Исследование методов и разработка алгоритмов для поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов

На правах рукописи

УДК 681.3.06:621.3

РОГОЖНИКОВ Юрий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ
ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ жизненного цикла
СИЛОВЫХ трансформаторов

Специальность 05.13.12 – системы автоматизации

проектирования

(электротехника, энергетика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2003

Работа выполнена на кафедре Безопасности жизнедеятельности
Ивановского государственного энергетического университета.

Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты –

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация –

Ивановская сетевая компания , г. Иваново

Защита состоится 25 декабря 2003 г. в 11 часов в аудитории Б-237 на
заседании диссертационного совета Д 212.064.02 при Ивановском
государственном энергетическом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять 4, Совет ИГЭУ.

Автореферат разослан 24 ноября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ТЮТИКОВ В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировые тенденции свидетельствуют о комплекс­ном подходе к вопросам создания новой техники. Это означает, что на этапе замысла и последующего проек­тирования нового объекта принимается во внимание весь его жизненный цикл (ЖЦ). Системный подход к информаци­онному взаимодействию субъектов, участвующих в поддержке ЖЦ отражен в концепции CALS (Continuous Acquisition and Life-cycle Support – непрерыв­ная ин­формационная поддержка ЖЦ продукта).

Силовые трансформаторы являются важнейшими элементами отечественной энергетики. Их установленная мощность оценивается величиной порядка 3030 млн. кВА. На производство трансформаторов затрачиваются остродефи­цитные материалы: электротехниче­ская сталь, медь, алюминий, электрокар­тон, трансформаторное масло и др. От на­дежного функционирования этих объектов зависит надежность работы всей энерго­системы.

Обеспечение системного подхода к созданию, производству, эксплуата­ции и утилизации таких сложных объектов, как трансформатор невозможно без автоматизированных компьютерных систем, что подтверждается много­численными разработками в этой области. Современные системы автомати­зированного проектирования (САПР) охватывают ЖЦ проектируемого изделия от идеи до производства. При проектировании трансформаторов стремятся удовлетворить тре­бованиям стандартов и специ­фикаций с оптимизацией по одному или нескольким критериям. На этапе технологической подготовки производства (ТПП) – одном из наиболее трудно формализуемых этапов создания новой техники, также стремятся по­лучить толерантное решение, исходя из проектных альтернатив, полученных на предыдущем этапе. Однако при этом оконча­тельным решением, образо­ванным суммированием достигну­тых на каждом из этапов свойств, зачастую не учитываются другие значительные показа­тели. Например, экологическая безопасность, которая важна на последующих этапах ЖЦ. Очевидно, что при созда­нии новых видов объектов должны использоваться статистические данные, накопленные на этапе эксплуатации.

Таким образом, проектирование силовых трансформаторов должно осуще­ствляться с учетом взаимосвязи и взаимодействия всех этапов его ЖЦ. Поэтому целесообразно говорить о проектировании полного жизненного цикла силового трансформатора. В данной работе сделана попытка ком­плексного подхода к решению данной проблемы. При этом определенный акцент делается на этап эксплуатации, что обусловлено необходимостью су­щественного продления ресурса трансформаторов, функционирующих в со­временных энергосистемах.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Цель работы за­ключается в разработке алгоритмов и средств поддержки процессов принятия решений на разных этапах жизненного цикла силовых трансформаторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе реша­лись следующие задачи.

1.  Формализация процессов принятия решений (ППР) на отдельных этапах ЖЦ силовых трансформаторов.

2.  Создание средств расчетного проектирования и подсистемы технологи­ческой подготовки производства трансформаторов.

3.  Разработка алгоритма комплексной оценки состояния трансформатора на основе метода динамического программирования.

4.  Разработка алгоритма автоматического определения момента перехода от детерминированных к статистическим методам оценки состояния.

5.  Разработка информационных технологий и методологии поддержки ППР на этапах ЖЦ силовых трансформаторов.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории множеств и графов, теории случайных процессов и математической статистики, теории построения информационных систем, методы технической диагностики, методы структурного и объектного программирования.

Научная новизна результатов. Предложены и реализованы следующие методы и средства поддержки ППР на этапах ЖЦ «проектирование – произ­водство – эксплуатация» силовых трансформаторов.

