В последнее время одной из ключевых проблем развития электроэнергетики является нарастание объемов генерирующего оборудования, выработавшего свой ресурс. По данным ОАО «Институт «Энергосетьпроект» при сниженных темпах технического перевооружения устаревшего оборудования в Европейской части ЕЭС России недовыработка электроэнергии на уровне 2020 года может составить 110 млрд. кВт.ч. В этих условиях актуальным кажется разработка эффективной инновационной политики в энергетической отрасли.

Научно-техническая и инновационная политика в энергетическом секторе опирается на современные достижения и прогноз приоритетных направлений фундаментальной и прикладной отечественной и мировой науки в энергетической сфере. Развитие фундаментальных исследований – важнейшее условие создания новых высокоэффективных технологий в энергетическом секторе российской экономики.

Приоритетами государственной научно-технической и инновационной политики в отраслях ТЭК в прогнозируемый период являются:

• воссоздание и развитие научно-технического потенциала, включая фундаментальную науку и прикладные разработки, модернизацию экспериментальной базы и системы научно-технической информации;
• создание благоприятных условий для развития инновационной деятельности, направленной на коренное обновление производственно-технологической базы ТЭК, ресурсосбережение и улучшение потребительских свойств продукции топливно-энергетического комплекса;
• совершенствование всех стадий инновационного процесса, повышение востребованности и эффективности использования результатов научной деятельности;
• защита прав на результаты научно-технической деятельности;
• использование потенциала международного сотрудничества для применения лучших мировых достижений и вывода отечественных разработок на более высокий уровень;
• сохранение и развитие кадрового потенциала и научной базы, интеграция науки и образования.

В условиях ограниченности топливно-энергетических ресурсов  реализация данных задач невозможна без развития нетрадиционной энергетики. К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относят установки и устройства, использующие энергию ветра, солнца, биомасс, геотермальную энергию, а также тепловые насосы, использующие низкопотенциальное тепло, содержащееся в приземных слоях воздуха, воды, верхних слоях Земли и промышленных выбросах (табл.1).

Таблица 1. Современное и прогнозируемое использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мире, млрд. кВт*ч

К возобновляемым нетрадиционным источникам энергии относят следующие виды энергии:

• солнечная энергия. Среднегодовая выработка энергии Солнца – 10000 ТВт, что примерно в 1000 раз превышает нынешнее потребление энергии в мире. Важнейшее достоинство солнечного излучения – безвредность для окружающей среды процесса превращения его энергии в полезные виды. Солнечная электростанция вырабатывает энергию путем нагрева парового котла турбины с помощью системы зеркал, собирающих солнечный свет. Другой путь получения солнечной энергии – это использование установок с фотоэлементами, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электричество, однако такие установки дороги из-за высокой стоимости фотоэлементов. При использовании солнечной энергии необходимо решать две основные проблемы, возникающие в связи с малой плотностью потока энергии излучения и его неравномерностью из-за смены дня и ночи, перемены погоды – концентрация солнечной энергии и ее накопление (аккумуляция);
• геотермальная энергия. В настоящее время действует около 20 геотермальных электростанций мощностью от нескольких МВт до 500 МВт каждая. Их общая мощность около 1,5 ГВт. В среднем одна буровая скважина со сроком использования от 10 до 20 лет может дать около 5 МВт. Анализ работы геотермальных электростанций в Италии и Новой Зеландии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и значительно оседает поверхность земли вокруг скважины на площади около 6 км², а производительность скважин убывает со временем. Однако с учетом отсутствия  выбросов вредных парниковых газов в атмосферу геотермальные электростанции имеют заметное экологическое преимущество по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе. Доля энергии, вырабатываемой в России геотермальными электрическими станциями, в перспективе может стать весьма ощутимой – до 8% от общей выработки энергии на ТЭС, ТЭЦ, АЭС;
• энергия ветра. Дующие на Земле ветры обладают энергией в 2700 ТВг, но лишь 1/4 часть их находится на высоте до100 метров над поверхностью Земли. Если на всех континентах построить ветряные установки, беря в расчет только поверхность суши и учитывая неизбежные потери, то это может дать максимум 40 ТВт. Однако даже 1/10 часть этой энергии превышает весь гидроэнергетический потенциал. При использовании энергии ветра человечество столкнулось с неожиданными проблемами. Оказалось, что эти установки генерируют довольно мощное излучение неслышимого инфразвука, который, во-первых, удручающе действует на человеческую психику, а во-вторых, резонирует естественные колебания таким образом, что на расстоянии нескольких километров дрожат и ломаются стекла в домах, стеклянная посуда, люстры и т.п.;
• энергия приливов. Приливные волны Мирового океана несут около З ТВт энергии. Однако ее получение рентабельно лишь в нескольких районах планеты, где приливы особенно высоки, например, в некоторых районах Ла-Манша и Ирландского моря, вдоль побережья Северной Америки и Австралии и на отдельных участках Белого и Баренцева морей. По техническим причинам приливные станции работают лишь на 25% своей нормативной мощности, так что из общего потенциала в 80 ГВт может быть использовано лишь 20 ГВт. Несколько лет действует одна из самых крупных приливных электростанций близ Ла-Ранс (Франция) проектной мощностью 240 МВ, которая при довольно небольших затратах производит 60 МВт;
• энергия волн. Волны Мирового океана содержат около З ТВт энергии. Обычная волна в Северном море несет 10 кВт энергии на каждый метр длины на протяжении 30% времени своего существования и около 10 кВт на метр в течение 70 % времени. Несколько экспериментальных прототипов волновых энергетических установок построено в Англии и Японии;
• тепловая энергия океанов. Мировой океан поглощает почти 70 % солнечной энергии, падающей на Землю. В океанских течениях заключено 5-8 Твт энергии. Перепад температур между холодными водами на глубине несколько сот метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20—40 тыс. ТВт, из которых практически могут быть освоены лишь 4 ТВт.
• биоэнергия. На базе низкокачественной древесины, древесных отходов, горючего мусора, фекальных стоков и отбросов цивилизации возникла и развивается биоэнергетика, позволяющая с помощью бактерий, в том числе анаэробных, перерабатывать органическую массу в топливо, преимущественно в метан.

