КОНЦЕПЦИЯ АРХИТЕКТОНИКИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

Создание цифрового двойника энергетической отрасли представляет собой актуальную задачу для государственной энергетической политики. Виртуальный двойник позволяет моделировать и анализировать различные сценарии работы энергосистемы, что способствует оптимизации процессов и повышению эффективности. Он также позволяет проводить мониторинг состояния оборудования и предсказывать возможные неисправности, что позволяет своевременно принимать меры для предотвращения аварий и снижения простоев. Цифровой двойник может использоваться для моделирования различных аварийных ситуаций и разработки стратегий их предотвращения и ликвидации, что способствует повышению безопасности энергосистемы.

В целом, создание цифрового двойника энергетической отрасли является важным шагом в развитии и модернизации энергосистемы, который способствует повышению эффективности, безопасности и устойчивости энергетического сектора.

Методический аппарат исследования представлен общенаучными методами: индукция и дедукция, сравнение, анализ и синтез, логический подход, а также основные законы диалектики. Использования системного подхода для разработки концепции архитектоники цифрового двойника энергетической отрасли Донецкой Народной Республики.

Информационной основой исследования являются нормативные правовые акты Российской Федерации, отчеты международного аудит-консалтинговой корпораций Deloitte и других международных организаций, труды в области цифровизации энергетической отрасли зарубежных ученых C. Kofod

Анализ литературных источников позволил прийти к выводу, что современные исследования в области цифровизации затрагивают отдельные элементы систем или предприятия. А.В. Половян и К.И. Синицына акцентируют внимание на возможности цифровизации отдельных процессов на уровне государства

Для развития цифровой экономики Правительством Российской Федерации разработаны и реализуются государственные программы «Информационное общество», «Цифровая экономика Российской Федерации» и указы

По данным Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики электроэнергетика представлена следующими предприятиями, имеющими лицензию: Зуевская тепло-электростанция (ТЭС) – 4 энергоблока с суммарной установленной электрической мощностью 1270 МВт; Старобешевская ТЭС – 10 энергоблоков суммарной установленной мощностью 2010 МВт; ГУП ДНР «Шахта имени А.Ф. Засядько»; СПП «Зуевская ЭТЭЦ» (ГУП ДНР «Донбасстеплоэнерго»); филиалы ООО «ЮГМК»: №4 «Макеевкокс» и №5 «Ясиновский коксохимический завод»

Динамика объема производства электрической энергии Зуевской и Старобешевской ТЭС представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Динамика объема производства электрической энергии Зуевской и Старобешевской ТЭС за 2016-2022 гг.

Примечание: составлено по [16]

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.20.1

Объем реализации электрической энергии в ДНР всеми предприятиями отрасли в 2022 г. по сравнению с 2021 г. увеличился на 5,2%. В общем объеме производства электрической энергии преобладает доля Старобешевской ТЭС, особенно это заметно в период с 2017 г. по 2021 г. В 2022 г. Ситуация стабилизировалась и вернулась на уровень 2016 г.

Снижение объемов производства электроэнергии на Зуевской ТЭС относительно 2016 г. вызвано неэффективным управлением руководства. В 2018 г. руководством Республики было взято под внешнее государственное управление ряд предприятий, среди которых была и Зуевская ТЭС

В контексте продолжающейся интеграции Донецкой Народной Республики в социально-экономическое пространство Российской Федерации цифровизация энергетической отрасли становится приоритетным направлением для государственной политики благодаря тому, что цифровые технологии помогают повысить надежность и устойчивость энергетических систем, а также оптимизировать процессы; цифровые решения позволяет более эффективно управлять ресурсами и сокращать вредные выбросы, обеспечивают более качественное и доступное энергоснабжение для населения.

Одним из основных нормативных актов должна стать стратегия цифровизации энергетической отрасли Донецкой Народной Республики. На сегодняшний день разработана только стратегия в области цифровой трансформации экономики, социальной сферы и государственного управления, принятая Указом Главы № 644 от 29.12.2023 г.

Энергетическая отрасль, как и любая другая отрасль, содержит значительное количество элементов взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, поэтому при формировании концепции архитектоники цифрового двойника энергетической отрасли Донецкой Народной Республики целесообразным является использование системного подхода, который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими подходами:

1) целостное видение (системный подход позволяет рассматривать проблему или задачу в целом, учитывая все её компоненты и их взаимосвязи, что помогает избежать узкого взгляда и упущения важных аспектов);

2) повышение эффективности (благодаря системному подходу можно выявить и устранить дублирующие или неэффективные процессы, что способствует повышению общей эффективности системы);

3) управление сложностью (системный подход помогает структурировать и упорядочить сложные проблемы, делая их более управляемыми и понятными);

4) прогнозирование и планирование (системный подход позволяет моделировать различные сценарии развития событий и оценивать их последствия, что способствует более точному прогнозированию и планированию);

