Электронные приложения к томам журнала содержат переводные версии научных статей, опубликованные ведущими российскими учеными в зарубежных журналах открытого доступа.
Основной целью подготовки переводов является обеспечение доступности передовых результатов исследований для русскоязычной научной аудитории: ученых, отраслевых специалистов и всех заинтересованных лиц, которые могут испытывать языковые барьеры при работе с иностранными источниками.
При использовании материала необходимо цитировать оригинальную статью – ссылка для цитирования указана в каждой статье.
Подать заявку на размещение перевода вашей статьи можно через почту: pmi@spmi.ru.
Ю.Л. ЖУКОВСКИЙ1, Д.Е. БАТУЕВА1, А.Д. БУЛДЫСКО1, Бернар ЖИЛЬ2, В.В. СТАРШАЯ1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Лаборатория Шарля Кулона, Университет Монпелье, Монпелье, Франция
В ближайшие 20 лет ископаемая энергетика должна стать гарантом устойчивого развития энергетического сектора для будущих поколений. Препятствиями на пути этого перехода являются значительные угрозы. В данном исследовании определены современные глобальные тенденции в энергетическом секторе и перспективы развития энергетики до 2035 года. Доказана важность оценки рисков при сценарном прогнозировании на основе экспертных оценок. На основе комплексного анализа глобальных рисков методом экспертного опроса и факторного анализа были разработаны три контрастных сценария развития ископаемой энергетики – #StayHome, #StayAlone и #StayEffective. Сделан вывод о том, что ископаемая энергетика обязательна при интеграции передовых технологий на каждом этапе производства традиционной энергии и возобновляемой энергетики как неотъемлемой части современной энергетики. По результатам исследования представлены девять амбициозных программ развития устойчивой энергетики. Они предполагают создание и использование единой интерактивной цифровой платформы, адаптированной для этих целей. Она является обязательным паспортом для гибкого взаимодействия производства, передачи и потребления энергии в перспективе создания устойчивой, надежной и безопасной энергетики.
Yuriy L. ZHUKOVSKIY1, Daria E. BATUEVA1, Alexandra D. BULDYSKO1, Bernard GIL2 and Valeriia V. STARSHAIA1
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221, CNRS-Université de Montpellier, Montpellier, France
In the next 20 years, the fossil energy must become a guarantor of the sustainable development of the energy sector for future generations. Significant threats represent hurdles in this transition. This study identified current global trends in the energy sector and the prospects for the development of energy until 2035. The importance of risk assessment in scenario forecasting based on expert judgments was proven. Three contrasting scenarios, #StayHome, #StayAlone, and #StayEffective, for the development of fossil energy, all based on comprehensive analysis of global risks by expert survey and factor analysis, were developed. It was concluded that fossil energy is mandatory with integration of advanced technologies at every stage of the production of traditional energy and of renewable energy as an integral part of the modern energy sector. Based on the results of the study, nine ambitious programs for the development of sustainable energy are presented. They require the creation and the utilization of a single interactive digital platform adapted to this purpose. It is a passport mandatory for the flexible interaction of energy production, its transmission, and its consumption in the perspective of having a future sustainable, reliable, and secured energy sector.
Н.Д. СЕНЧИЛО, Д.А. УСТИНОВ
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Неравномерность графика потребления электроэнергии на предприятиях приводит к увеличению пиковой мощности, что влечет за собой рост стоимости электротребления. Накопители энергии могут оптимизировать график потребления электроэнергии, компенсируя запланированные отклонения графика, а также снижая потребление из внешней сети при участии в реагировании на спрос. Однако в течение дня может наблюдаться несколько пиков потребления, что приводит к полной разрядке аккумулятора до одного из пиков, в результате чего общее пиковое потребление электроэнергии не снижается. Для оптимизации работы накопителей часто используется прогноз на день вперед, который позволяет определить общее количество пиков. Однако мощности системы хранения может быть недостаточно для оптимальной компенсации пиков. В данном исследовании используется долгосрочный прогноз энергопотребления, основанный на использовании экзогенных параметров в модели дерева решений. На основе прогноза разработан новый алгоритм определения оптимальной мощности накопителя для конкретного потребителя, который оптимизирует затраты на выравнивание графика нагрузки.
Nikita D. SENCHILO and Denis A. USTINOV
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The unevenness of the electricity consumption schedule at enterprises leads to a peak power increase, which leads to an increase in the cost of electricity supply. Energy storage devices can optimize the energy schedule by compensating the planned schedule deviations, as well as reducing consumption from the external network when participating in a demand response. However, during the day, there may be several peaks in consumption, which lead to a complete discharge of the battery to one of the peaks; as a result, total peak power consumption does not decrease. To optimize the operation of storage devices, a day-ahead forecast is often used, which allows to determine the total number of peaks. However, the power of the storage system may not be sufficient for optimal peak compensation. In this study, a long-term forecast of power consumption based on the use of exogenous parameters in the decision tree model is used. Based on the forecast, a novel algorithm for determining the optimal storage capacity for a specific consumer is developed, which optimizes the costs of leveling the load schedule.
А.Ю. ЛАВРИК, Ю.Л. ЖУКОВСКИЙ, П.С. ЦВЕТКОВ
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
В статье предложен метод многоцелевой оптимизации размеров автономной гибридной энергосистемы, состоящей из фотоэлектрической, ветровой, дизельной и аккумуляторной систем накопления энергии и включающей систему переключения нагрузки. Классический итерационный метод Гаусса-Зейделя был применен для оптимизации размера гибридной энергосистемы в удаленном поселке на острове Сахалин. В результате оптимизации по критерию минимума чистой приведенной стоимости было получено несколько оптимальных конфигураций, соответствующих различным комбинациям компонентов. Также было найдено несколько оптимальных конфигураций при ограничении срока окупаемости в 5, 6 и 7 лет. Оптимизация размера гибридной энергосистемы с переключением электрической нагрузки показала, что доля нагрузки, не покрываемая возобновляемыми источниками энергии, уменьшается на 1,25 и 2,1 % в зависимости от параметров модели переключения нагрузки. Чистая приведенная стоимость и срок окупаемости также снизились, другие технико-экономические показатели улучшились, однако выбросы CO2 увеличились из-за уменьшения объема системы хранения энергии.
