Корзина
- Корзина пуста.
Итого:
0,00 руб.
Термин «цифровой двойник» приобретает все большее распространение в российской электроэнергетике. Между тем, это понятие имеет множество интерпретаций. В некоторых случаях к цифровым двойникам относят цифровые модели, в других — трехмерную визуализацию. Но эти примеры — еще не цифровой двойник. В статье представлен авторский взгляд на эту концепцию, разъясняется, почему все больше энергокомпаний инвестируют в создание электронных копий как отдельных энергообъектов, так и целых энергосистем, а также анализируются перспективы внедрения технологии.
Базовое определение термина «цифровой двойник» содержится в международном стандарте ISO 23247-1-2021 «Системы автоматизации и интеграция. Цифровой двойник для производства». Согласно указанному документу «цифровой двойник — это цифровое представление наблюдаемого производственного элемента с взаимной синхронизацией между ними». Схожее определение введено и в ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения»: «цифровой двойник изделия — система, состоящая из цифровой модели изделия и двухсторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями». Иными словами, цифровая модель является одной из важнейших составляющих цифрового двойника, но еще не цифровым двойником.
Что касается цифровой модели, то без нее невозможно представить электроэнергетику. В отрасли хорошо развиты и широко применяются технологии моделирования. Моделирование используется на всем жизненном цикле оборудования, начиная с проектирования и заканчивая реализацией мероприятий по его выводу из эксплуатации. Кроме того, моделирование необходимо для управления энергосистемой, а также планирования как в краткосрочном периоде, так и для целей перспективного развития.
До недавнего времени в отечественной энергетике моделирование выполнялось разрознено в отдельных программных комплексах, в результате чего образовалось множество различных цифровых моделей, не интегрированных между собой и имеющих для этого ограниченные возможности. Это создавало существенные издержки по обеспечению высокого качества данных и поддержанию их в актуальном состоянии. В результате были инициированы работы по унификации обмена данными информационных моделей на основе стандартов CIM (серия ГОСТ Р 58651).
За последние годы Системный оператор нарастил опыт практического применения технологий CIM, изначально использовавшихся для унификации информационного обмена в масштабах компании. В настоящее время крупнейшие энергокомпании успешно создают цифровые информационные модели и интегрируют их с Единой информационной моделью ЕЭС России, разработанной СО ЕЭС. В мире CIM рассматривается как унифицированная модель данных, в том числе и для создания цифровых двойников энергосистем.
Направления использования
В качестве одного из ключевых направлений использования технологии цифровых двойников, можно выделить оценку фактического состояния и условий работы физических объектов. Применение этого решения позволяет проводить ремонты в зависимости от состояния оборудования в противовес традиционной практике ремонтов по графику. Как следствие — продлевается ресурс эксплуатируемого оборудования, а следовательно, и оптимизируются издержки.
Использование цифровых двойников означает и качественно новый уровень удаленного мониторинга и управления оборудованием, в том числе возможность проактивного управления. Кроме того, обеспечивается управление рисками за счет высокой степени осведомленности о физическом объекте и возможностей моделирования его поведения. Еще один результат — повышение качества решения оптимизационных задач, проектирования и планирования.
Применяемые экспертные модели удовлетворяют текущему уровню бизнес-процессов, поэтому использование цифровых двойников для этих задач, вероятно, следует рассматривать совместно с изменением самих бизнес-процессов.
Обычно понятие цифрового двойника ассоциируется с конкретной единицей оборудования. Однако Системный оператор уже много лет использует аналогичные технологии для управления энергосистемами. Например, прообразом цифрового двойника можно считать цифровую модель энергосистемы в сочетании с большим объемом телеметрической информации, поступающей в режиме реального времени с каждого энергообъекта (всего в Системном операторе используется более 1 млн параметров). Это создает реальное представление о фактическом состоянии энергосистемы, а также позволяет сформировать и выдать управляющие воздействия на ее элементы. Так, например, диспетчер может оценить влияние переключений и предпринять дополнительные мероприятия по подготовке исходного режима. Такие технологии используются СО ЕЭС и в автоматизированных системах, например, в системах мониторинга запасов устойчивости (СМЗУ) для определения допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях.
