Современные представления о безопасности сложных технических систем базируются на принципе невозможности полного предотвращения аварий и катастроф. Фундаментальные и прикладные разработки, основанные на положении не нулевого риска аварий и катастроф, имеют своей целью сведение к минимуму наносимого ими ущерба.
В системах предотвращения и ликвидации последствий аварийных и чрезвычайных ситуаций большая роль отводится человеку, работающему как неотъемлемое звено системы в экстремальных условиях дефицита времени. Цена за несвоевременные и неадекватные действия по принятию решений может быть очень высока как по экономическим, так и социальным потерям. В связи с этим актуальной задачей является разработка автоматизированных информационно-управляющих систем по аварийным и чрезвычайным ситуациям (АИУС АЧС) для различных уровней управления: государственного, регионального, отраслевого, объектового. Проект каждого уникального технического объекта, обладающего высокой потенциальной опасностью, должен включать в свой состав такую систему.
В электроэнергетике наряду с крупными генерирующими узлами (АЭС, ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ) к таким объектам можно отнести и мощные линии электропередачи (действующие 1150кВ, перспективные полуволновые).
Их уникальность обусловливается следующими данными.
- Большая протяженность объекта (1000 – 3000км). Вследствие чего возникают проблемы обеспечения безопасного функционирования объекта в различных природно-климатических и геологических условиях. Наряду с физическими факторами немаловажную роль играют и социально-политические факторы, например, различия в законодательствах регионов по трассе ЛЭП, или при варианте экспорта электроэнергии – в законодательствах нескольких государств.
- Большая транспортируемая мощность (3 – 10 ГВт на линию). Вследствие чего выход из строя ЛЭП может оказать сильное возмущающее воздействие на прилегающие энергосистемы, что даже при обеспечении необходимой устойчивости может стать причиной серьезных экономических и социальных последствий, а в противном случае – вызвать развитие аварийного процесса до катастрофы весьма высокого уровня (национального, регионального).
Таким образом разработка АИУС АЧС на энергетических объектах должна носить комплексный характер и предусматривать создание методического, технического, информационного и программного обеспечения.
Методическое обеспечение должно ориентироваться на использование вычислительных и эвристических методов, экспертных и гибридных систем, а не стандартных методик ручного применения.
Техническое обеспечение должно включать:
- системы мониторинга на базе электронных систем связи;
- системы диагностики аварийных ситуаций и их предвестников;
- технические средства, обеспечивающие организацию локальных сетей и телекоммуникационного взаимодействия; электронно-вычислительную технику;
- реальные и потенциальные силы и средства по предупреждению и ликвидации аварийных и чрезвычайных ситуаций.
Информационное обеспечение должно включать:
- кадастры возможных причин и источников аварийных и чрезвычайных ситуаций в зоне действия объекта, а также их последствий;
- библиотеку электронных карт с отображением климатических и геологических особенностей территорий;
- базу данных по законодательству территорий;
- архив произошедших в прошлом аварийных и чрезвычайных ситуаций на объекте.
Программное обеспечение должно основываться на интеграции передовых технологий экспертных и геоинформационных систем (ГИС) и современных общесистемных средствах. Для воспроизведения и анализа сценариев развития аварийных ситуаций в состав АИУС АЧС должны входить специализированные электроэнергетические моделирующие программные комплексы.
Программная система VMAES реализует полный набор алгоритмических средств для исследования переходных процессов в электроэнергетических сетях. Ее развитый пользовательский программный интерфейс облегчает процесс описания и адаптации задачи и позволяет пользователю целиком сосредоточиться на ее решении и анализе полученных результатов. Система VMAES обладает возможностями расширения набора элементов схемы, удобного интерфейса для ввода и редактирования схем, набором диалоговых окон для задания свойств элементов и параметров расчета, специальным инструментарием запуска и управления расчетом, возможностями просмотра результатов на экране, вывода их на печать и сохранения в специальных структурах данных. Диаграмма работы пользователя в системе VMAES изображена на рисунке 1.
Рис. 1. Диаграмма работы пользователя и
информационные потоки в системе VMAES
Программная система предназначена для работы в операционных средах, совместимых с ядром Win32: Windows 95, Windows NT 4.0. Для нормальной работы программы требуется 8 MB оперативной памяти в среде Windows 95, процессор 386SX или выше, VGA монитор и видеоадаптер, манипулятор “мышь”. При разработке системы использовались компилятор Visual C++; компилятор FORTRAN Powerstation и библиотека Microsoft Foundation Classes.
