автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка проектно-диагностического комплекса для оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов с принудительным охлаждением

На правах рукописи

Комков Евгений Юрьевич

Разработка проектно-диагностического комплекса

для оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов с принудительным охлаждением

Специальность: 05.13.12. - Системы автоматизации проектирования

(электротехника и энергетика) 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕ!'. 2ССЗ

Иваново 2008

003457266

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (ИГЭУ).

Научный руководитель: д.т.н., профессор Попов Г.В. Научный консультант: д.т.н., доцент Тихонов А.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пантелеев Е.Р.; кандидат технических наук, профессор Белов В.П.;

Ведущее предприятие: ЗАО «РТСофт», г. Москва

Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного-совета Д 212.064.02 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корп. Б, ауд. Б-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета (ул. Рабфаковская, 34).

Автореферат разослан "_"_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В. Тютиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние энергетики характеризуется ростом потребляемых мощностей. При этом повышенные требования предъявляются к силовым трансформаторам, суммарная мощность которых в 5-6 раз превышает генераторную мощность. Наиболее ответственными в этом отношении являются блочные трансформаторы с принудительным охлаждением, работающие в паре с генератором.

Поэтому актуальной является проблема оптимизации жизненного цикла блочных трансформаторов, предполагающая создание математических моделей, позволяющих на основе информации о конструкции трансформатора и результатах мониторинга прогнозировать протекание физических процессов в различных режимах и повысить надежность эксплуатации трансформатора. Решение задачи повышения эффективности эксплуатации трансформатора предполагает разработку программно-технических средств, позволяющих оценивать текущее состояние в режиме реального времени, выдать необходимые рекомендации и рассчитать технико-экономические параметры оборудования. Такая работа может быть классифицирована как решение актуальной научной проблемы с использованием современных средств и методов, позволяющее сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание трансформаторов.

Состояние проблемы. Среди российских ученых, которые внесли значительный вклад в теорию САПР электротехнических устройств можно отметить Д.А. Аветисяна, С.И. Маслова, И.П. Норенкова, И.Н. Орлова, А.И. Половинкина, A.A. Терзяна. В области САПР трансформаторов можно выделить работы Ю.Б. Бородулина, А.Г. Бунина, Л.Н. Конторовича, В.М. Бутовского, Г.В. Попова.

Традиционно теория САПР рассматривается со стороны производителя технических устройств. Потребитель, имеющий свои требования к ним, вынесен за пределы САПР. Для построения математических моделей процессов в трансформаторе необходимо иметь детальную информацию о его конструкции. Поэтому в диссертации предлагается альтернативный подход к созданию САПР, ориентированной на эксплуатирующую организацию. Здесь акцент делается на разработке подсистем функционального проектирования, способных решать задачи с произвольной формулировкой технического задания, которые могут быть использованы для детализации конструкции существующего устройства при недостаточной информации о нем.

Помимо информации о конструкции трансформатора для оптимизации жизненного цикла требуется информация о текущем состоянии объекта, источником которой являются системы мониторинга, к которым относятся такие системы, как ШУМТ, TDM, Sterling Group, Areva, СКИТ. Они позволяют оценивать состояние трансформатора и выявлять быстроразвивающиеся дефекты. В современных системах оптимизации жизненного цикла оборудова-

ния (ALM, ЕАМ) существует тенденция к интеграции подсистем технического контроля оборудования с подсистемами экономической оценки состояния.

Цель работы заключается в повышении надежности и экономичности эксплуатации силового трансформатора на протяжении жизненного цикла путем использования программно-технических средств, позволяющих оценить технологические параметры трансформатора, оптимизировать его работу, продлить срок службы или оценить варианты замены.

Данная цель достигается путем решения следующих задач:

1. Разработка проектной модели трансформатора, позволяющей уточнить его конструкцию по имеющейся документации и результатам измерений.

2. Разработка подсистемы мониторинга силовых трансформаторов.

3. Разработка диагностической модели, позволяющей выявить дефекты в трансформаторе.

4. Разработка проектно-диагностической модели трансформатора, призванной оптимизировать работу системы охлаждения.

5. Разработка подсистемы принятия решений по замене трансформатора. Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов теории САПР, теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, теории нелинейного программирования, теорий нейронных сетей.

Научная новизна:

1. Разработка нового подхода к созданию САПР трансформаторов, ориентированной на потребности эксплуатирующей организации, при котором проектная модель используется для детализации параметров конструкции существующего устройства.

2. Разработка проектно-диагностической модели, позволяющей осуществить оптимальное управление системой охлаждения трансформатора с использованием математической модели тепловых процессов, построенной на основе детальной информации о конструкции трансформатора, и нейронных сетей, обучающихся по результатам мониторинга.

3. Разработка алгоритмов принятия решений по замене трансформатора, учитывающих технико-экономические факторы его функционирования с использованием проектной модели.

Практическая значимость результатов работы состоит в разработке моделей, алгоритмов и программно-технических средств, позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора, своевременный ремонт и замену. В частности, разработаны: подсистема проектирования трансформатора с принудительным охлаждением; подсистема мониторинга трансформатора; подсистема управления системой охлаждения на основе уравнений динамики тепловых процессов и нейронной сети, обученной по результатам мониторинга; подсистема расчета срока окупаемости нового трансформатора с использованием метода динамического программирования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации были использованы в хоздоговорных работах: «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2005 г., отчет № 275/05), «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2006 г., отчет № 317/06), «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2007 г., отчет № 124/07). В диссертации приведены акты внедрения результатов работы на Костромской ГРЭС (г. Волгореченск, Костромской обл.), ОАО «Ивэлектроналадка» (г. Иваново), Ивановский государственный энергетический университет, ЗАО «РТСофт» (г. Москва).

Использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Компьютерные технологии», «Основы САПР», «Надежность электооборудования». Данные курсы читались в ИГЭУ для студентов специальностей «Электромеханика» и «БЖД».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: на международной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» в ИГЭУ в 2005, 2007 г.г.; на симпозиумах ТРАВЭК в 2005,2007 г.г.

Публикации. По результатам работы опубликовано: 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках и периодических изданиях, 7 тезисов докладов на конференциях. Получено 1 свидетельство на программный продукт, 1 диплом за участие в областном конкурсе научных работ среди молодых ученых.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 97 наименований. Основная часть работы изложена на 168 страницах и содержит 57 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проанализировано состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи работы, научная новизна, практическая ценность, использование в учебном процессе, апробация.

В первой главе дано определение оптимального жизненного цикла трансформатора, под которым понимается жизненный цикл, характеризующийся наименьшими затратами на проектирование, технологическую проработку, производство, транспортировку, монтаж, эксплуатацию и замену объекта. Намечены пути оптимизации жизненного цикла трансформатора:

1) оптимальное проектирование трансформатора;

2) диагностика состояния трансформатора в процессе эксплуатации;

3) оптимальное управление системой охлаждения трансформатора;

4) непрерывный анализ экономической целесообразности замены существующего трансформатора.

Задача диссертации состоит в разработке математических моделей, позволяющих осуществить поиск оптимальных решений на этапах проектирования, эксплуатации и замены трансформаторов, и в разработке программно-технического комплекса, обеспечивающего их функционирование.

Снижение затрат на эксплуатацию трансформатора может быть достигнуто путем организации оптимального температурного режима работы, своевременного ремонта и замены. Для этого необходимо создать подсистему мониторинга, осуществляющую непрерывный сбор и обработку информации о трансформаторе. Математическая модель, строящаяся на результатах мониторинга трансформатора, позволяющая оценить в реальном времени его состояние и сделать прогноз изменения состояния с целью выдачи рекомендаций по его эксплуатации, названа диагностической моделью.

Ввиду инерционности тепловых процессов и нецелесообразности реализации частых управляющих воздействий проблема оптимального управления системой охлаждения трансформатора требует построения прогноза теплового состояния при различном количестве охладителей. Такой прогноз может быть построен на основе динамической модели тепловых процессов, требующей детальной информации о конструкции эксплуатируемого устройства. Для детализации конструкции существующего устройства рекомендуется использовать подсистему функционального проектирования, способную решать задачи с произвольной формулировкой технического задания. Математическая модель, заложенная в подсистеме функционального проектирования трансформатора, названа проектной моделью.

