Цифровые двойники электроэнергетического оборудования — основные принципы и технические требования | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

цифровая трансформация

Цифровые двойники
электроэнергетического
оборудования —
основные принципы
и технические требования

УДК 621.314:004.942

Усложнение

проблем

управления

активами

обеспечения

эксплуатационной

надежности

электроэнергетического

обо

рудования

которыми

приходится

считаться

специалистам

на

всех

этапах

жизненного

цикла

приводит

необходимости

разработки

внедрения

цифровых

двойников

На

основе

ана

лиза

этих

проблем

сформулирована

цель

задачи

работы

Дано

пояснение

терминов

определений

используемых

авто

рами

Изложены

основные

принципы

разработки

архитектуры

цифровых

двойников

виде

образов

экспертиз

функции

их

компонентов

Предложены

общие

технические

требования

цифровым

двойникам

электроэнергетического

оборудования

Сформулированы

функции

пользователей

цифрового

двойника

на

всех

этапах

жизненного

цикла

электроэнергетического

обо

рудования

Дарьян

д.т.н., профессор «НИУ

«МЭИ», Заслуженный

член СИГРЭ, директор

по научно-техническому

сопровождению АО

«Техническая инспекция

ЕЭС»

Конторович

к.т.н., эксперт SEERC,

Заслуженный член

СИГРЭ, директор

ООО «Инжиниринг

энергетического

оборудования»

Ключевые

слова

цифровой двойник,

электрическое энерге-

тическое оборудование,

проектирование, ис-

пытание, диагностика,

мониторинг, модели-

рование физических

процессов, архитектура

цифрового двойника,

образы, экспертизы,

цифровая платформа,

программное обеспече-

ние, база данных, ма-

тематическая модель,

алгоритм искусственно-

го интеллекта

АКТУАЛЬНОСТЬ

ПРОБЛЕМЫ

В последние годы появились новые вызовы, с кото-

рыми сталкиваются специалисты многих отраслей

промышленности, в том числе и электроэнергети-

ческой:

1. Объективное усложнение задач обеспечения экс-

плуатационной надежности электрооборудова-

ния, в том числе высоковольтного. Связано это

с существенными изменениями, произошедшими

в последние несколько десятков лет в электро-

энергетической отрасли. Одним из них является

старение активов и увеличение риска их выхода

из строя. При этом требования по надежному

снабжению потребителей электрической энерги-

ей остаются на высоком уровне, в связи с чем для

поддержания оборудования, отработавшего свой

нормированный ресурс, в надлежащем состоянии

требуется либо увеличение эксплуатационных

расходов, либо его замена на новое оборудова-

ние, что в текущих экономических условиях явля-

ется сложной задачей.

2. Объективное усложнение задач оптимального

управления активами в связи с необходимостью

оперативно принимать сложные решения в обе-

спечении безопасной нагрузочной способности

оборудования, продлении или сокращении его

срока службы, планировании вывода из строя

оборудования для профилактических и ремонт-

ных работ.

3. Отсутствие единого диагностического Центра

с усовершенствованными моделями состояний

цифровая трансформация

Page 3

для сбора и обработки эксплуатационных дан-

ных и выдачи рекомендаций по дальнейшим

действиям эксплуатирующим организациям.

4. Отсутствие сертифицированных специалистов

и стимулов для предоставления объективной

информации о техническом состоянии оборудо-

вания эксплуатирующими его организациями.

5. Повышение уровня автоматизации, что привело

к резкому увеличению объема сложной инфор-

мации при снижении полноты и достоверности

анализа причин отказов оборудования из-за не-

достаточной квалификации персонала, эксплу-

атирующего микропроцессорные диагностиче-

ские системы и приборы.

6. Сокращение числа высококвалифицированных

экспертов.

7. Интенсивное развитие информационных тех-

нологий — цифровизация всех сфер общества,

в том числе и электроэнергетической отрасли,

которая приводит к необходимости оперативно-

го анализа огромных массивов данных о техни-

ческих параметрах электрооборудования, уста-

новленного на объектах электроэнергетики.

Одним из наиболее эффективных и современ-

ных путей решения проблемы оптимизации управ-

ления активами и обеспечения эксплуатационной

надежности оборудования без дополнительных

эксплуатационных затрат является разработка

и внедрение цифровых двойников (ЦД).

Примеры основных понятий, требований и кон-

кретных реализаций цифровых двойников про-

мышленного, в том числе энергетического, обо-

рудования представлены, например, в работах

[1–6]. Однако информация об основных принципах

и технических требованиях к разработке цифровых

двойников оборудования станций и подстанций

в этих публикациях отсутствует.

Целью настоящей работы является описание

принципов и технических требований к разработке

цифровых двойников оборудования объектов элек-

троэнергетики.

ТЕРМИНЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термины и определения касательно цифровых

двойников в настоящее время не стандартизованы,

поэтому мы вынуждены уделить им особое внима-

ние для однозначного понимания их значений авто-

рами и читателями. Ведь не зря великий математик

и философ Декарт говорил: «Люди избавились бы

от половины своих неприятностей, если бы смогли

договориться о значении слов».

Цифровой

двойник

(Digital Twin)

— цифровая ко-

пия физического объекта или процесса, помогаю-

щая оптимизировать эффективность бизнеса.

Цифровой

двойник

оборудования

— виртуаль-

ная модель, которая на микро- и макроуровне либо

описывает реально существующий объект (высту-

пая как дубль готового конкретного изделия), либо

служит прототипом будущего объекта. При этом

любая информация, которая может быть получе-

на при тестировании физического объекта, должна

быть получена и на базе тестирования его цифро-

вого двойника.