Alexander Yu. LAVRIK, Yuri L. ZHUKOVSKIY and Pavel S. TCVETKOV
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The article proposes a method of multipurpose optimization of the size of an autonomous hybrid energy system consisting of photovoltaic, wind, diesel, and battery energy storage systems, and including a load-shifting system. The classical iterative Gauss–Seidel method was applied to optimize the size of a hybrid energy system in a remote settlement on Sakhalin Island. As a result of the optimization according to the minimum net present value criterion, several optimal configurations corresponding to different component combinations were obtained. Several optimal configurations were also found, subject to a payback period constraint of 5, 6, and 7 years. Optimizing the size of the hybrid power system with electric load shifting showed that the share of the load not covered by renewable energy sources decreases by 1.25 % and 2.1 %, depending on the parameters of the load shifting model. Net present cost and payback period also decreased, other technical and economic indicators improved; however, CO2 emissions increased due to the reduction in the energy storage system.
Ю.А. СЫЧЕВ1, Б.Н. АБРАМОВИЧ1, В.Б ПРОХОРОВА2
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия
В статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по проблемам эффективного применения шунтирующих активных фильтров для повышения качества электроэнергии и обеспечения электромагнитной совместимости. На основе различных теорий и методов определены и проанализированы наиболее эффективные и хорошо изученные алгоритмы управления шунтирующими активными фильтрами для обеспечения их эффективного применения в системах распределенной генерации и комбинированных системах электроснабжения. Разработаны математические и компьютерные имитационные модели шунтирующих активных фильтров с различными алгоритмами управления в системах распределенной генерации и комбинированных системах электроснабжения. По результатам математического моделирования и компьютерного моделирования выявлены зависимости, отражающие влияние внутренних и внешних параметров на факторы, определяющие эффективность коррекции показателей качества электроэнергии. Определен диапазон допустимых изменений параметров шунтирующих активных фильтров с сохранением требуемого уровня эффективности коррекции качества электроэнергии при различных характеристиках системы электроснабжения, параметрах нагрузки, а также в гибридных структурах. На основе полученных диапазонов и зависимостей разработан адаптивный алгоритм функционирования а в различных условиях применения для автоматического улучшения качества электроэнергии.
Yuriy A. SYCHEV1, Boris N. ABRAMOVICH1, Veronika B. PROKHOROVA2
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 National Research University Higher School of Economics, Russia
The results of theoretical and experimental studies on the problems of effective application of shunt active filters for power quality improvement and electromagnetic compatibility ensuring were presented in this article. Based on the different theories and methods, the most effective and well-studied control algorithms of shunt active filters were determined and analyzed to ensure their effective application in distributed generation systems and combined power supply systems. Mathematical and computer simulation models of shunt active filters with different control algorithms in distributed generation systems and combined power supply systems were developed. According to the results of mathematical modeling and computer simulation, the dependences were detected, reflecting the influences of internal and external parameters on the factors, determining the efficiency of the correction of power quality indicators. The range of permissible changes in the parameters of shunt active filters by saving the required efficiency level of power quality correction was detected under varied power supply system characteristics, load parameters and also in hybrid structures. The adaptive algorithm of the shunt active filter functioning under varied application conditions for automated power quality improvement is developed on the basis of the obtained range and dependences.
А.В. ТУРЫШЕВА1, И.Н. ВОЙТЮК1, Даниэль ГЕРРА ДИАС2
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Центр исследований солнечной энергии, Сантьяго-де-Куба, Куба
В данной статье представлен вычислительный инструмент для оценки энергии, вырабатываемой маломощными фотоэлектрическими системами, исходя из специфических условий исследуемого региона, поскольку характеристическое уравнение энергии может быть получено с учетом основных климатических факторов, влияющих на эти системы с точки зрения симметрии или асимметрии случайного распределения вырабатываемой энергии. Кроме того, целью данной работы является определение корреляции, существующей между метеорологическими переменными и энергией, вырабатываемой 5-киловаттными солнечными системами в конкретных климатических условиях Республики Куба. В работе также представлены результаты влияния каждого климатического фактора на симметрию распределения энергии, генерируемой солнечной системой. Изучение симметрии в статистических моделях важно, так как они позволяют установить степень симметрии (или асимметрии) вероятностного распределения случайной величины, не прибегая к ее графическому представлению. Статистическая асимметрия показывает, насколько равномерно и пропорционально распределены наблюдения выше и ниже центральной (наивысшей) точки распределения. В том случае, когда указанное распределение сбалансировано, оно называется симметричным.
Anna V. TURYSHEVA1, Irina N. VOYTYUK1 and Daniel GUERRA DÍAZ 2
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 Solar Energy Research Center, Santiago de Cuba, Cuba
This paper presents a computational tool for estimating energy generated by low-power photovoltaic systems based on the specific conditions of the study region since the characteristic energy equation can be obtained considering the main climatological factors affecting these systems in terms of the symmetry or skewness of the random distribution of the generated energy. Furthermore, this paper is aimed at determining any correlation that exists between meteorological variables with respect to the energy generated by 5-kW solar systems in the specific climatic conditions of the Republic of Cuba. The paper also presents the results of the influence of each climate factor on the distribution symmetry of the generated energy of the solar system. Studying symmetry in statistical models is important because they allow us to establish the degree of symmetry (or skewness), which is the probability distribution of a random variable, without having to make a graphical representation of it. Statistical skewness reports the degree to which observations are distributed evenly and proportionally above and below the center (highest) point of the distribution. In the case when the mentioned distribution is balanced, it is called symmetric.
