Цифровые двойники электроэнергетического оборудования. Образы и экспертизы. Часть 2




Page 1


background image







Page 2


background image

32

ЦИФРОВАЯ 

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Цифровые двойники электро-
энергетического оборудования.
Образы и экспертизы. 

Часть 2

*

УДК 621.314:004.942 

Дарьян

 

Л

.

А

.,

д.т.н., профессор «НИУ «МЭИ»,

Заслуженный член СИГРЭ, 

директор по научно-техничес-

кому сопровождению АО 

«Техническая инспекция ЕЭС»

Конторович

 

Л

.

Н

.,

к.т.н., эксперт SEERC, 

Заслуженный член СИГРЭ, 

директор ООО «Инжиниринг 

энергетического оборудования»

Ключевые

 

слова

:

цифровой двойник, электро-

энергетическое оборудование, 

проектирование, испытание, 

диагностика, мониторинг, моде-

лирование физических про-

цессов, архитектура цифрового 

двойника, образы, экспертизы, 

цифровая платформа, про-

граммное обеспечение, база 

данных, математическая мо-

дель, искусственный интеллект

В

 

работе

 

описывается

 

предложенная

 

авторами

 

структура

 

цифрового

 

двойника

 

электро

энергетического

 

электрооборудования

состоящая

 

из

 11 

образов

 (

Виртуальная

 

конструк

ция

Регистрация

 

событий

Визуальный

Технико

экономический

а

 

также

 

группа

 

муль

тифизических

 

образов

 (

Физико

химический

Электрофизический

Электромагнитный

Термический

Электродинамический

Механический

Акустический

). 

Для

 

каждого

 

обра

за

 

цифрового

 

двойника

 

электроэнергетического

 

оборудования

 

сформулированы

 

состав

 

и

 

функции

 

экспертиз

Описаны

 

условия

 

и

 

состояние

 

оборудования

 

при

 

проведении

 

экс

пертиз

В

 

дополнение

 

к

 

известным

 

экспертизам

 online 

мониторинга

 

и

 of

 ine 

диагностики

 

предложены

 

группы

 

экспертиз

позволяющие

 

прогнозировать

 

изменения

 

технического

 

состояния

 

оборудования

 

с

 

помощью

 

имитационного

 

моделирования

 (

математических

экспертных

 

и

 

статистических

 

моделей

при

 

изменении

 

условий

 

эксплуатации

характе

ристик

 

материалов

 

и

 

внешних

 

воздействий

 

на

 

оборудование

Приведены

 

примеры

 

экс

пертиз

 

цифрового

 

двойника

 

высоковольтных

 

силовых

 

трансформаторов

ЭКСПЕРТИЗЫ

 

ОБРАЗОВ

ЦИФРОВОГО

 

ДВОЙНИКА

 

ОБОРУДОВАНИЯ

8. 

Экспертизы

  «

Электродинамического

 

образа

» 

ЦД

 

включают

 

в

 

себя

:

8.1.  Экспертизы эквивалентных электродинамических параметров:

8.1.1. Прогнозирование электродинамических параметров отдельных частей 

оборудования (масс, механических характеристик жесткости, прочности 

и  устойчивости)  при  номинальных  и  фактических  условиях  заводских 

испытаний, монтажа и эксплуатации.

8.1.2. Измерение текущих и/или прогнозирование значений электродинамиче-

ских параметров отдельных частей оборудования в реальных условиях 

заводских испытаний, монтажа и эксплуатации.

8.1.3. Прогнозирование  значений  электродинамических  параметров  обору-

дования при изменении усилий прессовки и раскреплений элементов 

конструкции оборудования, интенсивности электромагнитных сил, тем-

пературы, влажности, характеристик материалов и/или появления веро-

ятных дефектов.

8.2.  Экспертизы электродинамической стойкости обмоток включают в себя:

8.2.1. Анализ технических требований (спецификаций тендеров) к электроди-

намической стойкости оборудования в различных режимах и сравнение 

этих  требований  с  результатами  испытаний  аналогичного  оборудова-

ния.

