CC BY
59
Оригинальная статья / Original article УДК 621.316.1:004: 378.147:004.891 DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-156-164
ТРЕНАЖЕР «ОПЕРАТОР СЕТИ» КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ КОМПЕТЕНЦИЙ ОПЕРАТОРОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
© А.Г. Фишов1, В.П. Шойко2, В.К. Калуга3
19
, Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, пр-т Карла Маркса, 20. 3ЗАО «Е4-СибКОТЭС»,
Российская Федерация, 630049, г. Новосибирск, ул. Советская, 5.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В настоящее время подготовка кадров в вузах России ведется на основе компетентностного подхода, предполагающего не только приобретение знаний, но и навыков профессиональной деятельности, синтезирующих полученные знания. Реализация компетентностного подхода невозможна без активных форм обучения, к наиболее эффективным из которых относятся компьютерные тренажеры. МЕТОДЫ. На кафедре автоматизированных электроэнергетических систем НГТУ совместно со специалистами электросетевой компании разработан специализированный компьютерный тренажер «Оператор сети», предназначенный к использованию как в реальной профессиональной, так и в учебной деятельности, способный осуществлять противоаварийные, режимные тренировки и подготовку по оперативным переключениям в электрических сетях высокого напряжения. РЕЗУЛЬТАТЫ. Тренажер обеспечивает имитацию нормальных и аварийных режимов сети, работу средств релейной защиты и автоматики, визуализацию процессов в интерфейсах оперативного управления, реализацию сценарных и случайных аварийных ситуаций. Основное достоинство тренажера - база знаний и реализованная на ее основе экспертная система, обеспечивающие обучающий режим советчика и режим аттестации действий оператора. Тренажер является динамическим, позволяет учесть взаимодействие оперативного персонала. ВЫВОДЫ. Отмеченные возможности тренажера обеспечивают формирование профессиональных компетенций операторов распределительных электрических сетей.
Ключевые слова: распределительная электрическая сеть, оператор, активные методы обучения, компетенции, компьютерный тренажер, экспертные системы.
Формат цитирования: Фишов А.Г., Шойко В.П., Калуга В.К. Тренажер «Оператор сети» как средство формирования профессиональных компетенций операторов распределительных электрических сетей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 156-164. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-156-164
«NETWORK OPERATOR» COMPUTER SIMULATOR AS A MEANS TO FORM PROFESSIONAL COMPETENCES OF ELECTRICAL DISTRIBUTED NETWORK OPERATORS A.G. Fishov, V.P. Shoiko, V.K. Kaluga
Novosibirsk State Technical University,
20, K. Marx pr., Novosibirsk, 630073, Russian Federation.
JSC "E4- SibCoTES",
5, Sovetskaya St., Novosibirsk, 630049, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. Today, Russian Universities conduct professional training on the basis of the competence approach, which includes the acquisition of both knowledge and professional skills that synthesize the obtained knowledge. Implementation of competence-based approach is impossible without the active forms of training the most effective of which include computer simulators. METHODS. The Department of Automated Electrical Power Systems of Novosibirsk
1
Фишов Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных электроэнергетических систем, e-mail: fishov@ngs.ru
Alexander G. Fishov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automated Electrical Power Systems, e-mail: fishov@ngs.ru
2Шойко Владимир Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электроэнергетических систем, e-mail: shoiko@ngs.ru
Vladimir P. Shoiko, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automated Electrical Power Systems, e-mail: shoiko@ngs.ru
3Калуга Валерий Константинович, главный специалист, e-mail: kaluga@cotes.ru Valeriy K. Kaluga, Chief Specialist, e-mail: kaluga@cotes.ru
State Technical University in cooperation with the specialists of the power grid company developed a specialized "Network operator" computer simulator intended to be used in both real professional and educational activities. Such simul a-tor is able to perform emergency response, performance training as well as preparation on operational switching in high voltage electrical networks. RESULTS. The simulator models normal and emergency operation modes of a network, operation of relay protection means and automation; visualizes the processes in the interfaces of operational control, implements customized and random accidents. The main advantage of the simulator is a knowledge base and an expert system implemented on its base which provide an advising training mode and a certification mode of operator's actions. Being dynamic, the simulator allows to take into account interaction of the operating personnel. CONCLUSIONS. Simulator characteristics described above provide the formation of professional competences of power distribution network operators.
