ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 10
1.1 Современные методы оценки технического состояния 10
1.2 Предпосылки применения методов оценки технического состояния 15
1.3 Современные системы оценки технического состояния 21
1.4 Оценка эффективности работы современных систем 22
1.5 Выводы 32
2 АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ И МОДЕЛЬ ДАННЫХ 33
2.1. Система поддержки принятия решений 33
2.2. Архитектура системы оценки технического состояния 37
2.3. Модель данных 47
2.4. Выводы: 51
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 53
3.1. Определение структурной модели оценки технического состояния
электрооборудования 53
3.2. Структура нейро-нечеткого логического вывода и алгоритм его
работы 57
3.3. Формирование функций принадлежности 59
3.2.1 Определение нечетких правил продукции 59
3.2.2 Определение числа функций принадлежности 61
3.2.3 Определение вида функций принадлежности 61
3.4. Настройка модели оценки технического состояния на примере оценки
состояния трансформаторного оборудования 69
3.4.1. Определение структуры нейро-нечеткого-логического вывода 69
3.4.2. Определение функций принадлежности 69
3.4.3. Формирование обучающей выборки 88
3.5. Сравнительный анализ с нейронной сетью 93
3.6. Определение результирующей оценки технического состояния
простого объекта электрической сети 95
3.7. Выводы 98
4 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ НА ПРИМЕРЕ ОЦЕНКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА 100
4.1 Оценка состояния работы системы 101
4.2 Оценка состояния трансформаторного масла 101
4.3 Оценка состояния магнитопровода трансформатора 107
4.4 Оценка состояния твердой изоляции трансформатора 109
4.5 Оценка состояния обмоток трансформатора 111
4.6 Оценка состояния силового масляного трансформатора 116
4.7 Выводы 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 124
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А - Обучающая выборка 139
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 143
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Актуальность темы. Разработка системы оценки технического состояния оборудования на электрических станциях и подстанциях является актуальной задачей.
Во-первых, она связана с высокой степенью износа электросетевого оборудования в России. Существенная часть основного оборудования выработала установленный парковый ресурс или срок эксплуатации, определенный нормативными документами, и используется на пределе своих возможностей.
Во-вторых, существует безусловное взаимное влияние электросетевого оборудования не только внутри одной подстанции (станции), но и внутри энергосистемы в целом, что оказывает действие на состояние и режимы работы оборудования. Степень этих взаимовлияний и их закономерности можно определить только при обобщенной оценке состояния всего оборудования электросетевого объекта.
В-третьих, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью перехода к системе обслуживания оборудования по его техническому состоянию, а не на базе системы планово-предупредительных ремонтов (НИР). Основной недостаток системы НИР заключается в отсутствии комплексного подхода к обслуживанию электрооборудования, что может привести к необоснованной трудоемкости ремонтов оборудования (в случае работоспособного и ремонтопригодного состояния) или, наоборот, - к пропуску дефекта или неисправности (в случае работоспособного, но неремонтопригодного состояния).
Сегодня в электроэнергетике активно развивается информационно-измерительная база на основе современных измерительных комплексов, обеспечивающих сбор, обработку и хранение информации c различных датчиков и систем мониторинга отдельных видов оборудования, данные с которых получают в режиме on-line. Такие комплексы обеспечивают однозначное определение контролируемых параметров и оценку влияния их изменения как на само оборудование, а при анализе полученных данных и на работу энергообъекта в целом. Такая информация весьма ценна и более достоверна в сравнении с данными, полученными в ходе диагностирования при выведенном из работы оборудовании. Она позволит повысить степень достоверности оценки технического состояния оборудования.
Между тем, увеличение объема анализируемой информации о состоянии оборудования ведет к значительным изменениям в методах работы и требует не только автоматизации процессов обработки и анализа данных, но и их интеллектуализации. Интеллектуализация связана как с необходимостью использования эксплуатационного опыта (в виде экспертных оценок), так и получения объективных оценок состояния оборудования вне зависимости от квалификации персонала.
Кроме того, в условиях изменившейся рыночной конъюнктуры появилась необходимость в новой системе управления энергетическими предприятиями - оптимизационной системе управления электросетевыми активами. Эффективная реализация такой системы предполагает достижение оптимального результата при минимальных затратах, а значит, возможна только на базе технически обоснованных характеристик состояния: объемов ремонтов, замены, реконструкции и обслуживания оборудования.
Таким образом, определение «слабых мест» в системе электроснабжения для электроэнергетических предприятий - первоочередная задача, как с технической, так и с экономической точки зрения, что, безусловно, подчеркивает актуальность темы данной работы.
Степень разработанности. Изучению проблем, связанных с оценкой технического состояния электросетевого оборудования, уделяется большое внимание, что отражено в работах по техническому диагностированию [1,2,3,4,5]. В России значительный вклад в развитие методов оценки технического состояния электросетевого оборудования внесли П. М. Сви, В. П. Вдовико, В. А. Русов, М. Ю. Львов, Б. А. Алексеев, А. Г. Овсянников, Л. А. Дарьян, В Н. Осотов и др., а в разработку современных экспертных систем на основе данных технического диагностирования электросетевого оборудования - А. И. Таджибаев, А. Н. Назарычев, А. Ю. Хренников, И В. Давиденко, Г. В. Попов и др. Ввиду актуальности данной тематики в представленной диссертационной работе отдельный раздел посвящен анализу современных методов и систем оценки состояния электросетевого оборудования на электрических станциях (ЭС) и подстанциях (ПС).
Объектом исследования являются элементы электроэнергетической системы, связанные непрерывностью процессов производства, передачи и распределения электрической энергии.
