Разработка цифровых двойников ПС

33

В статье рассматривается вопрос применения технологии 

«Цифровой двой ник» в электроэнергетике. В первой части 

статьи  авторами  дается  ответ  на  вопрос  «Что  такое  циф-

ровой двой ник?», во второй рассматривается опыт специ-

алистов  «Россети  Научно- технический  центр»  (АО  «ФИЦ») 

по реализации цифровых двой ников.

Разработка  

цифровых двой ников ПС

Ц

ифровой  двой ник  (Digital Twin,  ЦД) 

—

 это  система, 

состоящая из цифровой модели изделия и двусто

-

ронних информационных связей с изделием (при на

-

личии изделия) и (или) его составными частями [1].

Использование «Цифровых двой ников» предусмотрено 

концепцией  «Цифровая  трансформация  2030»  (далее 

—

Концепция) [2].

В работе [3] выполнен литературный обзор на тему фор

-

мирования  понятия  «Цифровой  двой ник»  (ЦД).  Принятая 

в статье формулировка соответствует ГОСТ [1], однако трак

-

товка термина «Цифровая тень» (Digital Shadow, ЦТ) в этих 

документах несколько отличается.  

ЦД является развитием цифровой модели за счет двух

-

сторонних информационных связей с физическим объектом, 

что  схематично  показано  на  рисунке  1.  Помимо  взаимно

-

го  информационного  обмена  между  физическим  объектом 

и ЦД, также может осуществляться информационный обмен 

с внешними по отношению к нему системами (например, гео

-

информационной).

Денис 

БЕЗХМЕЛЬНИЦЫН, 

ведущий специалист 

Департамента 

развития и инноваций 

ПАО «Россети Юг»

Рис

. 1.

Схематическое 

представление ЦД

Наполнение и функциональность ЦД зависят от поставлен

-

ных целей и стадии жизненного цикла физического объекта.

В работе [4] говорится, что ЦД электрической сети пред

-

ставляет собой единую базу данных, содержащую необхо

-

димую информацию об электрической сети и интегрирован

-

ную с другими подсистемами компании. Он автоматически 

обеспечивает  синхронизацию  данных,  полученных  из  раз

-

ных  источников  таким  образом,  что  единая  цифровая  мо

-

дель соответствует физической электрической сети.

Согласно  информации,  представленной  в  работе  [4], 

компания  Siemens  реализует  проекты  по  формированию 

ЦД электроэнергетической системы (ЭЭC) и имеет ряд за

-

конченных проектов как в магистральных (проект ELVIS ком

-

пании Fingrid, Финляндия), так и в распределительных сетях 

(проект компании VSE Group, Словакия). В России работы 

по  созданию  ЦД  в  электроэнергетической  системе  (ЭЭС) 

ведутся, например, в томском политехническом университе

-

те [5] на базе существующего всережимного моделирующе

-

го комплекса реального времени [6].

34

Ежеквартальный спецвыпуск № 1 (24), март 2022

ПРОГРАММНО- АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС 

УЧЕБНОГО ЦЕНТРА ПАО «РОССЕТИ ЮГ»

В  рамках  научно­ исследовательской  и  опытно­ 

конструкторской  работы  (НИОКР)  для  ПАО  «Россети  Юг» 

АО «ФИЦ» реализовало программно­ аппаратный комплекс 

(ПАК) для обучения работе с цифровыми интеллектуальны

-

ми электронными устройствами. Фотография ПАК представ

-

лена на рисунке 2.

Физическая часть ПАК включает в себя:

–

терминалы релейной защиты и автоматики (РЗА);

–

контроллеры автоматизированной системы управления 

технологическими процессами (АСУТП);

–

физические  имитаторы  коммутационных  аппаратов 

(двухпозиционные реле);

–

счетчики учета электрической энергии;

–

испытательная установка (ИУ) РЕТОМ 61850.

Программная часть ПАК включает в себя:

–

программный комплекс (ПК) Eleum;

–

ПО  «Генератор  последовательностей»  для  РЕТОМ 

61850.

