Обучение операторов электростанций малой мощности с использованием тренажёрного комплекса Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК: 65.011.56

Т.Б. Чистякова, К.В. Петин, О.Г. Бойкова

ОБУЧЕНИЕ ОПЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕНАЖЁРНОГО КОМПЛЕКСА

Статья посвящена применению тренажёрного комплекса, включающего средства имитационного моделирования, для подготовки и переподготовки персонала потенциально опасного технологического объекта - электростанции собственных нужд, созданной на базе генераторных установок двух различных типов

- дизельного и газотурбинного.

Тренажёрные комплексы, малая энергетика, электростанции собственных нужд, имитационное моделирование, дизельные генераторы, газотурбинные генераторы

T.B. Chistyakova, K.V. Petin, O.G. Boykova

TRAINING OPERATORS AT LOW-POWER ELECTRICITY GENERATING STATIONS

USING TRAINER SIMULATORS

The article deals with the application data for a training complex including simulation models for personnel training at potentially hazardous industrial facility, i.e. elec-

tricity generating station with an auxiliary supply and constructed on the basis of two various type generators - diesel and gas turbine.

Trainer-simulators, low-power electricity generating station, auxiliary power plants, imulation modeling, diesel generators, gas turbine generators

Введение. Производство электроэнергии для добывающей промышленности относится к классу потенциально опасных процессов, для которых крайне важно своевременно реагировать на каждое изменение состояния объекта. Будучи сложной человеко-машинной системой, современная промышленность является сегодня не только возможным, но и периодически появляющимся источником техногенных аварий и катастроф, что предъявляет высокие требования к квалификации работающего персонала. В этой ситуации тренажерно-обучающие комплексы становятся одним из наиболее перспективных и востребованных средств повышения квалификации персонала. В данной статье рассматривается применение тренажёрного комплекса для обучения операторов электростанций собственных нужд, созданных на базе дизельных и газотурбинных генераторных установок, с целью обеспечения эффективной поддержки работы оборудования и своевременного устранения неполадок [1].

Общие сведения. С точки зрения управления электростанции собственных нужд (ЭСН) характеризуются:

- сложностью;

- большим количеством измеряемых параметров;

- высокой скоростью протекания процессов;

- опасностью в связи с использованием горючих газов и топлива, а также наличием высокого напряжения;

- наличием возмущающих воздействий со стороны смежных технологических процессов (состав, температура, давление и расход топлива, характеристики окружающей среды, состояние технологических объектов управления систем подготовки топлива и пр.).

В связи с перечисленными выше особенностями объекта управления персонал ЭСН должен обладать:

- хорошим знанием внутреннего устройства электростанции (генераторы электрического тока, выключатели отходящих линий, секционный выключатель, генераторные выключатели, распределительные устройства, трансформаторные подстанции, координирующий объект, потребители электроэнергии);

- пониманием причинно-следственных связей объекта управления со смежными технологическими процессами;

- навыками управления в штатных и нештатных режимах;

- умением прогнозировать возможные поломки и по возможности предотвращать их.

Задача обучения управлению электростанциями - обеспечение прочного и сознательного

овладения обучаемым персоналом теоретическими знаниями внутреннего устройства электростанций собственных нужд и протекающих в них процессов, практическими умениями и навыками принятия решений в условиях динамичных потенциально-опасных процессов.

Тренажёр предназначен для подготовки операторов при управлении параллельной работой генераторных установок электростанций собственных нужд с различными характеристиками переходных процессов в различных режимах функционирования. Он включает следующие функциональные блоки:

- экспертную систему для оценки знаний подготавливаемого персонала, описания и обнаружения нештатных ситуаций в рассматриваемой энергосистеме, а также формирования рекомендаций по безаварийному управлению;

- систему имитационного моделирования для обеспечения как можно более точного воспроизведения реакций реального объекта с целью отработки навыков безаварийного управления у обучаемого персонала;

- редактор сценариев, позволяющий управлять процессом обучения с целью максимально эффективного использования имеющихся средств моделирования;

- систему формирования отчётов и протоколов обучения для подробного анализа результатов обучения и тестирования;

- модуль организации активного обучения с использованием средств имитационного моделирования;

- модуль организации обучения теоретическим основам управления электростанцией;

- система разделения доступа с целью распределения функциональности между участвующими в учебном процессе специалистами различных специализаций и квалификации.

