Разработка системы поддержки принятия решения по техническому перевооружению и реконструкции района электрических сетей на основе технологии искусственных нейронных сетей : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

Согласно программе национальной технологической инициативы, применение автоматизированных информационных систем позволит решить ряд проблем эффективности функционирования и развития электроэнергетики, создаст инструменты для модернизации и развития экономики страны. В то же время сохраняется проблема износа электрических сетей (ЭС), особенно остро она стоит для оборудования подстанций 35-110 кВ и питающих их линий электропередач, где износ составляет более 50%.
Это вызывает необходимость технического перевооружения и реконструкции (ТПиР) объектов электрических сетей. Под объектом электрических сетей в работе понимается совокупность подстанции и питающих ее линий электропередач. Совокупность технологически взаимосвязанных объектов ЭС, расположенных на одной территории и обслуживаемых одним структурным подразделением, образует район электрических сетей.
Многообразие осложняющих факторов при ТПиР электрических сетей, таких как множество целей функционирования; взаимосвязь оцениваемых параметров; современные социально-экономические требования, приводит к увеличению числа возможных решений, а значит и объемов обрабатываемой информации. Это обуславливает необходимость не только автоматизации информационных процессов, но и внедрения интеллектуальных систем поддержки принятия решения (СППР).
Степень разработанности темы. Проведенный анализ исследований в области принятия решения по ТПиР объектов электрических сетей, показал, что в разработанных СППР выбор предпочтительной альтернативы реализован в условиях многокритериальной оценки каждого решения с использованием положений теорий нечетких множеств [1], [2], методов экспертного оценивания [3], [4]. Под альтернативами объекта ЭС в работе понимаются вариативные совокупности параметров элементов линий электропередач и оборудования электрических подстанций в соответствии с выбранными мероприятиями по техническому перевооружению или реконструкции и видом номенклатурных работ.
5
Необходимо отметить, что в разработанных СППР формирование альтернатив объекта ЭС реализовано без учета типизации номенклатурных параметров оборудования, оценки его технического состояния и с обязательным привлечением экспертов, а выбор альтернатив осуществлен по частным критериям, математические модели которых не в полной мере отражают требования нормативных и законодательных документов в области соответствия объема инвестиционных программ типовым технологическим решениям [5]. Вышеизложенное приводит к снижению объективности и достоверности принимаемых решений.
Анализ исследований по ТПиР района электрических сетей (ЭС) показал, что большинство работ посвящено формированию первоочередных мероприятий по реконструкции и техническому перевооружению путем решения задачи многокритериальной оптимизации ЭС с учетом индикативного анализа состояния оборудования [3], [4]. Отмечая бесспорную ценность существующих исследований, необходимо заметить, что при формировании программы ТПиР для района электрических сетей из альтернатив объектов ЭС не рассчитываются и не сравниваются между собой несколько вариантов, что не позволяет оценить и выбрать приоритетную альтернативу для района ЭС в условиях финансового ограничения.
В виду вышеизложенного разработка системы поддержки принятия решения по техническому перевооружению и реконструкции района ЭС в условиях ограничения объема инвестиционной программы, обеспечивающей выбор приоритетной альтернативы района ЭС, формируемой из предпочтительных альтернатив объектов ЭС, ранжирование которых осуществляется по частным критериям, соответствующим нормативным и законодательным документам, отражающим развитие энергетики в современных условиях, является актуальной и значимой задачей.
Цель работы. Разработка автоматизированной системы поддержки принятия решения по выбору приоритетной альтернативы технического перевооружения и реконструкции района электрических сетей в условиях финансового ограничения

6
и многокритериального оценивания альтернатив каждого объекта ЭС с применением нейросетевых технологий.
В соответствии с целью сформулированы задачи исследования:
1. Выполнить анализ научно-технической литературы в области технического перевооружения и реконструкции электрических сетей и обосновать структуру процесса принятия решения по ТПиР района электрических сетей.
2. Разработать математические модели частных критериев оценки альтернатив объекта электрических сетей на основе нормативных документов в области электроэнергетики, а также с учетом типизации номенклатурных параметров оборудования.
3. Разработать математическую модель формирования альтернатив объекта электрических сетей и метод оценки альтернатив в условиях многокритериальности с использованием нейросетевых технологий.
4. Разработать математическую модель и метод выбора приоритетной альтернативы ТПиР района ЭС, формируемой из предпочтительных альтернатив объектов ЭС, в условиях финансовых ограничений.
5. На основе предложенных математических моделей и методов разработать структурно-функциональную модель и алгоритм принятия решения по ТПиР района электрических сетей, программно реализовать их в автоматизированной системе поддержки принятия решений с последующими тестированием и апробацией на примере Центрального района электрических сетей Оренбургской области.
Объектом исследования являются электрические сети и их техническое перевооружение и реконструкция.
Предмет исследования – принятие решения по техническому перевооружению и реконструкции подстанций и линий электропередач напряжением 35-110 кВ, образующих район электрических сетей.
Научная новизна:
– введен и обоснован новый частный критерий – критерий унификации номенклатуры электросетевых объектов, определяемый на основе многомерного анализа номенклатурных параметров оборудования с помощью карт Кохонена;