Под проектно-диагностической моделью трансформатора понимается математическая модель, построенная путем комбинации проектной и диагностической моделей, в которой за счет обмена информацией достигается синергетический эффект, позволяющий снизить уровень неопределенности обеих моделей. Это может быть модель, позволяющая на основе результатов мониторинга и уравнений динамики тепловых процессов строить прогноз изменения температуры верхних слоев масла трансформатора, или технико-

Тепловая модель на основе уравнений динамики

Тепловая модель на основе нейронных сетей

Проектно-диагностическая модель для прогноза теплового состояния трансформатора

V Модель технико-экономической оценки трансф-ра

Проектн о-диагностаческая модель для ремонта и замены трансформатора

Рис. 1. Структура системы оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов

экономическая модель, позволяющая путем расчета оптимального варианта трансформатора оценить сроки замены эксплуатируемого устройства.

Таким образом, идея работы состоит в разработке системы оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов (СОЖЦСТ), организующей следующий цикл (рис. 1):

1) детализация конструкции трансформатора с помощью специализированной подсистемы проектирования, способной функционировать как на предприятии-изготовителе, так и в эксплуатирующей организации;

2) сбор, архивация, обработка и визуализация информации о состоянии трансформатора, осуществляемая подсистемой мониторинга;

3) построение прогноза состояния трансформатора, осуществляемого с помощью динамической тепловой модели, функционирующей на основе данных, получаемых из проектно-диагностической модели;

4) выдача рекомендаций по управлению системой охлаждения;

5) оценка целесообразности дальнейшей эксплуатации трансформатора, осуществляемая на основании технико-экономической информации о его работе, получаемой из проектно-диагностической модели.

В качестве объекта исследований выбран блочный трансформатор ТДЦ-400000/500, установленный на Костромской ГРЭС. В диссертации приведены его характеристики, рассмотрена конструкция системы охлаждения.

Далее рассмотрено состояние дел по частным вопросам, касающимся обозначенной проблемы, а именно: вопросы построения проектной модели трансформатора, расчета тепловых процессов, использования нейронных сетей и методов нелинейного программирования при моделировании. Дан анализ современного состояния проблемы поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов и замены оборудования.

Вторая глава посвящена разработке модели информационного обмена (МИО) в системе оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов. МИО СОЖЦСТ, прототипом которой является сетевая модель взаимодействия в компьютерной сети (051), состоит из семи уровней, разделенных по назначению и физической принадлежности (рис. 2):

-Щ/->4

Аналитический у Информацион уровень А ный уровень

Подсистема проектирования

Проектно-диагностическая модель

Подсистема мониторинга (диагностические модели, база данных, ОРС сервер, контроллер, датчики)

Рис.2. Структура многоуровневой МИО СОЖЦСТ

1) прикладной уровень - решение прикладных задач (детализация конструкции трансформатора, прогнозирование теплового состояния трансформатора, поиск вариантов его замены и т.п.);

2) уровень принятия решений - обработка и визуализация информации, необходимой для принятия решений по оптимальной эксплуатации трансформатора на протяжении всего срока службы;

3) аналитический уровень - оценка параметров трансформатора в режиме реального времени по диагностическим моделям;

4) информационный уровень - хранение и обмен данными между высшими уровнями системы;

5) системный уровень - сбор и первичная обработка данных по работе всей сети контроллеров;

6) цифровой уровень - передача данных и команд управления от контроллера до сервера в цифровой форме;

7) аналоговый уровень - сбор данных с датчиков системы мониторинга в аналоговом виде.

Структура системы, основана на принципе модульности, что позволяет оптимизировать процесс ее создания и развития, применить узкую специализацию при разработке уровней МИО, облегчить поиск неисправностей, упростить процесс интеграции с другими системами.

| имя тега Ц статус тега 11 величина тега | [метка времени 11 датчик |

Рис. 3. Процесс формирования единицы информации «тег»

МИО СОЖЦСТ основана на технологии ОРС (OLE for Process Control), что позволяет стандартизировать обмен данными в системе. ОРС-сервер при

помощи контроллера опрашивает датчики, установленные на трансформаторе, и записывает информацию в теги. ОРС-клиент получает список тегов и производит считывание информации с заданной периодичностью. При изменении параметра на заданную величину или один раз в 30 мин информация сохраняется в базе данных и становится доступной для высших уровней системы (рис. 3).

Подсистема мониторинга использует следующие алгоритмы:

Контроль повышении напряжения над максимально допустимым рабочим напряжением на стороне высокого напряжения (ВН).

Контроль температуры наиболее нагретой точки обмотки (ННТ). Превышение температуры ННТ над температурой верхних слоев масла (ТВСМ) представляется в виде разности двух составляющих:

Д0Н=Д0Ы-Д0Ь2, (1)

которые определяются решением дифференциальных уравнений:

к„ =Ку .Д0„г =к,2 + (2)

(И

(к12-1).К>Д0Нг=(то/к22)-^^ + Д0ь2, (3)

СИ

где к21, к;;, у - параметры расчетной модели, определяемые конструкцией трансформатора; К - коэффициент нагрузки трансформатора; Д0нг - расчетное превышение температуры ННТ над ТВСМ в номинальном режиме; тй., т0 — тепловые постоянные времени обмотки и ТВСМ соответственно. Температура ННТ ©|, определяется как сумма ТВСМ 0О и вычисленного превышения:

0Ь=0О + Д0Ь. (4)

Контроль содержания влаги в изоляции осуществляется по измеренной относительной влажности масла и основан на законе равновесия влаги в системе «масло-бумага», обладающей при одной и той же температуре одинаковым относительным насыщением. Расчетная влажность твердой изоляции:

УУр = А• е-13'0'1 • рк+а'0ь . (5)

где А. В. к, а - табличные данные для определенного вида изоляции; р - парциальное давление паров воды.

Контроль старения изоляции. В интервале температур от 80 до 140°С скорость износа изоляции удваивается при каждом увеличении температуры на б°С (закон Аррениуса). При этом относительная скорость износа изоляции определяется по формуле:

К|(©н)=2'0"-0«>/6. " (6)

где ©о = 98°С - значение температу ры ННТ при номинальной нагрузке.

При учете влияния температуры ННТ и влажности твердой изоляции коэффициент старения определяется как:

К = К1(0ь)-К2(Ш) . (7)

Функция К2(\У), отражающая влияние влажности на процесс старения, определяется как:

К2(\У) = ^/\У0)146, (8)

где \У0- опорная влажность бумажной изоляции (не более 0,5 %).

Контроль температуры верхних слоев масла (ВСМ) основан на наблюдении за превышением допустимых пределов: I < 45 - ниже нормы: 45 <= I <= 65 - температура ВСМ в норме: 65 < I - перегрев масла.

Третья глава посвящена разработке проектной модели трансформатора. Модель позволяет рассчитать трансформатор с заданными свойствами. Система предназначена для расчета трансформатора мощностью до 400000 кВА, классом напряжения до 500 кВ с принудительной системой охлаждения. Математическую модель трансформатора можно представить как УУ = < Р, (9)

Р = {РИР,бРсЭ1лР, = Р,(Р)}, (10)

Р = {Р, еРлР; (Р) = 1гие}. (И)

Здесь Р - множество переменных, являющееся подмножеством множества вещественных чисел 9? ; Р - множество логических выражений, описывающих отношения между переменными.

Рис.4. Структурная схема подсистемы проектирования трансформатора

Проектная модель трансформатора может быть реализована на базе однонаправленной функции £ осуществляющей поверочный расчет, преобразуя некоторое подмножество входных величин Р, характеризующих конструкцию трансформатора, в подмножество выходных величин Р. характеризующих параметры работы трансформатора (рис. 4).

Таким образом, множество Р является объединением двух подмножеств: Р = РиР. (12)

В свою очередь, подмножество Р объединяет подмножества фиксированных переменных Р и варьируемых переменных Р:

Р = РиР. (13)

Множество Р состоит из подмножеств результирующих значений Ра и требуемых значений Р*:

Р = Р=иР*. (14)

Задача поиска решения состоит в том, чтобы определить значения всех переменных множества Р при фиксированных значениях множества Р , которые бы обеспечили совпадение значений переменных множества Р* с теми значениями Р0\ которые заданы проектировщиком в начале поиска при произвольных значениях переменных множества Р= .

