Нештатная ситуация • Анализ • Решения
Расширение функций автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) подстанций и электрических сетей промышленных предприятий возможно путем применения интеллектуальных подсистем на основе технологии экспертных систем.
Наши авторы сегодня рассказывают о содержании и возможностях таких подсистем, рассматривают советчики для оперативного и диспетчерского персонала по анализу нештатных ситуаций, систему планирования поиска повреждений в распределительных электрических сетях, а также о тренажере анализа нештатных ситуаций, обеспечивающем автоматизированную проверку умений диспетчерского персонала анализировать ситуации, связанные с технологическими повреждениями в электрических сетях.
НЕШТАТНЫЕ СИТУАЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Оперативный диспетчерский анализ на основе технологии экспертных систем
Юрий Любарский, д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС»
Александр Хренников, д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС»,
г. Москва
Николай Александров, НПП «Динамика»,
г. Чебоксары
В течение ряда последних лет (2013–2017) в технической литературе были опубликованы полученные в АО «НТЦ ФСК ЕЭС» результаты работ по автоматизации оперативного диспетчерского анализа нештатных (в том числе аварийных) ситуаций в электрических сетях промышленных предприятий [1–5].
Необходимо систематизировать эту информацию в рамках единой концепции. Анализ нештатных ситуаций может быть условно разделен по крайней мере на два основных направления:
- полный «релейный» анализ ситуации, выполняемый специалистами-релейщиками с целью фиксации возможных неисправностей устройств релейной защиты и автоматики;
- оперативный диспетчерский анализ ситуации для дежурного персонала (условно этот вид анализа будем называть диспетчерским экспресс-анализом).
Инструкции по ликвидации и предотвращению аварий в электрической части энергосистем [6] относятся прежде всего к экспресс-анализу.
ПАНС: ОБЪЕКТНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА
Работы НТЦ в области оперативного диспетчерского анализа были начаты для отдельного объекта (подстанции «Чагино»), где в качестве АСУ ТП используются системы фирмы Siemens. «Лист событий» (ЛС), формируемый в этом АСУ ТП, является излишне длинным: для одного события в нем может содержаться несколько десятков записей. Анализ такого списка сложен для дежурного персонала подстанции и чреват человеческими ошибками.
Можно использовать в АСУ ТП специальные фильтры для выделения только событий, важных для конкретного анализа. Но тогда перед анализом дежурный персонал должен выполнить специальную операцию – смену фильтра, а это еще один возможный источник ошибок в условиях дефицита времени. Кроме того, в ЛС АСУ ТП непосредственно фиксируются не все нужные для диспетчерского анализа технологические нарушения (такие как отказ выключателя, отказ УРОВ, затягивание срабатывания выключателя).
Для определения и описания ситуаций на уровне энергообъекта промышленного предприятия необходимо дополнить АСУ ТП этого энергообъекта специальной экспертной системой ПАНС (подстанционный анализ ситуации), а в дальнейшем развить эти системы для уровня электрической сети (например, ПМЭС) – системы САНС. Эти экспертные системы основаны на разработанной ВНИИЭ инструментальной системе МИМИР [7]. В ней принято представление базы данных (БД) семантическими сетями. Можно выделить два основных раздела БД:
- топологическая модель «первичной» электрической сети;
- логическая модель релейной защиты и автоматики РЗА.
Топологическая модель в обобщенном виде представлена на рис. 1, модель РЗА – на рис. 2.
Рис. 1. Топологическая модель первичной сети
Рис. 2. Логическая модель РЗА
База данных устроена таким образом, что обращение к ней из программы может иметь вид вопроса на ограниченном естественном языке со словарем из элементарных понятий БД. Например, на вопрос «РЗА ЗТ, события, срабатывание?» БД дает в качестве ответа указание на множество сработавших защит трансформаторов.
База данных в МИМИР дополнена системой программ на ограниченном естественном языке, имитирующих диспетчерские рассуждения на основе технологических правил из [6].
В результате получается язык программ-рассуждений, на котором легко задавать логику диспетчерских рассуждений.
Правила, на основе которых функционирует экспертная система ПАНС, определяются логикой работы РЗА. Например, если зафиксировано срабатывание защиты линии электропередачи, экспертная система определяет, на отключение каких выключателей действует эта защита, все ли ранее включенные выключатели из этого множества отключились. Для неотключившихся выключателей фиксируется событие «отказ выключателя» и проверяется, было ли срабатывание УРОВ этого выключателя, и т. п.
В другой, более сложной ситуации при срабатывании защит трансформаторов необходимо определить, имеются ли дефектные выключатели и какой тип дефекта (отказ, затяжка) имеет место (неотключившиеся выключатели перед опробованием погашенных шин напряжением нужно отключить, «разобрав» их схему разъединителями с нарушением блокировки, а для «затянувших» выключателей схема разбирается после опробования шин). Факт затяжки может быть логически установлен в рассуждении – УРОВ дефектного выключателя срабатывает до его отключения.