Keywords: power distribution network, operator, active methods of training, competences, computer simulator, expert systems
For citation: Fishov A.G., Shoiko V.P., Kaluga V.K. «Network operator» computer simulator as a means to form profe s-sional competences of electrical distributed network operators. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 1, pp. 156-164. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-156-164
Введение
В настоящее время подготовка кадров в вузах России ведется на основе ком-петентностного подхода, который реализуется в рамках требований федеральных государственных образовательных стандартов и предполагает формирование системы компетентностей, необходимых для конкретного вида профессиональной деятельности.
Выделим компетенции государственного образовательного стандарта по электроэнергетике и электротехнике, которыми должны обладать операторы распределительных электрических сетей:
• готовность применять методы и средства автоматизированных систем управления технологическими процессами электроэнергетической и электротехнической промышленности;
• способность владеть приемами и методами работы с персоналом, методами оценки качества и результативности труда персонала, обеспечения требований безопасности жизнедеятельности;
• способность действовать в нестандартных ситуациях, нести ответственность за принятые решения;
• способность оценивать риски и определять меры по обеспечению безопасности разрабатываемых новых технологий, объектов профессиональной деятельности;
• способность определять эффективные производственно-технологические режимы работы объектов электроэнергетики и электротехники.
Инновационные образовательные технологии
Совершенствование профессиональной подготовки кадров на основе ком-петентностного подхода ведется с применением инновационных образовательных технологий, основу которых составляют активные методы обучения (АМО). Если в качестве классификационного признака
выступает имитируемая деятельность, то АМО можно разделить на две группы -имитационные и неимитационные4. Отличительной особенностью имитационных АМО является наличие модели изучаемого процесса (имитация объекта и процесса деятельности).
4Зарукина Е.В., Логинова Н.А., Новик М.М. Активные методы обучения: рекомендации по разработке и применению: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГИЭУ, 2010. 59 с. / Zarukina E.V., Loginova N.A., Novik M.M. Active methods of training: recommendations on development and application. St.-Petersburg, SPbGIEU Publ., 2010, 59 p.
В свою очередь имитационные АМО подразделяются на игровые и неигровые. Методы, при реализации которых обучаемые должны играть определенные роли, относятся к игровым. Использование деловых игр в оперативно-диспетчерском управлении рассматривается в работах [1, 2]. Для моделирования объекта деятельности и процессов в нем используются специализированные профессиональные тренажеры «Финист» (для противоаварийных тренировок диспетчерского персонала), «Модус» (тренажер оперативных переключений).
К одному из имитационных неигровых методов можно отнести индивидуальный тренаж, который проводят с помощью
специально сконструированных тренажеров.
Эффективность формирования профессиональных компетенций зависит от уровня соответствия методов и средств обучения поставленным целям и задачам. Возможно использование нескольких видов АМО. При этом методы могут не просто сочетаться, но и дополнять друг друга. Сочетание имитационных игровых и неигровых АМО реализовано в компьютерном тренажере «Оператор сети». Рассмотрим, как это способствует формированию компетенций операторов распределительных электрических сетей.
