Кафедра Автоматизированные электрические системы УрФУ

Кафедра Автоматизированных электрических систем (далее кафедра АЭС) Уральского энергетического института, УрФУ основана в 1930 году. Подготовка специалистов ведётся по нескольким направлениям. Специалисты, получившие образование на кафедре АЭС, работают в системах электроснабжения промышленных предприятий и городов, в эксплуатационных, в проектных, монтажных и наладочных организациях.

Из истории кафедры

История кафедры

В октябре 1920 г. Совнаркомом РСФСР был принят декрет об открытии Уральского госуниверситета, в состав которого вошло несколько институтов. Среди институтов был политехнический, получивший в рамках университета значительную самостоятельность — имел свой Совет и Правление. На механическом факультете среди других была создана электротехническая лаборатория.

В 1926—1930 гг. на Урале сооружались крупные Магнитогорский и Нижнетагильский металлургические комбинаты, Уралмашзавод, Уралвагонзавод, Челябинский тракторный завод с крупными электростанциями, подстанциями и линиями электропередач. Требовались новые специалисты, для этого необходимо было развитие системы высшего образования.

До 1929—1930 гг. высшее образование претерпело несколько реорганизаций, связанных с трудностями тогдашнего времени. В связи с реформой высшего образования в стране в 1930 г. на базе Уральского политехнического института было создано 9 отраслевых институтов — Черных металлов, Цветных металлов, Энергетический, Машиностроительный и другие.

Кафедра Автоматизированных электрических систем свою историю ведет с 1930 г. Первоначально она называлась по-другому: Центральные электрические станции; Электропередачи и электрические станции; Электрические системы; Электрические станции, сети и системы. Свое последнее название кафедра получила в 1980 г.

В разные годы кафедрой заведовали:

• с 1930 по 1937 гг. Богданов А. К., Черторыжский Константин Вакхович, Цейтлин М. И., доц. Борчанинов Георгий Сергевич, Смола К. И.
• 1937—1950 проф. Синьков Виктор Михайлович.
• 1950—1954 доц. Трофименко Давид Ефимович.
• 1954—1989 проф. Арзамасцев Дмитрий Александрович.
• 1989—2006 проф. Бартоломей Петр Иванович.
• с 2006 г. проф. Паздерин Андрей Владимирович.

За 80 лет кафедра подготовила более 6000 инженеров. Ниже на диаграмме показан выпуск специалистов по годам и нарастающим итогом.

В 1952—1953 гг. была организована ускоренная подготовка специалистов-инженеров со сроком обучения два с половиной года из числа окончивших техникумы и имевших стаж практической работы, а также производственников с незаконченным высшим образованием. Кафедра тогда провела обучение двух групп инженеров по очной форме обучения. В настоящее время этот опыт перенесен на заочное обучение.

В конце пятидесятых годов в связи с необходимостью резкого увеличения выпуска инженеров радиотехнического профиля несколько десятков студентов пятикурсников кафедры Электрические станции, сети и системы были переведены на радиотехнический факультет. Многие из них стали крупными специалистами в своей новой области творчества, но и они отмечают, что начало было положено на кафедре ЭССС.

В 1962 году на кафедре открыта аспирантура. И хотя в это время на кафедре не было докторов технических наук, но два выдающихся ученых Д. А. Арзамасцев и В. Е. Поляков уже тогда своими научными трудами закладывали фундамент уральской электроэнергетической школы, и в этом они опирались на своих аспирантов. Докторские диссертации они защитили в конце шестидесятых годов. Динамика работы аспирантуры и защит диссертаций отражена в таблице 2. Здесь цифрами показано за каждое десятилетие количество защищенных кандидатских и низкими цифрами — докторских диссертаций, выполненных на кафедре.

Диаграмма 2. Защита диссертаций

Время	1930—1940	1941—1950	1951—1960	1961—1970	1971—1980	1981—1990	1991—2000	2001—2010
канд. диссертация	2	5	2	11	31	51	16	7
док. диссертация	0	0	0	2	0	3	4	3

Пуск электродинамической (физической) модели электрической системы в 1967 году ознаменовал появление проблемной лаборатории кафедры ЭССС, давшей новый импульс в совершенствовании учебного процесса и в проведении ряда важнейших научных экспериментов и исследований. Здесь, в первую очередь, надо отметить экспериментальное определение частотных характеристик ОЭС Урала и ЕЭС СССР двумя циклами в июле и ноябре 1971 г. Десятки студентов и преподавателей разъехались по электростанциям и подстанциям ОЭС Волги, Урала, Сибири и Казахстана, вооружившись осциллографами и другой аппаратурой. Идеология эксперимента была разработана на кафедре, координация действий осуществлялась работниками ЦДУ ЕЭС СССР. Обработка зафиксированных результатов эксперимента выполнялась в проблемной лаборатории.

Признанием заслуг кафедры и её авторитета в стране было решение Минвуза СССР об организации на ней Факультета повышения квалификации преподавателей по специальностям Электрические станции, Релейная защита и автоматика, Электрические системы и сети. Начиная с 1972 г ежегодно формировалась группа из 12 — 15 молодых преподавателей родственных кафедр вузов СССР, которые обучались в течение 4-х месяцев осеннего семестра. Работа ФПК давала стимул к совершенствованию учебного процесса, укрепляла связи с другими вузами страны. Для слушателей ФПК привлекательность заключалась в том, что большое внимание уделялась научным проблемам в электроэнергетике и электрических системах. Многие из прошедших ФПК впоследствии приезжали докладывать на кафедре АЭС о результатах своих исследований и защищать диссертации в совете электротехнического факультета. С развалом СССР и начавшимся кризисом в стране в 1992 ФПК прекратил свое существование.

Началось десятилетие тяжелых испытаний для кафедры, как впрочем, для всей Высшей школы страны. Резко ухудшившееся финансирование вузов и материальное положение сотрудников вынуждал последних покидать кафедру и уходить в производственную сферу. Так, в 1996—1998 гг. девять доцентов в возрасте 35 — 45 лет либо полностью, либо частично, оставаясь на четверть или половину ставки, перешли на другую работу. В то время эта ситуации казалась крайне драматичной, хотя впоследствии проявился и некоторый положительный эффект, заключающийся в закреплении связей с производством, снижении академизма в учёбе за счет более тесного контакта со структурами энергосистем при содействии ушедших туда преподавателей.