Таблица 2. Основные технико-экономические показатели и состояние строительства нетрадиционных электростанций в России

Нетрадиционная энергетика в России может эффективно использоваться для энергоснабжения потребителей, прежде всего в районах, не охваченных централизованным энергоснабжением. К этим зонам относятся обширные территории окраин России, в которых проживает около 20 млн чел., а также отдельные районы Крайнего Севера, Сибири, дальнего Востока и сельские районы в центральной части страны.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии оценен в 314 млн. т.у.т. в год, что равно трети внутреннего потребления первичной энергии. Однако эти возможности используются на 5-10%. По прогнозу Института энергетической стратегии общая установленная мощность таких энергоисточников к 2030 году должна составить порядка 17 ГВт. Доля различных видов возобновляемых источников энергии в этом объеме должна явиться предметом дальнейших исследований. На уровне экспертных оценок дается следующий вариант: малые и микро-ГЭС, приливные ЭС – 4 ГВт, геотермальные станции – 3 ГВт, ветростанции – 5 ГВт, тепловые станции на биомассе – 6 ГВт, солнечные электростанции – 0,2 ГВт, общая площадь солнечных коллекторов – 10 млн. м2.

В ходе проведенного изучения существующих разработок в области нетрадиционной энергетики определены следующие направления:

• создание производства надежного и эффективного оборудования для малых ГЭС, солнечных, геотермальных, ветровых, приливных и других электростанций и энергоустановок;

• организация специализированных подразделений по строительству, эксплуатации и обслуживанию специфического оборудования нетрадиционной энергетики;

• обеспечение надежного энергоснабжения путем отработки режимов эксплуатации, комбинирования различных энергоисточников, аккумулирования энергии;

• поиск и определение источников и способов финансирования проектов, рентабельность которых не всегда очевидна.

Развитие нетрадиционной энергетики является важным направлением в системе энергоснабжения России. Экономия топлива за счет строительства нетрадиционных электрических станций  представлена в таблице 3.

Таблица 3. Экономия топлива за счет строительства нетрадиционных электростанций

Основные направления технической инновационной политики в области энергетического сектора должны быть направлены на реализацию указанных целей.

В соответствии со стандартом СТО 70238424.17.220.20.005-2011, для всех устройств передачи информации должна обеспечиваться электромагнитная совместимость. Для этого все устройства связи и телемеханики, должны проходить испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5. При электропитании устройств связи и телемеханики от системы собственных нужд по схеме фаза-земля в цепи питания должен быть включен разделительный трансформатор и фильтр питания с полосой запирания от 5 кГц до 5 МГц.

В настоящее время при проектировании систем для энергообьектов стараются использовать проводные интерфейсы передачи информации, такие как Ethernet , RS-485 и через PLC-модем. При подключении разнесенных по объекту систем с питанием от общей сети наиболее интересным является использование PLC-модема, так как передача информации осуществляется по цепям питания и не требует прокладки дополнительных проводов. Передача данных в системах PLC осуществляется  различными типами модуляций. Самыми  распространенными являются: частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), частотная манипуляция с разнесенными частотами (Spread Frequency Shift Keying, S-FSK), двоичная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). В таблице 1 приведено сравнение различных типов модуляций на основании двух главных критериев – эффективности использования полосы частот и сложности реализации.

Таблица 1 – Сравнение эффективности и сложности реализации в зависимости от типа модуляции.

У использования  проводных интересов очень есть серьезная проблема, это необходимость защиты от помех и электромагнитных импульсов большой мощности которые могут возникать на энергетических объектах. Зачастую такие защиты сложнее, чем сами проводные интерфейсы и уменьшают скорость передачи информации.

Если рассматривать беспроводные технологии, то основным можно считать ZigBee. Рассмотрим особенности использования беспроводного интерфейса на примере ZigBee. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей этот стандарт определяет работу на частотах 2.4 ГГц (в мире, не лицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2.4 ГГц есть 16 каналов ZigBee. Такие данные дают хорошую возможность применения во многих областях. Но как же быть с помехоустойчивостью, основному требованию на энергетических объектах? Насколько обеспечиваться электромагнитная совместимость для такого типа связи? В теории все должно соответствовать стандартам и иметь достаточный уровень помехоустойчивости. Для  наилучшей оценки устройства должны пройти испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001) У беспроводных интерфейсов есть явные плюсы, такие как: отсутствие проводов, как следствие меньше наведенных помех, низкое энергопотребление, простота и удобство организации сетей.

Однако есть и минусы, среди них можно выделить следующие: цена оборудования, ограничение по частотам и мощности, ограниченное расстояние без ретрансляторов.

В качестве сравнения двух типов передачи, предлагаю рассмотреть систему оперативных блокировок безопасности «Блокпост-1» изготовления ООО  «НПФ «ЭЛНАП» которая содержит в своем составе PLC-модем и радиомодем с технологией ZigBee. Оба канала дублируют друг друга, что дает возможность сравнения в равных условиях. Комплекс оборудования данной  системы был испытан по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001)устойчивость к электромагнитным помехам технических средств применяемых на электростанциях и подстанциях. Комплекс оборудования проходил испытания на базе АО «Научно-производственное предприятие «Циклон-тест» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.21МЭ16 по 28.05.2019). По результатам испытаний комплекс соответствует ГОСТу. Нас особо  интересует несколько отдельных пунктов протокола испытаний приведенных в таблице 2.

