Статья посвящена проблеме, которая «выпала» из стратегии цифровой трансформации электросетевого комплекса – модернизация силовых трансформаторов. На основе анализа компонентов стратегии обоснованы и сформулированы основные положения дорожной карты цифровизации трансформаторной отрасли России.
Новый электросетевой комплекс России – цифровая электроэнергетическая экосистема
Сети электроснабжения в нашей стране – сложный комплекс технических и человеческих ресурсов, от надежного функционирования которого без преувеличения зависит жизнь государства [1]. Автор уже обращался к различным отдельным аспектам цифровизации электроэнергетического комплекса [2-3]. В 2019 году ПАО «Россети» приступило к выполнению «Плана ГОЭЛРО XXI века» [4-5], как еще называют программу цифровизации в соответствии с «Концепцией цифровой трансформации 2030» (далее - просто Концепция). Стоимость программы составляет 1,3 триллиона рублей, и она предполагает такое преобразование электросетевой инфраструктуры, что в результате ПАО «Россети» получит управление активами бизнеса с использованием искусственного интеллекта и других цифровых технологий. Самая крупная электросетевая компания в мире (2,35 миллиона километров линий электропередач, 507 000 ПС суммарной трансформаторной мощностью > 795 кВА) фактически превратится в электроэнергетическую экосистему, так как цифровая трансформация повлечет за собой развитие новых сервисов. Как составная часть электроэнергетической триады «генерация – транспортировка – сбыт» «Россети» превращаются в драйвер цифровизации всей экономики (рис. 1).
Рис. 1. Структура и взаимодействие компонентов в электроэнергетической триаде РФ
Но создание электроэнергетической экосистемы может споткнуться на важном техническом моменте. Для выяснения риска, который, по-видимому, выпал из поля зрения создателей «Плана ГОЭЛРО XXI века», рассмотрим основные блоки Концепции. Концепция состоит из основных компонентов:
- Целевая модель цифровой трансформации.
- Фабрика данных.
- Цифровая сеть.
- Цифровое управление компанией.
- Центр аналитических компетенций.
- Центр кибербезопасности.
- Научно-исследовательский центр.
- Дополнительные сервисы.
Рис. 2. Эффекты цифровой трансформации
Рис. 3. Задачи и принципы цифровой трансформации
Масштабности и грандиозности проекта, значимости его задач соответствуют производимые им эффекты. Что очень важно, проект будет и сам генерировать новые проекты. Цифровая инфраструктура холдинга «Россети» может стать основой общепромышленного интернета в нашей стране.
Рис. 4. Порядок реализации Концепции
Существующие и перспективные технологии цифровизации, технологии Индустрии 4.0 (рис. 5 и рис. 6) позволят реализовать, например, такие возможные новые проекты на базе цифровой электроэнергетической сети:
- Сервисы промышленности и бизнеса.
- Расчет тарифов для регионов.
- Управление поливом и освещением в сельском хозяйстве.
- Вычисление программ полета для космических кораблей и спутников.
- Поддержание режимов энергоэффективности промышленных предприятий.
- Управление режимами энергоэффективности в технологии «умный дом».
- Рынок данных (кроме данных персональных, конфиденциальных).
- Услуги по хранению электроэнергии
- Доступ к возможностям Фабрики данных.
- Рынок просьюмеров.
- «Интернет вещей».
Рис. 5. Существующие и перспективные цифровые технологии
Цифровой РЭС – масштабируемый элемент электросетевого комплекса Основным масштабируемым «кирпичиком» новой цифровой общегосударственной электросети является цифровой РЭС [6]. Архитектура цифрового РЭС представлена на рис. 7 [7]. Трансформатор на схеме цифрового РЭС, естественно, является одним из главных элементов.
