Повышение достоверности информации в автоматизированных системах управления подстанциями постоянного и переменного тока

В связи с качественным изменением состава технических и программных средств вычислительной техники, в настоящее время появилась реальная возможность для создания централизованной системы управления и контроля всего технологического цикла энергообъекта, что позволило бы осуществлять решение всего круга задач сбора, обработки, передачи информации, а также управления объектом, в режиме реального времени. Таким образом, с увеличением объемов оперативной памяти и быстродействия в десятки — сотни раз, перед разработчиками программного обеспечения для АСУ ТП возникли новые задачи и появились широкие возможности для их реализации. В данный момент явно наметилась тенденция к увеличению доли сложных обрабатывающих программ в общем составе базового программного обеспечения АСУ ТП.

Можно выделить следующие основные особенности современных систем управления:

• использование цифровых методов для сбора и обработки информации на базе микропроцессорной вычислительной техники, начиная от устройств измерения сигналов и вплоть до составления оперативных документов;

• интеграция подсистем оперативного управления, контроля измерений, защиты и противоаварийной автоматики в единую систему;

• создание надежных баз данных, объединяющих информацию от всех систем;

• интеллектуализация процессов контроля и управления оборудованием и режимами подстанции.

Создание, в рамках АСУ ТП подстанций постоянного и переменного тока, такой системы,' отвечающей всем современным требованиям, невозможна/ ^ без внедрения алгоритмов повышения достоверности, надежности и качества информации.

Теоретические основы, алгоритмы и методы^ применяемые для / повышения достоверности информации в электроэнергетике разрабатываются с начала 60-х годов [1−10]. В настоящее время основные принципы теории сформулированы достаточно четко и наблюдается широкое внедрение ее методов в практику. Наиболее полное практическое применение в энергетике методы повышения достоверности получили в задачах управления электроэнергетическими системами для повышения надежности и качества исходной информации [11−17]. Практически во всех автоматизированных системах диспетчерского управления (Siemens, АВВ[18] и др.) реализованы алгоритмы статического и динамического оценивания состояния, экспертных систем оценки ситуаций и принятия решений, различные алгоритмы расчета неизмеряемых параметров установившегося режима. Применительно к отдельным подстанциям переменного тока, а также вставкам и передачам постоянного тока, внедрение алгоритмов обработки высокого уровня развивалось значительно медленнее. Это объясняется тем, что в России внедрение вычислительной техники в энергетике начиналось с верхних уровней автоматизированной системы диспетчерского управления. И лишь с начала 90-х годов началось практическое применение средств вычислительной техники нового поколения на нижних уровнях энергосистем — в автоматизированных системах управления технологическими процессами крупных электрических и тепловых станций, вставок и передач постоянного и подстанций переменного тока [19−24].

Опыт эксплуатации АСУ ТП Выборгской выпрямительно — инверторной подстанции [25] и результаты метрологических испытаний, проведенных на Южной ТЭЦ и в СП СДТУ АО «Ленэнерго», показали, что точность информации, получаемой по аналоговым каналам ввода от первичных датчиков, колеблется в пределах 2% - 5%. Это препятствует постановке ряда важных задач АСУ ТП, таких как оперативный контроль параметров режима, контроль потерь, дорасчет неизмеряемых параметров режима, некоторых задач диагностики силового и измерительного оборудования, построению советчиков диспетчеру и других.

Качество оперативной информации, используемой в АСУ ТП, может быть улучшено как за счет использования более совершенных технических средств (измерительных трансформаторов, датчиков и т. д.), так и за счет применения алгоритмических приемов предварительной обработки информации. Поэтому задача повышения точности и надежности исходной информации о текущем режиме является весьма актуальной.

Для решения данной задачи в части аналоговой информации, а также для дорасчета неизмеряемых параметров режима наиболее часто используются методы оценивания состояния. Для комплексной оценки работы измерительной системы с учетом значений дискретных и аналоговых сигналов, для создания.

— ¦ я систем оценки ситуаций и принятия решений (советчиков диспетчеру), используются методы построения баз знаний и экспертных систем.

При использовании в рамках верхнего уровня обработки информации для АСУ ТП электрических станций и подстанций данных алгоритмов в комплексе, интегрированно, становится возможным построение надежной информационной системы с минимальными погрешностями измерений и максимально комфортным для персонала отображением информации.

