Добыча угля - отрасль, где электроснабжение определяет производительность, а простои из-за сбоев недопустимы. В этой статье руководитель проектов по энергообеспечению ООО "УК "Сибантрацит" Дмитрий Антоненков рассказывает, как современные системы учёта электроэнергии (АСТУЭ) при грамотном и вдумчивом использовании могут сильно влиять на простои и экономику всего горнодобывающего предприятия.

Каким образом технологии меняют подход к управлению электрохозяйством крупных предприятий и как решаются сложные задачи энергообеспечения экскаваторов – читайте в кейсе компании "Сибантрацит" на ComNews.

Специфика электрохозяйства горнодобывающего комплекса

Особенности залегания угля на разрезах Группы "Сибантрацит" требуют постоянного перемещения горных машин между участками, что приводит к более чем 1000 изменениям топологии сети электроснабжения ежегодно только на одном разрезе. Такая динамика усложняет управление электропотреблением и повышает нагрузку на инфраструктуру. Для решения этой задачи на предприятиях внедрена цифровая система учёта электроэнергии, которая собирает данные с приборов измерения мощности и датчиков, анализирует до 150 параметров и визуализирует их через программную платформу.

За два года (2017–2019) сбор данных и разработанные на их основе мероприятия позволили увеличить вскрышу и добычу более чем на 10%, одновременно снизив общее электропотребление на 11% (7 млн кВт·ч) на одном из разрезов. Инвестиции в проект составили 3,5 млн рублей, которые многократно окупились благодаря достигнутой экономии и росту производительности, подчеркивая эффективность цифровизации в условиях сложной эксплуатации.

Альтернатива IoT: практичный подход к цифровизации

Вместо дорогостоящих решений на базе Интернета вещей (IoT), требующих значительных первоначальных вложений в оборудование, связь и аналитические команды, АО "Сибантрацит" выбрал на первом этапе более эффективный путь. Приборы учёта стоимостью до 100 тыс. рублей, устанавливаемые за два часа, собирают ключевые данные, а программная платформа обеспечивает их обработку и доступность. Специалисты через корпоративную сеть или интернет могут подключаться к системе с любого устройства, анализировать показатели и оперативно реагировать на изменения. Совместная работа до 25 энергетиков разных уровней - от мастеров до энергодиспетчеров - позволяет вырабатывать согласованные решения в реальном времени.

Самый примитивный способ снизить затраты с помощью цифровизации

Первые результаты применения цифровой системы сбора данных на АО "Сибантрацит" были получены в ходе исследования работы системы водоотлива. При проведении горных работ предприятие откачивает воду из разреза и отводит ее в очистные установки. На первом этапе исследования на насосы были установлены приборы учёта электроэнергии. Анализ графиков потребления показал регулярный простой насосов. Например, в периоды отсутствия паводков каждый месяц насосы работают максимум 5-6 суток. На втором этапе проверили производительность системы, установив счётчики расхода воды. Выяснили, что реальная производительность насоса ниже паспортной. Также удалось отследить, что часть воды переливается обратно в разрез по трубам системы водоотлива, а не уходит в очистные установки. В результате фактический объём откачиваемой воды оказался на 60% ниже расчётного. Применение реальных данных вместо номинальных значений в расчётах привело к значительной и регулярной экономии денежных средств на экологических мероприятиях.

Основное назначение системы учёта электроэнергии - подсказывать, чем занимается экскаватор

Разработанная цифровая система решает сложные задачи на высоком научно-техническом уровне. Система адаптируется к новым целям и открывает широкие возможности для дальнейшего развития. Основной потребитель энергии на открытых горных работах - экскаватор, поэтому одна из первоочередных задач - создать такую аналитическую систему, которая даст возможность найти точки роста его производительности. В настоящее время цифровая система сбора данных отслеживает потребляемую экскаватором мощность и данные по гармоническому составу тока, обусловленному нелинейными нагрузками экскаваторов.

Анализ потребляемой мощности позволяет точно воспроизводить режимы работы экскаваторов, включая длину перегона и угол наклона поверхности, по которой они перемещаются. Для настройки системы специалисты выезжали на разрез, фиксировали электропотребление при максимальной нагрузке и принимали его за эталонное. Сравнивая текущее потребление с эталонными показателями, анализируют причины изменений. Так создают базу, по которой в удаленном формате можно определять, какое в момент времени действие выполняет экскаватор.

"Для понимания максимальной производительности экскаватора мы опытным путём рассчитали "эталон максимальной плотности электропотребления" (когда экскаватор непрерывно производит погрузку под максимальное количество большегрузных машин) - соответственно, как только плотность становится меньше, мы понимаем, что экскаватору не хватает большегрузных машин и задача диспетчера – подогнать технику для сокращения времени простоя".