Ваэль Дж. АБДАЛЛА1, Хуррам ХАШМИ2,3, Мухаммад Талиб ФАИЗ4, Аймен ФЛЭХ5, Ситтипорн ЧАННУМСИН6 *, Мохамед А. МОХАМЕД7, Д.А. УСТИНОВ1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Инженерно-технологический университет, Лахор, Пакистан
3 Университетский колледж Дублина, Дублин, Ирландия
4 Гонконгский политехнический университет, Цзюлун, Гонконг, Китай
5 Национальная инженерная школа при университете Габеса, Университет Габеса, Габес, Тунис
6 Центр космических исследований и технологий, Агентство по развитию геоинформатики и космических технологий, Чонбури, Таиланд
7 Университет Миниа, Эль-Минья, Египет
Микросети – это развивающаяся тенденция в современных энергосистемах. Микросети состоят из управляемых источников энергии, накопителей и нагрузок. Для регулирования и синхронизации взаимодействия этих компонентов создается развитая инфраструктура управления. Схема управления делится на иерархию из нескольких уровней, где каждый уровень состоит из мультиагентов, выполняющих свои функции для согласования управляющих воздействий по корректирующим значениям. Боковое и горизонтальное взаимодействие таких мультиагентов формирует комплексную иерархическую структуру управления, которая регулирует работу микросети для достижения целого ряда целей, включая распределение мощности, регулирование напряжения и частоты. Успех схемы управления на основе мультиагентов зависит от исправности средств связи, используемых для передачи измерений и управляющих сигналов. Задержки в передаче управляющих сигналов приводят к общему ухудшению эффективности управления и нарушению устойчивой работы элементов микросети. В данной работе предлагаются новые мультиагентные скользящие средние оценки для смягчения эффекта латентных каналов связи и создается иерархическая схема управления, включающая эти средние оценки для получения точных значений системы во время задержек связи. Для проверки устойчивости предложенного метода по сравнению с традиционными методами, основанными на согласования управляющих воздействий, построены математические модели для всей микросеточной системы. Имитационные исследования на конкретных примерах и экспериментальная проверка в лабораторных условиях подтверждают эффективность и превосходство предложенной схемы управления по сравнению с другими традиционными методами управления.
Wael J. ABDALLAH1, Khurram HASHMI2,3, Muhammad Talib FAIZ4, Aymen FLAH5, Sittiporn CHANNUMSIN6 *, Mohamed A. MOHAMED7 and Denis A. USTINOV1
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 University of Engineering and Technology, Lahore, Pakistan
3 School of Electrical and Electronic Engineering, University College Dublin, Dublin, Ireland
4 The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hong Kong, China
5 National Engineering School of Gabes, University of Gabes, Gabes, Tunisia
6 Space Technology Research Center, Geo-Informatics and Space Technology Development Agency (GISTDA), Chonburi, Thailand
7 Minia University, Minia, Egypt
The microgrid is an emerging trend in modern power systems. Microgrids consist of controllable power sources, storage, and loads. An elaborate control infrastructure is established to regulate and synchronize the interaction of these components. The control scheme is divided into a hierarchy of several layers, where each layer is composed of multi-agents performing their dedicated functions and arriving at a consensus of corrective values. Lateral and horizontal interaction of such multi-agents forms a comprehensive hierarchical control structure that regulates the microgrid operation to achieve a compendium of objectives, including power sharing, voltage, and frequency regulation. The success of a multi-agent-based control scheme is dependent on the health of the communication media that is used to relay measurements and control signals. Delays in the transmission of control signals result in an overall deterioration of the control performance and non-convergence. This paper proposes novel multi-agent moving average estimators to mitigate the effect of latent communication links and establishes a hierarchical control scheme incorporating these average estimators to accurately arrive at system values during communication delays. Mathematical models are established for the complete microgrid system to test the stability of the proposed method against conventional consensus-based methods. Case-wise simulation studies and lab-scale experimental verification further establish the efficacy and superiority of the proposed control scheme in comparison with other conventionally used control methods.
Д.И. ШИШЛЯННИКОВ1, В.Ю. ЗВЕРЕВ1, А.А. ИВАНЧЕНКО1, И.Е. ЗВОНАРЕВ2
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), Пермь, Россия
2 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
В данной статье рассмотрены основные принципы гидроабразивного износа деталей насосных ступеней скважинных электрических погружных насосов. Наибольшее влияние на абразивную способность частиц механических примесей, взаимодействующих с деталями насосного оборудования, оказывают концентрация, гранулометрический состав и форма твердых частиц. Применение фильтров является наиболее эффективным и доступным способом защиты скважинных электрических погружных насосов от гидроабразивного износа. Фильтры снижают концентрацию и уменьшают средний размер зерен механических примесей, проходящих через насосные ступени. Авторами предложены варианты конструктивных и схемных решений самоочищающихся щелевых фильтров, обеспечивающих увеличение времени работы электроцентробежных насосных агрегатов при добыче скважинной жидкости с высоким содержанием механических примесей. Описан принцип действия предлагаемых фильтров. Приведены результаты расчетов деформации колонны насосно-компрессорные труб при повышении давления на устье нефтяной скважины, подтверждающие возможность восстановления проницаемости пружинных фильтрующих элементов без подъема насосной установки на поверхность.
