Однако ко-симуляция. МЭИ и РГУ нефти и газа им.И. Губкина создали цифровые двойники для нефтеперекачивающих станций

Комплекс цифровых двойников

В состав решения вошли два цифровых двойника: один воспроизводит систему электроснабжения станции, второй - технологический процесс перекачки нефти и нефтепродуктов.

Первый двойник

Первый двойник, относящийся к электрической сети, в режиме реального времени имитирует функционирование электроэнергетических систем и сетей электроснабжения промышленных предприятий как в штатных, так и в аварийных условиях. Он выполняет расчет токов короткого замыкания, проводит анализ работы релейной защиты и автоматики, а также прогнозирует аварийное отключение оборудования.

Эта модель опирается на компетенции Центра НТИ МЭИ, который уже несколько лет развивает платформу ЦДЭС (цифровой двойник энергосистемы). Платформа поддерживает:

• симуляцию режимов энергосистем нормальных, аварийных, квази-переходных и переходных;
• интеграцию с физическими устройствами РЗиА по цифровым протоколам МЭК 61850 (GOOSE, SV, MMS), МЭК 60870-5-104, C37.118, Modbus, UDP;
• виртуальные полнофункциональные модели цифровых терминалов РЗиА;
• виртуальные SCADA-системы уровня подстанции и уровня ЦУС;
• инструменты пользовательской логики по стандарту ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016.

Второй двойник

Второй двойник отвечает за технологический процесс перекачки. Он определяет параметры в каждом узле системы перекачки, воспроизводит переходные процессы при смене режимных параметров и рассчитывает реакцию системы на изменение расхода, состава, температуры и давления перекачиваемой жидкости. Кроме того, модель учитывает динамику накопления и расхода жидкости в резервуарах.

Новая разработка - не лабораторный стенд, а промышленное решение, готовое к использованию. Сотрудники ТранснефтьЭлектросетьСервис (ТЭС) провели проверку и подтвердили его работоспособность.

Есть нюансы. В открытых источниках нет информации о конкретной НПС, на которой проверялся комплекс; нет данных о ПО, использованном для каждой модели; нет сведений о важном параметре - шаге ко-симуляции и методе синхронизации временных масштабов (электрические переходные процессы - миллисекунды, гидравлические - секунды); нет данных о количественной оценке точности (расхождение с реальным объектом). Неясно какое ПО использовано для оркестрации - в предыдущих проектах ТЭС упоминаются зарубежные PandaPower, RTDS, PowerFactory.

Не анонсированы сроки развёртывания новой разработки на реальных НПС Транснефти. Не указаны НПЗ, на которых будет это внедрение.

Ко-симуляция процессов в НПС

Основной эффект обеспечивает ко-симуляция - это технология работы, при которой несколько независимых цифровых двойников, описывающих разные физические системы, запускаются одновременно и обмениваются данными в реальном времени. Для нефтеперекачивающих станций это особенно актуально, поскольку электроснабжение и гидравлика перекачки обычно моделируются раздельно, и системы не обмениваются данными.

В новом решении пытливые инженеры обе модели запускают одновременно в реальном времени, позволяя им обмениваются данными по цифровому протоколу.

Короткое замыкание в распределительной сети сказывается на работе насосов и давлении в нефтепроводе, а гидравлический удар отражается на электродвигателях. Использование ко-симуляции для НПС дает возможность устранить эти перекрёстные эффекты, которые на реальной НПС являются источником наиболее опасных аварийных сценариев:

• отказ электропитания - остановка магистральных насосов - гидравлический удар - разрушение нефтепровода;
• гидравлический удар - перегрузка электродвигателей - тепловое повреждение обмоток - короткое замыкание;
• переключение режима перекачки - изменение нагрузки на трансформаторы - перегрузка питающей электросети.

Ко-симуляция позволяет моделировать каскадные сценарии, при которых сбой в одной системе распространяется в другой.
Моделирование таких ситуаций позволяет заранее оценивать последствия аварий и выбирать оптимальные защитные уставки - пороговые значения, при которых система отключается; отрабатывать сценарии без риска для реального объекта.
Подобная взаимосвязь позволяет принимать комплексные решения и повышать надежность и безопасность объекта.

В мировой практике ко-симуляция опирается на открытый стандарт FMI (Functional Mock-up Interface), который обеспечивает совместимость моделей, созданных в разных инструментах (Simulink, OpenModelica, Ansys, Dymola и др.).
Технология работы:
Каждая подсистема моделируется в наиболее подходящем инструменте (электрическая часть — в Simulink, гидравлическая — в Ansys).
Модель экспортируется в формат FMU (Functional Mock-up Unit) — ZIP-архив, содержащий бинарный код модели, встроенный численный решатель и XML-описание интерфейса (входы, выходы, параметры).
FMU-модули загружаются в единую среду симуляции (оркестратор), где мастер-алгоритм управляет обменом данными между ними на каждом шаге по времени.
Каждый FMU работает как «чёрный ящик»: получает входы, делает шаг вперёд собственным решателем, выдаёт выходы. Подсистемы не знают друг о друге — маршрутизацией данных занимается мастер.

Официоз

Руководил работой от МЭИ А. Волошин - директор Центра НТИ и заведующий кафедрой релейной защиты и автоматизации энергосистем.
Ректор МЭИ Н. Рогалев отметил, что новая разработка является ярким примером того, как межвузовское сотрудничество в партнерстве с индустриальными компаниями позволяет создавать передовые решения, востребованные в реальной промышленности. По его словам, такой подход не просто отражает современный вектор развития инженерной науки, но и напрямую повышает надежность и безопасность критически важной инфраструктуры.