novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.131-141novtexmech-1341Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION OF PROCESS CONTROLРазработка платформы управления распределенными энергетическими ресурсами на базе цифрового двойникаDevelopment of a Platform for Distributed Energy Resources Management on the Basis of a Digital TwinКовалёвС. П.KovalyovS. P.

Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник.

Москва

Kovalyov Serge P. - Dr., Lead Scientist.

Moscow, 117997

kovalyov@sibnet.ruИнститут проблем управления им. В.А. Трапезникова, РАНРоссияV.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences, RASRussian Federation202328032023243131141Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1341

Статья посвящена вопросам разработки платформы для управления распределенными энергетическими ресурсами на основе цифровых двойников. Варианты задач, для решения которых может быть использована платформа, включают управление спросом, зарядку электромобилей, одноранговую торговлю энергией, планирование работы накопителей, организацию виртуальной электростанции и ряд других. Благодаря цифровым двойникам платформа может реализовать такие варианты использования, управляя либо реально эксплуатируемым оборудованием, либо его виртуальными моделями на стадии проектирования. Массовым владельцам и операторам распределенных энергоресурсов платформа предлагает повышение качества электроснабжения (в том числе устойчивости), снижение издержек (в том числе трансакционных), получение новых рыночных возможностей (в том числе участия в программах различных агрегаторов). Поставщикам программного обеспечения и оборудования платформа интересна возможностью быстро компоновать системы управления распределенными энергоресурсами практически без программирования. Проектирование цифрового двойника и платформы выполнено в разрезе архитектурных точек зрения в соответствии с рекомендациями международного стандарта системной инженерии ISO/IEC/IEEE 42010. Описана типовая архитектура формируемых цифровых двойников энергетических систем. Выделены основные типы математических моделей в составе цифровых двойников: физические модели на основе численного решения дифференциальных уравнений и оптимизационных задач, модели машинного обучения, модели на основе знаний. Интероперабельность таких разнородных моделей обеспечивается на основе онтологической модели распределенной энергетики. Для платформы приведены три архитектурных представления, отражающие ключевые точки зрения: функциональное, информационное и программное. Чтобы формализовать и в конечном счете автоматизировать интеграцию разнородных моделей, предложены новые математические методы модельно-ориентированной системной инженерии, основанные на аппарате теории категорий, в том числе на универсальных конструкциях и мультизапятой. Показано, что категорию мультизапятой можно построить с помощью стандартных конструкций произведения, экспоненты и декартова квадрата, что позволяет установить ряд ее практически значимых свойств.

The paper discusses the development of a platform for distributed energy resources management based on digital twins. The platform use cases include demand response, electric vehicle charging, peer-to-peer energy trading, storage scheduling, virtual power plant, and so on. Thanks to the digital twin, the platform can perform the use cases controlling either real operation-stage equipment or virtual design-stage simulation models. The platform offers mass distributed energy resources owners and operators to improve the power supply quality (including stability), reduce costs (including transaction overhead), and gain emerging market opportunities (including participation in various aggregators' programs). Software and equipment vendors are interested in the platform's capability to quickly assemble distributed energy management systems almost without programming. The digital twin and the platform are designed with the viewpoint-based approach established by the international systems engineering standard ISO/IEC/IEEE 42010. The typical power system digital twin architecture is described. The major kinds of mathematical models as part of digital twins are presented: physical models based on numerical solutions of differential equations and optimization problems, machine learning models, knowledge-based models. The interoperability of such heterogeneous models is ensured on the basis of the ontological model of distributed energy. The platform architecture is represented from three key viewpoints: functional, information, and software. To formalize and ultimately automate the integration of heterogeneous models, we propose novel mathematical methods of model-based system engineering based on category theory, including universal constructions and the multicomma. The multicomma category is shown to be constructed using standard product, exponent, and pushout constructions, which makes it possible to establish a number of its practically significant properties.