Классифицируют три типа двойников:

цифро

вые

двойники

прототипы

(Digital Twin Prototype,

DTP),

цифровые

двойники

экземпляры

(Digital Twin

Instance, DTI) и

агрегированные

двойники

(Digital

Twin Aggregate, DTA).

DTP

характеризует физический объект, прототи-

пом которого он является, и содержит информацию,

необходимую для описания и создания физической

версии объекта. Эта информация содержит требо-

вания к производству, подробную трехмерную или

двумерную (таблицы данных или чертежи) геоме-

трическую модель, спецификацию на материалы,

технологические процессы, технические требования

к закупкам и логистике комплектующих. DTP приме-

няется на всех этапах производства, но не взаимо-

действует с физическим объектом и соответствует

не условиям эксплуатации, а условиям испытаний на

заводе-изготовителе. Например, такими свойствами

обладают расчетные подсистемы проектирования

с возможностью цифровой имитации заводских ис-

пытаний, предусмотренных стандартами на обору-

дование.

DTI описывают конкретный физический объект,

с которым двойник остается связанным на протя-

жении всего жизненного цикла. Двойники этого типа

обычно содержат:

– упрощенную 3D-модель основных конструктив-

ных элементов с общими размерами (то есть

учитывают конструкцию физического объекта

приближенно, в основном как модель «черный

ящик»);

– спецификацию на применяемые материалы;

– спецификацию на процессы с перечислением

операций, которые были выполнены при созда-

нии физического объекта, а также результаты

различных тестов на объекте;

– записи о сервисном обслуживании, включая

замену узлов оборудования и операционные

показатели;

– результаты измерений, полученные от датчиков

и приборов.

DTI

используются на всех этапах эксплуата-

ции — от монтажа до утилизации. Частично функ-

ции, указанные в цифровых двойниках этого типа,

выполняют системы диагностического мониторин-

га, обеспечивающие сбор, хранение и обработ-

ку сигналов от установленных на оборудовании

датчиков, приборов, измерительных и защитных

устройств и по специальным алгоритмам пред-

упреждающие о рисках выхода из строя оборудо-

вания при текущих условиях эксплуатации. Такие

системы не позволяют прогнозировать техническое

состояние оборудования при изменении условий

эксплуатации: старении материалов, изменении

внешних воздействий, возникновении и/или разви-

тии дефектов конструкции.

DTA

представляют собой систему, в которой

двойники-экземпляры (DTI) и прототипы (DTP) яв-

ляются подсистемами и обмениваются между со-

бой данными с помощью случайных или проактив-

ных (упреждающих) запросов. При этом DTA могут

использовать DTP в полном объеме, симулируя

произвольное изменение геометрии объекта, за-

№

5 (62) 2020

Page 4

мену его отдельных компонентов, узлов и деталей

конструкции на другие, либо использовать DTP ча-

стично для прогнозирования изменения техническо-

го состояния при изменении воздействий на объект

и/или изменении свойств применяемых материалов.

Изменение геометрии и конструкции в этом случае

допустимо только частично для некоторых заранее

определенных случаев, связанных с возникновени-

ем и развитием дефектов.

Дополнительно введем следующие определения:

Диагностические

критерии

ЦД

— физико-хи-

мические или расчетные параметры ЦД, номиналь-

ные и допустимые значения которых характеризу-

ют как техническое состояние соответствующего

физического объекта в целом, так и его отдельных

узлов в полном объеме для всех режимов. Напри-

мер, критерии электрической, электродинамиче-

ской, механической прочности и устойчивости обо-

рудования.

Критерии

эффективности

ЦД

— геометриче-

ские, физико-химические или расчетные параметры

цифрового двойника, номинальные и допустимые

значения которых характеризуют эффективность

функционирования соответствующего физического

объекта в целом, его отдельных компонентов и уз-

лов в полном объеме для всех режимов. Например,

величина потерь электроэнергии в оборудовании,

нагрузочная способность и срок службы оборудо-

вания.

Информативные

параметры

ЦД

— геометри-

ческие, физико-химические или расчетные пара-

метры физического объекта, передаваемые циф-

ровому двойнику, изменение которых влияет на

изменение соответствующих диагностических кри-

териев или критериев эффективности. Например,

температура и влажность окружающей среды, на-

пряжения и токи, внешние механические воздей-

ствия.

Информационные

модели

ЦД

— набор данных,

методик, алгоритмов и программ их ввода, хране-

ния и визуализации. Например, данные о конструк-

ции и функциональных параметрах физического

объекта ЦД, данные об условиях и технологии из-

готовления, монтажа и эксплуатации, данные о про-

филактических и ремонтных работах и т.д.

Математические

модели

ЦД

— набор методик,

алгоритмов и программ, основанных на численном

или аналитическом решении систем уравнений (ал-

гебраических, обыкновенных дифференциальных

или с частными производными), а также данных

о свойствах материалов и внешних воздействи-

ях, симулирующих различные мультифизические

(например, электрические, электромагнитные,

термические, механические и др.) установившие-

ся и переходные процессы и адекватно описыва-

ющие соответствующие процессы в физическом

объекте.

Экспертные

модели

ЦД

— набор методик, ал-

горитмов, программ и данных, основанных на опы-

те экспертов, полученном при проектировании,

изготовлении, испытаниях, эксплуатации, перио-

дической и непрерывной диагностике на включен-

ном и отключенном оборудовании, анализе ава-

рий аналогичных объектов. В экспертной модели

используется также опыт лабораторных исследо-

ваний и опыт испытаний различных физических

моделей аналогичных объектов в целом или их от-

дельных компонентов и узлов. Экспертные моде-

ли содержат необходимые для функционирования

цифрового двойника эмпирические зависимости

между информативными параметрами, диагно-

стическими критериями и критериями эффектив-

ности, ранжирование критериев и параметров по

степени риска отклонений от их номинальных зна-

чений, а также определения уровня допустимых

значений.