1.  Способ организации интегрированного взаимодействия подсистем при комплексном проектировании трансформаторов, отличающийся возможностью обеспечения «сквозного» проектирования от расчета трансформаторов до технологической подготовки производства включительно.

2.  Алгоритм комплексной оценки состояния трансформаторов на основе метода динамического программирования, отличающийся универсальностью и возможностью построения эффективной схемы диагностирования по раз­личным заданным критериям.

3.  Алгоритм автоматического определения момента перехода от детер­минированных к статистическим методам оценки состояния, отличаю­щийся эффективностью по сравнению с алгоритмами, основанными на ис­пользовании выборок фиксированного объема.

4.  Подход к обеспечению информационной поддержки ППР на этапах ЖЦ силовых трансформато­ров, отличающийся системной организацией анализа состоя­ния объекта на всех этапах ЖЦ.

На защиту выносятся:

1.  Способ организации интегрированного взаимодействия подсистем при комплексном проектировании трансформаторов.

2.  Алгоритм комплексной оценки состояния и диагностики трансформато­ров на основе метода динамического программирования.

3.  Алгоритм автоматического определения момента перехода от детерми­нированных к статистическим методам оценки состояния.

4.  Подход к обеспечению информационной поддержки ППР на этапах ЖЦ силовых трансформато­ров.

Практическая ценность результатов работы определяется:

1.  Повышением эффективности принимаемых решений проектировщиком, на этапе проекти­рования силовых трансформаторов, за счет применения разработанных средств, а также благодаря системному подходу, учитывающему все этапы ЖЦ трансформаторов в комплексе.

2.  Снижением затрат на этапе эксплуатации и продлением срока службы оборудования за счет применения эффективных схем диагностирования.

3.  Повышением эффективности полного ЖЦ трансформаторов за счет раз­работки информационного портала, который способствует принятию эффек­тивных решений субъектами, участвующими в поддержки ЖЦ трансформа­торов.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические ре­зультаты реализованы в виде программных комплексов и используются в со­ставе:

-  комплексной САПР трансформаторов ТРАН-ПК 2002;

-  системы диагностики технического состояния электрооборудования ДИАГНОСТИКА+;

-  информационного интернет-портала по трансформаторному оборудова­нию www. transform. ru.

Система ТРАН-ПК 2002 используется в процессе учебного проектирования силовых трансформаторов в ИГЭУ.

Система ДИАГНОСТИКА+ внедрена и активно применяется в ряде энергетических предприятий (Череповецкие электрические сети, Костром­ская ГРЭС, Акмолинские межрегиональные электрические сети и др.).

Информационный портал доступен в сети Интернет и активно исполь­зуется специалистами проектных и конструкторских организаций, ИТР заво­дов по произ­водству трансформаторов, специалистами энергосистем, работ­никами ремонтных служб, специали­стами по утилизации трансформаторов, студентами вузов электротехнических специальностей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док­ладывались и обсуждались на международных научно-технических конфе­ренциях: «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 1999, 2001, 2003 гг.), международной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волго­град, 2000 г.), VII международной научно-технической конференции «Ин­формационная среда вуза» (Иваново, 2000 г.), V международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2001 г.), VII международном симпозиуме «Электротехника 2010» (Москва, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и включает 134 страницы основного текста, 41 рисунок, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цели и задачи исследования, обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы новые научные результаты, перечислены основные положения, выносящиеся на защиту.

В первой главе проводится анализ этапов ЖЦ силовых трансформаторов со средствами поддержки ППР на разных этапах, уточняются задачи диссертационной работы.

Рис. 1. ЖЦ силового трансформатора и его компонентов

1 – планирование; 2 – исследовательские работы; 3 – проектирование; 4 –технологическая проработка; 5 – изготовление, производство; 6 – транспортировка; 7 – монтаж; 8 – эксплуатация; 9 – утилизация;

mi	ci, чел.-час.	ki, отн. ед.	ci’	Состояние, sj
1	2	3, 5	4, 12,18	6	7,11,14	8	9	10	13	15, 21, 22, 23	16	17	19, 20	24
1	16,5	0,95	17,37	1	1	0	1	1	0	1	1	1	1	1	0	1	0	1
2	8	0,9	8,89	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
3	5,5	0,8	6,87	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0
4	3	0,8	3,75	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
5	5	0,85	5,88	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0
6	17	0,95	17,89	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
7	17	0,95	17,89	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
8	16,5	0,9	18,33	0	0	0	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
9	3,5	0,8	4,37	1	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	1
10	4	0,8	5	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
11	3	0,6	5	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	1	1
Вероятность, pj, отн. ед.	0,05	0,125	0,12	0,05	0,05	0,1	0,005	0,015	0,05	0,01	0,1	0,05	0,1	0,15	0,025