Работа  ПАК  основывается  на  информационном  взаимо

-

действии реализованных в нем цифровых моделей электриче

-

ских подстанций (ПС) и реального физического оборудования 

согласно протоколам стандартов серии МЭК 61850, что позво

-

ляет также называть его цифровым испытательным стендом.

ПК Eleum включает в себя специализированное ПО ком

-

пьютерного моделирования (ПО КМ) и SCADA­систему. ПО 

КМ Eleum позволяет создавать цифровые модели электри

-

ческой сети.

ПО  «Генератор  последовательностей»  также  является 

ПО КМ и позволяет имитировать режимы работы цифровых 

моделей ПС посредством генерации телеизмерений в виде 

SV­потоков. Более подробно с указанным механизмом рабо

-

ты можно ознакомиться в работе [7].

В ходе НИОКР были реализованы следующие модели:

–

подстанция  (ПС)  110­4Н 

—

  цифровая,  совмещенная 

с реальным оборудованием;

–

ПС 5Н, 5АН, 6Н­треугольник, 7­четырехугольник, 9­одна 

рабочая секционированная выключателем система шин, 

12, 12Н, 13, 13Н 

—

 полностью цифровые;

–

распределительное устройство (РУ) 10 кВ 

—

 с использо

-

ванием реальной физической схемы РУ 10 кВ.

МОДЕЛЬ СХЕМЫ ПС 110-4Н

В ходе НИОКР была реализована модель ПС 110­4Н с ис

-

пользованием реальных образцов промышленного оборудо

-

вания (рисунок 2). На лицевые панели шкафов № 1 и № 2 

ПАК нанесена мнемосхема ПС 110­4Н, коммутационные ап

-

параты имитируются физическими двухпозиционными реле. 

Структурная  схема  информационного  обмена  между  эле

-

ментами ПАК в схеме ПС 110­4Н представлена на рисунке 3. 

Проанализируем  свой ства  цифровой  модели  на  ри

-

сунке  3  для  возможности  отнесения  ее  к  ЦД.  С  одной 

стороны, представленная модель характеризуется одно

-

Рис. 2. Фото ПАК 

Рис. 3. Структурная схема модели ПС № 110-4Н в составе ПАК: АИИСКУЭ — автоматизированная информационно- измерительная 

система коммерческого учета электроэнергии; ИУ — испытательная установка с ПО КМ; КА — коммутационный аппарат; КП — 

контроллер присоединения; РЗА — релейная защита и автоматика; SCADA — система диспетчерского управления и сбора данных; 

SV, GOOSE и MMS — протоколы обмена информацией в соответствии со стандартами серии МЭК 61850

 ПК Eleum  

ИУ   

РЕТОМ 61850

РЗА, АИИСКУЭ

КП  

SCADA  

SV, GOOSE  

SV, GOOSE  

GOOSE  

MMS  

КА

(реле)

сухой контакт

Цифровая 

модель  

ПС  110  кВ  

Внедрение цифровых технологий

35

кратно  заданной  схемой  замеще

-

ния  электрической  сети,  в  которой 

однозначно  определяются  значения 

формируемых  токов  и  напряжений. 

C  другой  стороны,  в  рамках  модели 

осуществляется  обмен  информаци

-

ей с реальным оборудованием с ис

-

пользованием  двухсторонних  связей 

(например, положения коммутацион

-

ных аппаратов, управление ими, сра

-

батывания устройств РЗА и т. д.), что 

характерно для ЦД.

ВИРТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ 

ДРУГИХ СХЕМ  

ПС 110 КВ

В ходе НИОКР разработано программ

-

ное обеспечение компьютерного моде

-

лирования (ПО КМ), в составе которого 

реализованы  цифровые  модели  схем 

ПС (5Н, 5АН, 6Н — треугольник, 7 — 

четырехугольник,  9  —  одна  рабочая 

секционированная  выключателем  си

-

стема шин, 12, 12Н, 13, 13Н), две из ко

-

торых в качестве примера представле

-

ны на рисунке 4. 

