A MODEL FOR GEO-INFORMATION MANAGEMENT OF REGIONAL ELECTRICITY SUPPLY SECURITY

Электроснабжение – основа жизнедеятельности региона

В настоящее время в области обеспечения безопасности электроснабжения в условиях обледенения ВЛЭП выделяются:

– направление автоматизированных

– направление информационно-измерительных систем контроля параметров ВЛЭП

– направление автоматизированных систем комплексного анализа надежности отдельных элементов системы

Установлено, что первое направление не в полной мере решает поставленную задачу по формированию процесса проявления угрозы нарушения электроснабжения. Второе направление не в полной мере позволяет решать задачу по формированию процесса идентификации угрозы нарушения электроснабжения. Третье направление не в полной мере позволяет решать задачу по формированию процесса нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения. Это вызвано в первую очередь тем, что текущая система обеспечения безопасности электроснабжения региона (СОБЭР) (рис. 1) не основана на системной интеграции процессов обеспечения безопасности, существует их разобщенность. Таким образом, наблюдается несоответствие результатов деятельности ожиданиям лица, принимающего решение (ЛПР). Между процессами, представленными на рис. 1, отсутствует связь, что не позволяет в полной мере гарантировать достижение цели.

Рисунок 1 - Структурная схема СОБЭР:

F1 – нагрузка, создаваемая воздействием ветра; F2 – нагрузка, создаваемая собственным весом провода и ГИО

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.1

Проведенный анализ научных работ

[5]

,

[18]

,

[19]

,

[20]

показал, что в основном процесс обеспечения безопасности электроснабжения региона рассматривается как решение прямой задачи, а она в не полной мере позволяет достигать цели деятельности. Для рассматриваемой задачи нужно решать обратную задачу, используя условие существования процесса обеспечения безопасности электроснабжения региона. Только системная интеграция процессов целевой деятельности, проявления угрозы, идентификации угрозы, нейтрализации угрозы в интересах обеспечения требуемого уровня безопасности позволит получить это условие.

В основе деятельности, в том числе по обеспечению безопасности электроснабжения региона, лежит решение человека (ЛПР)

В известных публикациях, рассматривающих вопросы построения и реализации решения, как в прошлом, например, работы академика АН СССР и РАН Моисеева Н.Н.

Если руководствоваться методологией построения правильно построенной системы

Поэтому в настоящей работе мы рассмотрим возможность построения модели на базе схемы, представленной на рис. 2а. Это позволит разрабатывать модели решения задач различных видов деятельности, гарантирующих достижение цели деятельности. В рамках данного исследования под системообразующим фактором (СОФ) понимается условие существования процесса обеспечения безопасности электроснабжения региона.

Рисунок 2 - Системообразующий фактор как условие существования процесса функционирования правильно построенной системы

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.2

С целью обеспечения безопасности электроснабжения региона ЛПР необходимо получать требуемые характеристики гололедно-ветровой ситуации (ГВС) на рассматриваемой территории. Такими возможностями обладает геоинформационная система (ГИС)

[28]

,

[29]

, база данных которой содержит технико-технологические данные (ТТД) об объектах электроэнергетической отрасли и пространственные географические данные (ПГД) о погодных условиях. Данные ГИС описывают состояние окружающей среды не только в текущий момент времени, но и с определенной точностью на ближайшие несколько дней

[30]

,

[31]

.

Вышеприведенная совокупность факторов определяет актуальность настоящей работы. Целью данного научного исследования является выбор, обоснование и реализация условий обеспечения безопасности электроснабжения региона при деструктивном воздействии гидрометеорологических факторов.

Для решения поставленной задачи необходимо разработать на основе модели решения человека модель геоинформационного управления (ГИУ) безопасностью электроснабжения региона.

Под ГИУ понимается создание условий реализации возможностей объекта управления на базе применения информационных ресурсов в виде пространственных географических и технико-технологических данных.

Методология – наука о методах, предназначение которой дать исследователю условие существования процесса, с которым он работает

Человек в процессе деятельности по обеспечению безопасности электроснабжения региона работает с четырьмя процессами:

– целевой процесс (электроснабжение региона);

– процесс проявления угрозы нарушения электроснабжения региона;

– процесс идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона;

– процесс нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения региона.

Для формирования условия существования процесса обеспечения безопасности необходимо осуществить системную интеграцию четырех вышеприведенных процессов с показателем безопасности. Синтез математической модели решения осуществляется на основе разработанной методики трансформации вербальной модели в формальную (математическую).