Кафедра искала пути «выживания» в новых экономических условиях. В первую очередь, здесь значимой вехой было создание в 1991 году Учебно-научного предприятия УПИ-Энерго. Учредителями стали УПИ, ОДУ Урала и НТОЭП Свердловской области. Первым директором УПИ-Энерго до 1998 года был доцент П. М. Ерохин. Благодаря функционированию УПИ-Энерго уже в 1991 году был создан первый дисплейный класс, ремонт помещения и оснащение которого вычислительной техникой было частично обеспечено средствами заработанными коллективом УПИ-Энерго, а также, главным образом за счет спонсорской помощи ОДУ Урала.

Далее важное место в истории тех лет сыграл Сургутский опорный пункт, созданный в 1992 году во взаимодействии УГТУ-УПИ, УПИ-Энерго и АО Тюменьэнерго, просуществовавший до 2001 года.

В трудные девяностые годы особенно заметна была солидарность выпускников с родной кафедрой. Желание их помочь кафедре сохранить педагогический и научный потенциал проявилось в реконструкции существующих и создании новых лабораторий с новейшими современными компьютерными технологиями, ремонте помещений, в организации семинаров и Всероссийских конференций с широким международным участием, в трудоустройстве инженеров и магистров, в организации зарубежных командировок для преподавателей кафедры, в издательской деятельности и т. д. Все это было в конце концов закреплено созданием выпускниками кафедры в 1999 году Фонда имени Д. А. Арзамасцева. Коллектив кафедры безмерно благодарен выпускникам за вовремя проявленную заботу и внимание к нуждам кафедры.

После перехода в 1994 году на многоуровневую систему подготовки специалистов на кафедре в 1998 г. начат выпуск бакалавров. После получения лицензии в 1999 г. началась подготовка магистров. Десять прошедших выпусков магистров, начиная с 2001 года, показали, что выбранное направление подготовки в сотрудничестве с ОДУ Урала и Системным оператором ЦДУ ЕЭС России полезно как для кафедры, так и для ведущих электросистемных организаций. Более того, прошедшее в 2009 году в Екатеринбурге совещание президентов Шанхайской организации сотрудничества закрепило создание международной системы подготовки магистров, которую мы все называем «Шанхайский университет», объединяющий ряд университетов стран ШОС. По направлению «Электроэнергетика» туда наряду с родственными кафедрами Московского энергетического института (технического университета) и Новосибирского государственного технического университета вошла и кафедра АЭС УГТУ-УПИ. Характерной деятельностью кафедры в последнее десятилетие стала организация и проведение конференций высокого уровня. Среди них следует отметить такие как:

1. Всероссийская конференция «Энергосистема: управление, качество, безопасность», 2001 г. (издан сборник трудов, 508 с.)
2. II Всероссийская конференция «Энергосистема: управление, качество, конкуренция», 2004 г. (издан сборник трудов, 500 с.)
3. III Международная конференция «Энергосистема: управление, конкуренция, образование», 2008 г. (изданы 2 тома трудов, 804 с.)
4. I международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи — 2010» 17-19 ноября 2010 года
5. III международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи — 2012» 22-26 октября 2012 года