распределенные энергетические ресурсыцифровой двойникцифровая платформаархитектурная точка зрениятеория категорийкатегория мультизапятойdistributed energy resourcesdigital twindigital platformarchitecture viewpointcategory theorymulticomma categoryReferencesXue A. et al. Review and prospect of research on subsynchronous oscillation mechanism for power system with wind power participation // Electric Power Automation Equipment. 2020. Vol. 40, N. 09. P. 118—128.Xue A. et al. Review and prospect of research on subsynchronous oscillation mechanism for power system with wind power participation // Electric Power Automation Equipment. 2020. Vol. 40, N. 09. P. 118—128.Sharma A. et al. Digital twins: State of the art theory and practice, challenges, and open research questions // arXiv, 2020. https://arxiv.org/abs/2011.02833.Sharma A. et al. Digital twins: State of the art theory and practice, challenges, and open research questions // arXiv, 2020. https://arxiv.org/abs/2011.02833.Kloppenburg S., Boekelo M. Digital platforms and the future of energy provisioning: Promises and perils for the next phase of the energy transition // Energy Research & Social Science. 2019. Vol. 49. P. 68—73.Kloppenburg S., Boekelo M. Digital platforms and the future of energy provisioning: Promises and perils for the next phase of the energy transition // Energy Research & Social Science. 2019. Vol. 49. P. 68—73.Илюшин П. В. и др. Методы интеллектуального управления распределенными энергоресурсами на базе цифровой платформы. М.: НТФ "Энергопрогресс", 2021. 116 с. [Библиотечка электротехника, приложение к журналу "Энергетик". Вып. 8 (272)].Илюшин П. В. и др. Методы интеллектуального управления распределенными энергоресурсами на базе цифровой платформы. М.: НТФ "Энергопрогресс", 2021. 116 с. [Библиотечка электротехника, приложение к журналу "Энергетик". Вып. 8 (272)].Madni A. M., Madni C. C., Lucero S. D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering // Systems. 2019. Vol. 7, Iss. 1. Art. N. 7. P. 1—13.Madni A. M., Madni C. C., Lucero S. D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering // Systems. 2019. Vol. 7, Iss. 1. Art. N. 7. P. 1—13.Onile A. E. et al. Uses of the digital twins concept for energy services, intelligent recommendation systems, and demand side management: A review // Energy Reports. 2021. Vol. 7. P. 997—1015.Onile A. E. et al. Uses of the digital twins concept for energy services, intelligent recommendation systems, and demand side management: A review // Energy Reports. 2021. Vol. 7. P. 997—1015.Palensky P. et al. Digital twins and their use in future power systems // Digital Twin. 2021. Vol. 1:4. doi:10.12688/digitaltwin.17435.1.Palensky P. et al. Digital twins and their use in future power systems // Digital Twin. 2021. Vol. 1:4. doi:10.12688/digitaltwin.17435.1.Ковалёв С. П. Системный анализ жизненного цикла больших информационно-управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9. С. 98—118.Ковалёв С. П. Системный анализ жизненного цикла больших информационно-управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9. С. 98—118.Андрюшкевич С. К., Ковалев С. П., Нефедов Е. И. Разработка цифрового двойника энергетической системы на основе онтологической модели // Автоматизация в промышленности. 2020. № 1. С. 51—56.Андрюшкевич С. К., Ковалев С. П., Нефедов Е. И. Разработка цифрового двойника энергетической системы на основе онтологической модели // Автоматизация в промышленности. 2020. № 1. С. 51—56.Ковалёв С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.Ковалёв С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.Steindl G., Kastner W. Semantic microservice framework for digital twins // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. P. 5633.Steindl G., Kastner W. Semantic microservice framework for digital twins // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. P. 5633.Steindl G. et al. Generic digital twin architecture for industrial energy systems // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. P. 8903.Steindl G. et al. Generic digital twin architecture for industrial energy systems // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. P. 8903.