Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 27 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

5.6.3. ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМИ ЭЭС

Как было показано, оперативное управление ЭЭС осуществляется автоматизированной системой диспетчерского управления, и деятельность оперативно-диспетчерского персонала представляет собой совокупность связанных между собой функций.

Чтобы обеспечить нормальное функционирование системы, а также правильную реакцию на возникающие возмущения, оперативно-диспетчерскому персоналу необходимо решать такие задачи, как планирование, контроль, регулирование и диагностирование.

Процесс решения задач человеком при диспетчерском управлении В.Н. Пушкин назвал оперативным мышлением, показав, что оперативное мышление диспетчера – основное звено переработки информации в управляющей системе. По данным анализа функций оперативного мышления А.А. Башлыков и А.П. Еремеев построили структуру процессов оперативного

мышления, базирующуюся на понятии модели оперативного мышления для диспетчерского управления (рис. 5.12). Модель содержит всю информацию, характеризующую объект управления, и данные об операторах. Для целенаправленной обработки информации с помощью механизмов мышления организуется логическая последовательность процессов, характеризующих оперативное мышление. Индуктивные механизмы – это процессы обучения и адаптации. Дедуктивные механизмы – процессы анализа и классификации ситуаций, планирования, выбора, решения задач, диапазона, реактивной деятельности.

Единая энергетическая система Российской Федерации (ЕЭС России) представляет собой постоянно развивающийся автоматизированный комплекс электрических станций и сетей, объединенных общим режимом работы и единым централизованным оперативно-диспетчерским управлением.

Известные особенности энергосистемы (совмещенность во времени процессов производства, распределения и потребления электроэнергии, быстрота протекания переходных процессов, тесная режимная связь между электростанциями, удаленными на большие расстояния) обусловили высокий уровень автоматизации управления всем сложным технологическим комплексом от источника до потребителя электроэнергии и теплоты.

С развитием энергосистем, расширением объема автоматизации и телемеханизации энергетических объектов менялась не только структура оперативно-диспетчерского управления, но и сам характер и способ труда оперативного персонала. Теперь большинство подстанций работает без постоянного дежурного персонала, оперативный персонал снят с небольших гидроэлектростанций, уменьшена его численность на ГЭС средней и большой мощности, распространено дежурство на дому, созданы оперативно-выездные бригады, прибывающие на контролируемый объект по мере необходимости.

Каждый элемент энергосистемы находится в управлении оперативного руководителя только одной ступени управления. Однако он может находиться в ведении нескольких оперативных руководителей одной или разных ступеней управления.

^{Рис. 5.12. Модель оперативного мышления} 

Состояние аварийности в отрасли подтолкнуло более предметно заниматься подготовкой персонала, в том числе выработкой определенных, диктуемых техническим прогрессом в энергетике требований к его квалификации. Здесь на первый план выступает правильность принимаемых решений, т.е. умение адекватно оценить режимную ситуацию (состояние среды и функционирование объекта), а также предвидеть последствия выполняемых действий: ведут ли они к достижению ожидаемого результата или будут отрицательными.

Не менее важна и своевременность вмешательства, т.е. оперативность действий в рамках функционирующей большой производственной системы.

Автоматизация управления объектами позволяет решить большинство из этих задач. Однако во всех случаях окончательное решение остается за человеком, несущим всю полноту ответственности за ошибочные действия как свои, так и средств автоматики. Человек ответственен перед другими за деятельность вверенного ему объекта, пусть и оснащенного самыми совершенными средствами автоматизации.

С точки зрения профессиональной подготовки эксплуатационный персонал должен владеть умением самостоятельно управлять производственным процессом, контролировать деятельность средств автоматики, знать особенности технологического оборудования и систем управления, с тем чтобы определять возможный диапазон изменения режимов работы оборудования и энергосистем, а также нести полную ответственность за принимаемое решение и за конечный результат.

Во всех случаях надежность человека зависит от следующих факторов:

степени инженерно-психологического согласования техники с психофизиологическими возможностями оператора при решении возникающих задач;

уровня обученности и тренированности;

психофизиологических особенностей личности, порогов чувствительности, в том числе физиологического состояния в данный момент.

Для всей системы диспетчерского управления сложным энергообъединением характерно то, что по мере перехода от низшего звена к высшему функции управления расширяются соответственно увеличению объема и усложнения задач по ведению режима. Объем же оперативных задач относительно сокращается, при этом ответственность не только не снижается, а, как правило, возрастает.

