Основы системотехнического анализа электроэнергетических объектов диагностики и прогнозирования надежности.
2.1. Структурно-функциональное представление систем и процессов.
Системотехника – научно-техническая дисциплина о проблемах создания и использования сложных технических систем. Такие системы требуют взаимосвязанного рассмотрения элементных и общесистемных свойств.
Электрический аппарат – это сложная техническая система взаимодействующих элементов, предназначенная для выполнения различных функций: для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Электроаппаратные подсистемы и их отдельные элементы имеют подчиненные локальные цели.
Элемент системы – это подсистема, внутрь которой описание не проникает, предел принятого уровня декомпозиции системы.
Связи обеспечивают взаимодействие элементов. Структура характеризует организацию системы – устойчивый порядок элементов и связей.
В процессе достижения цели системный объект функционирует и изменяется за счет различных ресурсов (энергетических, материальных, информационных). Эти процессы определяют свойства технической системы, ее внутреннюю сущность. Параметры системы отражают свойства системы. Переменные параметры отражают функциональные свойства. Постоянные – обеспечивают стабильность и повторяемость этих свойств, устойчивый порядок причинно-следственных связей, то есть структуру.
Состояние системы – это точка или ограниченная область в пространстве параметров системы. Поведение системы – это ее способность переходить из одного состояния в другое. Факт перехода из состояния в состояние называется событием в системе. Последовательность переходов – это процесс в системе.
Функциональные параметры определяют функциональное состояние системы (режим). Структурные параметры определяют техническое состояние системы.
Определенным областям значений параметров соответствуют определенные состояния системы, также изменение состояния системы может заключаться, например, в отказе одного из ее элементов.
2.2 Классификация систем и процессов.
Существуют различные принципы классификации технических систем. Одной из наиболее общих является классификация по принципу дискретности и непрерывности состояния системы в пространственно-временных координатах.
Состояние системы может изменяться:
- непрерывно (аналоговые физические величины) - множество возможных состояний системы несчетно;
- или дискретно (качественные состояния: значения параметра до уставки – одно состояние, за уставкой – другое; включено/выключено, работа/отказ, исправное состояние/неисправное состояние) - множество возможных состояний системы конечно или счетно;
Изменение состояния может происходить:
- в дискретные моменты времени (тактовая частота компьютера, циклическое нагружение оборудования) - множество переходов из состояния в состояние конечно или счетно;
- или непрерывно - множество переходов из состояния в состояние несчетно;
Параметры состояния могут быть распределены по пространству:
- непрерывно (полевая функция) – множество координат процесса несчетно;
- или дискретно (модель электрической цепи с сосредоточенными параметрами) – множество координат процесса конечно или счетно;
Процессы в системе могут рассматриваться как детерминированные или как случайные.
Реально электрический аппарат - система непрерывная по состоянию, пространству и времени. Но если рассматривается только один качественный параметр надежности системы (состояние работоспособности) с двумя возможными исходами работа/отказ, который (отказ) может произойти в дискретные моменты времени (например, пуска электродвигателя), то исследуемая функция поведения системы будет двоичной дискретной функцией по состоянию и времени.
2.3 Классификация и задачи распознавания технических состояний.
Понятие функционального состояния используется в теории управления. В диагностике исследуется процесс изменения технического состояния системы в пространстве структурных параметров. Изменения структурных свойств являются причинами возникновения неисправностей и отказов.
Отказ системы (событие перехода в неработоспособное состояние) связывается с потерей основных общесистемных функциональных свойств, выходом параметров, характеризующих эти свойства за допустимые границы. Для целей диагностики и прогнозирования надежности термину «неработоспособное состояние» более соответствуют термины «недопустимый режим эксплуатации», «анормальный режим», «параметрический отказ», при которых за счет повышения интенсивности и перераспределения электромагнитных, тепловых и механических нагрузок происходит снижение показателей надежности системы относительно расчетных. Данными для интегральной оценки снижения надежности в таких режимах являются тип анормального режима, его интенсивность и продолжительность. Для анормальных режимов, устанавливаются критерии по интенсивности и продолжительности нагрузок, которые энергетический объект должен выдерживать не повреждаясь.
