УМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
концепция цифровой трансформации в электроэнергетике

Понятие “умная электростанция” включает в себя совокупность концепций, архитектур и подходов к управлению крупными промышленными объектами в условиях цифровой трансформации

Назначение концепции

На сегодняшний день в промышленности и в электроэнергетике активно идут процессы цифровой трансформации. Это позволит перейти к более эффективному и безопасному управлению оборудованием. Масштаб ожидаемых изменений и позитивных эффектов таков, что его называют очередной технологической революцией. Однако, в некоторых отраслях РФ идет отставание в части выработки решений по цифровизации на несколько лет. Требуется разработка современных концепций, требований, стандартов необходимых для цифровизации. В отсутствие четкого понимания цифровой трансформации, деятельность в этом направлении может привести к повышенным затратам заказчиков без получения пользы и финансовой выгоды. Лаборатория ПРОСТОР вносит ясность в цели, задачи и возможные архитектуры цифровой трансформации, которые будут полезны для ИТ-руководителей, архитекторов систем автоматизации предприятий, интересующегося эксплуатирующего персонала, разработчиков систем автоматизации.

Какие острые проблемы сейчас

«Зоопарк».
На одной станции АСУТП от разных производителей. Проблемы протоколов, обмена данными

В АСУТП нет контекста данных. Контекст есть в ИТ системах, что создает проблему сопоставления данных

Многократное дублирование данных в разных системах

Информационная безопасность на уровне систем, протоколов, пользователей

Актуальность проблемы и предназначение документа

На сегодняшний день в промышленности и в электроэнергетике активно идут процессы цифровой трансформации. Это позволит перейти к более эффективному и безопасному управлению оборудованием. Масштаб ожидаемых изменений и позитивных эффектов таков, что его называют очередной технологической революцией. Однако, в теплотехнике РФ идет отставание в части выработки решений по цифровизации на несколько лет (см. «Умные электростанции» – цифровое будущее энергетики. Ж. Энергетическая политика. 13.09.2021). Отрасли требуется разработка современных концепций, требований, стандартов необходимых для цифровизации. В отсутствие четкого понимания цифровой трансформации, деятельность в этом направлении может привести к повышенным затратам заказчиков без получения пользы и финансовой выгоды. Поэтому, мы постараемся внести ясность в цели, задачи и возможные архитектуры цифровой трансформации. В данном документе сформулировано видение концепции цифровизации электростанций, которое будет полезно ИТ руководителям, архитекторам систем автоматизации электростанций, интересующемуся эксплуатирующему персоналу, разработчикам систем автоматизации.

Понятие «умная электростанция» включает в себя совокупность концепций, архитектур и подходов к управлению крупной промышленной электростанцией (от 25 МВт) в условиях цифровой трансформации энергетической отрасли России.

При разработке учитывались общемировые тренды развития энергетики: децентрализация, диджитализация и декарбонизация, переход на технологии Индустрии 4.0

Какая ситуация сейчас и какие сложные задачи она порождает?

Любая промышленная электростанция является сложным техническим объектом с большим количеством измеряемых или рассчитываемых параметров. На нижнем (полевом) уровне находятся тысячи датчиков разных производителей, которые связываются с контроллерами аналоговыми сигналами или по различным протоколам, зачастую очень старым (насчитывают до нескольких десятков протоколов). Связь с датчиками и управление технологическими процессами производится с помощью АСУТП разных производителей, которые состоят из контроллеров и серверов и используют различные протоколы связи, зачастую закрытые (проприетарные). Контроллеры, в свою очередь, передают данные в SCADA системы, которые позволяют машинистам установок и начальникам смен станций наблюдать и управлять процессом через HMI интерфейсы на своих рабочих местах. SCADA системы уже относятся к ИТ решениям и связываются с различными ИТ продуктами присутствующими на электростанции: вибромониторинг и термоконтроль, водоподготовка, расчеты ТЭП, СОТИ АССО, формирование макетов для СО ЕЭС, АСУРЭО, МодесТерминал, подача заявок на ОРЭМ, мониторинг ОПРЧ и другие системы.