Интерфейс программы содержит следующие элементы управления:
- строка заголовка программы ;
- главное меню программы ;
- панель инструментов и строка состояния ;
- рабочие и диалоговые окна программы .
Интерактивная графическая среда построена по принципу многодокументного интерфейса (MDI), когда каждое окно внутри программы принадлежит отдельному документу и предоставляет пользователю свой набор функций по изменению этого документа. При этом одновременно можно работать только с одним документом (схемой), что является следствием особенностей вычислительного ядра. Однако, можно запустить несколько приложений VMAES, каждое из которых может работать с отдельным документом.
Существуют следующие типы рабочих окон:
- окно схемы;
- окно результатов расчета.
Таким образом, оболочка системы VMAES реализует функции работы с документами (создание, сохранение, открытие) и управления окнами (создание, перемещение и упорядочивание).
Интерактивный редактор схем предоставляет пользователю функции редактирование схемы (вставка и удаление элементов и ветвей), задания параметров элементов, управления отображением (вывод и скрытие сетки), вывода схемы на печать (см. Рис. 2).
Рис. 2. Рабочий экран Интерактивного редактора схем.
Пользователь взаимодействует с редактором схем через окно схемы. В свою очередь, документы редактора схем состоят из следующих компонент:
- электроэнергетическая схема;
- параметры элементов схемы;
- параметры расчетов схемы.
Внутренний формат документа редактора схем предусматривает наличие 3-х компонент:
- списка элементов с параметрами;
- схемы соединений элементов;
- набора параметров расчета.
Задается также размер документа.
Собственно схема состоит из компонентов 2-х типов: элементов и ветвей. Оба компонента содержат в себе данные об их графическом расположении в документе: для элементов это координаты ограждающего прямоугольника, определяемые его моделью, а для ветвей – координаты опорных точек (выводов) –первая и последняя точки. Все координаты элементов заданы на сетке с некоторым фиксированным шагом.
Внутри элемента схемы также хранятся указание на соответствующую ему модель и список физических параметров этого элемента. Каждый параметр элемента содержит ссылку на свое имя и пустое или не пустое значение. Параметры могут быть различных типов (целые, вещественные) и размерностей (переменные, одно- и двухмерные массивы).
Расчет описывается набором целочисленных и вещественных параметров, а также массивами индексов ветвей и узлов.
Схема обеспечивает построение и хранение графа соединений элементов. Вершина этого графа – узел схемы – определяется как набор всех точек соединений компонентов схемы, связанных ветвями. Точка соединения в свою очередь является набором выводов компонентов схемы с совпадающими координатами. Узел «земля» является выделенным и имеет номер «0». Схема обеспечивает непрерывную нумерацию узлов.
Каждая модель определяет особенности соответствующих ей элементов:
- название,
- размеры,
- графический образ,
- число и расположение выводов,
- название и тип параметров,
- подпрограмму-надстройку.
Все модели доступны по названию, которое указывается при создании элемента, и должны быть зарегистрированы перед использованием. При отображении схемы осуществляются функции закраски области вывода, вывода сетки, отрисовки элементов схемы, ее ветвей и точек соединения, подписей выводов и выделения активного элемента (или ветви). Функции вставки и удаления узлов и ветвей составляют наименьший полный набор, достаточный для эффективного построения схем. Непрерывная нумерация ветвей обеспечивается внутри элементов схемы при последовательном обращении к ним при их рисовании или сохранении файла расчета. Непрерывная нумерация узлов обеспечивается схемой. При вставке или удалении элемента или ветви (при модификации графа соединений) происходит перенумерация узлов, причем нумеруются только узлы, к которым подсоединены элементы. Диалоговые окна задания параметров элемента и параметров расчета схемы являются объектами типа “страница свойств”.
Подсистема управления расчетом предоставляет пользователю функции задания параметров расчета и управления расчетом (его запуск и остановка).
Она связывает между собой редактор схем, подсистему вычислений и подсистему вывода результатов. Подсистема управления расчетом не имеет собственного окна вывода данных и взаимодействует с пользователем через главное меню и панель инструментов системы VMAES. При запуске расчета пользователь указывает параметры расчета и данные о схеме, которые передаются подсистеме вычислений. В процессе расчета подсистема управления расчетом с некоторым периодом по времени информирует подсистему вывода результатов о необходимости обновить окна вывода данных.
- подпрограммы-надстройки моделей элементов;
- универсальной подпрограммы расчета параметров схемы;
- низкоуровневого вычислительный блока (собственно подпрограммы моделей элементов).
Подсистема управления расчетом запускает подсистему вычислений в отдельно рабочем потоке, что позволяет пользователю взаимодействовать с программой (через поток пользовательского интерфейса) в процессе расчета.
