alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2024.01.153-168alternative-2373Research ArticleVII. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 17. Энергетика и экологияVII. ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGY.17. Energy and EcologyАлгоритм автоматического определения типов повреждений основного оборудования на основе технологии цифровых двойниковAutomatic damage type detection algorithm for main equipment based on digital twin technologyСидороваА. В.SidorovaA. V.

Сидорова Алена Владимировна - научный сотрудник Межкафедральной научно-исследовательской лаборатории обработки анализа и представления данных в электроэнергетических системах (ЛДвЭЭС),

пр-т К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073

Sidorova Alena V. - researcher at the Interdepartmental Research Laboratory for Processing,Analysis and Presentation of Data in Electric Power Systems (LDvEES),

K. Marx Avenue, 20, Novosibirsk, 630073

ШироковА. В.ShirokovA. V.

Широков  Александр Владимирович - аспирант кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы»,

пр-т К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073

Shirokov Aleksandr V. - postgraduate student of the department Electric Power stations and Electric power,

K. Marx Avenue, 20, Novosibirsk, 630073

shirokoff_alex@mail.ruРусинаА. Г.RusinaA. G.

Русина Анастасия Георгиевна - д.т.н., доцент, декан факультета Энергетики,

пр-т К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073

Rusina Anastasia G. - Dr. Sc. (Engineering), Professor, Dean of the Energy Faculty,

K. Marx Avenue, 20, Novosibirsk, 630073

АрестоваА. Ю.ArestovaA. Y.

Арестова Анна Юрьевна - старший преподаватель кафедры Автоматизированныхэлектроэнергетических систем факультета Энергетики,

пр-т К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073

Arestova Anna Yu. - Senior lecturer of Automated power systems Department,

K. Marx Avenue, 20, Novosibirsk, 630073

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation20242005202401153168Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20232023Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2373

Вопросы применения технологии цифровых двойников на сегодняшний день являются актуальными в различных сферах экономического развития, не исключение и электроэнергетика. Электроэнергетика – отрасль со сложной структурой. Люди не всегда способны оперативно обработать огромный объем данных, выявить зависимости и принять оптимальное решение, поэтому без цифровых технологий невозможно конкурировать в современных реалиях. В статье рассматривается разработка и применение алгоритмов определения типов повреждений основного оборудования на основе технологии цифровых двойников. Определение режима повреждения основано на методе анализа аналоговых и дискретных сигналов, присутствующих в технологической сети передачи данных. В результате проведенных исследований разработаны, апробированы и внедрены алгоритмы цифрового двойника релейной защиты и автоматики на действующей ГЭС. Цифровой двойник направлен на сокращение времени обнаружения и локализации неисправностей и повреждений основного оборудования, а также на повышение информативности о режимах работы устройств релейной защиты и автоматики. Полученные результаты могут быть внедрены в существующую автоматизированную систему управления ГЭС для улучшения процесса принятия решений. Гибкая конфигурация позволяет не только адаптировать алгоритмы к любому оборудованию, но и расширить их функциональность.

The issues of using digital twin technology today are relevant in various areas of economic development, and the electric power industry is no exception. Electric power industry is an industry with a complex structure. People are not always able to quickly process a huge amount of data, identify dependencies and make the best decision, so without digital technologies it is impossible to compete in modern realities. The article discusses the development and application of algorithms for determining types of damage to main equipment based on digital twin technology. Determination of the damage mode is based on the method of analyzing analog and discrete signals present in the technological data transmission network. As a result of the research, algorithms for a digital twin of relay protection and automation at an operating hydroelectric power station were developed, tested and implemented. The digital twin is aimed at reducing the time for detecting and localizing faults and damage to main equipment, as well as increasing information content about the operating modes of relay protection and automation devices. The results obtained can be implemented into the existing automated control system of hydroelectric power plants to improve the decision-making process. Flexible configuration allows not only to adapt algorithms to any equipment, but also to expand their functionality.