Методика трансформации вербальной модели в формальную заключается в регламентации состояний базовых процессов принципами трехкомпонентности познания, целостности, познаваемости

В соответствии с разработанным естественно-научным подходом (ЕНП)

1. Следствие применения принципа целостности. Эти три компонента располагаются по горизонтали. С одной стороны, они могут интерпретироваться в трёх различных уровнях познания мира (абстрактном, абстрактно-конкретном, конкретном)

2. Следствие применения принципа трёхкомпонентности познания. Такой подход определяет наличие трёх уровней по вертикали: методологический, методический, технологический.

На схеме показано, что мир человек познаёт через три базовых свойства. Это «Объективность», «Целостность», «Изменчивость». ЛПР работает с категорией «Процесс». Поэтому «Решение» представляется на методологическом уровне как процесс в виде взаимосвязанных компонентов «Объект», «Действие», «Предназначение». На методическом уровне «Объекту» соответствует «Проблема». «Действию» соответствует «Идентификация проблемы», потому что «Идентификация» основана на выявлении факта проявления энергии. «Предназначению» соответствует «Нейтрализация проблемы», так как «Нейтрализация» возможна только в случае соответствия результатов «Идентификации» сущности «Проблемы». Это подтверждает факт выявления причинно-следственных связей. На технологическом уровне «Решение» как «Процесс» представляется в виде связи трёх компонентов. Это «Обстановка», «Информационно-аналитическая работа», «Решение». «Обстановка» – факторы и условия, в которых осуществляется деятельность. «Информационно-аналитическая работа» – непрерывное добывание, сбор, изучение, отображение и анализ данных об обстановке. «Решение» – условие реализации предназначения объекта управления.

Представив «Решение» в виде связи трёх рассмотренных компонентов, перейдём к разработке структурной схемы развёртывания содержания процесса синтеза математической модели «Решения».

Рисунок 3 - Структурная схема развёртывания содержания категории «Решение» как процесса

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.3

На рис. 4. представлена структурная схема интерпретации процесса синтеза адекватной математической модели «Решения». Для синтеза модели применим методы декомпозиции, абстрагирования и агрегирования.

3. Следствие применения принципа познаваемости. Применяя метод декомпозиции, «Решение» представим в виде трёх взаимосвязанных компонентов. Это «Обстановка», «Информационно-аналитическая работа», «Решение». Основой такой связи является закон сохранения целостности объекта (ЗСЦО). ЗСЦО – это устойчивая, объективная, повторяющаяся связь свойств объекта и действия при фиксированном предназначении

Рисунок 4 - Структурная схема интерпретации процесса синтеза математической модели «Решения»

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.4

В настоящем исследовании «Обстановка» описывается двумя процессами:

– целевой процесс (электроснабжение региона);

– процесс проявления угрозы нарушения электроснабжения региона.

Математической моделью целевого процесса является среднее время целевого процесса ТЭ=f0(ꬱ1,ꬱ2,…,ꬱn,ꬱn+1,…,ꬱm) (рис. 5), где вектор  = (ꬱ1,ꬱ2,…,ꬱn,ꬱn+1,…,ꬱm) характеризует состояния целевого процесса деятельности ЛПР. ∈Gꬱ, где Gꬱ – ограниченное замкнутое множество. Совокупность характеристик состояний (ꬱ1,ꬱ2,…,ꬱn) представляет собой набор технико-технологических данных, а совокупность характеристик состояний (ꬱn+1,…,ꬱm) – набор пространственных географических данных.

Математической моделью процесса проявления угрозы является среднее время проявления угрозы ∆tПУ = f1(х1,х2,…хa,хa+1,…,xb) (рис. 5), где вектор  = (х1,х2,…хa,хa+1,…,xb) характеризует состояния процесса проявления угрозы. X∈Gx, где Gx – ограниченное замкнутое множество. Совокупность характеристик состояний (х1,х2,…хa) представляет собой набор технико-технологических данных, а совокупность характеристик состояний (хa+1,…,xb) – набор пространственных географических данных.

«Действие» («Информационно-аналитическая работа») описывается процессом идентификации угрозы. Математической моделью процесса идентификации угрозы является среднее время идентификации угрозы ∆tИУ = f2(y1,y2,…,yс,yс+1,…,yd) (рис. 5), где вектор  = (y1,y2,…,yс,yс+1,…,yd) характеризует состояния процесса идентификации угрозы. Y∈Gy, где Gy – ограниченное замкнутое множество. Совокупность характеристик состояний (y1,y2,…yс) представляет собой набор технико-технологических данных, а совокупность характеристик состояний (yс+1,…,yd) – набор пространственных географических данных.

