Управление электротехническими комплексами на основных этапах жизненного цикла Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

А.Б. Петроченков

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ НА ОСНОВНЫХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Модернизация систем управления, как технологическими процессами, так и производством в целом, для объектов энергетики России является одной из актуальных задач технического перевооружения отрасли. Сегодня технический и информационный уровни систем контроля и учёта, установленных на подавляющем большинстве промышленных предприятий, не в состоянии удовлетворять современным требованиям к качеству технических средств, их объёму и функциональности [1].

Оценка технического состояния электротехнических комплексов и систем представляет собой важную задачу, решение которой позволяет обнаружить на ранней стадии зарождающиеся дефекты и, тем самым, предотвратить аварийные ситуации, способные привести к серьезным негативным последствиям. Вместо существовавшей ранее системы планово-предупредительных работ (ППР), включающей в себя периодический контроль и профилактику, более целесообразным, с технической и экономической точек зрения, становится обслуживание оборудования по его фактическому состоянию. Это означает, что ремонтные работы производятся только тогда, когда в этом возникает реальная необходимость.

Для организации такого обслуживания требуются методы и средства диагностирования, позволяющие оценить состояние объекта контроля на текущий момент и спрогнозировать его состояние на ближайшее будущее. В зависимости от особенностей взаимодействия средств диагностирования и объекта различают тестовое и функциональное диагностирование. Следует также учесть серьезную математическую обработку исходной диагностической информации, включающую в себя вычисление спектральных характеристик и корреляционных функций, цифровую фильтрацию, статистическую обработку.

В настоящее время можно выделить три

основных метода оценки остаточных ресурсов электротехнических комплексов и систем [1]. 1) Обслуживание оборудования после его

отказа.

Поломки

П РОИЗВОДСТВС нн ы и процессе

ТО, ремонт

Производственный пропс

Время

Про нзвешетве ■'■■ми процессе

тех

рСМОЕ{Т

Производственный процессе

Ирсмя

Периодические измерения

Рис. 1 Эксплуатация оборудования до его отказа

В этом случае машины и оборудование эксплуатируются до их отказа (рис.1). В основном это касается дешевого вспомогательного оборудования при наличии его резервирования, когда замена оборудования дешевле, чем затраты на его ремонт и техническое обслуживание (ТО) [1, 2]. В отсутствии резервирования на время ремонта производственный процесс приходится останавливать.

2) Обслуживание оборудования по регламенту.

В этом случае предусматривается периодическое проведение технического обслуживания и ремонтов через определенные, заранее установленные сроки, независимо от технического состояния оборудования, - так называемые ППР (рис. 2). Недостатком ППР является сравнительно большая трудоемкость ТО и ремонтов электротехнических комплексов и систем.

Частота ношнкновсння неисправностей

X

Техническое обслуживание

J

Время

ремонта оборудования.

В качестве организационных мер по повышению надёжности предполагается наличие (создание) единой информационной системы работоспособности электротехнических комплексов.

Рис. 2 Обслуживание оборудования по регламенту

3) Обслуживание по фактическому техническому состоянию (ТС) оборудования.

Это наиболее эффективный вид обслуживания электрооборудования в условиях работы, включающий в себя применение методов и средств технической диагностики. Данный подход позволяет эксплуатационному персоналу располагать точными данными о ТС электрооборудования и безошибочно определить время его ремонта или замены.

Однако, быстрый переход на такую схему невозможен (если только не брать во внимание крайний случай функционирования системы ремонта по техническому состоянию - работу на отказ) из-за следующих проблем:

- отсутствие методик получения достоверной информации о техническом состоянии электрических машин;

- не всегда корректная интерпретация полученных данных (вследствие несовершенства программного обеспечения и погрешностей измерений);

- изменение прогнозных трендов ТС оборудования (из-за корректировки технологических режимов).

Все это приводит к снижению достоверности планирования работ по ТО и ремонту. Кроме того, полный отказ от системы ППР невозможен и по юридическим причинам. В соответствие с нормативными документами, система ППР является основным инструментом по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации оборудования.

Тем не менее, наличие таких, даже не всегда достоверных, данных повышает качество планирования (хотя бы на краткосрочном интервале времени) и, соответственно, эффективность системы технического обслуживания и

Вероятность итк.1 V.

