Цифровая модель энергосистемы, разработанная учеными ТПУ, обеспечивает максимально близкое к реальности воспроизведение процессов в энергосистемах. Источник изображения: Пресс-служба ТПУ
Ученые из Томского политехнического университета создали цифровую модель электроэнергетической системы любого масштаба, который даст оператору возможность предотвратить разрастание локальной аварии в тотальный блэкаут. Об этой разработке пишет журнал об инновациях в России «Стимул».
25 января сразу в трех республиках Центральной Азии произошло массовое отключение электричества. Аварии были зафиксированы на юге Казахстана, а также в Киргизии и Узбекистане. Эти регионы находятся в единой системе энергоснабжения.
Во многих районах были перебои с отоплением и водоснабжением, отключились светофоры, остановили работу метро и аэропорты, на горнолыжном курорте Амирсой в Узбекистане люди зависли над пропастью — там встала канатная дорога. Кое-где отключился интернет и не работала мобильная связь.
Как рассказал нам и.о. руководителя лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» Томского политехнического университета (ТПУ) Михаил Андреев, за последние двадцать лет в мире произошло более тридцати крупных аварий, в результате которых более миллиарда человек оставались без электроснабжения от восьми часов до нескольких суток. К таким масштабным авариям применяется термин «блэкаут». По сути, это полное прекращение подачи электричества на значительное время на большой территории, затрагивающее большое число людей, предприятий, социальных объектов.
Крупнейшей аварией за это время считается инцидент 2012 года в Индии. Тогда в результате системной аварии более 600 млн человек остались без электроэнергии, не работали все шесть линий делийского метро, а на севере Индии было приостановлено движение более 500 железнодорожных составов. Одна из последних крупных системных аварий в мире произошла в Великобритании из-за неправильного действия противоаварийной автоматики, что привело к нарушению устойчивой работы энергосистемы и каскадному отключению потребителей.
В России крупные аварии были в Москве в 2005 году и в Санкт-Петербурге в 2010-м. Они затронули в общей сложности более пяти миллионов человек. В Москве около 20 тысяч человек оказались заблокированными в метро, еще около полутора тысяч — в лифтах. Общий ущерб, нанесенный столице и прилегающим территориям этой аварией, составил 1,7 млрд рублей. В Санкт-Петербурге остановилось метро, выключились светофоры, 40% территории города осталось без электроснабжения, было нарушено водоснабжение.
Одно из сильнейших потрясений российская энергосистема испытала в августе 2016 года в результате инцидента на Рефтинской ГРЭС и каскадного развития аварии. В результате суммарный дефицит мощности в единой энергосистеме России составил 5,8 ГВт, были отключены 600 тысяч потребителей, остановились крупные промышленные предприятия, сибирская энергосистема была разделена на части. На восстановление ее целостности ушло несколько часов.
АВТОМАТИКА ВЫХОДИТ ИЗ СТРОЯ
«Предотвратить такие аварии невозможно, но можно ограничить последствия, чтобы локальная авария не привела к широкомасштабному отключению», — рассказал «Стимулу» Михаил Андреев. Команда под его руководством занимается разработкой цифрового двойника энергосистемы, обеспечивающего максимально близкое к реальности воспроизведение процессов в энергосистемах.
По словам ученого, причиной аварий чаще всего становится неправильное или несогласованное действие автоматики, что, в свою очередь, связано с использованием при проектировании и эксплуатации недостаточно полной и достоверной информации о процессах, протекающих в оборудовании и энергосистемах. Именно эту проблему и должно решить применение цифрового двойника.
Группа разработчиков цифрового двойника энергосистемы, в центре — и.о. руководителя лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» ТПУ Михаил Андреев. Источник изображения: Пресс-служба ТПУ
«Наличие такого инструмента, — поясняет он, — позволит выполнять исследования аварийных возмущений и возникающего при этом спектра процессов и, как следствие, позволит настраивать и тестировать автоматику в условиях, максимально близких к реальным. Работу мы ведем в рамках программы „Приоритет 2030“, в которую университет вошел в прошлом году».
С использованием нового комплекса ученые уже проводили испытания надежности традиционных энергосистем целых регионов, например томской, тюменской и дальневосточных энергосистем. Томские исследователи также создали цифровой двойник для системы с возобновляемыми источниками энергии и разрабатывают методы эффективного управления такими энергосистемами.