Общая структура тренажёрного комплекса представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура тренажёрного комплекса

В основе методики обучения лежит фреймовый подход к описанию процесса как объекта управления и обучения, и продукционный алгоритм синтеза обучающего комплекса на основе анализа разработанного фреймового описания. Ниже приведено описание основных компонентов тренажёрного комплекса [2].

Модели. Модели ЭСН строятся из отдельных блоков, имитирующих работу отдельных элементов электростанции, таких как генераторы электрического тока, выключатели отходящих линий, секционный выключатель, генераторные выключатели, распределительные устройства, трансформаторные подстанции, система управления на базе контроллеров и промышленных компьютеров, потребители электроэнергии. Все эти элементы моделируют работу соответствующих составных частей электростанции и могут комбинироваться в любой последовательности и связываться в единую информационную сеть, имитирующую работу ЭСН, что позволяет использовать её в процессе обучения. Более подробно процесс моделирования описан в [3]. Данный подход обеспечивает возможность имитации в реальном времени реакций электростанции на действия обучаемого, что облегчает понимание принципов её функционирования. Пример структурной схемы модели электростанции, построенной подобным способом, представлен на рис. 2.

Сценарии. Для имитации случайных процессов (таких как отказы, нештатные ситуации и др.) используются сценарии. Сценарии необходимы для того, чтобы вызвать требуемое событие в нужный момент времени с целью стимулирования реакции пользователя на него. После возникновения события, генерируемого по сценарию, дальнейшее изменение состояния системы происходит в соответствии с динамикой внутренних процессов модели, а также действиями пользователя, что может привести к возникновению новых событий, не указанных в сценарии. Например, если при помощи сценария генерируется событие отказа генераторной установки, то оно неминуемо приведёт к увеличению нагрузки на остальные генераторы, которые в зависимости от нагрузки могут перейти в режим работы с перегрузкой, что, в свою очередь, может повлечь массовое отключение генераторов, если оператор не примет своевременные решения по внесению управляющих воздействий. При помощи сценариев могут быть сгенерированы события, которые в реальности носят случайный характер, что затрудняет тренировку правильной реакции на них. Такими событиями являются отказы и сбои в работе оборудования, изменения электрической нагрузки, возникновение различных факторов, влияющих на характеристики оборудования (износ, изменение давления, состава топлива, колебания частоты и напряжения в сети, короткие замыкания в сети, несинхронное включение в сеть) и другие. Изменение нагрузки на электростанцию происходит по отдельному сценарию, представляющему собой график изменения потребляемой нагрузки, задаваемый для каждого потребителя. Пример последовательности событий представлен на рис. 3, где изображены как события, наступающие по сценарию, так и зависящие от них, но не указанные в сценарии. События 1, 3 и 5 в этой последовательности 92

происходят по сценарию, событие 7 является результатом действий пользователя, остальные события наступают в результате реакции системы на внешние возмущения.