Проблемы текущей архитектуры заключаются в следующем: на одной электростанции может присутствовать системы АСУТП разных производителей на разных блоках, которые общаются по разным протоколам. Все это часто называется «зоопарк», которого стараются избежать сотрудники на электростанциях. «Зоопарк» приводит к высокой стоимости, замедлению или невозможности информационного обмена между системами и уровнями. Однако, пытаясь избежать «зоопарка» систем, собственники попадают в ловушку одного поставщика АСУТП, который делает все возможное, чтобы закрыть доступ на стацию другим поставщикам и увеличить цены. Это называют «цифровой феодализм».

Персонал электростанции также участвует в большом количестве бизнес-процессов, связанных с работой на рынках электроэнергии и мощности, рынке системных услуг. В связи с этим на электростанции существуют десятки уже сейчас хорошо формализованных и описанных технологических задач, которые не везде автоматизированы или автоматизированы частично. Эти задачи решаются отдельными независимыми системами, но с течением времени количество связей между ними возрастает, что приводит так же к высокой стоимости, замедлению или невозможности информационного обмена. Кроме того, сам перечень задач постоянно расширяется, возникают новые типовые задачи (например, связанные с экологическим мониторингом и меняющимися требованиями технического надзора или с появлением новых возможностей для анализа данных, например построение систем предиктивной аналитики). В результате, как правило, эти задачи решаются созданием изолированных систем, которые почти не связаны с другими системами, дублируют сбор одних и тех же данных.

Также есть проблемы у персонала. Распространенной проблемой является наличие большого количества мониторов у диспетчерского персонала –каждый поставщик новой системы стремится поставить свое рабочее место. В результате, сотрудникам надо одновременно смотреть в 4-5 мониторов разных систем. Есть проблема, связанная с ослаблением компетенций у эксплуатирующего персонала при внедрении АСУТП. Изучение крупных технологических аварий показывает, что персонал постепенно забывает алгоритмы управления, полагаясь только на алгоритмы заложенные в АСУТП. Цифровизация должна решать существующие проблемы, одновременно повышая информационную безопасность работы, вовлекая и повышая квалификацию сотрудников, давая возможность им участвовать в бизнес-процессах для повышения экономичности и безопасности станций.

Отдельно стоит рассказать о проблеме OT/IT границы. В системах АСУТП (Operational Technology) нет задачи сохранения и систематизации используемых измерений, так как основная задача АСУТП это управление процессами в реальном времени – для этого нет нужды сохранять данные. Архивная база (historian) является вспомогательным компонентом.  До 2010-х годов у нас в стране даже продвинутые иностранные проекты внедрения АСУТП не внедряли такой компонент и архивной базы данных не было. Тем более, в АСУТП нет задачи систематизации, сохранения контекста измерений, так как измерения в АСУТП используются в жестко заданных проектом алгоритмах управления, которые и содержат необходимый им контекст. Важно отметить, что каждый контроллер в АСУТП обрабатывает небольшое количество измерений, в которых можно легко разобраться инженеру на объекте. Процесс наполнения ИТ-систем измерениями из АСУТП на сегодняшний день происходит с обязательным привлечением инженеров с объекта, которые вручную помогают поставить в соответствие измерения из АСУТП сущностям в систематизированной базе данных ИТ-системы. В ИТ-системах с десятками тысяч измерений без систематизации обойтись невозможно, так как собранные измерения превращаются в «болото» данных из которого можно опять же только вручную получить сигналы. В то же время, для решения задач оптимизации, предиктивной аналитики и других, нужен контекст в котором порождаются измерения: точность и состояние датчиков, месторасположение компонента системы, наработка детали и другие. На сегодняшний день контекст приходится порождать и хранить в IT системах, что автоматически влечет проблему сопоставления и привязки информации из разных систем.

 

Задачи, решаемые в будущей цифровой «умной электростанции»

Ниже приведено укрупненное описание задач, решаемых на электростанциях во время эксплуатации на сегодняшний день и в будущем. Задачи приводятся без погружения в детализацию с конкретными функциями. Описание относится ко всем тепловым электростанциям в нормальных режимах эксплуатации, работающих на ОРЭМ и участвующих в РСУ. Некоторые задачи охватывают также уровень холдинга.