Статистическая

модель

ЦД

— набор методик,

алгоритмов и программ, основанных на методах

искусственного интеллекта и адекватно описываю-

щих изменение диагностических критериев и крите-

риев эффективности в зависимости от изменения

информативных параметров с использованием ал-

горитмов машинного обучения и исторических дан-

ных об этих параметрах и критериях.

Экспертиза

ЦД

— набор конкретных информа-

ционных и математических и(или) экспертных и(или)

статистических моделей, позволяющих достоверно

определить текущие и прогнозные значения соот-

ветствующих конкретных диагностических крите-

риев или критериев эффективности при изменении

значений их информативных параметров. Экспер-

тиза может проводиться без физического объекта

или совместно с физическим объектом, отключен-

ным или не отключенным от потребителя.

Образ

цифрового

двойника

оборудования

— на-

бор экспертиз цифрового двойника оборудования,

характеризующих его отдельные функциональные,

физические или химические свойства и позволяю-

щих достоверно определить текущее и прогнозное

техническое состояние отдельных компонентов фи-

зического объекта ЦД.

Виды

обеспечений

цифрового

двойника

оборудо

вания

— набор информационных данных, методиче-

ских, аппаратных и программных средств, позволяю-

щих достоверно реализовать все образы ЦД.

Цифровая

платформа

ЦД

оборудования

—

сис тема алгоритмизированных взаимоотношений

между видами обеспечений всех образов цифрово-

го двойника, объединенных единой информацион-

ной средой.

ЦЕЛЬ

ЗАДАЧИ

СОЗДАНИЯ

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

ОБОРУДОВАНИЯ

Целью создания цифровых двойников оборудова-

ния, в том числе энергетического, является обеспе-

чение требуемой надежности и снижение эксплуата-

ционных затрат на оборудование за счет принятия

обоснованных и оптимальных, оперативных и долго-

срочных решений, основанных на использовании

определенных с помощью цифрового двойника те-

кущих и прогнозных значений диагностических кри-

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 5

териев работы отдельных узлов, компонентов и обо-

рудования в целом на всех этапах его жизненного

цикла.

При разработке ЦД необходимо решать комп-

лекс задач, связанных с междисциплинарным мо-

делированием, анализом данных и машинным об-

учением. Некоторые из этих задач приведены ниже:

– выбор организационно-методического обеспе-

чения ЦД, в том числе стандартов и методиче-

ских материалов, определение типов пользова-

телей, их роли и прав доступа, формы и объема

информации, необходимой для их работы;

– разработка архитектуры цифрового двойника,

в том числе разработка технических требований

ко всем его компонентам и образам, выбор про-

граммной и аппаратной (цифровой) платформы

для реализации разработанной архитектуры

сбора, передачи, хранения, визуализации дан-

ных и функционирования программного обеспе-

чения статистических, экспертных и математи-

ческих моделей, необходимых для реализации

цифрового двойника конкретного оборудования;

– сбор данных о конкретном оборудовании, ЦД

которого разрабатывается, в том числе данные

изготовителя и эксплуатации;

– анализ конструкции конкретного оборудования,

определение и описание его критических зон,

описание вероятных дефектов оборудования

в целом, его отдельных компонент и образов,

отдельных узлов и критических зон;

– разработка информационных, математических,

экспертных и статистических моделей для диа-

гностирования вероятных дефектов и прогнозов

их развития в том числе, определение критериев

и информативных параметров физико-химиче-

ских явлений, проявляющихся при возникнове-

нии и развитии дефектов, методов и аппаратных

средств прямого или косвенного (с помощью

дополнительного расчета) измерений этих кри-

териев и параметров;

– разработка информационных, математических,

экспертных и статистических моделей для

оценки текущих значений интегральных кри-

териев технического состояния оборудования

и прогнозов их развития, в том числе индекса

технического состояния, прогнозируемого срока

службы, текущей и прогнозируемой нагрузочной

способности;

– анализ характеристик программно-аппаратных

платформ для сбора, передачи, хранения, визу-

ализации, защиты и обработки данных моделей,

в том числе с помощью статистических методов

искусственного интеллекта, экспертных алгорит-

мов сравнения текущих данных с допустимыми

значениями и математических методов моде-

лирования электрических, электромагнитных,

термических и механических процессов;

– разработка рекомендаций по уточнению харак-

теристик критериев и параметров для уточнения

интенсивности и локализации дефектов, меро-

приятия по полному или частичному устранению

дефектов, включая профилактические и ремонт-

ные работы.

– разработка методик и данных для автономно-

го тестирования программных и аппаратных

средств компонентов цифрового двойника,

информационных, математических, экспертных

и статистических моделей, проведение тестиро-

вания разработанных моделей;

– разработка методик и данных для тестирования

программных и аппаратных средств компонен-

тов цифрового двойника на физических объек-

тах;

– проведение тестирования функционирования

цифрового двойника при передаче данных от

реального физического объекта на цифровую

платформу с интегрированными в нее разрабо-

танными моделями.

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

ИХ

ФУНКЦИИ

На каждом этапе жизненного цикла цифрового

двойника с его данными, методическим, програм-

мным и аппаратным обеспечением работают раз-

личные пользователи, выполняющие различные

функции, в том числе принимающие технические

и управленческие решения. Всех пользователей

ЦД условно разделим на три типа:

– пользователи-заказчики оборудования;

– пользователи-разработчики оборудования (в том

числе, проектанты, закупщики материалов и ком-

плектующих, изготовители и испытатели);

– пользователи-эксплуатационники, в том числе

монтажные организации, специалисты станций

и подстанций, специалисты энергосистем (отде-

лов качества и технических инспекций), эксперты

различных диагностических центров и организа-

ций по соответствующему оборудованию.