Таблица 2 – Протокол испытаний комплекса электротехнического оборудования системы оперативных блокировок безопасности «Блокпост—1»

Из протокола можно сделать следующие выводы: оба вида интерфейса прошли испытания на ЭМСи могут быть использованы на электростанциях и подстанциях, что открывает возможность применения их при проектировании приборов и систем для энергетики. У PLC модема в цепь подключения был установлен фильтр и защита от импульсных помех, что усложнило конструкцию. Тогда как ZigBee радио модем не нуждался в дополнительной защите. У беспроводного интерфейса  в энергетике огромный потенциал, по многим показателям они намного лучше, из основных плюсов можно выделить:

1. испытания он прошел без дополнительных мер защиты;
2. он достаточно помехоустойчив;
3. за время испытаний пакеты информации приходили в полном объеме, без искажений;
4. удобны в проектировании и эксплуатации комплексов и систем;
5. не требуют проводов;
6. имеют небольшие габаритные размеры;
7. имеет минимальное потребление;
8. имеет достаточно низкую цену;

Подводя итог можно сказать, что беспроводной интерфейс ZigBee можно рекомендовать как хорошую альтернативу проводным технологиям при проектировании систем для электроэнергетики.

Для обеспечения полноценного становления рынка электроэнергетики в России и его укрепления имеется ряд инструментов, с помощью которых можно обеспечить  надлежащее антимонопольное регулирование. На сегодняшний день существуют 14 территориальных генерирующих компаний, 6 оптовых компаний и две крупные рыночные компании. В теории они создают условия для формирования конкурентоспособного оптового рынка, но на практике отличаются высокой степенью монополизации.

Статья 25 Федерального закона «Об электроэнергетике» указывает, что «антимонопольное регулирование на оптовом и розничном рынке электрической энергии осуществляется ФАС России [2]».

Объектами антимонопольного контроля в сфере электрической энергии на оптовом и розничных рынках являются цены, процедура перераспределения долей в уставных капиталах участников рынка, согласованные действия субъектов рынка, уровень концентрации на оптовом рынке.

В настоящее время электроэнергетические компании являются наиболее частыми нарушителями антимонопольного законодательства. Основное число нарушений выявлено со стороны электросетевых организаций. «Статистика нарушений показывает, что в общем количестве нарушений на рынки электроэнергии и теплоэнергии приходится треть всех нарушений антимонопольного законодательства в стране. Самое большое количество нарушений приходится на субъекты естественных монополий – организации электросетевого комплекса, в особенности это касается нарушений, связанных с услугами по передаче электрической энергии и технологического присоединения к электрическим сетям. При этом доля нарушений субъектами оптового рынка электрической энергии и мощности составляет около 1% [3]».

В 2017 году Федеральная антимонопольная служба России рекомендовала коммерческим организациям и государственным органам переходить на технологию блокчейн в документообороте. Помимо этого, в октябре 2016 года ФАС совместно со Сбербанком запустила пилотный проект «Digital Ecosystem» по обмену документами, основанный на технологии распределения реестров (блокчейн). «Привлекательность этого проекта связывали с уменьшением оборота бумажных документов, сокращением затрат человеческих ресурсов и сроков взаимодействия с хозяйствующими субъектами. К тому же отсутствие необходимости в услугах операторов связи сможет значительно сократить затраты (до 80% расходов банков)[3]».

Блокчейн (англ. blockchain, block «блок» + chain «цепь, цепочка») – это система организации распределенной базы данных, которая позволяет отслеживать транзакции без контроля со стороны посредников. Система считается прозрачной и безопасной, так как все операции отслеживаются и подтверждаются всеми участниками реестра. Среди преимуществ внедрения технологии блокчейн выделяются следующие:

1. исключение факта подмены данных на каком-либо узле, так как информация хранится децентрализовано на каждом из них;
2. отсутствие зависимости правильного введения данных от количества задействованных узлов;
3. анонимность;
4. целостность данных.

Выделяют следующие недостатки:

1. «ошибка 51%» (в случае получения контрольного доступа к узлам возможно осуществить подмену, предоставив «альтернативный» журнал с записями);
2. использование технологии в противоправных деяниях;
3. высокое энергопотребление и дорогостоящее оборудование.

Для финансовой системы блокчейн имеет преимущество в виде исчезновения посредников.

Если для финансовой сферы такая технология уже имела значительное применение, то для электроэнергетической отрасли она в новинку. Но согласно исследованию Германского энергетического агентства (DENA) более 50% компаний, действующих на рынке, планируют запустить проекты с использованием блокчейна [3]. Развитие ВИЭ (возобновляемые источники энергии) децентрализует, хотя и недостаточно, чрезвычайно централизованный рынок электроэнергетики. Предполагается, что внедрение блокчейна в энергетическую отрасль позволит окончательно децентрализовать  рынок и даст возможность потребителям закупать энергию у производителей напрямую, а не из третьих рук.

В настоящее время в этом направлении работает немецкая компания «Conjoule», совместно с энергетическим гигантом «RWE» разрабатывающая проект «Innogy». Эта компания хочет стать посредником между производителем и покупателем. Как считают владельцы компании, потребителю выгоднее покупать электроэнергию из возобновляемых источников у города или же самому продавать, как собственник фотоэлектрической (солнечной) станции, энергию. В 2016 году они запустили пилотный проект, который обеспечивает местным электричеством школу и гидротехнические сооружения.