8.2.2. Прогнозирование распределения электромагнитных сил, действующих 

на магнитную систему, отводы, обмотки и другие элементы конструкции 

оборудования  в  условиях  специальных  электродинамических  испыта-

ний при наличии и/или отсутствии вероятных дефектов.

8.2.3. Прогнозирование распределения механических напряжений и дефор-

маций  в  магнитной  системе,  отводах,  обмотках  и  других  элементах 

конструкции  оборудования  при  воздействии  электромагнитных  сил 

в условиях специальных электродинамических испытаний и в эксплу-

атации при наличии и/или отсутствии вероятных дефектов.

8.2.4. Прогнозирование значений критериев электродинамической стойкости 

и  прочности  элементов  конструкции  оборудования  в  условиях  специ-

альных электродинамических испытаний и в эксплуатации при наличии 

и/или отсутствии вероятных дефектов.

Часть

 1 — 

в

 

 1(64).







Page 3


background image

33

8.2.5. Прямое  измерение  усилий  прессовки,  усилий 

раскреплений обмоток и/или других конструк-

тивных  элементов  оборудования  с  помощью 

тензодатчиков  в  условиях  специальных  элек-

тродинамических испытаний и в эксплуатации.

8.2.6. Косвенное  измерение  электромагнитных  сил 

и механических напряжений деформаций в об-

мотках и/или других конструктивных элементах 

оборудования  в  условиях  специальных  испы-

таний  и  в  эксплуатации,  включающее  прямое 

измерение электромагнитных параметров обо-

рудования и прогнозирование по этим данным 

механических напряжений и деформаций.

9. 

Экспертизы

 «

Механического

 

образа

» 

ЦД

 

включают

 

в

 

себя

:

9.1.  Прямое  или  косвенное  измерение  вибраций 

бака (корпуса) и/или его наружных конструктив-

ных элементов в условиях испытаний на заво-

де-изготовителе и в эксплуатации. 

9.2.  Прямое  или  косвенное  измерение  вибраций 

конструктивных  элементов,  расположенных 

внутри бака (корпуса) оборудования (например, 

магнитопровода и/или обмоток) в условиях ис-

пытаний на заводе-изготовителе и в эксплуата-

ции.

9.3.  Прогнозирование  вибраций  бака  (корпуса)

и/или его наружных конструктивных элементов 

в  условиях  испытаний  на  заводе-изготовителе 

и в эксплуатации.

9.4.  Прогнозирование  вибраций  конструктивных 

элементов, расположенных внутри бака (корпу-

са)  оборудования  (например,  магнитопровода 

и/или обмоток) в условиях испытаний на заво-

де-изготовителе и в эксплуатации.

9.5.  Прямое и/или косвенное измерение механиче-

ских напряжений и деформаций бака (корпуса) 

и/или  его  наружных  конструктивных  элемен-

тов под действием механических технологиче-

ских  нагрузок  (вакуумирования  бака,  подъема 

и транспортировки и т.д.) в условиях испытаний 

на заводе-изготовителе и в эксплуатации.

9.6.  Прогнозирование  механических  напряжений 

и деформаций бака (корпуса) и/или его наруж-

ных конструктивных элементов под действием 

механических статических и динамических тех-

нологических нагрузок в условиях испытаний на 

заводе-изготовителе и в эксплуатации.

9.7.  Прогнозирование  сейсмостойкости  оборудова-

ния, его конструктивных элементов и комплек-

тующих.

10. 

Экспертизы

 «

Акустического

 

образа

» 

ЦД

 

включают

:

10.1.  Прямое или косвенное измерение уровня шума 

и звукового давления с наружной стороны бака 

(корпуса)  и/или  его  наружных  конструктивных 

элементов в условиях испытаний на заводе-из-

готовителе и в эксплуатации. 

