеличения ее продолжительности, то методами линейного программирования решается задача выбора из множества планов, минимальных по времени, плана, минимального по стоимости. Также методами линейного программирования решается задача минимизации дополнительных затрат при заданном сокращении продолжительности комплекса работ в целом. Задачи оптимизации планирования переключений в диссертации не исследуются.

В данной главе рассмотрена также проблема соотношения двух подходов к формализации технологии оперативных переключений. Первый подход содержательно следует типовым сценариям переключений и реализуется в виде системы правил иерархического планирования операций. Он дает явные указания, что делать надо. Второй подход идет «от противного», описывая, чего делать нельзя. Он реализуется в виде системы правил логической блокировки операций.

Показано, что в тренировках по оперативным переключениям должны применяться оба подхода. Первый обеспечивает полноту объема переключений, второй служит для выявления ошибок в командах тренируемого и для их объяснения тренируемому. Он необходим также для автоматической оценки квалификации тренируемых.

Автором сформулирована концепция Системы управления планами переключений, как комплекса программно-технических средств, обеспечивающего формирование, редактирование, верификацию и выполнение планов переключений. В ее рамках рассмотрена, в частности, технология аварийного завершения процесса переключений.

В главе 5 - «Методы автоматизации контроля и блокировки оперативных переключений» - показано, что автоматический контроль и блокирование переключений в электросетях должен быть основан на системе правил логической блокировки переключений и правил контроля оперативного состояния оборудования. Автором разработана классификация системы правил логической блокировки переключений. С точки зрения технологии оперативных переключений правила логической блокировки подразделяются на группы правил, предотвращающих:

- нарушения работоспособности оборудования энергосистемы;

- сокращение объема текущей функциональности электрической сети;

- снижение уровня режимной надежности.

- возрастание риска операций для персонала.

Большая часть требований и указаний, которые содержатся в диспетчерских инструкциях, относится к обеспечению оперативной (эксплуатационной) надежности. Соответственно большая часть правил логической блокировки переключений обеспечивает поддержание необходимого уровня оперативной надежности, предотвращает возникновение «узких мест» в сети.

Оперативная надежность сети имеет ряд аспектов: связность сети, пропускная способность, устойчивость и др. Управление оперативной надежностью при переключениях рассматривается в данной главе на примере контроля и восстановления уровня надежности сети в аспекте ее связности, текущей топологии. Это является важной функцией оперативно-диспетчерского управления. Рассмотрены топологические методы контроля и восстановления связности сети, соответствующие «критерию Ы-к» надежности конфигурации электросети при к = 1 и 2. Описаны методы восстановления нарушенного уровня связности электрической сети при наличии резервов по ее структурной связности. Они представляют собой обобщение функций автоматики включения резерва (АВР).

При планировании оперативных переключений и при аварийных отключениях должны автоматически отслеживаться следующие виды снижения уровня связности сети:

1) потеря связи потребителя с источниками (нарушение функциональности);

2) снижение ниже норматива числа независимых источников, питающих данного потребителя (снижение режимной надежности);

3) потеря устройством (линией, силовым трансформатором секцией шин, выключателем, разъединителем) шунтирующих цепей, имевшихся в нормальном режиме (снижение режимной надежности по «критерию N-1»),

Программа-советчик диспетчера по оперативному контролю и восстановлению связности электросети должна:

- распознавать события снижения уровня связности сети,

- информировать о них пользователя,

- предлагать пути восстановления исходного уровня связности, когда это возможно.

При обнаружении события снижения уровня связности сети программа-советчик должна выполнять поиск путей возможной его компенсации. В главе приведены примеры типовых решений по восстановлению нарушенного уровня связности. В одном из примеров рассматривается восстановление связности распределительной сети, функционирующей в разомкнутом режиме, на примере подстанции Ногинск (рис. 3). При плановом или аварийном отключении автотрансформатора АТ-2 происходит погашение секции шин 1СШ 1 ЮкВ 2сек и всех питаемых через нее потребителей. После вывода автотрансформатора в ремонтное положение остаются отключенными его разъединители, а также выключатель, соединявший до отключения этот автотрансформатор с погашенной секцией шин.

Рис. 3. Одна из возможных реконфигураций главной схемы ПС Ногинск при отключении автотрансформатора АТ-2. Включенные выключатели закрашены. Серым фоном выделены разъединители и выключатели, положение которых изменилось в результате произведенных переключений.

Для восстановления питания необходимо произвести реконфигурацию распредустройства 110 кВ. Один из возможных ее вариантов показан на рис. 3. Серой подложкой выделены разъединители и выключатели, положение которых изменилось в результате реконфигурации. Полученная схема может обеспечить наиболее сбалансированное распределение нагрузки между остающимися в работе трансформаторами. К наиболее мощному автотрансформатору АТ-1 подключаются нагрузки обеих секций 2-й системы шин распредустройства 110 кВ. Через трансформаторы Т-3 и Т-4 осуществляется питание по отдельности двух секций 1-й системы шин распредустройства 110 кВ.

В нормативной и методической литературе вопросы контроля и восстановления связности электросетей рассматриваются разрозненно для разных типов ситуаций. Автоматизация этих задач требует общих подходов, унификации алгоритмов. Один из принципов планирования восстановления сети после аварии состоит в том, что сначала нужно восстановить питание потребителей по простейшей схеме, затем произвести реконфигурацию сети, переведя ее в наиболее надежный режим. Данный принцип подлежит следующему обобщению: восстановление режима должно производиться в последовательности восстановления его соответствия критериям N-0 (просто восстановление питания), N-1, N-2, ...

В данной главе также подробно исследована структура правил блокировки с точки зрения модели оперативных переключений в электросетях как дискретной динамической системы - конечного автомата. Построена классификация правил путем подразделения их на правила запрещенных переходов этого автомата и правила его запрещенных состояний. Выделена группа правил контроля оперативных состояний, определяющих кратковременно допустимые состояния. Это такие состояния, в которые коммутационная схема может переходить на ограниченное время при производстве переключений, но не должна оставаться после завершения выполнения заданий на переключения. Режимная надежность в этих промежуточных состояниях понижена.

В главе описаны алгоритмы проверки (вычисления) правил логической блокировки. Они основаны на использовании семантических функций коммутационной модели. Под семантическими функциями понимаются зависимости дискретных нечисловых (качественных, содержательных) параметров коммутационной схемы электросети от структуры и состояния коммутационной схемы, ее технологических участков и отдельных устройств. Систематизируя алгоритмы вычисления разнообразных семантических функций коммутационной модели, автор выделил базовое множество относительно простых и наиболее часто используемых семантических функций. Последние названы основными семантическими функциями коммутационной модели. Через них выражаются все остальные семантические функции.

В данной главе приведена система основных семантических функций коммутационной модели электросети. Приведены примеры, поясняющие методику их вычисления посредством формул алгебры связности графов. В этих вычислениях используется также функция семантической границы. Этот математический аппарат и его применения разработаны автором диссертации.

В случае неполноты информации о текущем положении переключаемых элементов коммутационной схемы (в том числе — при недостоверности части информации) при анализе ее топологии вместо двузначной булевой алгебры высказываний автором предложено использовать трехзначную логику высказываний. Наряду с константами булевой логики «ИСТИНА» и «ЛОЖЬ» в этой трехзначной логике используется третья логическая константа -«НЕИЗВЕСТНО». В этой логике семантические предикаты коммутационной модели принимают не два истинностных значения, а три. Автором показано, что в ситуациях неполноты исходной информации вычисляемые семантические параметры тоже, как и при полной информации, выражаются формулами алгебры связности графов, с использованием функции семантической границы. Вывод соответствующих формул опирается на «принцип худшего случая», гарантирующий наибольшую полноту достоверного результата вычислений.