Технология блокчейн используется как среда для хранения и удержания прогнозированного, произведенного и потребленного объема энергии клиентов. Планируется использовать блокчейн для расчетов данных в киловатт-часах.

Другой пилотный проект по использованию блокчейн-технологии был запущен в компании Stadtwerke Energie Verbund (SEV) – консорциуме, состоящем из восьми муниципальных коммунальных предприятий земли Северный Рейн – Вестфалия. Проект называется «Grün Strom Jetons», что в переводе означает «Зеленые электрические жетоны» и состоит в том, что смарт-счетчики записывают потребление энергии почасово, а технология блокчейн применяется для записи и хранения этих данных.

Подобные проекты существуют не только в Германии. Например, Нью-Йоркская энергетическая система LO3 использует блокчейн, чтобы дать возможность местным производителям и потребителям энергии самостоятельно и напрямую торговать электрической энергией. К примеру, владелец крыши с солнечными батареями может не только потреблять энергию, но и продавать ее напрямую другим – местным школам, больницам и т.д.

Все эти проекты позволяют сделать рынок электроэнергетики не только более децентрализованным, но и дают возможность потребителям энергии быть одновременно и ее производителями, продавая ВИЭ местным учреждениям. Такая технология позволит снять нагрузку с основных поставщиков электричества, распределить ее равномерно по всем субъектам хозяйствования в данной отрасли, увеличить количество конкурентоспособных производителей энергии и снизить расходы потребителей.

По словам экспертов технология блокчейн в России в данном направлении может использоваться лишь в частных комплексах ВИЭ, которые производят электроэнергию для себя и своего района. Российская энергетика характеризуется малым числом компаний – монополистов. Помимо этого сфера электроэнергетики очень централизована, что является полной противоположностью основ блокчейна.

С другой стороны, происходит переход на городской, региональный уровень обеспечения электроэнергетики. Это уменьшает затраты и упрощает контроль. Технологию блокчейн можно внедрить в виде архиватора данных о затратах электроэнергии. Данные, списанные автоматически со счетчиков в определенный час или дату, хранятся при помощи реестров блокчейна, что позволит их в неизменном виде отправлять в Федеральную антимонопольную службу для контроля. Так же при помощи прозрачности системы можно отслеживать тарифы на электроэнергию, устанавливаемые компаниями-монополистами.

Блокчейн – удобная и прогрессивная система, которую можно применить в различных отраслях. Наиболее развитые страны используют ее во многих проектах, которые успешны в реализации. Передовой страной Западной Европы является Германия, которая уже запустила несколько пилотных проектов в отрасли электроэнергетики с использованием блокчейна. Крупнейшие немецкие компании поддерживают другие такие проекты по всему миру.

Россия в плане таких проектов отстает. Сама электроэнергетическая сфера не приспособлена к технологиям блокчейн в силу своей централизации и прочной связи с государством. Так же тяжело осуществим контроль в этой сфере, потому что всю нишу занимают несколько компаний-монополистов, которые не дают возможности развития конкуренции. Наблюдается большое число нарушений в сфере энергетики, что усложняет контроль в этой отрасли.

Внедрение технологии блокчейн потребует немалого количества времени, что предполагает всю перестройку электроэнергетической системы России. Как отмечают многие эксперты, на данный момент времени в России с ее жестко централизованной энергосистемой попытки применить блокчейн не принесут ощутимых выгод. Пока энергия в России будет вырабатываться в своем большинстве на центральных электростанциях, идея блокчейнов будет оставаться в лучшем случае нишевым решением[3].

Следовательно, проблема, прежде всего, состоит в правильном выборе метода для анализа и описания конкретных травмоопасных процессов, создания модели и алгоритма расчета травмоопасных ситуаций, формализации основных закономерностей, и также поиска путей повышения уровня безопасности.

Цель: исследование пути повышения безопасности труда работников энергетического комплекса за счет совершенствования существующих методов и методик анализа травматизма.

Методы исследования. Метод оценки условий труда с позиции производственного травматизма предусматривает сбор материала о несчастных случаях, вычисление показателей травматизма, группировку случаев по различным признакам. Такая методика позволяет выявить причины травматизма при эксплуатации производственного оборудования и выбрать наиболее рациональные пути снижения количества несчастных случаев на производстве.

Методы, основанные на использовании статистического материала о несчастных случаях, при соответствующей математической обработке позволяют делать прогноз о травмоопасности эксплуатируемого оборудования и проследить общую тенденцию распределения травматизма на за последние три года (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Травматизм на производстве

В данной методике имеются некоторые недостатки: не выявляются конкретные причины травматизма и профессиональных заболеваний; в большинстве методик параметры условий труда не систематизированы, имеются разные физические единицы измерения; не отображается полнота взаимодействия работника и производственной среды, не учитывается социально-значимый критерий, как риск нанесения ущерба здоровью работающих [1].

Следующий этап по обеспечению безопасности труда является анализ травматизма. Анализ травматизма по Западно-Казахстанской области, проведенный инспекцией труда, показывает, что основными видами нарушений требований охраны труда являются:

- неудовлетворительная организация безопасного исполнения работ, в т. ч. невыполнение правил при эксплуатации технологического оборудования;

- наличие оборудования, приспособлений и инструментов, не отвечающего требованиям охраны труда;

- нарушение технологии при ведении производственных процессов;

- несоблюдение обязательных для работодателей правил и норм по охране труда.