Главные вехи истории кафедры

• 1920 год рождение Уральского университета, в состав которого входил УПИ-Уральский политехнический институт
• 1930 год УПИ разделен на отраслевые институты. Создан энергетический институт с теплотехническими и электротехническими специальностями. Создана кафедра «Электрические станции»
• 1932 год организована специальность «Электрические сети и ЛЭП»
• 1933 год первый выпуск станционников (10 чел.). Кафедра получила название ЭССС — Электрические станции, сети и системы
• 1934 год год отраслевые институты объединены в Уральский индустриальный институт им. С. М. Кирова, переименованный в Уральский политехнический институт в 1948 г.
• 1946 год на кафедре ЭССС впервые в СССР создана опытно-промышленная ЛЭП постоянного тока 10 кВ «УПИ-УЭТМ» (существовала до 1949 г.)
• 1956—1960 гг. Монтаж, наладка и пуск учебно-лабораторной электростанции (УЛЭС)
• 1959 год
  1. начало проектирования физической (электродинамической) модели электрических систем
  2. выпуск 1000-го инженера (Е. А. Мошкин — впоследствии главный диспетчер ОДУ Урала, лауреат Государственной премии)
• 1960 год впервые в стране кафедра вводит в программу обучения раздел «Вычислительная техника и программирование»
• 1962 год на кафедре открыта аспирантура (подготовлено к концу 2000 г. 118, к началу, 2010/11 учебного года — 127 кандидатов технических наук)
• 1967 год пущена лаборатория физического (электродинамического) моделирования электрических систем (ЭДМ) в составе проблемной лаборатории электротехнического факультета
• 1973 год по решению Минвуза СССР в УПИ на базе кафедры ЭССС создан факультет повышения квалификации преподавателей вузов страны по специальностям: электрические станции, электрические системы, релейная защита и автоматика. ФПК просуществовал до 1992 г.
• 1971 год экспериментальное определение частотных характеристик ОЭС Урала и ЕЭС СССР
• 1974 год
  1. выпуск 2000-го инженера
  2. кафедра инициировала и впервые в СССР поставила новый курс «АСУ и оптимизация режимов». Учебник с таким же названием (авторы Арзамасцев Д. А., Бартоломей П. И., Холян А. М.) выпустило издательство Высшая школа (Москва) в 1983 г.
• 1977 год впервые в СССР поставлен курс «Модели оптимального развития энергосистем». Учебник с таким же названием (авторы Арзамасцев Д. А., Липес А. В., Мызин А. Л.) издан в издательстве ВШ (Москва) в 1987 г.
• 1978 год решением Координационного совета Минвуза СССР по межвузовской целевой программе «Экономия электроэнергии» кафедра признана головной среди 32 кафедр по теме «Разработка принципов АСУ электроэнергетики» (научный руководитель Д. А. Арзамасцев)
• 1980 год кафедра получила новое название АЭС — Автоматизированные электрические системы
• 1983 год выпуск 3000-го инженера
• 1990 год открыта специальность АУЭС — Автоматическое управление электроэнергетическими системами, позже переименованная в Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
• 1991 год
  1. рождение Учебно-научного предприятия УПИ-Энерго
  2. создание первого дисплейного класса (спонсор ОДУ Урала)
• 1992 год организован Сургутский опорный пункт (АО Тюменьэнерго, функционировал до 2001 г.)
• 1994 год
  1. кафедра перешла на многоуровневое образование (бакалавр, инженер, магистр)
  2. создана лаборатория микропроцессорной техники (руководитель Г. И. Тейхриб)
• 1995 год выпуск 4000-го инженера
• 1996 год начата реконструкция проблемной лаборатории ЭДМ (спонсор Уралэнерго)
• 1998 год
  1. получена лицензия Министерства общего и профессионального образования на магистратуру
  2. сделаны первые шаги по созданию Учебно-тренажерного комплекса (УТК) АО Свердловэнерго на базе кафедры АЭС
• 1999 год
  1. создание Фонда им. Д. А. Арзамасцева кафедры АЭС
  2. реконструкция лаборатории релейной защиты и автоматики с помощью Свердловских городских электрических сетей
  3. состоялся первый прием в магистратуру (9 человек)
  4. начало сотрудничества с фирмой ALSTOM
  5. профессорам Богатыреву Л. Л. и Мызину А. Л. присуждена Премия Правительства РФ
• 2000 год пущена первая очередь лаборатории моделирования ЭЭС в составе Учебно-тренажерного комплекса АО Свердловэнерго
• 2001 год
  1. первый выпуск магистров (9 человек)
  2. проведена первая Всероссийская конференция «Энергосистема: управление, качество, безопасность» с широким международным участием
• 2002 год
  1. начало сотрудничества с ЕЭСК по целевой подготовке специалистов с дополнительным образованием в области экономики и менеджмента
  2. начало работы в Узбекистане по подготовке инженеров по специальности Электроэнергетические системы и сети (ЭЭСС) в заочной сокращенной форме. Выпуски (всего 75 человек) состоялись в 2006 и 2007 гг.
  3. выпуск 5000-го инженера
• 2003 год
  1. получена лицензия на открытие новой специальности «Электроснабжение», начата подготовка специалистов (позднее на базе этой специальности создана новая выпускающая кафедра «Теоретическая электротехника и технологии электроснабжения»)
  2. совместно с ОДУ Урала организован постоянно действующий региональный семинар «Проблемы управления электроэнергетикой в условиях конкурентного рынка»
• 2004 год проведена вторая Всероссийская конференция «Энергосистема: управление, качество, конкуренция» с широким международным участием
• 2005 год
  1. пущена новая учебно-исследовательская лаборатория «САПР электроэнергетических систем» (ауд. Э-218).
  2. совместно с ОДУ Урала по материалам регионального семинара издан сборник трудов «Вестник УГТУ-УПИ» № 12(64)
• 2008 год
  1. в сотрудничестве ОАО «Системный оператор Единой энергетической системы» проведена третья Международная конференция «Энергосистема: управление, конкуренция, образование».
  2. выпуск 6000-го инженера
• 2010 год
  1. подготовка к проведению Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи». Вместе с кафедрой участвуют ОДУ Урала, СО ЕЭС, Благотворительный фонд «Надежная смена»
  2. начало работы совместного семинара кафедры АЭС и ОДУ Урала «Проблемы рынка электроэнергии» (руководитель профессор В. П. Обоскалов)
  3. УГТУ-УПИ перешел в статус Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Деканами Энергетического (с 1964 — Электротехнического) факультета УПИ были следующие сотрудники кафедры:

• 1957—1961 гг. проф. Арзамасцев Дмитрий Александрович
• 1968—1971 гг. проф. Поляков Валентин Ефимович
• 1977—1981 гг. доц. Рудницкий Мстислав Петрович
• 1981—1986 гг. проф. Богатырев Леонард Леонардович

Формирование уральской научной школы

В конце 60-х годов сформировалась Уральская научная школа инженеров-электриков, главным научным направлением которой стала разработка основ и методов оптимального управления функционированием и развитием электроэнергетических систем. Школа пользуется большим авторитетом среди электротехнической общественности. Признанием важной роли Уральской школы, её огромного научного авторитета являлась апробация на кафедре АЭС почти каждой докторской диссертации, защищаемой у нас в стране.

Становление уральской научной школы в области электроэнергетики связано с именами выдающихся ученых — Дмитрия Александровича Арзамасцева (1916—1993), заведующего кафедрой АЭС с 1954 по 1989 гг., декана энергофака с 1957 по 1961 гг., профессора, доктора технических наук, Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, и Валентина Ефимовича Полякова (1921—1996), декана ЭТФ с 1968 по 1971 гг., профессора, доктора технических наук, Почетного энергетика СССР, Заслуженного изобретателя СССР.

Д. А. Арзамасцев подготовил 60 кандидатов технических наук. Среди его учеников 5 докторов технических наук. Он возглавил два основных научных направления:

• моделирование электроэнергетических систем в задачах управления режимами;
• развитие электроэнергетических систем.

Вместе со своими многочисленными учениками он внес фундаментальный вклад в науку о функционировании и развитии энергосистем.

В. Е. Поляков подготовил на кафедре АЭС 35 кандидатов технических наук, пятеро из них стали докторами технических наук, он автор 550 опубликованных научных работ, 90 изобретений и патентов, 6 из которых нашли признание в США, ФРГ, Франции и др. странах. Он возглавил научное направление синтез систем релейной защиты и автоматики ЭЭС.

Список трудов этих выдающихся ученых составляет более 900 наименований.