Глава 6 - «Задачи и методы интеграции системы управления переключениями с другими программными комплексами». Рассматриваются задачи и методы интеграции моделей электросетей, имеющих разную степень детализации. Предполагается, что одна из двух сопрягаемых моделей может иметь большую степень детализации в одних аспектах моделирования, другая - в других аспектах. Отмечается отсутствие в технической литературе математических методов практического решения этой задачи. В главе излагаются искомые общие математические методы.

Необходимость в интеграции разноуровневых и разнотипных моделей одной электрической сети возникает, например, в следующих прикладных задачах:

- интеграции коммутационной и режимной модели электрической сети в тренажерах и советчиках по оперативным переключениям;

- автоматизации обобщения информации о коммутационном состоянии электрической сети и обобщенной визуализации этого состояния;

- обратной задачи - автоматической детализации информации о коммутационном состоянии электрической сети на основании обобщенных данных;

- построения многоуровневой иерархической модели электрической сети.

В диссертации обоснована необходимость применения специальных математических методов для решения этих задач. Прежде всего нужна практически реализуемая операция обобщения моделей. Она необходима, в частности, для корректного описания соответствий между уровнями многоуровневой модели. Установлена непригодность для этого обычных методов реляционных систем. Показана необходимость рассмотрения реляционной модели вместе с ее структурным графом (топологическим каркасом), т.е. графореляционной системы. Преобразование реляционной модели И. в менее детализированную (более общую) реляционную модель II' должно осуществляться путем стягивания структурного графа модели Я в структурный граф модели Я'.

Операцию стягивания графов автор определяет несколько шире, чем обычно принято в литературе. Пусть А и В - два неориентированных графа, имеющие непустое пересечение. Операция стягивания графа А посредством

графа В обозначается А/В. Она определяется как результат последовательного стягивания всех ребер, общих для графов А и В. Этот результат не зависит от очередности стягивания ребер. Возникающие при этом петли удаляются. Образующиеся параллельные ребра либо сохраняются, либо заменяются одним ребром - в зависимости от содержания задачи.

Дан также метод развертывания обобщенной модели в более подробную модель. Это преобразование обратно операции обобщения. Оно осуществляется применением операции подстановки графов к структурному графу реляционной модели. Данная операция является обобщением операции подстановки строк. Аналогично тому, как подстановками строк реализуются порождающие грамматики обычных (линейных) языков, подстановки графов реализуют графопорождающие грамматики языков двумерных схем и вообще любых графов.

Математические операции преобразования графореляционных моделей пригодны для реализации широкого класса преобразований и соответствий в задачах интеграции разнотипных математических компьютерных моделей технических систем. Они использованы автором при интеграции коммутационной и режимной моделей электрической сети в коммутационно-режимных тренажерах.

В диссертации разработана методология интеграции АСКУП с АСДУ для различных типов АСДУ. Разработаны варианты интеграции АСКУП с базой данных реального времени комплекса АСДУ в зависимости от функциональной полноты последнего.

1. При наличии в базе данных АСДУ полной топологической модели первичных цепей и модели вторичных устройств осуществляется настройка программных интерпретаторов и решающих алгоритмов АСКУП на структуру и форматы этой базы данных. Программы АСКУП должны правильно «понимать» информацию, содержащуюся в базе данных АСКУП, и правильно ее использовать.

2. При отсутствии в базе данных АСДУ достаточной информации для функционирования АСКУП недостающие структуры и данные дополняются стандартными структурами и данными, предусмотренными в АСКУП. Производится частичная настройка функций АСКУП на доступ к данным, имеющимся в базе данных АСДУ.

3. Необходимая для АСКУП информация, имеющаяся в базе данных АСДУ, выгружается во вспомогательную базу данных специального универсального интерфейсного (стыковочного) формата, где и производится ее обработка.

Реализация варианта 1 возможна и оправдана для наиболее мощных комплексов АСДУ, располагающих достаточными возможностями моделирования и имеющих широкое распространение. При недостаточной функциональности, но широком распространении некоторого типа комплекса АСДУ может быть использован вариант 2. Вариант 3 должен применяться при интеграции с устаревшими и нестандартными базами данных АСДУ.

Применение этих подходов реализовано автором при стыковке АСКУП с ОИК СК-2003 и ОИК «АСТ», а также с ПК КАСКАД. В диссертации описаны механизмы этих стыковок.

В диссертации сформулирована проблема непротиворечивости (корректности построения) многоуровневой дискретной модели электросети. Она состоит в необходимости обеспечить согласованность между структурами и логическими операциями (семантическими определениями и операциями переключений), осуществляемыми на разных уровнях модели. Предложена математическая формализация понятия непротиворечивости многоуровневой дискретной модели. Показано, что требуемая непротиворечивость равносильна сохранению отношения связности между элементами (узлами) графовой модели при переходе с одного ее уровня к другому.

Для проверки корректности структуры многоуровневой модели использованы достаточные критерии непротиворечивости, которые установлены в математических исследованиях автора, не входящих в состав диссертации. Они опираются на введенное автором понятие относительной связности графов. Граф А называется связным относительно графа В, если каждая компонента связности графа В либо является подграфом графа А, либо не пересекается с графом А. В упомянутых математических работах автора показано, что стягивание А/В графа А посредством графа В сохраняет отношение связности между вершинами тогда и только тогда, когда граф А связен относительно графа В. В диссертации и статьях автора приведены примеры верификации непротиворечивости многоуровневых моделей электросети.

В главе 7 - «Тренажеры и советчики по оперативным переключениям в электрических сетях». В этой главе описываются тренажеры и советчики по оперативным переключениям в электросетях, программная реализация которых выполнена самостоятельно автором диссертации или при его значительном участии. Описано применение в этих программных приложениях методов автоматизированного планирования и блокировки переключений, разработанных в диссертации.

Изложена общая концепция тренажеров и советчиков по оперативным переключениям в электросетях. Дан обзор исследований роли ошибок оперативно-диспетчерского персонала в развитии аварий. На его основе предложены рекомендации по использованию тренажерного обучения.

Охарактеризован класс функционально-логических коммутационно-режимных тренажеров, обладающих моделью электрического режима, моделями автоматических управляющих устройств и автоматическим применением инструкций по технологии переключений. Отмечено, что в современных тренажерах оперативного управления энергосистемами применяются два типа моделей электроэнергетического и управляющего оборудования: логические и физические модели. Логическая модель есть точное описание желаемого поведения устройства в соответствии с назначением этого устройства. Физическая модель есть приближенное описание реального поведения устройства, учитывающее особенности его конструкции. В ситуационно-режимном энергосистемном тренажере основное электроэнергетическое оборудование описывается физическими моделями, а управляющие устройства -преимущественно логическими моделями. Ошибки и отказы управляющих устройств в логической модели имитируются сценариями.

Логический подход к моделированию управляющих устройств означает возможность единообразного описания как логики их работы, так и логики действий оперативно-диспетчерского персонала. Технологические требования к блокировкам, к последовательностям плановых и противоаварийных операций, формализованные в тренажере в виде логических правил, в промышленной человеко-машинной системе реализуются либо как соответствующие управляющие устройства, либо в виде инструкций для оперативно-диспетчерского персонала. Те операции, которые не могут выполнить управляющие устройства, должен выполнять человек. Поскольку требования к действиям человека в тренажере формализованы, их можно автоматически контролировать.