Анализируем показатели по распределению несчастных случаев в результате выполнения различных работ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Распределение несчастных случаев по видам происшествий

В электроэнергетике работы в основном связаны с оперативным обслуживанием оборудования и контролем производственного процесса, ремонтными работами, которые заключаются в необходимости технического обслуживания оборудования и замены комплектующих частей, вспомогательными мероприятиями, которые, в целом, обеспечивают производственный процесс. Приведенные данные указывают на то, что наибольшее количество несчастных случаев приходится на оперативное обслуживание и ремонтные работы, которые в сумме составляет 33% (воздействие деталей, поражение электрическим током).

При техническом обслуживании и ремонте наиболее травм опасными рабочими местами являются места, связанные с выполнением слесарных работ, с разборочно-сборочными операциями, техобслуживанием оборудования, что составляет 89% всех травм (воздействие движущихся, разлетающихся, вращающихся предметов и деталей 28%, а также вредных и опасных производственных факторов и веществ 5%).

Как показал анализ материалов расследования несчастных случаев, основной причиной травмирования работников при выполнении ремонтных работ и работ по техобслуживанию механизмов и оборудования явились нарушения в организации трудового процесса, а именно: отсутствовал контроль со стороны руководителей работ за безопасностью выполнения трудового процесса и за трудовой дисциплиной, к работе допускались лица без соответствующей подготовки по охране труда и без подготовки по профессии, не оформлялись наряды-допуски на производство работ повышенной опасности. Опасные действия самих пострадавших послужили основной причиной травматизма. Использование неисправного и несоответствующего инструмента, приспособлений и механизмов привело к травматизму работников (рисунок 2).

Рисунок 2 – Основные причины травматизма при выполнении ремонта
и техобслуживания техники, механизмов, оборудования

Опасное действие пострадавшего или другого лица 30%, неисправность и конструктивные недостатки машин, механизмов, оборудования 33%, неудовлетворительное состояние производственной и окружающей среды 25%, неудовлетворительная организация трудового процесса 12%. Анализ условий труда ремонтных работников техники показывает, что условия не в полной мере соответствуют действующим нормативам. На уровень производственных травм и профессиональных заболеваний значительное влияние оказывает множественное количество устаревшей техники находящее в эксплуатации [1].

Рассматривая количество пострадавших по стажу работы в организации можно выявить следующее (рисунок 3).

Рисунок 3. Количество несчастных случаев по возрастной группе

В период 2017-2019 гг. наибольшее количество пострадавших в от несчастных случаев на производстве принадлежит к группе со стажем работы более 10 лет. Такая тенденция может быть обусловлена, с одной стороны, проблемами со здоровьем и, как следствие, потерей физической формы у сотрудников и работников старшего поколения, а с другой — возможным пренебрежением правилами техники безопасности. По статистическим данным работников в возрасте до 20 лет в отрасли – 0,1 %, 20…29 лет – 16,1 %, 30…39 лет – 23,4 %, 40…49 лет – 25,3 %, 50…59 лет – 29,1 %, свыше 60 лет – 6 % [2].

Проведенный анализ состояния охраны труда на местах показывает, что в ряде случаев имеет место формальный подход руководителей акционерных обществ, товариществ и их филиалов к вопросам охраны труда, профилактики травматизма и улучшения условий труда. Недоиспользуются новые возможности снижения травматизма, базирующиеся на внедрении более безопасного оборудования, технологий, задерживается внедрение нового поколения средств индивидуальной защиты (СИЗ), медленными темпами идет внедрение автоматизированных и программных средств контроля состояния работы по охране труда и исполнения управленческих решений, направленных на предупреждение травматизма – автоматизированных рабочих мест служб охраны труда (АРМ СОТ) [3].

На основании проведенного анализа, предлагается модель управления охраной труда на предприятиях электроэнергетики (рисунок 4). Данная модель управления охраной труда основывается на двух взаимосвязанных положениях: существующей нормативно-правовой базы и усовершенствованной системой управления охраны труда на предприятии, которая будет способствовать повышению безопасности труда. Предлагаемая модель управления охраной труда на предприятиях электроэнергетики отличается от существующих систем, в первую очередь, тем, что предполагает одновременное применение организационных и технических мероприятий [2, 4].

Рисунок 4. Предлагаемая модель управления охраной труда на предприятии электроэнергетики

Выводы.
Существенными причинами травматизма являются: отсутствие профессионального отбора при приеме на работу и психофизиологического обследования работающих; отсутствие требовательности и ответственности в работе по охране труда; не укомплектованность работниками, оргтехникой и транспортом служб и отделов по охране труда, недостаточная координация их деятельности руководством предприятий. Серьезными факторами, способствующими производственному травматизму, являются: увеличивающаяся травм опасность изношенного оборудования; низкий уровень затрат на охрану труда и особенно средств индивидуальной защиты, снижение инвестиций в перспективные разработки НИОКР по охране труда; отставание в разработке новой и переработке устаревшей нормативно-технической документации по охране труда и др.

Предложены мероприятия по сокращению производственного травматизма и модель системы управления охраной труда, которая основана на взаимосвязи и обеспеченности нормативно-правовыми положениями и существующей системы управления охраной труда на предприятиях электроэнергетики.

C появлением цифровых счётчиков электроэнергии, развитием телекоммуникаций и элементов интеллектуальных электрических сетей вынуждают энергосистемы в мире идти к «цифровому переходу» (к цифровизации) – принципиальной смене внутренней архитектуры и управления.

В России преобразование энергетической инфраструктуры посредством внедрения цифровых технологий и решений осуществляется в рамках Указа Президента России от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года».