10.2.  Прямое  или  косвенное  измерение  звукового 

давления  конструктивных  элементов,  распо-

ложенных внутри бака (корпуса) оборудования 

(например,  магнитопровода  и/или  обмоток) 

в  условиях  испытаний  на  заводе-изготовителе 

и в эксплуатации.

10.3.  Прогнозирование  уровня  шума  и  звукового 

давления снаружи бака (корпуса) и/или его на-

ружных конструктивных элементов в условиях 

испытаний на заводе-изготовителе и в эксплуа-

тации.

10.4.  Прогнозирование  звукового  давления  на  по-

верхности  конструктивных  элементов,  распо-

ложенных внутри бака (корпуса) оборудования 

(например,  магнитопровода  и/или  обмоток) 

в  условиях  испытаний  на  заводе-изготовителе 

и в эксплуатации.

10.5.  Прогнозирование распространения внутри бака 

оборудования  динамического  акустического 

давления (взрывной волны) при горении элек-

трической  дуги,  вызванной  пробоем  изоляции 

в результате появления дефекта, короткого за-

мыкания или перенапряжений.

11. 

Экспертизы

  «

Технико

экономического

 

об

раза

» 

ЦД

 

состоят

 

из

:

11.1.  Прогнозирования  показателей  надежности 

оборудования после его испытаний на заво-

де-изготовителе.

11.2.  Прогнозирования  срока  службы  оборудования 

после  его  испытаний  на  заводе-изготовителе 

при номинальных значениях нагрузки.

11.3.  Прямых и/или косвенных измерений в эксплу-

атации  информативных  параметров  оборудо-

вания  (степени  полимеризации  образцов  изо-

ляции, содержания фурфурола и/или метанола 

в  трансформаторном  масле  и  т.д.),  позволя-

ющих  оценить  степень  износа  оборудования 

(фактически  выработанного  и  остаточного  ре-

сурса).

11.4.  Прогнозирования  фактически  выработанного 

и остаточного ресурса оборудования при фак-

тических значениях нагрузки (суточных графи-

ках  токов  и  напряжений),  физико-химических 

характеристик материалов, температуры окру-

жающей среды и температуры максимально на-

гретых  участков  обмоток,  магнитной  системы, 

отводов.

11.5.  Прогнозирования  остаточного  ресурса  обору-

дования  при  вероятном  изменении  значений 

нагрузки  (суточных  графиков  токов  и  напря-

жений)  и/или  изменении  физико-химических 

характеристик  материалов  и  температуры 

окружающей среды (нагрузочной способности 

оборудования).

11.6.  Прогнозирования  интегральных  показателей 

текущего технического состояния (индекса тех-

нического  состояния  оборудования,  индекса 

технического  состояния  отдельных  функцио-

нальных  узлов,  риска  отказа  оборудования,

и/или его отдельных узлов).

11.7.  Прогнозирования  стоимости  дополнительных 

затрат на компенсацию потерь электроэнергии 

в оборудовании по сравнению с его заменой на 

новое и более эффективное. 

 2 (65) 2021







Page 4


background image

34

11.8.  Прогнозирования  стоимости  дополнительных 

затрат эксплуатации на диагностические (в том 

числе  системы  диагностического  мониторинга 

[25]),  профилактические  и/или  ремонтные  ра-

боты  с  заменой  или  без  замены  узлов  и  ком-

плектующих,  с  учетом  текущего  технического 

состояния, прогноза срока службы и нагрузоч-

ной способности. 

11.9.  Планирования  диагностических,  профилакти-

ческих  и/или  ремонтных  работ  с  заменой  или 

без замены узлов и комплектующих с учетом их 

стоимости,  текущего  технического  состояния, 

прогноза срока службы и нагрузочной способ-

ности.

11.10. Анализа эффективности замены или дальней-

шей  эксплуатации  оборудования  с  использо-

ванием  интегральных  показателей  текущего 

технического  состояния  и  стоимости  дополни-

тельных затрат на эксплуатацию.