Решение задачи выполнялось методом динамического программирования. Вероятности дефектов pj, получены из открытых источников, информация по стоимости ci для различных критериев и достоверности ki испытаний получены на основе экспертных оценок специалистов предприятия . Что касается стоимости каждого испытания ci, то для разных энергосистем эти значения могут различаться. На рисунке 3 приведена оптимальная схема организации испытаний по критерию трудозатраты.

В результате сделаны следующие выводы:

1.  При наличии дефекта в силовом трансформаторе возможна оптимальная схема диагностирования при использовании любого заданного критерия: трудоемкости, стоимости испытаний, времени нахождения дефекта и др.

2.  Использование конкретного метода в схеме комплексного диагностирования определяется характеристиками данного метода: трудозатратами на его использование и достоверностью даваемых им результатов. Для оптимизации общих трудозатрат следует в каждой энергосистеме стремиться к получению объективных значений этих характеристик.

3.  Для более детального распознавания дефектов в силовом трансформаторе можно рекомендовать расширение набора диагностических методов.

Рис. 3. Схема оптимального диагностирования (критерий трудозатраты)

Реализованный алгоритм функционирует в составе системы оценки состояния силовых трансформаторов ДИАГНОСТИКА+.

Также в третьей главе реализуется алгоритм автоматического определения момента перехода от детерминированных к статистическим методам оценки состояния. Применение статистической диагностики позволяет определить вероятность работоспособности трансформатора в определенный момент времени и принять решение о проведении профилактических работ. Реализо­ванный алгоритм сводится к последо­вательной параметрической оценке функций распределения случайных величин используемых при диагностике. После получения каждой исто­рии диагноза анализируется выгодность остановки или продолжения обучения, в этом преимущество перед использованием обучающей выборки фиксированного объема. Критерий оптимизации параметриче­ской оценки исследуемых распределений учитывает как траекторные потери c(pt-1, t) на сбор и обработку диагностической информации, так и терминальный выигрыш g(pt, t) от своевременного перехода на стати­стическую диагностику. Здесь tÎN, p0=p – априорная веро­ятность,
pt – апостериорная вероятность, вычисляется после каждой диагностики. Находится момент остановки t, с максимальным выигры­шем xt (10).

(10)

Знание стохастической модели, генерирующей истории диагноза, позволяет определить распределение p по принципу сопряженности. Сопряженное распределение характеризуется значением гиперпараметра, от размерности которого зависит применяемый метод решения. Если достаточная статистика pt описывается не более чем тремя гиперпарметрами, то оптимальное решение достигается применением ме­тода обратной индукции как достаточно универсального метода дина­мического программирования. В противном случае используется “близорукое” правило, т. е. прогнозируется значение xt на один шаг вперед и происходит остановка при плохом прогнозе.

В третьей главе представлены результаты исследований данных измерений накопленных на этапе эксплуатации трансформаторов. Исследования проводились с использованием разработанных программных средств и существующих пакетов статистической обработки данных.

Для проведения исследований была взята выборка концентраций газов, растворенных в масле силовых трансформаторов, накопленная за весь период эксплуатации на Костромской ГРЭС – одной из крупных ГРЭС Европейской части РФ. Значения среднесуточных температур в районе ГРЭС (г. Волгореченск, Ивановская область) с 1980 г. по 2002 г. включительно были предоставлены Ивановским Гидрометеоцентром. На рисунке 4 представлены корреляционные связи между концентрацией газа CH4 и значениями среднесуточных температур.