Под термином «цифровизация» понимается большой набор технологий и решений, которые в итоге должны привести к созданию цифровых электрических сетей. Все эти решения объединяют в потоковом режиме автоматизированные бизнес и технологические процессы, тем самым исключая человека из принятия рутинных решений. Задачей цифровизации является не только переход на новую программно-аппаратную базу, но также объединение технологических и бизнес-процессов, что приводит к снижению количества ошибок, а также значительно повышает скорость и точность принятия решений [1].

Рисунок 1. Структурная схема цифрового двойника

Сегодня в условиях цифровизации, автоматизации и интеллектуализации традиционная энергетика трансформируется, появляются новые технологии, такие, как, например, «цифровой двойник», способные на основе анализа больших данных об объекте, системе или процессе не просто выявлять скрытые закономерности в данных, но и определять отклонения параметров функционирования объекта/ системы или протекания физического процесса с высокой чувствительностью еще на стадии, когда такие отклонения не влияют на их состояние и не фиксируются традиционными системами управления и мониторинга [2].

Цифровой двойник (ЦД) электрической сети, который представляет собой единую базу данных, содержащую необходимую информацию об электрической сети, интегрированную с другими подсистемами компании. Он автоматически обеспечивает синхронизацию данных, полученных из разных источников таким образом, что единая цифровая модель соответствует физической электрической сети (рис. 1).

Для объектов электроэнергетического комплекса важными также являются вопросы интеграции цифровых двойников в контур управления и последующая экспериментальная проверка работоспособности предлагаемых решений с оценкой их эффективности.

Технологии цифровых двойников все активнее применяются в различных технических областях, в том числе и в электроэнергетике как в России, так и за рубежом. Стоит отметить, что в настоящее время применение цифровых двойников в электроэнергетике находится на начальной стадии, в отличие от областей автоматизированного проектирования/конструирования [3].

Цифровой двойник является актуальной темой для

современных энергокомпаний, так как в обычной компании существует только одна физическая электрическая сеть, но у нее есть десятки представлений в различных подразделениях. Каждая модель используется для разных целей и с разным программным обеспечением (например, для проведения расчетов сети, диспетчеризации, управления активами, в системе учета и т.д.). Несоответствия данных модели в разных подразделениях могут приводить к неточностям в представлении сети, неоптимальной производительности системы и чрезмерному ручному труду по актуализации данных моделей.

Выделяют три типа ЦД [4]:

1. Двойник-прототип (Digital Twin Prototype). Это виртуальный аналог реально существующего элемента. Он содержит информацию, которая описывает определенный элемент на всех стадиях жизненного цикла – начиная от требований к производству и технологических процессов при эксплуатации, заканчивая требованиями к утилизации элемента. Наиболее характерными решениями в рамках данного направления являются созданные в САПР высокого уровня и максимально полно задокументированные 3D-модели изделий, необходимые для их производства.
   
2. Двойник-экземпляр (Digital Twin Instance). Содержит в себе информацию по описанию элемента (оборудования), то есть данные о материалах, комплектующих, информацию от системы мониторинга оборудования. Этот тип чаще всего основан на математической модели системы.
   
3. Агрегированный двойник (Digital Twin Aggregate). Объединяет прототип и экземпляр, то есть собирает всю доступную информацию об оборудовании или системе.

Основными преимуществами цифрового двойника являются [1]:

1. Повышение точности и согласованности модели (единого источника информации) для проведения расчетов и эксплуатации, включая:
   

   – снижение вероятности серьезных эксплуатационных / плановых ошибок, вызванных некорректными данными в модели;
   

   – отслеживание изменений модели с возможностью воссоздания случаев после изменений («контрольный журнал»);
   

   – возможность взаимодействия с ключевыми источниками данных и функциями, например, системой управления активами, геоинформационной системой (ГИС).

2. Повышение эффективности и оптимизация процессов в планировании и эксплуатации, включая:
   

   – устранение существующих дублирующих процессов (совместное использование модели сети при планировании и эксплуатации);
   

   – автоматизация процессов (например, автоматическое построение модели распределительной сети);
   

   – сокращение сроков технологического присоединения к электрической сети;
   

   – унифицированный процесс моделирования и управления данными для различных функций.

3. Обеспечение более простой интеграции подсистем в будущем и увеличение общей цифровизации компании, включая:
   

   – более эффективное использование ресурсов сети (эксплуатация ближе к возможным предельным значениям);
   

   – использование адаптивных установок релейной защиты;
   

   – избежание / отсрочка необходимости усиления сети;
   

   – моделирование в режиме реального времени, например, предотвращение отключения электроэнергии посредством динамической оценки и оценки безопасности защиты, прогноз на день вперед.
   

Стоит отметить, что специфика компаний-операторов магистральных сетей отличается от компаний-операторов распределительных сетей, хотя функции у них схожие — передача электроэнергии и техническое обслуживание активов. Цифровым двойником для магистральных сетей может выступать база данных, в которой модель сети хранится в формате CIM (например, с использованием ПО Siemens PSS®ODMS). Для распределительных сетей в качестве единого источника информации подходит база данных на основе расчетного ПО для электрических сетей (например, PSS®SINCAL) и ГИС-системы. Такое отличие связано с тем, что распределительные сети обладают гораздо большим количеством элементов, и вкупе с большой частотой изменений это создает огромные массивы данных, которые достаточно трудно обрабатывать [1].

Независимо от точности цифрового двойника небольшие ошибки модели или данных останутся из-за ограничений в моделировании и сборе данных, что можно устранить в будущем с помощью методов машинного обучения с подкреплением и искусственного интеллекта.