Основные модели, возможности тренажера «Оператор сети» и формирование компетенций с его помощью
Основные модели и область применения тренажера приведены в работах [3, 4]. На рис. 1 показан объект управления (распределительная электрическая сеть 110/35/10 кВ) и текущее расположение элементов интерфейса тренажера. Основой тренажера является автоматизированная система диспетчерско-технологи-ческого управления (АСДТУ). Элементы АСДТУ расположены на верхней панели. Манипулируя этими элементами, оператор знакомится с возможностями современных систем управления. Реализованные в АСДТУ функции позволяют:
• загружать схемы объектов управления (РЭС, подстанций, сетей 10 кВ);
• дистанционно управлять коммутациями выключателей;
• иметь возможность наблюдать текущие значения режимных параметров с сигнализацией о недопустимых отклонениях;
• видеть состояние всех коммутационных аппаратов;
• отображать отклонение от нормальной схемы и отсутствие напряжения на элементах схемы;
• формировать электронный оперативный журнал.
Для удобства работы в АСДТУ неко-
торые функции продублированы в еще одном элементе - всплывающем меню. Важным пунктом меню является «Информация с панелей РЗА». Через него оператору доступна информация об оперативных элементах вторичных цепей - блинкерах, накладках, ключах и т.д.
Таким образом, работа на тренажере, базой которого является АСДТУ, формирует готовность применять методы и средства автоматизированных систем управления технологическими процессами.
Важным компонентом деятельности оператора являются его коммуникационные способности, формирование которых обеспечивается с помощью организации взаимодействия с диспетчером предприятия электрических сетей (ДПЭС), оперативно-выездными бригадами (ОВБ), потребителями. Отметим, что в моделях взаимодействий учтены наиболее типичные действия, что особенно важно для начального этапа подготовки оператора:
• отношения между оператором и ДПЭС (вышестоящий персонал), оператором и потребителями уведомительного типа;
• взаимодействие оператора с ОВБ (подчиненный персонал) на уровне распоряжений (рис. 2).
Рис. 1. Интерфейс тренажера «Оператор сети» Fig. 1. Interface of the "Network operator" simulator
Рис. 2. Взаимодействие между субъектами и объектом управления Fig. 2. Interactions between the subjects and the object of control
Через взаимодействие с ДПЭС формируются устойчивые навыки уведомления об аварийной ситуации и выполненных действиях. Закрепляются принципы управления оборудованием - диспетчерское (технологическое) ведение и управление.
Работа на тренажере является индивидуальным тренажем оператора. Однако она содержит элементы деловой игры с ролевым составом. То есть, если оператор выдает ОВБ распоряжение о выводе оборудования в ремонт, то сам же его выполняет, но находясь уже в роли ОВБ.
Роль ДПЭС относительно пассивна. Он информирует о возможных отключениях вне объекта управления или разрешает запрашиваемые в заявке действия и операции с оборудованием. Но, если в ходе тренировки или в ее конце не уведомить его о выполнении заявки, то ДПЭС обозначает свое участие в игре соответствующим сообщением с начислением штрафа.
Важной составляющей тренажерных систем является моделирование аварийных ситуаций. Возможно два подхода - детерминированный и вероятностный (рис. 3).
В тренажере «Оператор сети» реализованы оба подхода. При детерминированном подходе в имитации аварийных ситуаций, используя редактор сценариев, достаточно указать оборудование, ненормальное состояние элемента и момент
возникновения повреждения.
При вероятностном подходе к моделированию аварийных ситуаций по топологической информации с учетом текущего состояния коммутационных аппаратов формируется расчетная схема и рассчитывается режим сети. Если оборудование находится под напряжением, то формируется текущий перечень оборудования, запускается марковский процесс возникновения аварийной ситуации. При возникновении у какого-либо оборудования аварийного состояния выбирается его элемент с учетом относительной вероятности и фиксируется ненормальное состояние этого элемента.
Имитация аварийных процессов в вероятностной постановке воспроизводит «естественную жизнь объекта» и не требует разработки сценария тренировки, так как он генерируется автоматически. Путем изменения коэффициента аварийности имеется возможность увеличивать интенсивность аварийных ситуаций по отношению к заданным среднестатистическим данным. Также имеется возможность выбирать из сформированного текущего перечня оборудования требуемый аварийный процесс и объект, а повреждаемый элемент и характер повреждения выбираются случайным образом по заданным относительным вероятностям возникновения состояний.
