Использование элементов искусственного интеллекта: компьютерная поддержка оперативных решений в интеллектуальных электрических сетях
В системах типа МИМИР вместо универсального логического вывода используется специализированный логический вывод. И такой специализированный вывод осуществляют именно программы-рассуждения на языке МИМИР. Эти программы являются моделями рассуждений специалиста-технолога, решающего соответствующую задачу.
В самом деле, опыт общения с технологами-эксплуатационниками показывает, что их знания по решению прикладных задач имеют не универсальный («энциклопедический») характер, а «упакованы» в некоторые блоки, которые и должны моделироваться программами-рассуждениями.
Таким образом, разработка прикладной экспертной системы на базе МИМИР сводится к заданию словаря технологических понятий, структуры семантической сети и множества прикладных программ-рассуждений.
1.10. ВЫВОДЫ к главе 1
1.При рассмотрении источников знаний, необходимых для разработки информационных систем, выявлена доминирующая роль эксплуатационного опыта оперативного персонала.
2. Представление эксплуатационного опыта в виде системы рассуждений является эффективным средством для формализации знаний.
3.Опредены характеристики системы рассуждений (глубина, разветвленность, структурная сложность), при достаточно высоких значениях, которых целесообразно использовать интеллектуальные системы.
4. Рассмотрение различных специализаций разработчиков информационных систем показывает важную роль инженеров по знаниям при применении методов искусственного интеллекта.
5. Учитывая дефицит времени эксперта-технолога, при разработке интеллектуальных систем целесообразно использовать новый тип специалистов – экспертов-посредников. Рассмотрены взаимодействия посредников с экспертами-технологами и инженерами по знаниям.
6. Приведены основы построения интеллектуальной информационной системы МИМИР, предназначенной для решения технологических задач в области диспетчерского управления в энергетике. Разработка прикладной интеллектуальной системы на базе МИМИР сводится к определению Словаря понятий, структуры семантической сети для описания предметной области и создания множества специализированных программ-рассуждений, реализующих логический вывод.
Контрольные вопросы
1.Назовите источники знаний, необходимых для разработки информационных систем электроэнергетического применения
2.Обоснуйте доминирующую роль эксплуатационного опыта при разработке интеллектуальных информационных систем.
3.Дайте определение экспертной системы. Основные блоки этой структуры и их функции.
4. Назовите специализации разработчиков информационных систем, их взаимодействие при разработке систем.
5. Назовите функции инженера по знаниям.
6.Определите.роль эксперта-посредника при разработке интеллектуальных информационных систем
7. Что такое семантическая сеть, как она используется при разработке интеллектуальных информационных систем?
7. Что такое структурированная семантическая сеть? Что такое семантические группы? Приведите примеры
8.Что такое специализированный логический вывод.? Дайте определение вопросного программирования.
9.Что такое программы – рассуждения?
10. Каковы особенности экспертной системы МИМИР?
11. Приведите примеры применений системы МИМИР в электроэнергетике
12. Назовите этапы разработки прикладной интеллектуальной системы на базе системы МИМИР.
Список тем для рефератов и докладов
1.Проблемы разработки современных информационных систем энергетического применения. Традиционные и интеллектуальные системы.
2.Технологические рассуждения как предмет моделирования.
3.Характеристики рассуждений и целесообразность применения методов искусственного интеллекта.
4.Источники знаний для интеллектуальных систем. Роль эксплуатационного опыта.
5. Специализации разработчиков интеллектуальных систем. Роли эксперта-посредника и инженера по знаниям.
6. Особенности экспертной системы МИМИР.
7. Примеры применений системы МИМИР в электроэнергетике.
8.Вопросное программирование и программы-рассуждения.
9.Критерии целесообразности использования методов ИИ при разработке информационных систем.
10. Вопросное программирование для моделирования рассуждений экспертов при разработке информационных систем.
11. Экспертная система МИМИР и ее применение в электроэнергетике.
12. Этапы разработки прикладной интеллектуальной системы на базе системы МИМИР.
Глава 2. АНАЛИЗ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
2.1. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДИСПЕТЧЕРСКИЕ СИСТЕМЫ
«Интеллектуальными» диспетчерскими системами ИДС [10,11] принято называть системы, содержащие, кроме традиционных функций (сбор оперативной информации, ведение баз данных реального времени и архивов, выполнение расчетов, графическое представление информации в виде мнемосхем, графиков, диаграмм, генерация отчетов) еще и функции интеллектуальные (основанные на знаниях [13]), такие как:
– ситуационный анализ объекта управления, включая анализ событий и ситуаций,
– определение необходимых действий оператора при возникновении нештатных ситуаций,
– блокировка от несанкционированных действий оператора,
– ведение баз знаний реального времени.
