Обеспечение надежного электроснабжения нефтегазовых предприятий ввиду высокой значимости их технологического процесса, относится к числу наиболее ответственных отраслевых задач. Для таких предприятий характерны высокая энергоемкость, значительная доля электродвигательной нагрузки, наличие собственных и распределенных источников электроэнергии, а также строгие требования к непрерывности электроснабжения. Даже кратковременные нарушения или неверная работа защит и автоматики способны приводить к останову технологического процесса и росту эксплуатационных затрат. В этих условиях цифровое моделирование энергетического оборудования и системы электроснабжения в целом становится не вспомогательным, а базовым инженерным инструментом. Оно позволяет еще до внедрения проверять топологические и конфигурационные решения, параметры оборудования, настройки устройств защиты и автоматики, а также алгоритмы управления в нормальных, ремонтных и аварийных режимах.

Комплекс ЦДЭС — это многофункциональная платформа для моделирования электрооборудования, расчета установившихся и переходных процессов энергосистем, симуляции алгоритмов работы систем защиты, автоматики и управления и анализа режимов работы систем электроснабжения. Комплекс построен по мультисервисной архитектуре и включает редактор электрических схем, симулятор энергосистем, редакторы логики по стандартам МЭК 61850 и МЭК 61131, конфигуратор цифровых протоколов передачи данных, виртуальные терминалы защиты и контроллеры автоматизации, инструменты анализа схем и режимов и прочее [1].

Для нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий особое значение имеет возможность исследовать одним инструментом как установившиеся режимы, так и быстрые электромеханические и электромагнитные процессы. Именно такое сочетание необходимо при анализе влияния пуска мощных электродвигателей, их самозапуска после кратковременных провалов напряжения, переключений, возникновения коротких замыканий и работы силовой преобразовательной техники.

Функциональность ЦДЭС позволяет разработать подробную расчетную схему электроэнергетической системы (ЭЭС) предприятия в редакторе ЭЭС, используя библиотечные и пользовательские элементы.
Размерность таких схем может составлять более 6 500 электрических элементов различного характера и функционального назначения и более 2 300 электрических узлов. Многовариантный расчет установившихся и аварийных режимов на вычислительных платформах стандартной мощности выполняется в ЦДЭС за время от 10 до 30 секунд, в зависимости от количества расчетных сценариев.
Расчет переходных режимов выполняется с шагом 50 мкс.

Для объектов транспорта нефти применение ЦДЭС целесообразно при анализе электроснабжения насосных станций и режимов работы распределительных электрических подстанций. Моделирование электрических режимов сети и электромеханических режимов двигателей позволяет детально анализировать и прогнозировать возможные технологические режимы транспортировки продуктов, и, как следствие, гибко управлять ими. Это возможность предварительно проработать технологические последствия включения и отключения крупных электроприемников, перевода питания собственных нужд и работы резервных источников без риска для действующего производства.

Еще одним практическим преимуществом ЦДЭС является экспорт результатов в общепринятые форматы COMTRADE, CSV, XML, SSD и XLSX. Это упрощает подготовку технических отчетов, обмен данными между разными подразделениями и эксплуатирующими службами, сопоставление расчетных результатов с фактическими данными и последующий инженерный анализ [2].

Для нефтедобывающих предприятий, кустовых площадок, дожимных станций, объектов первичной подготовки нефти и шельфовых платформ особую актуальность имеет моделирование процессов электроснабжения изолированных и слабо связанных систем. Такие системы характеризуются применением дизель-генераторных установок, газопоршневых и газотурбинных агрегатов и систем накопления энергии.

Совместное моделирование различных компонентов сложных энергетических установок и систем, отличающихся как по масштабу, так и по физической природе процессов, — одна из ключевых особенностей ЦДЭС. Прикладным примером является моделирование дизель-генераторной установки. Модель ДГУ представляется не только электрической моделью синхронного генератора, но и связанной с ней моделью двигателя внутреннего сгорания. При этом расчет механической части выполняется на основе термодинамического описания рабочего цикла Отто. Такой подход позволяет учитывать не только среднее значение механической мощности, но и ее неравномерность во времени, что имеет значение при исследовании качества переходных процессов и взаимодействия параллельно работающих агрегатов. Форма осциллограммы (рис. 1) по результатам моделирования 16-цилиндровой установки подтверждает зависимость механического момента от расхода топлива на цилиндр, и необходимость учета процессов первичного двигателя.