На низших звеньях диспетчерского управления в электрических сетях чисто оперативные функции считаются основными. В энергосистемах разработка и ведение режима составляют уже значительную часть функций Центральной

диспетчерской службы. На диспетчера энергосистемы возлагаются оперативные функции, которые не могут быть переданы подчиненному оперативному персоналу.

Наиболее ответственна работа оперативного персонала во время аварийных ситуаций, сопровождающихся психологическими и физиологическими стрессами, интенсивность которых связана с внезапностью и возможными тяжелыми последствиями для страны.

Анализ нарушений в работе энергетического оборудования показывает, что из множества причин (например, оперативный персонал не способен успешно ликвидировать аварийные ситуации) основные – профессиональная непригодность и низкий уровень подготовленности к действиям в аварийных ситуациях.

Программа обучения эксплуатационного персонала должна разрабатываться на базе квалификационных требований, должностных инструкций с учетом того, что подготовка эксплуатационного персонала для объектов энергетики – одно из главных направлений в обеспечении надежности энергетического производства, где скорость протекания технологического процесса очень велика, а последствия ошибочных действий в силу высокой взаимосвязанности энергетических процессов со всеми сторонами человеческой деятельности особенно масштабны.

Наиболее эффективны такие средства обучения, как специализированный тренажер-советчик при плановом изменении состояния, эксплуатационном обслуживании и обеспечении безаварийной и экономичной работы оборудования, а также комплексный (КТ) и специализированный (СТ) тренажеры при ведении режимов работы оборудования на всем протяжении технологических процессов.

Программно-технические комплексы (ПТК) специализированных тренажеров-советчиков, КТ и СТ используются как средства отработки навыков и как автоматизированные обучающие системы (АОС) для получения и углубления теоретических знаний.

Энергосистемы России имеют многообразную программную продукцию для тренинга персонала на базе ПЭВМ. На предприятиях создаются условия для реализации и функционирования системы подготовки персонала с использованием АОС и, в первую очередь, ПЭВМ.

Реализуется отраслевая система подготовки эксплуатационного персонала. По программе методологического и материального обеспечения планируется четырехуровневая система подготовки персонала на производстве: отраслевой тренажерный центр; региональные тренажерные центры; центры тренажерной подготовки и учебно-курсовые комбинаты энергообъединений; пункты тренажерной подготовки при энергопредприятиях.

Основные законы трансформаций и эволюции структур систем человек – машина – среда:

Первый закон взаимной адаптации (коадаптики) утверждает, что синтез и динамика развития любой системы есть процесс взаимной адаптации компонентов системы между собой и системы с внешней средой.

Для обозначения процесса повышения степени взаимной адаптации внутренних компонентов системы человек – машина – среда (СЧМС) целесообразно применять термин конвергенция, а для высокой степени – синхронизация. Обратные процессы – дивиргенция, десинхронизация. Состав системы, ее структура и стратегия относительны. Стратегия – это внешнее функциональное проявление закономерности процессов взаимной адаптации внутренних компонентов системы (структуры) при взаимной адаптации системы с внешней средой.

Второй закон определяет существование и развитие живой системы как процессы взаимной опережающей многоуровневой адаптации компонентов системы между собой и системы с внешней средой.

Применительно к СЧМС, если возникает динамика среды (изменяются процессы взаимной адаптации человека с машиной и средой), человек формирует прогноз и на его основе осуществляет процесс многоуровневой адаптации – внутренней и внешней.

Стратегия деятельности человека-оператора в СЧМС может быть выражена закономерной зависимостью показателей его взаимной адаптации с машиной и средой, имеющими динамические параметры.

Исследованиями Т.Б. Шеридана, У.Р. Феррела, А.Ф. Дьякова, В.Ф. Венды и др. установлено, что основная причина низкой эффективности деятельности оператора при авариях не задержка в опознании аварийных сигналов, а включение под действием стресса в число аварийных многих второстепенных и случайных сигналов, не относящихся к аварии. Возможности оператора взаимно адаптироваться с машиной и средой характеризуются его чувствительностью (сенсорный фактор), способностью прогнозировать (интеллектуальный фактор) и его пластичностью (трансформационный фактор).

Перечисленные факторы взаимосвязаны. Поэтому можно ожидать, что показатели деятельности оператора с СЧМС будут оптимальными и устойчивыми при условии такой взаимной адаптации между факторами, при которой они составили бы структуру, обеспечивающую требуемую стратегию.

Необходимо исследовать не динамику человека, машины и среды, а параметры процессов взаимной адаптации между ними, т.е. в СЧМС процесс взаимной адаптации человека с машиной и средой должен оцениваться только по интегральным оценкам (критериям оптимизации) этих процессов, ибо и показатели работы оператора, и показатели функционирования СЧМС неразрывно связаны с общими затратами ресурсов на отбор и обучение персонала, проектирование, создание и освоение технических средств.

