Digitálne dvojčatá pomáhajú aj energetikom

Elektrizačná sústava sa bez zveličovania považuje za maximálny technický úspech modernej doby. Široká dostupnosť elektriny, ktorá je umožnená komplexnou sieťou drôtov, stožiarov, rozvodní a systémov, každý deň obohacuje náš život. No v zákulisí je masívna záplava digitálnych údajov, ktorá umožňuje energetickým spoločnostiam plánovať, prevádzkovať a udržiavať svoje siete poskytovaním virtuálneho modelu skutočného sveta. Vďaka trendom, ako je decentralizácia a využívanie obnoviteľných zdrojov, sa správa a výmena týchto údajov stáva čoraz zložitejšia. Aj tie najmenšie chyby v údajoch môžu mať veľké následky. Energetické spoločnosti, ktoré si zvolia riešenia spájajúce ich digitálne údaje, budú pripravené na udržateľnú digitálnu budúcnosť. V článku prinášame dva konkrétne príklady toho, ako sa podarilo v energetickom sektore s úspechom využiť moderné nástroje digitálnych dvojčiat.
Digitálne dvojčatá pomáhajú aj energetikom

Foto: Siemens AG, Fingrid Oyj, Patricia Tarczynski

Ako viete, kde investovať v rámci vašej elektrizačnej sústavy?

Keď Jussi Jyrinsalo, starší viceprezident fínskeho prevádzkovateľa prenosovej sústavy Fingrid, koordinuje budúce investície, má k dispozícii dnešný a zajtrajší stav energetickej siete štátu. Vďaka digitálnemu dvojčaťu siete s názvom ELVIS, má na jedno kliknutie k dispozícii všetky potrebné údaje o blízkej budúcnosti.

Spoločnosť Fingrid bola založená v roku 1996 a sídli v Helsinkách. Je fínskym prevádzkovateľom prenosovej sústavy zodpovedným za prevádzku a plánovanie viac ako 14 000 kilometrov 400, 220 a 110 kV prenosových vedení a viac ako 100 rozvodní. V roku 2016 predstavila model digitálnej siete ELVIS, ktorý podporuje ich správu aktív a riadenie prevádzky, ako aj plánovanie investícií do infraštruktúry.

Plánovanie budúcich investícií do rozvodnej sústavy v minulosti vyzeralo takto: 80 % zber a overovanie údajov, 20 % analýza. „Musel som obehnúť takmer všetkých kolegov a opýtať sa, či majú nejaké výstupy, ktoré by sme mohli využiť na získanie modelu rozvodnej sústavy budúcnosti,“ spomína J. Jyrinsalo. „Každý technik by mal svoje vlastné modely a my by sme zbierali ďalšie kúsky a pridávali úplne chýbajúce časti.“ Na úspešnú kombináciu týchto údajov boli potrebné týždne až mesiace a veľa trpezlivosti, aby jeho tím získal úplný obraz o budúcom stave a potrebe energetickej siete krajiny.

Na dosiahnutie rovnakého výsledku stačí dnes J. Jyrinsalovi jednoducho stlačiť tlačidlo. „Ak chcem predpovedať model do roku 2025, dostanem ho okamžite – so všetkými dostupnými údajmi, pretože všetci sa teraz napájajú do toho istého systému.“ Model digitálnej siete, nazývaný digitálne dvojča, otočil kvóty pracovnej vyťaženosti z minulosti. Zhromažďovanie a overovanie údajov v súčasnosti nepredstavuje viac ako 20 % času, zatiaľ čo 80 % zostáva na kľúčové analýzy. „To znamená, že technici majú viac priestoru na to, čo robia najlepšie: plánovanie siete čo najtransparentnejším spôsobom.“

Ak chcem predpovedať model do roku 2025, dostanem ho okamžite – so všetkými dostupnými údajmi, pretože všetci sa teraz napájajú do toho istého systému.
   
