Постоянные читатели нашего канала знают, что все заметные события в мире энергетики мы рассматриваем в контексте наступающей промышленной революции, смены технологических укладов и связанной с этим трансформации энергетических систем, поэтому периодически размещаем концептуальные статьи на эту тему.
Одной из наиболее известных концепций, описывающей очередную (4-ю по счету) промышленную революцию, является «Индустрия 4.0», разработанная в конце 2010-х годов в Германии и делающая акцент на известных нам современных технологиях – цифровой аналитике и Big Data, Интернете вещей (IoT), облачных вычислениях, искусственном интеллекте и машинном обучении, ряде других.
В журнале IEEE Power & Energy (т. 22, № 6 за 2024 год) большая группа авторов (Джованни Манассеро мл., Сильвио Джузеппе Ди Санто, Эдуардо Лоренцетти Пеллини, Милана Лима душ Сантуш, Педро Мигель Андраде Сирио, Родриго Розенблит Тиферес, Альваро Да Роча Альбертини, Франсиско Эланиу Безерра и Габриэль Родригес Сантос) опубликовала статью, в которой сделана попытка описать в терминах этой парадигмы перспективную конфигурацию ключевого элемента электроэнергетической системы – Подстанции 4.0.
Мы не считаем представленный здесь подход по-настоящему революционным, скорее в статье обсуждается совершенствование текущего энергетического уклада, а не создание нового. Но следует знать разные подходы и позиции. Ниже приводим краткий обзор статьи.
Индустрия 4.0
Основное содержание парадигмы «Индустрии 4.0» авторы видят в обеспечении взаимосвязи виртуальных и физических компонент, таких как датчики, оборудование и другие активы, друг с другом, с людьми и с Интернетом. Для этого обычные технические устройства должны быть преобразованы в способные самостоятельно обучаться разумные устройства. Наиболее важными потребностями «Индустрии 4.0» являются мониторинг и контроль состояния активов и продукции в режиме реального времени, для чего необходимы информационные и коммуникационные технологии.
Применительно к электроэнергетике авторы видят перспективу развития индустрии интеллектуальных сетей в версии 4.0, что обеспечит предоставление «умной электроэнергии» с помощью информационно-коммуникационных технологий, дающей потребителям, поставщикам и самим электросетям широкий спектр преимуществ, включая использование возобновляемых и распределенных источников энергии, повышение эффективности, надежности и безопасности. Ключевым элементом новой энергетики является Подстанция 4.0.
Подстанция 4.0: основные принципы
Это всеобъемлющие принципы, связанные с общими целями, к которым стремится энергетическая подстанция будущего на базе "Индустрии 4.0", и которые основаны на высоком уровне операционной эффективности:
- Эксплуатационное совершенство. Является центральным элементом, поскольку оно является целью внедрения цифровой и интеллектуальной подстанции. Оно сочетает в себе надежность, снижение затрат, минимизацию рисков, гибкость, маневренность, оперативность реагирования и устойчивость.
- Повышение эффективности работы. Снижает затраты за счет штрафных санкций за непредоставление электроэнергии, техническое обслуживание и потребление энергии, способствует улучшению условий труда и безопасности при использовании рабочей силы, повышению оперативности и производительности систем защиты, а также предоставлению данных, которые помогают принимать более обоснованные и оптимизированные решения.
- Цифровая трансформация. Включает в себя оцифровку систем, сбор и анализ данных, Big Data и аналитику, подключение устройств к сетям и необходимые соображения кибербезопасности.
- Автоматизация процессов. Обеспечивает комплексную интеграцию всей системы. Включает разработку датчиков и функциональных возможностей, таких как автоматизированное техническое обслуживание и эксплуатация, подключение, мониторинг, виртуальные модели, интероперабельность, унифицированные протоколы, Интернет вещей (IoT), автономные и киберфизические системы.
- Интеллектуальный подход к работе. Учитывает элементы, связанные с работником, и изменения на рабочем месте, вносимые технологиями "Индустрии 4.0". Сюда входят изменения в организации труда, соображения о безопасности своих сотрудников, формирование более специализированной или более гибкой рабочей силы, обучение, квалификация, оценка эффективности, документирование и стандартизация процессов эксплуатации, технического обслуживания и инжиниринга.
Связи между принципами и средствами их реализации показаны на рис. 1.