Третий закон можно характеризовать как закон дискретных рядов структур-стратегий, сложных систем. Любая сложная система может быть реализована посредством одной из дискретного ряда ее возможных структур.

Человек в процессе адаптации с машиной и средой реализует структуру-стратегию из набора возможных для него структур-стратегий.

Каждая структура-стратегия S_i (рис. 5.13) имеет свои характеристические кривые Qi(Fj), где Qi – эффективность системы при i-й структуре-стратегии; F_j – j-й фактор процесса взаимной адаптации человека с машиной и средой.

^{Рис. 5.13. Структура-стратегия сложной системы}

^{S_a – отдельные элементы; S_b – малые группы; S_c – большие группы; Q – эффективность восприятия; F – число фиксаций глаза при разных стратегиях восприятия} 

Правило инвариантности интегральной эффективности системы: при постоянном составе компонентов и их активности интегральная эффективность системы при всех ее возможных структурах-стратегиях постоянна:

т.е. площади под кривыми S_a, S_b, S_c с учетом дисперсии равны.

Четвертый закон (закон трансформаций) утверждает, что трансформация одной структуры-стратегии системы в другую может происходить только через общее для обеих структур-стратегий состояние системы.

При рассмотрении закона трансформаций следует учесть, что состав компонентов системы при изменении ее структуры сохраняется. Новая структура возникает только на базе предыдущей путем ее частичной дезадаптации. Такая декомпозиция должна быть достаточной для получения дополнительных, необходимых для постройки новой структуры степеней свободы компонентов системы. При этом сохраняется достигнутая при прежней структуре взаимная адаптация части компонентов, соответствующая новой структуре.

Пятый закон (закон базовых дивергентных структур-стратегий) отражает способность живой системы формировать и реализовывать базовую дивергентную структуру-стратегию для сохранения жизнеспособности и подготовки к значительным трансформациям своей конвергентной структуры-стратегии в неадекватно возникших условиях.

В искусственных системах подобные структуры могут быть выполнены как модульные, агрегатные и блочные конструкции, а также гибкие автоматизированные производственные системы, перестраивающиеся через базовые дивиргентные к новым специализированным структурам.

По определению Международной эргономической ассоциации человеческий фактор есть комплекс психофизических, психологических и физиологических особенностей поведения человека в производственной среде (в частности, в системе управления).

Наиболее распространенная причина ошибок операторов – неадекватное обеспечение их информацией: сигналов поступает либо слишком мало, либо слишком много. При этом оператор теряется в них, не может сосредоточиться на главном, т.е. оказывается перегруженным информацией. Таким образом, необходимы регулирование, оптимизация интенсивности потока сигналов, поступающих к оператору, с целью индивидуальной адаптации их числа к реальным возможностям конкретного человека.

Задача комплексного управления энергосистемой в том, чтобы не только в нормальном, но и в аварийном состоянии принимались рациональные методы и алгоритмы управления, обеспечивающие заданное качество электроэнергии при минимальном ущербе у потребителей. При этом особое значение имеет применение компьютерных моделей для исследования и прогнозирования динамики технико-экономических показателей работы энергетических объектов и систем в широком спектре условий при качественном изменении технологических параметров. Компьютерные модели важно использовать и при модернизации оборудования и систем автоматического управления, и при обучении и переподготовке оперативного персонала.

Определение необходимого специалисту запаса стратегий деятельности для успешной работы во всем диапазоне динамики управляемых процессов, а также реверсивных (обратных) трансформаций этих стратегий при смене режимов работы оборудования (в том числе при возникновении и ликвидации аварийных ситуаций) – важное условие создания фундаментальной теории и практических методов ускоренного и качественного обучения операторов.

В связи с этим особое значение приобретает поиск путей повышения эффективности тренажно-моделирующих комплексов (в частности, путем более точного воспроизведения на них динамики состояний энергообъектов, параметров реальной физической среды, оперативных задач, условий и процессов взаимодействия операторов между собой, с ЭВМ, другими автоматическими устройствами и системами).

Безопасность энергетических объектов и их технико-экономическая эффективность в значительной степени зависят от учета эргономических и психологических факторов управления на всех стадиях проектирования, создания и освоения технологического оборудования и объекта в целом (включая средства автоматизации, информационное обеспечение операторов, конструирование и применение тренажеров и других технических средств обучения персонала).

