Цифровой двойник позволяет смоделировать различные сценарии работы электросети для повышения её надежности и сокращения удельных энергозатрат на производство продукции.

Заказчик: АО «Карельский окатыш»

Сроки реализации проекта: 2019 год

Объекты внедрения: электрические сети АО «Карельский окатыш»

Что такое цифровой двойник электрической сети?

Чаще всего под понятием «цифровой двойник» подразумевается программный аналог устройства или системы, который в виртуальной среде имитирует технические характеристики и поведение своего реального прототипа.

В логику цифрового двойника заложены физические законы реального мира. При достижении определенной точности цифрового двойника, эксперименты с ним способны прогнозировать потенциальное развитие системы при изменениях заданных параметров. Однако, неверно воспринимать цифровой двойник только как симулятор для проверки различных гипотез и проведения инструктажей. Его потенциал гораздо шире и включает:

• разработку концепции сети электроснабжения;

• технико-экономическое обоснование проектов создания и развития сетей;

• разработку и обеспечение планов по реконструкции, расширению и модификации сети;

• определение причин аварий;

• анализ параметров и режимов эксплуатации;

• прогнозирование отказов и формирование технического обслуживания и ремонтов оборудования электрической сети.

Для АО «Карельский окатыш» мы создали цифровой двойник электрических сетей в среде PSS Sincal компании Siemens. В его основе лежит модель сети, включающая информацию о технических параметрах используемого оборудования, географическом расположении элементов сети, потребителях генерируемой энергии (синхронные и асинхронные электродвигатели). Средствами PSS Sincal можно произвести расчет режимов, токов короткого замыкания, мест потребления реактивной мощности и пр.

Все данные о сети отображаются в виде электрических схем в географическом, схематическом и смешанном форматах. Например, для карьеров АО «Карельский окатыш» вид с географически точным расположением сети представляет интерес, так как именно там происходят постоянные перемещения опор линий электропередач.

Результаты расчетов также можно отображать в нескольких наиболее удобных для пользователей форматах (в таблицах, графиках, диаграммах, отчетах, тепловых картах и т.д.) и оценивать с помощью цветовых обозначений на схеме сети.

Аналитические возможности цифрового двойника

Уникальность созданной в PSS Sincal модели сети состоит в том, что расчёты можно проводить как с учетом изменений в ГПП, так и с учетом изменений потребления конечными пользователями.

Вычисление и прогнозирование участков сети с максимальным потреблением реактивной мощности

В сети предприятия находится более 1000 энергоприемников. Визуализация данных об уровне реактивной мощности в сети в формате тепловой карты, позволила легко определить потребителей реактива: мощные асинхронные двигатели и сети сторонних потребителей.

Обладая данными о местах возникновения и концентрации потоков реактивной мощности, с помощью серии расчетов установившегося режима в PSS Sincal мы проработали несколько вариантов мероприятий по снижению влияния реактива на сеть: частичный перенос нагрузки между центрами питания, установка устройств компенсации реактивной мощности и оптимизация режимов работы синхронных двигателей.

Цифровой двойник помогает увидеть, как изменяется состояние сети при каждом из предложенных вариантов. Это позволило, например, достаточно быстро сформировать оптимальную модель регулирования синхронных двигателей, определить оптимальные точки установки УКРМ, чтобы сбалансировать их стоимость и ожидаемую экономию от снижения потерь.

Моделирование искажений сети

Механизмы с частотно-регулируемыми приводами, в частности насосы, компрессоры, конвейеры, являются источником нелинейных нагрузок, которые ухудшают качество электрической энергии в сети. Создаваемые помехи снижают надежность работы всех электронных и компьютерных систем, а также систем связи.

Для расчёта гармонических искажений в электросети АО «Карельский окатыш» в цифровой двойник были загружены результаты проведенных нами измерений качества электроэнергии в 278 точках.

Моделирование искажений сети от частотно-регулируемых мощных асинхронных двигателей позволило определить зоны распространения опасных радиопомех и наведенных электрических сигналов, приводящих к сбоям систем автоматического управления технологическими процессами.

Перспективное моделирование

Одна из самых мощных функций PSS Sincal – создание и расчёт перспектив развития сетей на ближайшие годы. Теперь энергетики АО «Карельский окатыш» на основе нормального режима работы и с учётом существующей инфраструктуры могут самостоятельно разрабатывать планы развития сетей.

