Умные электросети и цифровые двойники выводят энергетическую отрасль на новый уровень

Электросети дают сбои во всем мире. Неполадки в их работе оставляют без электричества десятки тысяч человек и ведут к миллиардным убыткам. В таких сферах важно оптимизировать работу за счет новых технологий: уже придумали и начали внедрять умные электросети с цифровыми двойниками. Этот инструмент цифровизации помогает свести риск сбоев к минимуму. 

Рассказываем о том, какую выгоду принесет цифровизация компаниям-энергетикам и потребителям электроэнергии.

Что такое умные электросети и цифровые двойники

Умная электросеть с цифровыми двойниками — это интеллектуальная цифровая подстанция и технологии семейства Smart Grid. Такие электросети —

главные компоненты энергетических комплексов будущего. Они надежнее и безопаснее обычных электросетей, более устойчивы к стрессам, реже отказывают. 

Технологии Smart Grid – сети электроснабжения с повышенной эффективностью. Источник фото: magazine.neftegaz.ru 

«В интеллектуальных энергетических комплексах используют датчики, счетчики, сенсоры и аналитические инструменты. Они в реальном времени собирают и обрабатывают данные о работе подстанции или электросети, помогают следить за состоянием оборудования. Так компании-электроэнергетики смогут полностью контролировать процессы производства и распределения энергии на всех этапах: от электростанции до бытовой розетки дома у потребителя», — рассказал наш эксперт Владимир Максимов. 

Цифровые двойники — одна из частей умной энергосети. Это информационные модели действующих производственных объектов: электростанции, подстанции, магистральной сети и т.п.

Цифровые двойники меняют принципы работы энергосистемы. Виртуальные копии реальных объектов, которые имитируют их работу, помогают управлять энергосетями эффективнее. 

Как создают цифровые двойники 

Цифровой двойник — одна из технологий молодого технологического направления Индустрии 4.0. Это киберфизическая система, которая тесно связывает цифровой мир и физическую реальность.

Развитие интернета вещей и искусственного интеллекта стало мощным толчком для развития технологии создания цифровых двойников. Уже формируются единые подходы к технологиям и терминологическая база.  

Создание цифрового двойника проходит в два этапа:

1. Отладка алгоритмов функционирования объекта или системы 

2. Проверка гипотез: как ведет себя система в пограничных и нештатных ситуациях, когда нормальное функционирование нарушено 

Цифровые двойники строят на базе специализированных платформ.

Модели создают с помощью многочисленных датчиков и искусственного интеллекта на основе нейросетей, а также технологий высокоскоростных вычислений на основе разнообразных данных.

Данные в цифровой двойник передают специальные системы: IoT-устройства, контрольно-пропускные пункты и маяки. Еще взаимодействовать с двойником могут люди: технические специалисты и руководители предприятий вводят некоторые данные вручную.

Интерактивный сбор данных с IoT-устройств позволяет в режиме онлайн наблюдать за объектом или процессом и даже управлять ими.

Для извлечения информации применяется ПО, которое детализирует и конкретизирует данные: BMS, CMMS, CAFM.

Например, Apache Kafka вместе со Spark, Storm, Flink или NiFi обеспечивают непрерывную агрегацию и онлайн-обработку эксплуатационных данных. За надежное хранение информации и данных из CAD, CAE, CAM, MRP, ERP, SCM, CRM, SCADA-систем отвечает экосистема Apache Hadoop. 

Закономерности в работе сети выявляют при помощи нейросети. Для этого нужны большие массивы данных о работе производственного объекта за определенный период времени. Чтобы оперировать такими объемами информации нужны большие вычислительные мощности. На них можно проводить расчеты в режиме реального времени и постоянно обновлять модели на основе полученных данных. Такие возможности появились сравнительно недавно, поэтому технология цифровых двойников набирает популярность.

Цифровые двойники активно используют еще одну трендовую технологию Индустрии 4.0 — дополненную и виртуальную реальность (AR/VR). С ее помощью моделируют различные ситуации и наглядно представляют внутреннее устройство сложных систем. 

Проблемы в энергетике можно решить с помощью цифровизации

В «Россетях» уже действуют 84 цифровые подстанции. Оборудовать всю российскую энергосистему такими комплексами — значит оптимизировать и контролировать производство и распределение энергии, стать экологичнее и энергоэффективнее.

Цифровые электростанции экономят миллиарды рублей. Источник фото: relgrid.com

Цифровизация в России движется медленнее, чем в Европе. Российские энергетики в большинстве остаются консервативным в этом вопросе, но необходимость внедрять умные энергосети становится все острее. Инновации помогут решить такие проблемы в обслуживании и эксплуатации энергетических комплексов:

1. Сложность контроля энергокомплексов. Большинство энергетических объектов расположено в труднодоступных местах. Добраться до них, чтобы провести технический мониторинг, технически сложно, а иногда невозможно. 