 

 

Основной технологический процесс

Автоматическое управление технологическими процессами (АСУТП)

Система телемеханики — сбор, мониторинг, архивирование технологической информации (ОИК или SCADA)

Регистрация аварийных событий, подготовка отчетов по инцидентам (РАС)

Коммерческий учёт электроэнергии (АСКУЭ)

Коммерческий учёт тепла, пара, сжатого воздуха

Коммерческий учёт расхода газа

Дистанционное управление плановой мощностью (СДПМ)

Дистанционное управление коммутационными аппаратами

Виброанализ и мех.величины (вибродиагностика)

Термоконтроль генератора

Анализ качества регулирования — мониторинг ОПРЧ

Анализ качества регулирования — мониторинг НПРЧ и АВРЧМ

Анализ режимов, подсказки по ведению режима

Вторичное управление активной и реактивной мощностью (рынок РСУ)

Техническое обслуживание и ремонты (ТОиР)

Видеонаблюдение

Информационная поддержка обходчиков

Контроль персонала (СИЗ, местонахождение)

Взаимодействие с регулятором и внешним миром

Система обмена технологической информацией с СО ЕЭС (СОТИ АССО)

Подача заявок в СО ЕЭС, плановые и оперативные (КИСУ, АСУРЭО)

Измерение и предоставление данных по выбросам вредных веществ

Подготовка и публикация данных о работе станции для руководства (конструктор отчетов)

Предоставление данных об авариях и технологических нарушениях (АРМ База аварийности)

Предоставление данных в виде CIM (портал СО)

Оптимизация и аналитика

Расчет нормативных и фактических технико-экономических показателей (ТЭП)

Планирование режимов

Планирование ремонтов

Учет и анализ наработки основного и вспомогательного оборудования

Диагностика и прогноз технического состояния методами предиктивной аналитики

Оптимизация на ВСВГО

Оптимизация на РСВ

Оптимизация на БР

Расчёты Pmax (для ПГУ)

Расчёты ограничений по мощности (ТЭЦ)

Валидация и реконциляция технологических данных

Получение индивидуального для объекта прогноза погода

Обучение и тренажеры

Технологический тренажер машинистов энергоблока

Тренажер электроцеха

Тренажеры оперативных переключений

Тренажеры по безопасности и охране труда

Электронный помощник персонала

Виртуальная электростанция для обучения

Цифровое моделирование

Справочники основного и вспомогательного оборудования

Справочники КИПиА

Создание и ведения моделей цифровых двойников для различных задач

Валидации и верификации цифровых двойников

Актуализация режимных карт КТЦ

Ведение и актуализация BIM/ТИМ модели для эксплуатации

Цифровая «песочница» для работы с данными — проверка гипотез

Энерготрейдинг

Формирование и подача заявок на ОРЭМ

Анализ финансового результата работы на ОРЭМ

Прогнозирование цен на электроэнергию

Прогноз отпуска тепла

 

ИТ-архитектура «умной электростанции»

Задача перехода к концептам индустрии 4.0 сводится к выбору и построению архитектур, которые обеспечивали бы понятную и удобную работу с оцифрованными данными, цифровизацию технологических и организационных процессов. Для этого архитектура информационных систем должна обладать рядом свойств:

1. Открытость. Прежний подход, когда производители датчиков, систем автоматизации используют проприетарные (закрытые) протоколы для информационного обмена и любая интеграция сторонней системы влечет за собой существенные затраты, делая зачастую бессмысленным расширение функциональности, должен быть полностью изжит. Без открытых стандартизованных протоколов цифровизация невозможна. Все новые компоненты цифрового ландшафта должны иметь стандартные открытые протоколы для обеспечения максимально простого и понятного информационного обмена между различными компонентами и системами. Переход на единые стандарты дает мощный кумулятивный эффект, поэтому предлагаем использовать открытый межотраслевой протокол OPC UA для решения данной задачи. При этом, не обязательно демонтировать старые датчики, достаточно оборудовать их конвертерами, обеспечивающими преобразование старых протоколов в OPC UA.

