Министерство Энергетики

«Умные электростанции» – цифровое будущее энергетики

Вячеслав МАРТЫНОВ
Заместитель генерального директора по оперативному управлению,

Теплотехнический научно-исследовательский институт (ВТИ), к. т. н.
e-mail: vvm@vti.ru

Наталья ЗОРЧЕНКО
Заведующая отделением автоматизации ВТИ, к. т. н.
e-mail: NVZorchenko@vti.ru

Дмитрий ПАНФИЛОВ
Генеральный директор ВТИ
e-mail: vti@vti.ru

Текущее состояние цифровизации электроэнергетики

Цифровизация промышленности стала одной из основных технологических задач в России. Это, в свою очередь, требует создания и внедрения интеллектуальных информационных систем. Большинство компаний понимают, что в настоящее время и, тем более, в будущем добиться успеха можно, только используя безопасные современные цифровые решения. Работы в этом направлении ведутся во многих отраслях народного хозяйства, в научных организациях, в компаниях, предоставляющих услуги, связанные с разработкой и внедрением информационных технологий. Энергетика, как консервативная отрасль, только начинает изучать методологию создания и подходы к реализации таких проектов. Для снижения аварийности и повышения бесперебойности потребителей теплом и электроэнергией необходимо обновлять устаревшее оборудование на более эффективное, внедрять «интеллектуальные» системы автоматического управления с возможностью создавать архивы информации – накапливать большие данные (big data), мгновенно получать актуальные или архивные сводки о текущем состоянии энергообъекта и оперативно реагировать на любые изменения.
В ряде электротехнических компаний уже ведутся работы по созданию цифровых двой­ников и систем предиктивной аналитики технологических объектов с применением методов искусственного интеллекта. Активная работа ведется в электросетевом направлении (проекты «умная подстанция», «умная сеть»), в сфере жилищно-­коммунального хозяйства («умный город»).
В теплоэнергетике только недавно заговорили о необходимости решения подобных задач. В силу технологических особенностей и используемых принципов управления в электротехнической части энергетики проще и быстрее перейти к цифровизации, чем, в так называемой, «генерирующей», особенно тепловой. В первом случае, прежде всего, используется релейно-­логическое управление и дискретное описание объектов, во втором – очень разнообразные принципы администрирования, зачастую, в условиях значительных информационных ограничений. Например, возникновение пульсаций в камерах сгорания и газодинамические процессы, приводящие к быстро развивающимся дефектам рабочих лопаток газовых турбин, достаточно сложно поддаются оперативному анализу и математическому моделированию. Здесь может быть недостаточно обязательных датчиков температуры, вибраций и др. даже при длительном накоплении массива обрабатываемых данных для построения эффективной системы предиктивной аналитики.
Кроме того, на российских электростанциях только начинают внедрять возможность удаленного подключения к информационным системам мониторинга или архивирования оперативных данных экспертов, специалистов – технологов, создавая распределённый центр анализа и принятия решений.
Тепловая электростанция (ТЭС) – один из наиболее сложных технических объектов для управления. Она включает в себя различные технологические системы с разными динамическими характеристиками и принципиально отличающимися принципами управления: котельное, турбинное электротехническое оборудование, топливо и водоподготовка, системы, обеспечивающие выполнение экологических требований (сероочистка, золоулавливание и др.) и другие необходимые вспомогательные системы. Все эти системы связаны между собой и влияют друг на друга.
В то же время, к уже существующим требованиям по эксплуатации ТЭС, направленным, прежде всего, на обеспечение надежности и безопасности энергоснабжения, в последнее время добавились достаточно жесткие экологические требования [1]. А обеспечение экономичности работы оборудования особенно в переменных (пусковых) режимах – традиционная задача оптимизации для ТЭС. Решение всех этих вопросов невозможно без перехода на новый уровень управления, использующий технологии цифровизации, максимально возможной автоматизации, мониторинга и оптимизации, то есть построения системы «умная электростанция», которая может быть интегрирована с другими интеллектуальными, в том числе, внешними системами.
Зарубежный опыт применения указанного подхода показывает, что он позволяет решать очень сложные задачи и получать существенные экономический и технический эффекты. Например, контроль состояния трубопроводов ТЭС в режиме реального времени – достаточно сложная задача, так как, при эксплуатации чаще всего измеряются только давление и температура пара. В системе мониторинга, реализованной VGB, сочетание моделирования и необходимых измерений позволяет точно определить дополнительные нагрузки и их влияние на состояние трубопроводов во всех возможных режимах работы, в том числе и тех, которые не могут быть учтены при проектировании, и осуществлять [2]:
– непрерывный мониторинг перемещений креплений трубопроводов;
– оповещение о непредусмотренных напряжениях, что позволяет избежать сокращения срока службы оборудования;
– выявление особенно сильно нагруженных участков трубопровода, что позволяет в процессе плановых проверок и обследований уделять внимание именно этим участкам, снижая затраты на обследование в целом.