Схема поиска решения представлена на рис. 4. Здесь П - проектировщик, задающий значения переменных из множеств Р и Р0". На каждом шаге поиска рассчитываются отклонения е, = Р*0 - Р* и среднеквадратичная невязка

/ * - \2 ' [> _ Р

1 |0 1 I

(15)

N

Задача считается решенной, еслн найдено такое состояние множества Р. при котором обеспечивается равенство Р* = Рц . Поиск решения осуществляется путем минимизации невязки (15) методом Дэвидона-Флетчера-Пауэлла.

Проектная модель силового трансформатора используется при управлении системой охлаждения. Поэтому особое внимание в ней уделено тепловому расчету. Модуль теплового расчета предназначен для определения установившихся значений температуры в характерных точках трансформатора. К основным отношениям теплового расчета можно отнести:

1) логарифмическую разность температур между маслом и воздухом. °С:

Аа"-"=1. Л. • (1б)

где Р - тепловой поток, отводимый охладителями; N1, - число труб охладителя, Ц - длина трубы охладителя: - коэффициент теплопередачи;

2) мощность двигателя насоса, Вт:

Р = 1 ДР" о (17)

1д и им ' \1 ' /

ЛнПдн. Рм

где г|н = 0,7 - КПД насоса; г)дн = 0,75 - КПД двигателя насоса; Дрм - падение статического давления со стороны масла; вч - массовый расход масла; рм -средняя плотность масла;

3) суммарная мощность двигателей двух вентиляторов. Вт:

-(18) Л»Пд„. Рв

где г)в = 0,6 - КПД вентилятора; Т1д „ = 0,7 - КПД двигателя вентилятора; Ар -падение статического давления со стороны масла; Св - массовый расход масла; р„ - средняя плотность воздуха.

перепад тем-р обмотка - масло

т

перепад тем-р масло - воздух

Рис.5. Электрическая схема замещения тепловых процессов

Для управления системой охлаждения трансформатора необходимо строить прогноз изменения температур во времени в зависимости от основных возмущающих факторов: температуры окружающей среды и нагрузки трансформатора. Электрическая схема замещения тепловых процессов представлена на рис. 5. Количеству теплоты, накопленной в отдельных телах, соответствуют емкости С), С2, С3; тепловым сопротивлениям соответствуют электрические сопротивления Я]. Я2. Яъ превышениям температуры над температурой окружающей среды соответствуют потенциалы иь и2, и3; потерям в обмотках и потерям в магнитопроводе соответствуют источники тока ,Г|, ,12.

В момент времени I превышения температуры обмотки, магнитопровода и масла над температурой охлаждающей среды составят соответственно Аи|, Ао2 и Аи3. За время ск эти превышения температур изменяются на величину с1(А1)|> (для обмотки), с)(Ди2) (для магнитопровода), сКАи,) (для масла).

Уравнения динамики тепловых процессов в обмотке, магнитопроводе и масле соответственно:

Ш|С, с!(Ди,)

dt = -

dt =

Робм-р1а1(Ли,-Диз)

m2c2 d(Au2) Рчх - F2a2(Au2 - Ди3)

dt = -

m^i d(Au,) m2c2 d(Au2) m3c3 d(Au3)

- +

+ -

F3a3 (Au3 + tB) F3a3 (Au3 + tB) F3a3 (Au, +1,)_ Введем обозначения: ai = тП|Сь a2 = m2c2; a3 = m,c3; b|= Fia,; b2= F2a2: b3= F3a3; dx, = d(Aui) d(Au2); dx3 = d(Au3); x, = Au,; x, = Au,; x, = Au,; P, = Робм; P2 = Pxx;

(19)

(20)

(21)

dx^ =

Получаем систему уравнений процесса охлаждения трансформатора:

С)Х|

ск

их, Л

= —-Х( + —X, + —;

а1 а.

Ь,

Ь,

= —х, +-

А

а2

Ь, + Ь2 + Ь,

(х3 + (в).

ьЦ а, а,

Для решения (22) необходимо найти коэффициенты аь а2, а3 характеризующие массогабаритные показатели трансформатора и Ь(. Ь», Ь( определяющие процессы теплопередачи, которые могут быть рассчитаны на основании информации, полученной из проектной модели.

С целью минимизации погрешности расчета производится экспериментальное уточнение коэффициента Ь3, определяющего теплоотдачу в окружающую среду. Для этого используется подсистема мониторинга, предоставляющая экспер!П!ентальные данные о температуре верхних слоев масла, температуре воздуха и нагрузке трансформатора для всех комбинаций включения аппаратов системы охлаждения на выбранном отрезке времени.

Рис. 6. Процесс поиска коэффициента Ь3 для различных режимов работы системы охлаждения

Для поиска уточненного значения коэффициента Ь3 используется несколько фрагментов кривой изменения температуры в верхних слоях масла в функции времени, построенной на основе данных мониторинга. Для данного интервала времени формируется система уравнений (22). В нее подставляют-

ся реальные изменения во времени потерь трансформатора и температуры окружающей среды за рассматриваемый промежуток времени.

Поиск значения Ь3 реачизуется методом переменной метрики. В качестве функции цели используется среднеквадратичное расхождение между расчетной кривой, получаемой путем решения системы уравнений (22). и реальной кривой в точках фиксации значений подсистемой мониторинга.

Полученные таким образом коэффициенты Ьз для различных режимов работы системы охлаждения являются наиболее точными.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов управления системой охлаждения трансформатора. Разработанная модель позволяет поддерживать заданный температурный режим работы оборудования при минимальном расходе электроэнергии на охлаждение.

Рис. 7. Схема управления охлаждением трансформатора

Управление системой охлаждения происходит согласно схеме на рис. 7. На трансформатор устанавливаются датчики тока, напряжения, мощности, температуры верхних слоев масла (ВСМ). температуры окружающей среды, состояния маслонасосов и охладителей системы охлаждения. Тренды контролируемых параметров показывают реакцию объекта на управляющие воздействия, анализ которых дает оценку теплового состояния трансформатора.

Управление производится не путем пробных воздействий на реальный объект, а путем прогнозирования теплового состояния трансформатора на математической модели с учетом прогноза изменения нагрузки трансформатора и температуры окружающей среды.

Такая модель может быть построена на основании двух подходов:

1) на основе решения системы уравнений (22);

2) на основе нейронной сети, обучаемой на реальном трансформаторе.

В работе использовались два вида нейронных сетей: на основе четкой логики (прогноз результатов управляющих воздействий) и на основе нечеткой логики (прогноз изменения нагрузки и температуры окружающей среды).

Для создания нейронной сети с четкой логикой используется математическая модель нейрона представлена выражением:

п

1=1

где р, — входной сигнал; \\\ - вес синапса; п - число входов нейрона; Ь - значение смешения; у - выходной сигнал нейрона; Г- функция активации.

Рис. 8. Структура нейронной сети

Использование нейронной сети сводится к построению отображения X -» У. Решить задачу с помощью нейронной сети, значит, построить функ-

цию У(Х), подобрав синаптические веса Ь\л' и смещения Ь таким образом, чтобы функционал качества Е обращался в минимум для всех пар (Хь

Модель нейронной сети для прогноза реакции на управляющие воздействия. содержит два слоя. 12 входов и 6 выходов, в качестве активационных функций для первого слоя используется тангенсальный сигмоид, для второго линейная функция (рис. 8). На вход сети подаются 12 величин - нагрузка трансформатора и температура окружающей среды: 1, - 16 - нагрузка трансформатора за 3 часа с интервалом 30 минут (6 величин); ^а - Ьсб - температура окружающей среды за 3 часа с интервалом 30 минут (6 величин). На выход подаются соответствующие значения температуры верхних слоев масла: 1Всм1 - 1Всм(,. Критерием качества обучения сети является величина ошибки. которая должна находиться в пределах Е = 10"".

Обучение сети производиться по статистическим данным, собранными за продолжительный период времени. Для обучения формируются трехчасовые выборки данных, где работают одни и те же аппараты системы охлаждения.

Для прогнозирования теплового состояния трансформатора на вход сети необходимо подать прогноз нагрузки трансформатора и температуры окружающей среды на ближайшие 3 часа. Для формирования этих прогнозов в системе используется нейронная сеть с нечеткой логикой, использование которой обусловлено необходимостью прогнозирования данных имеющих зачастую случайный характер.

Математическая модель для нечеткой сети типа логический вывод Сугэ-но представлена следующим выражением:

N

Рои,=Нй-, (24)

1=1

где \у, - сила связи между величинами х и у; \у,= Ап<Ше1ос) (Р,(х), Р2(у)), г, -логический вывод на основе заданных нечетких правил: ъ = ах + Ьу + с.