В ряде случаев в качестве пользователей-за-

казчиков выступают пользователи-эксплуатацион-

ники.

Необходимо отметить, что если цифровой двой-

ник разрабатывается не на первом, а на каком-ли-

бо другом этапе жизненного цикла оборудования,

например, на этапе эксплуатации, то для его функ-

ционирования нужно собрать в базу данных всю

необходимую информацию для работы математи-

ческих, экспертных и статистических моделей как

на соответствующем этапе разработки, так и после-

дующих этапах.

На

этапе

проведения

тендера

на закупку поль-

зователи-заказчики разрабатывают технические

требования на оборудование, основанные на нор-

мативной и методической документации, изучении

особенностей эксплуатации оборудования в кон-

кретных условиях и технических требованиях к ана-

логичному оборудованию, разработанному различ-

ными фирмами. База данных цифрового двойника

(на этом этапе двойника-прототипа) должна содер-

жать эту информацию и тем самым повысить каче-

ство, достоверность и полноту предъявляемых на

тендер технических требований. Сформированные

№

5 (62) 2020

Page 6

требования также заносятся в базу данных цифро-

вого двойника и являются первыми данными для

контроля технического состояния оборудования,

в том числе и проверки тендерных предложений

разработчиков на соответствие тендерным требо-

ваниям.

Пользователи-разработчики оборудования на

этом этапе используют базу данных и программное

обеспечение двойника-прототипа для выбора ком-

поновки конструкции и проведения оптимизацион-

ных и поверочных расчетов конструкции, предлага-

емой для участия в тендере.

На

этапах

расчетного

проектирования

, кон-

струирования, разработки технологической и кон-

структорской документации, заказа и входного кон-

троля материалов и комплектующих, подготовки

производства, изготовления и испытания обору-

дования пользователи-разработчики используют

базу данных цифрового двойника с конкретными

номинальными конструктивными и технологически-

ми параметрами оборудования (соответствующими

чертежам без учета производственных отклонений)

и номинальными свойствами материалов (соот-

ветствующими каталогам без учета их реальных

свойств в состоянии поставки). Используется также

методическое, аппаратное и программное обеспе-

чение цифрового двойника-прототипа для имита-

ционного и прогнозного моделирования оборудова-

ния в условиях конкретной испытательной станции

разработчика и конкретных, нормируемых стандар-

тами, видов и параметров испытаний.

На основании результатов имитационного и про-

гнозного моделирования принимаются решения

о соответствии конструкции техническим требова-

ниям и создается реальный физический объект.

Пользователи-заказчики осуществляют контроль

качества выполнения работ по изготовлению обо-

рудования, сопоставляя результаты приемо-сдаточ-

ных испытаний с нормативными или контрактными

требованиями. Однако, как показывает практика,

во многих случаях для обеспечения качественного

контроля результатов приемо-сдаточных испытаний

бывает недостаточно. Поэтому очень часто в соот-

ветствии с договорами на поставку оборудования

пользователи-заказчики осуществляют контроль ка-

чества выполнения работ на всех этапах создания

оборудования: от конструирования до испытаний.

Для выполнения контроля на этих этапах исполь-

зуются данные о конструкции конкретного экзем-

пляра оборудования, характеристики материалов

и параметры режимов его испытаний. Совместно

с ними должны использоваться для контроля путем

взаимного сопоставления и анализа отклонений

результаты расчетов и имитационного моделирова-

ния цифрового двойника с результатами измерений

и испытаний отдельных комплектующих и материа-

лов, отдельных узлов и компонентов, а также обо-

рудования в целом. Эти данные необходимы также

для контроля качества изготовленного оборудова-

ния, проверки соответствия параметров и характе-

ристик оборудования техническим требованиям

тендера и нормативных материалов. Все данные

базы цифрового двойника-прототипа, необходимые

для поверочного расчета и имитационного модели-

рования, результаты этих расчетов и моделирова-

ния, результаты измерений и испытаний, а также

данные по техническим требованиям тендерной

документации должны быть переданы пользовате-

лям-заказчикам на соответствующих этапах контро-

ля в цифровом виде, что позволяет формировать

и базу данных цифрового двойника-экземпляра. На

этом же этапе по предложениям пользователей-раз-

работчиков должна формироваться в базе данных

двойника-экземпляра номенклатура и допустимые

значения уставок для критериев и информативных

параметров всех образов и экспертиз цифрового

двойника. Кроме того, формируются также требова-

ния к номенклатуре, методам проведения экспертиз

для периодического и непрерывного контроля кри-

териев и информативных параметров в эксплуата-

ции. На реальном оборудовании устанавливаются

(либо обеспечиваются места и контрольные кабели

для установки) соответствующие датчики, приборы,

устройства и системы диагностического мониторин-

га и технологических защит. Характеристики и описа-

ния мест установки этой аппаратуры также заносят-

ся в базу данных цифрового двойника-экземпляра.

Все указанные данные используются для диагности-

рования оборудования на последующих этапах его

жизненного цикла. Кроме того, в базу данных циф-

рового двойника-экземпляра должна передаваться

в цифровом виде вся информация, необходимая не

только для диагностирования, но и для выполнения

других работ на последующих этапах жизни обору-

дования, в том числе монтажная, эксплуатационная

и ремонтная документация.