Команда компьютерных инженеров
Источник: Gorodenkoff / Depositphotos.com

Для оптимизации управления процессом горения на ряде зарубежных пылеугольных ТЭС уже сейчас используется система расширенного мониторинга с применением «умных» технологий, которая формирует набор периодических и стохастических характеристик, дающих оптимальную информацию о тонкости помола, состоянии мельницы, изменениях расхода угольной пыли в каждой трубе. Эти данные и данные, поступающие от автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) котла, обрабатываются с помощью алгоритмов, построенных на основе самообучаемых нейронных сетей. Это позволяет прогнозировать в режиме реального времени характеристики технологического процесса, например, температуру дымовых газов, содержание кислорода и выбросов вредных веществ (оксидов азота, серы и др.) в дымовых газах, сымитировать управляющие воздействия и проанализировать реакцию на них. Полученный оптимальный алгоритм для корректировки регулируемых переменных в режиме реального времени поступает в АСУТП котла для реализации интеллектуального управления [2].
В то же время на российских пылеугольных ТЭС, как правило, обычное регулирование нагрузки представляет трудности, особенно в части обеспечения точности поддержания мощности, соответственно, оптимизация экологических характеристик в данном случае просто не может быть выполнена.
В целом на данный момент уже имеет место задержка в части выработки решений по цифровизации теплотехнической части энергетики на несколько лет. Это может привести к отставанию отрасли в целом. По экспертной оценке, уже в ближайшие год – два данный факт может вызывать технические и организационные трудности при эксплуатации оборудования ТЭС. Это потребует существенных затрат со стороны генерирующих компаний и может поставить их в зависимость от владельцев разработанных технических решений по цифровизации, которые будут более дорогостоящими в теплотехнической, чем электротехнической части энергетики.
Следует отметить, что нормативные документы, определяющие эксплуатацию теплотехнической части тепловых электростанций, уже сейчас во многом устарели. В случае дальнейшей цифровизации отрасли этот разрыв будет более ощутимым и может привести к проблемам в эксплуатации. Поэтому необходимо параллельно решать две задачи: цифровизацию отрасли и её нормативное сопровождение. В электротехническом (сетевом) и энергосистемном направлениях, например «СО ЕЭС», НТЦ «ФСК», «Россети», используется именно такой подход. При этом:
– отдельные положения развития электроэнергетики на базе SMART GRID («умные сети») включены в Энергетическую стратегию России;
– в ПАО «ФСК ЕЭС» инициирована программа инновационного развития магистральных электрических сетей на базе интеллектуальных технологий;
– в МРСК реализуются отдельные точечные проекты «умного города»: интеллектуальные системы учета, «умная (цифровая) подстанция».
Аналогичный подход, на наш взгляд, следует использовать и при цифровизации «генерирующей» энергетики, прежде всего, тепловых электростанций – одновременную (параллельную) актуализацию документов, устанавливающих нормы и правила эксплуатации, разработку и введение в действие новых актов, кодификацию законодательства.
Сейчас в области цифровизации компаниям не хватает инновационного комплексного подхода, доверия в защищенность данных и умения адаптировать цифровые технологии к существующим бизнес-­процессам. Борьба за клиента требует от производителей новых бизнес-­подходов – предоставления более качественного сервиса и более удобного доступа к разнообразным услугам «экосистемы», предугадывание поведения клиента. На первый план выходят скорость реакции на действия клиента и бесшовное перемещение между сервисами.