В разработанных автором диссертации тренажерах и советчиках реализованы два основных метода автоматического контроля операций: по бланкам переключений и по правилам логической блокировки. Правила логической блокировки подробно рассмотрены в главе 5. Типовые правила логической блокировки автоматически конкретизируются применительно к топологии присоединений.

Контроль по бланкам переключений используется в тренировках по отработке у персонала безошибочного выполнения типовых задач переключений. В нештатных режимах, когда персоналу разрешено выполнять операции без бланка переключений, основным средством контроля операций являются правила логической блокировки.

Как один из главных принципов разработки тренажеров и советчиков по переключениям автор рассматривал достижение максимально возможного уровня автоматизации всех работ по их сопровождению: при подготовке схем ПС, формировании заданий на тренировку, контроле команд, проверке достижения целевых состояний. Это необходимо для минимизации трудозатрат на эксплуатацию разработанных программных средств, повышению их надежности.

Высокая степень автоматизации подготовки тренировок, контроля команд и выполнения заданий в разработанных автором тренажерах позволяет тренируемым самостоятельно, без помощи инструктора, готовить тренировки, выполнять их и оценивать результаты. Возможность тренироваться без инструктора обеспечивает более комфортные условия обучения, способствует его индивидуализации. За счет этого повышается эффективность тренажерной подготовки.

Изложенные идеи и принципы реализованы в совокупности разработанных автором тренажеров и советчиков по оперативным переключениям: коммутационно-режимном тренажере КОРВИН-3, логической части коммутационно-режимного тренажера ЭНКОРТ, электронном советчике диспетчера по переключениям ЭСПЕР, тренажере-советчике в составе ПК КАСКАД. Они подробно рассматриваются в главе 7.

Комплексный тренажер оперативных переключений с расчетом потокораспределения КОРВИН-3, предназначенный для оперативно-диспетчерского персонала энергосистем и энергообъединений, электростанций и ПЭС, позволяет выполнять тренировки по плановым и противоаварийным

переключениям. В тренажере КОРВИН-3 автором диссертации впервые была практически успешно решена задача интеграции в одном тренажере режимной и коммутационной моделей энергосистемы и функций управления ими. Трудность этой задачи заключалась в том, чтобы согласовать структуры данных и алгоритмы функционирования двух сложных, разработанных независимо одна от другой и математически разнотипных моделей одной технической системы. Решение этой задачи позволило распространить на интегрированную коммутационно-режимную модель энергосистемы принципы управления как режимом, так и переключениями.

Разработанный автором предшественник тренажера КОРВИН-3 -коммутационно-режимный тренажер КОРВИН - был передан заказчику (ЦДУ ЕЭС России) в 1998 г. Он стал первым энергосистемным тренажером, совмещающим возможности тренажера по оперативным переключениям и режимного тренажера (со статической моделью режима).1 Логический контроль переключений выполнялся в нем автоматически путем применения правил логической блокировки переключений. Контроль параметров режима при переключениях производился на основе расчета установившегося режима модулем КУРС. В тренажере КОРВИН-3 к этому был добавлен расчет потокораспределения модулем ЭРА (по выбору пользователя).

В интегрированной коммутационно-режимной модели тренажера КОРВИН-3 (как и в тренажере КОРВИН) соответствие модели режима положениям коммутационных аппаратов поддерживается полностью автоматически. При переключениях, влияющих на режим, автоматически выполняется расчет потокораспределения. Автоматически выполняется проверка рассчитанных значений мощности, тока и напряжения по всем элементам схемы на нарушение предельно допустимых значений.

В тренажере КОРВИН-3 реализована автоматическая оценка квалификации тренируемых, основанная на аналогии двух систем знаний, определяющих: а) поведение оператора; б) действие автоматических управляющих устройств. По архиву протоколов тренировок производится статистический анализ уровня квалификации тренируемых, в целом и дифференцированно по видам заданий и типам целевых элементов (для линий, шин, трансформаторов, выключателей). Оценки выводятся по трем уровням профессиональной квалификации специалиста по переключениям: знанию правил, владению операциями и умению выполнять задания в целом.

Главным назначением энергосистемных тренажеров является проведение полномасштабных противоаварийных тренировок. Автором разработана методика противоаварийных тренировок на базе тренажера КОРВИН-3. Реализовано моделирование технологических нарушений с разной степенью полноты - воспроизведение причин, следствий и факторов утяжеления нарушений. Разработана система правил противоаварийного управления и

1 С 1997 г. по 2008 г. он оставался единственным таким тренажером. С 2008 г. этим качеством обладает также тренажер «50 ГЕРЦ», разработанный в А.В.Бобровым с использованием опыта разработки тренажера КОРВИН-3 и методов, развитых в настоящей диссертации.

предложения по повышению эффективности противоаварийного обучения. Реализовано моделирование очередности основных стадий послеаварийных переключений:

- идентификация аварийной ситуации;

- изоляция технологических нарушений;

- восстановление функций управляемой системы простейшим из возможных методов;

- перевод рабочего режима на наиболее надежную схему.

Рассмотрены противоаварийные переключения на примере модели

сложной аварии, возникающей при наложении нескольких технологических нарушений. Прототипом моделируемой ситуации послужила авария на ПС Чагино Мосэнерго, происшедшая 24-25 мая 2005 г. Тренажер КОРВИН-3 позволяет воспроизвести все существенные факторы коммутационной стадии такой аварии (в пределах ПС и ее ближайшего окружения), моделировать качественную картину электрического режима, исследовать возможности персонала в плане противодействия развитию аварийного процесса, разработать и провести на модели ПС и прилегающей электросети комплекс тренировок по противоаварийным переключениям для отработки различных вариантов противоаварийных действий оперативного персонала.

На рис. 4 показан момент противоаварийной тренировки на модели ПС, аналогичной схеме ПС Чагино до ее реконструкции. Смоделированы технологические нарушения, подобные произошедшим на ПС Чагино 24-25 мая 2005 г., и вызванные ими отключения выключателей устройствами релейной защиты и противоаварийной автоматики. Для возникшей схемы коммутаций на рис. 4 отображены значения перетоков активной мощности, полученные модулем расчета установившегося режима ЭРА. Модель показывает, как своевременное отключение персоналом разъединителя трансформатора АТ-1 со стороны его высшего напряжения могло предотвратить разрыв транзита по Московскому кольцу 500 кВ через данную ПС.

Противодействие сложной аварии рассматриваемого типа требует решения одновременно нескольких коммутационных задач противоаварийного управления. Планируя противоаварийные операции, оперативный руководитель переключений должен определять:

- состав основных задач переключений по восстановлению функций энергообъекта;

- соотношение приоритетов основных задач;

- существование решения каждой из задач;

- возможность непротиворечивого решения совокупности задач (т.е. возможность решения каждой из основных задач без утяжеления других задач);

- оптимальный по времени план противоаварийных переключений с учетом приоритетности основных задач.

m

л

i

г!

