Цифровая трансформация в электроэнергетике – что это на самом деле?

Что такое Индустрия 4.0 на самом деле? Это 4-й передел промышленности или 4-я промышленная революция. Название  предложено  в 2011 году бизнесменами, политиками и учёными, которые так определили новый уклад промышленности, как средство повышения конкурентоспособности обрабатывающей промышленности Германии.
По сути - это получение и обработка всех без исключения производственных параметров в реальном времени за любой период и в любом месте, иными словами – все обо всем. При этом, вся информация используется для автоматизированного управления производством, обеспечивая полную роботизацию и почти полную автономность предприятия.

В применении к электроэнергетике, решить задачи получения полного объема информации о состоянии электрических систем и оборудования пытались во все времена, на различных стадиях развития. Что интересно, эти стадии напрямую связаны с развитием измерительной и электронной техники, поэтому этапы можно разбить на следующие: 

1.Аналоговая эра.

Измерения напряжений и токов производились аналоговыми приборами. Основными приборами, как источниками монетизации, были аналоговые счетчики. Для диагностики использовались аналоговые приборы - вольтметры, амперметры, ваттметры, а для регистрации - аналоговые самописцы процессов с бумажными лентами. 
Ключевая фигура – электромонтер.
Аппаратное обеспечение – вольтметры, ампертметры и т.д. 
Программное обеспечение – аналоговые таймеры, механические программоаппараты и т.п.  

2.Цифровая эра.
 

С прогрессом и развитием цифровых технологий начали применяться наряду с аналоговыми приборами цифровые, которые обладают гораздо большей помехоустойчивостью, компактностью, точностью и более широким набором измеряемых параметров. Широкое распространение получили цифровые контроллеры, обладающие высоким быстродействием и точностью, но, к сожалению, работающие с очень жесткой логикой.
Ключевая фигура – инженер-электрик.
Аппаратное обеспечение – контроллеры, мультиметры, осциллографы и т.д., 
Программное обеспечение – вшитое в контроллеры.

3.Информационная эра

 
Начало применения дистанционно управляемых контроллеров, средств измерения, датчиков и счетчиков с передачей данных. Применение компьютеров, особенно управляющих, и систем контроля и сбора данных SCADA, становилось все шире, особенно в АСУ ТП и на первое место вышло программирование и IT не только в энергетике, но и во всех отраслях промышленности.
Однако получить весь требуемый объем данных и решить все информационные задачи путем применения только информационных технологий не получалось, потому что требовались очень устойчивые скоростные каналы передачи данных, большие вычислительные мощности, сервера и огромные объемы хранилищ информации. Кроме того, каждую SCADA приходилось дорабатывать под каждое отдельное предприятие, что сказывалось как на цене, так и на устойчивости работы системы. При этом даже самые мощные системы часто не справляются со всем потоком данных, периодически зависают, выдают ошибки и т.д.
Ключевые фигура индустрии 3.0 – разработчики ПО, IT специалисты. 
Аппаратное обеспечение – датчики, преобразователи, серверы, линии связи. 
Программное обеспечение – SCADA системы, разработанные на заказ.

4.Эра цифровизации

На самом деле это не просто программное обеспечение – это уже другая философия. Выражаясь военным языком, это возможность для полководца воевать «По глобусу». Эту же возможность цифровизация дает энергетикам, когда объекты он видит на географической карте и видит в реальном времени всю текущую ситуацию в любом разрешении с любыми выбранными им самим параметрами. А в случае необходимости – может раскрыть подробности, в т. ч. историю такую же, как в обычных SCADA системах:

И не только на компьютере, а еще и на смартфоне и в реальном времени:

С появлением новой философии индустрии 4.0 , приборов и технологий, появились наконец-то возможности: 

-    сохранять без потерь абсолютно все данные и параметры
-    производить и контролировать дистанционно измерения в режиме реального времени 
-    интегрировать все данные по электроэнергии в одной программе или одном хранилище
-    распределять информацию на случай сбоев в каналах связи
-    применять единые инструменты анализа событий в электросетях
-    проводить комплексный энергоаудит как в реальном времени, так и в прошедшем, хоть ежедневно
-    избавлять персонал от рутинной и бумажной работы 
-    иметь нужную информацию в любое время, в любом месте без утомительных поисков 

Ключевая фигура энергетики 4.0 – главный энергетик или инженер-электрик.
Аппаратное обеспечение: специальные измерительные приборы, смартфоны, планшеты, ноутбуки. 
Программное обеспечение – специальные приложения для компьютеров и смартфонов, облачные сервисы.

Пояснение. В индустрии 4.0 программное обеспечение находится на таком уровне, когда для овладения им не нужно обладать специальным знаниями программирования и чего-то подобного. Достаточно знаний в своей отрасли. Остальное – это дело ПО, веб сервисов и т.д.
На этот счет есть хорошая аналогия. На заре автомобилестроения чтобы водить автомобиль требовалось чуть ли не высшее техническое образование. Потому требовалось знание матчасти, как работает бензиновый двигатель, коробка передач, какое напряжение необходимо для заряда аккумулятора и т.д. 