В программной среде PSS Sincal разработка проводится объектно-ориентированным методом. То есть инженер может вводить в расчет новые нагрузки, трансформаторы, линии и другие элементы сети, а программа подскажет, как изменится состояние сети. Теперь не требуется большое количество расчетов. Новые объекты размещаются сразу на мнемосхемах с указанием их паспортных характеристик и роли в сети. При этом на экране отображаются все результаты расчета режима с оценкой минимальных и максимальных величин (например, уровни напряжения и нагрузки) и диаграммы с информацией о требуемой мощности и перегруженных линиях.

Если во время расчета превышены ограничения, выводится дополнительная информация, необходимая для локализации слабых мест и определения мер по усилению или реструктуризации сети.

Выявление источников небалансов в сети

Для крупных поставщиков электроэнергии головной болью может стать выявление незаконных потребителей в сети, а для промышленных предприятий – своевременное обнаружение неисправностей, в том числе в измерительных приборах. Цифровой двойник электросети позволяет быстро определить источник проблемы в сети, так как система всегда реагирует, если где-то появился дисбаланс.

С помощью PSS Sincal нам удалось вычислить неисправные счетчики. Для предприятия это было очень важно, потому что неисправности приборов учета лишают возможности сформировать корректный материальный и энергетический баланс, оценить показатели удельного энергопотребления.

Расчет потерь трансформаторов

При занесении паспортных данных трансформатора в цифровой двойник в PSS Sincal, а также данных о том, сколько энергии поступает на трансформатор и сколько он отдает, можно отследить потери активной мощности. Таким образом реально оценить, насколько трансформатор физически изношен, и при больших потерях подобрать оптимальную его загрузку.

Для АО «Карельский окатыш» мы провели различные тесты. Например, проверили гипотезу, что, компенсировав реактивную энергию, сможем увеличить энергоэффективность сети. На деле же вышло, что потери активной мощности от реактива оказались незначительными и для обеспечения нормальной работы сети необходимо приобретение лишь двух современных устройств компенсации реактивной мощности.

Разработка графика работы электротранспорта

Для предприятий типа АО «Карельский окатыш», очень важно поддерживать, нормальную работу электровозов, горных экскаваторов и прочей карьерной техники.

Для АО «Карельский окатыш» с помощью PSS Sincal мы рассчитали, как будет изменяться состояние сети при движении по разным отрезкам железной дороги одного груженого состава, потом двух, ищущих навстречу друг другу, а также рассмотрели иные дорожные ситуации. Без цифрового двойника просчитать все разнообразие вариантов крайне затруднительно, потому что приходится иметь дело с несимметричными нагрузками.

Моделирование в PSS Sincal помогло выявить те отрезки пути и такую компоновку транспорта, когда электричества может не хватить, и оба электровоза просто остановятся. Все узкие места можно увидеть на тепловой карте. На основе данных из PSS Sincal можно предпринять меры по организации бесперебойного движения электровозов.

Похожие расчеты проведены и для карьерной техники. Там цифровой двойник крайне необходим, потому что карьер – это место, где происходят постоянные изменения как карты сети, так и нагрузок на разных участках. В программной среде PSS Sincal легко смоделировать, как поведет себя сеть при изменении расположения потребителей, при увеличении или снижении нагрузки. Это важно для того, чтобы наиболее выгодно расположить воздушные линии по отношению к существующим ГПП для питания карьерной техники.

Выводы

Цифровой двойник электрической сети, выполненный в PSS Sincal, помогает осуществлять оперативное управление энергоресурсами предприятия, а также производить расчет перспективного развития сетей.

Специалисты «Суммы технологий» проводят полный цикл работ по разработке математической модели электрических сетей предприятия, в которые входит:

1. Обработка данных, полученных напрямую от заказчика или путем интервьюирования сотрудников. На этом этапе собираются схемы нормального режима электрических сетей высокого напряжения, каталоги высоковольтных силовых трансформаторов, силовых трансформаторов среднего напряжения, трансформаторов собственных нужд, токоограничивающих реакторов, синхронных и асинхронных двигателей среднего напряжения, кабельных и воздушных линий высокого и среднего напряжения и прочие данные;

2. Статистическая обработка данных АИСКУЭ и АСТУЭ по энергопотреблению предприятия и ГПП;

3. Проведение инструментального обследования электрических сетей;

4. Создание и верификация модели электрических сетей в программном комплексе PSS Sincal;

5. Разработка различных вариантов перспективного развития электрических сетей и вынесение рекомендаций;

6. Обучение персонала работе с цифровым двойником в PSS Sincal или абонентское обслуживание модели.