Автоматизация подстанций

Розробка та застосування віртуальних ієрархічних структур для моделювання режимів, навчання і тренажу персоналу ОЕС України

Вступ

Нині питанням стратегії розвитку об'єднаної електроенергетичної системи (ОЕС) України приділяється велика увага. У найближчій перспективі планується організувати паралельну роботу ОЕС України і європейської об'єднаної енергосистеми. Тому важливими напрямами реалізації цієї стратегії є ефективне рішення актуальних завдань роботи з персоналом і створення сучасної системи навчання і тренажу на базі новітніх досягнень педагогічної науки і інформаційних технологій. У цій статті розглядаються питання розробки і застосування віртуальних ієрархічних структур для моделювання режимів, навчання і тренажу персоналу ОЕС України. Запропоновані нові підходи до створення інноваційного інформаційного моделюючого середовища, що дозволяє значно збільшити якість навчання в системі очно-дистанційного підвищення кваліфікації персоналу і при цьому зменшити витрати на відрядження.

Огляд методів навчання і тренажу персоналу зарубіжних та українських ОЕС

Керівництво оперативною експлуатацією розподіленого на усій території України енергетичного устаткування ОЕС України повинно здійснюватися дуже кваліфікованим персоналом. Недостатній рівень кваліфікації персоналу і відсутність готовності швидко ліквідовувати аварійні ситуації часто призводить до великих міжсистемних аварій і величезних матеріальних витрат на відновлення енергопостачання споживачів [1].

Проблеми формування і підтримки ефективних навичок і способів швидкої ліквідації умов виникнення і розвитку різноманітних аварій пов'язані з відсутністю в енергетиці сучасної системи підвищення кваліфікації персоналу. Існуюча система і принципи роботи з персоналом застаріли, відсутня єдина для енергетичної галузі навчально-методична база, а новітні досягнення інформаційно-комунікаційних технологій і електронного навчання практично не використовуються. Значною мірою такий стан системи підвищення кваліфікації пояснюється катастрофічною відсутністю необхідного фінансування і недостатньої уваги з боку керівництва галузі.

Відсутність аварій, як правило, призводить до зниження готовності оперативно-диспетчерського персоналу розпізнавати умови виникнення аварійних ситуацій і прогнозувати їх розвиток. Як наслідок - втрачаються навички швидкої ліквідації аварій. Тому дуже важливо почати розробляти нові робочі програми роботи з персоналом, що забезпечують високу якість навчання за рахунок застосування нових підходів, заснованих на сучасних принципах очно-дистанційного навчання, і правильного вибору структури й змісту навчально-методичної бази програм підвищення кваліфікації і тренажу персоналу. Застосування сучасних технологій навчання, що базуються на методах віртуалізації, дозволить забезпечити підтримку належних навичок персоналу і високу якість його підготовки [2,3,4]. Проте майже усі створені до теперішнього часу тренажери є локальними, реалізують обмежені функції і практично не підлягають модернізації і розвитку.

Особливості застосування віртуальних ієрархічних структур для моделювання режимів ОЕС України

Аналіз досвіду тривалої експлуатації зарубіжних і українських ОЕС показав, що однією з головних умов для якісного вирішення завдань навчання і тренажу оперативно-диспетчерського персоналу на усіх рівнях ієрархії існуючої системи управління є створення загального розподіленого інформаційного середовища моделювання ОЕС на базі віртуальних ієрархічних структур.

З теорії лінійних графів відомо [5], що будь-який розгалужений електричний ланцюг, що складається з M гілок, можна представити у вигляді суми умовно видалених з цієї мережі N гілок, які називають хордами або гілками зв'язку (перемичками), і деревом мережі з M, - N гілок, що залишилися. Такі дерева не мають замкнутих контурів. Кожна з N гілок зв'язку утворює тільки один незалежний контур ланцюга. При цьому існує велика кількість варіантів структур дерев і хорд для складних ланцюгів, вибір яких дуже сильно залежить від використовуваних алгоритмів рішення таких завдань. Нині існує величезна кількість алгоритмів і програм для аналізу і побудови конфігураційних моделей будь-яких складних мереж.