«Предназначение» («Решение») описывается процессом нейтрализации угрозы. Математической моделью процесса нейтрализации угрозы является среднее время нейтрализации угрозы ∆tНУ = f3(z1,z2,…,ze,ze+1,…,zf) (рис. 5), где вектор  = (z1,z2,…,ze,ze+1,…,zf) характеризует состояния процесса нейтрализации угрозы. Z∈Gz, где Gz – ограниченное замкнутое множество. Совокупность характеристик состояний (z1,z2,…,ze) представляет собой набор технико-технологических данных, а совокупность характеристик состояний (ze+1,…,zf) – набор пространственных географических данных.

Рисунок 5 - Диаграмма проявления базовых элементов формирования модели решения

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.5

Применяя метод агрегирования, получим условие существования процесса обеспечения безопасности в виде модели решения человека:

(1)

где P характеризует степень достижения цели в условиях деструктивного воздействия гидрометеорологических факторов.

В связи с тем, что в процессе электроснабжения потребителей допускаются срывы, необходимо ввести среднее время проявления факта срыва целевого процесса (электроснабжение региона) – .

Таким образом, модель решения человека, являющаяся СОФ технико-технологических систем, представляется в следующем виде:

(2)

Это и есть модель ГИУ безопасностью электроснабжения региона в условиях деструктивного воздействия гидрометеорологических факторов (в частности, обледенения ВЛЭП).

Осуществление системной интеграции процессов обеспечения безопасности позволяет представить структурную схему СОБЭР в следующем виде (рис. 6).

Рисунок 6 - Структурная схема СОБЭР на базе системной интеграции процессов обеспечения безопасности

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.16.6

В качестве критерия эффективности реализации ГИУ безопасностью электроснабжения региона используется следующее неравенство:

(3)

где  – сумма фактически затраченного среднего времени при реализации комплексных мероприятий (КМ) в СОБЭР, оперативно предпринятых для предупреждения или ликвидации опасного положения, возникшего при гололёдно-ветровой ситуации (ГВС), ; – время наступления необратимых последствий, нарушающих электроснабжение региона в период гололедообразования.

Неравенство (3) представляется как критерий эффективности реализации принимаемых решений в условиях ГВС. При возникновении ГВС необходимо выбрать такие технические средства, чтобы с учетом вероятностных значений среднее время оказалось меньше . Предлагаемый критерий эффективности является характерным признаком системного подхода. Полученное равенство (2) связывает в один математический агрегат все значимые факторы, прямо и косвенно влияющие на .

Применение комплексных мероприятий в целях обеспечения безопасности электроснабжения региона должно быть обосновано следующим образом:

(4)

где – сумма затрат на комплексные мероприятия, осуществляемые для обеспечения безопасности электроснабжения;  – сумма затрат, обусловленных потерями (например, в случае перерыва в электроснабжении региона (недоотпуск электроэнергии)) при отказе от выполнения тех или иных комплексных мероприятий.

Предотвращение нарушения электроснабжения региона, в первую очередь, основано на получении своевременной информации о начале и течении процесса гололедообразования на ВЛЭП по всему региону. Идентификация угрозы нарушения электроснабжения региона – способность ЛПР на основе обработки ПГД и ТТД выяснить изменения в объекте управления по ограниченному числу признаков (параметров), которыми он характеризуется. Любые отклонения параметров приводят к изменениям в характеристиках объекта управления, при этом причинами таких изменений могут быть либо управляющие воздействия, осуществляемые самим ЛПР или устройствами автоматики, либо следствия неисправности или изменения внешней окружающей среды.

Формально задача идентификации угрозы сводится к тому, чтобы по текущему значению параметров гидрометеорологических факторов определить характер угрозы нарушения электроснабжения региона и её интенсивность. Раннее обнаружение возможности проявления угрозы нарушения электроснабжения региона способствует как устойчивому ведению технологического процесса, так и повышению эффективности реализации принимаемых решений в процессе деятельности оперативным персоналом. Обычно функционирование оборудования осуществляется в заданном режиме, параметры которого известны. Для идентификации угрозы, а также диагностики текущего состояния должен применяться анализ отклонений параметров процесса.