Ошаз

Г

А

у

Периоди ческам мои нюризацин состояния

3

Вред] и

Техническое

сбс'.уж ИВЯНИ1'

Техническое обслужи иаиие

Рис. 3 Обслуживание оборудования по техническому состоянию

В число конструктивных методов повышения надёжности входят: рациональный выбор совокупности контрольных параметров, автоматизация контроля и индикация неисправностей, возможность оперативного анализа технического состояния электрооборудования в режиме «on-line».

В третью (эксплуатационную) группу входят: повышение квалификации обслуживающего персонала, обоснование объёма и сроков проведения профилактических работ.

Для постановки задачи оптимизации технического решения методом экспертных оценок необходимо чётко сформулировать цели, которых надо достигнуть, принимая решение в пользу какого-либо варианта. Как правило, это следующие цели: максимум надёжности; минимум приведённых затрат; возможность ремонта без перерыва питания; минимум длительности переходного периода; минимум потерь энергетических ресурсов и т.д.

Количество целей и их выбор зависят от уровня знаний экспертами условий задачи и требований к эксплуатации электротехнических комплексов. Некоторого сокращения числа целей можно достичь, объединяя отдельные цели по смыслу. Для различных элементов системы электроснабжения количество целей

варьируется от 3 до 7 [4].

Возможные стратегии (варианты решения) определяются на основании имеющихся технических и экономических соображений. Варианты, реализация которых невозможна по причине заданных ограничений, исключаются.

Уровни адекватности оценок использования информации о техническом состоянии электротехнических комплексов

Рассматривая проблему использования информации о техническом состоянии электротехнических комплексов для принятия решений по ремонтным воздействиям, целесообразно выделить следующие уровни адекватности оценок [3].

Первый уровень - идентификация технического состояния по показателям надежности, т. е. по параметру потока отказов или интенсивности восстановлений.

Второй уровень - идентификация технического состояния по вероятностным характеристикам дефектов и повреждений, выявленных в определенные моменты времени.

Третий уровень - идентификация состояния по непрерывно контролируемым технологическим параметрам, характеризующим техническое состояние элементов оборудования.

Корректность принятия решения о введении того или иного регламента технического обслуживания и ремонта зависит от технического состояния оборудования. Регламент технического обслуживания и ремонта как система правил, определяющих технологию, средства, объем, методы и периодичность ремонтных воздействий, зависит не только от технического состояния рассматриваемого оборудования. На него оказывает влияние структурная значимость данного оборудования в составе электротехнического комплекса и конкретные условия его функционирования (в том числе чисто ремонтного характера, например, оснащенность ремонтной базы, наличие ресурсов и др.).

Перечисленные выше три уровня идентификации технического состояния, по сути, являются тремя уровнями оценки функции надежности. Первый уровень соответствует нулевому приближению, когда априорная информация отсутствует. Второй уровень соответствует случаю, когда задан априорный слу-

чайный процесс накопления повреждений данного типа. Третий уровень относится к случаю, когда прогноз осуществляется для каждой отдельно взятой реализации случайного процесса развития отказа. Использование того или иного уровня определяется необходимостью точностью прогноза и наличием соответствующих технических средств, программного и информационного обеспечения.

Данная концепция составила методологическую основу разработанной системы информационной поддержки принятия решений по управлению техническим состоянием электротехнических комплексов [7]. Предлагается гибридный подход к оценке состояния электротехнического оборудования, рисков его простоя и, соответственно, рисков недоотпуска технологической продукции.

Комплексная функция надежности может быть составлена из следующих компонент (исходя из соответствующего уровня информации):

- вероятность выхода из строя оборудования всей технологической цепочки (рассчитывается на основе экспоненциального подхода);

- оценки величин отклонения измеренных параметров (на основе среднеквадратичного критерия);

- вероятность выхода из строя электропривода целевого объекта (на основе экспоненциальной функции надежности);

- суммарная оценка субъективных рисков (на основе прямой шкалы оценок).

Оценка рисков для оборудования

В рамках рассматриваемых подходов к оценке остаточного ресурса будем считать, что риск - это безразмерная величина, равная весовому среднеквадратическому отклонению значений упорядоченного набора изменяющихся во времени параметров оборудования.

Пусть, например, XI... хт - значения параметров, по которым определяется текущее состояние оборудования, х10... хт - оптимальные (допустимые, паспортные, выбранные в пределах нормы) значения. Тогда формула для вычисления риска будет выглядеть следующим образом [4]:

R = .

Е к -

( x, - А 2

i=1

x.