ГЭСSCADAповреждение оборудованиянеисправность оборудованияцифровой двойникрелейная защита и автоматикаотказ оборудованияHPPSCADAequipment damageequipment malfunctiondigital twinrelay protection and automationequipment failureReferences. Хуан Дж. и др. Применение цифрового двойника в энергетике / Дж. Хуан, Л. Чжао, Ф. Вэй, Б. Цао // Серия конференций IOP: Наука о Земле и окружающей среде. – 2021. – В. 647. – №. 1. – С. 1-10.. Huang J. et al. The application of digital twin on power industry / J. Huang, L. Zhao, F. Wei, B. Cao // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2021. – V. 647. – №. 1. – Р. 1-10.. Парвареш А. и др. Новая технология цифровых двойников на основе контроллера с глубоким обучением для управления углом наклона ветряной турбины с регулируемой скоростью / А. Парвареш, С. Абразех, С. Р. Мохсени, М. Дж. Зейтуни, М. Гейсарнежад, М. Х. Хубан // Проекты. – 2020. – Т. 4. – №. 2. – С. 1-19.. Parvaresh A. et al. A novel deep learning backstepping controller-based digital twins technology for pitch angle control of variable speed wind turbine / A. Parvaresh, S. Abrazeh, S. R. Mohseni, M. J. Zeitouni, M. Gheisarnejad, M. H. Khooban // Designs. – 2020. – V. 4. – №. 2. – Р. 1-19.. Тао Ф. и др. Пятимерная модель цифрового двойника и десять ее применений / Ф. Тао, В. Лю, М. Чжан, Т. Ху, Ц. Ци, Х. Чжан, З. Хуан // Компьютерно-интегрированные производственные системы. – 2019. – Т. 25. – №. 1. – С. 1-18.. Tao F. et al. Five-dimension digital twin model and its ten applications / F. Tao, W. Liu, M. Zhang, T. Hu, Q. Qi, H. Zhang, Z. Huang // Computer integrated manufacturing systems. – 2019. – V. 25. – №. 1. – Р. 1-18.. Золин Д. С., Рыжкова Е. Н. Цифровые двойники для электрических сетей // Международная Российская конференция по автоматизации (РусАвтоКон) 2020. – IEEE, 2020. – С. 175-180.. Zolin D. S., Ryzhkova E. N. Digital twins for electric grids // 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). – IEEE, 2020. – Р. 175-180.. Бросинский С. и др. Роль цифровых двойников в автоматизации и управлении энергосистемами: необходимость, требования и преимущества / К. Бросинский, А. Куммеров, М. Рихтер, А. Науманн, П. Вист, С. Николаи, Д. Вестерманн // Конгресс ETG 2021. – 2021. – С. 1-6.. Brosinsky C. et al. The role of digital twins in power system automation and control: Necessity, requirements, and benefits / C. Brosinsky, A. Kummerow, M. Richter, A. Naumann, P. Wiest, S. Nicolai, D. Westermann // ETG Congress 2021. – 2021. – Р. 1-6.. Темкина В. и др. Совершенствование технологии волоконно-оптических датчиков тока для ре лейной защиты и коммерческого учета в электросетях / В. Темкина, А. Медведев, А. Майзель, А. Мокеев, Е. Сиволенко // 2020 3-й Международный коллоквиум по интеллектуальной сетевой метрологии (СМАГРИМЕТ). – IEEE, 2020. – С. 61-65.. Temkina V. et al. Improvement of Fiber-Optic Current Sensor Technology for Relay Protection and Commercial Metering in Power Grid / V. Temkina, A. Medvedev, A. Mayzel, A. Mokeev, E. Sivolenko // 2020 3rd International Colloquium on Intelligent Grid Metrology (SMAGRIMET). – IEEE, 2020. – Р. 61-65.. Ю Х., Хоу Дж., Сюй Х. Исследование модели цифрового двойника Фучуньцзянской ГЭС на основе технологии 3D-лазерного сканирования / Х. Ю, Дж. Хоу, Х. Сюй // Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде. – Издательство ИОП, 2021. – Т. 784. – №. 1. – С. 1-16.. Yu H., Hou J., Xu H. Research on the Digital Twin Model of Fuchunjiang Hydropower Plant Based on 3D Laser Scanning Technology / H. Yu, J. Hou, H. Xu //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – IOP Publishing, 2021. – V. 784. – №. 1. – Р. 1-16.. Фергюсон С., Беннетт Э., Иващенко А. Проблемы проектирования цифровых двойных талей / С. Фергюсон, Э. Беннетт, А. Иващенко // WorldPumps. – 2017. – В. 2017. – №. 