Таким образом, целью данной диссертационной работы является научное обоснование разработок, обеспечивающих построение в рамках АСУ ТП электрических станций и подстанций систем повышения достоверности и качества информации, с учетом отличий в постановке задачи для подстанций переменного тока, вставок постоянного тока и передач постоянного тока.

Диссертационная работа направлена на повышение надежности и исправности функционирования информационно-измерительной системы, увеличение точности измерений аналоговых и дискретных параметров установившегося режима, обеспечение оперативного контроля и управления энергообъектом, за счет использования наиболее эффективных и экономичных систем достоверизации информации.

Исходя из вышеизложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом: разработка и создание методов и алгоритмов построения систем повышения достоверности информации для АСУ ТП подстанций постоянного и переменного тока. Основные направления исследований:

1. Поиск путей повышения качества информации на основе анализа состояния теории и практики их проектирования, современных тенденций развития.

2. Исследование особенностей применения алгоритмов оценивания состояния для подстанций постоянного и переменного тока. Разработка способов повышения быстродействия и сходимости алгоритмов оценивания состояния для ПС, ВПТ и ППТ.

3. Разработка математической модели для расчета установившегося режима и статического оценивания состояния вставок и передач постоянного тока.

4. Систематизация способов диагностики исправности измерительной системы. Оценка их эффективности. Разработка оптимальных алгоритмов для подстанций постоянного и переменного тока.

5. Создание и разработка новых методов и алгоритмов для системы оценки ситуаций и принятия решений АСУ ТП ПС, ВПТ и ППТ на базе экспертных систем и логического анализа.

6. Разработка методов и способов практического применения систем повышения достоверности информации в АСУ ТП электрических подстанций, создание программных комплексов и их апробация на реальных объектах.

В диссертационной работе используются как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Решение указанных выше задач производилось с использованием теории оценивания состояния, численных методов математической статистики, линейной алгебры и методов решения и нелинейных систем уравнений. Использовались также элементы теории систем, системного анализа и математической логики.

Математическое описание объектов производилось с использованием методов расчета нормального режима подстанций постоянного и переменного тока.

Ряд вопросов, связанных с определением области применения разработанных алгоритмов и анализом математической модели измерений, решен с помощью экспериментов.

Принята следующая структура диссертационной работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, отражена их практическая ценность, дается краткое изложение основного содержания работы.

В первой главе подробно описаны теоретические положения, позволяющие реализовать в рамках АСУ ТП подстанций постоянного и переменного тока алгоритмы повышения достоверности, надежности и качества информации.

Изложена общая формулировка задачи оценивания состояния энергообъекта, анализ и обоснование существующих подходов и решений, показана возможность использования для АСУ ТП подстанций метода статического оценивания состояния.

Значительное* место уделено рассмотрению существующих методов, используемых для выявления ошибочных данных в информационно" измерительной системе.

В первой главе диссертационной работы сформулированы также требования к построению информационных систем оценки ситуаций и принятия решения для энергообъектов, изложены основные принципы и структура построения экспертных систем и методы построения работы решающего узла экспертной системы.

Таким образом, в первой главе изложена теоретическая основа построения систем повышения достоверности информации в АСУ ТП электрических станций и подстанций постоянного и переменного тока.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с реализацией алгоритмов оценивания состояния для подстанций переменного и вставок и передач постоянного тока. Сформулированы основные особенности, характеризующие решение задач оценивания состояния для подстанций переменного тока и вставок и передач постоянного тока.

Обоснован выбор состава вектора независимых переменных и вектора измерений для статического оценивания состояния. Предложены различные методы повышения быстродействия, устойчивости и сходимости работы алгоритма оценивания.

Далее рассмотрены вопросы, связанные с реализацией алгоритма оценивания для ВПТ и ППТ. Описана математическая модель объектов, получены аналитические формулы для вычисления параметров установившегося режима и матрицы Якоби.

Приведен алгоритм аппроксимации уравнений, описывающих установившийся режим и матрицу Якоби, с целью понижения нелинейности системы и улучшения сходимости и быстродействия при итерационном процессе.

В третьей главе рассмотрены методы и алгоритмы повышения достоверности информации в АСУ ТП передач и подстанций постоянного и переменного тока. Показаны возможные варианты построения подсистем обработки информации:

• Предложена методика для построения системы диагностики исправности измерительных каналов. i.

