Разработка моделей и алгоритмов эффективного функционирования тренажерно-обучающих систем в электроэнергетике (на примере рсо-алания)
Скачать 326.48 Kb.
|
На правах рукописи  ПЕТРОВА ВИКТОРИЯ ЮРЬЕВНА РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТРЕНАЖЕРНО-ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ (НА ПРИМЕРЕ РСО-АЛАНИЯ) Специальность: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Владикавказ – 2012 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Моураов Алан Георгиевич Официальные оппоненты: Васильев Игорь Евгеньевич, д.т.н., проф., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» СКГМИ (ГТУ) Музаев Илларион Давыдович, д.т.н., проф., ведущий научный сотрудник ФГБУН Южный математический институт Владикавказского научного центра Российской академии наук и Правительства РСО-Алания Ведущая организация: «Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова Российской академии наук» Защита диссертации состоится « 22 » июня 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203, E-mail: info@skgmi-gtu.ru С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ). Автореферат разослан «19» мая 2012 г.  Ученый секретарь диссертационного совета Д212.246.01, к.т.н., доцент А. Ю. Аликов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В условиях участившихся случаев техногенных и природных катастроф, а также увеличения влияния человеческого фактора на развитие и результаты проявлений нештатных ситуаций в природно-промышленных комплексах, возрастает роль подготовки и повышения квалификации специалистов во всех отраслях промышленности и, особенно, в электроэнергетике. Повышение эффективности подготовки специалистов невозможно без применения автоматизированных тренажерно-обучающих систем (ТОС). Требования к безотказности и безопасности функционирования электроэнергетического комплекса в России в целом постоянно возрастают, о чем свидетельствуют не только принятые нормативные акты, но и законы, например, Федеральный закон от 21 июля 1997 г. №117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» (в ред. №374-ФЗ от 27.12.2009 г.), который непосредственно касается и гидротехнических сооружений РСО-Алания. Особенности высокогорных территорий с резкими перепадами высот и температур (сложный географический ландшафт, возможность схода лавин и оползней, разливы горных рек, труднодоступное расположение линий электропередач (ЛЭП) и некоторых электроприемников и участившиеся непредсказуемые изменения климата) приводят к повышению риска возникновения неожиданных новых природных аномалий и увеличению числа аварийных ситуаций в системе снабжения и потребления электрической энергии. Для предотвращения таких ситуаций и скорейшей ликвидации возможных последствий аварийного режима необходима не только своевременная и достоверная информация о влияющих на систему факторах, но и достаточный опыт оперативного персонала для принятия своевременного и правильного решения. В связи с этим приобретает большое значение вопрос о необходимости подготовки оператора к быстрому принятию оптимально верного решения, особенно в психологически сложной экстремальной ситуации. Исследование многовариантных аналогичных ситуаций с использованием тренажерно-обучающей системы дало положительный практический результат. На фоне возрастающих требований к квалификации электроэнергетиков возросли требования и к функциональным возможностям и эффективности тренажерно-обучающих систем, реализация которых (с учетом увеличивающейся мощности компьютеров) приводит к необходимости разработки новых математических моделей и алгоритмов, способных охватить все разнообразие условий работы электроэнергетических объектов и, в частности, особенности их работы в горных территориях с постоянным изменением характера природных аномалий. Целью диссертационной работы является разработка и исследование математических моделей и алгоритмов эффективного функционирования тренажерно-обучающих систем в электроэнергетике (на примере РСО-Алания). Поставленная цель потребовала решения следующих задач: 1. Анализ тренажерно-обучающих систем и инцидентов в электроэнергетике РСО-Алания. 2. Разработка обобщенной математической модели работы электроэнергетического объекта и алгоритма ее применения в ТОС. 3. Разработка методики составления и способов анализа вероятностных моделей работы электроэнергетических объектов, возможности их применения как элементов системы поддержки принятия решений (СППР) в обучающей части ТОС. 4. Разработка методов и алгоритмов анализа и оценки электромагнитной совместимости электроэнергетических объектов. 