4. – С. 26-28.. Ferguson S., Bennett E., Ivashchenko A. Digital twin tackles design challenges / S. Ferguson, E. Bennett, A. Ivashchenko // World Pumps. – 2017. – V. 2017. – №. 4. – Р. 26-28.. Повалла Д. и др. Вычислительная гидродинамическая модель водовихревой электростанции как платформа для это- и экогидравлических исследований / Д. Повалла, С. Хёрнер, О. Клейнен, Н. Мюллер, Дж. Стамм, Д. Тевенен // Энергетика. – 2021. – Т. 14. – №. 3. – С. 1-14.. Powalla D. et al. A computational fluid dynamics model for a water vortex power plant as platform for etho-and ecohydraulic research / D. Powalla, S. Hoerner, O. Cleynen, N. Müller, J. Stamm, D. Thévenin // Energies. – 2021. – V. 14. – №. 3. – Р. 1-14.. Рибейро Ф. С. Л. и др. Оптимальная эксплуатация водохранилища гидроэлектростанции Жирау с использованием нелинейной оптимизации / Ф. Д. С. Л. Рибейро, Р. К. Брандао Фильо, А. Р. Гальван Фильо, Р. В. де Карвальо, К. Ж. Коэльо // Международная конференция по электротехнике, связи и вычислительной технике (ICECCE) 2020 года. – IEEE, 2020. – С. 1-4..Ribeiro F. S. L. et al. Optimal operation of the Jirau hydroelectric power plant reservoir using nonlinear optimization / F. D. S. L. Ribeiro, R. C. Brandão Filho, A. R. Galvão Filho, R. V. de Carvalho, C. J. Coelho // 2020 International Conference on Electrical, Communication, and Computer Engineering (ICECCE). – IEEE, 2020. – Р. 1-4.. Моханпуркар М. и др. Совместное моделирование гидроаккумулирующих установок с регулируемой скоростью в реальном времени для анализа устойчивости в переходных процессах / М. Моханпуркар, А. Оруа, Р. Овсапян, Ю. Луо, М. Сингх, Э. Мулджади, П. Доналек // Электроэнергетические системы Исследовать. – 2018. – Т. 154. – С. 276-286..Mohanpurkar M. et al. Real-time co-simulation of adjustable-speed pumped storage hydro for transient stability analysis / M. Mohanpurkar, A. Ouroua, R. Hovsapian, Y. Luo, M. Singh, E. Muljadi, P. Donalek // Electric Power Systems Research. – 2018. – V. 154. – Р. 276-286.. Эбрахими А. Проблемы разработки модели цифрового двойника генераторов возобновляемой энергии // 28-й международный симпозиум IEEE по промышленной электронике (ISIE), 2019. – IEEE, 2019. – С. 1059-1066..Ebrahimi A. Challenges of developing a digital twin model of renewable energy generators // 2019 IEEE 28th international symposium on industrial electronics (ISIE). – IEEE, 2019. – Р. 1059-1066.. Хуан Л. и др. Моделирование цифровых двойников и оценка рабочего состояния оборудования подстанций / Л. Хуан, Ю. Лян, Х. Хуан, Дж. Чжоу // 2021 4-я Международная конференция по энергетике, электротехнике и энергетике (CEEPE). – IEEE, 2021. – С. 159-163..Huang L. et al. Digital Twin Modeling and Operating State Assessment of Substation Equipment / L. Huang, Y. Liang, H. Huang, J. Zhou // 2021 4th International Conference on Energy, Electrical and Power Engineering (CEEPE). – IEEE, 2021. – Р. 159-163.. Курики А. и др. Связь воды, энергии и экосистемы: баланс конкурирующих интересов на русловой гидроэлектростанции с использованием гидролого-экогидравлического подхода / Курики, А. Н. Пиньейро, А. Сордо-Уорд, Л. Гарроте // Преобразование энергии и управление. – 2020. – Т. 223. – С. 1-14..Kuriqi A. et al. Water-energy-ecosystem nexus: Balancing competing interests at a run-of-river hydropower plant coupling a hydrologic-ecohydraulic approach / Kuriqi, A. N. Pinheiro, A. Sordo-Ward, L. Garrote // Energy Conversion and Management. – 2020. – V. 223. – Р. 1-14.. Чао З. и др. Электрораспределительная сеть на основе цифрового 3D-двойного панорамного моделирования / З. Чао, Л. Ичжао, Л. Жунгуй, Г. Цзюнь, З. Ми // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2020. – Т. 204. – С. 1-7..Chao Z. et al. Power distribution network based on digital 3D twin panoramic modeling / Z. Chao, L. Yizhao, L. Ronggui, G. Jun, Z. Mi // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2020. – V. 204. – Р. 1-7.. Шкафы типов ШЭ1110, ШЭ 1111, ШЭ 1112, ШЭ 1113 комплекса унифицированных защит генераторов, трансформаторов и блоков генератор-трансформатор электростанций. Руководство по эксплуатации. ЭКРА.650323.001 РЭ..Enclosures of types SHE1110, SHE1111, SHE1112, SHE1113 of a complex of unified protections for generators, transformers and generator-transformer units of power plants. User manual. EKRA.650323.001 RE.. Расчет уставок релейной защиты блока генератор–трансформатор: учебное пособие / В. Е. Глазырин, А. А. Осинцев, Е. И. Фролова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 80 с..Calculation of relay protection settings of the generator–transformer unit: textbook / V. E. Glazyrin, A.A. Osintsev, E.I. Frolova. Novosibirsk: NSTU Publishing House, 2018. – 80 p.. Бедняк С. Г., Бауман А. А. Цифровые двойники и области их применения // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 26. С. 1539-1544..Bednyak S. G., Bauman A. A. Digital doubles and their applications // Innovation. Science. Education. 2021. – No. 26. – Р. 1539-1544.. Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства / Н. В. Курганова, М. А. Филин, Д. С. Черняев, А. Г. Шаклеин, Д. Е. Намиот // International Journal of Open Information Technologies. 2019, vol. 7. № 5. P. 105-115..Introduction of digital twins as one of the key directions of digitalization of production / N. V. Kurganova, M. A. Filin, D. S. Chernyaev, A. G. Shaklein, D. E. Namiot // International Journal of Open Information Technologies. – 2019, vol. 7. – № 5. – P. 105-115.. Digital twin-driven product design framework / F. Tao, F. Sui, A. Liu et al. // International Journal of Production Research. 2018. P. 1-19..Digital twin-driven product design framework / F. Tao, F. Sui, A. Liu et al. // International Journal of Production Research. – 2018. – P. 1-19.. Digital Twin: Generalization, characterization and implementation / E. Van Der Horn, S. Mahadevan // Decision Support Systems. 2021. vol. 145. 113524..Digital Twin: Generalization, characterization and implementation / E. Van Der Horn, S. Mahadevan // Decision Support Systems. – 2021, vol. 145. 113524.. Digital twin modeling for temperature field during friction stir welding / G. Chen, J. Zhu, Y. Zhao, et al. // Journal of Manufacturing Processes. 2021. № 64. P. 898-906..Digital twin modeling for temperature field during friction stir welding / G. Chen, J. Zhu, Y. Zhao, et al. // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – № 64. – P. 898-906.. Digital twins-based smart manufacturing system design in Industry 4.0 / J. Leng, D. Wang, W. Shen, et al.// 2021. Journal of Manufacturing Systems. № 60. P.119-137..Digital twins-based smart manufacturing system design in Industry 4.0 / J. Leng, D. Wang, W. Shen, et al.// – 2021. – Journal of Manufacturing Systems. – № 60. – P.119-137.. Методы создания цифровых двойников на основе нейросетевого моделирования / А. Н. Васильев, Д. А. Тархов, Г. Ф. Малыхина // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2018. № 3. C. 521-532..Methods of creating digital twins based on neural network modeling / A. N. Vasiliev, D. A. Tarkhov, G. F. Malykhina // Modern information technologies and OT-education. – 2018. – No. 3. – Р. 521-532.. Sleiti A., Kapat J., Vesely L. Digital twin in energy industry: Proposed robust digital twin for power plant and other complex capital-intensive large engineering systems // Energy Reports. – 2022. – № 8. – P. 3704- 726;.Sleiti A., Kapat J., Vesely L. Digital twin in energy industry: Proposed robust digital twin for power plant and other complex capital-intensive large engineering systems // Energy Reports. – 2022. – № 8. – P. 3704-3726;. Моравель В. И., Борисов В. А. Возможности использования цифровых