Рис. 4. Пример статистических исследований

В результате проведенных исследований были выявлены отклонения концентраций газов в периоды значительного повышения температуры. Для формулировки достоверных выводов необходимо проводить исследования в других районах, а также следует обладать выборкой концентраций газов, состоящей из более частых, чем по регламенту замеров. Также для изучения сезонных колебаний применялись методы анализа временных рядов. Так в результате исследований воздействия окружающей среды на концентрацию газов растворенных в трансформаторном масле была выявлена периодичность в изменении концентраций газов в бездефектном оборудовании. Применение средств обработки данных способствует получению новых знаний об объекте срытых от глаз эксперта. Накопленные на этапе эксплуатации статистические данные и полученные на их основе новые знания способствуют принятию эффективных решений при создании новых видов объектов.

Итогом третьей главы является рассмотрение вопросов разработки информационных технологий для поддержки ППР на всем ЖЦ трансформаторов.

Рассмотренные подходы к принятию решений на этапах ЖЦ трансформаторов нацелены на повышение эффективности всего ЖЦ за счет принятия толерантных решений на каждом из этапов. Определяющую роль в полном ЖЦ играют начальные этапы (исследование, проектирование), а также соответствие всех этапов друг другу. Поэтому на первых этапах ЖЦ при оптимизации проектных решений каждый объект должен рассматриваться во всем множестве его проявлений. Принимаемые решения должны следовать тенденции оптимизации полного ЖЦ, которая неравносильна поэтапной оптимизации, где реализация конечных свойств достигается суммированием оптимальных свойств на каждом из этапов.

Исследование, применение и разработка методов и средств поддержки ППР на разных этапах ЖЦ трансформаторов позволяют обозначить основные моменты методологии поддержки ППР на полном ЖЦ трансформаторов.

В целом методология должна содержать систематизированные и классифицированные методы описания ЖЦ, т. е. методы исследования, проектирования, технологии, эксплуатации и др., представленные в совокупности и в отдельности, с выделенными свойствами, признаками, особенностями, а также их связи, взаимоотношения и правила применения с указанием эффективности и границ применения. Создание методологии ЖЦ силовых трансформаторов достаточно длительный процесс, требующий сбора информации, анализа, принятия коллективных решений и т. д. При этом разрабатываются новые и модифицируются существующие методы. Этим объясняется целесообразность разработки методологии в открытой среде, такой как Интернет.

Разрабатываемый информационный портал по трансформаторному оборудованию отображает весь ЖЦ силового трансформатора.

Для отдельных этапов ЖЦ дается соответствующее инфор­мационное обеспе­чение, в состав которого входят сведения о разнообразных информа­ционных технологиях, используемых при проектировании, изготовле­нии, эксплуатации и т. д. трансформаторов. Наряду с информационными технологиями, представляемыми в виде описаний и демопрограмм, в структуре портала существуют разделы, обеспечивающие доступ к базам дан­ных: нормативной информации; методов и алгоритмов, при­меняемых на этапах жизненного цикла; производителей и поставщиков трансфор­маторного оборудования. При этом предполагаются возмож­ности гло­бального поиска, сравнения, анализа вне зависимости от при­надлежно­сти и размещения информации, многоуровневой детализации инфор­мации и непосредственного контакта с пользователями портала че­рез Ин­тернет и обратной связи с разработчиками.

Интернет-ресурс ориентирован на специалистов проектных и конструкторских организаций, ИТР заводов по произ­водству трансформаторов, специалистов энергосистем, работников ремонтных служб, специали­стов по утилизации трансформаторов, студентов вузов электротехнических специальностей.

Кроме этого, организация единого виртуального пространства по транс­форматорному оборудованию должна способствовать развитию информационной и сетевой инфраструк­туры отрасли, обмену и поиску информации об оборудовании, средствах диагностики и т. д., установлению партнерских связей и отношений между пользователями портала.

В заключении подведены итоги работы. Перечислены результаты и выводы работы, определены направления дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.  Выполнен анализ этапов ЖЦ силовых трансформаторов и средств поддержки ППР на разных этапах, установлены внешние и внутренние связи этапов между собой, выявлены показатели, требующие учета при проектировании новых видов объектов, определены требования к средствам поддержки ППР.

2.  Предложена схема взаимодействия подсистем комплексной САПР трансформаторов, на основе расширенной информационной модели. Разработанная система ТРАН-ПК включает:

-  подсистему расчетного проектирования трансформаторов, обеспечи­вающую принятие решения на основе заданного критерия;

-  подсистему технологической подготовки производства, реализующей задачу эффективного раскроя электротехнической стали, обеспечивающую принятие решения по загрузке оборудования с учетом производственных возмущений;

-  модуль анализа и интерпретации, который позволяет решать за­дачи в комплексной постановке, с учетом результатов работы как рас­четной, так и технологической подсистем;

-  развитую базу данных, расширенная информационная модель которой содержит единый набор объектов, обеспечивающих взаимосвязанное функционирование подсистем.