Очевидно, что для оперативного диспетчерского управления электросетями только традиционные диспетчерские системы не обеспечивают достаточного уровня информационной поддержки работы оперативного персонала в аварийных и нештатных ситуациях: получая изображения схем с обозначенными на них положениями коммутационных аппаратов и значениями электрических параметров, диспетчер должен «сам соображать», возникла ли нештатная ситуация, в чем причина ситуации, какие действия нужно произвести для восстановления нормальной ситуации. Цена «человеческих» ошибок при принятии таких решений может быть весьма высока.
Порядок расследования аварий и технологических нарушений, примеры расследования таких нештатных ситуаций и оформления актов о расследовании причин аварии в электрических сетях или на других объектах электроэнергетики рассмотрены в главе 3.
Вместе с тем, в существующих диспетчерских системах для электросетей (по крайней мере, отечественных) интеллектуальные функции отсутствуют. В настоящее время сложились предпосылки для изменения этой ситуации (имеются проверенные в эксплуатации отечественные экспертные системы реального времени [7], обеспечение ввода в ИДС информации об РЗА больше не является серьезной проблемой – см., например, АСУ ТП Siemens – proavtomatika.ru).
Реализация функций ИДС достигается включением в систему ряда интеллектуальных агентов, построенных программно на основе технологии экспертных систем, а алгоритмически – на множестве технологических инструкций.
2.2. ДИСПЕТЧЕРСКИЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ СИТУАЦИЙ
Используя информацию о переключениях выключателей и срабатываниях устройств релейной защиты и автоматики РЗА на подстанциях, интеллектуальная система может производить анализ ситуаций, выделяя важные для оперативного управления нештатные ситуации, связанные с технологическими нарушениями.
При этом система должна распознавать именно нештатные ситуации, отделяя их от штатных, таких, к примеру, как отключения элементов оборудования для вывода в ремонт по заявкам.
При анализе нештатных ситуаций система должна определять:
источник технологических нарушений (например, короткое замыкание на одном из элементов оборудования);
работу АПВ (успешная или неуспешная);
отказы в срабатывании выключателей;
затягивание переключений выключателей;
отказы в срабатывании РЗА;
излишнюю или неселективную работу РЗА;
отключения элементов оборудования (линий, трансформаторов, шин). Эти данные минимально необходимы диспетчерскому и оперативному персоналу, чтобы оценить ситуацию в электрической сети и начать планирование мероприятий по предотвращению развития и ликвидации технологических нарушений.
2.3. ПОДСТАНЦИОННЫЙ УРОВЕНЬ АНАЛИЗА СИТУАЦИЙ (ОБЪЕКТНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА ПАНС)
Работы НТЦ ФСК ЕЭС в области оперативного диспетчерского анализа были начаты для отдельного объекта (подстанции Чагино), где в качестве АСУ ТП используются системы фирмы Siemens. «Лист событий» ЛС, формируемый в этом АСУ ТП является излишне «длинным» – в нем может содержаться несколько десятков записей. Анализ такого списка сложен для дежурного персонала подстанции и чреват «человеческими» ошибками. Можно использовать в ФСУ ТП специальные фильтры для выделения только событий, важных для конкретного анализа. Но тогда перед анализом дежурный персонал должен выполнить специальную операцию – смену фильтра – еще один возможный источник ошибок в условиях дефицита времени. Кроме того, в ЛС АСУ ТП непосредственно фиксируются не все нужные для диспетчерского анализа технологические нарушения (не фиксируются такие, как отказ выключателя, отказ устройства резервирования УРОВ, затягивание срабатывания выключателя).
Для определения и описания ситуаций на уровне подстанции необходимо дополнить АСУ ТП этого энергообъекта специальной экспертной системой ПАНС (подстанционный анализ ситуации), а в дальнейшем развить эти системы для уровня электрической сети (например, ПМЭС) – системы САНС. Эти экспертные системы основаны на разработанной ВНИИЭ инструментальной системе МИМИР [7].
В инструментальной системе МИМИР принято представление БД семантическими сетями. Можно выделить два основных раздела БД:
– топологическая модель «первичной» электрической сети,
– логическая модель релейной защиты и автоматики РЗА.
