Цифровая модель реального объекта решает конкретные технологические задачи и автоматизирует бизнес-процессы эксплуатации электростанции
Цифровые двойники в России и в мире
Цифровые двойники (ЦД) — активно развивающаяся технология в самых различных сферах деятельности человека от промышленности до образования и медицины. В промышленности цифровые двойники — необходимый компонент цифровизации. В российской энергетике уже сейчас активно развиваются цифровые двойники электросетей, гидроэлектростанций и другие.
В перспективе цифровой двойник станет интеграционной платформой для объединения операционных функций предприятия примерно так же, как двадцать лет назад ERP стала интеграционной платформой, решая проблемы сложности управления парком разрозненных приложений для бизнеса.
Сегодня на технологию ЦД возлагаются надежды преодоления проблемы разрозненных ОТ систем, осуществляя переход к интегрированной системе на базе платформы цифровых двойников.
В последние годы в России активно развивается тема ЦД и принимаются соответствующие стандарты, такие как, например, «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения», ГОСТ Р 57700.37-2021.
Согласно утвержденному Минцифры 10.10.2019 документу «Дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии. Новые производственные технологии», цифровой двойник является технологией интегратором практически всех «сквозных» цифровых технологий и субтехнологий.
ПАО «РусГидро» в рамках своей технологической политики рассматривает технологию цифровых двойников как один из высокоприоритетных и обязательных для внедрения элементов цифровой трансформации, что отражено в Технической политике Группы РусГидро.
В Системном Операторе получен положительный опыт использования цифровых двойников. Основная задача, которую решают при создании цифровых моделей энергообъектов и сети — унификация описаний объектов для включения их по единым правилам в расчетные модели.
Классификация ЦД
Существуют различные способы классификации ЦД. В зависимости от функции и сложности выделяют ЦД изделий или отдельных компонентов изделий, ЦД процесса или системы. Также ЦД можно классифицировать по отраслям, в которых они используются: в сельском хозяйстве, в промышленности, в здравоохранении и т.д.
ЦД могут создаваться на разных этапах жизненного цикла реального объекта, что позволяет говорить об их классификации по этому признаку. Можно выделить цифровые двойники на стадии разработки или проектирования, создания / строительства, эксплуатации и др.
По отношению к электростанции также возможно выделение таких видов цифровых двойников разных этапов жизненного цикла электростанции. Для действующей электростанции целесообразно говорить о ЦД электростанции на стадии эксплуатации.
ЦД электростанции на стадии эксплуатации
Под ЦД электростанции на стадии эксплуатации можно понимать компьютерную модель реального объекта, объединенную двусторонними информационными связями с измеряемыми данными, и решающую конкретные технологические задачи или автоматизирующую те или иные бизнес-процессы эксплуатации электростанции.
При этом важно иметь в виду, что информационная модель, из которой затем создается компьютерная модель, является необходимым и ключевым компонентом ЦД электростанции, обеспечивая его достаточное описание для решения возложенных задач и позволяющая интегрировать несколько задач в едином информационном пространстве.
В отличие от ЦД изделий, когда под ним понимают пространственные (3D) модели и мультифизическое моделирование, для ЦД электростанции на стадии эксплуатации основной упор в определении ЦД должен быть сделан на его интеграционных свойствах.
Например, таким цифровым двойником может являться система расчетов ТЭП, оптимизационные расчеты режимов работы оборудования ТЭС, система мониторинга первичного регулирования частоты, система коммерческого учета электроэнергии с инструментами аналитики и другие системы, объединенные в едином цифровом пространстве с помощью информационной модели.
Основное преимущество использования ЦД электростанций. Какую проблему хотим решить?
Информационная модель, как сердце ЦД, позволяет решить существенную проблему цифровизации электростанций, заключающуюся в закрытости технологических управляющих и информационных систем (ОТ). Эта закрытость проявляется не столько в мерах обеспечения информационной безопасности, сколько в попытках различных производителей ИТ-систем защищать свои решения и свои ниши в генкомпаниях от конкурентов. Это приводит к тому, что зачастую на станции присутствует целый ряд цифровых систем, которые сложно интегрировать в единое пространство, т.к. каждая из них имеет собственную информационную модель, свои правила обращения к данным. Это положение вещей мешает переиспользовать данные, накапливаемые в различных системах, работать с ними более открыто.