5) оптимизация ресурсов (системный подход помогает оптимально распределять ресурсы, учитывая их ограниченность и необходимость максимальной отдачи);

6) инновации и развитие (системный подход способствует выявлению новых возможностей и путей развития, стимулируя инновации и улучшения);

7) устойчивость и адаптивность (системный подход позволяет создавать более устойчивые и адаптивные системы, способные эффективно реагировать на изменения и вызовы внешней среды);

8) повышение качества решений (системный подход обеспечивает более глубокий анализ и обоснование принимаемых решений, что способствует их качеству и надежности)

Данные преимущества предопределяют использование системного подхода при разработке концепции архитектоники цифрового двойника энергетической отрасли Донецкой Народной Республики (рис. 2).

Рисунок 2 - Рисунок 2 - Концепция архитектоники цифрового двойника энергетической отрасли Донецкой Народной Республики

Примечание: разработано автором на основе [1–12]

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.20.2

Концепция архитектоники цифрового двойника энергетической отрасли Донецкой Народной Республики структурирована по «срезам». Изначально предполагается использование датчиков и систем отслеживания при выполнении физическими элементами энергетической отрасли (электростанции (генерирующие предприятия), электрические сети (линии электропередачи, подстанции, распределительные пункты), хранилища энергии, электрические системы потребителей) основных процессов (генерация, передача, распределение, хранение, потребление электроэнергии) в энергетической отрасли и данных об их состоянии.

Применение цифровых технологий в основных процессах элементов энергетической сети, позволяет получить эффекты, представленные в матрице процессов-технологий для цифрового двойника энергетической отрасли (табл. 1).

– позволяет в реальном времени отслеживать состояние и работу компонентов энергетической системы, что позволяет оперативно выявлять и устранять неисправности, а также оптимизировать работу оборудования;

– анализировать данные о потреблении энергии и предлагать способы его оптимизации, что позволяет снизить затраты на энергию и уменьшить нагрузку на генерационные мощности;

– координировать работу различных источников энергии, включая традиционные и возобновляемые, а также системы хранения энергии;

– отслеживать параметры безопасности на энергетических объектах, что позволяет своевременно реагировать на потенциальные угрозы и предотвращать аварии.

Для потребления электроэнергии Интернет вещей позволяет: получать точные данные о потреблении энергии, снизить потери энергии и повысить эффективность ее использования и др.

Использование блокчейна в генерации, передаче, распределении и хранении энергии позволяет:

– создать децентрализованную систему управления энергией, где участники могут напрямую взаимодействовать друг с другом без посредников;

– обеспечить прозрачность всех операций, связанных с генерацией и распределением энергии. Все данные о производстве, потреблении и передаче энергии записываются в неизменяемый реестр, что позволяет отслеживать каждый этап процесса;

– создавать пиринговые энергетические сети, где участники могут напрямую обмениваться энергией. Это способствует более гибкому и устойчивому энергоснабжению;

– обеспечить высокий уровень безопасности данных, что особенно важно для энергетической отрасли. Все данные шифруются и хранятся в распределенном реестре, что снижает риск кибератак и несанкционированного доступа;

– сбор и хранение больших объемов данных, которые могут быть использованы для анализа и принятия обоснованных решений.

Аналогичные преимущества возникают при потреблении электроэнергии от использования блокчейна в цифровом двойнике энергетической отрасли.

Использование искусственного интеллекта для генерации, передачи, распределении и хранении электроэнергии позволяет:

– анализировать большие объемы данных и предсказывать оптимальные условия для генерации энергии;

– прогнозировать спрос на энергию и соответствующим образом регулировать генерацию;

– проводить диагностику энергетических установок и предсказывать возможные поломки.

Для потребления электроэнергии искусственный интеллект позволяет:  управлять системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещением и другими системами, чтобы минимизировать потребление энергии; анализировать данные о потреблении энергии и предлагать способы его оптимизации; оптимизировать потребление энергии в промышленных процессах, таких как производство и транспортировка, что может включать в себя предсказание потребностей в энергии и регулирование работы оборудования для минимизации затрат.

Использование облачных вычислений для генерации, передачи, распределения и хранения электроэнергии, также как и для потребителей, открывает возможности для повышения эффективности и устойчивости энергетической отрасли:

– позволяют обрабатывать большие объемы данных, собранных с различных источников, таких как датчики и интеллектуальные сети, что позволяет предсказывать спрос на энергию, оптимизировать процессы генерации и минимизировать потери;

– используются для мониторинга и управления энергетическими установками в реальном времени;

– позволяют быстро масштабировать ресурсы в зависимости от потребностей, что особенно полезно для управления пиковыми нагрузками и обеспечения надежности энергоснабжения.

