Дигиталните близнаци в енергетиката

Операторите на енергийни системи все повече търсят възможности за цифровизация, за да отговорят на новите тенденции в ютилити сектора, да инвестират по-разумно и далновидно, както и да подобрят производителността.
Технологията на цифровия близнак носи висока добавена стойност във всяка индустрия, но най-много – в дигитализацията на системните оператори. В този материал на списание Енергия ще се спрем на темата какво са това цифрови близнаци и как те биха могли да намерят приложение в енергийната инфраструктура.

Текст: списание Енергия

Цифровият близнак е пълна виртуална реплика на реалните физически активи заедно с действителните протичащи процеси, както и тяхното динамично поведение - всичко в съвсем реално време. Технологията на цифровите близнаци може да бъде проследена назад в миналото до използването на физически близнаци от НАСА по време на мисиите на Аполо за разработване на животоспасяващи решения за екипажа на Аполо 13. Цифровият близнак може да се разглежда като динамична, жива симулация на реално действащата структура. Базирана се на реалните данни и се изменя в реално време. Определят го още като живо „огледално изображение“, отражение. Цифровият дубликат е представителен от гледна точка на реалните обекти и тяхното състояние.

Той е нещо повече от стандартен, статичен 3D модел на активи, намиращи се в някаква връзка помежду си. Представя структурата в дълбок детайл, включително и с времевите є изменения. Фактът, че се обновява постоянно в реално време го прави жива реплика на активите и процесите в реалния свят. С помощта на машинно самообучение и симулации дигиталният близнак позволява да се оптимизира производителността, а наличните ресурси да се оползотворят възможно най-пълноценно, без претоварване. С поглед към бъдещето собствениците на цифров близнак на своята структура могат да се фокусират върху прогностичната поддръжка на активите си. Намаляват се непланираните прекъсвания, спестява се потребителското недоволство.

Бързо развиващ се пазар

Дигиталните близнаци са пазар, който ще нарасне до стойност от 1,3 млрд. долара през 2026 година, според пазарните анализатори от MarketsAndMarkets. За сравнение, за 2021 година обемът на сегмента е оценен на 0,8 млрд. долара. Това прави 12,2% среден годишен темп на растеж. Причината се корени в широкоспектърните ползи от технологията. Тя стъпва на постиженията на IoT, но надгражда с висока добавена стойност. Сега операторите могат не само да слушат „пулса“ на всеки компонент в енергийната инфраструктура, но и да вземат решения на база реалните данни и да изпитват нововъведения, без да смущават реалната работа на мрежите.

Фактори за развитието

По подразбиране компаниите за комунални услуги събират огромни количества данни на дневна и почасова база. Всеки киловатчас се регистрира и отчита. Наред с това операторите на енергийни мрежи разполагат със стотици други показатели, които искат да вземат предвид, когато управляват своя бизнес. Влияние оказват застудяванията и горещите топлинни вълни, празничното настроение около новогодишната нощ, участието на национален отбор в голямо спортно състезание и др. Ала всички данни обикновено се използват и анализират със задна дата. А понякога това е твърде късно, за да се избегне претоварване, спиране на тока или повреда. Цифровият близнак позволява анализ в реално време и бързо, навременно вземане на решения.

Липсата на достатъчно и квалифицирани кадри за поддържането и развитието на мрежите е друг фактор, който повишава значимостта на технологията. Той тормози почти всички ютилити компании по света. Енергийната консумация расте в цял свят. Според някои данни, в последните 20 години в Европа потреблението на електричество в сферата на услугите е нараснало с 34%, а в домовете - с 16%. Увеличението изисква още повече внимание в планирането и контрола на ресурсите. Застаряването на мрежите също е аспект, който не може да бъде подценен. Наред с тези текущи аспекти има и нови тенденции, които правят ценни дигиталните близнаци. На челно място е интегрирането на новото поколение източници на енергия - възобновяемите. Техният експоненциален растеж избухна след Парижкото споразумение през 2015 г. Сочат ги като единствен начин за декарбонизиране на енергетиката.

Правителствата създават политики и осигуряват насърчителни мерки за дългосрочно декарбонизиране на мрежите чрез ВЕИ. Но това през последните години постави под натиск електропреносните мрежи в много страни. ВЕИ са многобройни като локации и са пространствено „разхвърляни“. Присъединяването им изисква нов преносен капацитет. Там, където той липсва или не се развива достатъчно бързо, разгръщането на мрежите изостава, включването на новите мощности е затруднено, расте недоволството на инвеститорите и властите. А ВЕИ растежът няма да спре. Според МАЕ, соларните и вятърните мощности ще достигнат 2349 гигавата през 2025 година.

Операторите на енергийни мрежови инфраструктури в регионите все повече търсят цифрови технологии, за да си помогнат за рационализирането на интегрирането на нарастващия дял от технологии за възобновяема енергия в техния оперативен микс. Към тази нарастваща сложност тепърва ще се присъединят електрическите автомобили. Те ще са хищен и тежък консуматор. Само през последната година научно-изследователската общност създаде няколко нови разработки за автомобилни акумулатори, които се зареждат за 5 или 10 минути. Желанието на потребителите е е-колите да се зареждат толкова бързо и лесно, колкото тези с ДВГ - с бензин, затова подобни разработки рано или късно ще влязат в действие.