Рис. 6. Цифровые технологии ИНДУСТРИИ 4.0
Рис. 7. Архитектура цифрового РЭС
Влияние трансформаторного оборудования на целевые показатели стратегии цифровой трансформации электросетевого комплекса Если соотнести влияние трансформаторного оборудования и целевых критериев стратегии цифровой трансформации электросетевого комплекса (рис.8), то совершенно ясно, что трансформаторное оборудование прямо влияет на достижение следующих показателей:
- Уровень потерь электрической энергии, %.
- Наблюдаемость сети, %.
- SAIDI, час.
- SAIFI, ед.
Рис. 8. Ключевые показатели эффективности
Для достижения стратегических целей и решения задач цифровой трансформации электросетевого комплекса необходимо в портфель проектов внести дополнительный проект в части разработки и применения интеллектуальных трансформаторов на основе разработки технологии создания цифровых двойников силовых трансформаторов. Функции цифрового двойника силового трансформатора:
- Точное отражение параметров электрооборудования;
- Управление электрооборудованием (сигнализация, отключение);
- Прогноз остаточного ресурса электрооборудования;
- Предсказание предаварийного состояния;
- Проведение исследований различных режимов работы электрооборудования.
I. Разработка экспертной системы для получения информации о конструкции существующего трансформатора без его разборки в условиях отсутствия проектной документации на его изготовление.
Назначение данного блока: расчет конструкции на основе электромагнитных параметров реально функционирующего трансформатора (реинжиниринг) в условиях отсутствия проектной документации в целях получения информации о конструкции трансформатора и построения его цифрового двойника, основанного на математическом описании происходящих в нем физических процессов. Исходные данные для блока I: завод-производитель, год изготовления, габаритные размеры, паспортные данные, результаты измерений на реальном трансформаторе потерь (ХХ и КЗ), токов номинального и ХХ (желательно осциллограмм), напряжений (в том числе КЗ), температуры в различных точках бака и желательно температуры верхних слоев масла, другая доступная информация о конструкции и параметрах существующего трансформатора. Описание блока: система реинжиниринга трансформатора практически не отличается от системы проектирования, используемой в реальном производстве. Главное отличие состоит в том, что данная система используется "наоборот", то есть не для целей производства, а для целей выявления особенностей конструкции трансформатора без его разборки и вывода в ремонт. Техническое задание на расчет может содержать произвольный набор исходных данных. Последовательность расчетных операций заранее не определена и может быть произвольной. При принятии проектных решений осуществляется обращение к информации экспертного характера (например, к информации об особенностях технологического цикла завода-изготовителя) и к результатам натурных испытаний трансформатора.
II. Разработка полевых моделей физических процессов в существующем трансформаторе с известной конструкцией.
Назначение блока: моделирование физических процессов в трансформаторе с использованием модели магнитного, электрического и теплового полей в целях определения максимально полной информации о состоянии и функционировании устройства в различных режимах работы и оценки остаточного ресурса. Исходные данные для блока: проектная документация на трансформатор или результаты, полученные от экспертной системы, информация о режимах работы трансформатора, результаты измерений на реальном трансформаторе потерь (ХХ и КЗ), токов номинального режима и ХХ (желательно осциллограмм), напряжений (в том числе напряжений КЗ), температуры в различных точках бака (для масляных трансформаторов) и, желательно, температуры верхних слоев масла, другая доступная информация о конструкции и параметрах существующего трансформатора. Описание блока: CAE-система , позволяющая по заданному списку исходных данных, характеризующих конструкцию трансформатора, автоматически генерировать набор конечно-элементных моделей магнитного, электрического и теплового полей в 2D-постановке, в том числе моделей с характерными деформациями, которые могут возникать в процессе транспортировки и эксплуатации и которые способны влиять на работоспособность трансформатора. Анализ картин поля после сопоставления с картинами, характерными для деформаций, позволит выявить характерные особенности трансформатора в разных режимах работы, такие как температура в разных точках устройства, в том числе температура наиболее нагретой точки (что позволит оценить остаточный ресурс изоляции), области концентрации потерь и участки, опасные с точки зрения пробоя изоляции. Это позволит оценить остаточный ресурс трансформатора. Кроме того, это позволит рассчитать параметры существующего трансформатора (точнее, семейства нелинейных характеристик), которые могут быть использованы для построения имитационной модели, которая позволит смоделировать и исследовать работу трансформатора в произвольных режимах, в том числе аварийных или критических (например, в условиях заданной перегрузки, несимметрии нагрузки и питающего напряжения, с учетом гармонического состава питающего напряжения и влияния характера нагрузки на гармонический состав токов и т.п.).