• Разработаны алгоритмы дорасчета неизмеряемых параметров системы, с использованием в качестве исходных данных для дорасчета как результатов измерений, так и результатов оценивания состояния.

• Разработана методика реализации алгоритмов «если-то» для построения решающего узла экспертной системы и предложены пути применения системы оценки ситуаций и принятия решений для энергообъекта.

В четвертой главе приведены результаты внедрения алгоритмов повышения достоверности информации в состав базового программного обеспечения АСУ ТП «Венец», разработанного в НИИПТ. Также приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных на Выборгской преобразовательной подстанции. Показано, что реализуя методы и алгоритмы повышения достоверности информации, удается получить качественно новый уровень автоматизированной системы управления, открывающий дополнительные возможности для эффективного управления энергообъектами.

В .заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертационной работы. На защиту выносятся:

• Системный анализ отечественных и зарубежных методов повышения достоверности информации, на основе которого создана и представлена классификация существующих методов и алгоритмов оценивания состояния, диагностики измерительных систем и систем оценки ситуаций, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию средств достоверизации информации.

• Теоретические положения для статического оценивания состояний подстанций постоянного и переменного тока, методики по минимизации затрат машинного времени и улучшению сходимости процессов при реализации алгоритмов оцениваниярезультаты построения математической модели для статического оценивания состояния, с учетом особенностей вставок и передач постоянного токааппроксимирующие зависимости для расчета установившегося режима и элементов матрицы Якоби для вставок постоянного тока.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов и алгоритмов работы системы диагностики исправности измерительных каналов и системы оценки ситуации и принятия решений.

• Результаты экспериментальных исследований по сравнительному анализу различных методов дорасчета неизмеряемых параметров режима.

• Созданные на основе разработанных методов и алгоритмов программные комплексы, позволяющие существенно поднять эффективность использования автоматизированных систем управления электрическими подстанциями постоянного и переменного тока и результаты их внедрения в рамках АСУ ТП «Венец» на Выборгской преобразовательной подстанции.

1. Основные результаты диссертационной работы.

1.1 .В работе выполнен анализ отечественных и зарубежных разработок в области повышения достоверности информации в автоматизированных системах управления энергообъектами. Рассмотрены различные пути решения подобных задач, а также пути повышения их качества на основе проведенных автором исследований и сопоставительных расчетов.

1.2. Сформулированы отличия в методах реализации оценивания состояния для подстанций постоянного и переменного тока. Предложены метод повышения быстродействия процесса оценивания путем однократного вычисления матрицы Якоби при реализации метода Ньютона — Рафсона и метод разделения на подсистемы по различным классам напряжения для снижения объема занимаемой памяти при решении задачи оценивания.

1.3. Представлена математическая модель для расчета установившегося режима и статического оценивания состояния вставок и передач постоянного тока. Предложена методика повышения быстродействия и сходимости алгоритмов оценивания состояния для ВПТ и ППТ, путем разложения в ряд Тейлора тригонометрических функций углов зажигания, погасания и коммутации.

1.4. Проанализированы способы диагностики исправности измерительной системы и на их основе разработан метод поиска неверных измерений для ПС, ВПТ и ППТ, позволяющий решать данную задачу в общем случае. Приведены результаты экспериментальной апробации метода, подтверждающие его высокую надежность и эффективность. Доказана возможность выявления с помощью этого метода не только неисправных измерительных каналов, но и ошибок в построении информационно-измерительной системы.

1.5. На базе экспертных систем и алгоритмов логического анализа разработаны новые алгоритмы для создания системы оценки ситуаций и принятия решений АСУ ТП.

1.6. Рассмотрены различные варианты построения систем дорасчета неизмеряемых параметров режима: по результатам измерений, по результатам измерений с усреднениями и по результатам оценивания состояния. Приведены результаты экспериментальных исследований применения различных способов дорасчета, показавшие высокую эффективность дорасчета по результатам оценивания состояния.

1.7. Рассмотрены возможности и разработаны способы практического применения систем повышения качества информации в АСУ ТП электрических подстанций и их апробация на реальных объектах.

1.8. Промышленная эксплуатация разработанных программных комплексов показала высокую надежность и эффективность предложенных алгоритмов.

2. Научная новизна диссертационной работы.

2.1. Для системного решения задач исследования автором создана и представлена классификация типов существующих методов и решений для повышения достоверности информации в АСУ ТП электрических станций и подстанций, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию средств решения данного класса задач.