Обучающая выборка формируется из данных за семь дней. На вход сети подается вектор из пяти величин с временным интервалом 30 мин. из которых четыре подаются на вход 1 (х,.х;.х3.х4). а пятая на вход 2 (у) в качестве элемента обучения. Для каждой из входных переменных задается по три лингвистические переменные с треугольной функцией принадлежности (линейная функция). Для моделирования управляющего воздействия необходимо выполнить обучение нейронной сети и затем в начале каждого трехчасового интервала: построить прогноз нагрузки и температуры окружающей среды на следующий 3 ч; построить прогнозы температуры верхних слоев масла на следующие 3 ч при различном числе задействованных охладителей; выбрать вариант, обеспечивающий заданную температуру верхних слоев масла в конце данного 3 ч интервала.

ров

Результаты работы модели показаны в виде графиков на рис. 9. На первом и третьем трехчасовом интервале системой предложено задействовать четыре охлаждающие группы, на втором три. Сравнение результатов моделирования с данными системы мониторинга показывают достаточно точное совпадение, что дает право говорить о работоспособности созданной модели.

Пятая глава посвящена разработке модели для оценки технико-экономических показателей оборудования. Такая оценка предусматривает принятие решений, касающихся выбора между продолжением эксплуатации, проведением капитального ремонта, либо заменой существующего трансформатора новым. Для принятия оптимального решения необходимо выполнить анализ ряда факторов, таких как потери в трансформаторе, годовой график нагрузки, затраты на обслуживание, наличие аварийных ситуаций.

Для анализа затрат на эксплуатацию существующего трансформатора в рамках СОЖЦСТ разработана подсистема поддержки принятия решений по ремонту или замене трансформатора (ППР РЗТ), предназначенная для предоставления необходимой информации по текущему технико-экономическому состоянию оборудования.

Главная задача подсистемы ППР РЗТ состоит в минимизации затрат на обслуживание и переходе к ремонтам оборудования по техническому состоянию. Разработана проектно-диагностическая модель осуществляющая:

1) оценку экономической эффективности оборудования на основе расчета срока окупаемости нового трансформатора, полученного с использованием подсистемы проектирования, в случае замены существующего устройства, за счет экономии на потерях, стоимости обслуживания и повышении надежности его работы;

2) оценку технического состояния трансформатора с использованием диагностических алгоритмов подсистемы мониторинга, позволяющих оценить необходимость вывода трансформатора в ремонт.

Задача оценки технико-экономических показателей трансформатора осложняется продолжительным сроком службы объекта (30 - 50 лет) и высоким КПД (98 - 99 %). Известно, что за счет совершенствования технологии изготовления трансформаторов потери в них снижаются на 15-20 % каждые 10 лет. Соответственно, раз в 10 лет возможно проводить анализ минимизации расходов и предлагать замену трансформатора на улучшенный вариант.

Технико-экономическая оценка работы оборудования сводится к сбору информации за период эксплуатации. В качестве источников информации в СОЖЦСТ выступают (рис. 10):

1) подсистема проектирования, предоставляющая информацию о варианте замены трансформатора, о его себестоимости и характеристиках;

2) подсистема мониторинга, предоставляющая данные о текущем состоянии трансформатора, его основных эксплуатационных параметрах;

3) вспомогательные алгоритмы, выполняющие предварительную обработку и анализ информации о трансформаторе.

Подсистема ППР РЗТ для решения поставленных задач использует пять алгоритмов, предоставляющих информацию процессору, осуществляющему поиск оптимального маршрута эксплуатации трансформатора с использованием метода динамического программирования.

ш

График нагрузки трансформатора

Оценка текущего состояния трансформатора

Расчет расходов на эксплуатацию трансформатора

Оценка стоимости ремонтов

ш

Расчет стоимости демонтажных монтажных и наладочных работ

Метод динамического программирования

Расчет срока 5 окупаемости трансформатора

Рис. 10. Модель замены оборудования

Первый алгоритм на основе графика нагрузки за весь срок службы рассчитывает средние потери оборудования, на основе которых рассчитываются затраты на эксплуатацию существующего трансформатора. Полученная ин-

формация поступает в алгоритм подсистемы оценки экономической эффективности работы трансформатора. Затем включается в работу алгоритм оценки экономичности работы по сравнению с наиболее оптимальным вариантом трансформатора для замены. В задачи четвертого алгоритма входит расчет стоимости демонтажных, монтажных и наладочных работ связанных с заменой трансформатора. Процессор призван найти решение с минимальными затратами.

Рис. 11. Процесс поиска вариантов замены оборудования

На первом этапе работы процессора определяется оптимальная стратегия эксплуатации трансформатора на каждом временном шаге (рис.11). При этом оптимизация идет от конца периода эксплуатации к началу. Результатом расчета на первом этапе является поверхность оптимальных управлений на каждом шаге (рис. 12).

Рис. 12. Поверхность результатов принятия решений

На втором этапе определяется оптимальная стратегия на всем временном отрезке эксплуатации путем анализа поверхности найденной на первом этапе. Результатом является расчет срока окупаемости нового трансформатора с использованием пятого алгоритма.

Задача представлена следующим образом: в течение периода состоящего из N этапов предприятие эксплуатирует трансформатор, который имеет стоимость z, электрические потери c(t) и затраты на обслуживание и ремонт r(t). Предприятие может удовлетворить свои потребности по трансформации мощности эксплуатируя трансформатор в течение всего рассматриваемого периода, а может выполнить замену на одном из этапов, при этом критерием для реализации таких действий является минимизация потерь нового трансформатора по сравнению с существующим и экономия ремонтах (рис. 10).

Введем обозначения: fn - стратегия замены, минимизирующая затраты на отрезках n, n+l,...,N-l. Затраты, отвечающие некоторой стратегии замены, включают две составляющие: р,п - стоимость замены трансформатора возраста i на отрезке n; kn, - стоимость эксплуатации трансформатора на отрезке п, возраст которого в конце этого отрезка равен t.

Таким образом, имеем:

fn(i) = min [kn i+1 + fn+1(¡ +1), Pin + knl + fn+1(l)]. (25)

Требуется получить оптимальное значение величины f зависящей от результатов управляемого процесса, состоящего из N этапов. Состояние, в котором находится процесс на каждом шаге, характеризуется величиной Gmn, где ш - номер состояния на каждом шаге, п - номер шага. Из каждого положения Gmn процесс может перейти в зависимости от сделанного управления U¡J в одно из состояний G(m+1)n из состояний Rn (рис. 11).

Предполагается, что состояние Gmn не зависит от состояний на предыдущих шагах, а только от состояния и управления на очередном этапе п, что позволяет использовать метод динамического программирования.

Величина f складывается из слагаемых fn, зависящих в каком состоянии Gran находился процесс и какое при этом было выбрано управление U„ :

N-1

f = Zfn(G™'Un). (26)

n=0

Целью решения задачи является поиск набора управлений минимизирующих величину f, если известно состояние процесса G0 на начальном этапе и состояние Gn, в которое он должен придти на завершающем этапе.

U¡, - продолжить эксплуатацию существующего трансформатора;

U„ - заменить существующий трансформатор на новый.

Для оптимального поиска и учета всех вариантов управление на каждом шаге выбирается с учетом всех его последствий в будущем, что достигается организацией процесса поиска решений от конца к началу.

Эффект ^ , получаемый на п-м этапе, зависит от состояния трансформатора Стп и сделанного выбора (управления) :

где с(0) - потери при эксплуатации нового трансформатора; г(0) - затраты на демонтаж старого, монтаж и наладку нового трансформатора: z - стоимость нового трансформатора.

При поиске варианта замены производиться расчет экономии на электрических потерях и стоимости обслуживания, стоимости расходов связанных с заменой и анализ срока окупаемости нового трансформатора.

Решение поставленных задач позволяет повысить эффективность эксплуатации трансформатора на протяжении всего жизненного цикла.

1. Создана система поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая оценить состояние оборудования и эффективность его работы. а также повысить надежность эксплуатации и продлить срок службы.

2. Обоснована многоуровневая структура системы поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая унифицировать отдельные подсистемы, снизив тем самым затраты на ее разработку, ремонт, модернизацию и развитие.

3. Разработана подсистема мониторинга силового трансформатора, позволяющая осуществлять сбор, хранение и первичную обработку информации о работе трансформатора.