7
– предложена математическая модель формирования альтернатив объекта ЭС на основе декартова произведения множеств, составленных из номенклатурных параметров оборудования, которые согласованы между собой и учитывают техническое состояние, вид мероприятий по ТПиР;
– предложена математическая модель выбора приоритетной альтернативы ТПиР района ЭС, представленная в виде системы уравнений условной оптимизации; – разработана структурно-функциональная модель принятия решения по ТПиР района электрических сетей, предназначенная для выбора приоритетной альтернативы, сформированной из предпочтительных альтернатив объектов ЭС с
учетом технико-экономических требований.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что адаптированы: – математические модели частных критериев оценки альтернатив объекта ЭС:
суммарных дисконтированных затрат; годовых потерь электроэнергии; ущерба от перерыва в электроснабжении; площади отвода земельных участков, формализованные с учетом изменений в нормативных документах в области электроэнергетики;
– метод многокритериальной оценки альтернатив объекта ЭС, основанный на использовании искусственной нейронной сети, обученной с помощью алгоритма обратного распространения ошибки;
– метод выбора приоритетной альтернативы ТПиР района ЭС, основанный на теории графов и решении оптимизационной задачи.
Практическая значимость работы заключается в сокращении времени принятия решения и повышения его обоснованности за счет разработанного алгоритма формирования и многокритериальной оценки альтернатив объекта ЭС, а также алгоритма формирования и оценки альтернатив ТПиР района электрических сетей, образуемых из множеств предпочтительных альтернатив объектов ЭС. Предлагаемая СППР может использоваться при: проектировании схем электрических сетей, разработке программ развития электроэнергетики, составлении инвестиционных программ, работе проектных организаций,

8
разработке интеллектуальных системах поддержки принятия решений электросетевыми компаниями.
Разработано программное средство, его модули зарегистрированы в Университетском фонде электронных ресурсов ФГБОУ ВО ОГУ No1307, 2016, г. Оренбург и в Роспатенте: No2017614222, 2017; No2018615074, 2018, г. Москва.
Методология и методы исследования, представленные в диссертационной работе, основываются на общей методологии построения систем поддержки принятия решения, теоретических основах электротехники, методах системного и комбинаторного анализа, методах математического моделирования, методах проектирования информационных систем, методах прикладного программирования, технологии искусственных нейронных сетей.
Положения, выносимые на защиту.
1 Структурно-функциональная модель принятия решения по ТПиР района электрических сетей содержащая: тактический уровень принятия решения по выбору предпочтительной альтернативы для объекта электрических сетей; стратегический уровень принятия решения по выбору приоритетной альтернативы ТПиР района ЭС, формируемой из предпочтительных альтернатив объектов ЭС с учетом финансового ограничения, технического состояния оборудования, а также последствий его отказа.
2 Метод многокритериальной оценки альтернатив объекта ЭС с применением технологии нейронных сетей, обеспечивающий принятие решения на тактическом уровне.
3 Метод выбора приоритетной альтернативы ТПиР района электрических сетей, реализованный посредством интеграции алгоритма построения дерева решений и алгоритма решения оптимизационной задачи, обеспечивающий принятие решения на стратегическом уровне.
4 Информационная среда и алгоритм принятия решения по ТПиР района электрических сетей со структурой вложенных циклов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов базируется на корректном применении математического аппарата,

9
непротиворечивости, согласованности результатов работы программы, реализующей предложенную модель принятия решения по ТПиР района ЭС, с предложениями, отраженными в схемах и программах развития электрических сетей Оренбургской области.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационном исследовании методы оценки и выбора альтернатив ТПиР района электрических сетей и объектов, находящихся на его территории, а также полученные результаты и сформулированные предложения по их применению:
– реализованы в госбюджетной НИР «Разработка интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью». Номер госрегистрации ГР No 116040410003;
– внедрены в производственный процесс на стадии технического тестирования, эксплуатируется в ООО «А7 Агро»;
– внедрены в деятельность службы технического перевооружения реконструкции филиала ПАО «МРСК Волги» «Оренбургэнерго»;
– внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет».
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2014, 2016), V Международной научно- технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Томск, 2014), IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2014), Международной конференции «Эффективная энергетика -2015» (г. Санкт-Петербург, 2015), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, 2013, 2016), VI Международной научно- практической конференции «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (г. Екатеринбург, 2017), Международной научно-

10
технической конференции «Возобновляемая энергетика, энерго- и ресурсосбережение» (Челябинск, 2018).
Результаты также были представлены на наукограде международного молодежно-образовательного форума «Евразия» (г. Оренбург, 2016), в финале конкурса для талантливой молодежи (г. Оренбург, 2016), Всероссийского инженерного конкурса (г. Самара 2017).
По результатам исследования выигран грант Фонда содействия инновациям по программе «УМНИК-Энерджинет» (2017).
Личный вклад. Продолжены исследования, связанные с принятием решений, применительно к ТПиР электрических сетей. Автором разработаны модели формирования и выбора приоритетной альтернативы объекта ЭС, а также альтернативы ТПиР района ЭС, адаптированы модели и методы к современным условиям; структурирована информация, используемая для базы данных. Полученные разработки легли в основу алгоритмов, которым были программно реализованы и протестированы автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ в сборниках различного уровня, в том числе: 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в сборнике трудов конференции, публикуемом в цифровой библиотеке “IEEE Xplore”, индексируемой наукометрической базой Scopus; получено 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, в том числе 2 свидетельства гос. рег. программы для ЭВМ Роспатента.