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
fl
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).
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
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
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