З метою розділення електричної мережі на дерева і гілки зв'язки, що утворюють незалежні контури, у роботі використаний багатоопорний алгоритм перебору прилеглих до вузлів гілок і формування їх у вигляді ярусів, що утворюють дерева і гілки зв'язку, що виділяються. Процес впорядковування завжди починається від так званих опорних вузлів, із заданою або відомою напругою. Опорні вузли представляють вузли схем заміщення джерел енергії - теплових, атомних і інших електростанцій, або граничні вузли між енергосистемами.

Конфігураційна модель складної електричної мережі представляється набором віртуальних ієрархічних структур моделей дерев і гілок зв'язку. Самі конфігураційні моделі гілок дерева і зв'язків формуються за допомогою індексних посилань, що спрощують розрахунок струмів гілок і напруги вузлів електричних мереж. Віртуальні ієрархічні структури моделей дерев і хорд формуються і підтримуються в реальному часі розподіленими серверами додатків для розрахунку режимів роботи електричних мереж у разі зміни їх параметрів, пов'язаних зі зміною генерації (навантаження) або комутаціями. Віртуальні розподілені сервери додатків обмінюються значеннями напруги граничних вузлів після завершення розрахунків режимів паралельно працюючих енергосистем.

Важливою особливістю розробленого алгоритму розділення мережі на дерево і хорди є уніфікація процесів обліку не лише замкнутих, а і розімкнених, так званих, вироджених контурів, утворених двома опорними вузлами. Нині для аналізу процесів і структур складних систем дуже часто використовують методи віртуалізації [2] і хмарних обчислень. До складних систем відносяться енергосистеми і їх об'єднання. Для таких об'єктів дослідження дуже ефективними є методи тензорного аналізу і діакоптики, запропоновані і розвинені Габріелем Кроном [6,7].

Цей підхід був використаний у даній роботі для аналізу і рішення завдань розрахунку напруги вузлів і струмів гілок складних електричних мереж, які виникають у разі реалізації повномасштабного режимного диспетчерського тренажера на базі віртуальної інформаційної моделі ОЕС України в цілому. Існують тензори різних порядків. Тензор нульового порядку є скалярною величиною. Тензор першого порядку - вектор, компоненти якого можуть бути виражені за допомогою матриці-рядка або матриці-стовпця. Компоненти тензора другого порядку в цій системі координат можуть бути записані у вигляді квадратної матриці. Важливо відмітити, що матриця не є тензором, а є тільки таблицею компонент тензора в деякій системі координат [8].

Тензорні рівняння ланцюгів еквівалентні матричним рівнянням. Тензори дозволяють представити розділення і об'єднання ланцюгів як перетворення системи координат. Зв'язок векторів напруги Vsі струмів Jsвиражається за допомогою тензора опорів другого порядку Vs=Zss·Js. Реалізований алгоритм рішення рівнянь простого ортогонального ланцюга Vs=Zss·Js, в якому не потрібно обернення повної матриці Zss. Також використаний алгоритм рішення дуального рівняння Js=Yss·Vs. Тензор Zss є коваріантним тензором другого порядку і має два однакові індекси, які вказують систему координат; Yss є двічі контраваріантний тензор. Вектори струмів Js і напруги Vs у цій системі координат розглядається як коваріантні тензори першого порядку.

При розрахунку ланцюгів по частинах увесь ланцюг поділяють на частини, гілки яких сполучені, а самі частини не мають взаємного зв'язку. Для цих окремих частин використовується метод виключення розімкнених або замкнутих контурів. Остаточний розв’язок рівнянь для початкового ланцюга виходить з рішень, які знайдені для рівнянь окремих частин загального ланцюга, що і складає основну ідею діакоптики.