Следует  отметить,  что  результаты  экспертиз  об-

разов ЦД формируют протоколы испытаний и другие 

документы  в  процессе  жизненного  цикла  оборудо-

вания, которые включаются в образ «История собы-

тий» (электронное дело).

Электронное

 

дело

 

изделия

  [1]:  систематизиро-

ванная  совокупность  данных,  формируемая  в  ав-

томатизированной  системе  управления  данными 

об  изделии  на  стадиях  разработки  и  производства, 

дополняемая  на  последующих  стадиях  жизненного 

цикла изделия и включающая сведения об особен-

ностях конструкции изделия, его изготовлении, тех-

ническом  обслуживании,  ремонте,  модификации, 

а также о техническом состоянии изделия и его со-

ставных частей в эксплуатации. 

Результаты экспертиз позволяют обнаружить ано-

мальные явления в оборудовании либо выявить веро-

ятный дефект конкретного узла или комплектующего, 

либо  осуществить  прогноз  изменения  технического 

состояния оборудования при изменении условий его 

эксплуатации при наличии или отсутствии дефекта.

Выявление  аномальных  явлений  в  большинстве 

случаев  осуществляется  с  помощью  экспертиз  [2, 

3,  4,  5],  проводимых  в  режиме  online  в  различных 

системах  мониторинга  (например,  в  [6,  7]).  Для  вы-

явления  аномальных  явлений  в  этих  экспертизах 

с помощью прямого или косвенного измерения опре-

деляются текущие фактические значения диагности-

ческих  критериев  или  критериев 

эффективности  экспертиз,  и  эти 

значения сравниваются с заранее 

заданными допустимыми значени-

ями (уставками), либо сравнивают 

между собой текущие и предыду-

щие  значения.  В  последнем  слу-

чае уставки задаются на скорость 

и  длительность  изменения  соот-

ветствующих критериев экспертиз 

(рисунок  1).  Выход  значений  за 

пределы «уставок» считается ано-

мальным явлением. 

Следует  отметить,  что  опре-

деление  диапазона  допустимых 

параметров (уставок) для величин, скоростей и дли-

тельностей  является  довольно  сложной  задачей. 

Низкие  значения  приводят  к  ложным  сообщениям 

об  аномальном  явлении,  а  завышенные  значения 

могут привести к опасным (запоздалым) сообщени-

ям. В ряде случаев для задания уставок использу-

ются данные нормативных документов (ГОСТ, IEC, 

IEEE). Однако в большинстве случаев эти данные 

приведены  в  нормативных  документах  для  справ-

ки и носят усредненный характер. Они не отража-

ют техническое состояние и условия эксплуатации 

конкретного оборудования в конкретных условиях. 

В ряде случаев (например, [7, 8]) для определения 

уставок  используются  математические  и  эмпири-

ческие модели мультифизических процессов, поз-

воляющие для конкретного оборудования модели-

ровать предельно допустимые значения критериев 

экспертиз. 

При выявлении экспертизами аномальных явле-

ний, соответствующие данные записываются в базу 

данных, передаются на серверы АСУ ТП и/или сер-

веры ЦД по оптоволоконным каналам и/или мобиль-

ному интернету. После этого они становятся доступ-

ными экспертам для выявления дефекта.

Выявление  и  локализация  дефектов,  которые 

приводят  к  обнаруженным  аномальным  явлениям, 

в большинстве случаев проводится с помощью до-

полнительных  прямых  или  косвенных  методов  из-

мерений  в  режиме  offl  ine  на  неотключенном  или 

отключенном оборудовании (например [1, 9, 10, 11, 

12]). Прогнозирование развития дефектов при сохра-

нении или изменении влияющих факторов осущест-

вляется  при  проведении  экспертиз,  использующих 

экспертные или математические модели имитацион-

ного моделирования.