2. Сквозное моделирование. Инструменты моделирования должны позволять описать объект именно так, как необходимо для конкретной задачи. При этом не усложняя модель побочными описателями, которые нужны для смежных задач с одной стороны, но позволяя повторно использовать смежные описатели с другой, чтобы избежать избыточности модели. Это достигается за счет возможности создания различных взглядов на объект только с точки зрения конкретного пользователя или технологической задачи. Для этого целесообразно использовать подход цифровых двойников. Архитектура должна удовлетворять передовым требованиям Digital Twin Consortium, российским ГОСТ о цифровых двойниках. Важной особенностью цифровых двойников является их постоянная двустороння связь с физическим объектом, валидация и верификация компьютерных моделей.

3. Киберфизичность. Человек участвует в работе системы и имеет особое место в цепочке процессов управления, т.к. именно человек задает конечную цель управляющих воздействий и именно на человеке лежит ответственность за принятие решения, влекущего не только финансовые, но социальные, этические и технологические последствия. Участие человека в управлении должно быть максимально удобным и простым для конечного пользователя, иметь дружелюбный интерфейс и не позволять ошибочных действий. Кибернетические/цифровые системы подготавливают данные для принятия решений, которые должны быть максимально доступны и оперативны (например, дешборды, отчеты в планшете или на телефоне с основными показателями работы). Интерфейс должен быть построен по принципу углубления в детали по мере необходимости от более агрегированной (обобщенной) информации к частным подробностям; должен быть обеспечен удобный доступ к интерфейсам цифровых систем с соответствующим разграничением прав доступа по ролям и поддержкой системы единой аутентификации.

4. Информационная безопасность. Все необходимые меры для обеспечения возрастающих требований по информационной безопасности на объектах критической инфраструктуры должны быть заложены на этапе выбора основных концепций и инструментов. Должны применяться алгоритмы шифрования трафика и безопасные соединения, разделения сегментов сетей с обеспечением защиты с помощью межсетевых экранов и дата-диодов, разграничение прав доступа и безопасное хранение паролей.

5. В перспективе — преодоление так называемого барьера между Operation Technology и Information Technology. Мы управляем реальными физическими установками и процессами, которые порождают аналоговые, физические величины – токи, напряжения и т.д. Полевые датчики порождают аналоговые величины, контроллеры преобразуют их в цифру. Однако сами датчики имеют свой контекст – информация о датчике, его состоянии, сроках поверки. Он важен для интерпретации данных с полевого уровня. Сегодня этот контекст невозможно передать с полевого уровня на уровень ИТ-систем. Необходимо развивать цифровизацию в таком направлении, чтобы границы для передачи контекста не было.

6. Интероперабельность. Свойство архитектуры и информационного обмена, в которых аналогичные типы данных описываются, определяются и представляются стандартизированным образом, независимо от системы или поставщика системы. Это означает, что мы можем добиться большей доступности plug-and-play и тратить меньше инженерного времени на ручные привязки данных, сопоставления, преобразования данных и т.д.

Опираясь на вышеописанные свойства новой архитектуры цифровой электростанции,  опишем как будут выглядеть уровни автоматизации на объектах:

–     Нижний уровень – датчики, исполнительные механизмы, контроллеры, преобразующие аналоговые сигналы тока и напряжения в цифровые форматы, контроллеры управления находящиеся рядом с исполнительными механизмами

–     Средний уровень – уровень энергоблоков и станций, где решаются задачи группового управления агрегатами (турбина+котел), энергоблоками

–     Верхний уровень – исполнительный аппарат, где решаются задачи управления группой электростанций

На приведенные уровни можно посмотреть так же со следующей точки зрения эволюции информации в системе: на нижнем уровне порождаются данные, на среднем уровне данные преобразуются в информацию, на верхнем уровне информация преобразуется в знания.

Как должен выглядеть нижний уровень в будущем?