Преимуществом метода машинного обучения с подкреплением является то, что созданная виртуальная среда может проходить через бесконечное количество повторений и сценариев с целью обучения агентов, которые запоминают все сложившиеся ситуации и выходы из них давшие максимальное вознаграждение. Такой подход позволяет учесть специфику распределительных сетей, когда имеет место большее количество элементов, которое может только возрастать с учётом её преобразования в активную сеть (например, появление источников возобновляемой энергии, накопителей, активных нагрузок). Целевая функция агента, в этом случае, может быть, как простой (минимизация затрат, сохранение требуемого уровня надёжности, снижение потерь электроэнергии), так и многоцелевой (минимизация затрат и сглаживание пика потребления).

Обучение с подкреплением построено в соответствии с тем, как обучаются различным навыкам люди и животные. Этот метод подразумевают обучение агента тому, что надо делать, как следует отображать ситуации в действии, чтобы максимизировать некоторый сигнал

вознаграждения, принимающий числовые значения (рис. 2) [5, 7].

Рисунок 2. Архитектура алгоритма обучения с подкреплением

Примером создания цифрового двойника для магистральных сетей может служить проект ELVIS (ELectricity Verkko Information System), реализованный компанией Fingrid в 2016 г. Fingrid является акционерной компанией открытого типа с ограниченной ответственностью и на 67,7 % принадлежит государству. Компания отвечает за планирование и развитие энергосистемы Финляндии, предоставление доступа к сетям – участникам рынка, управление электроэнергетическим рынком, обеспечение безопасности энергосистемы и прозрачности информации о деятельности рынка.

Энергосистема Финляндии состоит из 116 подстанций, 4600 км линий мощностью 400 кВ, 2200 км линий мощностью 220 кВ и 7600 км линий мощностью 110 кВ.

Проект ELVIS решает некоторые из наиболее важных проблем в управлении активами и операциями в сети: функциональная совместимость, прозрачность и консолидация информации, которая обычно содержится в нескольких разнородных системах. ELVIS связывает воедино данные об активах из восьми различных

продуктов (включая Siemens PSS®ODMS и PSS®E), объединяя нескольких поставщиков в целостную систему, обеспечивающую свободный обмен информацией между продуктами. Эти продукты охватывают основные функции: расчет сети (PSS®E), расчет защиты, управление данными уставок релейной защиты, моделирование сети и управление данными (ODMS PSS®), управление портфелем / проектом, инструменты геопространственного анализа и системы управления производством работ [3].

В результате внедрения проекта ELVIS, сердцем цифрового двойника которого является ПО PSS®ODMS, удалось решить некоторые из наиболее серьезных проблем в управлении активами, обеспечить бесперебойный обмен информацией между несколькими продуктами на каждом этапе рабочих процессов управления активами и планирования работы энергосистемы, повысить эффективность бизнес-процессов, производительность, снизить затраты, повысить надежность и более эффективное и действенное принятие решений.

Примером создания цифрового двойника для распределительных сетей является проект интеграции геоинформационной системы (ГИС) и ПО PSS SINCAL, реализованный в словацкой компании VSE Group (часть European RWE Group). Ежегодно энергокомпания передает 3800 ГВт∙ч электроэнергии в географическом районе, эквивалентном одной трети восточной Словакии, или около 16 200 кв. км.

Распределительная сеть обслуживает более 610 000 домашних хозяйств с помощью 34 подстанций 110 / 22 кВ и 6000 подстанций 22 / 0,4 кВ. Общая протяженность ВЛ 110 кВ, 22 кВ и 0,4 кВ и кабельных сетей составляет 21 тыс. км.

К 2009 г. компания установила большое количество IT-систем (SCADA, ГИС, SAP), для эффективной работы которых требовалась актуальная модель электрической сети.

Внедрение расчетного комплекса для электрических сетей было завершающим этапом создания цифрового двойника электрической сети.

На тот момент модель создавалась вручную, что занимало много времени (на разработку модели всей электрической сети уходило около 500 ч), модель была не точной и не гибкой (любые изменения в сети требовали внесения обновлений в модель).

Данную проблему решил адаптер, представляющий из себя интерфейс между двумя стандартизированными программными продуктами. Адаптер считывает данные в ГИС и переводит их в формат, считываемый ПО PSS®SINCAL.

Благодаря автоматическому преобразованию данных пользователь может создать точную модель распределительной сети за короткое время. Решение, внедренное в VSE Group, значительно улучшило качество анализа распределительной сети и используются в качестве одного из критериев приоритизации обслуживания оборудования [1].

Примером применения цифрового двойника электростанции – проект АО “НБИ”, программно-аппаратный комплекс на «Ново-Салаватской ТЭЦ».

В программном продукте реализован механизм моделирования тепловой и технологической схемы объекта автоматизации. Для упрощения создания, настройки и редактирования цифровой модели объекта автоматизации используется визуальное представление всех связей и объектов моделирования в виде топологической схемы.

Поскольку цифровая модель является основой для проведения оптимизационных расчетов по критерию максимизации маржинальной прибыли, в ней содержится не только техническая информация о тепловой и технологической схемах станции, но и ряд параметров, позволяющих производить сведение балансов и калибровку модели с использованием фактических данных с различных систем сбора производственно-технической информации.