Точките, в които новите консуматори внезапно глътват по няколко киловатчаса за 5 минути, ще са ново предизвикателство за операторите. Мрежите трябва да останат стабилни.
Наред с това интелигентните електроуреди и възходът на Интернета на нещата правят дигитализацията на мрежите по-сложна. Умните уреди имат собствено динамично поведение, обслужвайки интересите на своите стопани. Тези апарати следва да са в непрекъсната връзка и със самите електроенергийни мрежи, за да подават данни, но също и да вземат решения локално. Нуждата от устойчивост и изменението на климата, независимо от всички спорове около него, допълнително влияе на електромрежите.

Екстремните жеги и застудявания водят до използване на много електроуреди и претоварване на мрежите. Понякога резултатът е срив. А температурните екстреми зачестяват. Затова климатичните крайности вече трябва да бъдат поставени в уравнението, когато става дума за стабилността на мрежите и прогнозиране на развитието им. Подобни сривове костват скъпо не само на оператора, но и на цялата икономика в региона. От друга страна същите тези екстреми могат да увредят енергийните мрежи. Горските пожари, обледяванията и свръх-снеговалежите, пороите могат да опустошат инфраструктурата и да „откъснат“ цели градове.

Динамични симулации

Ютилити компаниите все повече гледат към цифровите близнаци, за да си помогнат за канализирането на интеграцията на източниците на възобновяема енергия в общия енергиен микс и разгръщането на мрежите. Цифровите близнаци позволяват на операторите да симулират оперативни сценарии. Така те могат да си гарантират надеждно, ефективно и сигурно планиране, опериране и разширяване на електрическите системи. Може ли да се интегрира още един фотоволтаичен парк в даден регион? Колко електрически автомобила могат да се зареждат едновременно през нощта в даден град, без това да срине мрежата?

Експериментите могат да се проведат във виртуалното копие на действителната електро-мрежа. Използват се данните в реално време, но нововъведението не засяга реално действащата електрическа мрежа, а само нейното виртуално копие. Съществена полза от работата с цифровия дубликат е възможността за симулиране на няколко изменения едновременно. Какво ще стане, ако изместим далекопровода с десет метра встрани и ако падне по-тежък сняг тази зима?

Моделирането на сценарии с две или повече променливи може да даде яснота за редица важни последици като например отражение върху растителността, увеличаване или намаляване на риска от горски пожари и др. Огромните изчислителни възможности и способностите на машинния интелект днес могат да се впрегнат за точно възпроизвеждане на динамиката на енергийните мрежи предвид нарастващата им сложност заради децентрализирания характер на ВЕИ и електрическата мобилност. Това означава ефективни мониторинг, контрол, автоматизация и поддържане на мрежата. Цифровият близнак е инструмент за модернизацията на мрежата, особено интеграцията на децентрализираните енергийни ресурси.

Прогнозиране

Прогнозите на база на наличните данни са все по-съществен елемент от развитието на енергийните мрежи. Алгоритмите могат да предвидят със значителна точност кога даден компонент ще се износи и ще се нуждае от подмяна, кога капацитетът на даден детайл ще се окаже недостатъчен и ще трябва да бъде подменен. На свой ред поддържащите екипи могат да планират дейността си по-ефективно. Подмяната на активите, при които предстои пределно износване или натоварване, е ключово за предотвратяване на аварии и непланирано прекъсване на услугата. Но дигиталните близнаци в сектора на комуналните услуги помагат да се изследват и дългосрочните бъдещи тенденции и тесни места.

Това позволява на мрежовите оператори да реагират на нововъзникващи или задаващи се проблеми, преди те да окажат влияние върху достъпността и качеството на крайната услуга. Ако се върнем на примера с растителността, постоянно растящите гори имат потенциала да прекъсват електропроводи и да предизвикват сривове на електрозахранването, наред с увреждане на активите. Цифровият близнак има способността не само да показва активите от мрежата, но и непосредствената околност (напр. дървета, къщи, пътища, реки) плюс допълнителни данни за растителността, обхващайки видовете, здравето на дърветата и скоростта им на растеж.

Интегрирането на метеорологичните данни позволява на програмата да наблюдава как промените в метеорологичните модели могат да повлияят на растежа на растителността и да съпоставят и вземат информирани решения за това как бурните ветрове ще повлияят пряко на растителността около даден далекопровод - и какви биха били потенциалните щети, причинени от тях. Цифров близнак, обогатен с подобни данни, може дори да алармира за риска от навлизане на растителност в активите на комуналното предприятие, така че операторът може да определи къде да действа и колко спешно. Той ще най-точно кога да изпрати екипи на място. По същество подобни прогнози и предупреждения позволяват на комуналните предприятия да оценят жизнеспособността на своите планове за оздравителни мерки или да разработят алтернативни стратегии за поддръжката на системите.