Dmitriy I. SHISHLYANNIKOV1, Valeriy Yu. ZVEREV1, Anna A. IVANCHENKO1 and Ivan E. ZVONAREV2
1 Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), Perm, Russia
2 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The main principles of hydroabrasive wear of parts of the pumping stages of well’s electric submersible pumps are considered in this article. The concentration, grain-size distribution and shape of solid particles have the greatest impact on the abrasion ability of particles of mechanical impurities interacting with the parts of pumping equipment. The implementation of filters is the most effective and affordable way to protect borehole electric submersible pumps from hydroabrasive wear. Filters reduce the concentration and decrease the average grain-size of mechanical impurities going through the pumping stages. The authors propose variants of constructive and schematic solutions of self-cleaning slot filters, providing an increase in the operating time of electric centrifugal pump units during production of well fluid with a high content of mechanical impurities. The operating principle of the proposed filters is described. The results of calculations of deformation of tubing string during the increase in pressure at the oil wellhead are presented, confirming the possibility of restoring the permeability of spring filter elements without lifting the pump unit to the surface.
Д.И. ШИШЛЯННИКОВ1, И.Е. ЗВОНАРЕВ2, А.А. РЫБИН1, В.Ю. ЗВЕРЕВ1, А.А. ИВАНЧЕНКО1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), Пермь, Россия
2 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Статистика использования скважинных устройств электроцентробежных насосов (ЭЦН) на нефтяных месторождениях Евразии показывает, что гидроабразивный износ является распространенной причиной аварийных отказов УЭЦН. Авторы данной работы теоретически и экспериментально исследовали особенности гидроабразивного износа деталей ЭЦН. Описана методика исследования и конструкция лабораторного стенда, приведены результаты экспериментальных исследований по определению изменения показателя абразивности частиц примесей, содержащихся в смеси, перекачиваемой рабочими ступенями секции ЭЦН. Показано, что крупные частицы механических примесей, находящиеся в контакте с металлом рабочих ступеней, подвергаются интенсивному измельчению до 0,25 ... 0,3 мм, после чего размер частиц практически не изменяется. Повышение показателя абразивности механических примесей приводит к увеличению интенсивности износа межступенчатых уплотнений по ходу потока водоабразивной смеси (от входа до выхода насосной секции). На основании полученных результатов даны рекомендации по выбору устройств для очистки пластового флюида при освоении и эксплуатации нефтяных скважин. Обоснована актуальность работ по совершенствованию конструкции межступенчатых уплотнений УЭЦН.
Dmitriy I. SHISHLYANNIKOV1, Ivan E. ZVONAREV2, Alexander A. RYBIN1, Valeriy Yu. ZVEREV1 and Anna A. IVANCHENKO1
1 Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), Perm, Russia
2 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The statistics of using downhole electric submersible pump (ESP) units in the oil fields of Eurasia show that hydroabrasive wear is a common cause of ESP emergency failures. The authors of this study theoretically and experimentally investigated the peculiarities of water–abrasive wear of ESP components. The research methodology and construction of the laboratory bench are described, and the results of experimental studies of determination of changes in the abrasivity index of impurity particles contained in the mixture pumped with the working stages of an ESP section are given. It is shown that large particles of mechanical impurities in contact with the metal of the working stages are subjected to intensive grinding of up to 0.25 . . . 0.3 mm; after that, particle size remains practically unchanged. An increased abrasiveness index of mechanical impurities causes an increase in the intensity of wear of interstage seals along the flow of a water–abrasive mixture (from the inlet to the outlet of the pumping section). Based on the obtained results, recommendations for selection of devices for formation-fluid cleaning during development and operation of oil wells are given. The relevance of work on improving the design of interstage seals of ESP units is substantiated.
Ю.Л. ЖУКОВСКИЙ, Б.Ю. ВАСИЛЬЕВ, Н.А. КОРОЛЕВ, Я.М. МАЛЬКОВА
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Статья посвящена исследованию автоматизированного электропривода со скалярной замкнутой системой регулирования скорости. Тяжелые условия эксплуатации и режимы работы электропривода определяют реальный срок службы. Износ асинхронного двигателя, как ключевого звена электропривода, был связан с отклонением от номинальных параметров. Отклонение параметров эквивалентной схемы асинхронного двигателя определяло фактор изменения характеристик. Параметры эквивалентной схемы определяли точность настройки регуляторов и оптимальных алгоритмов в системе управления электроприводом. В режимах непрерывной работы исключена возможность автоподстройки регуляторов, требующая остановки или режима холостого хода. Рассмотрено влияние величины взаимной индуктивности контура намагничивания асинхронного двигателя на поведение системы управления электроприводом. Оценка поведения скалярной замкнутой системы управления скоростью производилась по основным энергетическим (коэффициент мощности, КПД) и механическим (скорость, электромагнитный момент) характеристикам электропривода.
Yuriy L. ZHUKOVSKIY, Bogdan Yu. VASILEV, Nikolay A. KOROLEV, Yana M. MALKOVA
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The article was devoted to the study of an automated electric drive with a scalar closed-loop speed control system. Severe duty and operating modes of electric drive determine the actual service life. Wear of the induction motor, as a key link of the electric drive, was associated with deviation from nominal parameters. The deviation of parameters of the induction motor equivalent circuit determined the resultant change of characteristics. The parameters of the equivalent circuit determined the accuracy of the adjustment of regulators and optimal algorithms in the control system of the electric drive. In continuous operation modes the possibility of auto-tuning regulators, which requires stopping or no-load mode, was excluded. The paper considered the influence of the magnetization circuit mutual inductance value of the induction motor on the behavior of the electric drive control system. Evaluation of the behavior of the scalar closed-loop speed control system was performed on the basic energy (power factor, efficiency factor) and mechanical (speed, electromagnetic torque) characteristics of the electric drive.