Например,  для  высоковольтных  силовых  транс-

форматоров используются:

 

– экспертные  модели,  основанные  на  результатах 

экспериментальных  исследований  и  испытаний 

физических моделей [13, 14];

 

– экспертные  модели,  основанные  на  результатах 

лабораторных исследований проб масла и образ-

цов изоляции, взятых из трансформатора [15, 16];

 

– математические модели, основанные на опреде-

лении параметров и анализе процессов в много-

элементных схемах замещения [17, 18];

 

– математические модели расчета и анализа физи-

ческих полей [19, 20]; 

ЦИФРОВАЯ 

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Рис

. 1. 

Иллюстрация

 [6] 

разницы

 

в

 

принятии

 

уставок

 

на

 

величину

 

или

 

на

 

ве

личину

скорость

 

и

 

длительность

 

изменения

 

диагностических

 

параметров

TESSA

©

 activates alarm







Page 5


background image

35

 

– статистические модели исскуственного интелекта 

[21, 22, 23, 24].

Модели исскусственного интеллекта используют-

ся в интеллектуальных приборах систем мониторин-

га  для  статистической  обработки  и  интерпретации 

измеряемых  сигналов  [21],  а  также  для  уточнения 

аналитических моделей при косвенных измерениях 

параметров [22]. Кроме того, они используются при 

анализе  большого  объема  данных,  собранных  для 

однотипного  оборудования  с  целью  установления 

общих свойств и закономерностей [23, 24].

Использование экспертных и математических мо-

делей проиллюстрируем следующими примерами.

Пример

 1.

  В  группе  однофазных  автотрансфор-

маторов подстанции 500 кВ на шинах вне зоны за-

щит  из-за  дефекта  разъединителя  при  переключе-

нии  произошло  двухфазное  короткое  замыкание. 

При этом фазы А и В группы находились в эксплу-

атации 18 лет, а фаза С — 3 года. Для определения 

вероятных дефектов в программной среде MATLAB-

SIMULINK  была  разработана  модель  станции  (ри-

сунок 2) и программное обеспечение, реализующее 

экспертные модели электродинамической стойкости 

[2] и модели токов к.з. [4].

В  результате  моделирования  определены  сла-

бые места и вероятные дефекты в обмотках АТ2. По 

Рис

. 2. 

Математическая

 

модель

 

для

 

расчета

 

токов

 

и

 

напряжений

 

в

 

группе

 

АТ

2

автотрансформаторов

 

АОДЦТН

-167000/500/220/35

ООО

 «

Электроприбор

» — 

производство

 

и

 

поставка

 

электрозащитных

 

средств

:

переносных

 

заземлений

указателей

 

напряжения

изолирующих

 

штанг

+7 (861) 228-05-91, 228-04-58, 228-05-57     |     www.elektropribor.net     |     sales@elektropribor.net 

Первая

 

в

 

России

 

линейка

 

указателей

 

высо

кого

 

напряжения

 

с

 

возможностью

 

запоми

нания

 

и

 

передачи

 

на

 

смартфон

 

информации

 

о

 

работоспособности

 

указателя

нахожде

нии

 

его

 

под

 

высоким

 

напряжением

тес

тировании

 

и

 

напоминанием

 

о

 

времени

 

проведения

 

эксплуатационных

 

испытаний

.

Протокол

 

событий

 

указателя

 

ведется

 

в ре

жиме

 

реального

 

времени

 

и

 

передается

 

на

 

смартфон

 

по

 Bluetooth 

каналу

Специальная

 

программа

 

для

 

смартфона

 «

УВНБУ

 

МЕМ

» 

раз

мещена

 

в

 

свободном

 

доступе

 

в

 

магазине

 

при

ложений

 

для

 

ОС

 Android Google Play Market.

На прав

ах рек

ламы

СМАРТ

УКАЗАТЕЛЬ

 

УВНБУ

 «

МЕМ

» BLE

 2 (65) 2021







Page 6