Высоковольтные линии элек- РУ - распределительное устройство, СВ - секционный

тропередачи выключатель, ВВ - высоковольтный выключатель (вы-

ключатель отходящей линии), ТП - трансформаторная Управляющие сигналы подстанция

Рис. 2. Пример модели электростанции

Рис. 3. Пример последовательности событий в системе

Стратегии обучения. Тренажёрный комплекс поддерживает несколько способов организации учебного процесса [4, 5]. Это активное обучение с использованием средств имитационного моделирования и обучение теоретическим основам управления электростанцией. В первом случае используется математическая модель конкретной электростанции для имитации ответных реакций на действия обучаемого. Своевременность и адекватность управляющих воздействий анализируются экспертной системой, после чего производится качественная оценка действий пользователя. Во втором случае пользователю предлагается нештатная ситуация из опыта эксплуатации реального объекта энергетики (это может быть ситуация, характерная как для типа электростанции, с которым связана профессиональная деятельность обучаемого, так и для любого другого), в которой нужно принять решение по безаварийному управлению. Путей выхода из предложенной нештатной ситуации может быть несколько, и экспертная система оценивает соответствие выбранного пользователем варианта начальным условиям задачи. Этот способ характеризуется тем, что с его помощью можно проводить

обучение на примерах нештатных ситуаций, которые сложно или невозможно реализовать при помощи модели (например, отказы, связанные с топливной системой, функционирование которой не реализовано в модели генератора).

Таким образом, может быть реализовано большое количество курсов обучения, направленных на развитие различных навыков управления. Программа обучения различных курсов может включать следующие типы заданий:

— изучение аварийных, нештатных, эксплуатационных ситуаций. Пользователю предлагается заранее смоделированная при помощи сценария нештатная ситуация, в которой нужно произвести управляющие воздействия с целью перевода электростанции в регламентный режим функционирования. При этом конфигурация электростанции не может быть изменена, а пользователю выдаются инструкции для успешного выполнения задания;

— изучение режимов эксплуатации объекта. Задания направлены на освоение сведений об оптимальном управлении в различных режимах эксплуатации;

— выбор оптимальной конфигурации электростанции. В этом задании пользователь должен проанализировать предложенные варианты конфигураций электростанций в режиме функционирования с заданным набором потребителей и выбрать наилучший вариант с учётом степени удовлетворения запросов потребителей, стоимости и т.п. При выполнении этого задания пользователю также предлагаются инструкции;

— выдача рекомендаций по модернизации существующей электростанции для удовлетворения возросшей потребности потребителей. Предлагается выбрать дополнительные модули электростанции, которые позволят увеличить её мощность до требуемого уровня;

— прогнозирование поломок. Пользователю предлагается оценить состояние отдельных узлов электростанции по результатам их диагностики, сделать прогноз возможных отказов и внести предложения по их предотвращению;

— совместное управление. Несколько операторов выполняют различные функции по поддержанию работоспособности электростанции. При этом модель электростанции функционирует на удалённой рабочей станции;

— изучение экспертных знаний по управлению и причинно-следственных связей объекта управления.

Завершающим этапом обучения является тестирование. Оно проводится в два этапа - тест на теоретические знания и демонстрация навыков управления на модели. При этом также задействуется экспертная система для оценки действий и ответов обучаемого.

Разделение функциональности. Тренажёр имеет систему разграничения прав доступа на основе ролей, что позволяет принимать участие в учебном процессе специалистам различных специализаций с разным уровнем квалификации. Основных уровней доступа два - уровень стажёра, дающий доступ только к подсистемам обучения и проверки знаний, и уровень инструктора, позволяющий использовать все остальные режимы работы. Такой подход позволяет реализовать гибкие, изменяющиеся динамически в процессе функционирования системы, правила разграничения доступа. Гибкость заключается в возможности создания различных курсов обучения, состоящих из теоретических задач и практических упражнений, и выборочного назначения их стажёрам или группам стажёров, которые также создаются инструктором. Это означает, что фактически роль стажёра определяется инструктором, выбирающим как тип, так и сложность заданий, составляющих курс обучения, а роль стажёра могут исполнять специалисты, находящиеся на разных уровнях управления электростанцией, - стажёром может быть начальник смены цеха, дежурный электрослесарь, руководство цеха.