5@

i

ïm

я

m

Si

-ГГ

»-KZM—•— ta

i—*-HZH-

pg *

m

■H^-l

и

H H

<D <D

9- 3

S sr

В коммутационно-режимном тренажере ЭНКОРТ реализованы разработанные автором методы интеграции АСКУП с АСДУ. Тренажер ЭНКОРТ предназначен для оперативно-диспетчерского персонала энергосистем и электросетей. Он встроен в комплекс АСДУ электросетей «ACT» (Автоматизированная система телеуправления), созданный Институтом электроники HAH Белоруссии. База данных АСДУ «ACT» содержит описание топологии первичных цепей электросети. Человеко-машинный интерфейс тренажера реализован как интерфейс АСДУ, дополненный функциями тренажера. Логические модули контроля правил переключений в тренажере ЭНКОРТ обладают собственной базой данных, которая формируется автоматически конвертированием базы данных «ACT». Задание для тренировки исходного состояния схемы электросети может производиться как в оффлайне, так и передачей (по команде пользователя) текущих положений переключаемых устройств из оперативной базы данных «ACT».

При создании тренажера ЭНКОРТ автором диссертации разработан механизм интеграции логических модулей контроля переключений с АСДУ электросетей, в том числе:

1) универсальный интерфейсный формат представления коммутационных схем электросетей, позволяющий подключать к БД АСДУ логические модули сторонних разработчиков;

2) механизм координации работы логических модулей контроля переключений с функциями АСДУ.

Разработка Электронного Советчика диспетчера по оперативным переключениям в электросетях ЭСПЕР преследовала три основные цели:

1) создание компьютерного программного комплекса для автоматизированного составления программ и бланков переключений, с автоматическим контролем правильности операций в них по правилам логической блокировки;

2) использование автоматизированного составления бланков переключений для реализации контроля переключений в тренировках двумя способами - по бланкам переключений и по правилам логической блокировки (одновременно и по отдельности);

3) разработку методики интеграции ЭСПЕР с человеко-машинным интерфейсом АСДУ, прежде всего - с ОИК СК-2003.

Практическими решениями первой и второй из этих задач явились соответственно Редактор планов переключений и Тренажер планирования переключений, входящие в состав ЭСПЕР. Решение третьей задачи представлено программно-информационной подсистемой стыковки ЭСПЕР с ОИК СК-2003, а также разработанными автором принципами интеграции ЭСПЕР с графическими подсистемами таких АСДУ, базы данных которых не содержат модели топологии первичных цепей.

Механизм автоматизации составления планов переключений, реализованный в Редакторе планов переключений, основан на разработанных автором диссертации и изложенных в ней методах автоматизации планирования переключений в электрических сетях. Реализовано автоматическое тестирование бланков переключений на основе методов контроля и блокировки переключений,

описанных в главах 3-5. Механизм интеграции ЭСПЕР с ОИК СК-2003 и общая схема интеграции ЭСПЕР с графическими подсистемами АСДУ основан на разработанных автором диссертации общих методах интеграции моделей электрических сетей, описанных в главе 6.

Научно-технические решения, разработанные автором для тренажеров КОРВИН-3 и ЭНКОРТ и для советчика ЭСПЕР, были применены и развиты далее в Тренажере-советчике по оперативным переключениям в составе комплекса технологических задач КАСКАД. Этот Тренажер-советчик предназначен, как тренажер, для проведения тренировок персонала всех уровней оперативно-диспетчерского управления электрическими сетями. Цель тренировок состоит в усвоении оперативно-диспетчерским персоналом знаний и отработка умений по выполнению оперативных переключений в электросетях. Второе назначение Тренажера-советчика - оперативное планирование переключений в электрических сетях и блокирующий контроль при их выполнении.

Тренировки и планирование переключений осуществляются на имитационной модели электрической сети. При переключениях производится расчет электрической режима на динамической модели режима в ПК КАСКАД. Параметры режима контролируются относительно установленных пределов.

Собственная топологическая модель электросети в Тренажере-советчике получается из основной модели электросети, с которой работает ПК КАСКАД, путем автоматического конвертирования. В ходе тренировок при переключениях коммутационных аппаратов (в основном - выключателей) производится автоматическая модификация динамической модели расчета режима в ПК КАСКАД. Результаты расчета - перетоки мощности, напряжение на шинах и др. - отображаются на схемах сетей и ПС в ПК КАСКАД.

Положения переключаемых устройств к началу тренировки или исследования переключений автоматически загружаются из базы данных ПК КАСКАД. Управление всеми операциями в тренажере-советчике производится через экранный интерфейс ПК КАСКАД.

Автоматический контроль с возможностью блокировки ошибочных команд производятся на базе системы правил логической блокировки переключений (рис. 5). Инструктор может вводить также специальные (индивидуальные) правила блокировки, относящиеся к отдельным устройствам.

Особая группа правил служит для контроля оперативного состояния оборудования. Она используется при автоматической проверке выполнения заданий на переключения. Эти правила формализованно выражают определения таких оперативных состояний устройств, как «в работе», «в ремонте», «в горячем резерве» и т.п.

Тренировки по оперативным переключениям могут выполняться с автоматическим контролем по правилам блокировки переключений и по бланкам переключений. Можно задавать любую комбинацию этих методов контроля: только по правилам, только по бланкам, либо по правилам и бланкам одновременно. По бланку переключений контролируется состав операций. Их допустимая очередность контролируется по правилам логической блокировки.

Х|В

Правило [5,16]. Ошибка: Не проверена изоляция разъединителя ШР-2СШ 500кВ ВЛ А-Р С.

Правило [5,8]. Ошибка: Коммутация разъединителя под напряжением при поданном оперативном токе на шунтирующий выключатель ВГ-2СШ 500кВ ВЛ А-Р С.

Результат: Команда не разрешена,

Рис. 5. Сообщение об ошибках команды на переключение разъединителя, сформированное тренажером-советчиком в составе ПК КАСКАД.

Бланки переключений для контроля тренировок составляются при помощи средств автоматизации оперативного планирования переключений, входящих в состав Тренажера-советчика. Имеются два метода автоматического получения предварительны вариантов (заготовок) бланков и программ переключений: а) автоматическая очистка протокола успешной тренировки от ошибочных и лишних команд; б) развертывание по правилам планирования переключений, с автоматической конкретизацией применительно к топологии присоединений. Полученная заготовка бланка (программы) переключений допускает диалоговое редактирование.

В Приложении приведены документы, свидетельствующие о практическом использовании результатов диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработана совокупность теоретических методов и прикладных алгоритмов, обеспечивающая расширение функциональности автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях энергосистем. Результаты диссертационной работы служат

повышению надежности управления оперативными переключениями, что имеет важное хозяйственное значение для электроэнергетики.

Результаты диссертационной работы следующие.

1. Разработаны основы теории переключений в электрических сетях. Сформулированы основные принципы этой теории. Разработана отсутствовавшая ранее общая концепция Автоматизированной системы контроля и управления переключениями в электрических сетях - АСКУП. Намечены некоторые направления дальнейшего развития теории оперативно-диспетчерского управления электрическими сетями.

2. Разработана методика математической формализации и алгоритмизации правил оперативных переключений, требований диспетчерских инструкций. Описана структура формализованных баз знаний по технологии оперативных переключений.

3. Для математической формализации и алгоритмизации технологии оперативных переключений в электрических сетях впервые применены такие методы дискретной математики, как алгебра графов, комбинаторный анализ, теория решеток, теория логического вывода. Разработанный математический аппарат прикладных задач обеспечивает возможность автоматизации любых требований технологии переключений, содержащихся в диспетчерских инструкциях и других нормативных документах по оперативному управлению электросетями.