Контекстуализация

Цифровите близнаци подобряват вземането на решения благодарение на контекстуализирането и визуализирането на данните. За дигиталния близнак контекстуализирането на данни означава вземане на съществуващи данни от множество източници - вътрешни и външни - и обединяване на всички, за да се улесни тълкуването и използването им от всички заинтересовани страни. Визуализацията пък помага допълнително с представянето на всичко в нагледно удобен за потребителя начин. Затова не е изненадващо, че много често създаването на цифров близнак стъпва на използването на ГИС технологиите. Става възможно съчетаването на пълен мрежов модел с различни други източници на данни - автомобилен трафик, обитаеми пространства и т.н., които се представят цялостно в цифровия близнак.

Резултатът е цялостна визуализация, предоставяща практически полезни съждения и изводи. А те позволяват по-ефективно планиране и поддържане на мрежата. Във виртуалната реплика на цялата мрежа операторите могат да променят параметрите и да видят въздействието и последстващите промени от всяко нововъведение, в конкретния контекст, преди да внедрят измененията реално в системата - на живо. Най-ценното е, че с всеки следващ сценарий, който бъде проигран виртуално, и чрез събитията от реалната дейност алгоритмите в цифровия близнак се самообучават. Така се се самоусъвършенстват, развиват, прецизират работата си. Това прави работата им все по-безпогрешна и стойностна с напредването на времето.

Технологична интеграция

Повече безопасност, повече ценова ефективност, разнообразие на умения - дигиталният близнак дава нови възможности, които са на практика неограничени. Интегрирането на технологията с други модерни инструменти и средства прави управлението по-адекватно. Да вземем за пример безпилотните летателни апарати. Дроновете могат да облитат регионите и да заснемат всичко чрез LiDAR, да трупат спектрални и RGB образи с висока резолюция - да инспектират далекопроводите и да събират данни. Така цифровият близнак ще се базира на съвсем реални данни, за да са реални неговите симулации и прогнози.

Виртуалният дубликат ще може, в бъдеще, дори да даде карта на дрона и да му определи маршрут, събирайки повече данни на пократки интервали. Това няма да направи екипите от специалисти ненужни. Инспекторите все още ще имат премного работа. Но тя ще е по-добре фокусирана. Информацията за състоянието ще е вече събрана, когато екипите отиват някъде. Специалистите ще знаят точно какво ще заварят, за да извършат интервенции, които не могат да бъдат автоматизирани дейности, където уменията и опитът на хората са незаменими.

Партньорство за близнаци

Решението за използване на дигитален близнак за индустрията на комуналните услуги трябва да бъде изградено върху оперативно съвместими и мащабируеми стандарти, като интерфейса на общия информационен модел (CIM). Това е важно за осигуряване на оперативна съвместимост със специфичните за индустрията данни и приложения.
Като се има предвид, че цифровият близнак следва да е бъде ключова част от дългосрочното развитие на цифровизацията, операторът на енергийна мрежа би трябвало да гледа на внедрителя като на стратегически партньор, който може да предложи полезни съвети и дългосрочна подкрепа във времето.

Полезни ефекти

Ако трябва да обобщим начините, по които операторите се възползват от технологията за цифрови близнаци, те са многобройни. Намалява рискът от прекъсвания, изменения на напрежението и претоварвания. Идентифицират се „тесните места“ в мрежата преди възникването им. Намаляват се разходите за поддръжка чрез прогнозен анализ.
Ускорява се изпълнението на заявките за свързване на нови клиенти благодарение на автоматизираните изчисления на капацитета на мрежата и потенциала ѝ. Осигурява се достъпност и разбираемост за всички заинтересовани страни чрез „демократизиране“ на данните. Всичко това благоприятства интегрирането на новото поколение възобновяеми енергийни източници и новите тенденции в нисковъглеродната икономика. Инвестициите се планират интелигентно, далновидно, „хитро“.

Какво може да очакваме в бъдеще от приложението на дигиталните близнаци в енергетиката?

Дигиталните близнаци имат потенциала да променят начина, по който работи енергетиката. Те могат да предоставят нови възможности за управление на енергийните системи и да подобрят ефективността им. Чрез тях ще се прогнозира на капацитета на енергийните систем, на базата на анализа на събираните данни за производството и потреблението. Дигиталните близнаци ще подобрят енергийната ефективност. Те ще спомогнат за намаляване на загубите на енергия по време на транспортирането й. Ще имат положително влияние върху управлението на комутационните устройства и трансформаторите в енергийната система.

Дигиталните близнаци ще предоставят по-голяма видимост и контрол, като ще предупреждават за потенциални проблеми, като например претоварвания, които могат да доведат до прекъсвания на електрозахранването. Ефектът от интегрирането на възобновяеми източници на енергия ще може да бъде симулиран с използването на дигитални близнаци. По този начин те ще съдействат за по-доброто им съчетаване със сложната енергийна система и в същото време за максимално използване на техния капацитет за произвеждане на чиста енергия.