III. Разработка уточненной быстродействующей имитационной модели существующего трансформатора.
Назначение блока: создание имитационной модели трансформатора, ее обучение (построение зависимостей параметров модели от режимов работы) по результатам моделирования физических полей с калибровкой по результатам натурных измерений в целях дальнейшего исследований на предмет расчета характера протекания во времени физических процессов в различных режимах работы трансформатора (в том числе критических и аварийных) с учетом характера нагрузки и особенностей питающей сети, а также получение информации, необходимой для выявления вероятности существования внутренних повреждений трансформатора без его разборки. Исходные данные для блока: параметры трансформатора, полученные из проектной документации, а также данные, полученные с помощью подсистем, описанных в блоке 1 и блоке 2 с корректировкой по результатам натурных измерений. Описание блока: имитационная модель трансформатора, которая может быть внедрена в имитационные пакеты, позволяющие моделировать электрические цепи произвольной конфигурации с включенными в них устройствами, представленными их электрическими схемами замещения. Трансформатор в данных цепях будет также представлен быстродействующей электрической схемой замещения с нелинейными параметрами, рассчитанными на основе расчета полевых моделей с коррекцией по результатам натурных измерений. Сравнение результатов моделирования с результатами натурных измерений позволит судить о вероятности наличия внутренних дефектов в трансформаторе без его разборки (например, сравнение с осциллограммами токов в режиме ХХ позволит выявить деформации магнитопровода, которые могли возникнуть вследствие неправильной транспортировки трансформатора или после коротких замыканий вследствие электродинамических ударов; сравнение с осциллограммами токов в режиме КЗ позволит выявить деформации обмоток, которые могли возникнуть по тем же причинам).
IV. Разработка системы имитации работы трансформатора в различных режимах.
Назначение блока: Достоверный расчет протекания во времени различных режимов работы трансформатора (в том числе критических и аварийных) с учетом характера нагрузки и особенностей питающей сети, а также получение информации, необходимой для выявления вероятности существования внутренних повреждений трансформатора без его разборки. Исходные данные для блока: цифровой двойник трансформатора, созданный с помощью подсистемы, описанной в п. 3, а также информация о структуре и параметрах сети, в которую он включен, и о характере подключенной к нему нагрузки. Описание блока: имитационный пакет, обеспечивающей функционирование имитационной модели трансформатора совместно с сетью, нагрузкой и прочими электротехническими устройствами, работающими от той же сети. Имитационный пакет позволяет моделировать электрические цепи произвольной конфигурации с включенными в них устройствами, представленными их электрическими схемами замещения (трансформаторы здесь представлены уточненными быстродействующими имитационными моделями, описанными в п. 3). Имитационный пакет позволит смоделировать произвольные ситуации, которые могут возникнуть при работе трансформатора и определить характер возникающих последствий. В частности, данный пакет позволяет снимать осциллограммы изменения величин, характеризующих работу трансформатора (токов, напряжений, температур и т.п.), для последующего сравнения их с реальными осциллограммами, снятыми на существующем трансформаторе. Возможны следующие направления использования описанного комплекса:
- Расчет параметров надежности трансформатора на основе сопоставления имитационных моделей с результатами натурных испытаний и анализа статистики.
- Оценка наличия дефектов в трансформаторе без его разборки в условиях неполной информации.