К началу активной творческой деятельности Д. А. Арзамасцева и В. Е. Полякова кафедра ЭССС — «Электрические станции, сети и системы» имела достаточно крепкий базис в научных исследованиях, которые были, главным образом, связаны с передачей энергии постоянным током и линиями переменного тока высокого напряжения и большой протяженности, с проблемами управления напряжением и оптимизацией реактивной мощности и некоторыми другими вопросами. Большой вклад в этом направлении внесли профессор, д.т. н. В. М. Синьков (заведовал кафедрой с 1937 по 1950 гг.), доценты, к.т. н. А. В. Баев, И. А. Криченова, В. Ю. Сродных, Д. Е. Трофименко (заведовал кафедрой с 1950 по 1954 гг.).

Начиная с начала 60-х годов основные вопросы научных исследований были связаны со следующими направлениями:

• Моделирование электроэнергетических систем в задачах управления режимами.
• Развитие электроэнергетических систем.
• Синтез систем релейной защиты и автоматики ЭЭС.

Моделирование электроэнергетических систем

Сложность и многомерность задач управления режимами ЭЭС заставляла исследователей искать способы моделирования, облегчающие получение решения, достаточно адекватно отражающего состояние изучаемого объекта. До появления цифровых вычислительных машин (ЦВМ) основными способами моделирования были физическое и аналоговое моделирование. Как и многие другие кафедры и научно-исследовательские институты страны, кафедра ЭССС шла по традиционным направлениям моделирования и в конце 50-х годов под руководством Д. А. Арзамасцева приступила к созданию физической (электродинамической) модели электрической системы, которая в полном объёме была введена в эксплуатацию в 1967 г.

Это была одна из первых моделей на Урале и в Сибири. В лаборатории были выполнены уникальные эксперименты по снятию частотных характеристик ОЭС Урала и ЕЭС СССР, электродинамическому торможению гидрогенераторов и др. Лаборатория широко использовалась в учебных целях для изучения переходных электромагнитных и электромеханических процессов в электрической системе, свойств и режимов длинных линий электропередачи, систем управления и многих других вопросов.

Параллельно с моделированием на аналоговых вычислительных машинах началось математическое моделирование на ЦВМ, позже общепринятым обозначением стало ЭВМ. В УПИ первая ЭВМ Урал-1 была пущена в 1959/60 учебном году и уже в 1960 г. сотрудники кафедры стали активно использовать ЭВМ в своей научной деятельности. Именно тогда Д. А. Арзамасцев инициировал работы своих учеников по моделированию установившихся и оптимальных режимов, решению задач проектирования и развития энергосистем, анализа статической и динамической устойчивости больших ЭЭС на ЭВМ. Уже в 1961 г. Д. А. Арзамасцев предложил в рамках спецкурса ЭЭС читать вопросы программирования и использования ЭВМ в задачах электроэнергетики для студентов кафедры ЭССС. Позже эти разделы трансформировались в самостоятельные дисциплины, которые кафедра реализовала в своих планах в виде сквозной и непрерывной подготовки.

Сложность заключалась в том, что несмотря на непрерывную смену ЭВМ (Урал-2, М-20, М-220, Минск, БЭСМ-6, серия ЕС-ЭВМ) их вычислительные возможности по скорости и памяти не соответствовали требованиям практики и эксплуатации по объёмам информации и времени получения решения. Существенное отставание по отношению к Западу в качественных характеристиках ЭВМ, используемых в энергосистемах, привело к работам кафедры под руководством Д. А. Арзамасцева, которые в области анализа установившихся и оптимальных режимов сводились к следующему: как в условиях ограниченной памяти и недостаточной скорости ЭВМ решать реальные сложные задачи планирования и оперативного управления за время, когда результат ещё не теряет свою ценность. Оригинальные алгоритмы и вычислительные процедуры, положенные в основу разработанных программ, позволили получить не только новые теоретические результаты, но и конечные программные продукты, нашедшие широкое применение в энергосистемах СССР и за рубежом.

Следует сказать, что на начальном этапе построения моделей установившегося режима преимущества уравнений узловых напряжений (УУН) из-за их многомерности не были вполне очевидными. Привлекательны попытки использования контурных уравнений в связи с их меньшей размерностью. Поэтому выполнялись также работы по алгоритмизации определения независимых контуров и автоматическому составлению системы контурных уравнений. Быстрое развитие ЭВМ привело к повсеместному использованию УУН.

Если говорить о решении УУН больших ЭЭС, то здесь стали выкристаллизовываться два пути, оба из которых основывались на методе Ньютона, но в одном случае линеаризованная система уравнений решалась разработанными итерационными методами двойного параболического интерполирования и центров эллипсов с быстрой сходимостью, во втором — методом Гаусса и его модификациями с разложением матрицы коэффициентов на треугольные сомножители. В конечном итоге первое направление завершилось созданием программ КУРС-1000 и СЕТЬ-3000 для ЕС-ЭВМ (совместная разработка УПИ, ЦДУ ЕЭС СССР и ИЭД АН Украины, в авторский коллектив вошли П. И. Бартоломей, П. М. Ерохин, С. К. Окуловский) соответственно для расчетов режимов ЭЭС, содержащих 1000 и 3000 узлов. Второе направление привело к появлению программы RASTR, наиболее распространенной в России и СНГ (автор В. Г. Неуймин, в разработке алгоритмов ведущая роль принадлежит А. В. Липесу, И. Л. Кирпиковой).

Важнейшей задачей планирования и оперативного управления была и остается задача оптимизации режима ЭЭС. С самого начала разработки этого направления научные работники кафедры подходили к этой задаче с позиций нелинейного программирования. В одной из первых работ в этом направлении показывалось, что необходимо привлечение градиентных методов (класс методов первого порядка). Хотя некоторое время из-за ограниченных возможностей ЭВМ на кафедре разрабатывались (и весьма успешно) методы случайного поиска (нулевого порядка) все же в последующем наибольшие успехи были связаны с разработкой методов второго порядка, в частности на базе обобщенного метода Ньютона и аппроксимирующего программирования, в то время как повсеместно в стране шли наработки по использованию метода первого порядка — приведенного градиента. Настоящий мировой опыт показывает, что выбранное направление было правильным и перспективным. В ОДУ Урала успешно используется программа оптимизации режима ЛИНКОР, разработанная на кафедре и основанная на методах второго порядка (автор Н. И. Грудинин, руководитель П. И. Бартоломей).