А что сейчас? Любой человек без специального образования сядет за руль и поедет, особенно если коробка автомат.

Просто сравните панель приборов старинных и современных машин. В современных, кроме спидометра, приборов практически нет, все делают технологии и необходимости в понимании технлогий под капотом просто нет.

Отличительные признаки индустрии 4.0

А есть ли аналоги цифровизации в прошлом? Как ни странно есть – это самописец, который непрерывно собирает данные. А когда данные нужны в другом месте, например в главке, можно отвезти ленту самописца туда. В случае необходимости анализа – можно поднять записи самописцев, совместить их между собой и понять причину происшествия. Очень удобно, не правда-ли? Поэтому данные технологии не получили широкого распространения, хотя при расследовании аварий все еще применяются на крупных энергообъектах.
Но современные технологии дают возможность записи и обработки информации в цифровом виде, при этом без особых затрат и технических сложностей. Именно этим объясняется широкое применение компьютеров в цифровизации, но компьютеры по сути являются только инструментами индустрии 4.0, но никак не основой, в отличие от индустрии 3.0.
Как видим, с незапамятных времен энергетики хотели, чтобы все параметры измерялись, сохранялись и были всегда «под рукой». Решение – «BIGDATA - Большие данные ».   
Ведь если мы зададимся целью сохранять информацию обо всех процессах и параметрах в электросетях с разрешением хотя бы 20 микросекунд, что достаточно для исследования переходных и прочих процессов в электросети, это приведет к необходимости производить  50 тысяч измерений в секунду. Если мы хотим отслеживать хотя бы 100 параметров, включая спектр гармоник, напряжения, токи, различные виды мощности - то количество данных возрастает до 5 млн значений в секунду. При стандартной оцифровке данных в 16 бит - мы получим поток данных около 80 МБайт в секунду, передать, обработать и сохранить которые невозможно без специальных технологий Bigdata, являющихся основой Индустрии 4.0.

Роботизация тоже имеет аналоги в прошлом, например автоматы защиты, которые отключают питание при перегрузках или скачках напряжения. По сути заменяют собой электрика , который должен был бы сидеть и наблюдать за вольтметром и отключать или включать какие то устройства в зависимости от показаний приборов. Понятно, что это невыполнимо. При этом, автоматы защиты неплохо справляются в каких-то локальных ситуациях, однако они находятся вне информационной цепочки всего предприятия, иными словами, автомат защиты не передает информацию почему он сработал и не спрашивает ни у кого сработать ему или нет и никто не предсказывает когда он сработает. В небольших производствах это не является проблемой, однако в крупных технологических процессах внезапное отключение электроэнергии без предупреждения или прогноза чревато серьезными авариями. То есть цифровизация позволяет настроить взаимодействие между устройствами и исполнительными механизмами.
Такое взаимодействие обеспечивается технологиями «IoT ( интернет вещей)», когда все без исключения механизмы, датчики, звенья системы включены в единую сеть и не только получают и передают информацию человеку, но и друг другу.
Про роботизацию также отметим, что индустрия 4.0 предполагает комплексную роботизацию не только производственных процессов, но и управления, планирования, проектирования и другой административной работы.

Искусственный интеллект – AI. На самом деле это не про то «что машина думает». Скорее это про распознавание и предсказания. Для энергетики AI может решать задачи распознавания предаварийных событий по целому комплексу технологических параметров, а в идеале по всему комплексу, а также делать технический прогноз аварий и ремонтов, основанный на анализе полного объема информации.

Распределение данных - DATA DISRTIBUTION. Резервное сохранение и копирование данных как на месте получения, так и на удаленных хранилищах с целью предотвращения утери данных в случае сбоев связи. 
Аналог – например, когда вы храните не только у себя ленты самописцев, но делаете их копии и храните отдельно. 