- Анализ возможных последствий работы трансформатора в различных режимах (например, в режиме длительной перегрузки, при заданной несимметрии нагрузки или питающего напряжения, в условиях заданного гармонического состава питающего напряжения и/или характера искажений гармонического состава токов, вносимого нагрузкой, и т.п.).
- Анализ последствий аварий на трансформаторе без его разборки и без вывода в ремонт на основе математических моделей физических процессов в трансформаторе, калиброванных по результатам измерений.
- Анализ вариантов управления режимами работы трансформаторной подстанции и/или режимами принудительного охлаждения трансформатора на основе нейросетевого прогноза нагрузки и метеорологических условий среды.
Тема технологии цифровых двойников силовых трансформаторов разрабатывается проф. д.т.н. А.И. Тихоновым (Ивановский Государственный энергетический университет имени В.И. Ленина), к.т.н. А.В. Стуловым (ООО «Трансформер»). Реализация проекта технологии цифрового двойника силового трансформатора включает следующие этапы:
- Опытно-конструкторская разработка.
- Проведение стендовых испытаний.
- Апробация на пилотном объекте.
- Серийное производство цифровых трансформаторов.
На рис.9 представлен компонентный состав цифрового двойника силового трансформатора.
Рис. 9 Компонентный состав цифрового двойника силового трансформатора.
Заключение Таким образом, для успешной реализации «Плана ГОЭЛРО XXI века» в концепции «Цифровая трансформация 2030» ПАО «РОССЕТИ» необходимо учесть развитие трансформаторной отрасли, которая является ключевой в электросетевом комплексе Российской Федерации. Проект по интеграции трансформаторной отрасли в структуру ПАО «РОССЕТИ» должен быть включен в качестве одного из проектов стратегии цифровой трансформации электросетевого комплекса. Выражаю искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные материалы (технические и другие данные).
Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт
По любым вопросам можно связаться с автором по адресу: direktor@rus-trans.com
Список литературы.
- Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. – Красноярск. – Издательские проекты. – 2006. – 720с.
- Савинцев Ю.М. Выбор мощности силового трансформатора в условиях цифровизации. [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/706-выбор-мощности-силового-трансформатора-в-условиях-цифровизации.html (Дата обращения 24.02.2021)
- Савинцев Ю.М. Цифровая парадигма и управление техническим состоянием энергоэффективных трансформаторов [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/670-цифровая-парадигма-и-управление-техническим-состоянием-энергоэффективных-трансформаторов.html (Дата обращения 24.02.2021)
- Россети. Официальный сайт. [Электронный ресурс]. URL: https://www.rosseti.ru/ (Дата обращения 24.02.2021)
- Цифровая трансформация «Россетей» за 1,3 трлн рублей. Разбор основных положений программы [Электронный ресурс]. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Россети:_Цифровая_трансформация_2030_Основные_положения_и_параметры (Дата обращения 24.02.2021)
- Цифровые распределительные электрические сети. [Электронный ресурс]. URL: https://energynet.ru/rfg_pilot (Дата обращения 24.02.2021)
- Повираев Е. Концепция проекта «Цифровой РЭС». Опыт реализации: Янтарьэнерго. [Электронный ресурс]. URL: https://digitalsubstation.com/wp-content/uploads/2017/11/Tavrida-Elektrik-EnergyNet-TSPS-Kontseptsiya-TSRES.pdf (Дата обращения 24.02.2021)
- Тихонов А.И., Стулов А.В., И.В. Еремин и др. Разработка технологии создания цифровых двойников силовых трансформаторов на основе цепных моделей и 2d-моделей магнитного поля. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42555025 (Дата обращения 24.02.2021)
- А.И. Тихонов, А.В. Стулов, И.С. Снитько, А.В. Подобный. Разработка 2D-моделей магнитного поля для реализации технологии цифровых двойников и порождающего проектирования силовых трансформаторов [Электронный ресурс]. URL: https://transform.ru/newdetail.shtml?new=(15162) (Дата обращения 24.02.2021)