Исторически допустимые перетоки в контролируемых сечениях — то есть контролируемых диспетчером наборах оборудования и линий электропередачи, соединяющих отдельные энергорайоны, — определялись на основе цикла расчетов, выполненных для наиболее тяжелого режима. Сегодня СМЗУ, внедренная в 25 диспетчерских центрах для 239 контролируемых сечений, выполняет цикл расчётов в режиме реального времени исходя из фактического режима. Это позволяет увеличить максимально допустимый переток активной мощности на 10–20% и обеспечить оптимальную загрузку электростанций. Например, в Объединенной энергосистеме Сибири применение СМЗУ обеспечивает до 700 МВт дополнительной пропускной способности магистральных ЛЭП.
Схожий принцип работы используется и в централизованных системах противоаварийной автоматики (ЦСПА) — программно-аппаратных комплексах, автоматически обеспечивающих устойчивость работы энергосистемы при возникновении аварийных ситуаций. Важно отметить, что на основе фактического состояния энергосистемы ЦСПА выполняет расчет объемов управляющих воздействий для передачи на локальные устройства автоматики. Они в свою очередь обеспечивают автоматическую ликвидацию аварийных ситуаций. В этом плане можно сказать, что ЦСПА обеспечивает двустороннюю информационную связь с энергосистемой.
Перспективным направлением в создании цифровых двойников энергосистем является использование синхронизированных векторных измерений (СВИ), позволяющих получить максимально подробные сведения о происходящих в энергосистеме динамических процессах. Текущая оснащенность энергообъектов соответствующими измерителями уже позволяет решать отдельные технологические задачи, что без СВИ было попросту невозможным.
Использование цифровых двойников энергосистем имеет большой потенциал. В части цифровых двойников оборудования в настоящее время масштабных внедрений не наблюдается. Но отдельные проекты электросетевыми и генерирующими компаниями сегодня реализуются, именно их эффективность во многом определит темпы развития технологии и потенциал рынка. Ожидается, что в ближайшие 5–10 лет этот тренд будет набирать обороты.
Необходимым условием внедрения технологии цифровых двойников является создание адекватных цифровых моделей и отработка технологии анализа данных, поступающих как от физического объекта, так и его цифрового двойника, определение допустимых флуктуаций и триггеров, области и механизмов взаимного влияния физического объекта и его цифрового представления. Массовое распространение технологии потребует учёта в процессах управления энергосистемой и планирования. И, конечно, важна нормативная база, определяющая подходы к использованию цифровых двойников.
Согласно Постановлению Правительства РФ от 30.12.2022 № 2557 в Системном операторе созданы цифровые информационные модели всех электрических сетей ЕЭС России напряжением 110 кВ и выше. С большинства подстанций класса напряжения 110 кВ и выше в Системный оператор в режиме реального времени поступают телеизмерения и телесигналы.
С другой стороны, согласно приказу Минэнерго РФ от 20.12.2022 № 1340, субъекты электроэнергетики, начиная с 2024 г., будут предоставлять в Системный оператор информацию о параметрах и характеристиках оборудования и ЛЭП в цифровом формате. Это позволит создать единое информационное пространство в электроэнергетике, упорядочить и синхронизировать используемые данные.
Таким образом, можно говорить о том, что базовые цифровые модели электрических сетей напряжением 110 кВ и выше уже сформированы. В ближайшие годы ожидается существенное развитие этого направления. Оно коснется как увеличения объема данных и расширения спектра деловых процессов, в которых они используются, так и технологий их обработки и информационного обмена в целом. Предоставление недискриминационного доступа к формируемым Системным оператором информационным и расчетным моделям энергосистем — одна из задач введенной с текущего года новой централизованной системы планирования перспективного развития электроэнергетики. Новый подход позволяет существенно упростить и оптимизировать процесс разработки и согласования проектной документации, сократить сроки реализации инвестиционных проектов, а также сопутствующие затраты.