Сопутствующие вопросы качества электроэнергии, надежности работы ЭЭС, выбора оптимального состава оборудования, оптимизации режима гидротепловой энергосистемы, расчетов и снижения потерь электроэнергии, моделирования нагрузки, а также устойчивости ЭЭС были в поле зрения Д. А. Арзамасцева, они рассматривались им как важнейшие составные части общей проблемы функционирования ЭЭС и в дальнейшем развивались его учениками В. Н. Казанцевым, А. В. Липесом, В. П. Обоскаловым и др.

Развитие электроэнергетических систем

До начала 1960-х годов математические методы моделирования для решения задач развития ЭЭС практически отсутствовали. Появление и внедрение ЭВМ дало толчок этому процессу. Без преувеличения можно сказать., что Д. А. Арзамасцев со своими учениками был одним из первых в нашей стране, кто разрабатывал основы научного моделирования развития систем энергетики.

В первую очередь, Д. А. Арзамасцева заботило обеспечение задач развития надежными критериями оптимальности. Последовала серия работ, посвященных формированию экономических функционалов развития ЭЭС.

Параллельно шла работа по созданию методов оптимизации параметров ЭЭС. К середине 60-х годов в числе первых в стране были созданы методы оптимизации конфигурации электрических сетей и развития генерирующих источников.

Д. А. Арзамасцевым и Ю. С. Скляровым был предложен (независимо и одновременно с И. Б. Моцкусом) метод поконтурной оптимизации конфигурации электрической сети, а затем разработан для этих целей метод пересечения графов. В эти же годы был разработан подход к оптимизации размещения и выбора мощностей электрических станций с использованием динамического программирования. Полученные результаты были внедрены в институте Энергосетьпроект.

Первоначальные постановки задач развития использовали детерминированные методы математического программирования. Однако анализ информации об условиях будущего развития привел к выводу о необходимости применения методов учета факторов неопределенности. Первыми в этом направлении были решены задачи прогнозирования электрических нагрузок. Однако довольно быстро было выяснено, что применение для этих целей традиционных методов математической статистики не дает должного эффекта ввиду большой размерности параметров ЭЭС. Выход был найден в применении методов факторного анализа как статистического метода, позволяющего, используя свойства информации и осуществляя свертку показателей, определяющих параметры ЭЭС и их основных элементов, резко, примерно на порядок сокращать размерность исследуемого пространства.

Последовала серия работ, в которых были предложены методы решения задач моделирования и прогнозирования графиков электрических нагрузок, показателей развития электросетевого строительства, показателей сооружения энергетических объектов, в первую очередь, тепловых электрических станций. Все эти разработки не имели аналогов в советской науке и соответствовали уровню мировых достижений. Появившись в начале 70-х гг., они, по-существу, открыли новое направление в способах моделирования и принятия решений в условиях неопределенности. В это же время также в числе первых в стране на кафедре начали проводиться работы по учету экономических факторов при решении задач размещения энергетики.

Задачи развития стали рассматриваться как задачи многокритериальной оптимизации. Под руководством Д. А. Арзамасцева начали разрабатываться специальные методы и алгоритмы решения таких задач с применением таксономии, компонентного анализа, планирования эксперимента, экспертного анализа. Начали интенсивно развиваться методы имитационного моделирования развития ЭЭС, открывающие новые возможности использования ЭВМ и повышения обоснованности и качества решений по развитию ЭЭС. Большой вклад в это направление внесли А. Л. Мызин и работающие с ним коллеги С. С. Ананичева и Л. И. Мардер.

Цикл работ, выполненных на кафедре АЭС по проблемам развития ЭЭС, привел к появлению системы взаимосвязанных методов и моделей, знаменующих совершенно новый подход к задачам развития систем энергетики, использующий современные достижения вычислительных методов, математической статистики, теории оптимизации, экспертного анализа. Впервые в стране была создана новая учебная дисциплина «Модели оптимизации развития энергосистем» и впервые было выпущено учебное пособие по этой дисциплине, а после его успешной апробации — учебник для вузов страны и коллективная монография (авторы Д. А. Арзамасцев, А. В. Липес, А. Л. Мызин).

В последние годы своей жизни Д. А. Арзамасцев начал заниматься проблемами управления энергетикой в условиях перехода к рыночной экономике.

1990-е годы показали верность основной методологии, которая была положена в основу исследований кафедры по развитию энергетики — методологии системного подхода. Именно это позволило и в условиях коренной реформации отношений в экономике и энергетике сохранить преемственность направлений исследований 60-80-х гг. и успешно развить их в последующий период, избежав творческого кризиса. Работы кафедры в области развития энергетики относятся к наиболее актуальным научным и практическим проблемам системных исследований переходного периода, таким как разработка стратегий развития энергетики, энергетическая, экологическая и экономическая безопасность, обеспечение устойчивого развития энергетики, эффективность интеграции ЭЭС и др.

Синтез систем релейной защиты и автоматики энергосистем

В начале своего творческого пути В. Е. Поляков принимал активное участие в научных исследованиях кафедры, связанных с передачей электрической энергии постоянным током. Первая в СССР опытно-промышленная передача постоянного тока «УПИ — завод Уралэлектротяжмаш» была пущена в 1948 г. В дальнейшем научные интересы В. Е. Полякова полностью переключились на проблемы релейной защиты и автоматизации электрических систем.