Цифровая ПС 110 кВ Медведевская
Источник: «Россети»

Цифровые экосистемы появились на Западе, существенного развития национальные экосистемы достигли в США и Китае, а в России они только зарождаются. В Минэкономразвития РФ разработана концепция государственного регулирования цифровых платформ и экосистем, направленная на создание сбалансированных регуляторных условий для участников цифровых рынков в целях развития национальной экономики, обеспечения безопасности и технологической независимости.
Указом президента РФ 13 мая 2019 г. утверждена Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации, конкретизирующая, в том числе, стратегию научно-­технологического развития и основы государственной политики в области энергетики. В документе определены не только внутренние и внешние вызовы и угрозы в области энергетической безопасности, но и связанные с ними риски.
Так, трансграничным вызовом энергетической безопасности является мировое развитие и распространение прорывных технологий в сфере энергетики, в том числе, цифровых и интеллектуальных технологий.
К основным рискам справедливо следует отнести несоответствие технологического уровня отечественных предприятий энергетики современным мировым требованиям и чрезмерная зависимость их деятельности от импорта некоторых видов оборудования, технологий, услуг, программного обеспечения, усугубляющаяся монопольным положением их поставщиков. Недостаточная инновационная деятельность, ориентация на импорт технологий вместо развития отечественного научно-­технологического потенциала являются, пожалуй, одной из ключевых проблем, решение которой следует начинать безотлагательно уже сейчас. При этом текущее состояние нормативно-­правовой базы в настоящее время является одним из сдерживающих факторов внедрения инновационных технологий в сфере энергетики, в первую очередь, современных интеллектуальных информационных систем.

«Умные системы»:
«умные электростанции»

В последнее время вектор развития информационных систем направлен преимущественно на создание «умных систем» – это собирательное название для интеллектуальных информационных систем, которым присуща высокая степень внутренней самоорганизации и большое количество обратных связей.
Основная идея их применения состоит в использовании распределенных, как правило, цифровых датчиков и информационных систем, взаимодействующих между собой для максимального обеспечения удобства человека и высокоэффективного производства. «Умная система» способна долго и бесперебойно функционировать самостоятельно без привлечения человека, выполняя действия по заложенным отработанным алгоритмам, и, накапливая информацию с возможностью обучения, реагировать на изменения в окружающей среде.
Одна из основных задач «умного» предприятия – прогнозирование и предупреждение о возникновении ситуаций, которые потенциально могут снизить производительность, точность или качество. В термин «умного предприятия» также закладывается способность подбора правильного варианта возможной реакции из множества альтернатив, основанного на результатах «предсказания» с учетом поставленной цели.
Основываясь на базовых определениях «умных систем», можно выделить основные отличительные черты «умной электростанции»:

  1. Способность к «умному» действию и «умному» реагированию. Основная цель – обеспечить максимально эффективное (оптимальное) функционирование оборудования (технологическое, экономическое, экологическое). При этом необходимо осуществление постоянного мониторинга операции, непрерывное обучение, информирование.
  2. Самовосстановление или «мягкое» отключение. При аварийных ситуациях или выходе из строя ключевых элементов системы должно быть предусмотрено переключение на резервное оборудование, оперативное информирование «дружественных» систем и возможность отключения в целях предупреждения аварийного повреждения системы по алгоритмам с минимальными негативными последствиями как для самой системы или ближайшего окружения, так и для потребителей.
  3. Оперативное реагирование. Эксплуатационный персонал, оборудование, информационные системы, базы данных должны быть интегрированы между собой и осведомлены о текущем состоянии друг друга. Датчики, исполнительные механизмы, оборудование должны уметь обрабатывать информацию и выполнять самоанализ. Каждое техническое устройство должно быть способно определить своё текущее состояние и сообщать об этом связанным с ним устройствам.
  4. Реакция на внештатные ситуации. Оборудование «умной» электростанции должно быть способно обнаружить внештатные ситуации и среагировать на них. Постоянный мониторинг, диагностика, самообучение системы позволяют ей функционировать и принимать решения в зависимости от изменения обстоятельств.
  5. Персонал. Сотрудники «умной электростанции» должны обладать всей полнотой знаний, иметь возможность принимать решения, уметь выполнять необходимые действия, обеспечивающие эффективную и надёжную эксплуатацию оборудования.
  6. Доступ к информации. Должен быть обеспечен доступ к необходимой информации для функционирования оборудования в любой момент его работы при соблюдении конфиденциальности и требований к надежности хранения и обработки информации. Для предотвращения аварий должен осуществляться постоянный сбор, мониторинг и анализ данных с помощью системы в реальном времени.
  7. Обеспечение сопротивления кибер-­атакам и другим негативным влияниям, в том числе реализация информационной и энергетической безопасности.
  8. Оптимизация управления технологическими процессами и производственными активами. В целях повышения эффективности процессов эксплуатации и ремонтов, в том числе, ремонта оборудования по состоянию, «умная» электростанция должна быть оснащена «умной» системой управления производственными активами с применением методов искусственного интеллекта и онлайн-­мониторинга их функционирования.
    Таким образом, «умная электростанция» – комплексное информационно-­техническое решение с использованием искусственного интеллекта, позволяющее, в том числе, путем повышения уровня автоматизации технологических и управленческих (организационных) процессов, оптимизировать управление электростанцией, повысить эффективность, экономичность и надежность эксплуатации, снизить количество аварийных ситуаций и внеплановых остановок, а также сократить время на восстановление или ремонт оборудования.

Цель и задачи создания «умной электростанции»

С учётом существующего динамичного мирового развития и внедрения передовых технологий в сфере энергетики следует отметить отсутствие проработанных подходов и принципов по интеграции АСУТП, автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) и корпоративных информационных ресурсов в единую систему управления электростанции (энергообъекта). Данный факт очень остро ставит вопрос о необходимости разработки и внедрения современной интеллектуальной системы управления производственно-­технологическими и сопутствующими производству бизнес-­процессами. При этом современный уровень развития автоматизации процессов и цифровых технологий позволяет с уверенностью говорить о возможности создания такой системы.
Немаловажное значение имеют задачи по совершенствованию государственного управления в области обеспечения энергетической безопасности, которые предполагают создание системы управления рисками, обеспечение взаимодействия с государственными информационными системами, системами мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на объектах энергетики. Необходимо обеспечить технологическую независимость объектов энергетики в части импортозамещения информационных технологий и программного обеспечения, развития отечественного научно-­технологического потенциала, освоения передовых методов производства в сфере энергетики, создания центров компетенций, предотвращения критического отставания в развитии цифровых и интеллектуальных технологий.
Очевидно также, что цели и задачи создания информационной системы «умная электростанция» полностью соответствуют целям, принципам и задачам обеспечения энергетической безопасности, определённым Доктриной энергетической безопасности Российской Федерации.

Персонал на учениях по ликвидации аварий
Источник: «Россети»

Таким образом, одной из основных задач цифровизации энергетики в настоящее время должна стать разработка отечественной интегрированной интеллектуальной информационной системы «умная электростанция» (ИС УЭС) с использованием технологий искусственного интеллекта для автоматизации разумного поведения её технических систем и бизнес-­процессов и минимизации участия человека в управлении оборудованием и принятии управленческих решений по обеспечению жизнедеятельности электростанции в процессе эксплуатации и ремонта.
Необходимо отметить, что для эффективного и полноценного перехода на новый уровень управления и эксплуатации ТЭС – уровень «умной электростанции» – необходимо не только создание и внедрение ИС УЭС в технологических процессах ТЭС и других энергетических предприятий, но и соответствующее нормативно-­правовое обеспечение. Параллельно созданию ИС УЭС должна быть обязательно проведена разработка и актуализация необходимых положений энергетической политики в генерирующем секторе энергетики и нормативно-­технических и других регламентирующих документов и актов, включая требования о ценообразовании, об экологии, кибербезопасности и др.