Порядок раскрытия и предоставления информационных моделей утвержден отраслевым регулятором (приказ Минэнерго РФ от 17.03.2023 г. № 82). Необходимый инструментарий для раскрытия этих данных предоставляет разработанный и запущенный Системным оператором в 2021 г. специализированный «Портал обмена информационными моделями с субъектами электроэнергетики» (CIM-портал).
Раскрытие информации в ограниченном объеме в соответствии с требованиями нормативно-правовых актов уже выполнено. Начиная с 1 января 2024 г. субъектам электроэнергетики будет предоставлен доступ к информационным моделям принадлежащего им оборудования и ЛЭП. Для доступа к моделям субъектам необходимо подать заявку в порядке, установленном приказом Минэнерго РФ от 17.03.2023 г. № 82. В рамках подготовки к принятию функций по оперативно-диспетчерскому управлению в технологически изолированных энергосистемах были разработаны цифровые информационные модели этих энергосистем, обеспечен прием и обработка имеющихся у собственников телеизмерений с энергообъектов. Эти мероприятия позволят удовлетворить базовые потребности технологических задач по управлению этими энергосистемами. Но предстоит большая работа по поэтапному приведению информационного обмена в соответствие со стандартными требованиями, которые предъявляются к энергообъектам в остальной части России.
Создание цифровых моделей новых энергосистем — задача непростая, однако накопленный в Системном операторе опыт моделирования в совокупности с активным содействием субъектов электроэнергетики по сбору исходных данных позволил успешно справиться с ней. Дальнейшее развитие цифрового моделирования и создание цифровых двойников будут определяться потребностями технологических процессов.
Цифровой двойник считается компонентом Индустрии 4.0, поэтому важно не столько внедрение цифровых двойников, сколько изменение технологических процессов, переход на новую парадигму управления объектами. Цифровые двойники позволят получить беспрецедентный объем информации об объекте, а также «взглянуть» в будущее, «прожить» тысячи и миллионы разных «жизней» (в зависимости от вычислительных мощностей) и выбрать оптимальную по заданным критериям. В совокупности с IoT эта технология позволит кардинально изменить текущие процессы управления как отдельными единицами оборудования, так и энергосистемой в целом. Цифровые двойники окажут существенное влияние и на процессы планирования. Ожидаемые результаты – от ремонтов по состоянию и заканчивая наиболее эффективным решением оптимизационных задач в режиме реального времени.
Важно учитывать и то, что электроэнергетика — достаточно консервативная сфера, в которой каждое решение должно приниматься взвешено и только после подтверждения его надежности и эффективности. Это обусловлено стратегическим значением отрасли. Поэтому горизонт изменений парадигмы сейчас выглядит достаточно далеким – в пределах 20–50 лет. При этом общая тенденция к интенсификации усилий в этом направлении просматривается уже сейчас. В этом смысле особо важна работа, выполняемая под руководством и при поддержке отраслевого регулятора, по внедрению технологий цифрового моделирования и созданию цифровых моделей как неотъемлемой части цифровых двойников. Помимо Системного оператора подобные работы сейчас активно проводятся в крупнейших энергокомпаниях, как ПАО «Россети», ПАО «РусГидро», АО «Концерн Росэнергоатом», АО «СУЭНКО», АО «Сетевая компания» и других.
Богомолов Роман Александрович — директор по автоматизированным системам диспетчерского управления АО «СО ЕЭС». Родился 8 октября 1979 г. в Павлодаре (Казахстан). В 2003 г. окончил Московский энергетический институт (технический университет) по специальности «Электрические станции», тогда же окончил Международный независимый эколого-политологический университет по специальности «Финансы и кредит». В Системном операторе работает с момента основания компании. Также возглавляет подкомитет ПК-7 «Интеллектуальные технологии в электроэнергетике» Технического комитета по стандартизации «Электроэнергетика» (ТК 016) Росстандарта, занимающийся, в том числе, разработкой национальных стандартов по применению CIM в отечественной электроэнергетике.
Статья первоначально опубликована в журнале «РУМ», № 2, 2023.