Cyfrowy bliźniak sieci energetycznej – jak wirtualny model może pomagać przewidywać awarie i sterować przepływem energii?
Sieć elektroenergetyczna staje się coraz bardziej skomplikowanym systemem. Przez dziesięciolecia energia płynęła przede wszystkim w jednym kierunku: od dużych elektrowni, przez sieci przesyłowe i dystrybucyjne, do odbiorców. Dziś w sieci pracują miliony rozproszonych źródeł energii, magazyny, ładowarki samochodów elektrycznych, instalacje fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe i urządzenia automatycznie reagujące na warunki rynkowe. Operator musi więc nie tylko wiedzieć, co dzieje się w sieci, ale również coraz szybciej przewidywać, co może wydarzyć się za kilka minut, godzin czy dni.
Jednym z narzędzi rozwijanych właśnie w tym celu jest cyfrowy bliźniak, czyli digital twin. W największym uproszczeniu jest to cyfrowe odwzorowanie rzeczywistego systemu, które wykorzystuje dane opisujące jego aktualny stan i pozwala symulować różne scenariusze. W przypadku energetyki może odwzorowywać fragment sieci dystrybucyjnej, stację elektroenergetyczną, mikrosieć, a docelowo nawet bardzo rozległy system elektroenergetyczny.
Cyfrowy bliźniak to coś więcej niż zwykły model komputerowy
Modele komputerowe sieci energetycznych stosuje się od dawna. Inżynier może wprowadzić do programu parametry linii, transformatorów, generatorów i odbiorów, a następnie obliczyć rozpływy mocy czy przeanalizować skutki awarii konkretnego elementu.
Cyfrowy bliźniak rozwija tę koncepcję. Jego istotą jest powiązanie modelu z rzeczywistym obiektem lub systemem oraz zasilanie go aktualnymi danymi. Dzięki temu cyfrowa reprezentacja może zmieniać się wraz z fizyczną siecią.
Jeżeli zmienia się obciążenie transformatora, napięcie w określonym punkcie albo produkcja lokalnej instalacji fotowoltaicznej, informacja może zostać uwzględniona przez cyfrowy model. Bliźniak nie przedstawia więc wyłącznie tego, jak sieć została zaprojektowana, ale może coraz dokładniej odzwierciedlać to, w jakim stanie znajduje się rzeczywisty system.
To właśnie ciągłe powiązanie świata fizycznego i cyfrowego odróżnia najbardziej zaawansowane cyfrowe bliźniaki od statycznych modeli wykorzystywanych wyłącznie do jednorazowych obliczeń.
Skąd cyfrowy bliźniak bierze informacje?
Aby cyfrowe odwzorowanie sieci miało praktyczną wartość, potrzebuje danych. Ich źródłem mogą być systemy pomiarowe, aparatura zabezpieczeniowa, liczniki inteligentne, urządzenia znajdujące się w stacjach elektroenergetycznych, systemy SCADA, czujniki temperatury, informacje pogodowe oraz wiele innych elementów infrastruktury.
W zależności od zastosowania model może otrzymywać między innymi dane o napięciu, prądzie, częstotliwości, przepływach mocy, obciążeniu transformatorów, temperaturze urządzeń, stanie łączników czy produkcji poszczególnych źródeł energii.
Nie wszystkie informacje muszą być aktualizowane z taką samą częstotliwością. Parametry techniczne linii mogą pozostawać niezmienne przez długi czas, podczas gdy obciążenie konkretnego fragmentu sieci może zmieniać się z minuty na minutę.
Dane pomiarowe można ponadto łączyć z prognozami. Model może otrzymać przewidywaną produkcję elektrowni słonecznych na podstawie prognozy zachmurzenia, spodziewaną generację farm wiatrowych czy prognozowane zapotrzebowanie odbiorców.
W efekcie cyfrowy bliźniak może opisywać nie tylko teraźniejszość, ale również możliwą przyszłość.
Wirtualne testowanie awarii bez wyłączania prawdziwej sieci
Jedną z największych zalet cyfrowych bliźniaków jest możliwość przeprowadzania eksperymentów, których nikt nie chciałby wykonywać na działającym systemie elektroenergetycznym.