В целях обеспечения безопасности электроснабжения региона ВЛЭП с определенной периодичностью осматриваются специалистами (инженерами-техниками, электромонтерами). Назначение данной операции заключается в нахождении каких-либо неисправностей, являющихся причиной нарушения электроснабжения. Кроме того, такие неисправности могут привести к несчастным случаям среди персонала электросетевой организации и третьих лиц. Осмотр ВЛЭП проводится согласно утвержденному графику. При этом частота проведения обследования обусловливается погодными условиями, характеристиками ландшафта и местности. Проводящие осмотр специалисты оценивают возможность возникновения повреждений и загрязнений. При этом периодически возникает необходимость в внеплановых осмотрах, чаще всего из-за неблагоприятных погодных условий. В качестве примеров можно привести образование на ВЛЭП ГИО, наличие лесных пожаров. Осмотр может осуществляться разными способами, которые группируются следующим образом: пешие, воздушные (с самолета, с вертолета, с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и автовышек). По периодичности они подразделяются на плановые и внеочередные.

В случае предотвращения нарушения электроснабжения из-за обрыва провода ВЛЭП в результате образования на его поверхности ГИО осмотр также имеет важное значение. В осенне-зимний период при получении информации о высокой вероятности начала процесса формирования ГИО на участок ВЛЭП, попадающий в зону благоприятствующих появлению обледенения гидрометеорологических факторов, выезжает аварийная бригада для осмотра участка и в случае обнаружения ГИО для их устранения. В практике мониторинга за состоянием ВЛЭП широко развит пеший осмотр. В дополнение к нему целесообразно использовать оптические приборы, позволяющие наблюдать удаленные предметы, например, бинокль.

Проведение осмотров с использованием автовышек и БПЛА имеет свои особенности. Применение автовышек довольно эффективно в случаях необходимости непосредственного контакта с ВЛЭП, но затруднено для участков, проложенных в труднопроходимой местности. БПЛА с каждым годом становятся все более популярны в сфере энергетики в связи с их высокой эффективностью применения в условиях бездорожья и труднопроходимых районах. Но есть две проблемы, значительно притормаживающие их широкое применение. Первая проблема заключается в необходимости получения разрешения на полет для проведения осмотра, вторая – подготовке специалистов с требуемым набором компетенций для возможности проведения осмотра с применением БПЛА.

На современных ВЛЭП устанавливаются датчики, фиксирующие определенные параметры, по которым можно определить неисправность или повреждение элементов электрической сети.

Вышеназванные подходы к осмотру и мониторингу за состоянием ВЛЭП фиксируют уже образовавшиеся ГИО. Поэтому, предполагается, что анализ и обработка ПГД и ТТД, полученных на базе применения ГИС, является первоочередным этапом в контуре ГИУ безопасностью электроснабжения региона.

Техническое оснащение процесса идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона представляется следующим образом:

– пеший осмотр (отсутствие ТО);

– пеший осмотр с использованием бинокля;

– верховой осмотр с использованием автовышки;

– верховой осмотр с использованием БПЛА;

– применение датчиков, сигнализирующих о начале процесса гололедообразования;

– применение ГИС с целью получения ПГД и ТТД.

При обеспечении безопасности электроснабжения региона участвует человек (оператор), который использует технические средства в процессе своей деятельности. Таким образом, в процессах идентификации и нейтрализации угроз обнаруживаются две составляющие: человеческий фактор (ЧФ) и техническое оснащение (ТО). Разумеется, что данными показателями нужно оперировать в интересах достижения цели деятельности.

Модель предъявления требований к кадровому составу и техническому оснащению процесса идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона при ГИУ безопасностью электроснабжения региона имеет две составляющие:

(5)

где  – сокращение среднего времени идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона при помощи технических средств,  – среднее время идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона человеком (оператором).

Модель предъявления требований к кадровому составу и техническому оснащению процесса нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения региона при ГИУ безопасностью электроснабжения региона имеет две составляющие:

(6)

где  – сокращение среднего времени нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения региона при помощи технических средств, а  – среднее время нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения региона человеком (оператором).

Тенденции развития систем управления объектом электроэнергетической отрасли таковы, что роль ЛПР все более сводится к контролю за функционированием оборудования и вмешательствам при возникновении нестандартных ситуаций, т.е. ситуаций, требующих формирования решений. Как раз в этом и проявляется человеческий фактор.

Следовательно, основное внимание должно быть уделено проблеме обучения персонала, задействованного в процессе управления, поиску, обоснованию и разработке новых, а также развитию хорошо зарекомендованных себя известных способов достижения приемлемого показателя эффективности систем управления, где ЛПР – их неотъемлемая часть.

Для подготовки ЛПР необходимо организовать такой подход к обучению, который рассчитан на получение новой и необходимой информации через изучение и решение теоретических и практических проблем, рассматриваемых в срезе возможной проблемной ситуации. Поэтому для развития оперативного мышления требуется применять проблемное обучение, которое позволяет полноценно сосредоточиться на различии ситуаций, встречающихся в оперативной деятельности.