На

этапах

транспортировки

хранения

мон

тажа

работ

по

пусконаладке

оборудования

перед его пуском в эксплуатацию, в том числе та-

ких же работ по датчикам, приборам, устройствам

и сис темам диагностического мониторинга и защи-

ты оборудования, пользователи цифрового двой-

ника-экземпляра выполняют следующие функции:

– пользователи-разработчики осуществляют шеф-

надзор за выполнением работ, контролируя

качество, используя информацию базы данных

цифрового двойника-экземпляра;

– пользователи-эксплуатационники осуществля-

ют выполнение работ, контролируя их качество,

используя информацию базы данных цифрового

двойника-экземпляра (кроме того, совместно

с пользователями-разработчиками они должны

выполнить прогнозное моделирование по мате-

матическим и экспертным моделям цифрового

двойника и выяснить до реального пуска в экс-

плуатацию влияние всех изменений информа-

тивных параметров на изменения критериев).

На первом пуске оборудования условия эксплу-

атации часто сильно отличаются от условий стан-

дартных испытаний на заводе изготовителе, в том

числе по схемам соединения оборудования, влия-

нию одного оборудования на другое, воздействую-

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 7

щим на оборудование токам и напряжениям, влия-

нию температуры и влажности окружающей среды,

влиянию результатов транспортировки, хранения

и монтажа. Поэтому прогнозирование значений

критериев и информативных параметров может

значительно снизить риски дальнейшей эксплуа-

тации и возможной аварии оборудования. По ре-

зультатам анализа этих прогнозов можно принять

решение о дополнительных мерах по снижению

рисков, например, дополнительной сушки изоляции

для силовых трансформаторов. Кроме того, может

приниматься решение о замене комплектующих

или отдельных узлов, изменении схем и режимов

пуска и т.д. Следует отметить, что важным обсто-

ятельством является использование базы данных

цифрового двойника для задания «уставок» и кали-

бровки датчиков, приборов, устройств и систем мо-

ниторинга и технологических защит. Применяемые

в настоящее время отдельными разработчиками

и изготовителями приборов статистические алго-

ритмы, основанные на методах машинного обуче-

ния, приводят к тому, что оборудование в режиме

обучения в течение 1–3 месяцев работает без кон-

троля соответствующих приборов. При дальнейшей

эксплуатации калибровку и уставки необходимо все

равно менять, так как режимы эксплуатации в номи-

нальных и пусковых условиях отличаются. В ряде

случаев отказ от повторной калибровки и уточне-

ния уставок приводил к ошибкам в работе приборов

мониторинга и технологических защит и возникно-

вению аварийных ситуаций.

На

этапах

эксплуатации

пользователи-экс-

плуатационники с помощью данных, программных

и аппаратных средств цифрового двойника могут

выполнять следующие функции (виды работ):

1. Сбор, хранение и визуализацию на удаленных

компьютерах пользователей, измеренных на

реальном объекте и переданных через АСУ

ТП подстанции данных от отдельных приборов

и систем диагностического мониторинга. С по-

мощью сравнения между собой текущих и пре-

дыдущих значений этих данных, сравнения их

с заданными допустимыми значениями оцени-

вается уровень риска и выявляется наличие

аномальных явлений. Анализ скорости изме-

нения этих данных (трендов) позволяет прогно-

зировать будущее развитие этих аномальных

явлений в ближайшей перспективе. При этом,

делается предположение о том, что условия ра-

боты оборудования и условия внешней среды

не меняются в прогнозируемый период. В боль-

шинстве случаев допустимые значения параме-

тров не меняются в процессе всей эксплуатации

и определены не для конкретного реального

объекта, а являются усредненными значения-

ми всего парка оборудования. Датчики для из-

мерения информативных параметров обору-

дования установлены не в критических зонах,

а в других его доступных местах. Это приводит

к тому, что использование данных мониторинга

информативных параметров оборудования без

учета данных о его конструкции (оборудование

рассматривается как «черный ящик») позволяет

только выявить аномальные явления и на ран-

них стадиях их развития предупредить эксплуа-

тационный персонал о необходимости принятия

мер для снижения рисков аварийных отключе-

ний. Выявить причину возникновения аномалий,

определить конкретную критическую зону и об-

разовавшийся дефект конструкции только с по-

мощью данных приборов и систем диагности-

ческого мониторинга в большинстве случаев не

представляется возможным.

2. Выявление причин возникновения аномалий

в конкретных критических зонах оборудования

с помощью данных от систем диагностическо-

го мониторинга и базы данных о конструкции

и характеристиках материалов оборудования,

каталога вероятных дефектов аналогичного

оборудования, математических, экспертных

и статистических моделей цифрового двойника.

С этой целью выполняется имитационное моде-

лирование критериев в критических зонах при

изменении информативных параметров, а также

при изменении характеристик внешней среды

или внешних воздействий на оборудование.

3. Прогнозирование изменений технического состо-

яния оборудования при планируемых и аварий-

ных электрических, электромагнитных, тепло-

вых и механических воздействиях, а также при

изменениях физических и химических характе-

ристик применяемых в оборудовании материа-

лов, за счет их старения или условий эксплуа-

тации.

4. Определение текущих и прогнозных значений

интегральных показателей оборудования, в том

числе срока службы, нагрузочной способности

и индекса технического состояния.

5. Планирование необходимого объема, длитель-

ности и затрат на выполнение профилактиче-

ских и ремонтных работ.

Пользователи-разработчики совместно с поль-

зователями-эксплуатационниками (по их запросу)

на стадии эксплуатации используют данные и про-

граммное обеспечение цифрового двойника для

поиска причин появления аномальных явлений

и вероятных дефектов. На основе имитационно-

го моделирования и изучения опыта эксплуатации

с помощью баз данных и моделей цифрового двой-

ника разрабатываются предложения и проекты по

модификации конструкции с целью повышения ее

эффективности и надежности, а также продления

срока службы.