Operator może przykładowo sprawdzić, co stanie się po awarii określonego transformatora, wyłączeniu linii, gwałtownym spadku produkcji źródeł odnawialnych czy znacznym wzroście zapotrzebowania.
W rzeczywistej sieci celowe spowodowanie takiego zdarzenia byłoby oczywiście niedopuszczalne. W modelu można natomiast analizować wiele wariantów bez ryzyka przerwania dostaw energii.
Pozwala to odpowiedzieć na pytania: które elementy sieci są najbardziej krytyczne, gdzie mogą pojawić się przeciążenia, czy energia popłynie alternatywną trasą oraz jakie działania najlepiej podjąć po wystąpieniu awarii.
Można również sprawdzać kombinacje wielu zdarzeń. Awaria pojedynczego elementu często nie stanowi poważnego zagrożenia, ale równoczesne wystąpienie kilku niekorzystnych warunków może prowadzić do zupełnie innego rezultatu.
Czy cyfrowy bliźniak może przewidywać awarie?
Może pomagać w ich przewidywaniu, choć nie oznacza to stworzenia systemu, który z całkowitą pewnością poinformuje, że konkretny transformator zepsuje się we wtorek o godzinie 14:30.
Znacznie bardziej realistycznym zastosowaniem jest wykrywanie zmian wskazujących na pogarszający się stan urządzenia. Jeżeli system posiada dane historyczne i bieżące informacje dotyczące temperatury, obciążenia, liczby operacji łączeniowych czy innych parametrów eksploatacyjnych, może pomagać identyfikować zachowania odbiegające od normy.
Cyfrowy bliźniak może również umożliwiać sprawdzenie, jakie konsekwencje będzie miało dalsze użytkowanie elementu w określonych warunkach.
Takie podejście wpisuje się w koncepcję utrzymania predykcyjnego. Zamiast wykonywać część prac wyłącznie według sztywnego kalendarza albo reagować dopiero po awarii, można podejmować działania na podstawie rzeczywistego stanu urządzenia i ryzyka jego uszkodzenia.
W energetyce korzyść może być szczególnie duża, ponieważ awaria kosztownego elementu infrastruktury może oznaczać nie tylko konieczność jego naprawy, ale również przerwy w dostawach energii i problemy w innych częściach sieci.
Coraz więcej energii ze słońca i wiatru komplikuje zarządzanie siecią
Rozwój odnawialnych źródeł energii jest jednym z powodów rosnącego znaczenia cyfrowych modeli sieci.
Produkcję klasycznej elektrowni można w dużym zakresie kontrolować. Instalacja fotowoltaiczna produkuje natomiast energię zależnie od nasłonecznienia, a turbina wiatrowa od warunków wiatrowych. Do tego źródła są rozmieszczone w wielu miejscach systemu.
W sieci dystrybucyjnej sytuacja może zmienić się bardzo szybko. W słoneczne południe tysiące instalacji fotowoltaicznych mogą wprowadzać energię do sieci, a kilka godzin później ich produkcja praktycznie zanika. Jednocześnie wieczorem może wzrosnąć pobór energii przez gospodarstwa domowe.
Cyfrowy bliźniak połączony z aktualnymi pomiarami i prognozami może pomagać operatorowi analizować takie zmiany, identyfikować miejsca, w których może pojawić się zbyt wysokie napięcie lub przeciążenie, oraz testować możliwe działania zaradcze.
Gdzie najlepiej przyłączyć nowe źródło albo magazyn energii?
Cyfrowy model może być przydatny również podczas planowania rozwoju infrastruktury.
Wyobraźmy sobie, że w określonym regionie ma powstać duża liczba instalacji fotowoltaicznych, magazyn energii albo stacja szybkiego ładowania samochodów elektrycznych. Operator powinien ocenić, jak nowe urządzenia wpłyną na istniejącą sieć.