Ю.Л. ЖУКОВСКИЙ1, А.Д. БУЛДЫСКО1, И.Е. РЕВИН2
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Национальный центр когнитивных разработок, университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
К числу наиболее распространенных систем на промышленных предприятиях относятся автоматизированные приводные системы, ключевым и наиболее распространенным элементом которых является асинхронный двигатель. Ввиду сложных условий эксплуатации оборудования актуальной является задача обнаружения неисправностей на основе анализа электрических параметров. Авторы предлагают выявлять закономерности, характеризующие возникновение и развитие дефекта подшипника, методом сингулярного анализа применительно к сигнатуре тока статора. В результате декомпозиции временные ряды трехфазного тока представляются сингулярными тройками, упорядоченными по убыванию вклада, которые реконструируются в виде временных рядов для последующего анализа с помощью ханкелизации матриц. Экспериментальные исследования с имитацией повреждений подшипников позволили установить связь между изменением вклада реконструированного временного ряда и наличием различных уровней дефектов подшипников. Используя уровень вклада и отслеживая движение конкретного временного ряда, стало возможным наблюдать как появление новых компонентов в текущем сигнале, так и изменение вклада компонентов, соответствующих дефекту, в общую структуру. Авторы проверили результаты кластеризации на основе визуальной оценки сходства структуры матриц компонентов с помощью скаттерграмм и иерархической кластеризации. Реконструкция временного ряда по результатам группировки компонентов позволяет использовать эти компоненты для последующего прогнозирования развития неисправностей в электродвигателях.
Yuriy L. ZHUKOVSKIY1, Aleksandra D. BULDYSKO1 and Ilia E. REVIN2
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 National Center for Cognitive Research, ITMO University, Saint Petersburg, Russia
Among the most widespread systems in industrial plants are automated drive systems, the key and most common element of which is the induction motor. In view of challenging operating conditions of equipment, the task of fault detection based on the analysis of electrical parameters is relevant. The authors propose the identification of patterns characterizing the occurrence and development of the bearing defect by the singular analysis method as applied to the stator current signature. As a result of the decomposition, the time series of the three-phase current are represented by singular triples ordered by decreasing contribution, which are reconstructed into the form of time series for subsequent analysis using a Hankelization of matrices. Experimental studies with bearing damage imitation made it possible to establish the relationship between the changes in the contribution of the reconstructed time series and the presence of different levels of bearing defects. By using the contribution level and tracking the movement of the specific time series, it became possible to observe both the appearance of new components in the current signal and the changes in the contribution of the components corresponding to the defect to the overall structure. The authors verified the clustering results based on a visual assessment of the component matrices’ structure similarity using scattergrams and hierarchical clustering. The reconstruction of the time series from the results of the component grouping allows the use of these components for the subsequent prediction of faults development in electric motors.
.С. СУХОМЛИНОВ1, А.С.-У. МУСТАФАЕВ2, Хенд КУБАДЖИ2, Н.А. ТИМОФЕЕВ1, Оскар МУРИЛЬО2
1 Санкт-Петербургский государственный университет
2 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
В работе на основе кинетического подхода исследуется устойчивость системы, состоящей из пучка быстрых электронов и плотной плазмы, при произвольной (анизотропной) функции распределения электронов по скоростям. Показано, что при взаимодействии пучка быстрых электронов с холодной плазмой как условия потери устойчивости, так и скорость роста возмущений не зависят от формы функции распределения электронов (ФРЭ) в плазме и определяются только отношением энергии электронного пучка к средней энергии в плазме. С увеличением средней энергии электронов в плазме возникает необходимость учета следующих энергетических моментов ФРЭ. Было обнаружено, что анизотропия плазмы оказывает существенное влияние как на условия потери стабильности, так и на скорость роста. Физической причиной этого эффекта является сдвиг плазменной частоты из-за эффекта Доплера, вызванного анизотропией плазмы в системе координат, движущейся вместе с пучком. Другие результаты включают область аномальной дисперсии системы электронный пучок-плазма и области отрицательной групповой скорости возмущений в такой системе. Для всех наблюдаемых эффектов предложены физические интерпретации.
Vladimir S. SUKHOMLINOV1, Alexander S.-U. MUSTAFAEV2, Hend KOUBAJI2, Nikolay A. TIMOFEEV1 and Oscar MURILLO2
1 Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia
2 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
Based on the kinetic approach, this work investigates the stability of the system consisting of a fast electron beam and a dense plasma at an arbitrary (anisotropic) electron velocity distribution function. It is shown that during the interaction of a fast electron beam with a cold plasma, both the conditions for losing stability and the growth rate of disturbances do not depend on the form of the electron distribution function (EDF) of a plasma and are determined only by the ratio of the electron beam energy to the mean energy in a plasma.With an increase in the mean electron energy in the plasma, it becomes necessary to take into account the following energy moments of the EDF. It was found that the plasma anisotropy has a significant effect on both the stability loss conditions and the growth rate. The physical reason for this effect is the shift in the plasma frequency due to the Doppler effect caused by the plasma anisotropy in the coordinate system moving along with the beam. Other findings include a region of anomalous dispersion of the electron beam–plasma system and regions of negative group velocity of perturbations in such system. Physical interpretations are proposed for all the observed effects.