Поддоаы « имитации Approach«« to
амрииныд ситуаций I situation «mutation
Детерминированный I Determinate Ааарми возникают • моамчхе а сценарии моменты времени (■жесткий сценарий*)/ Accident» occur at predetermined tone* ««the scenario ("hanT acenano); Требует редактор сценариев Require* a aenpt editor Удобен а режиме контроля I la convenient m • control mode
Вероятностный I РпЫЬЛчЬс. Аварии юмыпт а проияольиые моменты времв»м («гибкий сценарии») I AccKlenta occur at random time» ГПюЫв* капало).
Требует прим» чем теории случайны» процесса» «марковски* процессы)/ Roqura application ot the theory Ы random proceewt (Uartuw ргос«ввм) Удобен в реяиме самообучении при нашем возможности «им» i hi mm интенсивности аварийны» ситуаций ' V» converuent m a eelt teairanq mode if t m ров*4йе to change the intanxtyol emergency eituMiont
Рис. 3. Характеристика подходов к имитации аварийных ситуаций Fig. 3. Characteristics of approaches to emergency situation simulation
Таким образом, в тренажере «Оператор сети» реализована возможность задания и воспроизведения нестандартных ситуаций, а также возможность выбора требуемого процесса и объекта при их большой вариативности.
Контроль над деятельностью оператора выполняют эксперты. В тренажере реализован совет экспертов, при этом каждый вид деятельности оценивает отдельный эксперт:
• эксперт по оперативным переключениям в первичных цепях;
• эксперт по оперативным переключениям в цепях ТСН, ТН и РЗА;
• эксперт по аварийным ситуациям (возникновение замыкания на землю; аварийное отключение трансформатора, ЛЭП, шин; отказ коммутационных аппаратов);
• эксперт, контролирующий превышение допускаемой длительности перегрузки трансформатора;
• эксперт, контролирующий недоот-пуск электроэнергии (контролируется как общий недоотпуск, так и недоотпуск, возникающий из-за оперативных переключений);
Модели экспертов реализованы с помощью теории экспертных систем (ЭкС).
ЭкС по оперативным переключениям построена с использованием продукционного представления знаний. Реализация в полном объеме наиболее общих правил переключений достигается путем применения топологической связанности схем различного уровня и режимных параметров. При выполнении ошибочной операции экспертами по оперативным переключениям в режиме самообучения выдается список нарушений (рис. 4). Нажав кнопку в колонке «Справка», можно получить контекстную помощь.
Таким образом, ЭкС по оперативным переключениям формирует у тренируемого знания и навыки по обеспечению требований безопасности и сохранности оборудования.
ЭкС по аварийным ситуациям выполнена на основе теории сетей Петри [5]. При реализации было выполнено структурирование данных сетей, выделены три уровня:
0 - правильная (безошибочная) последовательность действий;
1 - действия с ошибками, но допустимые;
2 - контроль: проверка на неверные упреждающие действия.
Рис. 4. Работа эксперта по оперативным переключениям Fig. 4. Expert actions in operational switching
Среди вершин-состояний можно выделить особые вершины - точки анализа и принятия решения:
1) анализ аварийной ситуации оператором (правильность проведенного анализа контролируется при докладе об аварийной ситуации после сбора информации в начале тренировки);
2) анализ доклада оператора (проводится при уведомлении диспетчера ПЭС о выполненных действиях в конце тренировки). Контроль доклада о выполненных действиях формирует ответственность за принятые решения. Так при контроле ремонтной схемы эксперт проверяет снятие напряжения, наличие видимых разрывов и заземлений. Реализованный в тренажере структурный анализ созданных нормальных, послеаварийных и ремонтных схем позволяет выявить:
• отключение потребителей (при условии, что имеется возможность запитки через резервные пути);
• наличие трансформаторов на холостом ходу;
• параллельную работу трансфор-
маторов с протеканием уравнительных токов.