Исходная библиотека содержит 7 подпрограмм расчета электрических схем. В ходе расчета вычисляются значения токов и напряжений для заданной схемы на заданном временном интервале с заданным шагом. Алгоритм типичного расчета выглядит следующим образом:
- THEM01 – подготовка (инициализация) расчета;
- THEMNJ – проведение расчета (содержит цикл по времени);
- THEMTB – печать текущих результатов;
- THEMPS – расчет одного временного шага (построение и решение системы соответствующих уравнений);
- THEMSS – подготовка данных к уравнениям Кирхгофа;
- THEMGK – построение уравнений Кирхгофа;
- THEMRE – проверка корректности задания схемы (вызывается только один раз);
- THEMSS – построение уравнений для элементов;
- SLM – решение уравнений.
Здесь вложением показаны обращения одних подпрограмм к другим. Подпрограмма THEMSS обращается к подпрограммам моделей элементов, из которых состоит схема и используется дважды.
При запуске программа расчета использует данные описания эксперимента и размещает их в памяти. При этом создается следующая иерархия объектов:
- эксперимент
- параметры эксперимента
- электрическая схема
- массив элементов
- массив ветвей
- массив узлов
- массив параметров
- описание модели.
Все модели элементов, из которых состоит схема, должны быть описаны в программе. Подпрограммы моделей элементов заданы и хранятся в библиотеке подпрограмм.
Динамическое подключение подпрограмм моделей элементов обеспечивается подпрограммами-надстройками, которые имеют одинаковые описания (типы). Вызов собственно подпрограмм моделей элементов с соответствующими им параметрами происходит уже внутри этих подпрограмм.
В настоящей реализации системы библиотек подпрограмм моделей элементов, для которых были выполнены подпрограммы –надстройки выглядит следующим образом:
THEMES однофазный источник переменной э.д.с.,
THEMCC конденсатор,
THEMLR индуктивность и резистор последовательно (только программа расчета),
THEMLI трехпроводная длинная линия (только программа расчета),
THEME3 трехфазный источник переменной э.д.с.,
THEMRC резистор,
THEMLC индуктивность,
THEMK0 отключение (размыкание) в заданный момент времени,
THEMK1 включение (замыкание) в заданный момент времени.
Подпрограммы-надстройки моделей принимают на входе фиксированный набор параметров и адаптируют его к соответствующим подпрограммам моделей.
Подпрограмма схемы является аналогом упомянутой выше подпрограммы THEMSS, но не содержит фиксированных вызовов подпрограмм моделей, а динамически формирует вызовы к их подпрограммам-надстройкам, используя информацию о схеме.
Для гибкого пополнения моделей элементов используется механизм регистрации моделей.
- диаграмма (график зависимости от времени);
- таблица (список значений на последовательные моменты времени).
Пользователю доступны следующие функции управления выводом результатов:
- создание нового окна вывода (таблицы или диаграммы);
- настройка окна вывода (формата и выводимых значений);
- вывод результатов на печать (диаграмм).
При этом в одном окне могут выдаваться значения напряжения и тока в различных узлах и ветвях системы. Выводимые величины задаются в соответствующем диалоговом окне их выбором из списка всех доступных результатов. В процессе расчета окна вывода результатов обновляют содержимое с некоторым периодом (в настоящее время этот период фиксирован и равен 0.2 секунды), что несколько замедляет расчет, но позволяет отслеживать динамику процесса.
Одновременно с выводом диаграммы выполняется автоматическое масштабирование результатов. Масштабирование по оси напряжения и по оси тока происходит независимо друг от друга. При форматировании диаграммы задается ее заголовок и подпись. Под диаграммой располагается легенда, разъясняющая цвета линий для выводимых значений.
При выводе диаграммы на печать она располагается на половине страницы при вертикальном расположении листа и занимает всю страницу при горизонтальном расположении листа.
В качестве примера на рисунке 3 приведены фрагменты окон вывода результатов моделирования короткого замыкания.
Рис. 3. Фрагменты окон вывода результатов короткого замыкания.
При обновлении таблицы результатов увеличивается число строк (элементов), но для уменьшения вычислительных затрат прокрутки окна не происходит. Пользователь может воспользоваться прокруткой для перемещения по таблице.
Дальнейшие пути развития системы VMAES предполагают совершенствование методов взаимодействия пользователя с системой. Одновременно планируется создать открытый стандарт, который позволит использовать в схемах компоненты, созданные независимыми разработчиками.
![[SBRAS]](http://www-sbras.nsc.ru/gif/s_sigma1.gif)