Топологическая модель в обобщенном виде может быть представлена графом рис.3., модель РЗА – графом, приведенным на рис.4
База данных устроена таким образом, что обращение к ней из программы может иметь вид вопроса на ограниченном естественном языке со словарем из элементарных понятий БД.
Например, вопрос «РЗА ЗТ, события срабатывание?»;
дает в качестве ответа указание на множество сработавших защит трансформаторов.
База данных в МИМИР дополнена системой программ на ограниченном естественном языке, имитирующих диспетчерские рассуждения на основе технологических правил.
В результате получается язык программ-рассуждений, на котором легко задавать логику диспетчерских рассуждений.
Правила, на основе которых функционирует экспертная система ПАНС, определяются логикой работы РЗА. Например, если зафиксировано срабатывание защиты линии электропередач, экспертная система определяет, на отключение каких выключателей нормально действует эта защита. Далее, определяется, все ли ранее включенные выключатели из этого множества отключились. Для не отключившихся выключателей фиксируется событие «отказ выключателя» и проверяется, было ли срабатывание УРОВ этого выключателя и т.п.
В другой, более сложной, ситуации при срабатывании защит трансформаторов необходимо определить, имеются ли дефектные выключатели и какой тип дефекта (отказ, затяжка срабатывания) имеет место (не отключившиеся выключатели перед опробованием погашенных шин напряжением нужно отключить, «разобрав» их схему разъединителями с нарушением блокировки, а для «затянувших» выключателей схема разбирается после опробования шин). Факт затяжки может быть логически установлен в рассуждении – УРОВ дефектного выключателя срабатывает до его отключения.
Результаты работы ПАНС могут составлять основу для доклада дежурного подстанции, направляемого сетевому диспетчеру при возникновении нештатной ситуации. Опыт испытаний ПАНС на подстанции Чагино положителен.
Для отображения результатов работы экспертной системы используется отображение системы КАСКАД-НТ [20].
Рис. 4 Логическая модель релейной защиты для задач диспетчерского анализа.
2.4. СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ АНАЛИЗА СИТУАЦИЙ
Развитие рассмотренной ранее системы для электрической сети (система САНС) позволяет выявлять поврежденные элементы оборудования, отключенные элементы, обесточенные участки сети, отказы в срабатывании релейных защит, отказы и затяжки отключений выключателей.
Система дополнена, в частности, функцией анализа такой достаточно сложной ситуации, как дальнее резервирования [1]. При этом экспертная система сначала определяет «погашенные» шины подстанций и отключившиеся линии, затем – срабатывание защит на подстанции с «погашенными» шинами и на смежных присоединениях. Учитываются ступени сработавших защит линий. На подстанции, где имелось повреждение, вызвавшее ситуацию дальнего резервирования, защита работает первой ступенью, а на смежных подстанциях – старшими ступенями.
В качестве примера рассмотрен фрагмент электрической сети в нормальном состоянии (рис.5) и после короткого замыкания на одной из линий при отказе отключения линейного выключателя и отказе в срабатывании устройства резервирования отказа УРОВ одного из выключателей этой линии (рис. 6). Для того, чтобы продемонстрировать ситуацию резервирования защитами смежных подстанций условно предполагается, что на подстанции Волконка выведены из работы (ошибочно – по вине персонала подстанции) собственные защиты секционного выключателя 110 кВ и направленные в линию 110 кВ резервные защиты силовых трансформаторов. При экспресс-анализе ситуации информация об ошибочном выводе защит недоступна.
Рис.5. Фрагмент схемы электрической сети (отображение в SCADA).
Приведем синтезированное экспертной системой САНС текстовое описание ситуации (реплика системы «НЕТ УРОВ» здесь должна интерпретироваться как отказ УРОВ):
Ситуация: ДАЛЬНЕЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ
Предположительно повреждение оборудования ВЛ 110 кВ Волконка –Головинка
– Срабатывание РЗА ПС Головинка ВЛ Волконка ступ. 1
– Срабатывание защиты линии РЗЛ ПСВолконка ВЛ 110 кВ Волконка –Головинка
– Отказ выключателя Волконка ВЛ 110 кВ Головинка
– НЕТ УРОВ
– Работа РЗА на смежных подстанциях.
Реплика системы «Нет УРОВ» означает здесь отказ УРОВ в срабатывании.
Так как РЗА работают на всех подстанциях, смежных с ПС Волконка, перечисление необязательно.