Результаты работы ПАНС могут составлять основу для доклада дежурного подстанции, направляемого сетевому диспетчеру при возникновении нештатной ситуации. Опыт испытаний ПАНС на подстанции «Чагино» положителен.
Для отображения результатов работы экспертной системы используется отображение системы КАСКАД-НТ [8].
САНС: СИСТЕМА АНАЛИЗА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ
Развитие системы для электрической сети (система САНС) [2] позволяет выявлять поврежденные элементы оборудования, отключенные элементы, обесточенные участки сети, отказы в срабатывании релейных защит, отказы и затяжки отключений выключателей.
Система дополнена, в частности, функцией анализа этой достаточно сложной ситуации, как ситуация дальнего резервирования [9]. При таком анализе экспертная система сначала определяет «погашенные» шины подстанций и отключившиеся линии, затем – срабатывание защит на подстанции с «погашенными» шинами и на смежных присоединениях. Учитываются ступени сработавших защит линий. На подстанции, где имелось повреждение, вызвавшее ситуацию дальнего резервирования, защита работает первой ступенью, а на смежных подстанциях – последними ступенями.
В качестве примера [3] рассмотрен фрагмент электрической сети после короткого замыкания на одной из линий и выведенном из работы УРОВ одного из выключателей этой линии (рис. 3).
Рис. 3. Фрагмент схемы электрической сети при коротком замыкании на ВЛ 110 кВ «Волконка – Головинка». Белым цветом обозначены участки сети без напряжения
Приведем синтезированное экспертной системой САНС текстовое описание ситуации:
Ситуация: ДАЛЬНЕЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ
Предположительно повреждение оборудования ВЛ 110 кВ Волконка–Головинка
– Срабатывание РЗА Головинка ВЛ Волконка ступ. 1
– Срабатывание защиты линии РЗЛ Волконка ВЛ 110 кВ Волконка–Головинка
– Отказ выключателя Волконка ВЛ 110 кВ Головинка
– НЕТ УРОВ
– Работа РЗА на смежных подстанциях
Для «ручного» анализа диспетчером эта ситуация является весьма сложной: защиты работали на пяти ПС, на четырех ПС отключились выключатели, причем на ПС «Волконка» нет отключений – она полностью обесточилась. Экспертная система САНС в этом случае дает исчерпывающее технологическое описание ситуации, понятное диспетчеру.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ РАССУЖДЕНИЙ В СОВЕТЧИКЕ ДИСПЕТЧЕРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
С помощью специальных программ-рассуждений и на основе технологических инструкций [6] можно формировать тексты советов по действиям диспетчерского персонала, необходимым в определенных ситуациях (и прежде всего в аварийных и предаварийных ситуациях). Собственно тексту совета предваряется сжатое текстовое описание ситуации.
Примеры формирования совета:
– Срабатывание защиты ДЗТ Волконка Т-1 16 МВА
– Резервная защита трансформатора
– Срабатывание УРОВ после срабатывания защиты трансформатора
– УРОВ Волконка Волконка В 110 Т-1
– Дефектный выключатель Волконка В 110 Т-1
– Отказ отключения выключателя
СОВЕТ: отключить вручную. Если выключатель не отключается, с разрешения диспетчера отключить линейные и шинные разъединители этого выключателя с нарушением блокировки безопасности.
Волконка. Нет резервного трансформатора. Трансформатор отключен резервной защитой
– Срабатывание защиты УРОВ Волконка Волконка В 110 Т-1
– Возможная неисправность выключателя Волконка В 110 Т-1
– Отказ отключения на подстанции Волконка
– Работе УРОВ непосредственно предшествует работа защиты трансформатора ДЗТ Волконка Т-1 16 МВА
Погашение шин Волконка I СШ 110
– отключены НЕ ВСЕ выключатели присоединений, связанных с данной СШ
– не отключился выключатель Волконка В 110 Т-1
– учтено ручное отключение неотключившегося выключателя
– если выключатель отключается, то с разрешения диспетчера опробовать – толчком подать напряжение на погашенные шины
– включить выключатель Волконка В-110 ВЛ Лазаревская
– при успешном опробовании СШ включить выключатели Волконка ОВ-110, Волконка ВЛ 110 кВ, ВЛ Якорная щель, Волконка Т-1 10 кВ
СОВЕТ: вывести в ремонт для осмотра и устранения повреждения трансформатор Волконка Т-1 16 МВА и выключатель Волконка В 110 Т-1
ТРЕНАЖЕР АНАЛИЗА НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ
Использованию САНС в качестве онлайновой системы-советчика препятствует пока практически полное отсутствие в ЕНЭС оперативной передачи информации о срабатывании защит с подстанций в диспетчерские центры.