М.А. ВАСИЛЬЕВА, Д.О. НАГОРНОВ, Г.А. ОРЛОВ
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Мы рассматриваем магнитоактивный эластомер как потенциально применимый материал для изготовления рабочего канала магнитного насосного агрегата. В ходе исследования образцы подвергались воздействию магнитного поля, температурного поля и их комбинации для оценки изменения упруго-прочностных свойств конечного материала. Для приготовления образцов использовались высокопроницаемые магнитные наполнители различных размеров в диапазоне концентраций 50-70 %. Образцы изготавливались с изотропной и анизотропной структурой. Исследования показали, что при использовании наполнителя с относительно крупной фракцией материал обладает более стабильными динамическими и механическими характеристиками: прочность образца на разрыв увеличивается в среднем на 38 %. При совместном воздействии на материал магнитного и температурного полей его упругость и прочность увеличиваются в среднем на 30 % по сравнению с материалом без внешнего воздействия. На основании полученных результатов обоснован состав и структурная организация материала, обладающего наилучшим комплексом упруго-прочностных характеристик. Для изготовления трубы насосного агрегата предпочтительно использовать изотропный магнитоактивный эластомер с более крупным наполнителем, содержание которого составляет около 60 %.
Maria A. VASILYEVA, Dmitriy O. NAGORNOV and Georgiy A. ORLOV
Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia
We consider magnetically active elastomer as a potentially applicable material for manufacturing a working channel of a magnetic pump unit. During the study, the samples were exposed to a magnetic field, a temperature field, and their combination to assess the change in the elastic-strength properties of the final material. For the preparation of samples, high permeability magnetic fillers of various sizes were used in the concentration range of 50–70%. Samples were made with an isotropic and an anisotropic structure. Studies have shown that when using a filler with a relatively coarse fraction, the material has more stable dynamic and mechanical characteristics: the tensile strength of the sample increases by an average of 38%. With the combined effect of magnetic and temperature fields on the material, its elasticity and strength increase by an average of 30% in comparison with the material without external influence. Based on the results obtained, the composition and structural organization of the material, which has the best complex of elastic strength characteristics, has been substantiated. For the manufacture of a pumping unit tube, it is preferable to use an isotropic magnetoactive elastomer with a coarser filler content of about 60%.
Н.А. КОРОЛЕВ, А.Е. КОЗЯРУК, В.А. МОРЕНОВ
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Вопрос эффективности энергетических систем в нефтегазовой отрасли является одним из важнейших в настоящее время. Доля энергии в себестоимости добычи нефти и газа может достигать 50 %. Среди наиболее важного энергетического оборудования – электроприводы насосов, компрессоров, вспомогательных агрегатов и т. д. В работе рассмотрен жизненный цикл электроприводов, используемых на нефтегазовых месторождениях, и оценены параметры их эффективности в периоды эксплуатационного износа или неисправностей. При этом жизненный цикл энергетического оборудования рассматривался как его техническое состояние в процессе эксплуатации. На основе спектрального анализа тока с использованием конечного преобразования Фурье (КТПФ) были выделены основные частотные составляющие, характеризующие вид и уровень неисправности, с учетом установленных показателей эффективности электропривода. Предложена методика оценки технического состояния электропривода по нормированным уровням амплитуд частотных составляющих. Реализовано предиктивное управление электроприводом в части корректировки системы управления при возникновении неисправности, обеспечивающей требуемые показатели эффективности. Определены границы технического состояния электропривода. Представлены рекомендации по дальнейшей эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту или профилактическому управлению.
Nikolay A. KOROLEV, Anatoly E. KOZYARUK and Valentin A. MORENOV
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
The efficiency issue of energy systems in the oil and gas industry is a crucial factor nowadays. Energy share in the production costs of oil and gas can reach 50%. Among the most important energy equipment are the electric drives of the pumps, compressors, auxiliary units, etc. The paper considered the lifecycle of the electric drives used at oil and gas fields and evaluated their efficiency parameters during periods of operational wear or malfunctioning. At the same time, the lifecycle of the energy equipment was seen as its technical state during operation. Based on the spectral analysis of the current using the finite Fourier transform (FFT), the main frequency components were identified that characterize the type and level of malfunction, taking into account defined efficiency indicators of the electric drive. A technique for assessing the technical state of an electric drive was proposed based on the normalized levels of the amplitudes of the frequency components. Predictive management of the electric drive was implemented in terms of correcting the control system when a malfunction occurs, providing the required efficiency indicators. Boundaries for the technical state of the electric drive were determined. Recommendations for further operation, terms of maintenance and repair or preventive management were presented.
Н.В. ВАСИЛЬЕВА1, Э.Р. ФЕДОРОВА1, А.С. КОЛЕСНИКОВ2
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Некоммерческое акционерное общество «Южно-Казахстанский университет им. М.Ауэзова», Шымкент, Казахстан
Анализ больших данных становится повседневной задачей как для компаний по всему миру, так и для российских компаний. Благодаря технологическому прогрессу и снижению стоимости хранения данных, компании сегодня могут собирать и хранить большие объемы разнородных данных. Важный этап извлечения знаний и практической пользы из таких данных – задача, с которой в конечном итоге столкнутся все компании, стремящиеся сохранить свою конкурентоспособность и место на рынке. В статье рассматривается подход к изучению металлургических процессов с использованием анализа большого массива данных оперативного контроля. На примере сталепрокатного производства рассматривается разработка прогнозной модели на основе обработки большого массива данных оперативного контроля. Целью работы является разработка прогностической модели износа валков прокатного стана на основе большого массива данных оперативного контроля, содержащего информацию о времени заполнения и выгрузки валков, сортаменте проката, материале валков, времени нахождения валка в работе. Была проведена предварительная подготовка данных для моделирования, включающая удаление выбросов, нехарактерных и случайных результатов измерений (промахов), а также пробелов в данных. Корреляционный анализ данных показал, что наибольшее влияние на износ валков прокатного стана оказывают размеры и марки прокатываемых стальных листов, а также материал, из которого изготовлены валки. На основе обработки большого массива данных оперативного контроля были построены различные прогнозные модели технологического процесса. Адекватность моделей оценивалась по величине средней квадратической ошибки (СКО), коэффициенту детерминации (R2) и значению коэффициента корреляции Пирсона (R) между расчетными и экспериментальными значениями износа валков прокатного стана. Кроме того, адекватность моделей оценивалась по симметрии значений, предсказанных моделью, относительно прямой Ypredicted = Yactual. Линейные модели, построенные с использованием метода наименьших квадратов и перекрестной валидации, оказались неадекватными (коэффициент детерминации R2 не превышает 0,3) объекту исследования. На основе той же базы данных оперативного контроля были построены следующие регрессии: многомерная линейная регрессия, многомерная модель Лассо, многомерная модель Риджа и многомерная модель ElasticNet. Однако и эти модели оказались неадекватными объекту исследования. Проверка этих моделей на симметричность показала, что во всех случаях имеет место занижение прогнозируемых значений. Также были построены модели, использующие композицию алгоритмов. Рассмотрены методы случайного леса и градиентного бустинга. Оба метода были признаны адекватными объекту исследования (для модели случайного леса коэффициент детерминации составил R2 = 0,798, для модели градиентного бустинга – R2 = 0,847). Однако алгоритм градиентного усиления признан более предпочтительным благодаря высокой точности по сравнению с алгоритмом случайного леса. Контрольные данные на симметричность относительно прямой Ypredicted = Yactual показали, что в случае разработки модели случайного леса наблюдается тенденция к занижению прогнозируемых значений (расчетные значения располагаются ниже прямой линии). В случае разработки модели градиентного бустинга прогнозируемые значения располагаются симметрично относительно прямой Ypredicted = Yactual. Поэтому модель градиентного усиления предпочтительнее. Прогнозная модель износа валков мельницы позволит рационально использовать валки с точки зрения минимизации общего износа валков. Таким образом, предложенная модель позволит перераспределить имеющиеся рабочие валки между клетями с целью снижения общего износа валков.