2.2. Впервые рассмотрены особенности реализации и применения алгоритмов оценивания состояния для подстанций постоянного и переменного тока. Предложены методы повышения быстродействия процесса оценивания путем однократного вычисления матрицы Якоби и диакоптики (разделения на подсистемы) по различным классам напряжения для ПС или стороне выпрямителя и инвертора для ВПТ и ППТ.

2.3. На основании выполненного анализа различных методов решения задачи оценивания состояния автором впервые представлены теоретические положения по реализации задачи оценивания состояния для вставок и передач постоянного тока. Разработана методика повышения быстродействия и сходимости алгоритмов оценивання состояния для ВПТ и ППТ путем замены тригонометрических функций углов зажигания, погасания и коммутации на первые два слагаемых их разложения в ряд Тейлора.

2.4. Разработан метод поиска неверных измерений для ПС, ВПТ и ППТ, позволяющий решать данную задачу в общем случае. Он основан на анализе качества оценки по вероятности выполнения критерия %2 и дальнейшем отбрасывании и заменой на псевдоизмерения измерений с максимальным относительным остатком.

2.5. Разработаны новые алгоритмы для создания системы оценки ситуаций и принятия решений АСУ ТП ПС, ВПТ и ППТ на базе экспертных систем и алгоритмов логического анализа.

3. Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов •диссертационной работы.

3.1. Разработка теоретических положений и создание на их основе методов, алгоритмов и программных комплексов для повышения достоверности информации в АСУ ТП подстанций постоянного и переменного тока, стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение ряда новых задач, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям указанных ниже научных дисциплин и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, линейная алгебра, теория систем, математическая логика, теория оптимизации и планирование эксперимента. Математическое описание объектов производилось с использованием методов расчета нормального режима подстанций постоянного и переменного тока.

3.2. Разработанные теоретические положения и новые алгоритмические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе АО НИИПТ и Выборгской преобразовательной подстанции.

Созданные программные комплексы опробованы и прошли испытания в рамках различных научных программ, успешно используются в составе базового программного обеспечения АСУ ТП «Венец" — и АСУ ТП на Выборгской преобразовательной подстанции. Результаты экспериментов и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

4. Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

4.1. Внедрив методы и алгоритмы повышения достоверности информации на Выборгской преобразовательной подстанции, удалось получить качественно новый уровень автоматизированной системы управления, открывающий дополнительные возможности для эффективного управления энергоо.бъектом.

4.2. Разработано пять программных комплексов для повышения достоверности информации, в которых реализованы основные алгоритмы и результаты, полученные в диссертационной работе:

• Оценивание состояния.

• Система оценки ситуаций и принятия решений.

• Дорасчет неизмеряемых параметров режима.

• Диагностика измерительной системы.

• Ресурс оборудования.

Разработки включены в базовое программное обеспечение АСУ ТП «Венец» и внедрены в промышленную эксплуатацию на Выборгской преобразовательной подстанции в 1997;1999гг.

4.3. Внедрение алгоритмов и программ оценивания состояния и дорасчета неизмеряемых параметров позволило существенно расширить информационные возможности АСУ ТП без дополнительных материальных затрат. Стало возможным произвести дорасчет таких неизмеряемых параметров режима, как выпрямленное напряжение, углы регулирования, напряжения на вентилях и т. д.

4.4. Еще одним важным положительным эффектом при применении методов повышения достоверности информации в АСУ ТП, явилась практическая возможность оперативной оценки точности измерений по отдельным каналам. Внедрение программы оценивания дало возможность отказаться от очередных обязательных поверок измерительной системы, проводя их только в случае ухудшения метрологических характеристик. Это позволило существенно упростить эксплуатацию системы сбора данных АСУ ТП.

4.5. Ввод в эксплуатацию системы оценки ситуаций и принятия решений позволил реализовать функции советчика диспетчера, создать системы контроля за основными режимными параметрами и качеством работы измерительной системы, а также систему учета ресурса силового оборудования.

5. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской научно — технической конференции с участием специалистов стран СНГ, Литвы и дальнего зарубежья «Релейная защита и автоматика энергосистем — 98» — Москва, 1998.

• У симпозиуме ТРАВЭК «Электротехника 2010» — Москва, 1999.

• Х1У Научно — технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем — 2000» — Москва, 2000.

• Конференции молодых специалистов электроэнергетики — 2000 — Москва, 2000.

Заключение

.