Информационная модель как один из основных компонентов ЦД электростанции
Для того, чтобы цифровой двойник электростанции приносил максимальную пользу его информационная модель должна отвечать требованиям открытости, доступности, должна быть максимально понятной.
Информационная модель ЦД — это представление описываемого объекта или процесса в виде связанной метаинформации. Наиболее распространенным видом такой информационной модели является представление объекта или процесса в виде дерева объектов и свойств, а также использование принципов и подходов, взятых из объектно-ориентированного программирования и программирования в общем, таких как строгая типизация, абстракция, наследование, полиморфизм. Информационные модели создаются в специальном ПО или в компоненте платформы ЦД и должны иметь возможность экспорта и импорта в машинный формат файлов, например, *.xml.
Для решения описанной проблемы закрытости ОТ систем информационная модель должна создаваться в соответствии со стандартами.
Один из наиболее перспективных и активно развивающихся стандартов в сфере промышленной автоматизации является межотраслевой стандарт OPC UA. Этот стандарт состоит из нескольких разделов и описывает не только способы транспорта технологических данных с учетом современных требований к информ.безопасности, но и требования к информационному моделированию.
Некоторые разделы OPC UA включены в национальную программу стандартизации РФ на 2024г.
При создании цифровых двойников электростанций на стадии эксплуатации перспективным является использование международного стандарта OPC UA для описания рассматриваемых процессов и объектов.
Инструменты для создания, поддержания, развития ЦД электростанций. Концепция «Умная электростанция», примеры задач
ЦД электростанции на стадии эксплуатации должен помогать решать технологические задачи персонала станции. В концепции «Умная электростанция» компании Лаборатория ПРОСТОР выделены более шестидесяти таких технологических задач для тепловых электростанций, а в автоматизированной системе технологического управления Русгидро выделялось более сотни задач. Различные генерирующие компании работают над своим видением идеальной цифровизации электростанций.
Основная задача информационной модели ЦД электростанции в том, чтобы хранить и предоставлять контекст технологических данных, помогать связать данные из технологического и корпоративного сегмента сети (например, данные АСУ ТП и прогноз погоды из общедоступных погодных сервисов). Это позволит перейти к совершенно новому уровню доступности данных, что в конечном счете приведет к дальнейшему развитию алгоритмов и расчетов различных аналитических задач.
Так, задача выбора оптимального состава оборудования и распределения нагрузки между генераторами может решаться несколькими способами и огромным количеством так называемых решателей (солверов) с различным результатом. Сравнение этих результатов и возможность рассчитать задачу одновременно несколькими способами, имея унифицированный, описанный в информационной модели вход и выход, поможет выбрать лучшие результаты и алгоритмы перед использованием в реальном производственном процессе.
Для создания, развития ЦД электростанции, актуализации информационной модели станции во время эксплуатации нужны соответствующие инструменты. Таким инструментом является специализированное программное обеспечение (ПО) — платформа ЦД электростанции.
Важность стандартизации
До сих пор, термин ЦД является не устоявшимся и для ЦД электростанции нет четких требований. Поэтому работа по стандартизации одной из ключевых технологий цифровизации с дальнейшей формализацией термина и конкретных его применений является актуальной.
Институт Энергетических Систем входит в Технический комитет по стандартизации «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА» (ТК 016) под руководством СО ЕЭС, участвует в разработке новых стандартов и предложила к разработке серию стандартов, связанных с темой цифрового двойника электростанции на стадии эксплуатации.
Выводы
ЦД — современная технология, часть более широкого тренда Индустрии 4.0, является перспективным направлением цифровизации электростанций и помогает преодолеть проблему закрытости ОТ цифровых систем, а также перейти на новый уровень «цифрового» производства электроэнергии.
В статье мы предложили взгляд на ЦД электростанции на стадии эксплуатации на основе опыта решения задач эксплуатации тепловых и гидроэлектростанций на базе специализированного ПО.