Natalia V. VASILYEVA1, Elmira R. FEDOROVA1 and Alexandr S. KOLESNIKOV2
1 Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
2 Non-Profit Joint Stock Company «M. Auezov South Kazakhstan University», Shymkent, Kazakhstan
Big data analysis is becoming a daily task for companies all over the world as well as for Russian companies. With advances in technology and reduced storage costs, companies today can collect and store large amounts of heterogeneous data. The important step of extracting knowledge and value from such data is a challenge that will ultimately be faced by all companies seeking to maintain their competitiveness and place in the market. An approach to the study of metallurgical processes using the analysis of a large array of operational control data is considered. Using the example of steel rolling production, the development of a predictive model based on processing a large array of operational control data is considered. The aim of the work is to develop a predictive model of rolling mill roll wear based on a large array of operational control data containing information about the time of filling and unloading of rolls, rolled assortment, roll material, and time during which the roll is in operation. Preliminary preparation of data for modeling was carried out, which includes the removal of outliers, uncharacteristic and random measurement results (misses), as well as data gaps. Correlation analysis of the data showed that the dimensions and grades of rolled steel sheets, as well as the material from which the rolls are made, have the greatest influence on the wear of rolling mill rolls. Based on the processing of a large array of operational control data, various predictive models of the technological process were designed. The adequacy of the models was assessed by the value of the mean square error (MSE), the coefficient of determination (R2), and the value of the Pearson correlation coefficient (R) between the calculated and experimental values of the mill roll wear. In addition, the adequacy of the models was assessed by the symmetry of the values predicted by the model relative to the straight line Ypredicted = Yactual. Linear models constructed using the least squares method and cross-validation turned out to be inadequate (the coefficient of determination R2 does not exceed 0.3) to the research object. The following regressions were built on the basis of the same operational control database: Linear Regression multivariate, Lasso multivariate, Ridge multivariate, and ElasticNet multivariate. However, these models also turned out to be inadequate to the object of the research. Testing these models for symmetry showed that, in all cases, there is an underestimation of the predicted values. Models using algorithm composition have also been built. The methods of random forest and gradient boosting are considered. Both methods were found to be adequate for the object of the research (for the random forest model, the coefficient of determination is R2 = 0.798; for the gradient boosting model, the coefficient of determination is R2 = 0.847). However, the gradient boosting algorithm is recognized as preferable thanks to its high accuracy compared with the random forest algorithm. Control data for symmetry in reference to the straight line Ypredicted = Yactual showed that, in the case of developing the random forest model, there is a tendency to underestimate the predicted values (the calculated values are located below the straight line). In the case of developing a gradient boosting model, the predicted values are located symmetrically regarding the straight line Ypredicted = Yactual. Therefore, the gradient boosting model is preferred. The predictive model of mill roll wear will allow rational use of rolls in terms of minimizing overall roll wear. Thus, the proposed model will make it possible to redistribute the existing work rolls between the stands in order to reduce the total wear of the rolls.
П.В. ЗГОННИК, А.А. КУЖАЕВА, И.В. БЕРЛИНСКИЙ
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Коррозионные процессы наиболее распространенных марок стали в различных средах являются предметом многочисленных исследований. В то же время коррозия сварных соединений, скрытых в толще бетона, до сих пор не изучена. Авторы поставили перед собой задачу исследовать этот процесс. Для этого коррозионную стойкость нескольких металлов (марок Ст.3, У7 и их сварных соединений) изучали в стандартных тестовых растворах, имитирующих поровую жидкость бетона, содержащих карбонаты и гидрокарбонаты натрия, хлориды натрия. Получены данные по сравнительной коррозионной стойкости в солевых средах для указанных материалов. Показано, что скорость коррозии зависит от легкости проникновения CO2 в раствор и, в меньшей степени, от микроструктуры металла. Характер поверхности металлических образцов и состав продуктов коррозии исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Определены химические формы поверхностных соединений. Впервые наглядно показано, что натекающее при сварке электродное покрытие не всегда защищает сварной шов от коррозии, как считалось ранее. Скорость коррозии в этом случае такая же, как и на поверхности металлической пластины аналогичного состава. В заключение данной работы подчеркивается, что в случае щелочных и хлоридсодержащих сред защитное покрытие, падающее с электрода на сварной шов, не защищает его в достаточной степени от коррозии.