Традиционно задачи сбора технологических данных и управления технологическими процессами решаются на базе промышленных контроллеров. Однако, промышленные контроллеры, приближающиеся по своим вычислительным мощностям к небольшим промышленным ПК, в силу специфичности их задач, как правило работают на операционных системах с прикладным ПО, которые не способны решать все возрастающие по своей сложности и ресурсоемкости задачи, как, например, итерационные задачи оптимизации работы отдельных компонентов/агрегатов системы/электростанции. Для этого возможно использование промышленных серверов небольшой мощности, устанавливаемых непосредственно на объекте или даже на выделенном технологическом узле, ближе к оборудованию. Это так называемые edge-устройства. Такие устройства позволяют решать задачи не только сбора, обработки и передачи технологических данных на верхние уровни и управляющих воздействий на исполнительные устройства, но и специфичные «серверные» прикладные задачи.  При этом на верхние уровни должна передаваться именно обработанная и только запрашиваемая информация, что уменьшает ее объем. Передача данных совместно с контекстом, который обеспечивает цифровая модель, реализует их «прозрачность» для ИТ- структур. По факту в этом и заключается основная мысль Industry 4.0 — объединение операционных и информационных технологий (OT+IT). Таким образом edge-устройства могут являться нижним уровнем распределенной системы «умной электростанции».

Edge-устройства, реализованные на небольших (например, одноплатных) промышленных компьютерах, способны решить задачу объединения данных в едином информационном пространстве от географически удаленного вспомогательного оборудования, например, береговая насосная станция, вентградирни, мазутохозяйство и другие вспомогательные системы электростанции могут оснащаться такими устройствами «малой автоматизации».

Все протоколы связи первичных измерителей должны быть цифровыми, например, могут быть реализованы в OPC UA с поддержкой OPC UA + PA-DIM SPECIFICATION. Сигналы управления в перспективе целесообразно перевести для унификации на протокол OPC UA FLC (Field level communication), которое гарантирует время и доставку сигналов автоматического управления. Ведущие мировые компании в области АСУ уже реализовали пилотные устройства с протоколом OPC UA FLC. Данные предоставляются серверами OPC UA. Клиент или подписчик OPC UA может получить доступ к этим данным. Система может быть как сервером, так и клиентом одновременно.

Edge-устройство позволит обеспечить более простое обновление прикладного программного обеспечения, решать задачи первичной и более глубокой обработки данных ближе к оборудованию.

Как должен выглядеть средний уровень в будущем?

В первую очередь средний уровень должен избавляться от «железных» контроллеров (PLC), так как именно данные устройства являются ограничителем «вертикального» масштабирования системы (при неизбежном росте потребности в дополнительных машинных ресурсах, таких как CPU, оперативной и постоянной памяти) и проблемой «легаси»-приложений (со временем такое ПО на PLC очень трудно, а порой невозможно поддерживать, обновлять или модернизировать). Контроллеры должны быть представлены виртуальными контейнерами или машинами и работать на серверах, объединенных в кластер(а). Серверные кластера, кроме хорошей надежности, прекрасно масштабируются как «вертикально», так и «горизонтально», а виртуализация отделяет прикладное ПО от системного, что существенно облегчает проблему «легаси».

На среднем уровне предполагается выполнение довольно большого количества задач станционного уровня. Количество задач и их сложность со временем будут только расти, поэтому прикладное ПО, выполняющее эти задачи, должно быть, как и PLC, виртуализировано в контейнеры/микросервисы. Это решает вопросы не только масштабирования, но и прежде всего повышения уровня информационной безопасности (это и архитектура изолированности микросервисов, и использование API с токенами и высокозащищенных протоколов информационного обмена, и т.п.). Разработка данных микросервисов облегчается наличием большого количества свободно-распространяемых компонентов, реализующих функции, которые можно и нужно использовать, так как развитие данных компонентов поддерживается большим комьюнити (сообществом разработчиков), что благотворно влияет на жизненный цикл системы в целом.