4. Разработаны методы, алгоритмы и программы оперативного планирования переключений, применимые к любым схемам электрических сетей. Впервые разработаны и реализованы две методики автоматического формирования предварительных бланков переключений и программ переключений:

а) нисходящим развертыванием по типовым правилам планирования переключений;

б) автоматической очисткой протоколов тренировок от ошибочных и лишних команд.

Создан механизм «автоматизированных инструкций по переключениям». Он автоматически преобразует в бланки переключений типовые инструкции по выводу электроустановок в ремонт, в резерв и вводу в работу для разных типов устройств и присоединений.

Реализовано тестирование бланков переключений посредством правил логической блокировки.

Автоматизация составления бланков переключений существенно сокращает время принятия решений по переключениям в электросетях, снижает вероятность ошибок.

5. Разработаны методы, алгоритмы и программы контроля и блокировки оперативных переключений, применимые к любым схемам электрических сетей. Впервые дано представление типовых алгоритмов логической блокировки посредством математических формул. Оно основано на применении алгебры графов и теории логического вывода.

Автоматизация сложных логических блокировок переключений существенно снижает вероятность ошибок при переключениях в электросетях.

6. Разработанные алгоритмы планирования и блокировки переключений инвариантны относительно топологии схем подстанций и электросетей. Представление типовых алгоритмов планирования и блокировки на языке алгебры графов принципиально упрощает и сокращает их запись. Оно существенно облегчает их программную реализацию, поскольку является эффективным средством передачи заданий на разработку от проектировщика программистам.

Определены принципы построения Универсального топологического процессора - совместимого, в частности, с С1М-форматом.

7. Разработаны методы и программные средства для диалоговой корректировки (редактирования) технологом бланков переключений и правил логических блокировок с целью учета индивидуальных особенностей электроустановок. Это выполнено путем:

- анализа и формализации содержания инструкций по переключениям в электрических сетях;

- описания семантической (смысловой) структуры требований инструкций по переключениям в виде системы формализованных правил переключений;

- разработки программ-редакторов и интерпретаторов специальных (индивидуальных) правил переключений, а также исключений из типовых правил;

- создания баз знаний для различных классов правил технологии переключений.

Эти средства обеспечивают «тонкую настройку» типовых правил планирования и блокировки переключений на местные условия и временные факторы.

В диссертации разработаны также теоретические основы конструктора (программы-редактора) типовых правил переключений (в том числе требующих анализа топологии электросети) для технолога-непрограммиста.

8. Разработаны методы формализации правил противоаварийного управления переключениями. Показано, что планирование и блокировки оперативных переключений для утяжеленных и послеаварийных режимов реализуются в основном теми же логическими механизмами, которые разработаны в диссертации для планово-ремонтных переключений. Главные отличия от управления планово-ремонтными переключениями:

а) необходимость анализа нештатных ситуаций (в задачи диссертации не входит);

б) поэтапность восстановления работоспособности оборудования, функциональности электросети и режимной надежности.

9. Формализована структура правил противоаварийного управления. Эти правила выражают либо логику срабатывания устройств противоаварийной автоматики, либо - при отсутствии соответствующих устройств - требования инструкций к действиям оперативно-диспетчерского персонала.

Унификация структуры и языка правил противоаварийного управления упрощает их применение, в том числе автоматическую реализацию. Открывается перспектива интеграции АСКУП с цифровыми системами защиты и автоматики.

Разработаны методики противоаварийных тренировок оперативно-диспетчерского персонала на базе тренажера КОРВИН-3.

10. Разработаны методы интеграции АСКУП с режимными моделями. Интеграция с режимными моделями разработана и реализована в двух вариантах:

- построение коммутационной модели путем расширения и детализации топологической части режимной модели (например, динамической модели ПК КАСКАД);

построение топологической части режимной модели путем автоматического преобразования топологии коммутационной модели в состав Унифицированного формата данных режимной модели (в тренажере КОРВИН-3 - для стыковки с модулями расчета потокораспределения КУРС и ЭРА).

Для этого применены операции преобразования графов - стягивание и подстановка (развертывание посредством графопорождающей грамматики).

11. Разработаны методы интеграции системы планирования и блокировки оперативных переключений с базами данных и человеко-машинным интерфейсом комплексов SCADA/EMS/DMS. Интеграция разработана и реализована для двух вариантов:

- В БД SCADA/EMS/DMS описана топология электросети. Эта топология конвертируется в топологию собственной коммутационной модели АСКУП. Реализовано при стыковке с ОИК «ACT» (разработка Института электроники HAH Беларуси).

- В БД SCADA/EMS/DMS нет топологии электросети. Сначала формируется топология в собственной модели АСКУП. Затем она используется как общая топологическая модель интегрированного комплекса. Реализовано при стыковке программ АСКУП с CK 2003.

12. Разработаны и программно реализованы методы автоматической оценки квалификации персонала по оперативным переключениям. На основе статистики протоколов тренировок вычисляются оценки по трем уровням квалификации персонала:

- знание правил технологии переключений;

- владение операциями переключений - умение правильно планировать операции на основе знания правил технологии;

- умения выполнять задания по оперативному управлению электросетями на основе владения операциями переключений.

Владение персоналом технологией противоаварийного управления (в утяжеленных и послеаварийных режимах) оценивается автоматически по статистике нарушений правил противоаварийного управления.

Оценка автоматизма навыков выполнения операций производится по хронометражу тренировок.

На этой основе может быть реализован автоматический мониторинг квалификации оперативно-диспетчерского персонала в процессе исполнения им своих функций.

Наличие структурированной и формализованной базы знаний по технологии переключений и автоматической их оценки у обучаемых позволяет

перейти к организации индивидуализированного учебно-тренировочного процесса, осуществляемого без преподавателя.

13. Разработанные методы, алгоритмы и программы обеспечивают максимальную степень автоматизации технологии планирования и блокировки оперативных переключений. В том числе - путем реализации принципа «живая технология». Этой цели служит также автоматизация сопряжения АСКУП с режимными моделями и с комплексами SCADA/EMS/DMS.

Эти результаты позволяют минимизировать вероятность ошибок персонала и трудозатраты при эксплуатации программ планирования и блокировки переключений, в том числе тренажеров. Они позволяют также максимально автоматизировать подготовку, проведение и анализ тренировок по оперативным переключениям.

14. Методы и алгоритмы, разработанные в диссертации, реализованы в составе программных комплексов:

- Тренажер-советчик по переключениям в составе ПК КАСКАД (разработка ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»);

- Коммутационно-режимный тренажер КОРВИН-3 (разработка ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»);

- Электронный советчик диспетчера по переключениям ЭСПЕР в стыковке с ОИК СК-2003;

- Тренажер по оперативным переключениям «50 ГЕРЦ» (разработка БНТУ и «Витебскэнерго»);

- Тренажер по оперативным переключениям ЭНКОРТ (в составе ОИК «АСТ», Институт электроники НАН Беларуси);

- ОКР «Энергосберегающая цифровая система контроля и управления электрическими подстанциями» - ЭЦС КУ ПС (разработка ОАО ЗИТЦ -«Зеленоградский инновационно-технологический центр»),

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих опубликованных статьях:

1. Головинский И.А. Естественный неалгоритмический язык запросов для реляционных моделей энергосистем. // Вестник ВНИИЭ-97, М.: ВНИИЭ, 1997. С. 145-148.

2. Головинский И.А. КОРВИН - тренажер оперативных переключений с расчетом потокораспределения. // Вестник ВНИИЭ-98, М., ЭНАС, 1998, с. 127-132.