Jussi Jyrinsalo, starší viceprezident, Fingrid

Plánovanie o 25 rokov dopredu

Tento získaný čas je potrebný, pretože vývoj rozvodnej siete sa v priebehu rokov stal komplikovanejší. Vo Fínsku, rovnako ako kdekoľvek inde na svete, nárast decentralizovaného príkonu z obnoviteľných zdrojov energie sťažuje udržanie rovnováhy energetického systému. „Dokážeme to aj dnes, ale čo bude o päť alebo desať rokov, keď bude čoraz viac tradičných elektrární nahradených kolísajúcimi zdrojmi, ako je vietor a slnečné žiarenie?“ pýta sa J. Jyrinsalo. A už pozná odpoveď: „Musíme konať hneď a podľa toho rozvinúť sieť.“ Tu prichádza na rad model digitálnej siete. Ten je prepojený s údajmi správy technických prostriedkov, ako aj s meraniami v minulosti a v reálnom čase. V kombinácii s ekonomickými štúdiami, ktoré predpovedajú budúcu výrobu energie a hodinovú spotrebu, používa J. Jyrinsalo digitálne dvojča na vypracovanie niekoľkých investičných scenárov, pričom zohľadňuje rôzne legislatívne a politické rámce.

Takto sa začína plánovanie konkrétnej siete. „Napríklad všetky scenáre predpovedajú, že budeme potrebovať viac kapacity na prenosových linkách medzi severom a juhom, preto sme sa rozhodli investovať najskôr do tejto oblasti.“ Keď sa tieto trate vybudujú, osvetlia sa ďalšie trendy a otvorí sa cesta k ďalšej etape rozvoja siete. Fínsko sa javí ako pomerne malá krajina, ale elektrické vedenie tu dosahuje dĺžku až 14 600 kilometrov. V digitálnom dvojčati je zastúpených približne 50 000 stožiarov na prenosové vedenia a vodiče, ktoré predstavujú 2,5-násobok obvodu celej zeme. Energetická sieť krajiny je navyše súčasťou severskej a európskej prenosovej sústavy, vďaka ktorej je dovoz a vývoz energie súčasťou simulácie. „Dokážeme spočítať dôsledky až 25 rokov dopredu,“ dodáva J. Jyrinsalo. Správca modelov digitálnej siete je skutočným strojom času a katapultuje spoločnosť Fingrid do budúcnosti.

Rozhodnutia za miliardu eur

Tento stroj času vyvinutý spoločne spoločnosťami Fingrid a Siemens obsahuje manažéra sieťového modelu Siemens PSS®ODMS a riešenie na analýzu siete Siemens PSS®E. „Už sme mali zavedený digitálny systém PSS®E, ktorý mal u nás veľmi dobrú reputáciu,“ spomína J. Jyrinsalo. „No údaje boli stále v samostatných zásobníkoch, čo je jeden z dôvodov, prečo sme sa rozhodli vyvinúť nový systém.“ Michael Schneider, vedúci spoločnosti Siemens Power Technologies International (PTI), navrhol vytvorenie digitálneho dvojčaťa s názvom ELVIS (skratka pre spoločnosť Electric Verkko Information System) – ideálny príklad spolužitia, vďaka ktorému Siemens premenil víziu spoločnosti Fingrid na realitu. Od inštalácie digitálneho dvojča pred dvoma rokmi spoločnosť Fingrid koordinuje investície v hodnote približne 1 mld. eur, pričom ako základ používa tento „jediný zdroj pravdy“. „Náš dnešný model,“ hovorí J. Jyrinsalo, „je až stokrát podrobnejší ako ten starý, čo znamená, že rozhodnutia sú oveľa viac založené na faktoch ako predtým – už sa nemusíme v žiadnom prípade spoliehať na niečie pocity.“

