Выступление профессора Шалумова в Союзе машиностроителей России

15 апреля 2021 г. Генеральный директор ООО «НИИ «АСОНИКА», председатель технического комитета Росстандарта по стандартизации ТК 165 «Системы автоматизированного проектирования электроники», профессор Шалумов Александр Славович выступил на заседании Комиссии по вопросам развития и внедрения технологий в области энергетической эффективности и энергосбережения Союза машиностроителей России с докладом на тему «Стандартизация цифровых двойников электроники в области энергетической эффективности и энергосбережения».

​

При обсуждении нового проекта Комплексного плана мероприятий по повышению энергетической эффективности экономики Российской Федерации и иных системообразующих документов в области энергоэффективности» Шалумов отдельное внимание обратил на значимость вопроса стандартизации систем автоматизированного проектирования и виртуальных испытаний электроники – электронной аппаратуры и электронной компонентной базы, составляющих основу цифровых двойников.

Электроника для энергетики, создаваемая без сквозного автоматизированного проектирования и без применения комплексного моделирования, обречена на низкую надёжность и отказы в процессе эксплуатации.

В докладе были озвучены предлагаемые меры, направленные на снижение рисков:

• Создание, стандартизация и внедрение цифровых двойников электросетевого оборудования на базе отечественных систем автоматизированного проектирования (САПР) электроники и машиностроения.
• Создание и стандартизация системы подготовки и повышения квалификации специалистов в области прогнозирования и предотвращения возможных отказов электросетевого оборудования на базе Центра компетенций в области виртуальных испытаний электроники.

Как пример, для этих целей в настоящее время в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» создаётся Центр компетенций «АСОНИКА в ЛЭТИ» области моделирования и виртуальных испытаний электроники на внешние воздействия. Это будет первый подобный Центр компетенций в вузе России.

Шалумов предложил при первой возможности дополнить комплексный план следующими пунктами/уточнениями:

1. Включение в Программу национальной стандартизации на 2022 г. изменений  в действующие и разработку новых документов по стандартизации в целях повышения энергетической эффективности типового промышленного оборудования в части электроники для энергетики, включающих показатели энергетической эффективности такого оборудования, в том числе для воздухоразделительных установок, холодильных агрегатов, насосов, компрессоров, электроприводов, электродвигателей, инфракрасных обогревателей электрических, частотно-регулируемых приводов.  В том числе по включению в технические задания на их разработку по государственному заказу обязательного требования виртуальных испытаний на внешние воздействия с результирующей оценкой показателей надёжности с помощью отечественных САПР на ранних этапах проектирования (до изготовления опытного образца).

Разработка и утверждение документов по стандартизации в целях повышения энергетической эффективности типового промышленного оборудования в части электроники для энергетики в соответствии Программой национальной стандартизации на 2022 г.

2. Внедрение технологии разработки и применения цифровых двойников электроники для энергетики на базе отечественных САПР электроники и машиностроения, включая непрерывную подготовку кадров в центрах компетенций при вузах.

3. Создание комплекса национальных стандартов по цифровым двойникам электроники для энергетики на базе технического комитета по стандартизации ТК 165 «САПР электроники» во взаимодействии с техническим комитетом по стандартизации ТК 039 «Энергосбережение, энергетическая эффективность, энергоменеджмент».

ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЙ:

Причины аварии и отказов на подстанциях и в электрических сетях:

Аварии на подстанциях могут произойти в результате неожиданных повреждений оборудования, нарушений в работе оборудования от возможных перенапряжений и воздействий электрической дуги, отказов в работе устройств релейной защиты, автоматики, аппаратов вторичной коммутации.

Каждая причина может привести к отказу в отключении или неселективному отключению оборудования во время короткого замыкания и иметь тяжелые последствия вплоть до развития местных аварий в системные.

Проблема надежности всегда занимала центральное место в функционировании и планировании развития энергетических систем и электростанций. Это определяется высокой зависимостью потребителей от надежности энергоснабжения. Зависимость становится настолько сильной, что нарушение энергоснабжения приводит к огромному материальному ущербу, в ряде случаев имеющему масштабы национального бедствия. Об этом свидетельствуют многочисленные аварии время от времени происходящие в ряде стран и городов.  Подробнее

Разумеется, далеко не каждый отказ того или иного элемента в энергетической системе развивается в крупную системную аварию. Более того, в большинстве случаев невозможно заранее предопределить однозначные последствия любого незначительного отказа. Но в большинстве крупных аварий есть некоторые общие черты:

• авария начинается с отказа вспомогательного, малозначительного элемента и каскадно развивается в национальную катастрофу;
• авария возникает при внешних условиях, нагрузках и режимах, часто далеких от предельных;
• развитию аварии способствует неквалифицированное, некомпетентное и самоуверенное поведение персонала;
• авария наиболее интенсивно развивается в электроэнергетической части энергосистемы и за счет отключения линий электропередачи охватывает значительные территории;
• значительная инерционность, какой обладают переходные процессы, протекающие в теплоэнергетической части энергосистемы, позволяют ограничить объем развития аварии пределами блока, станции.