Под руководством В. Е. Полякова группа специалистов работала над совершенствованием устройств релейной защиты и автоматики, методов их анализа, синтеза и эксплуатации на основе развития и широкого применения аналитического аппарата теории релейных устройств, технической диагностики и современных средств вычислительной техники. Эта группа создала комплексы защитной автоматики первой очереди передачи постоянным током Экибастуз-Центр. Были разработаны новые защиты электродвигателей с самоконтролем исправности и измерением магнитных потоков лобового рассеяния обмотки статора, оригинальная быстродействующая адаптивная защита синхронных генераторов с тиристорными системами возбуждения от коротких замыканий в цепи ротора. Разработаны методы и средства автоматизированного контроля, снижающие трудоемкость, ускоряющие испытания выпускаемых устройств релейной защиты и автоматики и повышающие их надежность. Разработанные защиты удостоены серебряной медалью ВДНХ, внедрены в эксплуатацию на Троицкой, Экибастузской, Пермской и Конаковской ГРЭС, защищены рядом авторских свидетельств, патентами США, Чехословакии, Германии и Франции. По результатам проведенных исследований этой группы получено 90 авторских свидетельств на изобретения, 6 зарубежных патентов, опубликовано свыше 450 научных работ.

Заслугой В. Е. Полякова является формирование научного направления кафедры АЭС, связанного с решением проблем комплексной автоматизации управления коммутационными аппаратами электрических систем в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах с использованием и дальнейшим развитием теории релейных схем. В основу синтеза систем релейной защиты и автоматики была положена математическая логика (булева алгебра). Трудно переоценить вклад В. Е. Полякова и его учеников в этой сфере научных исследований. Под его руководством разработан ряд программируемых защит и устройств управления таких как защита от замыканий на землю с повышенной информативностью, микропроцессорная защита от КЗ электроустановок с изолированной нейтралью, защита электродвигателей от КЗ с самоконтролем исправности, методы и устройства автоматизированного контроля временных параметров электромеханических и электронных блоков РЗА, комплексное устройство ситуационного управления выключателями ЛЭП, адаптирующаяся резервная токовая защита тупиковых ЛЭП и многое др.

Синтез и анализ схем, работа которых зависит от времени, в частности, специфичных в этом отношении схем РЗА, осуществляется с использованием временных булевых функций. Из списка основных работ видно, что многие фундаментальные исследования связаны с этим важнейшим вопросом совершенствования теории синтеза РЗА.

Надежность устройств РЗА (как автономных, так и в составе комплексных систем) существенно зависит от качества их профилактического обслуживания, которое, в свою очередь, во многом определяется совершенством автоматизации проверочных и диагностических процедур. Здесь важны как новые микропроцессорные диагностические устройства, так и программы комплексной проверки работоспособности, диагностирования и поиска неисправных элементов, цепей и функциональных блоков. Большое внимание в работах уделяется повышению чувствительности, быстродействия и надежности релейных схем на основе оптимизации логической структуры и её реализации на основе современной микроэлектронной базы. Разработанные методы и алгоритмы используются как в эксплуатационной практике, так и на стадии синтеза и проектирования.

С организацией на кафедре АЭС подготовки инженеров по специальности «Автоматическое управление электроэнергетическими системами» появились новые дисциплины «Теория дискретных автоматов» (лектор П. И. Бартоломей), «Технические средства и функциональные узлы цифровой автоматики» (лектор В. А. Липаткин), «Элементы автоматических устройств» (лектор Л. Ф. Богданова), «САПР и спецвопросы РЗиА» (лектор Г. И. Тейхриб), содержание которых во многом определено школой В. Е. Полякова.

Основы, заложенные Д. А. Арзамасцевым и В. Е. Поляковым, в дальнейшем были развиты в работах их учеников. Среди главных направлений исследований можно выделить следующие (нумерация здесь условная и не показывает приоритетов).