Функциональные требования «умной электростанции»

При создании «умной электростанции» должны использоваться методы и технологии управления, обеспечивающие надежную и эффективную эксплуатацию технологического оборудования. С учетом современных требований к быстродействию, объёму информации и возможностям оптимизации необходимо использовать, в том числе, методы и технологии интеллектуального управления.
Функционал системы должен обеспечить возможности интеллектуального управления и технического обслуживания электростанции. Его можно условно разделить на несколько основных блоков управления:
– производственными процессами;
– техническим обслуживанием и ремонтами;
– бизнес-­процессами.
интеллектуальное управление производственными процессами на электростанции:
– интеллектуальное управление технологическим процессом производства электроэнергии;
– интеллектуальное планирование режимов работы электростанции в соответствии с действующими регламентами.
интеллектуальные цифровые двой­ники энергоблоков и цехов электростанции:
– интеллектуальный цифровой двой­ник – единый центр контроля за работой энергоблоков и цехов электростанции. Модель (цифровой двой­ник) должен соответствовать реальным условиям эксплуатации электростанции и постоянно наполняться актуальными данными о работающем объекте;
– получение агрегированной информации должно осуществляться, в том числе, путем интеграции информационной системы «умная электростанция» с действующими информационными системами.
интеллектуальное управление техническим обслуживанием и ремонтами:
– интеллектуальный автоматический контроль технического состояния и диагностика оборудования;
– автоматический учет наработки по всем единицам оборудования и автоматическое планирование объемов ремонтных работ.
интеллектуальное управление бизнес‑процессами на электростанции:
– автоматическое формирование технико-­экономической отчетности;
– автоматическое формирование первичных документов.
интеллектуальная система безопасности – современное решение от несанкционированного внешнего, а также внутреннего доступа к оборудованию и информационным системам электростанции:
– интеллектуальное управление физическим доступом транспорта и персонала;
– интеллектуальное обеспечение кибербезопасности электростанции.
Заключение

«Умная электростанция» во многом определит дальнейший вектор развития техники и технологий в энергетике, информационных систем и систем автоматического управления, направлений по оптимизации технологических процессов электростанций, нормативных документов, регламентирующих создание и эксплуатацию электростанций. Такая работа концептуальна для развития электроэнергетики в России на ближайшие десятилетия и, в первую очередь, определяет энергетическую безопасность страны.
«Умная электростанция» является одним из важных, если не основных, элементов будущей электроэнергетической системы России, которая уже сейчас постепенно трансформируется в инфраструктуру нового типа – интеллектуальную энергосистему. Задачи, которые должны быть решены при создании интеллектуальной информационной системы, направлены, прежде всего, на обеспечение импортозамещения и энергобезопасности страны, минимизацию негативного влияния на окружающую среду, удовлетворения энергетических запросов общества с максимальной эффективностью и оперативностью за счет организации гибкого технологического взаимодействия всех её элементов на базе развития надежных и безопасных цифровых технологий и технологических систем оптимизации процессов.
Для перехода на новый уровень управления и эксплуатации ТЭС – уровень «умной электростанции» – необходимо не только создание и внедрение ИС УЭС в технологических процессах ТЭС и других энергетических предприятий, но и соответствующее нормативно-­правое обеспечение. Должна быть проведена разработка и актуализация необходимых положений энергетической политики в генерирующем секторе энергетики и нормативно-­технических и других регламентирующих документов и актов, включая экологические, надежностные и др. требования.