(1)

где к, - весовые коэффициенты, вычисляемые по формуле:

к = аш-г, 1 = 1 т • (2)

Для этих коэффициентов должно выполняться равенство:

m

Параметры am

Е кг = 1.

i=1

вычисляются по формуле:

(3)

О. = а-г

(4)

где у - параметр настроики, учитывающим различные факторы. В качестве него можно использовать значение функции отклика. Параметр а выбираем из условия:

m

Е am i=1

= 1

по формуле:

а

m

Е г7

i=1

(5)

(6)

Для этого подхода ранги вычисляются следующим способом: для т параметров проставляются ранги в порядке возрастания - ранг самого важного параметра равен единице. Таким образом, получаем г1.гт - ранги для параметров, которые подставляем в формулу (6), затем полученное значение а подставляем в формулу (4) для каждого параметра от 1 до т. Далее полученные значения а1.ат подставляем в формулу (2), полученные значения к1.кт подставляем в формулу (1). Таким образом, получаем численное значение, характеризующее риск отказа оборудования. Если проанализировать формулу (1), можно определить, что значения Я лежат в границах [0;1].

Экспертная оценка состояния оборудова-

ния

w1...wm• При идеальном состоянии оборудования каждому параметру соответствует 1. Общую оценку состояния можно вычислить по формуле [1]:

1 т

3 = _. £ (1 - иъ). т =

Эта формула применима, когда все параметры для оценки состояния равнозначны, если же параметры не равнозначны, то формула будет выглядеть так:

Sv = Е v "(1 - w )

где v, - заданные веса для параметров. Значения S и Sv лежат в границах [0;1].

Вероятностная оценка отказов Этот метод оценки состояния применим, в основном, для линий электропередачи (ЛЭП) (в силу специфики протяженности и территориальной распределенности объекта).

Будем рассматривать ЛЭП как последовательность звеньев - линий и опор электропередачи. Эксплуатационная характеристика (ЭХ) звена - это приведённая безразмерная величина, учитывающая прочность проводов, временной фактор, эксплуатационные условия и т. д. Значение ЭХ идеальной (новой) ЛЭП принимается равным 1.

Тогда функция распределения всей линии будет характеризоваться уравнением:

F(x) = P(l < x), где l - текущее значение ЭХ. Смысл уравнения - функция распределения всей линии равна вероятности того, что текущее значение ЭХ меньше заданного x.

Значение для l выбирается из следующего условия:

1 = min^ ln},

где n - количество звеньев, из которых состоит линия.

В качестве закона вероятности выбираем экспоненциальный:

Каждому параметру эксперт ставит оценку от 0 до 1. Можно учесть для каждого параметра его вес. Веса также определяет эксперт. Таким образом, для т параметров, получаем оценки

F ( x) =

|1 - e

-an ( x-l )

0,x < l

где а - параметр настроики, равный значению функции отклика той линии, ЭХ которой

1=1

1

минимальна.

Будем предполагать, что для новой линии 1=1, тогда Р(х)=0, то есть вероятность выхода из строя линии нулевая.

Текущее значение ЭХ для каждого звена находится по формуле:

I = 1 - е-г. (1-5.)2, . = гп,

где у - это параметр настройки, учитывающий различные факторы. В качестве него можно использовать значение функции отклика;

- это параметр, учитывающий время эксплуатации узла, вычисляемый по формуле:

5 = -,

г

т

где г - текущее время эксплуатации узла, гт - максимальный срок эксплуатации.

Прогнозирование состояния электротехнических комплексов

Для того, чтобы спрогнозировать состояние электротехнического комплекса в последующие периоды времени, воспользуемся методами обработки экспериментальных данных. Пусть в результате измерений в процессе опыта получена таблица некоторой зависимости:

x Xi X2 • ♦ ♦ xn

F(x) yi У2 • ♦ ♦ Уп

В нашем случае х^..хп - это моменты времени, у^-.уп - это значения функций, характеризующих риск (вероятность) отказа оборудования.

Необходимо найти формулу, выражающую эту зависимость аналитически. Такая постановка задачи соответствует постановке задачи интерполяции. По заданным табличным данным необходимо найти функцию заданного вида:

у = Р (х), которая в точках х. принимает значения как можно более близкие к таблич-

ным значениям у..

Практически вид приближающей функции Р можно определить следующим образом [4, 5]. Сперва строится точечный график функции, заданной таблично, а затем проводится плавная кривая, по возможности наилучшим образом отражающая характер расположения точек. По полученной таким образом кривой устанавливается вид приближающей функции (обычно из числа простых по виду аналитических функций).