4. Разработана подсистема проектирования, функционирующая по принципу обратной САПР, позволяющая решить задачу детализации конструкции существующего трансформатора на основе известной информации о нем.

5.Обоснованы пути использования обратной САПР при решении задач жизненного цикла силовых трансформаторов.

6. Разработана математическая модель, построенная на основе детальной информации о конструкции устройства, позволяющая прогнозировать результаты управления системой охлаждения трансформатора.

7. Разработана нейросетевая модель, обучающаяся по результатам мониторинга трансформатора, позволяющая прогнозировать изменение внешних факторов, воздействующих на трансформатор, и результаты управления системой охлаждения трансформатора.

8. Разработана подсистема управления системой охлаждения трансформатора. основанная на двойном прогнозе результатов управляющих воздейст-

(27)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

вий. учитывающая такие факторы как инертность тепловых процессов, невозможность реализации частых управляющих воздействий, учет вероятных изменений возмущающих воздействий.

9. Разработана подсистема оценки технико-экономического состояния трансформатора. позволяющая рассчитывать сроки оптимальной замены оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Комков Е.Ю. Организация мониторинга силовых трансформаторов на базе комплекса «Диагностика+» / Комков Е.Ю.. Попов Г.В., Игнатьев E.G.. Сизов О.Н.. Капустин С.А. // Вестник ИГЭУ. - 2007. -№3, с. 38-41.

2. Комков Е.Ю. Разработка модели управления системой охлаждения силовых трансформаторов / Комков Е.Ю.. Тихонов А.И. // Автоматизация в промышленности. - 2008. - №8. с. 45 - 47.

Статьи в сборниках трудов и периодических изданиях

1. Комков Е.Ю. Оценка состояния электрооборудования на основе программного комплекса «Диагностика+» в режиме on-line./ Комков Е.Ю.. Игнатьев Е.Б.. Попов Г.В. // Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии. Материалы конференции ТРАВЭК. - 2005. - с. 104 - 105.

2. Организация информационных потоков для повышения эффективности оценки технического состояния оборудования на базе программного комплекса "Диагностика+" / Комков Е.Ю.. Ворошин Д.А.. Ват-лецов A.B.. Игнатьев Е.Б.. Попов Г.В. // Перспективные технологии электроэнергетики. Материалы конференции ТРАВЭК. - 2007. - с. 74 - 75.

Тезисы докладов на конференциях

1. Комков Е.Ю. Имитация работы машины постоянного тока в среде MatLab с использованием конечно-элементной модели магнитного поля / Тихонов А.И. Комков Е.Ю., Лашманов И.М. //Электротехника и прикладная математика. Сб. трудов, посвященный 200-летию открытия электрической дуги В.В. Петровым и 160-летию со дня рождения H.H. Бенардоса. -2003.-е. 81 - 84.

2. Комков Е.Ю. Анализ существующих подходов к мониторингу силовых трансформаторов / Комков Е.Ю., Сизов О.Н. //Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2 - Иваново, 2005. - с. 166.

3. Построение схем мониторинга электрооборудования / Комков Е.Ю.. Сизов О.Н., Капустин С.А. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.- Иваново. 2005. - с. 167.

4. Комков Е.Ю. Организация мониторинга силовых трансформаторов с использованием системы «Диагностика+» / Комков Е.Ю.. Сизов О.Н. //Сборник научных трудов к 100-летию со дня рождения профессора Черкасского В.М. - 2005. - с. 129.

5. Энергия пустоты / Комков Е.Ю., Сизов О.Н. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2 - Иваново, 2007. - с. 167.

6. Комков Е.Ю. Модель эксплуатации силового трансформатора / Комков Е.Ю., Сизов О.Н. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.- Иваново, 2007. - с. 124.

7. Определение допустимых нагрузок трансформатора на основе мониторинга / Комков Е.Ю., Климов Д.А. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.- Иваново. 2007.-е. 123.

Свидетельства на программные продукты

1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610671 «Диагностака+ On-Line». Правообладатель: ГОУВПО ИГЭУ, Попов Г.В.. Авторы: Попов Г.В., Комков Е.Ю., Игнатьев Е.Б., Капустин С.А., Петровский С.Ф., Сизов О.Н. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 12 февраля 2007 г.

Дипломы конкурсов

1. Диплом за участие в областном конкурсе научных работ среди молодых ученых в номинации «Технические науки». Комков Е.Ю., Крюкова A.B. «Разработка программного комплекса для оптимизации инвестиционной политики на промышленных, энергетических, транспортных предприятиях при наличии основных производственных фондов, исчерпавших свой нормативный ресурс».

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 г. Подписано в печать /У, ///¿^Фощгх 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ ¿-'Л'/?. ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» 153003. г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в РИО ИГЭУ.

Введение

1. Анализ проблемы оптимизации жизненного цикла трансформатора с принудительным охлаждением.

1.1. Постановка задачи.

1.1.1. Понятие оптимального жизненного цикла силового трансформатора с принудительным охлаждением.

1.1.2. Понятие проектно-диагностической модели силового трансформатора с принудительным охлаждением.

1.1.3. Требования к подсистеме мониторинга.

1.1.4. Требования к организации системы оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов.

1.2. Характеристика объекта.

1.3. Математическое моделирование процессов в силовом трансформаторе

1.3.1. Проектная модель силового трансформатора.

1.3.2. Расчет тепловых процессов в трансформаторе.

1.3.3. Средства и методы поиска оптимального решения.

1.3.4. Использование нейронных сетей и методов нелинейного программирования в математическом моделировании.

1.4. Системы поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов

1.4.1. Современное состояние мониторинга и диагностики силовых трансформаторов.

1.4.2. Современное состояние систем поддержки жизненного цикла трансформаторов.

1.4.3. Информационный обмен в системах управления техническими устройствами.

1.5. Проблема замены оборудования.

Выводы по первой главе.

2. Разработка диагностической модели силовых трансформаторов

2.1. Разработка модели информационного обмена в системе оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов.

2.1.1. Анализ модели информационного обмена в системах управления техническими устройствами.

2.1.2. Разработка структуры многоуровневой модели информационного обмена в системе оптимизации жизненного цикла силового трансформатора.

2.1.3. Формализация информационного обмена в системе оптимизации жизненного цикла силового трансформатора.

2.2. Характеристика элементов подсистемы мониторинга силовых трансформаторов.

2.2.1. Общая характеристика подсистемы мониторинга силовых трансформаторов.

2.2.2. Аналоговый уровень подсистемы мониторинга.

2.2.3. Цифровой уровень подсистемы мониторинга.

2.2.4. Системный уровень подсистемы мониторинга.

2.2.5. Информационный уровень подсистемы мониторинга.

2.2.6. Аналитический уровень подсистемы мониторинга.

2.2.7. Уровень принятия решений подсистемы мониторинга.

2.3. Диагностические алгоритмы в подсистеме мониторинга силовых трансформаторов.

2.3.1. Контроль повышений напряжения.

2.3.2. Контроль температуры наиболее нагретой точки обмотки.

2.3.3. Контроль содержания влаги в изоляции.

2.3.4. Старение изоляции.

2.3.5. Контроль состояния и оценка эффективности работы системы охлаждения.

2.3.6. Расчет предельной температуры ННТ по критерию образования пузырьков.

2.3.7. Контроль состояния высоковольтных вводов.

2.3.8. Контроль температуры верхних слоев масла.

Выводы по второй главе.

3. Разработка проектной модели силового трансформатора.

3.1. Математический аппарат системы поиска решений трансформатора с заданными свойствами.

3.2. Программная реализация системы поиска решений трансформатора с заданными свойствами.

3.3. Алгоритм теплового расчета силового трансформатора с принудительным охлаждением.

3.3.1. Постановка задачи разработки подсистемы теплового расчета силового трансформатора с принудительным охлаждением

3.3.2. Тепловой расчет обмоток.

3.3.3. Расчет системы охлаждения.

3.3.4. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны масла.

3.3.5. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха.

3.3.6. Гидравлический расчет малогабаритных теплообменников

3.4. Тепловая динамическая модель трансформатора.

3.4.1. Формирование системы дифференциальных уравнений.

3.4.2. Расчет коэффициентов уравнений динамики тепловых процессов в трансформаторе.

3.4.3. Коррекция коэффициента ЬЗ по данным подсистемы мониторинга

Выводы по третьей главе.