3. Головинский И.А. Понимание компьютером электрических схем. // Вестник ВНИИЭ-2000,. М.: ЭНАС, 2000, с. 162-168.

4. Головинский И.А. Диагностика квалификации персонала на тренажере оперативных переключений. // Вестник ВНИИЭ-2000, М.: ЭНАС, 2000, с. 169-175.

5. Головинский И.А. Объектно-ориентированный подход к разработке программ анализа коммутационных схем электрических сетей. // Известия РАН. Энергетика, 2001, № 2. С. 46-56.

6. Головинский И.А., Куклев В.И. Универсальные тренажеры оперативных переключений. // Электрические станции, 2001, № 11, с. 2-8.

7. Головинский И.А., Чепкасов А.П. Экспертные системы - тренажеры оперативных переключений. // Управление режимами Единой энергосистемы России: Сборник докладов Открытой Всероссийской научно-технической конференции. - М.: Изд-во ЭНАС, 2002, с. 261-265.

8. Головинский И.А., Горбунова J1.M., Жилевич А.Б., Любарский Ю.Я. Интеграция информационной системы передачи и хранения ремонтных заявок с экспертной системой их режимной проработки. // Электрические станции, 2002, № 9, с. 44-47.

9. Головинский И.А. Новые возможности интеллектуальных тренажеров оперативных переключений. // Вестник электроэнергетики, 2002, № 1, с. 36-41.

10. Головинский И.А. Интеграция коммутационной и режимной моделей электрической сети в тренажере оперативных переключений. // Известия РАН. Энергетика, 2003, № 4, с. 143-155.

11. Головинский И.А. Принципы построения тренажера оптимальных переключений. // Известия РАН. Энергетика, 2003, № 6, с. 47 - 58.

12. Головинский И.А., Тенихин A.B. Тренировки по восстановлению режима после аварии на тренажере оперативных переключений в ПЭС и РЭС. // Вестник ВНИИЭ-2003, М.: ЭНАС, 2003, с. 119-129.

13. Головинский И.А. Коммутационная модель электросети как система автоматов. // Вестник ВНИИЭ-2003, М.: ЭНАС, 2003, с. 136-148.

14. Головинский И.А. Формализация естественного языка правил переключений в электрических сетях. // Известия РАН. Энергетика, 2004, № 6, с. 126138.

15. Головинский И.А. Принципы построения универсальной автоматизированной системы контроля и управления переключениями в электрических сетях. // Вестник ВНИИЭ-2004, М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004, с. 204213.

16. Головинский И.А., Любарский Ю.Я., Моржин Ю.И. Противоаварийные тренировки на тренажере оперативных переключений с контролем стационарных режимов. // Электрические станции, 2004, № 9, с. 47-56.

17. Головинский И.А. Методы анализа топологии коммутационных схем электрических сетей. // Электричество, 2005, № 3, с. 10-18.

18. Головинский И.А. Вычисление семантических параметров моделей электросетей: принцип семантической границы. // Известия РАН. Энергетика, 2005, № 2, с. 27-42.

19. Головинский И.А., Любарский Ю.Я., Моржин Ю.И. Возможности тренажеров оперативных переключений для персонала предприятий электроэнергетики. // 36ipKa наукових праць. Спещальний випуск. 1нститут проблем моделювання в енергетищ им. Г.G.Пухова HAH Укра'ши. Т. 1. Ки1в, 2005, с. 103-110.

20. Головинский И.А. Противоаварийное обучение на коммутационно-режимном тренажере. // Седьмой специализированный научно-технический семинар-выставка «Современные средства телемеханики, организация рабочих мест и щитов управления». Сборник докладов. М.: ДиалогЭлектро, 2006, с. 162-164.

21. Головинский И.А., Любарский Ю.Я., Моржин Ю.И. Моделирование противоаварийного управления в ситуационно-режимных тренажерах. // Электронное моделирование. Киев, 2006, № 4, с. 89-106.

22. Головинский И.А. Общие решения задач переключений. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2006, № 6, с. 65-76. Англ. перевод: Golovinskii I.A. General solutions to switching problems. // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2006, vol. 45, No 6, p. 906-916.

23. Головинский И.А. Непротиворечивость операций в многоуровневых дискретных моделях электрических сетей. // Электронное моделирование. Киев, ч. 1, 2006, № 6, с. 31-48; ч. 2, 2007, № 1, с. 19-36.

24. Головинский И.А. Электронный советчик диспетчера по переключениям в электросетях — ЭСПЕР. // Девятый специализированный научно-технический семинар-выставка «Современные средства сбора, передачи, обработки и отображения информации на объектах электроэнергетики». Сборник докладов. М.: ДиалогЭлектро, 2008, с. 87-91.

25. Головинский И.А. Координация параллельных частично упорядоченных процессов. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2008, № 6, с. 46-73. Англ. перевод: Golovinskii I.A. Coordination of parallel partially ordered processes. // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2008, vol. 47, No 6, p. 881-906.

26. Головинский И.А. Блокировки автоматов групп. I. Односторонние блокировки. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2009, № 1, с. 49-73. Англ. перевод: Golovinskii I.A. Blocking of group automata. I. One-sided interlocking. // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2009, vol. 48, No 1, p. 45-69.

27. Головинский И.А. Блокировки автоматов групп. II. Взаимные блокировки. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2009, № 2, с. 72-83. Англ. перевод: Golovinskii I.A. Blocking of group automata. II. Mutual interlocking. // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2009, vol. 48, No 2, p. 231-242.

28. Головинский И.А. Тренажер-советчик по оперативным переключениям в электрических сетях в составе ПК «Каскад». // Электрические сети. Приложение к журналу «Энергия единой сети». № 1. ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», 2013, с. 64-71 (тираж номера журнала отпечатан, журнал проходит регистрацию).

29. Головинский И.А., Тумаков A.B. Топологический контроль наличия нагрузки на элементах электрических схем. // Естественные и технические науки, 2013, № 2(64), с. 252-263.

30. Головинский И.А., Тумаков A.B. Анализ неразделимости электрических сетей. // Естественные и технические науки, 2013, № 2(64), с. 300-310.

31. Головинский И.А., Тумаков A.B. Анализ двусвязности графов методом присоединения фундаментальных циклов. // Информационные технологии моделирования и управления, 2013, № 2(80), с. 92-105.

32. Головинский И.А., Лондер М.И. Интеллектуальные агенты оперативно-диспетчерского управления электрическими сетями. I. Элементы архитектуры. // Известия РАН. Энергетика (в печати).

33. Головинский И.А. Интеллектуальные агенты оперативно-диспетчерского управления электрическими сетями. II. Логика реакций агентов. // Известия РАН. Энергетика (в печати).

34. Буковников Ю.В., Головинский И.А., Любарский Ю.Я. Интеграция экспертных систем в диспетчерском управлении энергообъединения. // Электричество, 2005, № 2, с. 2-9.

35. Бобров A.B., Головинский И.А., Шиманская Т.А. Коммутационно-режимный тренажер КОРВИН-3 и направления его совершенствования. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Выпуск 55. Иркутск-Минск, 2005, с. 211-220.

36. Тренажер оперативного персонала сетевых компаний на базе новых информационных технологий. / Рабинович М.А., Головинский И.А., Каковский С.К., Потапенко С.П. // Энергия единой сети, 2012, № 4, с. 70-75.

37. Тумаков A.B., Головинский И.А. Анализ двусвязности графов: обоснование и варианты метода фундаментальных циклов. // Информационные технологии моделирования и управления, 2013, № 2(80), с. 123-137.