W cyfrowym środowisku można przetestować różne lokalizacje, moce i sposoby działania nowych urządzeń. Można również sprawdzić, czy problem rzeczywiście wymaga budowy nowej linii albo wymiany transformatora, czy wystarczy inne rozwiązanie techniczne lub zmiana sposobu sterowania.
W ten sposób cyfrowy bliźniak może stać się narzędziem nie tylko eksploatacyjnym, ale również inwestycyjnym.
Magazyny energii dają dodatkowe możliwości
Szczególnie interesujące możliwości pojawiają się wtedy, gdy w systemie znajdują się magazyny energii. Operator nie musi już wyłącznie obserwować przepływów – może wpływać na nie poprzez odpowiednie ładowanie i rozładowywanie magazynów.
Cyfrowy bliźniak może pomóc sprawdzić, kiedy najlepiej magazyn ładować, a kiedy oddawać z niego energię, aby ograniczyć przeciążenie konkretnego fragmentu sieci.
Podobną rolę mogą pełnić elastyczni odbiorcy. Jeżeli część zapotrzebowania może zostać przesunięta w czasie, model może pomagać ocenić skutki takiej zmiany jeszcze przed wydaniem odpowiedniego polecenia czy sygnału rynkowego.
W przyszłości zarządzanie siecią może więc coraz częściej przypominać nie tylko obserwowanie infrastruktury, ale ciągłe analizowanie ogromnej liczby możliwych wariantów jej pracy.
Sztuczna inteligencja może rozszerzyć możliwości cyfrowego bliźniaka
Cyfrowy bliźniak nie musi wykorzystywać sztucznej inteligencji, aby być użyteczny. Klasyczne modele fizyczne i obliczenia rozpływów mocy pozostają podstawowym elementem analiz elektroenergetycznych.
AI może jednak uzupełniać takie systemy. Algorytmy mogą analizować duże ilości danych historycznych, wykrywać nietypowe wzorce, tworzyć prognozy zapotrzebowania czy wspomagać identyfikację potencjalnych problemów.
Możliwy jest więc model hybrydowy: prawa fizyki opisują zachowanie sieci, podczas gdy algorytmy analizujące dane pomagają przewidywać zmienne warunki i wychwytywać sytuacje trudne do zauważenia przez człowieka.
Nie oznacza to jednak, że operator odda całkowitą kontrolę sztucznej inteligencji. System elektroenergetyczny jest infrastrukturą krytyczną, dlatego automatyczne decyzje muszą podlegać odpowiednim zabezpieczeniom, weryfikacji i procedurom.
Cyfrowy bliźniak jest tak dobry jak jego dane
Technologia ma również ograniczenia. Jeżeli cyfrowy model zawiera błędne parametry albo otrzymuje niepełne dane, jego wyniki mogą nie odpowiadać rzeczywistemu zachowaniu sieci.
Problemem może być chociażby nieaktualna informacja o konfiguracji infrastruktury, błędne dane pomiarowe albo urządzenie, którego rzeczywisty stan różni się od zapisanego w systemie.
Dlatego budowa cyfrowego bliźniaka nie polega wyłącznie na stworzeniu atrakcyjnej wizualizacji. Konieczne jest utrzymywanie jakości danych, synchronizacja informacji pochodzących z różnych systemów oraz aktualizowanie modelu wraz ze zmianami fizycznej infrastruktury.
Im bardziej cyfrowy bliźniak ma uczestniczyć w rzeczywistym sterowaniu siecią, tym większe znaczenie ma wiarygodność danych.
Pojawia się również kwestia cyberbezpieczeństwa
Połączenie rozbudowanego cyfrowego modelu z rzeczywistą infrastrukturą daje duże możliwości, ale jednocześnie tworzy nowe wymagania dotyczące ochrony systemów informatycznych.
Dane opisujące aktualny stan sieci mają znaczenie operacyjne. Jeśli cyfrowy bliźniak jest połączony z systemami sterowania, zabezpieczenie komunikacji, dostępu i integralności informacji staje się szczególnie ważne.
Z drugiej strony sam cyfrowy bliźniak może pomagać w badaniu cyberbezpieczeństwa. W wirtualnym środowisku można symulować niektóre zdarzenia i analizować ich konsekwencje bez narażania działającej infrastruktury.