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ЛЮБОГО МАСШТАБА
Цифровой двойник электроэнергетической системы позволяет смоделировать штатные и нештатные ситуации, в том числе аварийные, и оценить устойчивость объекта любого масштаба — от системы электроснабжения отдельного предприятия до энергосистемы всей страны. Традиционные энергетические системы достаточно хорошо изучены. Используемые в них методы и средства управления и защиты проверены многолетним опытом. Вся сложность заключается в том, чтобы обеспечить с их помощью устойчивость работы крупных энергообъединений.
Устройство реализовано на базе всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС), ранее созданного в Томском политехе. Комплекс состоит из блоков — вычислительных аналого-цифровых модулей — и плат для их физической связи между собой. Сейчас в комплексе больше 90 вычислительных модулей, размещенных в трех шкафах. Они воспроизводят схему энергосистемы, включающую в себя более 340 трехфазных элементов. И это не предельный объем, говорят разработчики.
ВМК РВ ЭЭС объединяет в себе адаптируемую совокупность специализированных гибридных процессоров (СГП) всех элементов моделируемой схемы электроэнергетической системы и информационно-управляющую систему.
Все СГП при этом строятся по единому принципу: каждый из них содержит сопроцессор (СП), соответствующий решаемой системе уравнений, определяемой типом оборудования.
Все СП в СГП также строятся по единому принципу, в соответствии с которым каждый из них представляет собой параллельную цифро-аналоговую структуру. Такая структура обеспечивает непрерывное и методически точное решение в реальном времени динамических моделей силового оборудования, управление параметрами, продольными и поперечными коммутациями фаз и так далее.
Трехфазные входы/выходы различных СГП на физическом уровне через коммутатор трехфазных узлов объединяются согласно схеме энергосистемы. Это обеспечивает естественное взаимодействие моделируемого оборудования, подобно тому как все происходит в реальной электроэнергетической системе. Информационное взаимодействие микропроцессоров всех СГП с серверной ЭВМ и пользователем осуществляется по сети Ethernet.
Заложенные в ВМК РВ ЭЭС принципы построения исключают методическую ошибку решения математических моделей элементов и, соответственно, совокупной модели энергосистемы в целом. Точность решения гарантирована и определяется только инструментальной погрешностью аппаратной части комплекса. Ее можно свести к минимуму за счет использования прецизионной микроэлектронной и микропроцессорной элементной базы.
С помощью цифрового двойника можно проводить:
— углубленное изучение как ныне действующих, так и проектируемых энергообъектов и энергосистем в целом;
— анализ и оптимизацию режимов работы электроэнергетических сетей и систем для повышения надежности и эффективности их функционирования;
— моделирование в реальном времени модернизируемого и разрабатываемого силового оборудования, а также современных и перспективных информационно-управляющих систем в условиях, максимально приближенных к реальным;
— проверку, тестирование и настройку реальных средств релейной защиты, управления и автоматики;
— тренинги для диспетчерского и оперативного персонала энергосистем;
— углубленную подготовку и переподготовку высококвалифицированных кадров для энергетической отрасли в вузах и профессиональных учебных центрах.
ОПЕРЕЖАЮЩЕЕ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ
Прямых аналогов разрабатываемого в ТПУ комплекса в мире не существует. Среди программно-аппаратных систем аналогичного назначения, применяемых в настоящее время в России, можно выделить решения канадских фирм RTDS Technologies (Real-Time Digital Simulator) и OPAL-RT (Power System Simulation Power System Analysis, HYPERSIM).
Однако, по словам Михаила Андреева, несмотря на высокий уровень этих разработок, им присущ ряд недостатков, связанных с используемыми в них методами численного решения дифференциальных уравнений, описывающих процессы в энергосистемах. К примеру, необходимость упрощения математических моделей оборудования электроэнергетических систем, неустранимая непостоянная методическая погрешность решения. В итоге для больших энергообъединений информация может быть недостоверной.
Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем — это единственная полностью российская разработка подобного технологического уровня. Участники проекта самостоятельно реализуют все этапы создания этой сложной системы: проектирование печатных плат, написание исходного кода и программирование микроконтроллеров, системное программирование, обеспечение сетевого взаимодействия и так далее. Как утверждают создатели цифрового двойника, в ближайшей перспективе он может заменить все зарубежные средства моделирования энергосистем.
Алексей Андреев