5. Совершенствование контрольно-обучающего тестирования специалистов-электроэнергетиков. 6. Исследование возможности применения геоинформационной системы (ГИС) как части системы поддержки принятия решений при анализе воздействий природных факторов на электроэнергетические объекты. Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы: – математическое моделирование; – методы системного анализа; – методы математической статистики; – матричные методы анализа электрических цепей и метод обобщенных экспоненциальных воздействий; – методы обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Расширены возможности тренажерно-обучающих систем на основе использования разработанной обобщенной модели установившегося режима работы электроэнергетической системы, включающей матричные уравнения состояния электроэнергетических объектов и энергетического баланса с использованием обобщенного экспоненциального воздействия и комплексной переменной частоты. Составлен алгоритм расчета различных режимов работы электроэнергетических объектов с использованием разработанной модели. 2. Предложен новый способ составления и анализа матричных вероятностных моделей работы электроэнергетических объектов, позволяющий исследовать различные вероятностные ситуации в работе электроэнергетических систем, ввести в процесс тренировки на полномасштабном тренажере элементы СППР, основанные на вероятностном анализе ситуации. 3. Разработана методика анализа электромагнитной совместимости в электроэнергетической системе для использования в тренажерно-обучающих системах (тренажерах), позволяющая оценить степень взаимного электромагнитного влияния электроэнергетических объектов. 4. Разработаны методические основы адаптивного контрольно-обучающего тестирования с использованием многоуровневых подсказок до ввода ответа, что дало возможность существенно повысить обучающую функцию тестирования, эффективно сочетать процесс контроля и обучения. Объект исследований – Тренажерно-обучающие системы в электроэнергетике РСО-Алания. Предмет исследований – Модели и алгоритмы для тренажерно-обучающих систем, повышающие эффективность обучения специалистов-электроэнергетиков на тренажерах и обеспечивающие наибольшую вероятность принятия правильных решений в различных нештатных ситуациях. Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Использование предложенных математических моделей и алгоритмов в тренажерно-обучающих системах электроэнергетики расширяет их функциональные возможности, позволяет моделировать различные режимы работы электроэнергетических объектов практически в любых пределах изменения влияющих переменных, получать характеристики работы объектов. Это, в свою очередь, позволяет реализовать наиболее качественную и разностороннюю подготовку специалистов-электроэнергетиков. Совокупность разработанных методик, правил, рекомендаций составляет инструментарий для разработчиков тренажерно-обучающих систем и может быть использована в СППР в электроэнергетике. 2. Разработанные методика анализа электромагнитной совместимости электроэнергетических объектов и применение статистического моделирования были использованы для анализа опасных ситуаций, которые встречаются в условиях горных территорий РСО-Алания, например, влияния ЛЭП на электровзрывные цепи. Были получены результаты, позволившие сформулировать конкретные рекомендации по достижению необходимой электромагнитной совместимости этих объектов, предотвращению возникновения аварийных ситуаций, по включению полученных рекомендаций в рамки функционирования тренажерно-обучающих систем. 3. Предложен вариант адаптивного тестирования с подсказками до ввода ответа на поставленный вопрос, разработана программа его реализации (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617609); результаты проведенного эксперимента позволяют рекомендовать его для применения при подготовке специалистов-электроэнергетиков и повышения их квалификации. 4. Выработана методика применения разработанных моделей как дополнения при функционировании тренажерно-обучающих систем, позволяющего получать необходимые данные по результатам анализа режимов работы электроэнергетических объектов, обосновать и использовать статистические прогнозы для принятия правильных решений в штатных и нештатных ситуациях. 5. Разработан модуль визуализации системы поддержки принятия решений при анализе воздействия природных факторов на электроэнергетические объекты в условиях РСО-Алания, использующий картографическую привязку электроэнергетических объектов, источников экологических рисков и параметров электромагнитной совместимости, позволяющий прослеживать возможность одновременного возникновения нескольких природных аномалий и их воздействия на электроэнергетическую систему, что позволяет повысить эффективность использования СППР. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждается: совпадением результатов применения классических уравнений состояния электроэнергетических объектов и предложенных математических моделей; достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований; эффективностью применения предложенных алгоритмов; положительными результатами внедрения предложенных в работе рекомендаций и разработанного программного обеспечения. Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в СОф ОАО «МРСК СК» при обучении и контроле знаний оперативного персонала; в ЗАО «Шахтострой-Сервис» для достижения необходимой электромагнитной совместимости ЛЭП и электровзрывных цепей. Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ), научных семинарах кафедры информационных систем в экономике СКГМИ (ГТУ) (2008 – 2011 гг.), а также на следующих международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: Х Международная научно-практическая конференция «ИТ-технологии: Развитие и приложения», Владикавказ, 2009; VII Международная конференция «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», Владикавказ, 2010; XI Международная юбилейная научно-техническая конференция «ИТ-технологии: развитие и приложения», Владикавказ, 2010; Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2010; Круглый стол, посвящённый 25-летию Чернобыльской катастрофы «Экологически безопасная возобновляемая энергетика для устойчивого развития и как альтернатива АЭС», Владикавказ, 2011; II Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2011; VI Форум Молодых ученых Юга России, Нальчик, 2011; Научно-практическая конференция, посвящённая Дню эколога «Природа. Общество. Человек», Владикавказ, 2011. Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 8 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов, 1 патент на полезную модель, 1 зарегистрированная программа. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 97 наименований; содержит 162 страницы машинописного текста, 36 рисунков, 7 таблиц и приложения. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и методы исследований, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, приведены результаты апробации и реализации работы. В первой главе показана роль тренажерно-обучающих систем в формировании специалиста-электроэнергетика, дан краткий анализ основных требований к ТОС в электроэнергетике. Можно считать, что современный подход к подготовке оперативного персонала электроэнергетики базируется на двух положениях: первое – обеспечение специальных знаний, оборудования, процессов и правил техники безопасности; второе – обеспечение умения работать в штатных (поддерживать нормальный режим работы оборудования и электроснабжение потребителей) и аварийных ситуациях (своевременно принимать правильные решения, не допускать развития техногенных катастроф). Эффективная реализация обоих положений предусматривает обязательное использование ТОС. Моделирование на тренажерах является незаменимым инструментом исследования и обучения, особенно в тех случаях, когда проведение реального эксперимента сопряжено с технологическими и организационными трудностями или опасностью для жизни людей. Лишь с помощью моделирования можно создавать не только детерминированные, но и вероятностные модели, сценарии развития ситуаций в той или иной обстановке, обосновать оптимальное решение. Эффективность применения технических средств обучения оперативного персонала энергопредприятий (главным образом, тренажерно-обучающих систем) доказана многолетней практикой эксплуатации электроэнергетических объектов. За 10 лет (с 1988 по 1997 г.г.) использования на электростанциях ОАО «Мосэнерго» различных тренажеров для обучения и совершенствования профессионального мастерства эксплуатационного персонала аварийность оборудования по вине персонала снизилась в 10 раз. В развитие теории и практики применения тренажерно-обучающих систем внесли большой вклад как отечественные, так и зарубежные ученые и специалисты: Магид С.И., Аракелян Э.К., Черткова Е.А., Попов Г.В., Башмаков А.И., Софиев А.Э., Загретдинов И.Ш., Ципцюра Р.Д., Мищеряков С.В., Сысоева Л.