Приклад варіанту представлення по ярусах фрагмента електричної мережі у вигляді дерев і хорд представлений на рис. 1.

Рис. 1. Фрагмент представлення ділянки мережі у вигляді дерева і хорд

Загальне розподілене інформаційне середовище моделювання ОЕС на базі віртуальних ієрархічних структур призначене для формування і підтримки у диспетчерського персоналу стійких навичок ліквідації аварійних ситуацій на усіх рівнях ієрархії управління енергосистемами і їх об'єднаннями.

Представляється доцільним доповнити середовище моделювання новими технологіями електронного навчання, включаючи інструментальні засоби для створення дистанційних курсів і відеоконференцій (вебінарів).

Досвід експлуатації віртуальної ОЕС України для навчання і тренажу персоналу

Нині однією з кращих у світі систем електронного навчання, якою користуються більше двох мільйонів користувачів у багатьох університетах розвинених країн, є Moodle - система управління курсами (електронне навчання), також відома як система управління навчанням або віртуальне повчальне середовище [9]. Moodle є абревіатурою від англійського Modular Object - Oriented Dynamic Learning Environment (модульне об'єктно-орієнтоване динамічне повчальне середовище).

Застосування Moodle в якості інструментального засобу дозволяє створити практично без великих витрат віртуальний університет навчання і тренажу персоналу галузі і реалізувати основні навчально-методичні функції контролю знань і підвищення кваліфікації, а саме, можливість отримувати необхідну для роботи інформацію (знання) і здатність використати отримані знання на практиці (уміння). Вільний доступ усього персоналу до технічної інформації сприятиме також придбанню нових компетенцій. На рис. 2. приведений фрагмент організації вебінара з тематики оперативних перемикань в електричних мережах.

Рис. 2. Фрагмент організації вебінара з тематики оперативних перемикань в електричних мережах

Такий підхід до створення інноваційного середовища навчання і тренажу персоналу в галузі забезпечить нові можливості для отримання оперативної інформації широкому колу користувачів. У нього можуть увійти, окрім діючого оперативно-диспетчерського персоналу, учителі і учні старших класів шкіл України для вибору майбутньої професії, студенти, аспіранти і викладачі технічних університетів для віртуального проходження практики на підприємствах, ознайомлення з умовами роботи на робочих місцях, проведення науково-дослідних робіт в області моделювання режимів роботи енергосистем і їх об'єднань. До роботи в університеті можуть бути запрошені кваліфіковані фахівці-енергетики, що вийшли на пенсію. Нині, на жаль, їх досвід і знання практично втрачаються.

На рис. 3. показаний фрагмент дистанційного курсу на тему: "Створення протиаварійних тренувань з використанням програмного тренажерного комплексу ПТК ОП++".

Віртуальні ієрархічні структури дозволяють здійснювати короткостроковий і довгостроковий прогнозний моніторинг режимів роботи ОЕС України в темпі виробництва з метою максимально швидкої реакції диспетчерського персоналу на різні порушення режимів.

Рис. 3. Фрагмент дистанційного курсу на тему: "Створення протиаварійних тренувань з використанням програмного тренажерного комплексу ПТК ОП++"

Створення розподіленого середовища моделювання віртуальної ОЕС України [2] надає нові можливості роботи з персоналом для проведення тренувальних навчань і протиаварійних тренувань (ПТ). Для персоналу усіх рівнів систем управління і експлуатації енергосистем і ОЕС спрощується доступ до необхідної інформації для щоденної роботи і забезпечується можливість організації і проведення ПТ безпосередньо на робочих місцях співробітників відповідних відділів і служб. Таким чином, значно зменшуються витрати, пов'язані з відривом персоналу від виробництва, істотно спрощуються питання своєчасного вивчення різних інструкцій, технічних характеристик і конструкцій нових пристроїв, що вводяться в експлуатацію, а також питання модернізації існуючих або створюваних тренажерів.