1. Качественные методы исследования устойчивости крупных энергообъединений на основе использования функций А. М. Ляпунова, построение границ областей статической устойчивости и существования режимов ЭЭС, моделирование переходных процессов, определение динамических характеристик и др. смежные вопросы. Большой вклад в развитие этого направления внесли профессор М. П. Рудницкий (с 1985 по 1996 гг. — заведующий кафедрой Автоматизированных систем электроснабжения и проректор СИПИ), доценты, кандидаты технических наук А. А. Алексеев, И. А. Криченова, М. Н. Гервиц, Т. Я. Окуловская (в настоящее время — заведующая кафедрой АСЭС УГППУ), М. В. Павлова, Т. Ю. Паниковская, В. А. Смирнов, В. А. Шемпелев, Г. А. Амбарников (ныне заведующий кафедрой Электрических сетей и систем Павлодарского индустриального института), Попов В. Н.
2. Продолжение работ по совершенствованию устройств релейной защиты и автоматики, теории синтеза и диагностики новых систем управления на базе работ В. Е. Полякова. В недрах этого направления защитили докторские диссертации профессора С. Ф. Жуков (заведующий кафедрой Мариупольского технического университета), А. Я. Зильберман (работает в Германии), М. Я. Клецель (Павлодарский индустриальный институт), Попов Н. М. (декан Костромского института механизации и электрификации сельского хозяйства). На кафедре успешно работают доценты, к.т. н. Богданова Л. Ф., Федотов В. П., Федотова Л. А.
3. Разработкой новых эффективных методов и алгоритмов управления нормальными и аварийными режимами энергосистем в условиях неопределенности исходной информации руководит доктор технических наук, член-корреспондент Академии электротехнических наук, действительный член Международной энергетической академии, профессор Богатырев Л. Л. Успешное решение задач повышения надежности и живучести крупных энергообъединений оказывается возможным только при широком использовании высокоэффективных адаптивных систем противоаварийного управления, разработке новых и совершенных моделей, методов и алгоритмов оперативного контроля и обеспечения надежности режимов сложных электроэнергетических систем, позволяющих автоматизировать процессы принятия решений в условиях ограниченного времени, дефицита и неточности информации. При разработке алгоритмов и методов использовались основы теории распознавания образов, теория размытых множеств и нечетких свидетельств, статистических решений. Создана методология решения задач многокритериальной оптимизации при нечеткой исходной информации. Разработанные методы и алгоритмы были внедрены в Уральской энергосистеме, в энергосистемах Казахстана, Монголии, Тюмени. Наибольший вклад в развитие этого направления внесли сотрудники кафедры АЭС УГТУ кандидаты технических наук, доценты С. Е. Кокин, А. В. Паздерин, В. А. Липаткин, старший преподаватель Г. И. Тейхриб.
4. Разработка методов расчета и оптимизации установившихся режимов и совершенствования информационного обеспечения АСДУ. Руководит направлением доктор технических наук, академик РАИН, старший член (Senior Member) Американского института инженеров-электриков, профессор П. И. Бартоломей. Большой вклад в научные исследования внесли доценты, кандидаты технических наук П. М. Ерохин (в настоящее время зам.директора ОДУ Урала), С. К. Окуловский (зам.начальника ЦДС АО Свердловэнерго), Н. И. Грудинин, П. А. Крючков, А. С. Бердин (докторскую диссертацию защитил в июне 2000 г.), активно включились в работу Е. Н. Бегалова, А. А. Суворов, С. Н. Шелюг. В состав КИО ОДУ Урала включены программные модули СМНУ и СОТ, разработанные А. С. Бердиным и П. А. Крючковым. Безвременно ушедшие из жизни А. В. Липес и В. Н. Казанцев были близки к завершению своих докторских диссертаций, посвященных методам ускоренных расчетов режимов, анализу и снижению технологических потерь мощности и энергии в ЭЭС. Вместе с ними успешно работали на кафедре доценты, кандидаты технических наук В. Г. Неуймин, И. Л. Кирпикова.
5. Относительно недавно стало развиваться направление исследований по достоверизации учета электроэнергии, выявлению коммерческих потерь и хищений электроэнергии в электрических сетях, в рамках которого над докторской диссертацией работает доцент, кандидат технических наук А. В. Паздерин, защитили кандидатские диссертации А. А. Тараненко, Е. В. Машалов, работают аспиранты Е. А. Плесняев, Г. А. Конов и А. А. Травкин (директор Энергосбыта АО «Свердловэнерго»).
6. Надежность электроэнергетических систем. Возглавляет направление исследований доктор технических наук, профессор В. П. Обоскалов. Вместе с ним в этом направлении успешно работает доцент, кандидат технических наук О. М. Котов.
7. Развитие больших систем энергетики и энергетическая безопасность. Возглавляет направление доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН, профессор А. Л. Мызин. С ним в этом направлении успешно работают сотрудники кафедры: доктор технических наук, профессор Л. Л. Богатырев, кандидаты технических наук, доценты С. С. Ананичева, А. В. Калина, старший преподаватель Е. Д. Стаймова, аспиранты А. Б. Нидзельский, В. Т. Имамов. В состав исследовательской группы входят выпускники кафедры, сотрудники Института теплофизики Уральского отделения РАН старший научный сотрудник, кандидат технических наук К. Б. Кожов, научный сотрудник П. Е. Мезенцев, аспирант В. Г. Литвинов. В разное время в группе работали выпускники кафедры доктор технических наук Л. И. Мардер, кандидаты технических наук И. В. Верницкая, Н. С. Морозова, А. К. Корякин, инженер Ю. А. Коржавин.

Исследования проводятся в тесном сотрудничестве с академическими институтами: Институтом систем энергетики им. Л. А. Мелентьева (ИСЭМ СО РАН), Институтом энергетических исследований (ИНЭИ РАН), Институтом теплофизики (ИТФ УрО РАН), Институтом экономики (ИЭ УрО РАН) и другими, а также Уралэнергосетьпроектом и другими организациями.

Проблемная лаборатория

Важнейшим инструментом в проведении научных исследований в Уральской школе электроэнергетиков являлась единственная на Урале уникальная проблемная лаборатория физического моделирования электроэнергетических систем. В её создании принимали участие все сотрудники кафедры АЭС и студенты старших курсов во время дипломного проектирования. На плане помещений машинного зала перемещались модели агрегатов, нагрузки, линий электропередачи, узла управления с целью выбора наиболее целесообразной компоновки. При расчетах моделей студенты-дипломники проявляли чудеса творчества. Так, при расчете катушки индуктивности модели линии электропередачи Л. Д. Филатовой потребовалось значение коэффициента рассеяния магнитного поля. Она обратилась за консультацией к профессору Д. А. Арзамасцеву. Он же заявил: «Люди в космос корабли запускают, а Вы не можете разобраться с расчетом какой-то катушки». Тогда, глядя на потолок, был выбран коэффициент рассеяния и была создана модель линии электропередачи. Интуиция и знания не подвели. Студенты создавали рабочие чертежи модельных агрегатов, монтажные схемы.

Весной 1967 г. состоялся пуск проблемной лаборатории и грандиозный банкет по этому поводу. Многие узлы лабораторного оборудования были изготовлены на электроаппаратном заводе в Ленинграде, в мастерских УПК УПИ. Монтаж оборудования проводился силами сотрудников кафедры, студентов, инженеров Электроуралмонтажа. Помещения лаборатории использовались не только для проведения научных исследований, но и для различных кафедральных мероприятий: банкетов по случаю защит кандидатских диссертаций, сборов по поводу юбилейных дат.

Проблемная лаборатория физического моделирования содержала четыре модельных агрегата (2 турбогенератора и 2 гидроагрегата), узел нагрузки (двигательной и осветительной), узел связи с системой, модельные трансформаторы, модели линий электропередачи (воздушные и кабельные), наборное поле, щиты и пульты управления. В лаборатории проводились исследования по вопросам оптимального управления переходными процессами, качественному исследованию динамической устойчивости пяти-машинной системы при различных возмущениях в системе, снятию частотных характеристик многомашинной системы, поведению различных защит и систем автоматики при возмущениях в системе и др.