ХАРАКТЕРИСТИКА

ФИЗИЧЕСКОГО

ОБЪЕКТА

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

Физическим объектом, для которого с помощью

цифрового двойника осуществляется моделиро-

вание и прогнозирование, является электроэнер-

гетическое оборудование, установленное на элек-

трических станциях и подстанциях. Кроме того, под

физическим объектом цифрового двойника будем

№

5 (62) 2020

Page 8

понимать и группу оборудования для решения об-

щей задачи: электрическое присоединение, элек-

трическая установка, станция или подстанция. Для

ЦД группы оборудования необходимо разработать

ЦД для каждого вида оборудования, входящего

в эту группу.

С физического объекта осуществляется сбор

данных, в том числе с установленных на нем датчи-

ков, приборов, устройств, систем диагностического

мониторинга и защиты с передачей данных на циф-

ровую платформу.

Описание

данных

собираемых

физических

объ

ектов

Перечень данных, способ сбора и первичной

обработки, а также методы передачи данных и ин-

формационные модели данных разрабатываются

для конкретного физического объекта. В состав со-

бираемых данных должны входить как данные, по-

лучаемые автоматически в непрерывном режиме от

АСУТП ПС, систем диагностического мониторинга

оборудования, так и данные ручного инструменталь-

ного контроля и диагностирования, периодически вы-

полняемых на неотключенном и отключенном обору-

довании. Например, из систем мониторинга должны

поступать все данные, упомянутые в распоряжении

№ 538р ОАО «ФСК ЕЭС» «Об утверждении техни-

ческих требований к системам автоматической диа-

гностики силового оборудования при его первичном

вводе в эксплуатацию». Перечень данных уточняет-

ся для всех конкретных физических объектов энерге-

тического оборудования подстанции. Объем данных,

такты опроса и такты передачи данных должны со-

ответствовать требованиям российских стандартов

и нормативных материалов, а также международ-

ным стандартам и нормативным материалам МЭК.

В зависимости от наличия, достоверности

и подробности данных о конкретных физических

объектах определяется объем реализуемых ин-

формационных, математических, экспертных и ста-

тистических моделей цифрового двойника.

ТЕХНИЧЕСКИЕ

ТРЕБОВАНИЯ

РАЗРАБАТЫВАЕМЫМ

ЦИФРОВЫМ

ДВОЙНИКАМ

Для решения указанных выше задач ЦД и обеспе-

чения функций пользователей на всех этапах жиз-

ненного цикла, прежде всего эксплуатации, раз-

рабатываемые образы, экспертизы и модели ЦД

должны удовлетворять приведенным ниже техни-

ческим требованиям.

Общие требования к ЦД оборудования:

– структура ЦД, состоящая из образов, экспертиз,

моделей, критериев и информативных параме-

тров (рисунок 1).

– геометрическая и структурная модель объ-

екта с описанием критических зон и вероятных

дефектов, характерных для конструкций кон-

кретных физических объектов;

– информация о технологических процессах изго-

товления и сборки отдельных элементов и обо-

рудования в целом;

Рис

. 1.

Структура

цифрового

двойника

оборудования

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 9

– набор данных о воздействиях, критериях и па-

раметрах, о комплектующих, компонентах и уз-

лах оборудования, рассчитанных на стадиях

проектирования, измеренных на стадии изго-

товления и испытаний на заводе изготовителе,

измерениях и испытаниях на монтаже и в экс-

плуатации;

– информационные, математические, экспертные

и статистические модели, описывающие основ-

ные физическо-химические процессы, происхо-

дящие в оборудовании и влияющие на его экс-

плуатационные характеристики и срок службы.

Цифровой двойник обеспечивает:

– сбор, первичную обработку, передачу данных

на удаленный сервер, хранение и обработку

данных, необходимых для функционирования

цифрового двойника;

– самодиагностику измеренных или расчетных

входных данных, оценку качества и достаточно-

сти данных (входных и выходных показателей),

поступающих от объектов мониторинга и пери-

одического контроля физического объекта;

– отображение в режиме реального времени про-

цессов, протекающих в оборудовании;

– проведение различных имитационных и про-

гнозных экспериментов «что, если» с использо-

ванием математических, экспертных и статисти-

ческих моделей;

– определение критических зон оборудования,

текущие значения критериев диагностики

и эффективности, в том числе интегральных

критериев, прогнозирование их изменений;

– по результатам диагностики и моделирования

выдачу информации, необходимой для приня-

тия управленческих решений;

– постоянное «самообучение» как в соответствии

с изменениями, происходящими на протяжении

жизненного цикла реального объекта, так и по

результатам моделирования ситуаций , в кото-

рых реальный объект не эксплуатировался.

ТРЕБОВАНИЯ

МАТЕМАТИЧЕСКИМ

ЭКСПЕРТНЫМ

СТАТИСТИЧЕСКИМ

МОДЕЛЯМ

ИСКУССТВЕННОГО

ИНТЕЛЛЕКТА

Общие

требования

математическим

моделям

– описывать основные физические процессы,

происходящие в оборудовании при различных

воздействиях и свойствах применяемых мате-

риалов (например, для силовых трансформа-

торов — неравномерное распределение тока

нагрузки по отдельным ветвям обмоток и нерав-

номерное распределение напряжений при раз-

личных режимах; воздействие электрического

поля на различные участки изоляции и опре-

деление запасов их электрической прочности;

воздействие магнитных полей на локальные

и общие потери электроэнергии в отдельных

системах и элементах конструкции; влияние

электродинамических, температурных и меха-

нических воздействий);

– определять критерии и параметры для условий

всех этапов жизненного цикла оборудования;

– быть параметрическими для возможности изу-

чения влияния изменения электрических, меха-

нических и тепловых внешних для оборудования

воздействий на его техническое состояние;

– быть параметрическими для возможности изуче-

ния влияния изменения электрических, механи-

ческих и тепловых характеристик применяемых

материалов на его техническое состояние;

– обеспечивать возможность прогнозировать

значения выходных параметров по изменению

входных параметров на заданный горизонт вре-

мени вперед;

– по запросу пользователя представлять отчеты

с текущими и прогнозными выходными и расчет-

но-диагностическими данными;

– визуализировать текущие и прогнозные выход-

ные и расчетно-диагностические данные в удоб-

ном пользователю виде для анализа и принятия

решений;

– быть апробированы путем успешного их при-

менения при проектировании, изготовлении

и испытаниях оборудования при его эксплуата-

ции не менее 3 лет.