Взаимодействие человека и компьютера должно меняться в сторону применения виртуальной реальности для обучения, дополненной реальности для обслуживания оборудования и получения инструкций в поле, активного применения машинного зрения, новых датчиков расширяющих возможности диагностировать, слышать, видеть с помощью продвинутых математических вычислений. Человек должен уже получать результат вычислительной обработки для принятия решений. Получение может быть в виде алармов через человеко-машинный интерфейс (web- интерфейс с минимумом экранов), аналитических отчетов, рекомендаций по ведению режима, заданий в АСУ с квитированием или без.

Как выглядит верхний уровень в будущем?

Верхним уровнем цифровой электростанции могут являться облачные сервисы, реализуемые в дата-центрах генерирующих компаний. Облачные сервисы позволяют иметь доступ к актуальной агрегированной информации о работе электростанции в том месте, где вы находитесь. Кроме того, размещение определенных наборов данных в облаке позволит различным командам работать с технологическими данными, предлагать новые алгоритмы их анализа, получать интересные выводы и принимать правильные управленческие решения.

Как решается проблема OT/IT границы

Все датчики при подключении их в систему должны ставиться с OPC UA сервером, который должен уметь передавать настроенный при наладке контекст. Для этого разработан OPC UA PA-DIM SPECIFICATION. Так как узлы системы имеют доступ к полной информационной модели, то при создании нового узла инженер будет видеть в понятном человеку графическом представлении все доступные измерения в системе с достаточным контекстом. Инженеру не надо будет обращаться к «посреднику» – инженеру на объекте, чтобы решить какое измерение ему использовать для решения своей задачи.

 

Инструменты новой архитектуры

Для построения новой архитектуры уже существует масса рабочих инструментов. В первую очередь необходимо учитывать ориентацию на отечественное ПО. Операционная система должна быть обязательно AstraLinux, RedOS или другие системы из реестра отечественного ПО. Во-вторых, в мире за последние годы сформировалось мощное движение OpenSource разработки. В сети на открытых платформах совместной разработки  доступны тысячи готовых компонентов работы с данными для решения задач Индустрии 4.0. Перечислить их все здесь невозможно. Разработанное мировым сообществом программистов ПО распространяется под различными бесплатными лицензиями. Однако необходимо иметь в виду, что ПО постоянно обновляется, выходят новые версии с новыми возможностями, улучшениями, что вызывает потребность заниматься различной проверкой, интеграцией, локализацией, адаптацией этих компонентов для достижения гарантированных показателей производительности в составе комплексов промышленной эксплуатации. Упомянутые компоненты Индустрии 4.0 предназначены в том числе для работы с большими данными (Big Data), используют искусственный интеллект, позволяют строить виртуальную и дополненную реальность, делают доступным «машинное зрение» и проведение сложных вычислений, для которых ранее нужно было специализированное ПО.

Прикладные продукты линейки ПРОСТОР используют специально созданную для решения этого класса задач прикладную программную платформу ПРОСТОР. Программная платформа развивается с 2019 года и уже получила признание как перспективное ПО для решения задач электростанций и генерирующих компаний, что подтверждается растущим год к году числом внедрений. ПО работает под управлением операционной системы семейства Linux и отлично масштабируется от малых edge-устройств до распределенных систем корпоративного уровня.

ПО ПРОСТОР и продукты на его базе включены в реестр отечественных программ Минцифры (https://reestr.digital.gov.ru/reestr/844355/?sphrase_id=3231005) и готовы к решению задач построения умной электростанции.

Источники:

–     опыт автоматизации технологических процессов, расчетов и решения оптимизационных задач  компании ООО «Институт Энергетических Систем» (https://enersys.ru/) в партнерстве с компанией Emerson, начиная с 2004 года;

–     референсная (базовая) архитектура индустрии 4.0 (https://www.iiconsortium.org/);

–     серия стандартов промышленной совместимости организации OPC Foundation (https://opcfoundation.org/) (Архитектура IEC62541). OPC UA — это единый глобальный стандарт двунаправленного обмена информацией. Этот стандарт обеспечивает передачу машинных данных и семантическое описание данных;

–     технологии контейниризации и оркестрации работы контейнеров (docker, kubernetes);

–     Platform Stack Architectural Framework. A Digital Twin Consortium White Paper

–     ГОСТ Р 57700.37-2021 Цифровые двойники изделий