Переключения в сети 10кВ в тексте, синтезированном системой, для краткости опущены.
Для «ручного» анализа диспетчером эта ситуация является весьма сложной: защиты работали на пяти ПС, на четырех ПС отключились выключатели, причем на ПС «Волконка» нет отключений – она полностью обесточилась. Экспертная система САНС в этом случае дает исчерпывающее технологическое описание ситуации, понятное диспетчеру (рис.7.)
Рис. 6. Пример: фрагмент схемы электрической сети при коротком замыкании на линии ВЛ 110 кВ Волконка-Головинка. Белым цветом обозначены участки сети без напряжения.
Рис. 7. Результат интеллектуального анализа ситуации.
2.5.СОВЕТЧИК ДИСПЕТЧЕРА
На основе ранее описанной сетевой системы анализа ситуаций САНС может быть разработан Советчик диспетчера сетевого предприятия.
В ранее рассмотренном примере для анализа диспетчером без интеллектуальной информационной поддержки эта ситуация (т.н. «дальнее резервирование» [1]) является весьма сложной: защиты работали на 5 подстанциях, отключения выключателей на 4 подстанциях (на ПС Волконка не было отключений, эта ПС полностью обесточилась).
Отображение списка срабатываний РЗА и отключений выключателей займет определенное время и мало поможет анализу (список достаточно длинный).
Интеллектуальный агент ИДС «Анализ» дает исчерпывающее технологическое описание ситуации абсолютно понятное диспетчеру (рис.7). Имел место отказ линейного выключателя при отсутствии (или выводе из работы) соответствующего УРОВ. Результаты анализа можно представить с помощью специальных обозначений на отображаемой схеме, но, поскольку нежелательно использовать новые, непривычные диспетчеру, обозначения, текстовое описание ситуации предпочтительнее.
В ИДС база знаний о топологии расширена – добавлена информация об РЗА (локализация, вид, защищаемое оборудование, ступени, воздействия на выключатели), а в оперативную базу данных добавлена информация о срабатываниях РЗА.
В Состав Советчика может быть включена задача составления Плана послеаварийного восстановления нормальной схемы.
Интеллектуальный агент «Восстановление», алгоритм которого основан на соответствующих технологических инструкциях, автоматически в Советчике создает план восстановления. В общем случае при определении траектории восстановления учитываются имеющиеся ремонты оборудования и их время аварийной готовности АГ при необходимости свернуть ремонтные работы.
2.6. ВЫВОДЫ к главе 2
Для обеспечения качественной информационной поддержки диспетчерских решений в аварийных и нештатных ситуациях настоятельно необходимо выполнять современные диспетчерские системы для диспетчерского управления электрическими сетями с использованием интеллектуальных агентов, построенных на основе технологии экспертных систем.
Необходимо обеспечить ввод в диспетчерскую систему достаточно полного объема телесигнализаций положения выключателей, а также данных о составе и срабатывании РЗА.
Разработан образец интеллектуальной диспетчерской системы для управления электрическими сетями.
Анализ нештатных ситуаций в интеллектуальных диспетчерских системах должен выполняться на двух уровнях: подстанционном (система ПАНС) и уровне электрической сети (система САНС).
Анализ нештатных ситуаций в сетевой интеллектуальной системе является основой для построения интеллектуальной системы – советчика диспетчера для предприятий электрических сетей.
Контрольные вопросы
1.Что такое интеллектуальные диспетчерские системы?
2. Назовите основные интеллектуальные функции диспетчерских информационных систем
3.Как использовать экспертные системы для реализации интеллектуальных функций информационных систем?
4.Что должна определять информационная система при анализе нештатных ситуаций в энергосистемах и электросетях?
5. Изобразите топологическую модель первичной сети для задач диспетчерского управления.
6. Изобразите логическую модель релейной защиты для задач диспетчерского анализа.
7.Каковы отличия подстанционного и сетевого уровня диспетчерского анализа?
8. Как в интеллектуальной системе определять отказы в отключении выключателей?
9. Как логически определить тип нарушения при отключении выключателя: отказ или «затяжка» в срабатывании?
10. Назовите функции «сетевой» системы анализа ситуации.
11.Каковы диспетчерские рассуждения в ситуации «дальнее резервирование»?
12. Назовите функции советчика диспетчера электросети на основе сетевой интеллектуальной системы анализа ситуаций.
Список тем для рефератов и докладов
1. Интеллектуальные диспетчерские системы.