Работа эксперта по аварийным ситуациям показана на рис. 5.
ЭкС обеспечивают обучающий режим советчика и режим аттестации действий оператора.
Тренажер является динамическим. В нем реализован режим регулируемого масштаба времени. Фактор времени учитывается:
• при моделировании суточных графиков нагрузки;
• определении интенсивностей переходов в марковских моделях аварийных процессов;
• определении недоотпуска электроэнергии;
• определении допустимого времени перегрузки трансформаторов;
• осмотре оборудования первичных
цепей;
• перемещениях ОВБ между подстанциями.
Рис. 5. Работа эксперта по аварийным ситуациям Fig. 5. Expert actions in emergency
Время является важным параметром не только как фактор для моделирования процессов в распределительной электрической сети, но и одним из важных ресурсов управления оператора. Работа на тренажере формирует у оператора такое отношение. Так, если выдать распоряжение об осмотре оборудования, указав избыточное количество, то ОВБ длительное время нельзя будет привлечь к более важным задачам.
Таким образом, моделирование аварийных ситуаций, контроль над их ликвидацией способствуют развитию способностей и навыков в реализации основных этапов цикла оперативно-диспетчерского управления (сбор информа-
ции^анализ^синтез (принятие реше-ния)^реализация решения), формируют способность действовать в нестандартных ситуациях и нести ответственность за принятые решения.
В процессе генерации и передачи электроэнергии возможны сбои и аварии. Прерывание процесса передачи, снижение надежности электроснабжения, риски персонала относятся к операционным рискам. Основной задачей управления операционными рисками считается снижение вероятности их реализации. Для этого применяются следующие предупредительные меры:
- документирование и автоматизация производственных процессов;
- совершенствование технологий;
- регулярное техническое обслуживание оборудования;
- обучение и повышение квалификации персонала.
Реализованная в тренажере вероятностная модель аварийных ситуаций позволяет адекватно имитировать такой операционный риск, как аварийность оборудования. Введенный в модель коэффициент повышения аварийности позволяет имитировать прогрессирующий износ и нараста-
Зак
Таким образом, «Оператор сети», являясь специализированным компьютер-
ние объема оборудования, выработавшего свой ресурс.
На аварийность влияют и погодные условия, в тренажере реализован независимый случайный процесс их изменения. Погода представлена марковской моделью с двумя состояниями - нормальная и плохая. При этом имитируется поведение элементов, помещенных в такую модель.
Следствием аварийных отключений является недоотпуск электроэнергии, который оценивается экспертом по недоот-пуску. Причинами риска, в качестве которого рассматривается недоотпуск электроэнергии, могут быть неисправность оборудования или низкая квалификация оперативного персонала. Поэтому обучение на тренажере в целях повышения квалификации оперативного персонала является эффективным средством снижения вероятности недоотпуска электроэнергии. Аналогичные последствия и способ их снижения имеет риск персонала.
Таким образом, обучение на тренажере формирует способность оценивать риски и определять меры по обеспечению безопасности разрабатываемых новых технологий, объектов профессиональной деятельности.
Объект управления - район распределительной электрической сети, содержит двухтрансформаторные подстанции. На некоторых подстанциях один из трансформаторов находится в резерве. Соответствующая нормальная схема района распределительной сети имеет вполне определенную логику - снижение потерь активной мощности. Об этом можно и нужно говорить, давая характеристику объекту управления. Кроме того, реализованный в тренажере структурный анализ схем формирует навыки создания нормальных, по-слеаварийных и ремонтных схем, обеспечивающих эффективные производственно-технологические режимы работы объектов электроэнергетики и электротехники.
ние
ным тренажером для проведения противо-аварийных тренировок, содержит элементы
режимного тренажера и тренажера оперативных переключений, что позволяет обеспечить формирование компетенций, необходимых для оперативного управления электрическими сетями.