Tajomstvo je v údajoch. Spoločnosť Fingrid sa rozhodla digitalizovať sieť už skôr. Inteligentná sieť je dnes predpokladom presnosti modelu digitálnej siete. Čoraz viac snímačov dodáva údaje o zariadeniach v reálnom čase a vytvára tak obrovský vstup množstva údajov dodávaný priamo do systému. Vizualizovaný výstup prezrádza zložitosť údajov: farebné mapy umožňujú ľahký prehľad a prispievajú k optimalizácii investícií do siete, z ktorých každá stojí desiatky miliónov eur. A štandardizované rozhrania ponúkajú v budúcnosti možnosť pridať ďalšie údaje, ako aj prípadné pripojenie k cloudovým systémom, ako je Siemens MindSphere.

Nákladovo efektívne a spoľahlivé

Kvalita údajov a celého systému sa denne testuje, pretože digitálne dvojča sa používa nielen na investičné plánovanie, ale aj na prevádzku a správu aktív. „Keď plánujeme rekonštrukciu trafostaníc,“ vysvetľuje J. Jyrinsalo, „v minulosti sa takéto rozhodnutia zakladali iba na veku trafostaníc. Dnes však máme oveľa viac informácií o skutočnom stave každej rozvodne, takže môžeme plánovať podľa skutočných potrieb.“ A je to nový spôsob plánovania, ktorý zaručuje nákladovú efektívnosť a vysokú spoľahlivosť siete, v súčasnosti na úrovni 99,9996 %.

Zatiaľ čo ELVIS zostáva inžinierskym modelom energetickej sústavy, J. Jyrinsalo už uvažuje o ďalšom kroku. Bol by rád, keby sa každú hodinu predpovedali hodnoty prenosu údajov do budúcnosti, ktoré v súčasnosti spracúva samostatný program simulácie trhu a ktoré sú tiež integrované a priamo zapojené do plánovacieho modelu s cieľom odhaliť potenciálne nedostatky v sieti. Fingrid tiež v súčasnosti buduje dátový uzol, ktorý bude zhromažďovať údaje z digitálnych inteligentných meračov v celom Fínsku. Len čo bude uzol v prevádzke, tieto údaje poskytnú dodatočnú hodnotu tým, že digitálne dvojičky budú ešte presnejšie. „Každému prevádzkovateľovi siete, ktorý váha so zavedením digitálneho dvojčaťa hovorím: nečakajte dlhšie. Najprv pozbierajte ovocie, ktoré dočiahnete, a potom pomaly rasťte. Teraz je správny čas začať – dokážete to.“

Dvojča najväčšej americkej prenosovej sústavy

American Electric Power (AEP) sleduje prenos energie pomocou digitálneho dvojčaťa, aby presne modelovala a predpovedala rastúce výkyvy elektrickej energie. Nepochybujte o tom, že budúcnosť je elektrická. A táto energetická spoločnosť to vidí dvakrát. AEP bude mať čoskoro digitálne dvojča najväčšej prenosovej sústavy v USA. Výhody? Centralizované údaje, vylepšená správa technických prostriedkov a zjednodušené plánovanie rozvodnej siete – plus schopnosť vidieť do budúcnosti potreby svojich zákazníkov.

Keďže plánovanie a prevádzka rozvodnej siete sa stali komplexnejšími, spoločnosť AEP Transmission určila, že tradičné manuálne postupy na zdieľanie údajov modelu medzi ich samostatnými systémami už nie sú optimálne. AEP vedela, že musí vylepšiť svoje digitálne povedomie a nástroje na výmenu údajov. Ich tri základné modely siete – úsilie o koordináciu spoľahlivosti, organizácia plánovania prenosu a prostredie ochrany a riadenia – sa historicky udržiavali v troch rôznych oblastiach podnikania a riadili sa osobitne, ale teraz je potrebné ich synchronizovať.