2. Убытки из-за нерационального расхода топлива и электроэнергии. Из-за того, что энергосетевые комплексы сложно контролировать силами сотрудников, расходуется больше ресурсов, чем необходимо. Электростанции вырабатывают энергию с избытком, и при этом теряют деньги.

3. Нештатные ситуации в связи с поломками. Самостоятельно следить за износом и состоянием оборудования практически невозможно. Установки внезапно ломаются, приводят к авариям. Компании остаются без электроэнергии и несут убытки.

Разберемся, как умные электросети решают эти проблемы энергетической отрасли:

1. Проще контролировать энергокомплексы с помощью беспилотников. Многие компании уже сейчас контролируют оборудование с помощью дронов, оснащенных камерами и датчиками. Аппараты снимают линии электропередачи, выявляют нарушения и попытки несанкционированного доступа на объекты и передают актуальные данные, чтобы система могла правильно смоделировать цифрового двойника объекта. 

   Число задач, с которыми будут справляться дроны, вырастет в ближайшие годы, а у компаний появится возможность проводить мониторинг автоматически, с помощью беспилотных устройств. 

2. Дистанционный мониторинг помогает лучше контролировать энергокомплексы и снизить убытки. Внедряя системы на базе интернета вещей (IoT), производители электроэнергии эффективнее используют ресурсы, уменьшают потери электроэнергии и оптимизируют строительство новых мощностей. 

3. Искусственный интеллект и машинное обучение планируют ТОиР и предсказывают аварии. В электроэнергетике уже сейчас используют оборудование на основе искусственного интеллекта. С его помощью оптимизируют управление техническим обслуживанием и ремонтом оборудования (ТОиР). 

В основе таких инструментов лежит предиктивная аналитика средствами машинного обучения. Система собирает большие массивы данных, собранных датчиками или дронами и прогнозирует события. Цифровой двойник может отразить полный цикл работы подстанции и показать сроки износа оборудования в зависимости от условий эксплуатации. Благодаря этому предотвращают сбои и аварии на объекте. 

Экономическая выгода: спасение миллиардов

По прогнозам исследовательской компании Gartner, все крупные промышленные предприятия начнут использовать цифровых двойников в ближайшие 3 года. И энергетика — не исключение. Компании, которые опробовали инновации, уже убедились, насколько это выгодно.

Одна из территориальных генерирующих компаний России внедрила технологию цифровых двойников и уменьшила ущерб от простоя энергоблоков в 5,5 раз. Благодаря постоянному контролю количество инцидентов на блоках парогазовых установок уменьшилось почти в 3 раза.

Компания «Интер РАО Электрогенерация» внедрила систему мониторинга на базе IoT — интернета вещей, и теперь экономит 130 млрд рублей в год на сокращении перерасхода топлива. По оценкам PwC, к 2025 году совокупных экономический эффект от внедрения IoT в электроэнергетике достигнет 532 млрд рублей.

Одно из европейских энергетических предприятий сэкономило 3,2 миллиона долларов, предупредив аварию на объекте. Система предиктивной аналитики Schneider Electric  за месяц предсказала сбой в работе компрессора.

Компания AiDash из Кремниевой долины уже использует спутниковые изображения и искусственный интеллект, чтобы защитить электросети от растительности, которая может повредить линии или стать причиной пожара. Для анализа снимков электросетевого комплекса применяют инструменты компьютерного зрения.

Инновации делают российскую энергетику эффективнее

Эффективность энергетических комплексов повышают передовые решения: предиктивная аналитика, технологии интеллектуального учета электроэнергии, интернет вещей. Именно поэтому крупные компании сектора, такие как «Россети», вкладывают в инновационное развитие миллиарды рублей ежегодно.

«Важно, что цифровизация дает возможность экономить на производстве электроэнергии и увеличивать доходы. Даже в краткосрочной перспективе цифровые технологии помогут энергетическому бизнесу зарабатывать на 3-4% больше», — рассказал Владимир Максимов. 

Уже сегодня компании по всему миру оптимизируют работу энергетический комплексов, управление электросетевым оборудованием и распределением электроэнергии. В ближайшие годы инновационные умные технологии сделают российский энергокомплекс эффективнее.

Ускорить внедрение инноваций в российском энергетическом комплексе и поставить их на поток помогут меры государственной поддержки. Речь идет не только о финансировании. В первую очередь индустрии нужна усовершенствованная нормативная база, которая упростит переход к инновационным продуктам на производстве. Такие стандарты станут основой общих правил и принципов применения цифровых технологий в энергетике. 

Подробнее о том, как государственная поддержка ускорит и упростит развертывание инноваций, расскажем в нашем следующем материале.

Материал подготовила Мария Ришняк, член-корреспондент Международной Академии Менеджмента, руководитель IT, R&D проектов, эксперт в области цифровизации, совместно с Владимиром Максимовым, руководителем департамента развития новых направлений бизнеса ООО «Тошиба Рус».