Неисправность – снижение эффективности (стабильности) функциональных свойств подсистем ниже определенного уровня, выход параметров, характеризующих эти свойства за установленные границы. Неисправность характеризуется как разладка функциональных свойств подсистем вследствие зарождения и развития дефектов. Неисправность отражает перераспределение энергетических потоков различной физической природы вследствие нарушения структуры. Неисправность может быть не существенной с точки зрения рассмотрения системы как объекта управления, но иметь важное диагностическое значение для целей раннего обнаружения зарождающихся дефектов. Неисправность может стать источником зарождения и развития новых дефектов структуры.
Дефект - нарушение структуры системы. Зарождение дефекта – отклонение структурных свойств от первоначального состояния. Первоначальное состояние структуры соответствует исправному техническому состоянию. Процесс изменения структурных параметров рассматривается как случайный процесс. Развитие дефекта в общем случае имеет две фазы. Существует период количественных изменений структурных свойств – период накопления повреждений. Данный период завершается качественным изменением – потерей устойчивости структуры. Различной степени развития дефекта соответствуют различные стадии неисправности. При определенной степени развития дефекта возможен выход основного функционального параметра – параметра работоспособности – в область недопустимых значений. Это соответствует переходу к анормальному режиму эксплуатации – параметрическому отказу. При потере устойчивости возникает отказ функционирования.
Дефект – предел изменения структурного параметра, при котором появляется неисправность или отказ в процессе функционирования. Неисправность проявляется только на работающем оборудовании, дефект сохраняется и на остановленном.
Оценка технического состояния системы начинается в пространстве функциональных параметров.
Первая задача – распознавание недопустимых, анормальных режимов эксплуатации. Области недопустимых состояний характеризуются уставками функциональных параметров. Степень «анормальности» состояния системы оценивается расстоянием от точки фактического значения до уставки.
Вторая задача - распознавание неисправностей – осуществляется в пространстве функциональных параметров подсистем и элементов при нормальном режиме эксплуатации. На основе алгоритмической обработки этих параметров формируются расчетные диагностические параметры. Их величины инвариантны к режиму эксплуатации и отражают изменение (деградацию) структурных параметров системы. Определенной степени тренда диагностического параметра - диагностическому признаку - ставится в соответствие определенная неисправность данной подсистемы. При обнаружении неисправностей решается задача распознавания дефектов.
Третья задача – распознавание дефектов – осуществляется в пространстве диагностических признаков. Возможно формирование комплексного диагностического признака как алгебраического или логического сочетания простых. Список дефектов подлежащих распознаванию должен быть определен. Возможно, что диагностический признак отдельной подсистемы однозначно указывает на дефект. Чаще список вероятных дефектов определяется через определенную совокупность сочетаний диагностических признаков. Данная задача по мере необходимости может решаться как традиционными методами логического анализа, так и методами искусственного интеллекта: распознавания образов, нечеткой логики, нейронных сетей, экспертных систем. Причины возникновения дефектов выявляются на основе статистических или экспертных оценок.
Каждая последующая задача выявляет причины результата предыдущей задачи в соответствии с причинно-следственной связью: анормальный режим – неисправное состояние – дефекты структуры—причины дефектов (недопустимые энергетические нагрузки). Вместе с тем следует иметь в виду, что анормальный режим может возникнуть вследствие команд управления, других внешних воздействий при отсутствии дефектов и неисправностей.
Важным является формирование модели развития дефекта, а также установление причинно - следственных связей между различными дефектами.
2.4 Классификация физических процессов потери работоспособности.
Под воздействием различных энергетических факторов, внутренних и внешних, в системе возникают отказы.
Процессы вызывающие и сопутствующие отказу (изменения структуры) обычно подразделяют на:
- обратимые и необратимые (упругая и пластическая деформация);
- быстропротекающие (короткие замыкания, аварийные отключения, вибрации), средней скорости (маневренные режимы, тепловая деформация), медленные (старение, усталость, износ).
- происходящие на микроскопическом уровне (молекулярно-кинетический), субмикроскопическом (феноменологический), макроскопическом;
- процессы внутренние объемные и поверхностные, и.т.д.