4. Разработка проектно-диагностической модели для управления охлаиедением силовых трансформаторов.

4.1. Разработка базовых элементов подсистемы управления охлаждением трансформаторов.

4.1.1. Аппаратное обеспечение подсистемы управления охлаждением трансформатора.

4.1.2. Программное обеспечение подсистемы управления охлаждением трансформатора.

4.2. Разработка алгоритма управления охлаждением трансформатора на основе динамической тепловой модели.

4.2.1. Постановка задачи и обоснование пути ее решения.

4.2.2. Алгоритм поиска оптимального управляющего воздействия на систему охлаждения.

4.3. Разработка алгоритма управления охлаждением трансформатора на основе нейросетевой модели.

4.3.1. Математический аппарат нейронных сетей.

4.3.2. Разработка модели системы охлаждения трансформатора на основе нейронной сети в среде MatLab.

4.3.3. Экспериментальная проверка работы системы оптимального управления системой охлаждения трансформатора

Выводы по четвертой главе.

5. Разработка проектно-диагностической модели для оценки технико-экономических показателей оборудования.

5.1. Оценка эффективности работы оборудования.

5.1.1. Требования к подсистеме оценки технико-экономического состояния трансформатора.

5.1.2. Математический аппарат подсистемы принятия решений по ремонту или замене трансформатора.

5.1.3. Функции подсистемы оценки технико-экономического состояния трансформатора.

5.2. Разработка подсистемы оценки технико-экономических показателей оборудования.

5.2.1. Структура и интерфейс подсистемы поддержки принятия решений по ремонту или утилизации трансформатора.

5.2.3. Расчет технико-экономической эффективности трансформатора ТДЦ 400000/

5.3. Оценка перехода к ремонту трансформатора по техническому состоянию с использованием подсистемы мониторинга.

Выводы по пятой главе.

Актуальность темы. Современное состояние энергетики характеризуется ростом потребляемых мощностей. При этом повышенные требования предъявляются к силовым трансформаторам, суммарная мощность которых в 5-6 раз превышает генераторную мощность. Наиболее ответственными в этом отношении являются блочные трансформаторы с принудительным охлаждением, работающие в паре с генератором.

Поэтому актуальной является проблема оптимизации жизненного цикла блочных трансформаторов, предполагающая создание математических моделей, позволяющих на основе информации о конструкции трансформатора и результатах мониторинга прогнозировать протекание физических процессов в различных режимах и повысить надежность эксплуатации трансформатора. Решение задачи повышения эффективности эксплуатации трансформатора предполагает разработку программно-технических средств, позволяющих оценивать текущее состояние в режиме реального времени, выдать необходимые рекомендации и рассчитать технико-экономические параметры оборудования. Такая работа может быть классифицирована как решение актуальной научной проблемы с использованием современных средств и методов, позволяющее сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание трансформаторов.

Состояние проблемы. Среди российских ученых, которые внесли значительный вклад в теорию САПР электротехнических устройств можно отметить Д.А. Аветисяна, С.И. Маслова, И.П. Норенкова, И.Н. Орлова, А.И. Половинкина, A.A. Терзяна. В области САПР трансформаторов можно выделить работы Ю.Б. Бородулина, А.Г. Бунина, JI.H. Конторовича, В.М. Бутовского, Г.В. Попова.

Традиционно теория САПР рассматривается со стороны производителя технических устройств. Потребитель, имеющий свои требования к ним, вынесен за пределы САПР. Для построения математических моделей процессов в трансформаторе необходимо иметь детальную информацию о его конструкции. Поэтому в диссертации предлагается альтернативный подход к созданию САПР, ориентированной на эксплуатирующую организацию. Здесь акцент делается на разработке подсистем функционального проектирования, способных решать задачи с произвольной формулировкой технического задания, которые могут быть использованы для детализации конструкции существующего устройства при недостаточной информации о нем.

Помимо информации о конструкции трансформатора для оптимизации жизненного цикла требуется информация о текущем состоянии объекта, источником которой являются системы мониторинга, к которым относятся такие системы, как ШУМТ, TDM, Sterling Group, Areva, СКИТ. Они позволяют оценивать состояние трансформатора и выявлять быстроразвивающиеся дефекты. В современных системах оптимизации жизненного цикла оборудования (ALM - Asset Lifecycle Management, EAM - Enterprise Asset Management) существует тенденция к интеграции подсистем технического контроля оборудования с подсистемами экономической оценки состояния.

Цель работы заключается в повышении надежности и экономичности эксплуатации силового трансформатора на протяжении жизненного цикла путем использования программно-технических средств, позволяющих оценить технологические параметры трансформатора, оптимизировать его работу, продлить срок службы или оценить варианты замены.

Данная цель достигается путем решения следующих задач:

1. Разработка проектной модели трансформатора, позволяющей уточнить его конструкцию по имеющейся документации и результатам измерений.

2. Разработка подсистемы мониторинга силовых трансформаторов.

3. Разработка диагностической модели, позволяющей выявлять дефекты в трансформаторе.

4. Разработка проектно-диагностической модели трансформатора, призванной оптимизировать работу системы охлаждения.

5. Разработка подсистемы принятия решений по замене трансформатора.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов теории САПР, теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, теории нелинейного программирования, теории нейронных сетей. Научная новизна:

1. Разработка нового подхода к созданию САПР трансформаторов, ориентированной на потребности эксплуатирующей организации, при котором проектная модель используется для детализации параметров конструкции существующего устройства.

2. Разработка проектно-диагностической модели, позволяющей осуществить оптимальное управление системой охлаждения трансформатора с использованием математической модели тепловых процессов, построенной на основе детальной информации о конструкции трансформатора, и нейронных сетей, обучающихся по результатам мониторинга.

3. Разработка алгоритмов принятия решений по замене трансформатора, учитывающих технико-экономические факторы его функционирования с использованием проектной модели.

Практическая значимость результатов работы состоит в разработке моделей, алгоритмов и программно-технических средств, позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора, своевременный ремонт и замену. В частности, разработаны: подсистема проектирования трансформатора с принудительным охлаждением; подсистема мониторинга трансформатора; подсистема управления системой охлаждения на основе уравнений динамики тепловых процессов и нейронной сети, обученной по результатам мониторинга; подсистема расчета срока окупаемости нового трансформатора с использованием метода динамического программирования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации были использованы в хоздоговорных работах: «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2005 г., отчет № 275/05), «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2006 г., отчет № 317/06), «Разработка системы оценки состояния маслонаполненного оборудования» (2007 г., отчет № 124/07). В диссертации приведены акты внедрения результатов работы на Костромской ГРЭС (г. Волгореченск, Костромской обл.), ОАО «Ивэлектроналадка» (г. Иваново), Ивановский государственный энергетический университет, ЗАО «РТСофт» (г. Москва).

Использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Компьютерные технологии», «Основы САПР», «Надежность электооборудования». Данные курсы читались в ИГЭУ для студентов специальностей «Электромеханика» и «БЖД».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: на международной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» в ИГЭУ в 2005, 2007 г.г.; на симпозиумах ТРАВЭК в 2005, 2007 г.г.

Публикации. По результатам работы опубликовано: 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках и периодических изданиях, 7 тезисов докладов на конференциях. Получено 1 свидетельство на программный продукт, 1 диплом за участие в областном конкурсе научных работ среди молодых ученых.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 168 страницах и содержит 57 иллюстраций.

Выводы по пятой главе

1. Объединение функций технической оценки оборудования, осуществляемой подсистемой мониторинга, с функциями экономической оценки позволяет перейти к идее ремонта и замены оборудования по состоянию.

2. Проектно-диагностическая модель может быть использована на этапе замены трансформатора, обеспечивая возможность технико-экономической оценки существующего устройства по сравнению с современными аналогами.

3. Традиционная задача замены оборудования может быть адаптирована к проблемам энергетики для минимизации затрат на эксплуатацию и замену трансформаторов.

4. Так как метод динамического программирования обладает критерием аддитивности, то его использование при решении задачи минимизации затрат на эксплуатацию и замену трансформаторов можно считать оптимальным.

5. Возможности подсистемы оценки технико-экономического состояния оборудования существенно расширяются при внедрении в нее алгоритмов построения предполагаемых деревьев отказов оборудования, что позволяет сформулировать рекомендации по выводу оборудования в ремонт.