Отметим, что важный этап деятельности диспетчера – анализ ситуации, возникшей в результате технологических нарушений, работы релейной защиты и автоматики, автоматического отключения оборудования – сейчас совершенно не охвачен существующими тренажерными системами.
Применительно к деятельности дежурного диспетчера ЦУС и ОДС электрических сетей анализ ситуации должен включать по крайней мере умение выявлять поврежденные элементы оборудования (например, при коротких замыканиях на линиях), отключенные элементы оборудования, обесточенные участки сети, отказы в срабатывании релейных защит, отказы и затягивания в срабатывании выключателей. Этот анализ диспетчер должен уметь производить на основе имеющейся оперативной информации: отображения в ОИК электрических схем с получаемыми от систем телемеханики положениями выключателей и значениями параметров, доклады дежурного персонала подстанций (срабатывания РЗА, переключения выключателей).
Анализ ситуации производится в условиях дефицита времени, а человеческие ошибки при таком анализе могут быть чреваты тяжелыми последствиями. «Ручная» подготовка соответствующих тренировок достаточно трудоемка. Поэтому для проверки и поддержания соответствующей квалификации диспетчерского персонала целесообразна разработка специального тренажера анализа нештатных ситуаций. Отсутствие или неполнота оперативной информации о срабатывании защит не является помехой при реализации тренажера – здесь сигналы срабатывания РЗА реализуются в имитационном режиме.
Использование советчика в тренажерном варианте имеет и самостоятельное практическое значение: открывается возможность эффективного контроля и повышения квалификации диспетчерского персонала. Только после всесторонней проверки в тренажерной среде функций разработанный на базе МИМИР советчик может быть включен в онлайновую работу.
Тренажер анализа нештатных ситуаций (АНС) предназначен для использования в диспетчерских службах электрических сетей и в центрах подготовки персонала.
Основные функции тренажера:
- компьютерная поддержка подготовки сетевых противоаварийных тренировок (удобное задание ремонтных схем и «тестовых» повреждений),
- автоматизированная проверка умений диспетчерского персонала анализировать ситуации, связанные с технологическими повреждениями в электрических сетях.
Преимущества тренажера:
– Простота подготовки тренировок. Для подготовки тренировки инструктор должен задать только ремонтируемое оборудование, оборудование с технологическим повреждением (например, линию с коротким замыканием), отказавшие выключатели (с указанием — отказ или затягивание в срабатывании).
– Естественность предъявления ситуации тренируемому. Коммутационное состояние схемы отображается на оперативной схеме (как в режимных тренажерах), списки событий предъявляются пообъектно – тем самым имитируется поступление докладов от дежурного персонала подстанций.
– Автоматизм анализа ситуации. В АНС должен производиться автоматический анализ ситуации, заданной при подготовке тренировки. При этом используется топологическая модель сети, модель РЗА и правила логического вывода. В имитируемой при тренировке ситуации определяются возможные технологические нарушения (в частности, короткие замыкания), отказавшие в отключении выключатели, срабатывания РЗА, отключившиеся элементы оборудования, отделившиеся районы сети. Результаты анализа автоматически формируются в форме протокола.
– Удобство выполнения тренировки. После сообщения тренируемого об окончании ознакомления с подготовленной инструктором ситуацией тренажерная система задает ему ряд вопросов. Например, указать (предположительно) поврежденный элемент оборудования, задать работу защит, указать, если необходимо, отказы или затягивания в срабатывании выключателей, указать работу АПВ и УРОВ, указать отключения оборудования и изменения положения выключателей. По результатам ответов тренируемого автоматически должно формироваться «Тренировочное описание ситуации».
– Объективность оценки результатов тренировки. Тренажерная система должна автоматически сравнивать «правильное» описание ситуации (результат автоматического анализа) с тренировочным описанием. В результате сравнения должен формироваться «Протокол оценки», содержащий определения правильных ответов тренируемого, указание ошибок и автоматическое выставление штрафных баллов за тренировку.
При задании в АНС условий тренировки руководитель тренировки задает:
- ремонтный режим сети (ремонты шин, ЛЭП, трансформаторов, выключателей),
- отключения выключателей от противоаварийной автоматики,
- поврежденный элемент оборудования (например, ЛЭП с коротким замыканием),
- отказы или затягивания в срабатывании выключателей.
Задания ремонтов производятся выбором по меню оборудования автоматически необходимых коммутаций в первичной схеме и в цепях РЗА (например, при выводе в ремонт одной системы шин подстанции с переводом присоединений и защит на оставшуюся в работе систему шин). При задании ремонтов в базу данных экспертной системы используется механизм автоматической имитации ремонтных заявок.