„Elektrická energia je budúcnosť a je veľmi dôležité, aby energetické spoločnosti mysleli dopredu, takže potom dokážeme integrovať obnoviteľné zdroje energie, ako napríklad vietor a slnečné žiarenie, do meniaceho sa energetického prostredia,“ hovorí Eric Hatter, manažér podnikových technológií a stratégií v AEP Transmission.

Ako môže energetická spoločnosť, ktorá má 5 miliónov zákazníkov, efektívnejšie integrovať všetky prichádzajúce údaje do jedného komplexného softvérového systému modelovania s cieľom zvýšiť spoľahlivosť, zefektívniť analýzu a vylepšiť sieť tak, aby lepšie zvládal rastúci príspevok do energetickej siete z obnoviteľných zdrojov? Spoločnosť AEP si vybrala spoločnosť Siemens, aby zvládla tento kritický prechod, a nainštalovala digitálne dvojča. Základom nového systému je špecializovaný softvér na modelovanie a analýzu systému prenosu elektrickej energie PSS®ODMS. Nový systém v súčasnosti prechádza testovaním a bude plne funkčný koncom roka 2019.

Vidieť v reálnom čase a do budúcnosti

Digitálne dvojčatá sú virtuálne počítačové modely toho, čo sa deje v každodennej realite. Využívajú ich nielen energetické spoločnosti, ale aj mnohé ďalšie odvetvia vrátane výrobcov automobilov a lietadiel a poskytovateľov zdravotnej starostlivosti na monitorovanie prevádzok v reálnom čase, zvyšovanie efektívnosti a simuláciu budúcnosti.

„Digitálne dvojča je v podstate presná digitálna reprezentácia fyzického systému,“ hovorí Mike Carlson, ktorý je vedúcim predstaviteľom spoločnosti Siemens pre obchodnú jednotku Digitalizácia elektrizačnej sústavy Severnej Ameriky. „Všetky komponenty, ktoré v nej existujú, sú reprezentované na úrovni prepojiteľných špecifických zariadení a umožňujú množstvo analytických a vizuálnych prehľadov o tom, čo systém robí, je schopný robiť a čo má robiť.“

Digitálne dvojčatá umožňujú energetickým spoločnostiam urobiť krok ďalej tým, že operátorom umožňujú okrem iného spustiť simuláciu hypotetických situácií, ako sú čiastočné zlyhania systému, predpokladaný rast zaťaženia, rozmach v používaní elektrických vozidiel alebo vplyv novej veternej farmy v susedstve, a potom pripraviť pohotovostné plány. V rámci AEP poskytne digitálne dvojča základ, ktorý umožní lepšiu koordináciu informácií o sieťovom modeli v niekoľkých obchodných funkčných doménach, zabezpečí centralizovanú správu týchto informácií a umožní prístup založený na štandardoch na zdieľanie údajov modelovania energetickej spoločnosti.

Model celej energetickej sústavy

Základom digitálneho dvojčaťa je PSS®ODMS, ktorý obsahuje intuitívnu a ľahko použiteľnú počítačovú grafiku. Požívateľské rozhranie pripravené na okamžité použitie dokáže poskytovať rôznorodé pohľady na elektrickú prenosovú sieť generovaním interaktívnych rozvodní, ako aj „pohľadov na svet“ siete. Komplexné tabuľkové zobrazenia a hierarchické zobrazenia údajov o zariadeniach pomáhajú používateľom rýchlo sa orientovať v sieti.

Hoci spoločnosť Siemens v minulosti nainštalovala digitálne dvojčatá pre prenosové siete iných energetických podnikov, projekt AEP je doteraz najväčší a najkomplexnejší, čiastočne preto, že dosah spoločnosti AEP je od Virginie po Texas. Digitálne dvojča nielenže zlepšuje predchádzajúcu stratégiu správy údajov, ale systém musí byť dostatočne flexibilný, aby sa prispôsobil jeho neustálemu vývoju tým, že umožní 40 plánovačom AEP v piatich štátoch prístup k modelu a podľa potreby aj vykoná zmeny.

