Энергетический переход предъявляет новые требования к распределительным сетям: если ранее они обеспечивали предсказуемый поток электроэнергии от крупных электростанций до потребителей, то сегодня необходима интеграция миллионов солнечных панелей, электромобилей, тепловых насосов, аккумуляторов и других устройств, создающих двунаправленные потоки электроэнергии и сложную динамику перетоков мощности сети. Быстрое устаревание сетей приводит к росту задержек и отмене проектов возобновляемой генерации и электрификации по всему миру.
Для решения этой проблемы авторы статьи, размещенной в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 12, № 3 за 2024 год), Pablo Arboleya и Alberto Méndez рекомендуют операторам распределительных систем (DSO) перейти на новое поколение систем управления сетями на основе «цифровых двойников», которые в реальном времени обеспечивают DSO видимость, аналитику и гибкость сети.
При этом концепция цифрового двойника выходит далеко за рамки алгоритмов сетевого анализа: на её основе можно создать виртуальную систему, способную точно воспроизводить на модели эффекты изменений в реальной системе, благодаря двунаправленной связи между ними. Таким образом, по мнению авторов, цифровые двойники произведут революцию в способе распределения электроэнергии.
Перспективными приложениями для цифровых двойников в распределительных сетях являются следующие:
- Управление сетевыми устройствами
В настоящее время в областях, где наблюдается высокое распространение распределенных энергетических ресурсов, появляются очень сложные модели профилей напряжения. Цифровые двойники позволяют решать разные задачи в этом контексте, например, выбирать отпайки трансформаторов с оптимальным профилем напряжения. Эту процедуру можно распространить на управление регуляторами напряжения, твердотельными трансформаторами, системами автоматического переключения и т.д.
- Управление потерями в сети
В распределительных сетях европейского типа, где низковольтная часть очень сложна, расчет потерь традиционно проводится путем оценки различных конфигураций с постепенной минимизацией величины потерь. Это медленный, дорогой и часто неэффективный метод, поскольку сравниваются разные модели потребления и генерации в разные периоды времени. Использование цифровых двойников позволяет за считанные минуты генерировать сценарные конфигурации, соответствующие одному временному интервалу, позволяя сравнивать потери в каждой конфигурации и выбрать из них оптимальную.
- Управление пропускной способностью сети
Нехватка пропускной способности является основным препятствием для создания новых компаний, отраслей, технологического присоединения в районах с высоким уровнем распространения солнечных панелей, тепловых насосов или электромобилей. Проектирование и организация новой системы, включающей подобные элементы, требуют сложных расчетов перетоков мощности с учетом гибкой работы сети. Эта задача может быть решена с использованием цифровых двойников для поддержания актуальной информации о существующей пропускной способности в сети и путях её увеличения.
На рисунке 1 показана карта мощности городской территории с источником мощности, выбранным DSO. Цифровой двойник генерирует сценарии путем постепенного увеличения нагрузки и/или генерации в каждой точке подключения для каждого часа дня, сохраняя постоянными остальные переменные до тех пор, пока не будет выявлено первое нарушение ограничения мощности, тока или напряжения. В результате построена точная карта мощности, определены критические часы и получены данные о существующей пропускной способности в разные часы, на основе которых могут быть предложены нестандартные подключения.
- Управление гибкостью
Ранее основным принципом распределительной сети было «построить и подключить», а мощность сети определялась по формуле «самая высокая пиковая нагрузка + резерв на неопределенность». Улучшить эффективность сети и общие расходы на распределение можно, перейдя к принципу «подключить и управлять». Этот новый подход увеличивает использование мощности в сети и снижает затраты на распределенный киловатт-час, улучшая потребительскую экономику, в том числе для потребителей и производителей с гибкими нагрузками: они могут предоставить свою гибкую мощность DSO на определенных условиях (через локальные рынки гибкости и/или гибкие тарифы на сетевую услугу). Таким образом, гибкая работа распределительной сети сдерживает рост стоимости тарифов, оплачиваемых конечным потребителем.
На рис. 2 видно, что, с точки зрения DSO, управление гибкостью – это управление установкой, которая представляет собой распределительную сеть с датчиками, данные с которых используются контроллером на основе цифрового двойника для определения действий, требуемых для активации гибкости. После этого требования отправляются на исполнительный механизм, в качестве которого может выступать агрегатор, ритейлер, рынок, сам DSO или комбинация этих субъектов. Наиболее важным элементом, с точки зрения управления гибкостью, является методология расчета требований к активации, подробно рассмотренная в статье.
Также приведены примеры систем активации гибкости в разных страновых моделях и классификация типов цифровых двойников.
***
Сложность внедрения цифровых двойников в крупных сетях распределения электроэнергии обусловлена следующим рядом факторов:
- Высокий уровень сложности и количество узлов в сетках DSO, которые обычно включают миллионы узлов (по сравнению с тысячами для операторов магистральных сетей - TSO). При этом вычислительная сложность в электрических сетях возрастает пропорционально квадрату числа узлов в сети.
- Согласно прогнозам, крупным операторам распределительных систем придется столкнуться с задачей интеграции и управления в режиме реального времени миллионов электромобилей, тепловых насосов, систем хранения и фотоэлектрических систем уже в этом десятилетии и десятков миллионов – в течение 2030-х годов.
- Масштабная реализация цифровых двойников в реальном времени и систем управления гибкостью в DSO «с нуля» экономически эффективна, и целесообразна только при их построении на основе уже существующих систем – SCADA, систем управления распределением, геоинформационных систем и инфраструктур учета. Для их включения в работу в качестве части цифрового двойника необходимо создание программного стека (или «цифрового слоя интеллекта»), который интегрирует сотни миллионов единиц временных и пространственных данных и способен обрабатывать их в реальном времени.
Таким образом, при правильном использовании цифровых двойников DSO смогут развернуть большое количество новых приложений для эффективного использования сети. Флагманским среди них будет гибкая координация в режиме реального времени, позволяющая увеличить объем распределяемой энергии на единицу развернутой сетевой мощности, что значительно снизит затраты, улучшит экономию на стороне потребителей, ускорит процесс электрификации и повысит его эффективность.
Подробнее читайте исходную статью в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 12, № 3 за 2024 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