3.  Предложен способ формализации ППР при выборе в определенной ситуации конкретного подхода к оценке состояния трансформатора.

4.  Разработан алгоритм комплексной оценки состояния трансформаторов на основе метода динамического программирования. Алгоритм обеспечивает поддержку ППР при выборе эффективной схемы диагностирования трансформаторов по раз­личным заданным критериям.

5.  Разработан алгоритм автоматического определения момента перехода от детерминированных к статистическим методам оценки состояния путем последо­вательной параметрической оценки функций распределения случайных величин. В результате перехода на статистическую диагностику становится возможным принятие решений на этапе эксплуатации о проведении профилактических работ по состоянию трансформаторов.

6.  Проведены исследования статистических данных измерений, накопленных на этапе эксплуатации трансформаторов, позволившие выявить новые знания об объектах, скрытые от глаз эксперта.

7.  Созданы основы методологии поддержки ППР на полном ЖЦ трансформаторов, которая должна способствовать эффективному развитию объектов на всем временном интервале – от замысла до утилизации.

8.  Разработан информационный портал по трансформаторному оборудованию, способствующий принятию эффективных решений субъектами, участвующими в поддержке ЖЦ трансформаторов и повышению эффективности полного ЖЦ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1.  , , Об одном подходе к формализации знаний для экспертных систем // Моделирование теплофизических процессов и вопросы энергосбережения в теплотехнологии: Межвуз. сб. науч. трудов. – Иваново: ИГЭУ, 2000. – с. 42 – 45.

2.  , , К вопросу компьютерной диспансеризации // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Сб. науч. тр. В 2-х ч. Ч. 2. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2000. – с. 203 – 205.

3.  Рогожников оценка связи концентрации газов и причин их появления в маслонаполненном оборудовании // Информационная среда вуза: Сб. ст. к конф. – Иваново: ИГАСА., 2000. – с. 272 – 274.

4.  , Рогожников система диагностики объектов электро - и теплоснабжения геологоразведочных работ // Новые идеи в науках о Земле: V международная конференция. – Москва, 2001. – с. 84.

5.  , , Рогожников состояния объекта на основе нечеткой модели «Дефект-Признак-Рекомендация» // X Бенардосовские чтения: Тез. докладов МНТК. – Иваново: ИГЭУ, 2001. – с. 198.

6.  , Об оценке состояния электротехнической системы // Моделирование и исследование устройств электромеханики: Межвуз. сб. науч. трудов. – Иваново: ИГЭУ., 2001. – с. 85 – 89.

7.  , Рогожников влияния сезонных метеофакторов на концентрацию газов в маслонаполненном оборудовании // Системный анализ в техносфере: Межвуз. сб. науч. трудов. – Иваново: ИГЭУ, 2002. – с. 84 – 87.

8.  , , Ватлецов информационных технологий для поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов // VII симпозиум «Электротехника 2010» Том 3: Сб. докладов. – Москва: ВЭИ., 2003. – с. 84 – 85.

9.  Попов комплексной диагностики масляных трансформаторов // Электрические станции. – 2003, – №8.

10.  , , Сорвачёв информационных технологий для поддержки процессов принятия решений на этапах жизненного цикла силовых трансформаторов // XI Бенардосовские чтения: Тез. докладов МНТК. – Иваново: ИГЭУ, 2003. – с. 167.

11.  , Рогожников внедрения CALS-технологий на предприятиях трансформаторостроения для поддержки жизненного цикла изделий // XI Бенардосовские чтения: Тез. докладов МНТК. – Иваново: ИГЭУ, 2003. – с. 168.

12.  Рогожников алгоритма «обучения» системы диагностики силовых трансформаторов // XI Бенардосовские чтения: Тез. докладов МНТК. – Иваново: ИГЭУ, 2003. – с. 169.

Формат бумаги 60x84 1/16. Тираж 100 экз.

Печать плоская. Заказ

Отпечатано в ОМТ МИБИФ

153003, 4, оф. 101,