Centralizované technológie na spracovanie údajov a monitorovanie

Spoločnosť AEP tiež chcela, aby systém pomáhal automaticky vykonávať funkcie, ktoré sa doteraz vykonávali manuálne, napríklad zabezpečenie súladu údajov s množstvom regulačných agentúr v jedenástich štátoch, v ktorých podniká. Systém zabezpečí spoľahlivosť a zníži výpadky v sieti pozostávajúcej z vodičov (káblov) vyrobených z rôznych fyzikálnych materiálov, inštalovaných v rôznych topografiách a podnebiach.

Jedným z najväčších úspechov spoločnosti Siemens bolo integrovanie troch rôznych technológií modelovania AEP pre plánovanie, prevádzku a ochranu pomocou nového softvéru, ktorý dokáže extrahovať údaje v spoločnom informačnom formáte (CIM) a potom ich importovať do novej platformy PSS®ODMS, ktorú operátori AEP označujú ako T-Nexus.

„Tieto tri základné modely siete sa historicky udržiavali v troch rôznych odvetviach podnikania a riadili sa osobitne, ale bolo potrebné ich centralizovať a synchronizovať,“ hovorí E. Hatter, pracovník AEP s tridsaťročnými pracovnými skúsenosťami v tejto spoločnosti.

Presné modelovanie budúcich energetických trendov

AEP sa tiež spolieha na digitálne dvojča pri modelovaní, čo pomáha predvídať a plánovať budúce potreby rozvodnej siete v čase, keď zmeny trendov v správaní spotrebiteľov a pridávanie rôznych zdrojov výroby energie vrátane obnoviteľných nedávajú spať manažérom energetických spoločností. Plánovači musia v nasledujúcich rokoch napríklad predvídať rastúci dopyt po elektrickej energii na nabíjanie elektrických vozidiel a súčasne zohľadňovať klesajúci trend spotreby elektrickej energie v domácnostiach v dôsledku energeticky účinnejších zariadení.

Systém umožňuje operátorom simulovať hypotetické prírastky výrobnej kapacity z obnoviteľných zdrojov vrátane rastúceho počtu majiteľov domov, ktorí vyrábajú svoju vlastnú energiu pomocou solárnych panelov alebo veterných elektrární a predávajú prebytočnú elektrickú energiu späť do siete.

„Za posledných niekoľko rokov sme videli veľa zdrojov na uhoľné palivo, ktoré boli zastarané, vyradené z prevádzky a nahradené obnoviteľnými zdrojmi,“ hovorí David Ball, prevádzkový riaditeľ AEP Transmission. To donútilo AEP vytvoriť presné modely, ktoré „nám spolu s ďalšími nástrojmi pomáhajú zvyšovať povedomie o dianí“.

Nasadením digitálneho dvojčaťa AEP Transmission očakáva:

  • výrazné zníženie nákladov a času spojených s manuálnou koordináciou modelu sústavy interne aj s externými subjektmi;
  • vytvorenie základu na správu infraštruktúry a údajov na podporu stratégie investovania do zlepšovania a rozširovania prenosovej sústavy AEP;
  • riešenie modelu, ktoré pomôže iniciovať implementáciu pokročilých technológií, ako sú prediktívne analýzy podnikových technických prostriedkov, synchrónne fázory atď.

Literatúra

[1] Engelhardt, M.: How do you know where to invest in your power grid? [online]. Pubikované 27. 7. 2018. Citované 6. 9. 2019. Dostupné na: https://new.siemens.com/global/en/company/stories/energy/digital-twin-power-grid.html.

[2] Kraul, Ch.: Doubling down on America’s largest transmission systems. Prípadová štúdia Siemens. [online]. Publikované 25. 4. 2019. Dostupné na: https://new.siemens.com/global/en/company/stories/energy/electrical-digital-twin-aep.html.