38. Тренажер-советчик оперативного персонала на базе новых информационных технологий. / Каковский С.К., Рабинович М.А., Головинский И.А., Потапенко С.П. // Энергетик, 2013, № 8, с. 2-6.

По практической реализации результатов диссертационной работы получены свидетельства на программы для ЭВМ:

39. Программный комплекс «Советчик по оперативным переключениям» (ПК ЭСПЕР). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2007612432. Зарегистрировано 8.06.2007. / Правообладатель: ОАО «ФСК ЕЭС». Автор: Головинский И.А.

40. Программное обеспечение диспетчерского комплекса управления электрическими сетями (ДИСКУЭС). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612758. Зарегистрировано 23.04.2010. / Правообладатель: ОАО «НТЦ электроэнергетики». Авторы: Моржин Ю.И., Рабинович М.А., Потапенко С.П., Девяткин М.В., Анашкин С.В., Каковский С.К., Головинский И.А., Любарский Ю.Я., Макоклюев Б.И., Антонов A.B.

41. Инструментальная система создания интеллектуальных агентов с графореляционной моделью среды (МЕТАЛОГ). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613967. Зарегистрировано 23.05.2011. / Правообладатель: ОАО «НТЦ электроэнергетики». Автор: Головинский И.А.

42. Универсальный топологический процессор для систем интеллектуального управления электрическими сетями (УНИТОП). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613357. Зарегистрировано 29.04.2011. / Правообладатель: ООО «Децима» (RU). Авторы: Тумаков A.B., Головинский И.А., Лондер М.И., Дьяченко М.Ю.

/ ь

Подписано в печать . 09.13. Формат 60x84/16.

Усл. печ. л._. Тираж 100 экз. Заказ № 2 64

Типография ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». 115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3.

Открытое акционерное общество «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы»

УДК 621.311 На правах рукописи

05201351312

Головинский Илья Абрамович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Специальность 05.14.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. Актуальность проблемы.....................................................................................5

2. Цель диссертационной работы..........................................................................8

3. Задачи исследований и разработок...................................................................8

4. Методы исследования........................................................................................8

5. Научная новизна..................................................................................................9

6. Практическая значимость................................................................................10

7. Личный вклад автора диссертации.................................................................13

8. Апробация работы............................................................................................13

9. Публикации........................................................................................................15

10. Положения, выдвигаемые на защиту..............................................................16

11. Структура диссертации....................................................................................17

1. ОБЗОР ДОСТИЖЕНИЙ И ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ...........18

1.1. Общие положения.............................................................................................18

1.2. Опыт отечественных и зарубежных разработок в области автоматизации планирования и контроля переключений............................19

1.3.Научно-технические методы, применявшиеся в разработках по автоматизации планирования и контроля переключений............................27

1.4. Выводы...............................................................................................................35

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ КОММУТАЦИОННЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.................................................................................37

2.1. Задачи оперативно-диспетчерского управления, связанные с автоматизацией планирования и блокировки переключений......................37

2.2.Графореляционная модель коммутационной схемы электросети..............44

2.3.Применение алгебры графов к анализу коммутационных схем электросетей......................................................................................................53

2.4. Метод семантической границы и его применение к анализу коммутационных схем электросетей..............................................................71

2.5. Выводы...............................................................................................................82

3. БАЗЫ ЗНАНИЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.................................................................................85

3.1.Классы формализованных правил технологии переключений в электрических сетях.........................................................................................85

3.2. Структура правил логической блокировки переключений..........................93

3.3.Вербализация правил переключений..............................................................97

3.4.Ввод и редактирование правил......................................................................102

3.5.Привязка языка формализованных технологических правил к графореляционной модели электросети.......................................................106

3.6.Метод резолюций как универсальный механизм логического

вывода решений при планировании и контроле переключений...............108

3.7. Выводы.............................................................................................................117

4. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ..............................................................................................120

4.1. Два подхода к формализации технологии оперативных переключений: система предписаний и система запретов.........................121

4.2. Математическая модель динамики состояний коммутационной

схемы при оперативных переключениях.....................................................126

4.3.Уровни оперативных состояний электроустановок....................................146

4.4. Составление программ и бланков переключений путем

нисходящего развертывания. «Живая технология»....................................153

4.5.Математические методы конкретизации типовых сценариев переключений по топологии присоединений..............................................161

4.6. Формулы планов переключений...................................................................165

4.7. Координация параллельных процессов переключений..............................170

4.8.Концепция системы управления планами переключений.........................174

4.9. Выводы.............................................................................................................177

5. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И БЛОКИРОВКИ ОПЕРАТИВНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ..............................................................180

5.1. Правила контроля оперативного состояния оборудования электросети......................................................................................................181

5.2. Правила логической блокировки переключений в электрической

сети...................................................................................................................184

5.3.Характеристики коммутационного состояния оборудования электросети......................................................................................................189

5.4. Задачи и методы автоматизации контроля и восстановления уровня

связности электрической сети при оперативных переключениях............192

5.5.Проблема неполноты информации при контроле переключений. Принцип худшего случая...............................................................................218

5.6. Выводы.............................................................................................................222

6. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИНТЕГРАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯМИ С ДРУГИМИ ПРОГРАММНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ...............................................................................................226

6.1. Задачи интеграции разнородных моделей электрической сети................227

6.2. Построение многоуровневых графореляционных моделей электрической сети.........................................................................................235

6.3.Интеграция коммутационной модели с режимными моделями................247

6.4. Интеграция системы управления переключениями с АСДУ.....................251

6.5. Выводы.............................................................................................................256

7. ТРЕНАЖЕРЫ И СОВЕТЧИКИ ПО ОПЕРАТИВНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯМ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.....................................260

7.1. Общая характеристика тренажеров и советчиков по оперативным переключениям в электросетях.....................................................................260

7.2. Коммутационно-режимный тренажер КОРВИН-3.....................................267

7.3.Моделирование противоаварийного управления и противоаварийное обучение на коммутационно-режимном

тренажере КОРВИН-3....................................................................................275

7.4.Коммутационно-режимный тренажер ЭНКОРТ.........................................290

7.5.Электронный Советчик по переключениям ЭСПЕР...................................293

7.6. Тренажер-советчик по оперативным переключениям в составе ПК КАСКАД..........................................................................................................309

7.7. Выводы.............................................................................................................323

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................325

ПЕРСПЕКТИВЫ......................................................................................................329

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................332

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................355

Документы об использовании результатов диссертационной работы............355

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность проблемы.

Комплекс работ по переключениям в электрических сетях является одной из важнейших составных частей общей системы управления работой энергообъединений и энергосистем. Оперативное управление электрическими сетями - это прежде всего оперативное управление переключениями. Объем и сложность задач оперативного управления электросетями, требования к надежности операций и режимов вызывают необходимость автоматизации планирования и контроля оперативных переключений.

Необходимость в осуществлении переключений в электрических сетях возникла с создания самых первых в мире электроустановок и связанных с ними электрических сетей. Исторически проблема переключений в электрических сетях развивалась одновременно с развитием электроэнергетики. Соответственно усложнялись задачи, требовавшие решения, и совершенствовались методы и правила осуществления переключений.

Многие десятилетия начального периода развития технологии переключений связанные с ней задачи получали решение только применительно к конкретным условиям переключений электроустановок, электрических сетей и энергосистем. Несколько позже решения ряда задач обеспечивалось использованием различного рода релейной техники: столов для расчета поля, короткого замыкания, физических моделей сетей и т.п.