Для решения задачи наилучшего приближения выбирается критерий согласия, который является функцией невязки узловых точек и значениями аппроксимирующей функции: 3 = 3(Р(х.) - у.) . Выбор наилучшей функции осуществляется по минимуму этого критерия.

Как правило, используются три наиболее широко распространенных критерия согласия: среднеквадратичный; минимаксный или Че-бышева; вероятностно-зональный [5].

Выбор точности приближения осуществляется, исходя из условий задачи и выбранного критерия.

Анализ результатов моделирования приближающих функций для основного электроэнергетического оборудования (для уровня надёжности х=0,9) показал:

- для воздушных и кабельных линий электропередачи наименьшая ошибка приближения соответствует гиперболической функции;

- для комплектных трансформаторных подстанций наименьшая ошибка приближения соответствует линейной функции;

- для двигателей переменного тока наименьшая ошибка приближения соответствует логарифмической функции.

Работы по данному направлению ведутся в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных (грант № МК-2773.2011.8).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бирюков С.Ю. Вопросы модернизации ческих машин. М.: Изд. Центр «Академия»,2003. -АСУТП электроэнергетических объектов // Датчики 384 с.

и системы. 2006.- №3. С. 45-48. 3. Автоматизация диспетчерского управления в

2. Котеленец Н.Ф., Акимова Н.А., Антонов электроэнергетике / Под общей ред. Ю. Н. Руденко М.В. Испытания. Эксплуатация и ремонт электри- и В. А. Семенова. - М.: Издательство МЭИ, 2000. -

648 с.

4. Гук Ю.Б. Анализ надёжности электроэнергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1988. - 224 с.

5. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Изд-во «Металлургия», 1969. - 157 с.

6. Петроченков А. Б. Задачи анализа при рас-

чете надежности и планировании электрических режимов систем электроснабжения // Информационные управляющие системы: Сб. научн. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2003. С. 278-285.

7. Петроченков А. Б., Ромодин А. В. Комплекс «Энергооптимизатор» // Электротехника. 2010. -№6. - С.49-54.

УДК 338.26

Г.И. Коршунов, В.А. Мельников, А.В. Наумов

ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ОСОБО ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Создание систем управления защитными устройствами (СУЗУ) необходимо как для решения задач обеспечения обороноспособности страны, так и для предотвращения последствий террористических ударов. Особо важными объектами, для которых применяются СУЗУ, являются специальные сооружения, правительственные здания, сооружения метрополитена, имеющие необходимые средства автономного жизнеобеспечения. Внешними поражающими факторами могут быть механические, радиационные, химические и бактериологические. Актуальной является задача за минимальное время обнаружить появление таких факторов и надежно перекрыть каналы их воздействия на защищаемый объект. Известные решения не в полной мере учитывают специфику особо важных объектов и уровень предъявляемых к СУЗУ требований в части быстродействия, надежности, количества ложных срабатываний и ряда других требований, не обеспечивают оптимального распределения ресурсов. В предлагаемой работе рассмотрены факторы, связанные с вероятностью безотказной работы (далее - надежностью) при заданном быстродействии.

Целью работы является исследование и оптимизация структур СУЗУ по критерию надежности. Для этого должны быть решены задачи анализа существующих структур систем управления по критерию надежности; выбора

методов анализа надежности и отказоустойчивости; обоснования и выбора отказоустойчивой структуры СУЗУ и ее оптимального резервирования. К настоящему времени задача создания быстродействующей и высоконадежной СУЗУ решена далеко не в полной мере и актуальна [1, 2].

Решение задачи осложняется тем, что переоснащение объектов более современными системами управления защитными устройствами влечет за собой существенные материальные затраты, а выбор вариантов системы нового поколения ограничен принятыми ранее проектными решениями. Наиболее актуальными задачами модернизации СУЗУ является повышение быстродействия подсистем регистрации, а также обеспечение надежности команд управления исполнительными устройства системы. В понятие надежности здесь вкладывается устойчивость к локальным отказам и достоверность передаваемых команд управления. В ходе исследований было установлено, что достаточным быстродействием подсистемы регистрации, сбора, обработки и передачи команды управления защитными устройствами является время срабатывания до 2 мс. В отношении надежности СУЗУ в целом установлены требования по безотказности 0.999, по коэффициенту готовности 0.9995 за интервал времени, равный одному году.

В настоящее время задача построения бы-