Безопасность человеко-машинных систем снижается при качественной структурной трансформации управляемых объектов и процессов, если операторы не успевают синхронно с динамикой объекта трансформировать свое состояние и структуру деятельности, своевременно перейти от нормальной стратегии управления к аварийной.

Для обеспечения оператора информацией по объекту управления (ОУ) в номинальных и аварийных режимах реализованы системы поддержки принятия решения (СППР) оператором объекта. Наиболее эффективны экспертные СППР, отличающиеся от традиционных систем обработки информации тем следующим:

они ориентированы на классы задач, для решения которых известные математические методы и модели трудноприменимы или неприменимы вообще;

строятся в условиях, когда алгоритм поиска решений в каждом из определенных классов задач может быть заранее неизвестен; имеют возможность накапливать знания в процессе обучения;

обладают способностью анализировать найденные решения и объяснять ход их получения;

обеспечивают «дружественный», как правило, естественно-языковый интерфейс с пользователем.

Особенность экспертных СППР заключается в том, что они имеют механизм включения в модель проблемной области различных способов решения задач. Эти способы решения экспертная СППР получает от различных специалистов в области управления (экспертов), обобщает их и учится применять для решения задач в оперативном режиме функционирования.

Типовая архитектура экспертной СППР (рис. 5.14) включает в себя ядро экспертной системы, а также подсистемы приобретения знаний, подсистемы объяснения и подсистемы взаимодействия с пользователем и объектом. В ядро экспертной системы входят базы данных и знаний, а также решатель, который на основе информации из базы данных и базы знаний осуществляет поиск решения. Подсистема приобретения знаний используется при настройке экспертной системы на решение задач в конкретной проблемной области, а также при корректировке базы знаний. Подсистема объяснения поясняет по требованию пользователя, каким образом экспертная система получила решение. Подсистема организации взаимодействия с пользователем включает в себя один или несколько лингвистических процессов, предназначенных для организации диалогового взаимодействия с различными категориями пользователей (экспертом, оперативным персоналом) на привычном для них языке. Важное требование к этой подсистеме – поддержание диалога в режиме реального времени. В задачу этой подсистемы входит и получение информации непосредственно от объекта.

^{Рис. 5.14. Типовая архитектура экспертной СППР} 

В отечественной энергетике нашли применение и успешно используются в диспетчерском управлении энергосистемами так называемые интеллектуальные системы поддержания принятия решения, построенные на базе разработанной во ВНИИЭ (Ю.Я. Любарский) инструментальной системы малой информационной модели интеллектуальных решений. Успешно эксплуатируются интеллектуальные системы для краткосрочного планирования ремонтов, интеллектуальные тренажерные системы, интеллектуальные системы для оперативной работы с инструктивно-справочной информацией. Прорабатываются возможности использования интеллектуальных систем для задач долгосрочного планирования баланса активной мощности энергообъединения. Разработана экспертная система СПРИНТ, помогающая диспетчеру в решении задач, связанных с управлением текущим режимом работы энергосистемы.

5.7. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В ВОЕННОМ ДЕЛЕ

5.7.7. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Еще во второй половине XIX в. на кораблях появились первые электрические станции мощностью в несколько киловатт на напряжение 30–50 В постоянного тока для питания прожекторов и систем освещения. Генераторы приводились во вращение с помощью паровых машин. В 90-х годах в связи с активным внедрением корабельных электроприводов мощность корабельных электроэнергетических систем (ЭЭС) существенно увеличивается и достигает сотен киловатт при напряжении 110 В постоянного тока. Для повышения живучести системы на кораблях начинают использовать несколько генераторных агрегатов, а на крупных кораблях – две взаимно резервирующие электростанции. Рост электрификации кораблей и мощности их электростанций происходит и в последующие годы. В качестве основных источников электроэнергии стали применяться турбо– и дизель-генераторы. К 1914 г. в значительной степени были электрифицированы корабли всех классов. В 1911–1915 гг. на линейных кораблях стали сначала частично, а затем и полностью выполнять ЭЭС на трехфазном переменном токе с частотой 50 Гц, напряжением 220 В. Для питания электроприводов башенной артиллерии и некоторых других электроприемников использовались электромашинные преобразователи переменного тока в постоянный. Корабли других классов в этот период и в последующие годы имели системы на постоянном токе при напряжении ПО и 220 В.

В 30-х годах XX в. в связи со значительным ростом мощностей электрифицируемых механизмов и систем вновь возник вопрос о выборе рода тока для военных кораблей. После ряда опытных разработок, подтвердивших эффективность, высокую надежность и живучесть электроустановок переменного тока, началось планомерное внедрение трехфазных ЭЭС напряжением 220 и 380 В на кораблях всех классов.