В. и многие другие. Как показали исследования, основой современных ТОС является функционально-ориентированный программно-аппаратный комплекс. Существенным моментом в функционировании ТОС может являться система поддержки принятия решений. В настоящее время, с одной стороны, возросли требования к полномасштабности, адекватности и точности тренажеров и, с другой стороны, расширились возможности программно-аппаратного компьютерного обеспечения. Структура тренажера в общем случае изображена на рисунке 1. Совершенствование ТОС требует постоянного совершенствования математического обеспечения, разработки новых моделей и алгоритмов, наиболее полно удовлетворяющих требованиям заказчика и максимально использующих возможности современных мультимедийных технологий. Современная реальность ставит перед специалистами-электроэнергетиками новые задачи по обеспечению надежности, безопасности, электромагнитной совместимости работы электроэнергетических объектов (ЭЭО). Особенности географического положения РСО-Алания, сложность рельефа и т.п. обостряют в республике проблему, придают ей особую остроту и требуют первостепенного внимания. Последние обстоятельства должны быть отражены в программах подготовки электроэнергетиков и в функциональных возможностях ТОС, применяемых в электроэнергетической системе республики.  Рисунок 1 – Структура тренажера Проведенный анализ современных требований, предъявляемых к ТОС, позволил более обоснованно определить направления исследований, конкретизировать цели и задачи работы. Далее анализируется электроэнергетика РСО-Алания как часть природно-промышленного комплекса (ППК) республики; дается краткая характеристика электроэнергетических объектов. ППК РСО-Алания представляет собой сложную систему с многогранными связями между ее составляющими. Возможно выделить в электроэнергетической системе отдельные, относительно автономные части, например, такие как генераторную часть системы, систему передачи электрических мощностей (ЛЭП), линии связи, цепи автоматики, измерительные цепи, системы коммуникации и защиты, цепи заземления и т.п. и исследовать их математические модели. При анализе электромагнитной совместимости наиболее важным объектом исследования являются устройства автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами. Одной из задач исследования системы можно считать анализ и целенаправленное использование связей между ее составляющими, а в данном случае, в соответствии с тематикой диссертационной работы – повышение качества воздействия оператора на электроэнергетические объекты (что достигается, в частности, применением ТОС при обучении оперативного персонала). В результате анализа были выявлены три основные типа причин аварий и инцидентов, происходивших на электроэнергетических объектах РСО-Алания: изношенность оборудования, влияние природных факторов и человеческий фактор. Инциденты на ЭЭО РСО-Алания приведены в таблице 1. Таблица 1 – Инциденты на электростанциях Северо-Осетинского филиала ОАО «МРСК Северного Кавказа»
Был определен нанесенный инцидентами экономический ущерб для Северо-Осетинских ГЭС, результаты представлены на рисунке 2. В сложных условиях горного ландшафта большое значение приобретают вопросы электромагнитной совместимости ЭЭО. Эти вопросы должны рассматриваться как на стадии проектирования энергосистемы, так и в процессе ее эксплуатации и обучения специалистов на тренажере.  Рисунок 2 – Инциденты на Северо-Осетинских ГЭС и нанесенный экономический ущерб Несмотря на то, что основные операции по защите оборудования, персонала, по ограничению распространения и предупреждению возможных вредных и опасных проявлений аварий выполняются системой автоматики и защиты, роль человеческого фактора остается довольно значительной. От правильных решений диспетчера зависит как возможность предупредить аварию, так и возможность ее ликвидировать, не допустить распространения на другие объекты. В электроэнергетике РСО-Алания для обучения оперативного персонала электрических сетей применяется полномасштабный тренажер, тренажерно-программный комплекс TWR-12 и система дистанционного обучения АСОП «Наставник». Анализируя применение тренажерно-обучающих систем в электроэнергетике, в частности в РСО-Алания, можно отметить следующее: в тренажерно-обучающем комплексе отсутствует возможность исследования таких важных вопросов, как электромагнитная совместимость электроэнергетических объектов, в некоторых случаях недостаточно формализованы методы расчета электроэнергетических объектов, не используются вероятностные модели и статистическое моделирование – как мощный инструмент всестороннего исследования работы электроэнергетических комплексов, и некоторые другие возможности, например, не применяется адаптивное тестирование. По результатам проведенного анализа были поставлены и решены указанные ранее задачи. |
