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.
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.
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»:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Персонал. Сотрудники «умной электростанции» должны обладать всей полнотой знаний, иметь возможность принимать решения, уметь выполнять необходимые действия, обеспечивающие эффективную и надёжную эксплуатацию оборудования.
- 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.
- Обеспечение сопротивления кибер-атакам и другим негативным влияниям, в том числе реализация информационной и энергетической безопасности.
- 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.
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.