Особая задача возникла в области электрификации подводных лодок. Уже в начале XX в., как основной, выявился дизель-аккумуляторный тип лодок, использующий для надводного хода дизель, а для подводного – аккумуляторную батарею. Это потребовало создания особо мощных лодочных аккумуляторов, многократно превышающих по емкости аккумуляторы, широко применяемые в различных видах техники, в том числе и для военных объектов.

Активная электрификация кораблей привела к изменению требований к их базированию. Выявилась задача береговой энергетики флота, связанная с организацией электроснабжения кораблей с берега при их стоянке у причалов. Обусловлена она целесообразностью максимального сохранения ресурса автономных источников электроэнергии кораблей для боевой службы в море. Стали создаваться специализированные системы электроснабжения причального фронта, а сами причалы оборудоваться специальными колонками для подключения кораблей к береговым источникам энергии постоянного и переменного тока.

Обязательным элементом пунктов базирования подводных лодок в 30-х годах становятся зарядно-питательные станции, оборудованные мощными преобразователями переменного тока в постоянный и предназначенные не только для питания электроэнергией подводных лодок во время стоянки у причала, но и для зарядки лодочных аккумуляторных батарей.

К началу Великой Отечественной войны многие военно-морские базы имели весьма развитые ЭЭС с собственными постоянно действующими резервными и автономными электростанциями, развитыми сетями и разнообразными потребителями.

В качестве примера, характеризующего развитие береговой энергетики флота, может служить главная (позднее – тыловая) база Балтийского флота город – крепость Кронштадт. Еще в 1900 г. была введена в действие первая тепловая электростанция Кронштадта мощностью 552 кВт. Три однофазных генератора напряжением 220 В приводились в движение поршневыми паровыми машинами мощностью по 250 л.с. Генераторное напряжение трансформаторами поднималось до 2000 В и воздушными линиями передавалось к потребителям, где снижалось до 220 В.

В 1912 г. в Кронштадте была построена новая электростанция с шестью паровыми турбинами мощностью по 300 кВт, на валу каждой из которых располагались два генератора – однофазного и трехфазного тока. К 1914 г. станция была реконструирована, число агрегатов увеличилось до 11, а мощность станции достигла 4 тыс. кВт. Одновременно реконструировалась сеть с переходом на кабельные линии, число трансформаторных подстанций возросло до 69.

В 1929 г. для электроснабжения кораблей с берега постоянным током на западной дамбе «Усть-Рогатка» построили первую преобразовательную подстанцию с электромашинными преобразователями. В 1933–1938 гг. вошли в строй преобразовательные подстанции с ртутными выпрямителями мощностью 50 и 100 кВт. В те же годы в Кронштадте была сооружена зарядовая станция.

В середине 30-х годов ЭЭС Кронштадта была связана с системой Ленэнерго двумя кабельными линиями 35 кВ, проложенными на остров Котлин с южного и северного берегов Финского залива. В Кронштадте соорудили подземную трансформаторную подстанцию 35/6 кВ. Началось снабжение Кронштадта от централизованной государственной системы, а собственная электростанция перешла в режим резервной и пиковой.

В годы Великой Отечественной войны, несмотря на постоянные ожесточенные бомбардировки и артобстрелы, приводящие к повреждению энергетических объектов, Кронштадтская ЭЭС не только обеспечивала боевую деятельность всей военно-морской базы, но и работала во время блокады Ленинграда параллельно с единственной действующей городской электростанцией мощностью всего 3000 кВт, подавая спасительные киловатт-часы для поддержания жизни и обороны города. В то же время через подводный кабель Кронштадт постоянно обеспечивал электроэнергией защитников знаменитого Ораниенбаумского «пятачка», отрезанного от других источников энергии.

Аналогичный путь прошли электроэнергетические системы сухопутных и, особенно, приморских крепостей (фортов). Сначала электрическое освещение и электрические средства связи, затем электрификация механизмов жизнеобеспечения и артиллерии. В качестве источников энергии на первых этапах использовались локомобили и паровые машины, затем, как правило, только дизель-генераторы мощностью от десятков до сотен киловатт.

Крепостные электроэнергетические системы были первыми стационарными системами военного назначения. Наиболее развитыми в электроэнергетическом отношении были береговые башенные артиллерийские батареи, строительство которых началось в 1909 г. (форты Александровский (Красная Горка) и Николаевский (Ино) на Финском заливе), активно продолжалось в годы первой мировой войны, и наибольший размах получило в тридцатых годах на всех флотах нашей страны.