Основные цели внедрения программно-аппаратного комплекса [6]:

- оптимизация режимов работы оборудования НСТЭЦ;

- оптимизация нагрузки на функционирующее оборудование в соответствии с заданным диспетчерским графиком загрузки по критерию увеличения маржинального дохода;

- выбор оптимального состава генерирующего оборудования;

- расчёт упущенную прибыли в связи с проведением неотложных и аварийных ремонтов;

- расчёт прироста затрат на топливо с учетом изменения структуры топлива;

- определение оптимального режима, при обеспечении отпуска тепловой энергии и покрытия диспетчерского графика электрической нагрузки;

- обеспечение в процессе эксплуатации системы возможности коррекции энергетических характеристик;

- планирование и оптимизация расходов топлива;

- формирование отчетов на заданный пользователем временной период в соответствии со списком и заданными формами;

Пример реализации цифрового двойника в атомной энергетике – принятый в промышленную эксплуатацию программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая атомная электростанция с реактором ВВЭР», разработанный АО «ВНИИАЭС» (дочернее общество Концерна «Росэнергоатом») (рис.4).

Рисунок 3. Виртуально-цифровая АЭС

В основе комплекса лежит цифровой двойник атомной станции, который позволяет производить комплексные расчеты самых разных процессов от нейтронно-физических, тепло- и гидродинамических характеристик реакторов (рис.5) до экономического эффекта при использовании различных систем и материалов. В такой модели можно рассчитывать поведение и вновь устанавливаемого оборудования еще до его установки на реальных энергоблоках, его совместимость и влияние на другие системы; моделировать самые сложные технические ситуации, в том числе отказы оборудования, внешнее воздействие и неправильные действия персонала [2].

Рисунок 4. Цифровая модель работы реактора

В настоящее время Харбинский генераторный завод (ХГЗ) работает над адаптацией своей Интеллектуальной системы диагностики и технического обслуживания с использованием технологии цифрового двойника для внедрения на модернизируемых турбогенераторов (ТГ) Российского производства.

Цифровой двойник ТГ интегрирован в интеллектуальную систему удаленной диагностики и технического обслуживания, разработанную специалистами ХГЗ, которая является одной из составляющих системы долгосрочного сервисного (технического) обслуживания турбогенераторов производства ХГЗ (рис. 6).

Рисунок 5. Цифровой двойник ТГ ХГЗ

Применение системы дистанционной диагностики и ТО с использованием технологии цифрового двойника ТГ позволяет:

1. Осуществлять контроль рабочего состояния турбогенератора в реальном масштабе времени, производить диагностику уже возникших неисправностей и вырабатывать варианты устранения неисправностей;
   
2. Проводить оценку текущего состояния турбогенератора, предсказывать возможные неисправности, оптимизировать объемы и сроки ремонтов, снизить расходы на ремонт, повысить надежность агрегата, продлить срок службы агрегата, снизить количество дежурного персонала.
   
3. Вырабатывать рекомендации по оптимизации работы агрегата в реальном времени, с целью повышения экономической эффективности.
   

Применение системы диагностики с использованием технологии ЦД ТГ обеспечивает: снижение количества аварийных остановов оборудования, сокращение времени планового и внепланового технического обслуживания, проведение более целенаправленных и эффективных технических проверок, получение предварительной информации о необходимых запчастях, инструментах, специалистах для проведения техобслуживании / ремонтов.

Система диагностики позволяет не только вовремя обнаружить неисправности генераторного оборудования, но и делать прогноз, основываясь на анализ трендов.

Моделирование процессов в турбогенераторе с использованием технологий цифрового двойника позволяет:

- определять и прогнозировать ключевые показатели генератора;

- выявлять проблемные места и неисправности в системах генератора;

- запускать как подробные, так и экспресс сценарии «что-если», оказывая тем самым содействие процессу принятия решений [8].

Еще одно применение цифровых двойников – обучение персонала. Компания «КРУГ» разработала компьютерный тренажерный комплекс для персонала, обслуживающего автоматику и средства измерений электростанции, выполненный с применением комплекса «ТРОПА».

Цифровой двойник реальной АСУ ТП предоставляет интерфейс взаимодействия оперативного персонала с объектом управления, который построен на реальной АСУ ТП ГРЭС, и выстраивает работу средств автоматизации и их алгоритмов на основе математической модели. Цифровое моделирование технологического процесса обеспечивает возможность задания возмущающих и управляющих воздействий и отображает текущее состояние объекта.

Использование компьютерных тренажерных комплексов на базе ЦД позволяет получить и закрепить знания и навыки надежной и эффективной эксплуатации оборудования, не подвергая опасности персонал и само оборудование предприятия в процессе обучения [9].

В последние годы с появлением интеллектуальных счетчиков электроэнергии, развитием телекоммуникаций и элементов интеллектуальных электрических сетей возникла возможность оптимизации электропотребления, снижения потерь энергии в городских электрических сетях посредством применения различных адаптивных режимных решений, таких как целенаправленное воздействие на оборудование потребителя и/или изменение режима электрической сети в реальном времени, когда это необходимою/

Создание цифровых двойников как для магистральных, так и для распределительных сетей позволяют создавать единый источник информации о состоянии сети; собирать данные из различных подсистем для создания модели сети, отражающей поведение реальной системы; снижать издержки на создание модели и использовать их для анализа сети; улучшать качество информации об электрической сети; упрощать процесс выдачи заявок на технологическое присоединение; более точно рассчитывать технические потери в сети.

Эффективность применения технологий цифровых двойников повлияет на сокращение времени выполнения задач дежурным электромонтером, повышения достоверности данных о текущем состоянии и остаточном ресурсе оборудования.

Применение технологии цифрового двойника в составе Интеллектуальной системы диагностики и технического обслуживания способствует снижению эксплуатационных расходов за счёт уменьшения времени простоя из-за неплановых ремонтов оборудования, оптимизации процессов планирования и выполнения ремонтов.

Отображение электрооборудования (генератора) в виде цифрового двойника дает отличные возможности для анализа и прогнозирования. Технология позволяет моделировать самые разные ситуации, которые могут возникать в процессе эксплуатации оборудования.