Подстанция 4.0: средства и технологии
Средства представлены в виде широкомасштабных процессов, которые обеспечивают достижение поставленных целей и реализацию основных принципов. К технологиям отнесены инструменты, которые позволяют реализовать такие возможности.
- Big Data и аналитика. Связаны с производительностью, которой должны обладать вычислительные системы подстанции на базе "Индустрии 4.0" для быстрой и эффективной обработки и анализа больших объемов данных. Примерами существующих технологий являются алгоритмы когнитивных и облачных вычислений, искусственный интеллект, платформы data lake и информационные технологии.
- Автономные роботы / Киберфизические системы / Интернет вещей. Оборудование и приборы должны выполнять процессы автоматически и быть связаны между собой через Интернет. Одними из ведущих технологий, связанных с Подстанцией 4.0, являются системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) с высокопроизводительным человеко-машинным интерфейсом, интеллектуальные электронные устройства, цифровые двойники и системы для моделирования системы, беспилотные летательные аппараты, системы удаленного доступа и управления, датчики, объединяющие блоки, коллаборативные роботы и программно-определяемые архитектуры.
- Системная интеграция и повсеместная коммуникация. Ключевыми технологиями, позволяющими реализовать этот инструмент, являются: SCADA-системы; датчики (измерительные преобразователи); устройства, которые оцифровывают и обрабатывают данные, собранные в полевых условиях; протоколы связи и резервирования; информационные технологии.
- Кибербезопасность. Все системы Подстанции 4.0, переведенные в цифровую форму и подключенные через коммуникационные сети и Интернет, должны быть оснащены системами кибербезопасности, способными защитить инфраструктуру подстанции от атак. Для этого используются такие технологии, как брандмауэры, антивирусы, коммутаторы третьего уровня, алгоритмы шифрования, а также программное обеспечение для обеспечения конфиденциальности данных и аутентификации и защиты от вторжений и внешних угроз.
- Открытые архитектуры и стандартизация. Коммуникационные сети Подстанции 4.0 должны быть стандартизированными, реализованными с использованием открытых протоколов связи, резервирования и синхронизации времени. В контексте цифровых подстанций двумя важными стандартами являются IEC 61850 и Общая информационная модель (CIM). IEC 61850 определяет протокол связи для интеллектуальных электронных устройств, используемых в энергосистемах, обеспечивающий взаимодействие и обмен данными между устройствами разных производителей. CIM - это модель данных, которая обеспечивает стандартный способ представления и обмена информацией об активах энергосистемы и их характеристиках.
- Управление знаниями. Все знания должны быть надлежащим образом задокументированы и зарегистрированы для обучения новых сотрудников выполнению работ на Подстанции 4.0. Примерами применяемых технологий являются платформы бизнес-аналитики, интегрированные платформы (для интеграции руководств, директив и курсов), инструменты обучения и повышения квалификации, информационные технологии, виртуальная и дополненная реальность.
- Управление активами и процессами. Все активы Подстанции 4.0 (основное оборудование, средства автоматизации, защиты, управления, системы связи и др.) должны иметь задокументированные метаданные (происхождение, дата и место изготовления, история технического обслуживания и др.). Кроме того, должны быть зафиксированы характеристики процессов, которые происходят в ходе рутинных операций. Среди ведущих технологий управления активами и процессами можно отметить платформы бизнес-аналитики, информационные технологии, беспилотные летательные аппараты (для наблюдения и мониторинга линий электропередачи и силовых трансформаторов), а также системы прогнозирования технического обслуживания и отслеживания активов.
- Создание и развитие новых сервисов и бизнесов. Этот инструмент связан с развитием новых бизнес-возможностей в среде Подстанции 4.0. Это внедрение новых видов деятельности, связанных с климатической и природной устойчивостью (например, применение солнечных панелей с накопителями в СОПТ, сбор дождевой воды, озеленение территории, использование отходов), реализация социальных проектов и внедрение приложений для повышения качества обслуживания клиентов.
Связи между средствами и технологиями показаны на рис. 2
По убеждению авторов, представленные в статье принципы, средства и технологии будут способствовать переходу электроэнергетических систем к "Индустрии 4.0".
Подробнее читайте в IEEE Power & Energy Magazine, т. 22, № 6 за 2024 год
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России