Тихонов А. И. и др. Разработка технологии создания цифровых двойников силовых трансформаторов на основе цепных моделей и 2D-моделей магнитного поля // ЮжноСибирский научный вестник. 2020. № 1 (29). С. 76—82.Тихонов А. И. и др. Разработка технологии создания цифровых двойников силовых трансформаторов на основе цепных моделей и 2D-моделей магнитного поля // ЮжноСибирский научный вестник. 2020. № 1 (29). С. 76—82.Cioara T. et al. An overview of digital twins application domains in smart energy grid // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2104.07904.Cioara T. et al. An overview of digital twins application domains in smart energy grid // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2104.07904.Kuehn W. Digital twins for decision making in complex production and logistic enterprises // International Journal of Design & Nature and Ecodynamics. 2018. Vol. 13, Iss. 3. P. 260—271.Kuehn W. Digital twins for decision making in complex production and logistic enterprises // International Journal of Design & Nature and Ecodynamics. 2018. Vol. 13, Iss. 3. P. 260—271.Harmouch F. Z. et al. An optimal energy management system for real-time operation of multiagent-based microgrids using a T-cell algorithm // Energies. 2019. Vol. 12. P. 3004.Harmouch F. Z. et al. An optimal energy management system for real-time operation of multiagent-based microgrids using a T-cell algorithm // Energies. 2019. Vol. 12. P. 3004.Pagnier L., Chertkov M. Physics-informed graphical neural network for parameter & state estimations in power systems // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2102.06349.Pagnier L., Chertkov M. Physics-informed graphical neural network for parameter & state estimations in power systems // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2102.06349.Ньюмен С. Создание микросервисов. СПб: Питер, 2016. 304 с.Ньюмен С. Создание микросервисов. СПб: Питер, 2016. 304 с.Mabrok M. A., Ryan M. J. Category theory as a formal mathematical foundation for model-based systems engineering // Applied Mathematics and Information Sciences. 2017. Vol. 11, Iss. 1. P. 43—51.Mabrok M. A., Ryan M. J. Category theory as a formal mathematical foundation for model-based systems engineering // Applied Mathematics and Information Sciences. 2017. Vol. 11, Iss. 1. P. 43—51.Spivak D., Kent R. Ologs: A categorical framework for knowledge representation // PloS one, 2012. Vol. 7. P. e24274.Spivak D., Kent R. Ologs: A categorical framework for knowledge representation // PloS one, 2012. Vol. 7. P. e24274.Nolan J. S. et al. Compositional models for power systems // EPTCS. 2020. Vol. 323. P. 149—160.Nolan J. S. et al. Compositional models for power systems // EPTCS. 2020. Vol. 323. P. 149—160.Pratt V. R. Modeling concurrency with partial orders // International Journal of Parallel Programming. 1986. Vol. 15, N. 1. P. 33—71.Pratt V. R. Modeling concurrency with partial orders // International Journal of Parallel Programming. 1986. Vol. 15, N. 1. P. 33—71.Ковалёв С. П. Семантика аспектно-ориентированного моделирования данных и процессов // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7, Вып. 3. С. 70—80.Ковалёв С. П. Семантика аспектно-ориентированного моделирования данных и процессов // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7, Вып. 3. С. 70—80.Ковалёв С. П. Методы теории категорий в цифровом проектировании гетерогенных киберфизических систем // Информатика и ее применения. 2021. Т. 15, Вып. 1. C. 23—29.Ковалёв С. П. Методы теории категорий в цифровом проектировании гетерогенных киберфизических систем // Информатика и ее применения. 2021. Т. 15, Вып. 1. C. 23—29.Adámek J., Herrlich H., Strecker G. E. Abstract and concrete categories. New York, USA: John Wiley, 1990. 507 p.Adámek J., Herrlich H., Strecker G. E. Abstract and concrete categories. New York, USA: John Wiley, 1990. 507 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.