Использование умных контрактов для генерации, передачи, распределения и хранения электроэнергии позволяет: автоматизировать данные процессы, что включает в себя автоматическое выполнение условий контракта при наступлении определенных событий, таких как достижение определенного уровня потребления или генерации энергии; обеспечить прозрачность и отслеживаемость всех операций, связанных с энергией, что позволяет участникам рынка видеть все транзакции и быть уверенными в их подлинности; управлять спросом и предложением на электроэнергию в реальном времени; обеспечить высокий уровень безопасности данных и защиты от кибератак; быстро адаптироваться к изменениям на рынке и масштабировать ресурсы в зависимости от потребностей.

Технологии дополненной и виртуальной реальности значительно улучают процессы генерации, передачи, распределения и хранения энергии:

– используются для создания интерактивных учебных программ, которые позволяют сотрудникам энергетических компаний обучаться в безопасной и контролируемой среде;

– можно создавать системы удаленного мониторинга и управления энергетическими объектами, что позволяет операторам контролировать состояние оборудования и управлять процессами в реальном времени, находясь на большом расстоянии от объекта;

– используются для диагностики и ремонта оборудования. Техники могут использовать-очки дополненной реальности для получения пошаговых инструкций и визуализации внутренних компонентов оборудования, что упрощает процесс ремонта и снижает вероятность ошибок;

– проводить симуляции различных процессов генерации, передачи, распределения и хранения электроэнергии;

– используются для создания интерактивных панелей управления, которые позволяют операторам более эффективно управлять энергетическими системами.

Также технологии дополненной и виртуальной реальности улучшают процесс потребления электроэнергии: создание систем, которые позволяют пользователям в реальном времени отслеживать и управлять своим потреблением энергии; визуализация данных о потреблении энергии в реальном времени; создание игровых элементов (геймификации), которые стимулируют пользователей к энергосбережению.

Использование больших данных в энергетической отрасли может значительно повысить эффективность и надежность процессов генерации, передачи, распределения и хранения энергии:

– позволяют анализировать исторические данные о потреблении энергии и прогнозировать будущий спрос;

– позволяют анализировать различные факторы, влияющие на генерацию энергии, такие как состояние оборудования и спрос на энергию;

– позволяют в реальном времени отслеживать состояние энергетических сетей и оптимизировать маршруты передачи энергии;

– позволяют проводить мониторинг состояния оборудования и выявлять потенциальные проблемы до их возникновения;

– позволяют анализировать процессы хранения энергии и оптимизировать их, учитывая различные факторы, такие как уровень заряда батарей, прогнозируемый спрос на энергию и состояние оборудования;

– разрабатывать и тестировать системы кибербезопасности для энергетических объектов.

Использование больших данных для управления потреблением электроэнергии позволяет: анализировать исторические данные о потреблении энергии, выявлять тенденции и аномалии; разрабатывать и внедрять системы управления энергопотреблением, которые автоматически регулируют использование энергии в зависимости от текущих условий и потребностей; интегрировать умные счетчики и устройства, которые собирают и анализируют данные о потреблении энергии в реальном времени; разрабатывать персонализированные рекомендации для потребителей, основанные на их индивидуальных привычках и потребностях; разрабатывать и внедрять программы управления спросом, которые стимулируют потребителей снижать потребление энергии в периоды пикового спроса.

Использование цифровых технологий позволяет создать новое программное обеспечение, осуществить интеграцию и обеспечить взаимодействия с существующим для отображения в виртуальном виде реализации всех процессов. Это включает в себя применение на уровне отрасли систем управления основными фондами, производственными процессами, бизнес-процессами, человеческими ресурсами, ресурсами элемента энергетической сети и др. Формируя таким образом активный энергокомплекс, инфраструктуру интеллектуального учета, прогнозирование производства энергии, алгоритмическую торговлю и установку цен, предиктивное обслуживание, управление спросом и нагрузкой, сегментацию и анализ поведения потребителей, автоматизацию и стандартизацию процессов, повышение производительности персонала.

На основе представленных срезов цифрового двойника энергетической отрасли становится возможным цифровое управление элементами энергетической отрасли (бизнес-оптимизация, операционная оптимизация, управление производительностью активов, упреждающее регулирование, кибербезопасность).

Цифровой двойник в энергетической отрасли Донецкой Народной Республики представляет собой виртуальную модель физического объекта и системы, которая позволяет анализировать и оптимизировать процессы в реальном времени. Использование цифрового двойника в энергетической отрасли, основанного на представленных технологиях, способствует повышению эффективности, надежности и безопасности энергетических систем, а также улучшению управления энергетическими ресурсами.

Таким образом, объединение представленных технологий и интеграция их для взаимодействия между собой на всех физических элементах энергетической отрасли позволяет создать цифровой двойник энергетической отрасли Донецкой Народной Республики, который позволяет отображать в цифровом виде процессы, протекающих на электростанциях, электрических сетях, хранилищах энергии и электрических системах потребителей, в режиме реального времени и управлять ими.