Качественно новым этапом развития и совершенствования технологии переключений в электрических сетях стало применение для решения ее задач компьютерной техники. Вначале эта техника использовалась для решения отдельных задач. Несколько позже в связи с усложнением задач переключений и развитием техники автоматизированного управления технологическими процессами была признана необходимость создания автоматизированных систем контроля и управления переключениями (АСКУП) в электрических сетях энергосистем. Были проведены и продолжаются до сих пор теоретические исследования и практические разработки в этой области, созданы отдельные автоматизированные системы управления и контроля переключений для конкретных объектов и отдельных видов работ по переключениям, в частности по блокировкам. Существенное значение имели и имеют разработки автоматизированных тренажеров и советчиков по переключениям в электрических сетях.

В отечественной электроэнергетике значительный вклад в создание средств управления оперативными переключениями в электрических сетях

внесли теоретические и прикладные разработки, выполненные под руководством и при участии С.В. Амелина [8; 9; 10; 11; 12; 13], В.П. Будовского [39; 40; 41; 42; 216], Ю.Н. Кучерова [46; 151; 152; 153; 154; 155; 156], Ю.Я. Любарского [3; 43; 120; 132; 148; 149; 150; 174; 175; 176; 177; 178; 179; 180; 181], Ю.И. Моржина [75; 78; 82; 120; 121; 177; 311], В.Г. Орнова [148; 194; 210; 211; 212; 213], М.А. Рабиновича [84; 121; 211; 212; 229; 230; 231; 232; 233; 234; 235; 236; 311], В.Д. Самойлова [2; 246; 247; 248; 249; 250; 251; 252],

A.Г. Фишова [93; 123; 124; 218; 275; 285], A.B. Шунтова [18; 19; 20; 21; 22; 197; 287]. Существенные результаты получены также в работах A.B. Боброва [33; 34; 208; 278], В.Т. Воронина [46; 47], A.M. Гельфанда [51; 52; 53; 192], Д.В. Горевого [93], М.И. Гумина [105; 106], В.Г. Дубового [116; 117; 118], И.В. Емельянова [123; 124], И.А. Котова [263; 264; 265; 266], С.Н. Макаровского [183; 184], С.В. Машинского [183; 184], М.Ш. Мисриханова [22; 52; 53; 192],

B.М. Пасторова [41; 42; 216], A.B. Петрищева [124; 218], И.С. Пономаренко [142; 220], A.C. Рожкова [241], О.В. Сипачевой (Дичиной) [142; 220; 257], В.Н. Сулейманова [263; 264; 265; 266], В.Т. Федина [208; 278], Л.И. Фридмана [51; 52; 53; 192], Т.А. Шиманской [33; 208], Л.С. Штейнбока [198; 200; 296; 297; 298] и др.

Разработчики АСКУП в электрических сетях энергосистем испытывали потребность в отсутствовавших тогда теоретических и методологических основах создания и функционирования таких систем. При разработке новых АСКУП возникали серьезные затруднения из-за нерешенности следующих проблем.

- Отсутствие общепринятых методов моделирования коммутационных схем электрических сетей заставляло разработчиков заново искать и создавать новые методы, что тормозило прикладные разработки.

- Несовершенство теоретических концепций и отсутствие эффективных математических методов в области АСКУП тормозили расширение функциональности программ контроля и управления переключениями, затрудняли перенос программ на другие энергообъекты.

- Отсутствие отработанных структур моделирования переключений в электросетях препятствовало созданию сложных многофункциональных АСКУП, их интеграции с другими программными комплексами, с базами данных и человеко-машинным интерфейсом АСДУ.

Разнобой применяемых подходов, отсутствие общепринятого теоретического языка моделирования переключений затрудняли обмен научно-технической информацией о достижениях в этой области.

Неполнота теоретических концепций препятствовала созданию достаточно полных и объективных методик оценки качества разработок комплексов АСКУП.

В разработках компьютерных систем для моделирования и управления такими сложными объектами, какими являются электрические сети, с течением

времени обострялась проблема управления сложностью создаваемых компьютерных моделей. Она состоит в том, что чем больше и сложнее становится автоматизированный управляющий комплекс, тем труднее обеспечить его собственную управляемость, т.е. его надежность (минимизацию возможности ошибок), диагностику и устранение неполадок в нем, его модифицируемость и расширяемость. В этой проблеме имеются две составляющие: более общая - управляемость программистских моделей и специализированная - управляемость прикладных моделей. Управляемость на уровне программистской модели в основном не зависит от прикладного назначения программного комплекса. Ее обеспечению посвящена обширная литература по программированию. Однако проблема управления сложностью компьютерных моделей не поддается решению только программистскими методами. Эти методы в каждой области приложений дополняются специализированными методами управления сложностью прикладных моделей. Это осуществляется применением проблемно ориентированных теоретических и математических методов. Математические методы обеспечивают «свертывание» информации, качественно упрощают сложные структуры и алгоритмы. Моделирование переключений в электрических сетях требует построения сложных математических моделей, управляемость которых не может быть обеспечена только методами программирования.

Разработки в области автоматизации управления оперативными переключениями в электросетях выдвинули задачу создания общей теории переключений в электросетях, определения ее математических методов. Попытки создания такого фундамента, несмотря на отдельные достижения, в целом не привели к решению этой проблемы. Высказывалось мнение о невозможности универсальных теоретических методов и решений по автоматизации контроля и управления переключениями [118].

В последние годы необходимость общей теории переключений в электросетях и совершенствования прикладных алгоритмов еще более возросла в связи с принятием «Концепции интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью» (ИЭС ААС) и задачей создания «умных сетей» (smart grid) [29; 30; 144].

Указанные обстоятельства позволяют заключить, что тема данной диссертации, посвященной разработке основных концепций, теоретической и методологической базы создания автоматизированных систем управления и контроля переключений в электрических сетях энергосистем, актуальна и имеет важное научное и практическое значение для электроэнергетики. В процессе разработки методологических основ АСКУП автор произвел анализ известных математических методов и выбрал среди них пригодные для применения к задачам, подлежащим решению. Автором разработаны также новые математические методы. Обоснование последних в содержание диссертационной работы не входит.

2. Цель диссертационной работы.

Целью работы является:

Разработка теоретических методов и практических алгоритмов автоматизации планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем.

3. Задачи исследований и разработок.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

- Определение видов работ по планированию и контролю оперативных переключений в электрических сетях энергосистем, которые целесообразно автоматизировать.

- Анализ отечественного и мирового опыта разработок в области планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях энергосистем. Оценка недоработок и общих методологических задач создания таких систем.

- Разработка теоретических основ решения задач планирования и контроля оперативных переключений в электрических сетях. Выбор и применение математических методов к задачам моделирования переключений в электросетях.

- Разработка прикладных алгоритмов автоматизированного решения основных типов задач.

- Апробация теоретических и прикладных результатов в практических разработках программных комплексов.

4. Методы исследования.

Выбор методов исследования в диссертационной работе определялся необходимостью:

- анализа и обобщения состояния разработок в области создания автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях;

- разработки теоретических основ создания автоматизированных систем планирования и контроля переключений в электрических сетях;

- выбора и применения методов математического моделирования;

- алгоритмизации решений задач планирования и контроля переключений;

- программной реализации разработанных алгоритмов;

- практических испытаний разработанных систем и средств.

Особенность системы планирования и контроля переключений состоит в

дискретном характере используемых в ней моделей электрических сетей, алгорит