РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

DIGITAL TWINS DEVELOPMENT FOR OBJECTS OF HEAT POWER ENGINEERING 

Mariya Markina

Graduate student, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia, St. Petersburg

Nikolay Amosov

Scientific adviser, Ph.D. tech. Sciences, Associate Professor, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia, St. Petersburg

Аннотация. Цифровой двойник (далее-ЦД) – понятие, появившееся несколько десятилетий назад и широко распространившееся в современной энергетике. Так как область ЦД нуждается в расширении, дальнейшая работа в этом направлении носит актуальный, современный характер. В энергетической отрасли применение цифровых двойников позволит не только получать показатели эксплуатации оборудования в режиме реального времени с целью непрерывного мониторинга, но и откроет возможность предиктивной аналитики. ЦД позволяет определять оптимальный состав включенного работающего оборудования. ЦД обладает риск-ориентированным подходом к решению производственных задач, учитывает особенности эксплуатации энергоустановок и позволяет грамотно выстроить процессы модернизации, реконструкции, ремонта и т.п.

Abstract. The digital twin (hereinafter referred to as DT) is a notion appeared several decades ago and has become widespread in modern energy industry. Since the area of the DT needs to be expanded, further work in this direction has an up-to-date, modern character. In the energy industry, the use of digital twins will not only allow real-time equipment operation indicators for continuous monitoring, but also open up the possibility of predictive analytics. DT allow to determine the optimal composition of the operating equipment. DT have a risk-based approach in solving production problems, takes into account the peculiarities of power plants operation and allow to competently organize the processes of modernization, reconstruction, repair, etc.

Ключевые слова: цифровой двойник; модель; энергетика; предиктивная аналитика.

Keywords: digital twin, model, energy industry, predictive alanytics.

Несмотря на увеличивающуюся популярность понятия «Цифровой двойник» (далее-ЦД), в мире не существует четкого определения ЦД. Авторы [1], объединив разные источники, сформулировали следующие определения:

1) ЦД-цифровая копия физического объекта, отражающая структуру, производительность, техническое состояние и характер выполняемой миссии физического объекта, включая такие параметры, как пройденные километры, возникшие неисправности, а также историю технического обслуживания и ремонта реального изделия;

2) ЦД-модель, связанная с конкретными условиями работы реального объекта, которая накапливает информацию о реальном изделии по мере его эксплуатации в конкретных условиях;

3) ЦД-объект, основанный на моделировании физических процессов, предоставляющий данные, которые невозможно получить непосредственно на физическом объекте, что может использоваться как инструмент устранения неполадок в существующих изделиях и оптимизировать производительность их последующих поколений.

Ведущими лидерами по разработке цифровых двойников считаются Европейские страны. Компания Siemens, говоря о ЦД, выделяет ЦД  эксплуатируемого продукта, ЦД производственного процесса, ЦД процесса эксплуатации, использующего данные как о реальном продукте, так и о реальных процессах. Комбинация и интеграция всех трех ЦД, когда они развиваются вместе, называется цифровой нитью [2]. Siemens разработала ЦД в целях планирования, эксплуатации и обслуживания электроэнергетической системы Финляндии, что значительно повысило уровень автоматизации системы и эффективно повлияло на качество использования данных, принятие решений. Таким образом, ЦД не просто позволяет получать реальные показатели эксплуатации в режиме online-мониторинга, но и открывает возможность предиктивной аналитики.

В России современная концепция создания ЦД электростанций и объектов теплоэнергетики нацелена на увеличение гибкости работы ТЭЦ за счет планирования и совершенствования режимов работы оборудования электростанции-двойника [3].

Концерном «Росэнергоатом» введена в эксплуатацию виртуально-цифровая атомная электростанция [4]. „General Electric“ активно внедряет ЦД ветряных электростанций и владеет патентами, тематика которых связана с ЦД [5]. Компанией доказано, что ЦД может изменить парадигму развития, эксплуатации и обслуживания ветряных электрогенераторов. Использование ЦД может повысить годовую выработку электроэнергии ветряков на 16% [6] путем выбора оптимального состава генерирующего оборудования.

С 1 января 2020 г. в России введен в действие предварительный национальный стандарт, определяющий основополагающие принципы построения ЦД производства. Согласно стандарту, ЦД — это программно-аппаратный комплекс, реализующий динамическую модель для исследования деятельности социотехнической системы и управления ею. Внедрение системы дистанционного мониторинга посредством создания ЦД на опасном производственном объекте [7] первого и второго классов опасности позволит осуществлять функции постоянного надзора. Система подключается к АСУ ТП и работает как «светофор»: зеленый цвет — безопасность обеспечивается; желтый цвет — нужно обратить внимание на изменения на объекте; красный цвет - высокий уровень риска возникновения аварии. Таким образом, ЦД обладает риск-ориентированным подходом к решению производственных задач.

К преимуществам использования цифровых двойников относят: повышенный уровень контроля и прозрачности производственных процессов, сокращение затрат на ремонт, уход от простоя за счет предиктивной аналитики состояния оборудования, симуляция изменений и проверка гипотез в виртуальной среде, сокращение затрат на оптимизацию, снижение рисков, приближение к полному контролю над производством с помощью цифровых технологий. ЦД позволяет планировать процессы модернизации, реконструкции и ремонта.

Однако ЦД не является идеальной концепцией, есть и риски: недостаточный уровень автоматизации производств, необходимость покрытия территории предприятия высококачественными беспроводными сетями; сложность объединения, анализа и обработки разнородных данных, поступающих из большого количества различных источников; долгосрочный возврат инвестиций, неочевидность экономических эффектов на ранних стадиях внедрения; угрозы кибератак [8].

В соответствии с Указом Президента РФ от 07.05.2018 г. №204 цифровая трансформация энергетики - одно из приоритетных направлений развития. 
01.01.2022 г. вышел Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 57700.37-2021, устанавливающий общее понятие ЦД. ЦД – это модель оборудования или производственного процесса, позволяющая имитировать различные ситуации и определять наиболее выгодный, эффективный и безопасный режим работы. ЦД может использоваться и как инструмент предиктивной аналитики, способный формировать прогноз эксплуатационных характеристик производственных процессов.