Наряду с ДГУ, для современных изолированных систем электроснабжения существенную роль играют системы накопления энергии. В ЦДЭС для аккумуляторной батареи реализована модель Шеферда, конфигурируемая по характерным точкам номинальной разрядной характеристики [3]. Это позволяет учитывать изменение напряжения батареи в зависимости от степени заряда и режима работы и, соответственно, оценивать достаточность энергетической емкости накопителя. Полученные таким способом данные полезны при расчете участия СНЭ в покрытии кратковременного дефицита мощности, поддержании параметров режима и обеспечении электроснабжения ответственных потребителей на интервале запуска резервной генерации.

Таким образом, применение ЦДЭС для отдаленных и изолированных систем электроснабжения нефтегазовых объектов позволяет перейти от упрощенного режимного анализа к комплексному исследованию электрических и механических процессов. В отношении моделирования ДГУ и СНЭ комплекс позволяет заранее определить рациональные варианты электропитания критической нагрузки, оценить мощность резервного источника и проверить работу алгоритмов автоматики. Для шельфовых и труднодоступных объектов это имеет существенное значение, поскольку стоимость натурных испытаний, появления ошибок и повторных выездов для настройки оборудования и регуляторов крайне высока.

Для предприятий нефтегазовой отрасли надежность основного технологического процесса в значительной степени обеспечивается стабильностью электроснабжения, которая, в свою очередь, существенно зависит от корректности работы вторичных систем. Моделирование, расчет и исследование параметров работы таких систем в ЦДЭС возможно с помощью нескольких инструментов:
• редактор алгоритмов релейной защиты и автоматики (РЗА) по стандарту
МЭК 61850;
• редактор логики устройств автоматики и управления по стандарту МЭК 61131;
• виртуальные терминалы РЗА по стандарту МЭК 61850;
• виртуальные программируемые логические контроллеры;
• конфигуратор цифровых протоколов обмена данными;
• автоматический расчет параметров срабатывания устройств РЗА.

Эти инструменты предоставляют возможность в единой расчетной модели исследовать совместную работу силового электрооборудования и алгоритмов защиты, автоматики и управления. К таковым можно отнести автоматическое включение
резерва (АВР) и быстрое АВР (БАВР), восстановление нормального режима, автоматику секционирования, защиты и регуляторы пуска и останова электродвигателей.

Отдельного внимания заслуживает функциональность автоматизации расчета параметров срабатывания РЗА (рис. 2).
ЦДЭС позволяет создавать алгоритмические модели РЗА, синтезировать расчетные условия, формировать пакеты сценариев нагрузочных и аварийных режимов, рассчитывать параметры срабатывания, проверять чувствительность и формировать карты селективности [4].
Это значительно сокращает время и объем ручных расчетов, которые могут привести к ошибкам вызванным человеческим фактором, а также повышает повторяемость и степень использования результатов при модернизации энергообъектов.

С практической точки зрения особенно ценен сценарный подход. Инженер-исследователь может сформировать и проверить любые варианты «что если», от неисправности силового электрооборудования до отказа работоспособности функций защиты, автоматики и управления. Такая возможность позволяет не только повысить надежность проектных решений, но и заранее подготовить корректные алгоритмы локализации и восстановления электроснабжения.

С практической точки зрения особенно ценен сценарный подход. Инженер-исследователь может сформировать и проверить любые варианты «что если», от неисправности силового электрооборудования до отказа работоспособности функций защиты, автоматики и управления. Такая возможность позволяет не только повысить надежность проектных решений, но и заранее подготовить корректные алгоритмы локализации и восстановления электроснабжения.

Применительно к системе электроснабжения промышленных предприятий цифровой двойник — это комплексная модель электрической сети и систем автоматики, используемая для непрерывного сопоставления расчетного и фактического состояний. Создание цифрового двойника системы электроснабжения на базе ЦДЭС предполагает разработку комплексной цифровой математической модели энергосистемы конкретного предприятия. В состав такой модели может входить как разнообразное силовое оборудование, так и устройства релейной защиты, автоматики и управления. Интеграция разработанной модели с действующими информационно-технологическими системами предприятия для получения реальных режимных параметров в темпе технологического процесса осуществляется встроенными в ЦДЭС инструментами. Приложение «Конфигуратор протоколов» поддерживает ввод информации в расчетную модель и ее вывод стандартными и общераспространенными промышленными цифровыми протоколами передачи данных.