Заключение

Основными результатами диссертационной работы является следующее:

1. Создана система поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая оценить состояния оборудования и эффективность его работы, а также повысить надежность эксплуатации и продлить срок службы.

2. Обоснована многоуровневая структура система поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая унифицировать отдельные подсистемы, снизив тем самым затраты на ее разработку, ремонт, модернизацию и развитие.

3. Разработана подсистема мониторинга силового трансформатора, позволяющая осуществлять сбор, хранение и первичную обработку информации о работе трансформатора.

4. Разработана подсистема проектирования, функционирующая по принципу обратной САПР, позволяющая решить задачу детализации конструкции существующего трансформатора на основе известной информации о нем.

5. Обоснованы пути использования обратной САПР при решении задач жизненного цикла силовых трансформаторов.

6. Разработана математическая модель, построенная на основе детальной информации о конструкции устройства, позволяющая прогнозировать результаты управления системой охлаждения трансформатора.

7. Разработана нейросетевая модель, обучающаяся по результатам мониторинга трансформатора, позволяющая прогнозировать изменение внешних факторов, воздействующих на трансформатор, и результаты управления системой охлаждения трансформатора.

8. Разработана подсистема управления системой охлаждения трансформатора, основанная на двойном прогнозе результатов управляющих воздействий, учитывающая такие факторы как инертность тепловых процессов, невозможность реализации частых управляющих воздействий, учет вероятных изменений возмущающих воздействий.

9. Разработана подсистема оценки технико-экономического состояния трансформатора, позволяющая рассчитывать сроки оптимальной замены оборудования.

Теоретические результаты получены автором лично, практические - в соавторстве. Вклад автора в коллективную работу состоит разработке моделей, участии в разработке программного обеспечения, обобщении результатов исследований.

Разработанный программно-диагностический комплекс позволяет реализовать новый подход к оптимизации жизненного цикла трансформатора, имеющий ряд достоинств по сравнению с существующими подходами:

1. В отличие от существующих систем мониторинга возможности системы, разработанной в данной диссертации, расширены наукоемкими математическими моделями, позволяющими снизить информационную неопределенность расчетом дополнительных параметров.

2. Благодаря наличию подсистемы проектирования трансформатора, ориентированной на потребности эксплуатирующей организации, имеется возможность построения математических моделей процессов в трансформаторе, требующих детальной информации о его конструкции.

3. Возможность оптимального управления системой охлаждения трансформатора без реализации частых управляющих воздействий, что реализуется благодаря построению прогнозов о его тепловом состоянии, полученных на точных математических моделях.

4. Возможность уточнения прогнозов теплового состояния трансформатора, полученных на математических моделях, путем использования нейронных сетей, обученных по результатам мониторинга эксплуатируемого устройства.

5. Возможность принятия обоснованных решений по ремонту и утилизации эксплуатируемого трансформатора.

166

1. Автоматизированное проектирование электрических машин: Учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. "Электромеханика" / Бородулин Ю.Б., Мостейкис B.C., Попов Г.В., Шишкин В.П.; Под ред. Ю.Б. Бородулина. М.: Высш. шк., 1989. - 280 с.

2. Абгарян К.А. Матричное исчисление с приложениями в теории динамических систем. М.: Вузовская книга 2004 г. — 527 с.

3. Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 216 с.

4. Аль Хамри С.С. Исследование дефектов в силовых трансформаторах и разработка мероприятий по повышению эффективности их диагностирования: Дис. канд. техн. наук Иваново: ИГЭУ 2005.

5. Анализ повреждений силовых трансформаторов за 1989-1991 годы: Сост. фирмой по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС. М.: СПО ОРГРЭС, 1993. - 26 с.

6. Анализ причин повреждений и результаты обследования технического состояния трансформаторного оборудования / B.C. Богомолов, Т.Е. Касаткина, С.С. Кустов и др. // Вестник ВНИИЭ. 1997 г. 25-32 с.

7. Антоненко И.Н. ЕАМ система как инструмент управления издержками в энергетике / Мир компьютерной автоматизации 2004. №4, 12-16 с.

8. Аракелян В.Г. Диагностика состояния изоляции маслонаполненного электрооборудования по влагосодержанию масла / Электротехника № 3 2004. 45 49 с.

9. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. — М.: НФТ «Энергопресс», 2000.

10. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельников. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 632'с.

11. Беркович Я.Д., О диагностике энергетического оборудования / Эл. станции, 1989. №6, 16-20 с.

12. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности: Учеб. пособ. для вузов. Ч. 2. М.: Высш. школа, 1982. 304 с.

13. Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Изд-во иностр. лит., 1960 г.-400 с.

14. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. -М.: Наука, 1965. 458 с.

15. Беллман Р., Калаба Р. Динамическое программирование и современная теория управления. -М.: Наука, 1969. 118 с.

16. Бородулин Ю.Б., Нуждин В.Н. Имитационные системы в проектировании электротехнических объектов и автоматизированных комплексов. Иваново, 1986 г. - 84с.

17. Бородулин Ю.Б., Кузнецов С.Ю., Попов Г.В. Многокритериальная оптимизация проектных решений при проектировании трансформаторов на базе САПР. // Электромеханика. 1986. - № 9. - с. 21—26. (Изв. высш. учеб. заведений).

18. Бородулин Ю.Б., Гусев В.А., Попов Г.В. Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов М. Энергоатомиздат 1987 г. -264 с.

19. Вагнер Г. Основы исследования операций, том 2 /Издательство «Мир» М. 1973 г.-486 с.

20. Вагнер Г. Основы исследования операций, том 1 /Издательство «Мир» М. 1973 г.-336 с.

21. Ванин Б. В. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации / Ванин Б. В., Львов Ю. Н., Львов М. Ю. и др. // Электр, станции. 2001. № 9. 53-58 с.

22. Вдовико В.П. Влияние перенапряжения на инициирование частичных разрядов в бумажно-маслянной изоляции высоковольтного оборудования /симпозиум Электротехника 2010, 2005 г. 101 — 103 с.

23. Виленский В.Д. Некоторые общие закономерности нестационарного теплообмена при ламинарном течении жидкости в канале // ТВТ. 1966. Т. 4. №5. С. 838-845.

24. Виноградова J1.B. Экспертная поддержка процессов проектирования и диагностики силовых трансформаторов: Дис. канд. техн. наук. — Иваново: ИГЭУ, 1996.

25. Власов А.Б. Тепловизионный контроль или диагностика. Электротехника, 2002, №11, с. 62-64.

26. Власов А.Б. Тепловизионный метод контроля маслонаполненных высоковольтных аппаратов. — Электрика, 2003, №10. 25-31 с.

27. Волощенко Е., Зверев С. Управление жизненным циклом основных производственных фондов как инструмент повышения рентабельности предприятий инфраструктурных отраслей / "Секрет Фирмы" 2006. № 43(178), 46-50 с.

28. Голоднов Ю.М. Контроль за состоянием трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1988 г. — 88 с.

29. ГОСТ 14209-97 Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 82 с.

30. ГОСТ 15001-88. Системы разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. -М.: Изд-во стандартов, 1988. 30 с.

31. ГОСТ 34.003-90 / Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. 1990. 67 с.

32. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. 1997 г. — 125 с.

33. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. 1996 г. -70 с.

34. ГОСТ 27.002-89. Надежность техники. Основные понятия. Термины и определения. Введ.01.07.90. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 37. с.

35. Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей. М.: СП ПараГраф 1991 г. 570 с.

36. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб: Питер. 2000 г. - 432 с.

37. Гультяев А.Н. MatLab 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows. С.-П.: Коронапринт, 1999 г. - 507 с.

38. Дарьян JI.A., Мордкович А.Г., Смекалов B.B., Туркот В.А., Тен-денции развития диагностики состояния электрооборудования в электроэнергетике России / Электрические станции 2007 №5. 13- 20 с.

39. Джорж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. М.: Мир, 1984 г. - 334с.

40. Дэннис, Дж. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: пер. с англ. / Дж. Дэннис, Р. Шнабель. — М.: Мир, 1988 г.-440 с.

41. Дэннис Дж., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 440 с.

42. Ершов М. С. Модели планирования ремонтов и замен промышленного электрооборудования / Промышленная энергетика 2005. №11. 46-51 с.

43. Законодательство по изобретательству / Под ред. Доркина А.И. М.: ГК СССР по делам изоб. и откр., ЦНИИПИ, 1979. Т.2. - 293 с.

44. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

45. Киселев В.Ю. Экономико-математические методы и модели. Иваново, ИГЭУ.-1998 г.-381 с.

46. Киш JI. Нагрев и охлаждение трансформаторов М.: Энергия .1980 г. -205 с.

47. Кнут Д.Э. Искусство программирования. Т 2. Получисленные алгоритмы, 3-е изд.: Пер. с англ.: Уч. пос. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001 г. -832 с.

48. Комков Е.Ю. Анализ существующих подходов к мониторингу силовых трансформаторов / Комков Е.Ю., Сизов О.Н. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.- Иваново, 2005. с. 166.

49. Комков Е.Ю. Организация мониторинга силовых трансформаторов с использованием системы «Диагностика+» / Комков Е.Ю., Сизов О.Н. //Сборник научных трудов к 100-летию со дня рождения профессора Черкасского В.М. 2005. - с. 129.

50. Комков Е.Ю. Организация мониторинга силовых трансформаторов на базе комплекса «Диагностика+» / Комков Е.Ю., Попов Г.В., Игнатьев Е.Б., Сизов О.Н., Капустин С.А. // Вестник ИГЭУ. 2007 г. №3, с. 38-41.

51. Комков Е.Ю. Разработка модели управления системой охлаждения силовых трансформаторов / Комков Е.Ю., Тихонов А.И. // Автоматизация в промышленности. — 2008. №8, 45 — 47 с.

52. Комков Е.Ю. Модель эксплуатации силового трансформатора / Комков

53. Е.Ю., Сизов О.Н. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.—Иваново, 2007 г. 124 с.

54. Коротков A.A. Завод на полувековом рубеже. / www.transformator.com.ru

55. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия — Телеком 2002 г. — 377 с.

56. Кузнецов С.Ю. Бимодальный метод проектирования силовых транформаторов: Дис. канд. техн. наук-Москва: МЭИ, 1989 г.

57. Кустов С.С., Богомолов B.C. Информационная система оценки технического состояния трансформаторов РАО «ЕЭС России» // Вестник ВНИИЭ. 1998 г. 49-51 с.

58. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена М. Высшая школа 1-978 г. 257 с.

59. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Проблемы современного трансформаторостроения в России / Электричество. 2000. № 8. 36-39 с.

60. Львов Ю. Н., Львов М. Ю. Диагностика трансформаторного оборудования / Энергетик. 2000. № 11. 26-27 с.

61. Львов М. Ю. Силовые трансформаторы на 110 кВ и выше будущее определит диагностика /Новости электротехники 2003. №6(24) 57 63 с.

62. Луканин В.Н., Шатров М.Г. Камфер Г.М. Теплотехника. Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2002 г. 356 с.

63. Маевская Н. Трансформация проектирования. Тольяттинский трансформатор осваивает САПР, /www.chronograf.ru

64. Минимизация в инженерных расчетах на ЭВМ. Библиотека программ / С Ю. Гуснин, Г.А. Омельянов, Г.В. Резников и др. — М.: Машиностроение, 1981 г. — 120 с.

65. Моисеев H.H. Предисловие к книге Орловского С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М: Наука, 1981.- 206 с.

66. Мордкович А.Г., Горожанкин П.А., О построении подсистем мониторинга, управления и диагностики оборудования подстанций сверхвысокого напряжения и их интеграции в АСУ ТП ПС //Электрические станции 2007 №6. 44 54 с.

67. МЭК 60354-91. Трансформаторы силовые масляные. Руководство по нагрузке. 1998 г. — 85 с.

68. МЭК 60076-7 Трансформаторы силовые. Ч. 7. Руководство по нагрузке масляных силовых трансформаторов. 2005 г. — 71 с.

69. Никитин O.A. Научные и практические аспекты функционирования энергосистем и развития базы отечественного трансформаторостроения / Электро 2002. №4, 42 47 с.

70. Никитин O.A., ОАО ХК «Электрозавод» /Электро №4 2002 г. 33 35 с.

71. Определение допустимых нагрузок трансформатора на основе мониторинга / Комков Е.Ю., Климов Д.А. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.- Иваново, 2007 г. 123 с.

72. Орлов И.Н., Маслов С.И. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 296 с.

73. Осипов С., Немытых Ю. Ускорились /www.expert.ru

74. Остерлок X. TCP/IP. Семейство протоколов передачи данных в сетях компьютеров Москва, Санкт - Петербург, Киев. Торгово-издательский дом DiaSoft. 2002. - 567 с.

75. Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. К.: Техника, 1982 г. - 295с .

76. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. Учеб пособ. — Волгоград, 2000. 366 с.

77. Построение схем мониторинга электрооборудования / Комков Е.Ю., Сизов О.Н., Капустин С.А. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.2.—Иваново, 2005 г. 167 с.

78. Рогожников Ю.Ю. Исследование методов и разработка алгоритмов для поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов: Дис. канд. техн. наук Иваново: ИГЭУ 2003.

79. Савваитов Д.С., Тимашова JI.B. Техническое состояние основного оборудования подстанций и BJI и мероприятия по повышению надежности. Электрические станции, 2004. № 8, 14-18 с.

80. Самонин В.И, Бурченков В.Н. Диалоговое проектирование сухих трансформаторов / Иваново 1989 г. 83 с.

81. Севостьянов П.Р. Анализ повреждаемости трансформаторов мощностью 16 и 25 МВА класса напряжения 110 кВ // Электро. 2004. № 5, 25 27 с.

82. Система управления и мониторинга трансформаторного оборудования (СУМТО). Краткое техническое описание. 2002 г. — 35 с.

83. Солдатов A.B. Разработка моделей маслонаполненных вводов трансформаторов для решения задач автоматизированного проектирования и диагностики. Дис. канд. техн. наук. Иваново, ИГЭУ 2005 г.

84. Соловьев, A.B. Оптимизация. Комплекс по математическим методам оптимального проектирования: метод, указ. / A.B. Соловьев, C.B. Мрыкин, А.Г. Колпащиков / Самарский аэрокосмический университет. — Самара, 1994 г.-52 с.

85. Стишков Ю.К., Оснапенко A.A. Электродинамические течения в жидких диэлектриках. JL: Изд-во ЛГУ, 1989 г. 174 с.

86. Структура экспертно-диагностической и информационной системы оценки состояния высоковольтного оборудования / И. В. Давиденко, В. П. Голубев, В. И.Комаров, В. Н. Осотов / Электр, станции. 1997. № 6. 25-27 с.

87. Судов Е.В. CALS технологии или информационная поддержка жизненного цикла изделия. // PCWeek/RE - 1998. №45, 30 - 40 с.

88. Теория автоматического управления: учеб. для вузв по спец. «Автоматика и телемеханика» 2-е изд, перераб. и доп. / Бабаков H.A.,

89. Вронов A.A., и др.; под ред. A.A. Воронова. М.: Высш. Шк., 1986. - Т. 1.-367 с.

90. Техническое описание ОВБ. 140.268 Трансформатор силовой трехфазный типа ТДЦ 400000/500 1968 г. - 35 с.

91. Технические условия трансформаторы силовые трехфазные, двухобмоточные мощностью 400 Мва класса напряжения 500 кВ ТУ 16517.290-70. 1970 г.-40 с.

92. Тихомиров М.П. Расчет трансформаторов. М.: Энергия 1968 г. — 519 с.

93. Тихонов А.И. Разработка моделей и методов анализа и синтеза решений в автоматизированном проектировании электромеханических устройств. Диссертация докт. техн. наук — Иваново: ИГЭУ, 2007 г.

94. Фарбман С. А., Бун А. Ю. Ремонт и модернизация трансформаторов. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1961 г. 552 с.

95. Фатрелл Р.Т., Шафер Д.Ф., Шафер Л.И. Управление программными проектами. Достижение оптимального качества при минимуме затрат. -Москва, Санкт Петербург. Издательский дом «Вильяме» 2003. - 1125 с.

96. Шифрин Л.Н. Первый блочный трансформатор 500 кВ нового поколения типа ТДЦ-400000/500 для Бурейской ГЭС. / Электро. 2005. № 1. 28-31 с.

97. Шпур, Г. Автоматизированное проектирование в машиностроении / Г. Шпур, Ф.-Л. Краузе; пер. с нем. Г.Д. Волковой и др.; под ред. Ю.М. Соломенцева, В.П. Диденко. -М.: Машиностроение, 1988. — 648 с.