Дальнейшее совершенствование системы интерпретации данных электропотребления по режимам работы в перспективе должны дополнить систему автоматизированной диспетчеризации (АСД) и контроля (АСК), в работе которых участвует оператор, через панель управления на горных машинах, где указывает режим работы. Цифровая система обрабатывает объективные данные, основанные на учёте мощности и самостоятельно определяет, чем занимается экскаватор с дискретизацией в минуту (в перспективе каждую секунду). В настоящее время уточнено время простоя экскаваторов: разница между ручным вводом и автоматизированным по простоям из-за отсутствия напряжения составила более 100 часов в год.

%img-1%

Второй перспективной задачей, над которой в настоящее время работает команда Дмитрия Антоненкова, является сбор и анализ данных о гармоническом составе тока и напряжения.

Экскаватор как источник нелинейной нагрузки генерирует гармонические искажения в сети электроснабжения. На предприятиях вносимые гармонические искажения напряжения не превышают 1%, спектр гармоник тока некоторых потребителей достигают 30%, а кратковременно достигают 100% амплитуды основной гармоники. Такие искажения приводят к дополнительным потерям, неэффективной работе, снижению КПД, перегревам и ложным срабатываниям релейной защиты сети.

Сбор и анализ данных по вносимым экскаваторами искажениям дал базу для разработки путей уменьшения влияния гармоник. С 2018 на предприятиях используются СТАТКОМы (статические генераторы реактивной мощности), цифровая система позволяет отслеживать эффективность принятых ранее решений и разрабатывать фильтрующие системы для установки в точках подключения нелинейных нагрузок. Кроме того, она дает возможность более тщательно подходить к выбору поставщиков оборудования, подбирая тех, кто имеет достаточный опыт для оптимизации нелинейных нагрузок приводов экскаваторов программными способами. По оценкам Дмитрия, уменьшение гармоник разгрузит сеть и снизит у некоторых потребителей электропотребления на 30%.

Кроме описанной задачи снижения гармоник, сбор данных о гармонических искажениях позволяет однозначно идентифицировать каждую машину в системе электроснабжения. Сравнение нормального гармонического фона с текущими показателями открывает возможность для разработки предиктивной системы мониторинга оборудования, которая поможет отмечать отклонения и предсказывать выход оборудования из строя.

Телеуправление и единый диспетчерский центр управления для решения проблемы дефицита кадров

В новых проектах рассматривается возможность удаленного управления устройствами, что приведет к культуре единого диспетчерского пульта, когда вся информация о состоянии оборудования стекается на единый пульт, а диспетчер может не только отслеживать ситуацию на участках, но и управлять оборудованием дистанционно. Таким образом цифровая система позволит полностью или частично отказаться от оперативного персонала.

Искусственный интеллект (ИИ) в энергетике: новые горизонты анализа данных

Современные технологии позволяют вывести цифровизацию на новый уровень с помощью искусственного интеллекта. Внедрение ИИ в систему учёта электроэнергии открывает следующие возможности:

Предиктивная аналитика. ИИ может анализировать исторические данные электропотребления и гармонических искажений, предсказывая сбои оборудования. Например, отклонения в "гармоническом следе" экскаватора сигнализируют о потенциальных поломках, позволяя проводить профилактику до аварий. Это снижает простои и затраты на ремонт.

Оптимизация режимов работы. Алгоритмы машинного обучения способны в реальном времени определять оптимальные режимы работы экскаваторов, учитывая нагрузку, угол наклона поверхности и длину перегонов. ИИ может автоматически корректировать расписание подачи большегрузных машин, минимизируя простои и повышая производительность на 10-15%.

Управление гармониками. Нелинейные нагрузки экскаваторов генерируют гармонические искажения (до 30% по току, кратковременно - до 100%). ИИ, анализируя данные с интеллектуальных приборов учёта и вейвлет-преобразования, способен разрабатывать адаптивные фильтрующие решения для каждой машины. По оценкам Дмитрия Антоненкова, снижение гармоник может уменьшить энергопотребление на 30%, что эквивалентно сотням миллионов рублей экономии в год.

Идентификация оборудования. Гармонический спектр каждой машины уникален, как отпечаток пальца. ИИ может использовать эту особенность для автоматической идентификации экскаваторов в сети, отслеживая их состояние и вклад в общие искажения. Это упрощает диагностику и планирование техобслуживания.

На сегодня проводится пилотное тестирование модулей ИИ. Уже проводятся эксперименты по интеграции алгоритмов машинного обучения для предиктивной аналитики - на основе исторических данных электропотребления и гармонических искажений система способна прогнозировать потенциальные сбои оборудования. Это позволяет заранее планировать профилактические мероприятия и минимизировать простой техники.

Итоги и перспективы

Цифровая система учёта электроэнергии на АО "Сибантрацит" доказала свою эффективность: от экономии на сбросе воды до повышения производительности экскаваторов. Интеграция ИИ обещает вывести энергетику горнодобывающей промышленности на новый уровень - предиктивный, автоматизированный и максимально эффективный. Как отметил Дмитрий Антоненков, "цифровизация - это расширение компетенций руководителя". С добавлением искусственного интеллекта она становится инструментом управления будущим, где каждое решение подкреплено данными, а каждая машина работает на пике возможностей.