В такой конфигурации на базе ЦДЭС могут решаться следующие задачи:
• анализ текущих режимов электроснабжения и моделирование их изменений по принципу «что если»;
• синтез и выбор оптимальных и безопасных переключений;
• оценка последствий отказов оборудования;
• оптимизация уровней допустимых напряжений, потокораспределения мощности и электрических потерь;
• подбор рациональных режимных и технических решений при модернизации сети.

Для объектов добычи, транспорта и переработки углеводородов это позволяет учитывать влияние режимов электроснабжения на стабильность основного технологического цикла еще до их реализации в эксплуатации. Основная значимость для предприятий нефтегазовой отрасли в целом заключается в переходе от эпизодических расчетов к непрерывной поддержке принятия решений, в том числе, с использование интеллектуальных технологий: онтологии и базы знаний, машины логического вывода, искусственные нейронные сети и прочее.

Отдельным перспективным направлением является создание на базе цифрового двойника изолированных учебно-испытательных полигонов цифровой технологической инфраструктуры реального энергообъекта. Такие полигоны могут применяться для отработки действий при киберинцидентах, отвлечения кибер-нарушителей от реальной инфраструктуры, проверки устойчивости информационного обмена и тестирования изменений без вмешательства в действующую систему. Тем самым ЦДЭС может выступать в качестве базового технологического инструмента для цифрового двойника системы электроснабжения нефтегазового предприятия, объединяющего функции анализа, прогнозирования, обучения и поддержки эксплуатации.

Ключевую роль в системах электроснабжения изолированных объектов нефтегазовой отрасли выполняют системы резервного и бесперебойного электропитания. Исследование вопросов устойчивости технологического цикла таких объектов посредством испытаний особенно эффективно тогда, когда необходимо не просто подтвердить работоспособность оборудования, а проверить его поведение при различных режимах. К примеру, в состав задач моделирования и испытаний СНЭ должны включаться расчеты основных параметров накопителя, выбор архитектуры системы управления, настройка функций регулятора LVRT/ZVRT/HVRT (low-voltage-ride-through / zero-voltage-ride-through / high-voltage-ride-through), а также разработка цифровой модели всей энергосистемы объекта.

Существенно важным для этого является PHIL-моделирование (power hardware-in-the-loop), при котором ЦДЭС обеспечивает непосредственное подключение испытываемого оборудования, например, силовых инверторов и их регуляторов, к цифровой модели. Подключение осуществляется по нормированным аналоговым и дискретным сигналам или цифровым каналам.

Практическим результатом такого подхода становится перенос значительной части наладки и приемочных проверок из натурного формата в киберфизический. Это сокращает время и стоимость внедрения новых решений, уменьшает число опасных операций на действующем объекте и позволяет выявить необходимость корректировки параметров всех элементов системы до их поставки. Для отдаленных предприятий нефтегазовой отрасли, где цена ошибки особенно высока из-за непрерывности основного технологического процесса и сложной логистики, испытания, совмещаемые с цифровым моделированием, являются одним из наиболее ценных эффектов применения ЦДЭС.

Применение цифрового моделирующего комплекса ЦДЭС на предприятиях нефтегазовой отрасли дает возможность выполнять предварительную проверку новых и инновационных технических решений до их внедрения на объекте. Это особенно важно при использовании новых схем электроснабжения, систем накопления энергии, инверторного оборудования, цифровых устройств РЗА и алгоритмов управления. Предварительная цифровая апробация сокращает затраты на натурные опыты, уменьшает число повторных настроек и позволяет сократить время ввода в эксплуатацию.

Использование ЦДЭС также создает основу для оптимизации режимов электроснабжения и сокращения потерь. На цифровой модели могут сравниваться различные варианты конфигурации сети, распределения нагрузки, работы источников реактивной мощности, резервных источников и систем накопления энергии. При модернизации систем электроснабжения предприятий нефтегазовой отрасли ЦДЭС может использоваться как инструмент подбора оптимальных режимных и технических решений. Это позволяет выбирать не просто работоспособный вариант, а тот, который обеспечивает требуемую надежность выполнения основного технологического цикла и рациональные капитальные и эксплуатационные затраты.