Требования

экспертным

моделям

– классифицировать расчетные или измеряемые

параметры объекта как информативные или

неинформативные для выявления конкретного

вероятного дефекта, и с помощью эмпирических

зависимостей или тенденций роста и спада

(трендов) их изменения прогнозировать значе-

ния критериев и параметров, характеризующих

конкретный дефект с определенной вероятно-

стью;

– подтверждаться результатами осмотров анало-

гичных реальному оборудованию физических

объектов при их авариях или несоответствиях,

выявленных в эксплуатации или на заводе-

изготовителе (в некоторых случаях они могут

быть подтверждены результатами специальных

испытаний на физических моделях или лабора-

торными исследованиями.

Успешный опыт применения экспертных моде-

лей для аналогичных конструкций должен быть не

менее 3 лет.

Требования

статистическим

моделям

искус

ственного

интеллекта

– осуществлять автоматический поиск зави-

симости между входными информативными

параметрами и выходными критериями для

каждого дефекта и характеристики материалов

объекта, заданного в экспертных моделях (поиск

зависимости должен происходить, например,

с использованием методов машинного обучения

и математической статистики, модели должны

допускать визуализацию и ручную корректиров-

ку зависимостей);

– вычислять критерии по найденным зависимос-

тям и сопоставлять их с результатами опреде-

ления критериев по математическим и эмпи ри-

№

5 (62) 2020

Page 10

ческим моделям, если такие критерии определя-

ются этими моделями. (сравниваемые значения

используются для верификации, валидации

и машинного обучения статистических моделей

совместно с данными прямых измерений инфор-

мативных и диагностических параметров);

– обеспечить составление библиотеки паттернов

входных параметров (выявление по ретроспек-

тивным данным возможных вариантов измене-

ния входных параметров, возможность ручного

редактирования паттернов входных параметров,

возможность задания возмущающих воздей-

ствий для входных параметров);

– обеспечить прогнозирование выходных параме-

тров на основе «обученных» моделей, прогнозов

входных параметров, библиотеки паттернов

входных параметров и заданных вручную воз-

мущающих воздействий.

ТРЕБОВАНИЯ

АРХИТЕКТУРЕ

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

Цифровой двойник должен иметь возможность ра-

боты с большими объемами данных Big Data (об-

работка терабайтов данных в сутки). При этом он

должен содержать все образы, описывающие изме-

нение состояния реального физического оборудо-

вания во всех его текущих и прогнозных режимах,

включая режимы и технические состояния, которые

еще реально не произошли. В процессе работы

цифрового двойника необходимо реализовать кэ-

ширование данных на всех уровнях обработки ин-

формации для предотвращения повторного запуска

одинаковых запросов разными пользователями.

Аппаратно-программное обеспечение цифро-

вого двойника должно располагаться у заказчика

или специализированной экспертной организации

и принимать данные от удаленного физического

объекта с использованием защищенных каналов

связи. Оно должно базироваться на инструмен-

тальной платформе, обеспечивающей прием, хра-

нение и обработку данных в соответствии с рос-

сийскими и международными стандартами. Для

реализации информационных моделей платформа

цифрового двойника должна содержать инструмен-

тальные средства для обеспечения удаленного до-

ступа пользователей к базе данных и визуализации

данных в удобном для пользователей виде.

Для реализации математических, экспертных

и статистических моделей цифрового двойника

в платформу должны быть интегрированы инстру-

ментальные средства моделирования мультифи-

зических задач (например, ANSYS или COMSOL)

и инструментальные средства искусственного

интеллекта (например, PYTHON). Интеграция ин-

формационных, математических, экспертных и ста-

тистических моделей предполагает разработку

специальных программных модулей (шлюзов) для

преобразования данных, используемых различны-

ми прикладными программами моделей, инстру-

ментальными средствами мультифизического мо-

делирования и искусственного интеллекта.

ТРЕБОВАНИЯ

ОБРАЗАМ

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

Для обеспечения идентичности цифрового двойника

реальному физическому объекту и выполнения ро-

лей пользователей (разработчика, заказчика и экс-

плуатации) цифровой двойник должен содержать не-

обходимое и достаточное количество образов. Для

электроэнергетического оборудования в общем слу-

чае необходимо реализовать следующие 11 образов:

«Виртуальная конструкция», «История событий»,

«Физико-химический», «Визуальный», «Электрофи-

зический», «Электромагнитный», «Электродинами-

ческий», «Термический», «Механический», «Акусти-

ческий» и «Технико-экономический».

Следует отметить, что для достаточной адек-

ватности образа реальному объекту, каждый об-

раз должен содержать не менее трех различных

экспертиз для каждого диагностического критерия

и критерия эффективности.