Предметом исследования является оценка технического состояния электросетевого оборудования на основе нейро-нечеткого логического вывода.
Цель и задачи работы - совершенствование системы оценки технического состояния электросетевого оборудования с применением интеллектуальных методов обработки информации, формализации знаний и опыта экспертов, а также автоматизации процесса принятия решений.
Научная новизна работы связана со следующими основными научными положениями и результатами:
- Доказана возможность решения задачи комплексной оценки технического состояния сложного объекта электрической сети на основе нейро-нечеткого логического вывода и обоснована возможность ее определения с использованием агрегированной доступной информации об объекте исследования и формализованных экспертных знаний с учетом эксплуатационного опыта;
- Обоснована возможность реализации разработанной модели оценки технического состояния на основе данных технической диагностики и методов испытаний электрооборудования;
- Разработаны структуры нейро-нечеткого логического вывода на основе адаптированного метода Такаги-Сугено для оценки технического состояния, как элементов электрооборудования, так и комплексных объектов электрической сети;
- Решена задача определения оптимальных функций принадлежности и нечетких правил оценки технического состояния объектов электрической сети для поиска возможных неисправностей (дефектов) в элементах электрооборудования.
- Получено новое решение задачи определения оптимальных условий организации эксплуатации электрооборудования в зависимости от его технического состояния.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в получении технически-обоснованных решений по эксплуатации оборудования на базе разработанной системы оценки его технического состояния с применением интеллектуальных методов обработки информации, а также возможности самообучения и самонастройки разработанной системы с сохранением алгоритма работы при изменении параметров оборудования.
Методология и методы исследования. Методом исследования при выполнении диссертационной работы являлось математическое моделирование. Исходными данными являлись данные технического диагностирования электрооборудования, полученные в ходе испытаний оборудования. В качестве инструмента моделирования применялся программный комплекс MATLAB. При разработке модели использовались методы искусственного интеллекта - на основе нейро-нечеткого логического вывода, объединяющего в себе методы нечеткой логики и искусственных нейронных сетей.
Обоснованность и достоверность. Результаты диссертационной работы получены при корректном и обоснованном применении методов нечеткой логики и искусственных нейронных сетей и подтверждаются согласованностью с результатами, полученными на основе эмпирических выводов и экспертных оценок.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Основные принципы формирования системы оценки технического состояния электросетевого оборудования на основе нейро-нечеткого логического вывода с использованием нормативных критериев и формализованных экспертных знаний, учитывающих эксплуатационный опыт.
- Новые математическая и структурная модели оценки технического состояния электросетевого оборудования на подстанциях на базе агрегированной доступной информации об исследуемом объекте с помощью нейро-нечеткого логического вывода.
- Новая структура и алгоритм работы нейро-нечеткого логического вывода на основе адаптированного метода Такаги-Сугено для оценки технического состояния силового масляного трансформатора 110 кВ по данным технической диагностики и испытаний.
Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 международных и Российских научно-технических конференциях, а именно: Электроэнергетика глазами молодежи, 2010, Екатеринбург (Россия); Электроэнергетика глазами молодежи, 2012, Екатеринбург (Россия); 3rd International Conférence on Power and Energy Systems, 2013; Париж (Франция)International Conference on Advances in Energy and Environmental Science, ICAEES 2013, Гуанчжоу (Китай); 6th IASTED Asian Conference on Power and Energy Systems, AsiaPES 2013, Пхукет, (Тайланд); 1st International Conference on Energy Production and Management in the 21st Century: The Quest for Sustainable Energy, 2014, Екатеринбург (Россия) и других.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 статей, в том числе 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ, а также 3 статьи включенных в базы научного цитирования Web of science и Scopus.
Структура и объем работы. введение, четыре главы, заключение, Общий объем работы составляет библиографическое наименование.
Диссертационная работа содержит список литературы и приложения.
Основные результаты диссертационной работы:
1. Получено и обосновано решение задачи комплексной ОТС электрической подстанции на основе нейро-нечеткого логического вывода.
2. Разработаны структурная и математическая модели ОТС и определена база знаний для поиска возможных неисправностей (дефектов) электросетевого оборудования с целью выбора решений для обеспечения требуемого технического состояния электроэнергетической системы.
3. Определены способы решения задачи совершенствования системы ОТС электросетевого оборудования на основе диагностической информации в соответствии с действующими требованиями и с учетом формализованных знаний и опыта экспертов.
4. Выполнена апробация разработанной модели на базе программного комплекса МаЙаЬ на примере ОТС силовых трансформаторов 110 кВ, показавшая достаточную для практической реализации точность оценки, что подтверждает адекватность представленного решения.
5. Для задачи ОТС сложных объектов выполнена адаптация принципа декомпозиции, обеспечивающая возможность определения как индивидуальных характеристик работоспособности каждого объекта, так и, при последующей их агрегации, - учета эмерджентных свойств системы.
В основе обобщенной ОТС объекта электрической сети, такого как подстанция, положено комплексное исследование, которое подразумевает одновременное и согласованное изучение показателей по каждому из совокупности подобъектов и их элементов, являющихся составными элементами подстанции. Каждый показатель характеризует тот или иной физический процесс, оказывающий влияние на состояние подобъекта (элемента) или совокупности подобъектов сети в процессе ее функционирования.
Установлено, что разработанный подход к ОТС может быть распространен и на другие виды электрооборудования при изменении входных параметров и функций принадлежности в соответствии с техническими, эксплуатационными и технологическими принципами работы этого оборудования.
Разработанная модель ОТС электросетевого оборудования подстанций 35-220 кВ может быть использована для создания интеллектуальной системы управления производственными активами электроэнергетических предприятий по техническому состоянию.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