Распространенные заблуждения

         Некоторые путают системы АСКУЭ с цифровизацией, но это всего лишь автоматизация учета, хотя, конечно, тоже полезная вещь. Основное отличие – в большом интервале сбора данных, даже если эти данные передаются дистанционно. Иными словами, данные АСКУЭ годятся только для начисления оплаты, но никак не технологического или оперативного анализа.
        Многие путают понятия автоматизации, роботизации, SCADA, АСУТП с цифровизацией, но как мы понимаем теперь, цифровизация покрывает и включает в себя все эти понятия и технлогии.
        Считается, что заниматься цифровизацией должны IT специалисты и это тоже преувеличение. Сегодня технологии достигли такого уровня развития, что энергетику нужно всего лишь «нажать одну кнопку на ноутбуке или смартфоне» чтобы получить всю необходимую информацию без знания кода, языков программирования и всего прочего.
         Считается, что это дорого, однако, традиционное АСУТП получается гораздо дороже, т. к. требует создания индивидуальных SCADA систем, мощных серверов. В индустрии 4.0 как правило применяется серийные решения, облачные технологии не требующие от пользователя собственных вычислительных мощностей и доработки ПО.
          Существуют опасения, что широкое внедрение облачных технологий снижает информационную безопасность систем, хотя на самом деле дистанционно взломать компьютер, находящийся на столе у энергетика, гораздо проще, чем облачную систему.
          Считается, что для цифровизации необходимы высокоскоростные каналы связи. Отчасти это верно, однако, даже на существующей сети или обычном подключении к интернету, можно построить вполне работоспособную систему, при этом данные будут поступать с некоторой задержкой, однако в любом случае не будут теряться.
         Есть опасения, что работающие на предприятии специалисты не справятся с цифровизацией и нужна особая подготовка кадров. Конечно, небольшая подготовка нужна, однако современные системы устроены не сложнее компьютерной игры и освоить ее сможет любой энергетик или инженер-электрик за месяц.

Как реализовать на практике? 

Уже существуют приборы, в том числе поставляемые в Казахстан, позволяющие провести цифровую трансформацию любого электрохозяйства без особых затрат труда, времени и ресурсов.

Это приборы, т н типа Blackbox – По аналогии с авиацией «Черный ящик»

Мы приведем в качестве примера самый простой прибор этой серии – G4410

В комплекте уже есть программное обеспечение и все необходимые приложения. Кроме того, можно качать бесплатные приложения для работы с прибором в Google play и Appstore . Также можно приобрести дополнительно лицензию на новой ПО – Сапфир.

Прибор полностью соответствует концепции IoT и не имеет на себе никаких кнопок и экранов. Все происходит по сети или через интернет, а отображение информации происходит на компьютере, смартфоне, планшете, короче говоря на любом устройстве.

Выглядит прибор очень просто: 

 
На фото видны отверстия трансформаторов тока для 3-х фаз и нейтрали, позволяющие напрямую подключаться к цепям с током до 50 ампер, а также потенциальные входы, допускающие прямое подключение до 800 Вольт. В случае подключения к существующим измерительным сетям, прибор масштабируется под любые токи и напряжения.

Подключение прибора занимает не более 10 минут:

Настройка осуществляется через сеть или интернет и у подготовленного специалиста занимает не более 10-15 минут. При подключении прибора через любую сеть, на дисплее компьютера мы увидим окно настройки:

Достаточно установить частоту, коэффициент трансформации напряжения, тип соединения фаз: 

 
Затем ввести коэффициенты трансформаторов тока: 

После этого следует установить прилагаемые к прибору программные приложения на компьютер – и можно работать. Если возникают сложности, то наши специалисты смогут помочь с установкой и настройкой. После установки прибор начинает запись сразу и, в конце концов, выдает всю информацию:

В случае необходимости, пользователь может приобрести лицензию на более усовершенствованное ПО Sapphire. Это приложение обладает улучшенным интерфейсом и расширенными возможностями:

Кроме того, получать информацию от прибора можно не только на десктопные, но и на мобильные устройства. Такие как смартфоны и планшеты.
Для этого можно скачать бесплатно приложения:

Для Android  

Для Apple и iPhone

Мобильное приложение позволяет получать всю полноту информации, например точки измерения на географической карте с основными параметрами:

Действующие значения напряжений и токов по каждой фазе и нейтрали:

Амплитуду гармоник в реальном времени:

На смартфон можно выводить множество других параметров по выбору пользователя.

Основные возможности прибора 

- Измерение и сохранение более 200 показателей качества и количества электроэнергии, запись и выдача всех этих параметров в виде таблиц или графиков за период до 1 недели.  Более дорогие модели позволяют производить запись до 1 года. 
- Запись всех без исключения параметров и событий в электросети со скоростью 12800 измерений в секунду.
- Автоматическая выдача отчетов по качеству электроэнергии за любой период времени. 
Такие фантастические параметры достигнуты благодаря специальной патентованной технологии сжатия информации PQZIP.

Более подробно ознакомиться с характеристиками прибора можно здесь : https://pribor.kz/p571120-g4410-blackbox-elspec.html 

Выводы

       Bigdata, цифровизация, интернет вещей - все не так уж сложно в этом процессе цифровой трансформации на самом деле, особенно в энергетике. И уже сейчас есть приборы и инструменты, позволяющие привести любое электрохозяйство в соответствие с самыми последними тенденциями индустрии 4.0  быстро, качественно и относительно недорого.  Важно не отставать от времени и не бояться перемен и экспериментов!

Официальный дистрибьютор производителя приборов Blackbox G4K в Казахстане – ТОО Test instruments и интернет портал Pribor.kz :