ТРЕБОВАНИЯ

РЕЖИМАМ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЦИФРОВОГО

ДВОЙНИКА

В общем случае необходимо предусмотреть воз-

можность функционирования цифрового двойника

в следующих режимах:

– основной режим, когда компоненты цифрового

двойника работают штатно;

– режим тестирования и других технологических

работ, при котором допускается проведение тех-

нологических работ на отдельных компонентах

при обеспечении полной доступности цифрово-

го двойника;

– аварийный режим, при котором доступность

цифрового двойника снижена до ликвидации

аварийной ситуации.

В заключение отметим, что в настоящей работе

приведены только основные группы требований,

имеющих принципиальное значение при разра-

ботке цифровых двойников оборудования. Неко-

торые группы требований, например, надежности,

безопасности, численности и квалификации пер-

сонала, защиты информации от несанкциониро-

ванного доступа, сохранности информации при

авариях и некоторые другие являются в доста-

точной степени разработанными и представлены

в соответствующей нормативно-технической доку-

ментации, в связи с чем в настоящей статье они не

при ведены.

ВЫВОДЫ

1. Предложены термины и определения, позволя-

ющие однозначно толковать технические требо-

вания к цифровым двойникам и позволяющие

описать структуру цифрового двойника.

2. Сформулированы цели и задачи разработки

цифровых двойников электроэнергетического

оборудования.

3. Сформулированы функции пользователей циф-

рового двойника на всех этапах жизненного цик-

ла электроэнергетического оборудования.

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 11

ЛИТЕРАТУРА
1. Digital twins and simulations. ABB

Review, 2019, no. 02, pp. 42-46.

2. Digital Twin and Big Data Towards

Smart Manufacturing and Industry

4.0: 360 Degree Comparison / IEEE

Access, 15 Jan. 2018. URL: https://

ieeexplore.ieee.org/document/

8258937.

3. Fei Tao, FangyuaSui, Ang Liu,

Qinglin Qi, Meng Zhang, Boyang

Song, Ziron Guo, Stephen C.-Y. Lu,

A.Y.C. Need. Digital twin-driven pro-

duct design framework. International

Journal of Production, 2018. URL:

https://www.tandfonline.com/doi/full/

10.1080/00207543.2018.1443229.

4. Прохоров А. Цифровые двой-

ники — эволюция и классифи-

кация. URL: https://data.cnews.

ru/articles/2018-04-18_tsifrovye_

dvojniki_kontseptsiya_razvivaetsya.

5. Липатов М. Первый в России ком-

плекс предиктивной аналитики

для энергетического и промыш-

ленного оборудования // Экспо-

зиция Нефть Газ, 2016, № 3(49).

С. 82–83.

6. Ерошенко С.А., Хальясмаа А.И.

Технологии цифровых двойников

в энергетике / Материалы юбилей-

ной X Междунар. науч.-техн. конф.

«Электроэнергетика глазами мо-

лодежи – 2019». Иркутск: Изд-во

ИРНИТУ, 2019, т. 1. С. 55–58.

REFERENCES
1. Digital twins and simulations. ABB

Review, 2019, no. 02, pp. 42-46.

2. Digital Twin and Big Data Towards

Smart Manufacturing and Industry

4.0: 360 Degree Comparison / IEEE

Access, 15 Jan. 2018. URL: https://

ieeexplore.ieee.org/document/

8258937.

3. Fei Tao, FangyuaSui, Ang Liu,

Qinglin Qi, Meng Zhang, Boyang

Song, Ziron Guo, Stephen C.-Y. Lu,

A.Y.C. Need. Digital twin-driven pro-

duct design framework. International

Journal of Production, 2018. URL:

https://www.tandfonline.com/doi/full/

10.1080/00207543.2018.1443229.

4. Prokhorov A. Digital alter ego - evo-

lution and classiﬁ cation. URL: https://

data.cnews.ru/articles/2018-04-18_

tsifrovye_dvojniki_kontseptsiya_raz-

vivaetsya.

5. Lipatov M. The ﬁ rst Russian predic-

tive analytics complex for power and

industrial equipment // Oil Gas Ex-

position Publ., 2016, no. 3(49), pp.

82–83. (In Russian)

6. Yeroshenko S.A., Halyasmaa A.I.

Digital alter ego technologies in

power engineering / Proc. of Jubilee

Xth International Research Techni-

cal Conference "Power Engineering

As Seen By Youth". Irkutsk, Irkutsk

National Research Technical Univer-

sity Publ., 2019, vol. 1, pp. 55–58. (In

Russian)

На прав

ах рек

ламы

4. Предложены основные принципы разработки

архитектуры цифровых двойников в виде обра-

зов и экспертиз и функции их компонентов.

5. Предложены общие технические требования к циф-

ровым двойникам электроэнергетического оборудо-

вания на всех этапах его жизненного цикла.

№

5 (62) 2020

Оригинал статьи: Цифровые двойники электроэнергетического оборудования — основные принципы и технические требования

Ключевые слова: цифровой двойник, электрическое энергетическое оборудование, проектирование, испытание, диагностика, мониторинг, моделирование физических процессов, архитектура цифрового двойника, образы, экспертизы, цифровая платформа, программное обеспечение, база данных, математическая модель, алгоритм искусственного интеллекта

Читать онлайн

Усложнение проблем управления активами и обеспечения эксплуатационной надежности электроэнергетического оборудования, с которыми приходится считаться специалистам на всех этапах жизненного цикла, приводит к необходимости разработки и внедрения цифровых двойников. На основе анализа этих проблем сформулирована цель и задачи работы. Дано пояснение терминов и определений, используемых авторами. Изложены основные принципы разработки архитектуры цифровых двойников в виде образов, экспертиз и функции их компонентов. Предложены общие технические требования к цифровым двойникам электроэнергетического оборудования. Сформулированы функции пользователей цифрового двойника на всех этапах жизненного цикла электроэнергетического оборудования.