На кафедре автоматизированных электроэнергетических систем НГТУ раз-
Библиогра
1. Хрущев Ю.В., Бацева Н.Л., Фикс Н.П., Калани Э.Я. Постановка деловых игр по оперативному управлению в электроэнергетике для профессиональной подготовки магистрантов // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Новочеркасск, 14-18 октября 2013 г.). Новочеркасск: Лик, 2013. Т. 2. С. 448-452.
2. Фикс Н.П., Трощинский В.В. Оперативное управление в электроэнергетических системах: деловые игры // Вестник науки Сибири. Серия Энергетика. 2015. № 15 (спецвыпуск). Ч. 1. С. 48-54.
3. Фишов А.Г., Шойко В.П., Калуга В.К., Зорина Л.Л. Тренажер для противоаварийных тренировок оперативного персонала распределительных сетей //
работан электронный учебно-методический комплекс, основой которого является тренажер «Оператор сети». Его применение показало эффективность подготовки магистрантов в области оперативного управления в энергетике.
<ий список
Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1 (спецвыпуск). С. 207-210.
4. Свидетельство на программу для ЭВМ № 2014611226. Тренажер для противоаварийных тренировок оперативного персонала высоковольтных распределительных электрических сетей «Оператор сети» / В.К. Калуга, А.Г. Фишов, В.П. Шойко // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: офиц. бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности (РОСПАТЕНТ). 2014. № 2 (88).
5. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем; пер. с англ. М.: Мир, 1984. 264 с.
References
1. Khrushchev Yu.V., Batseva N.L., Fiks N.P., Kalani E.Ya. Postanovka delovykh igr po operativnomu uprav-leniyu v elektroenergetike dlya professional podgo-tovki magistrantov [Development of business games on power sector operation management for professional training of undergraduates]. Nauchnye trudy IV Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Elektroenergetika glazami molodezhi" [Scientific papers of IV International scientific and technical conference "Power industry through the eyes of youth"]. Novocherkassk, Lik Publ., 2013, vol. 2, pp. 448-452. (In Russian)
2. Fiks N.P., Troshchinskii V.V. Operativnoe upravlenie v elektroenergeticheskikh sistemakh: delovye igry [Operating control in electric power systems: business games]. Vestnik nauki Sibiri. Seriya Energetika [Bulletin of Siberian Science. Power Engineering series.]. 2015, no. 15 (Special issue), part 1, pp. 48-54. (In Russian)
3. Fishov A.G., Shoiko V.P., Kaluga V.K., Zorina L.L.
Trenazher dlya protivoavariinykh trenirovok opera-tivnogo personala raspredelitel'nykh setei [Simulator for emergency response training of distribution network operating personnel]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka [Scientific problems of transport in Siberia and the Far East]. 2009, no. 1 (Special issue), pp. 207-210. (In Russian)
4. Kaluga V.K., Fishov A.G., Shoiko V.P. Trenazher dlya protivoavariinykh trenirovok operativnogo person-ala vysokovol'tnykh raspredelitel'nykh elektricheskikh setei «Operator seti» [The "Network operator" simulator for emergency response training of operating personnel of high-voltage electrical distribution networks]. Svi-detel'stvo na programmu dlya EVM. The certificate on the computer program no. 2014611226, 2014. (In Russian)
5. Piterson Dzh. Teoriya setei Petri i modelirovanie system [Petri Net Theory and System Modeling]. Moscow, Mir Publ, 1984, 264 p.
Критерии авторства
Фишов А.Г. разработал функционал тренажера. Шойко В.П. разработал и реализовал модель объекта управления и экспертные системы. Калуга В.К. разработал и реализовал модель автоматизированного рабочего места оператора. Ответственность за плагиат несут Фишов А.Г. и Шойко В.П.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 31.10.2016 г.
Authorship criteria
Fishov A.G has developed the functionality of the simulator. Shoiko V.P has developed and implemented a control object model and expert systems. Kaluga V.K has developed and implemented a model of operator's automated working station. Fishov A.G. and Shoiko V.P. bear the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 31 October 2016