Статистика поведения персонала в условиях ГВС и натурные эксперименты не позволяют с необходимой определенностью прогнозировать ход и результаты ликвидации ГВС. Поэтому в основу поведения персонала в сложных ГВС должна быть положена полученная ранее модель решения человека.

Технология обеспечения безопасности электроснабжения региона подразумевает наличие заранее составленного перечня событий, которые могут возникнуть, протекать или завершаться с установленной частотой повторения в определенной последовательности под воздействием заранее известных условий ГВС. К исходным данным относятся имеющиеся ресурсы персонала, материалов и техники, используемые для борьбы с гололедообразованием, а их возможности, ограничения и поведение описываются в цифровой форме. Эти данные совместно с выбранными значениями параметров и констант, устанавливающими общие ограничивающие условия (например, время до проявления угрозы нарушения электроснабжения, ветровые нагрузки, максимальный ток при плавке гололеда), фиксируются в СОБЭР ЛПР.

Реальные ГВС охватывают большие территории. Предупреждение и ликвидация нарушений осуществляется многими бригадами (подразделениями), деятельность которых координируется диспетчерской службой. Переброска отдельных исполнителей из одной бригады в другую практически исключена.

В целях подготовки персонала к предупреждению и своевременной ликвидации ГИО на ЛЭП необходимо, в первую очередь, изучить более подробно деятельность персонала. Её можно представить в следующем виде:

– исходя из условий обеспечения безопасности электроснабжения региона, задаётся критерий функциональной эффективности нейтрализации угрозы (предотвращения нарушения электроснабжения за время меньше среднего времени проявления угрозы нарушения электроснабжения региона без дополнительных людских и материальных ресурсов и нарушений правил техники безопасности и эксплуатации);

– организуется наблюдение за персоналом, решающим оперативную задачу в определенной контролируемой ситуации, с фиксацией в протоколах действий и словесных пояснений;

– анализируются протоколы, выявляются и описываются состав и последовательность производимых персоналом элементарных действий, направленных на решение оперативной задачи (используется феноменологический подход – в протоколах фиксируются только наблюдаемые факты поведения, непосредственно связанные с выполнением задания).

Получаемое удовлетворительное описание действий персонала имеет две важные особенности:

– неизбежно содержит некоторые произвольные и недостаточно обоснованные утверждения, т.е. имеет гипотетический характер (что обусловливает многократную статистически достоверную проверку гипотез, заложенных в описание действий персонала);

– указывает, не вскрывая причины, как и что было сделано (вследствие этого описание пригодно только для данной наблюдаемой ситуации).

Своевременная осведомленность ЛПР о складывающейся обстановке на определенной территории позволяет адекватно формировать решение, гарантирующее достижение цели деятельности, а именно обеспечение безопасности электроснабжения региона. Условия, способствующие проявлению угрозы нарушения электроснабжения региона, могут быть заранее установлены и учтены при помощи ГИС.

Определив переменные модели ГИУ безопасностью электроснабжения региона, ЛПР имеет возможность рассчитать показатель эффективности реализации решений по обеспечению безопасности электроснабжения региона. При получении показателя эффективности реализации решений ниже установленного, ЛПР может решить обратную задачу управления, изменяя при этом две переменные: среднее время идентификации угрозы нарушения электроснабжения региона и среднее время нейтрализации угрозы нарушения электроснабжения региона, так как они зависят от самого ЛПР и подчиненной ему группы людей. Появляется возможность подбирать персонал для конкретных поставленных задач, варьируя при этом квалификацией и опытом персонала, учитывая его индивидуальные характеристики и качества (стрессоустойчивость, внимательность, лидерство, возраст, пол, мобильность и т.д.).

Проблема учета ЧФ очевидна. Каждый человек имеет собственные психологические и физиологические показатели, которые к тому же могут меняться с течением времени из-за влияния тех или иных условий и обстоятельств. Хотя можно предпринять попытку усреднить среднее время идентификации или нейтрализации угрозы, пользуясь данными об обучении персонала или профессиональной подготовке категорий сотрудников. Тем не менее, несомненно, ТО играет важную роль в процессах идентификации и нейтрализации угрозы, так как позволяет значительно сократить время их продолжительности. Используя вышеприведенные результаты, ЛПР может выработать требования к ТО и подбору персонала электроэнергетической системы для достижения требуемого показателя безопасности электроснабжения региона.

Таким образом, в научном исследовании разработана модель ГИУ безопасностью электроснабжения региона. Дальнейшие исследования будут посвящены разработке предложений по кадровому и техническому оснащению ГИУ безопасностью электроснабжения региона.