двойников в задачах электроэнергетики // Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации». – 2022. – № 6. [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/06/98404..Moravel V. I., Borisov V. A. Possibilities of using digital twins in problems of electric power engineering // Electronic scientific and practical journal «Modern scientific research and innovations». – 2022. – No. 6. [Electronic resource]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/06/98404.. Клаус Шваб, Николас Дэвис. Технологии четвёртой промышленной революции = Shaping The Fourth Industrial Revolution. – Эксмо, 2018. – 320 с. – ISBN 978-5-04-095565-7..Klaus Schwab, Nicholas Davis. Technologies of the Fourth Industrial Revolution = Shaping The Fourth Industrial Revolution. – Eksmo, 2018. – 320 p. – ISBN 978-5-04-095565-7.. Гривз, Майкл; Викерс, Джон (17 августа 2016). «Цифровой двойник: смягчение непредсказуемого, нежелательного возникающего поведения в сложных системах». Трансдисциплинарные перспек тивы сложных систем. – Стр. 85-113. doi:10.1007/978-3-319-38756-7_4, ISBN 978-3-319-38754-3..Greaves, Michael; Vickers, John (August 17, 2016). «The digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems». Transdisciplinary perspectives on complex systems. – Р. 85-113. doi:10.1007/978-3-319- 38756-7_4, – ISBN 978-3-319-38754-3.. Лопатников Л. И. Чёрный ящик // Экономико-математический словарь: Словарь современной экономической науки. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Дело, 2003. – 520 с..Lopatnikov L. I. Black box // Economic and Mathematical Dictionary: Dictionary of Modern Economics. – 5th ed., reprint. and additional. – M.: Delo, 2003. – 520 p.. Корниенко Е. В., Шиндина Л. Д. Введение // Теория управления: Учебное пособие. – Таганрог: Издатель С. А. Ступин, 2015. – С. 5-7, 170..Kornienko E. V., Shindina L. D. Introduction // Theory of management: Textbook. – Taganrog: Izdatel S. A. Stupin, 2015. – Р. 5-7. – 170 p.. Шарыгин М. В., Куликов А. Л., Вуколов В. Ю., Петров А. А. Адаптивная релейная защита электрических сетей с источниками распределенной генерации // Известия РАН. Энергетика. – 2020. – № 3. – С. 60-68..Sharygin M. V., Kulikov A. L., Vukolov V. Yu., Petrov A. A. Adaptive relay protection of electric networks with distributed generation sources // Izvestiya RAS. – Energy. – 2020. – No. 3. – Р. 60-68.. Marcel Geor, Alex Lippitt, Hayden Alves. «Full digital substation with Process Bus-time synchronization best practice». – Digital Substation. – 2020. – C 39-43..Marcel Geor, Alex Lippitt, Hayden Alves. «Full digital substation with Process Bus-time synchronization best practice». – Digital Substation. – 2020. – C 39-43.. H. Sakoe and S. Chiba, Dynamic programming algorithm optimization for spoken word recognition, in IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 26, no. 1, pp. 43-49, February 1978, doi: 10.1109/TASSP.1978.1163055..H. Sakoe and S. Chiba. Dynamic programming algorithm optimization for spoken word recognition, in IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 26, no. 1, pp. 43-49, February 1978, doi: 10.1109/TASSP.1978.1163055.. A. Fedorov, V. Petrov, O. Afanasieva and I. Zlobina. Limitations of Traveling Wave Fault Location // Ural Smart E nergy Conference (USEC) / Ekaterinburg. Russia. 2020. pp. 21-25. doi:10.1109/USEC50097.2020.9281153..A. Fedorov, V. Petrov, O. Afanasieva and I. Zlobina. Limitations of Traveling Wave Fault Location // Ural Smart E nergy Conference (USEC) / Ekaterinburg. Russia. – 2020. – Р. 21-25. doi: 10.1109/ USEC50097.2020.9281153.. Чавчанидзе Г. Д. Переходные процессы в электрических цепях. Учебное пособие. – М.: МИИГ, 2007. – 158 с..Chavchanidze G. D. Transients in electrical circuits. A study guide. – Moscow: MIIT, 2007, 158 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.