Разработка платформы управления распределенными энергетическими ресурсами на базе цифрового двойника

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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)].

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Ковалёв С. П. Системный анализ жизненного цикла больших информационно-управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9. С. 98—118.

9. 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.

10. Ковалёв С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.

11. Steindl G., Kastner W. Semantic microservice framework for digital twins // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. P. 5633.

12. Steindl G. et al. Generic digital twin architecture for industrial energy systems // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. P. 8903.

13. 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.

14. Cioara T. et al. An overview of digital twins application domains in smart energy grid // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2104.07904.

15. 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.

16. 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.

17. Pagnier L., Chertkov M. Physics-informed graphical neural network for parameter & state estimations in power systems // arXiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2102.06349.

18. Ньюмен С. Создание микросервисов. СПб: Питер, 2016. 304 с.

19. 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.

20. Spivak D., Kent R. Ologs: A categorical framework for knowledge representation // PloS one, 2012. Vol. 7. P. e24274.

21. Nolan J. S. et al. Compositional models for power systems // EPTCS. 2020. Vol. 323. P. 149—160.

22. Pratt V. R. Modeling concurrency with partial orders // International Journal of Parallel Programming. 1986. Vol. 15, N. 1. P. 33—71.

23. Ковалёв С. П. Семантика аспектно-ориентированного моделирования данных и процессов // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7, Вып. 3. С. 70—80.

24. Ковалёв С. П. Методы теории категорий в цифровом проектировании гетерогенных киберфизических систем // Информатика и ее применения. 2021. Т. 15, Вып. 1. C. 23—29.

25. Adámek J., Herrlich H., Strecker G. E. Abstract and concrete categories. New York, USA: John Wiley, 1990. 507 p.