В настоящее время всё энергетическое оборудование состоит из электроники – электронной аппаратуры (ЭА) и электронной компонентной базы (ЭКБ). Таким образом, надёжность подстанций и электрических сетей напрямую зависит от надёжности ЭА и ЭКБ.

Укрупнение элементов электроэнергетической системы, увеличение единичных мощностей оборудования, повышение коэффициента использования может вызывать ощутимые последствия при аварии каждого элемента. Образование крупных энергообъединений с одной стороны приводит к большим возможностям взаимопомощи при авариях, но с другой стороны приводит к относительному возрастанию доли системных аварий, при которых нарушение влечет за собой цепочечное, каскадное развитие аварии, охватывающей все энергообъединение или значительную его часть. Существенно возрастают трудности управления большими системами, а свойство управляемости становится одной из важных характеристик надежности.

Катастрофические аварии время от времени происходят в самых разных странах, где энергетика имеет разные формы собственности и разные формы управления. Крупные энергосистемы с разной структурой мощностей (ТЭС, ГЭС, АЭС) подвержены возникновению катастроф также как и небольшие.

Обеспечить высокую надёжность ЭА и ЭКБ можно только при их проектировании на основе комплексного моделирования физических процессов, то есть на основе цифрового двойника, создаваемого с помощью САПР электроники. А для этого нужны как сами САПР, так и стандарты, их регламентирующие. Такие стандарты в настоящее время отсутствуют. Последний стандарта по САПР был создан в 1987 году и давно уже устарел. ТК 165 «САПР электроники» создан лишь недавно – 22 апреля 2020 г. И перед ним стоит архиважная задача – разработать актуальные национальные стандарты в области САПР электроники, в том числе для энергетики.

Если этого сегодня не сделать, катастрофы энергетических установок, управляемых ненадёжной электроникой, будут продолжаться и усиливаться.

ПРИМЕРЫ

Катастрофические аварии время от времени происходят в самых разных странах, где энергетика имеет разные формы собственности и разные формы управления. Крупные энергосистемы с разной структурой мощностей (ТЭС, ГЭС, АЭС) подвержены возникновению катастроф также как и небольшие. Подробнее

Российские примеры:

25 мая 2005 года в Москве произошла авария, при которой было отключено 2500 МВт мощности Московской энергосистемы (26 % от потребления), 900 МВт в Тульской энергосистеме (87 % от потребления) и 100 МВт в Калужской энергосистеме (22 % от электропотребления). Во время аварии 20 тыс. человек были заблокированы в московском метро и 1500 человек в лифтах. Без энергоснабжения на срок от нескольких часов до суток остались около 4 млн. человек, многие предприятия и социально значимые объекты. В период аварии были задействованы все резервные генерирующие мощности региона. Имели место перегрузка и многочисленные отключения ЛЭП 110-220 кВ. Подстанция «Чагино» полностью отключена из-за повреждения оборудования (трансформаторы, воздушные выключатели, система воздуховодов, изоляция). Отключение подстанции «Чагино» привело к разрыву московского кольца 500 кВ. В Московской энергосистеме полностью потеряна генерация ТЭЦ-8, ТЭЦ-9, ТЭЦ-11, ТЭЦ-17, ТЭЦ-20, ТЭЦ-22, ТЭЦ- 26, ГРЭС-4, ГЭС-1. В Тульской энергосистеме - Алексинская и Ефремовская ТЭЦ, Новомосковская и Щекинская ГРЭС.

Международные примеры:

1. Нью-йоркская авария в ноябре 1965 года, в США привела к тому, что на территории с населением около 30 млн человек более чем на 10 часов практически была приостановлена жизнедеятельность. Ущерб от аварии по самым осторожным подсчетам превысил 100 млн долларов. После нее было еще несколько более мелких аварий на северо-востоке США, а 13 июля 1977 года в Нью-Йорке произошла авария с еще более тяжелыми последствиями. В течение 25 часов была парализована жизнь крупнейшего города мира. Ущерб от последствий этой аварии составил более 1 млрд, долларов.

2. Во Франции системная авария в 1978 году охватила почти всю территорию страны. Вследствие лавины напряжения были отключены значительные мощности потребителей, часть электростанций потеряла собственные нужды. Были отключены десятки линий электропередачи высокого напряжения.

3. 14 августа 2003 года в США произошла очередная авария. Было отключено 62 тыс. МВт нагрузки, 50 млн. жителей в США и Канаде остались без света (рис. 2.1). Отключение электроэнергии произошло в 8 штатах и 2 канадских провинциях. На 9 атомных электростанциях автоматически отключились 22 атомных реактора, закрыты 10 аэропортов, отменено или задержано 700 авиарейсов, 350 тыс. человек долгое время находились под землей в нью-йоркском метро.

4. 23 сентября 2003 года вся Италия, за исключением Сардинии, почти на сутки осталась без электричества. Это произошло при каскадном отключении линий электропередач, нарушением устойчивости параллельной работы электростанций, возникновения неустойчивых колебаний, обусловленных самовозбуждением некоторых генераторов.