В процессе анализа ситуации формируется список – «Лист событий», содержащий тексты сообщений о срабатываниях РЗА и переключениях выключателей. Для имитации сообщений от персонала подстанций в процессе общесетевой тренировки этот список автоматически «разбирается» на списки сообщений от отдельных подстанций. Эти имитации докладов тренируемый может вызывать по именам подстанций.
После ознакомления с тренировочной ситуацией участники тренировки опрашиваются тренажером для выявления правильности распознавания ими ситуации. На основе ответов участника тренировки автоматически формируется «Тренировочное описание ситуации», причем обнаруживаемые экспертной системой ошибки тренируемого автоматически оцениваются в штрафных баллах.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОИСКА ПОВРЕЖДЕНИЙ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Возможности развития технологии экспертных систем в области оперативного диспетчерского анализа для более сложных логических задач показывает решение задачи построения системы-советчика диспетчера по локализации и устранению нарушений в работе распределительных электрических сетей 0,38–20 кВ [5]. Технология решения этого класса задач задана в инструктивном материале [10].
Решение о порядке ликвидации нарушения диспетчер должен принимать с учетом наличия и местонахождения персонала сетевых предприятий, возможности привлечения смежных организаций и потребителей, схемы сети, наличия транспорта и возможности проезда, погодных условий, степени ответственности отключенных потребителей.
От своевременности и безошибочности решений оперативного персонала при ликвидации аварий зависит эффективность и качество работы сетевого предприятия. Поэтому целесообразна разработка программного комплекса для планирования действий по обнаружению повреждений, включая управление перемещениями оперативно-выездных бригад (ОВБ). Задача является многофакторной – наряду с развитием семантических структур для задания топологии сети (наличия телеуправления выключателей, расположения и показаний фиксирующих приборов ФИП, расположения указателей поврежденного участка линий) требуется геоинформационная часть – граф дорог с указанием их протяженности и связи с подстанциями.
Результирующий план должен содержать действия по анализу электрических схем, но предусматривать выполнение этих действий в таком порядке, чтобы минимизировать число и «километраж» перемещений ОВБ (в зависимости от начального расположения ОВБ). В соответствии с этими условиями разрабатываются специальные программы-рассуждения. Предусматривается и тренажерный режим, когда тренируемый пользователь «вручную» задает план локализации повреждения, который в контрольном режиме сравнивается с эталонным планом, составляемым автоматизированной системой.
ВЫВОДЫ
Целесообразно включение в состав АСДУ подстанций и электрических сетей промышленных предприятий интеллектуальных подсистем, использующих технологию экспертных систем. Эти подсистемы, основные функции которых рассмотрены в данной статье, содержат семантические структуры для описания топологии объектов управления и специальные программы-рассуждения, основанные на технологических инструкциях.
Интеллектуальные подсистемы обеспечивают компьютерную поддержку оперативного персонала по анализу нештатных ситуаций на объектах управления. Кроме функций систем-советчиков, обеспечивается важная новая функция – построение диспетчерских тренажеров анализа нештатных ситуаций, обеспечивающих проверку и поддержание необходимой квалификации диспетчерского персонала электрических сетей. При этом тренажерная функция обеспечивается даже при дефиците или отсутствии оперативной информации о работе РЗА.
Использование экспертных систем для диспетчерского анализа нештатных ситуаций обеспечит существенное повышение надежности и качества диспетчерского управления.
ЛИТЕРАТУРА
- Анашкин С.В., Карташев С.В., Любарский Ю.Я., Мирошкин А.Г. Автоматизированный диспетчерский анализ нештатных ситуаций в электрических сетях // Электрические станции. 2013. № 9.
- Анашкин С.В., Каковский С.К., Карташев С.В., Любарский Ю.Я., Мирошкин А.Г. Тренажер для диспетчерского персонала электрических сетей // Электрические станции. 2014. № 2.
- Каковский С.К., Любарский Ю.Я. Программная система – советчик для управления электрическими сетями // Электрические станции. 2016. № 2.
- Любарский Ю.Я. Интеллектуальные модели рассуждений в советчике диспетчера электрических сетей // Электрические станции. 2017. № 3.
- Власюк В.Д, Каковский С.К., Любарский Ю.Я. Автоматизация поиска повреждений в распределительных электрических сетях // Электрические станции. 2015. № 4.
- Инструкция по предотвращению и ликвидации аварий в электрической части энергосистем. М.: Издат-во ЭНАС, 2004.
- Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы. М.: Наука, 1990.
- Рабинович М.А. Отображение оперативной информации. Комплекс КАСКАД-НТ.2.0. М.: изд-во ЭНАС, 2004.
- Таубес И.Р. Устройство резервирования отказа выключателя. М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Типовая инструкция по ликвидации нарушений в работе распределительных электрических сетей 0,38–20 кВ с воздушными линиями электропередачи. ТИ 34-70-058-86.
|