Роль инструктора. Тренажёр рассчитан на постоянное взаимодействие обучаемого и инструктора. Инструктор исполняет роль главного координатора учебного процесса. Он создаёт обучающие примеры, включающие модели и сценарии, вопросы с вариантами ответа и задания, требующие анализа исходных данных. Инструктор разделяет пользователей на группы, назначает им курсы обучения и анализирует результаты тестирования. На рис. 4 в виде диаграммы вариантов использования тренажёрного комплекса изображены роли всех участников процесса обучения.

Результаты. В ходе тестирования методики обучения была разработана структура ЭСН, включающая экспертную систему: БЗ (описание 9 нештатных и 10 аварийных ситуаций с рекомендациями по их устранению, а также 9 рекомендаций по безаварийному управлению), машину вывода, позволяющую анализировать полученные данные и выдавать рекомендации по оптимальному безаварийному ведению процесса, подсистему редактирования БЗ (в том числе ее расширения), что позволяет ее адаптировать к условиям проведения процесса на различных предприятиях; математиче-94

ские модели базовых элементов ЭСН (около 20 эмпирических уравнений расчёта параметров процесса).

В ходе тестирования сформированной системы по данным с предприятия ООО «СЗЭК», был произведён синтез обучающей модели ЭСН, адекватность которой была подтверждена в ходе апробации. Проведённое тестирование показало применимость системы в режиме интеллектуального советчика оператора при управлении электростанцией собственных нужд, обучения управленческого персонала выбору оптимальных управляющих воздействий и ликвидации нештатных ситуаций, обучения системы при адаптации ее к изменяющимся условиям.

Рис. 4. Диаграмма вариантов использования тренажёрного комплекса

Выводы. Представленный тренажёрный комплекс позволяет работать в следующих режимах: активное обучение с использованием средств имитационного моделирования; обучение теоретическим основам управления электростанцией; тестирование на усвоение теоретических знаний и проверка навыков управления с использованием сгенерированной модели. Он имеет гибкий интерфейс, позволяющий создавать модели и сценарии для реализации различных стратегий обучения, использует преимущества распределения ролей, что делает возможным индивидуальный подход к каждому стажёру или группе стажёров. Эффективность процесса обучения увеличивается за счёт постоянного контроля со стороны инструктора и возможности внесения изменений в программу, а наличие автоматизированных средств для реализации стратегий обучения позволяет повысить эффективность работы инструктора и обеспечить постоянное совершенствование программы обучения за счёт использования и развития ранее накопленного материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. М.: СПО ОРГРЭС, 2003.

2. Чистякова Т.Б. Интеллектуальные автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы в системах управления потенциально-опасными химическими производствами: дис. ... д-ра техн. наук / Т.Б. Чистякова. С.-Пб., 1997. 485 с.

3. Петин К.В. Программный комплекс для имитационного моделирования электростанций малой мощности, созданных на базе генерирующих установок различного типа / К.В. Петин, О.Г. Бойкова, Т.Б. Чистякова // Системы управления и информационные технологии. 2010. №3.

4. Магид С.И. Теория и практика тренажеростроения для тепловых электрических станций / С.И. Магид. М.: МЭИ, 1998.

5. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов / В.М. Дозорцев. М.: Синтег, 2009.

Петин Кирилл Владимирович -

аспирант

Санкт-Петербургского государственного технического университета

Бойкова Оксана Геннадьевна -

кандидат технических наук, начальник отдела АСУТП «Доминанта-Энерджи», г. Санкт-Петербург

Kirill V. Petin -

Postgraduate

St. Petersburg State Technical University

Oksana G. Boykova -Ph. D.

Head: Division of Automatic Process Control Systems «Dominanta - Energy», St. Petersburg

Чистякова Тамара Балабековна - Tamara B. Chistyakova -

доктор технических наук, профессор, Dr. Sc., Professor

заведующий кафедрой «Системы автоматизированного Head: Department of Computer-Aided Design

проектирования и управления» Санкт-Петербургского St. Petersburg State Technical University

государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 02.03.12, принята к опубликованию 04.06.12