Реализована  возможность  функ

-

ционирования  ПО  КМ  в  виртуальном 

и  гибридном  режимах 

—

  с  участием 

реального  оборудования  ПАК.  Под  ги

-

бридным понимается такой режим, в ко

-

тором часть коммутационных аппаратов 

имитируется  с  использованием  элек

-

тромеханических реле, а часть 

—

 с ис

-

пользованием  ПО  КМ.  Синим  цветом 

на рисунке 4 обозначены аппараты, вза

-

имодействующие с реальным оборудо

-

ванием (имитаторами коммутационных 

аппаратов), а черным цветом 

—

 участки 

схемы,  полностью  моделируемые  ПО 

КМ.  Реализованная  логика  взаимодей

-

ствия представлена на рисунке 5.

Модель  схемы  в  ПО  КМ  содержит  всю  необходимую 

информацию  о  ее  актуальном  состоянии  (положения  ком

-

мутационных аппаратов, режим работы сети, сигналы под

-

ключенных  вторичных  устройств).  При  этом  для  коммута

-

ционных  аппаратов,  обозначенных  на  рисунке  4  черным 

цветом, информация о положении хранится в электронной 

форме в цифровой модели ПС 110 кВ (рисунок 5). Положе

-

ния коммутационных аппаратов в составе цифровой модели 

(выделены синим цветом на рисунке 4) находятся в строгом 

соответствии с реальным коммутационным аппаратом в те

-

чение всего времени работы ПАК.

Управление  коммутационными  аппаратами  в  составе 

модели возможно двумя способами: через SCADA с исполь

-

зованием  физических  ключей  на  лицевой  панели  шкафов 

на рисунке, которые в свою очередь взаимодействуют с КП 

и далее согласно схеме рисунка 5. При этом факт оконча

-

ния  переключения  отображается  как  на  физической  части 

ПАК, так и в SCADA ПАК. Скриншот реализованного в ходе 

НИОКР ПК Eleum с интегрированной в нее SCADA­системой 

производства АО «Радиус АйТи» представлен на рисунке 6.

Кроме описанного выше основного функционала по мо

-

делированию первичной схемы, в системе управления ПАК 

Рис. 4. Схемы 5Н, 

12Н, реализованные 

с применением ЦД

36

Ежеквартальный спецвыпуск № 1 (24), март 2022

выполняется имитация: измерений электрических величин, 

работы  РЗА  в  нормальном  и  аварийных  режимах,  работы 

оперативной блокировки коммутационных аппаратов, корот

-

ких замыканий (КЗ) и других повреждений. 

Цифровая модель на рисунке 5 может быть классифи

-

цирована как ЦД, аналогично ранее рассмотренной модели 

на рисунке 3.

ВИРТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СХЕМЫ 

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА 10 КВ

Во всех случаях моделирования ЭЭС в ПАК в качестве мо

-

дели схемы распределительного устройства (РУ) 10 кВ ис

-

пользуется схема реально существующего РУ 10 кВ, приве

-

денная на рисунке 7. 

Для  организации  информационного  взаимодействия 

схемы РУ 10 кВ с ранее описанными моделями требовалась 

реализация  цифровой  модели  указанного  РУ,  структурная 

схема которой представлена на рисунке 8.

Согласно структурной схеме в режиме реального вре

-

мени по измерениям (аналоговых и дискретных сигналов), 

полученным с использованием контроллера ячейки, в ПК 

Eleum формируется модель РУ 10 кВ, содержащая пол

-

ную  информацию  о  его  состоянии  в  настоящий  момент 

времени.  Сформированная  цифровая  модель  использу

-

ется для расчетов режимных ситуаций в ранее описанных 

моделях. 

В результате взаимодействий между цифровыми моде

-

лями могут быть сформированы управляющие воздействия 

ПК Eleum  

ПО КМ

сухой контакт

Цифровая 

модель 

ПС 110  кВ

КА (реле ) 

MMS

КП

SCADA

Рис. 5. Структурная схема 

Модели 2 в составе ПАК

Рис. 6. Интерфейс SCADA-системы в составе ПАК

Внедрение цифровых технологий

37

на коммутационные аппараты РУ 10 кВ. Таким образом, мо

-

дель РУ 10 кВ может быть классифицирована как ЦД.