2. Диспетчерский экспресс-анализ.
3. Подстанционный уровень анализа ситуаций на основе интеллектуальной системы.
4. Сетевой уровень анализа ситуаций на основе интеллектуальной системы.
5. Советчик диспетчера на основе интеллектуальной системы.
Глава 3.АВАРИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАРУШЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ: РАССЛЕДОВАНИЕ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ
3.1. РАССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙ С ПЕРЕРЫВАМИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Расследование причин и хода аварий с перерывами в электроснабжении потребителей – важнейшая задача для эксплуатационного персонала энергосистем, позволяющая обеспечить надёжность работы. Порядок решения этой задачи и форма отчетности регламентируется на правительственном уровне ([16] с изменениями). Для расследования аварии создается специальная Комиссия из высококвалифицированных специалистов, взаимодействующая с диспетчерским и эксплуатационным персоналом. Результатом работы Комиссии должен быть Акт расследования причин и хода аварии, на оформление которого отводится регламентом 15 дней.
Полная (без участия человека) автоматизация анализа сложных аварий в настоящее время, по-видимому, невозможна. Но для облегчения работы специалистов весьма желательна хотя бы частичная автоматизация этого процесса.
Акт расследования причин аварии в числе прочих данных обязательно должен содержать описание состояний энергосистемы, режима работы до и во время аварии; описание причин аварии; описание выявленных нарушений требований нормативно-правовых документов.
Все технологические нарушения (аварии, инциденты) подлежат расследованию и учету с целью установления причин для разработки организационно-технических профилактических мероприятий и оценки надежности работы энергообъектов. Получаемые результаты должны использоваться при принятии квалифицированных решений по совершенствованию организации эксплуатации и ремонта, модернизации, реконструкции или замене энергетического оборудования, а также при разработке нормативных требований по вопросам надежности. Расследование должно проводиться комиссией, состав которой устанавливается приказом или распоряжением конкретного уровня управления в зависимости от тяжести нарушения.
3.1.1.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОРГАНИЗАЦИИ РАССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ
При расследовании причин и обстоятельств технологического нарушения должны быть изучены и оценены:
– действия обслуживающего и ремонтного персонала, соответствие объектов и организации их эксплуатации нормативным требованиям;
– качество и своевременность проведения ремонтов, осмотров и контроля состояния оборудования;
– своевременность принятия мер по повышению надежности, устранению аварийных очагов и дефектов оборудования, выполнение требований НТД;
– качество изготовления оборудования и конструкций, выполнения проектных, строительно-монтажных и наладочных работ;
– соответствие расчетных и фактических параметров природно-климатических условий (толщины стенки гололеда, скорости ветра и т.п.);
– величина недоотпуска энергии потребителям, а также экономического ущерба, причиненного энергопредприятию;
При расследовании должны быть выявлены и описаны все причины возникновения и развития нарушения, его предпосылки, а также причинно-следственные связи между ними [16].
3.1.2.ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ КОМИССИИ ПО РАССЛЕДОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ
К работе комиссии, при необходимости, могут дополнительно привлекаться представители специализированных организаций. В своей работе комиссия руководствуется накопленным статистическим материалом, заключениями специалистов и экспертов, данными осмотров и результатами диагностических обследований.
Основной задачей расследования и учета технологических нарушений является установление причин и предпосылок нарушений для разработки организационно-технических профилактических мероприятий по предотвращению подобных нарушений [16,17].
3.2.ОРГАНИЗАЦИЯ РАССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ – ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Для повышения эффективности противоаварийной работы необходимо обеспечить выполнение мероприятий по организации систематического контроля за полнотой и качеством расследования технологических нарушений в работе энергетических объектов, а также введение порядка, при котором расследование каждого технологического нарушения завершается выпуском распорядительного документа (приказа, распоряжения) по энергокомпании или ее структурному подразделению, определяющего причины, виновных и превентивные мероприятия.
3.3.СИСТЕМА СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АВАРИЙНОСТИ
Результаты расследования технологических нарушений подлежат учёту с последующим формированием соответствующей базы данных.
Основной целью учета является использование статистической информации о технологических нарушениях при оценке влияния аварийности на надёжность, экономичность и безопасность работы электрической сети, решении многих задач управления и развития сети. Для этого во всех энергокомпаниях ведутся базы данных актов расследования технологических нарушений.
3.4.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБЪЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВУ РАССЛЕДОВАНИЯ