Pyotr V. ZGONNIK, Alyona A. KUZHAEVA and Igor V. BERLINSKIY
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
Corrosion processes of the most common steel grades in various environments are the subject of numerous studies. At the same time, the corrosion of welded joints hidden in concrete thickness has not yet been studied. The authors set themselves the task of investigating this process. For this purpose, the corrosion resistance of several metals (grade St.3, U7 and their weld joints) was studied in standard test solutions, simulating a concrete pore liquid, containing sodium carbonates and hydrocarbonates, and sodium chlorides. Data on comparative corrosion resistance in saline media for specified materials were obtained. It was shown that the corrosion rate depends on the ease of CO2 ingress into the solution, and, to a lesser degree, on the metal microstructure. The surface character of the metal samples and the composition of corrosion products were investigated by scanning electron microscopy and an X-ray diffraction analysis. Chemical forms of surface compounds were determined. For the first time, it is clearly shown that the electrode coating flowing during welding does not always protect the weld from corrosion, as was previously believed. The corrosion rate, in this case, is just the same as at the surface of the metal plate of a similar composition. In the conclusion of this work, it is emphasized that in the case of alkaline and chloride-containing media, the protective coating falling from the electrode to the weld does not protect it sufficiently from corrosion.
Ю.Н. КОЖУБАЕВ, Е.Н. ОВЧИННИКОВА, В.Ю. ИВАНОВ, С.Ю. КРОТОВА
Санкт‑Петербургский горный университет, Санкт‑Петербург, Россия
Мягкая робототехника – это специализированная область робототехники, которая занимается проектированием, производством и управлением роботами из мягких материалов, в отличие от роботов из жестких звеньев. Одной из основных проблем будущего использования непрерывных или гиперредуцированных робототехнических систем в промышленной и медицинской технике является разработка подходящих подходов к моделированию и управлению. Из‑за сложного нелинейного поведения мягких материалов и непредсказуемости движения исполнительных механизмов задача моделирования сложных мягких исполнительных механизмов является очень трудоемкой. В связи с этим в более ранних работах проводились исследования безмодельных методов управления мягкими исполнительными механизмами. В последние годы широкое распространение в исследованиях получили методы машинного обучения (ML). Адаптивность модели ML к нелинейной системе мягкого привода, а также изменяющееся со временем поведение мягких приводов в результате изменения характеристик материала и эксплуатационных требований являются ключевым основанием для включения модели ML. Для работы с нелинейной системой требуется оперативное обновление ML‑модели. Последовательные данные, собранные на испытательном стенде и преобразованные в гипотезу, используются для осуществления инкрементного обучения. Эти методы называются пожизненным обучением и прогрессивным обучением. Обучение потоку данных в реальном времени сочетается с инкрементным обучением (IL) и нейросетевая модель настраивается последовательно для каждого входного сигнала. В данной статье предлагается метод интеллектуального управления мягкими пневматическими приводами на основе алгоритма инкрементного обучения. Мягкий пневматический привод подвергался трем различным условиям испытаний в контролируемой тестовой среде в течение определенного времени сбора данных. Кроме того, сбор данных осуществлялся с помощью моделирования методом конечных элементов. Собранные данные использовались для инкрементного обучения нейронной сети, а полученная модель анализировалась на предмет ошибок как при обучении, так и при тестировании. Сравнение ошибок обучения и тестирования проводилось для различных алгоритмов инкрементного обучения (IL), включая K‑ ближайших соседей, дерево решений, линейную регрессию и нейронную сеть. Была проверена возможность безмодульного интеллектуального управления мягкими пневматическими приводами на основе алгоритма инкрементного обучения, что позволило решить проблему управления программными исполнительными механизмами.
Yuriy N. KOZHUBAEV, Elena N. OVCHINNIKOVA , Viacheslav Yu. IVANOV and Svetlana Yu. KROTOVA
Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia
Soft robotics is a specialized field of robotics that focuses on the design, manufacture, and control of robots made of soft materials, as opposed to those made of rigid links. One of the primary challenges for the future use of continuous or hyper-redundant robotics systems in industrial and medical technology is the development of suitable modeling and control approaches. Due to the complex non-linear behavior of soft materials and the unpredictable motion of actuators, the task of modeling complex soft actuators is very time-consuming. As a result, earlier studies have undertaken research into model-free methods for controlling soft actuators. In recent years, machine learning (ML) methods have become widely popular in research. The adaptability of an ML model to a non-linear soft drive system alongside the varying actuation behavior of soft drives over time as a result of material characteristics and performance requirements is the key rationale for including an ML model. The system requires the online updating of the ML model in order to work with the non-linear system. Sequential data collected from the test bench and converted into a hypothesis are used to perform incremental learning. These methods are called lifelong learning and progressive learning. Real-time data flow training is combined with incremental learning (IL), and a neural network model is tuned sequentially for each data input. In this article, a method for the intelligent control of soft pneumatic actuators based on an incremental learning algorithm is proposed. A soft pneumatic actuator was subjected to three distinct test conditions in a controlled test environment for a specified duration of data gathering. Additionally, data were collected through finite element method simulations. The collected data were used to incrementally train a neural network, and the resulting model was analyzed for errors with both training and test data. The training and testing errors were compared for different incremental learning (IL) algorithms, including K-nearest neighbors, a decision tree, linear regression, and a neural network. The feasibility of the modulo-free intelligent control of soft pneumatic actuators based on an incremental learning algorithm was verified, solving the problem of the control of software actuators