Нові інноваційні можливості розподіленого середовища моделювання енергосистем дозволяють інтегрувати на єдиній платформі найсучасніші технології навчання і нові повнофункціональні тренажери. Повний і зручний доступ до цього середовища дістають розробники-програмісти і технологи, навчанні і треновані спеціалісти, включаючи керівників ПТ, в слушний для цього час. На рис. 4. представлений фрагмент інтерфейсу користувача повнофункціонального тренажера ПОРТ в середовищі Moodle.

Включення представлених ієрархічних структур до складу тренажерів підвищить якість і ефективність навчання персоналу ОЕС України.

Висновки

1. Виконано аналіз сучасних методів навчання і тренажу персоналу українських та закордонних об’єднаних енергетичних систем; запропоновано використовувати віртуальні ієрархічні структури, що дозволяють адекватно моделювати нормальні і аварійні режими роботи енергетичного устаткування в реальному часі.

2. Розроблено конфігураційну модель складної електричної мережі, розглянуто принципи побудови та функціонування віртуальних ієрархічних структур для моделювання режимів об’єднаної електроенергетичної системи України.

3. Розглянуто досвід експлуатації розподіленого інформаційного середовища моделювання об’єднаних електроенергетичних систем на базі віртуальних ієрархічних структур для навчання і тренажу персоналу, та перспективи застосування розглянутих технологій навчання у інших галузях.

Рис. 4. Фрагмент інтерфейсу користувача повнофункціонального тренажера ПОРТ у середовищі Moodle

Список використаної літератури

1. Публикации Ассоциации СИГРЭ-Украина [Електронний ресурс] // Украинский национальный комитет Международного совета по большим электроэнергетическим системам CIGRE: офіц. сайт суспільної організації «Ассоциация СИГРЭ-Украина». – Текст. дан. – К., 2014-2015. – Режим доступу: http://cigre.org.ua/ru_co1_publikacii_associacii_sigre-ukraina.html (24.09.2015). – Назва з екрана.

2. Аветисян, Е.В. Моделирование режимов, обучение и тренаж персонала с использованием виртуальной объединенной энергосистемы (ВОЭС) Ураины / Е.В. Аветисян, В.А. Гуреев, О,В. Сангинова // Енергетика та електрифікація. – 2014. – №9/14. с. 28-35.

3. Гуреев, В.А. О решении нелинейных уравнений в задачах управления режимами электрических сетей / В.А. Гуреев, Н.Н. Редковский //Кибернетика и системный анализ. – 1993. – №4.– с.122-131.

4. Redkovsky, N.N. Optimization problems and calculation of electrical networks work regimes / N.N. Redkovsky and V.A. Goureev//Optimization, Methods & Software. – 1996. – Vol. 7. – p.112-117. Gordon and Breach Science Publishers.

5. Свами,М. Графы, сети и алгоритмы / М. Свами, К. Тхуласираман : Пер. с англ. / ред. В.А. Горбатов. – М.: Мир, 1984. – 455 с.

6. Крон,Г. Исследование сложных систем по частям (диакоптика) / Г. Крон : перев. с англ. – М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1972. – 544 с.

7. Крон, Г. Тензорный анализ сетей / Г. Крон: Пер. с англ. под ред. Л.Т. Кузина, П.Г. Кузнецова. М.: Сов. Радио, 1978. – 720 с.

8. Хэпп, Х.Диакоптика и электрические цепи / Х. Хэпп : перев. с англ. под ред. В.Г. Миронова, М: изд-во «МИР», 1974. – 342 с.

9. Модульне об'єктно-орієнтоване динамічне повчальне середовище[Електронний ресурс] // офіційний сайт Moodle. – Режим доступу:https://moodle.org/ (24.09.2015). – Назва з екрана.