Można więc potraktować cyfrową kopię sieci jako swego rodzaju poligon, na którym testowane są zarówno awarie techniczne, jak i wybrane zagrożenia dotyczące systemów sterowania i komunikacji.
Europa pracuje nad cyfrowym odwzorowaniem systemu elektroenergetycznego
Koncepcja nie ogranicza się do pojedynczych laboratoriów czy przedsiębiorstw. Cyfryzacja europejskiego systemu energetycznego została wskazana przez Komisję Europejską jako jeden z elementów transformacji energetycznej.
Rozwijane są inicjatywy dotyczące stworzenia interoperacyjnych cyfrowych reprezentacji sieci i wymiany danych pomiędzy operatorami systemów przesyłowych oraz dystrybucyjnych. Jednym z europejskich projektów jest TwinEU, którego celem jest rozwój technologii i zasad umożliwiających tworzenie cyfrowej reprezentacji europejskiej infrastruktury elektroenergetycznej oraz współpracę różnych modeli i systemów.
Skala jest ogromnym wyzwaniem. Czym innym jest stworzenie dokładnego cyfrowego bliźniaka pojedynczej stacji czy mikrosieci, a czym innym odwzorowanie infrastruktury obejmującej wiele państw, tysiące stacji i linii oraz ogromną liczbę urządzeń przyłączonych do sieci dystrybucyjnych.
Cyfrowa kopia ma pomagać zarządzać fizyczną siecią
Cyfrowy bliźniak nie zastąpi przewodów, transformatorów ani nowych elektrowni. Nie rozwiąże również problemu niedostatecznej przepustowości sieci samym oprogramowaniem. Może jednak pozwolić znacznie lepiej wykorzystywać istniejącą infrastrukturę i trafniej planować jej rozwój.
Największa wartość tej technologii polega na możliwości połączenia informacji o rzeczywistym stanie systemu z symulacją. Operator nie musi ograniczać się do pytania „co dzieje się teraz?”. Może również sprawdzić „co prawdopodobnie wydarzy się za godzinę?” oraz „co stanie się, jeśli wykonamy określone działanie?”.
W systemie, w którym liczba źródeł, magazynów i aktywnych odbiorców szybko rośnie, taka możliwość będzie coraz cenniejsza. Sieć energetyczna pozostanie fizyczną infrastrukturą, ale coraz większa część decyzji dotyczących jej działania może być wcześniej sprawdzana na jej cyfrowym odpowiedniku.
Źródła
https://docs.nrel.gov/docs/fy24osti/87050.pdf – National Renewable Energy Laboratory, materiały dotyczące zastosowania cyfrowego bliźniaka i sztucznej inteligencji w przyszłych centrach sterowania systemem elektroenergetycznym.
https://www.energy.gov/sites/default/files/2024-05/What%20the%20Future%20Smart%20Electricity%20Grid%20Can%20Learn%20from%20Other%20Industries%20Using%20Digital%20Twinning_%20Surj%20Patel.pdf – U.S. Department of Energy, opracowanie dotyczące możliwości wykorzystania cyfrowych bliźniaków w inteligentnych sieciach elektroenergetycznych, monitorowaniu i sterowaniu.
https://energy.ec.europa.eu/topics/eus-energy-system/digitalisation-energy-system/key-actions-digitalising-energy_en – Komisja Europejska, informacje o działaniach na rzecz cyfryzacji europejskiego systemu energetycznego oraz rozwoju cyfrowego bliźniaka sieci elektroenergetycznej.
https://cordis.europa.eu/project/id/101136119 – Komisja Europejska, informacje o projekcie TwinEU rozwijającym technologie, wymianę danych i interoperacyjność potrzebne do budowy cyfrowej reprezentacji europejskiego systemu elektroenergetycznego.
https://www.iea.org/energy-system/electricity/smart-grids – International Energy Agency, informacje o inteligentnych sieciach, cyfrowym monitorowaniu systemu oraz znaczeniu technologii cyfrowych dla zarządzania coraz bardziej złożonym systemem elektroenergetycznym.