ВЫВОДЫ

В настоящей статье рассмотрены перспективы применения 

в  электроэнергетике  такого  понятия,  как  «цифровой  двой­

ник» (ЦД), произведен обзор технической литературы и ана

-

лиз свой ств, характеризующих указанное понятие.

Рассмотрен функционал ПАК реализованного АО «ФИЦ» 

в рамках НИОКР для ПАО «Россети Юг» на предмет возмож

-

ностей использования сформированных технических реше

-

ний для построения цифрового двой ника ЭЭС. 

Сделан  вывод  о  том,  что  в  настоящее  время  вопро

-

сы создания цифровых двой ников ЭЭС являются крайне 

актуальными, однако ввиду отсутствия сформированного 

понятия  «цифровые  двой ники  в  ЭЭС»  требуется  закре

-

пление  требований  к  ним  и  формализация  подхода  к  их 

разработке. 

ЛИТЕРАТУРА
1.  ГОСТ Р 57700.37­2021. Компьютерные модели и моделирова

-

ние. Цифровые двой ники изделий. Общие положения. URL: 

https://docs.cntd.ru/document/1200180928.

2.  Концепция «Цифровая трансформация 2030». ПАО «Россе

-

ти». Москва, 2018. 31 с.

Рис. 8. Структурная схема модели РУ 10 кВ в составе ПАК: КЯ — контроллер ячейки испытательной установки

ПК Eleum  

Контроллер  

КЯ  

Реальное РУ 10 кВ  

Источники  I, U

Цифровая модель 

РУ  10  кВ  

Цифровая модель 

ПС 110  кВ

Рис. 7. Схема РУ 10 кВ

3.  Sepasgozar  S.M.E.  Differentiating  Digital  Twin  from  Digital 

Shadow:  Elucidating  a  Paradigm  Shift  to  Expedite  a  Smart, 

Sustainable  Built  Environment.  URL:  https://www.researchgate.

net/publication/350596998_Differentiating_Digital_Twin_from_

Digital_Shadow_Elucidating_a_Paradigm_Shift_to_Expedite_a_

Smart_Sustainable_Built_Environment.

4.  Никитина Е.В., Кох С., Полуэктов А.Н. Цифровой двой ник для 

электрических сетей // Энергия единой сети, 2019, № 4(46). 

С. 32–36.

5.  Андреев М.В., Рубан Н.Ю., Суворов А.А., Аскаров А.Б. Циф

-

ровой двой ник современных энергосистем, в том числе авто

-

номных, с водородными накопителями энергии на базе все

-

режимного моделирующего комплекса реального времени / 

Сб.  тезисов  докладов  Всероссийской  научно­ практической 

конференции  «Водород.  Технологии.  Будущее»,  Томск,  23–

24  декабря  2020  года.  Национальный  исследовательский 

Томский политехнический университет, 2020. С. 9.

6.  Андреев М.В., Рубан Н. Ю., Суворов А.А., Гусев А.С., Сулай

-

манов  А.О.  Всережимный  моделирующий  комплекс  реаль

-

ного времени электроэнергетических систем. Томск: Изд­во 

Томского политехнического университета, 2016. 108 с.

7.  Кокорин  Е.Л.,  Федоров  Е.В.,  Безхмельницын  Д.А.,  Кудря

-

шов  А.А.,  Шалимов  А.С.,  Рыжов  Э.П.  Создание  программно­ 

аппаратного  комплекса  моделирования  режимов  работы  под

-

станций  с  возможностью  взаимодействия  с  оборудованием, 

поддерживающим связь по протоколам, определенным стандар

-

тами серии МЭК 61850 в режиме реального времени // РУМ, 2021, 

№ 4(600). С. 44–52. URL: https://rum.cis­ees.ru/magazine/2144/.