В состав ЭДМ входило следующее оборудование: 4 моделирующих синхронных генератора (2МГ-15-1000 + 2МТ-15-1000) мощностью 15 кВА каждый: четыре трехфазные группы повышающих и четыре трехфазные группы понижающих моделирующих трансформаторов; четыре модели узлов комплексной нагрузки, в каждый из которых входила модель двигательной асинхронной нагрузки, осветительной, активной и реактивной нагрузок; три модели ЛЭП, в каждую из которых- входило по восемь ячеек. В каждой ячейке были катушки индуктивности без стали для моделирования индуктивности прямой и нулевой последовательности, батареи конденсаторов, с помощью которых моделировались емкости фаза-фаза и фаза-земля. Каждая ячейка моделировала 100—150 км ЛЭП 500 кВ. Для связи с системой бесконечной мощности был узел в составе трансформатора и индукционного потенциал-регулятора. Все силовое оборудование (генераторы, трансформаторы, ЛЭП) было рассчитано на режимы коротких замыканий. Короткие замыкания осуществлялись с помощью двух контакторных устройств. Для моделирования автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) синхронных генераторов было смонтировано четыре реальных АРВ пропорционального типа с электромагнитным корректором типа УБК-3 и два АРВ сильного действия. Автоматические регуляторы скорости паровых и гидравлических турбин моделировались специализированными аналоговыми устройствами.

В 1968-69 гг. к научным исследованиям подключились Г. И. Тейхриб и В. П. Обоскалов. На ЭДМ начали работать Л. Ф. Чемезов, А. З. Юсин, Е. В. Белокрылов. В 1969 г. научные исследования на ЭДМ возглавил М. П. Рудницкий. Вместе с ним успешно работали Г. А. Амбарников (ныне заведующий кафедрой Электрических систем Павлодарского индустриального института), А. А. Алексеев, А. А. Больщиков и другие.

В 1967-68 гг. бурно развивалась Тюменская энергосистема и там возникли проблемы с устойчивостью синхронных генераторов и синхронных компенсаторов. На ЭДМ было выполнено исследование режимов и устойчивости ЛЭП 500 кВ Тюмень-Сургут и «слабых» связей 110—220 кВ, соединяющих этот район со Свердловской энергосистемой.

В 1969 г. было выполнено исследование режимов и устойчивости межсистемных связей 110—220 кВ ОЭС Казахстана. Эти исследования показали, что на ЭДМ УПИ очень трудно моделировать режимы конкретных энергосистем. Это было связано с тем, что было всего четыре одинаковых моделирующих генератора (МГ) мощностью 15 кВА, с помощью которых нужно было моделировать разные генераторы энергосистемы, недостаточно моделей ЛЭП и моделей нагрузки. Для сравнения, на ЭДМ НИИПТ было 40 МГ, на ЭДМ ВНИИэлектромаш — 24 МГ, на ЭДМ СЭИ — 20 МГ номинальной мощностью 5,15,30 кВт и значительно большее количество моделей ЛЭП, нагрузок и трансформаторов.

В 1969 г. проводились исследования комплексного регулирования возбуждения генератора и момента турбины блоков 300 МВт. В аварийных режимах эти исследования выполнялись совместно с Л. Л. Богатыревым.

С 1971 г. на ЭДМ стали проводиться лабораторные работы по курсу «Переходные процессы в электроэнергетических системах». В последующие годы был поставлен цикл лабораторных работ для слушателей ФПК.

В 1973-74 гг. А. А. Алексеевым под руководством М. П. Рудницкого проводились исследования по уточнению методов определения параметров синхронных машин.

В 1972(73) г. приказом по УПИ в проблемной лаборатории ЭМА было создано три отделения: электрических машин (руководитель Н. С. Сиунов), электрических аппаратов (руководитель М. М. Акодис) и электроэнергетических систем (руководитель Д. А. Арзамасцев). И с этого момента в план научно-исследовательских работ отделения ЭЭС стали включаться все госбюджетные НИР кафедры.

В 1972-75 гг. ПЛ и кафедрой АЭС проводились уникальные экспериментальные работы по исследованию статических и динамических характеристик по частоте ОЭС Урала, ОЭС Казахстана и отдельных энергосистем, входящих в их состав; статических характеристик по частоте и напряжению отдельных узлов нагрузки, вероятностных характеристик нерегулярных колебаний частоты и перетоков мощности по межсистемным связям. Это были натурные эксперименты в энергосистемах. В ходе этой работы ряд научных результатов был получен впервые в отечественной практике, в частности, динамические постоянные энергосистем, влияние на частотные характеристики тепловой автоматики котлов и турбин. Были выявлены так называемы «длительные переходные процессы» изменения частоты и мощности и установлена их связь с действиями тепловой автоматики котлов и турбин.

В 1979 г. проводились натурные эксперименты по исследованию устойчивости транзита 500 кВ Сибирь-Казахстан-Центр. Работа выполнялась силами сотрудников ВНИИЭ, СибНИИЭ и УПИ.

В 90-х годах лаборатория стала претерпевать качественное изменение. Вместо чисто физического моделирования процессов стала развиваться модель комплекса цифрового и физического моделирования. Была убрана часть физической модели, чтобы освободить место под цифровую модель. В первую очередь была установлена информационная часть системы, реализованная с помощью машины АУРА. Большую работу здесь провели, вместе с инженером Л. Ф. Чемезовым, доценты В. А. Смирнов и В. А. Липаткин.

Ссылки

1. Официальный сайт кафедры на портале УрФУ
2. Сайт кафедры

Уральский федеральный университет ↑ [+]
Ректоры	В. А. Кокшаров (с 2010)
Институты и факультеты	Экономики и управления ВШЭМ • ИГУП Гуманитарные ИГНИ • ИСПН • ИФКСиМП Технические, технологические, компьютерных наук ФТИ • ИРИТ-РТФ • УралЭНИН • ХТИ • ММИ • ИВТОиБ • ИМКН • ИММт • СтИ Дополнительного образования и переподготовки ИДОПП • ИОИТ • ФПКПиПП • ФУО • ИТОО Фундаментальных наук ИЕН • ИнФО
Лицеи при УрФУ	СУНЦ УрФУ • Лицей № 130
Вузы, вошедшие в состав УрФУ	УГТУ-УПИ • УрГУ
Разное	Кафедра Автоматизированные электрические системы УрФУ