Introducció Què és un bessó digital? Com funciona en HIL?
La transició energètica renovable està en marxa, amb esdeveniments actuals que allunyen urgentment una forta dependència de les fonts estrangeres de gas natural i petroli. Els avenços en tecnologies d’energia sostenible i mètodes de control de la xarxa ho estan fent possible; generar i compartir energia localment és ara més accessible que mai No obstant això, implementar realment aquests canvis és un repte important per si sol. La infraestructura de xarxa existent presenta una complexa barreja d’equips nous i antics, la majoria dels quals no estan dissenyats per als reptes únics d’equilibri i estabilitat de la xarxa que plantegen les fonts d’energia renovables distribuïdes i l’emmagatzematge d’energia. Per aquest motiu, qualsevol nou equip de xarxa o mecanisme de control ha de ser provat acuradament per evitar conseqüències inesperades o desastroses. Si només hi hagués un entorn segur on es poguessin provar aquestes complexes interaccions, tenint en compte les condicions locals úniques de cada lloc!
Introduïu el bessó digital. Els bessons digitals són models matemàtics d’alta fidelitat d’un dispositiu físic o d’un sistema. La paraula clau en aquesta definició és “alta fidelitat”. Això vol dir que, per a les mateixes condicions o estímuls, un bessó digital es comportarà precisament de la mateixa manera que el dispositiu físic o un sistema. Per exemple, un bessó digital d’una central solar produirà la mateixa quantitat d’energia i proporcionarà la mateixa qualitat d’energia (voltatge, freqüència, harmònics, etc.) que la central física per a condicions idèntiques: irradiació solar, temperatura exterior, tipus dels panells fotovoltaics, estat dels panells fotovoltaics (per exemple, recentment netejats o contaminats atmosfèricament), tipus dels inversors utilitzats a la central solar, etc.
La metodologia Hardware-in-the Loop (HIL) és la manera més potent d’utilitzar el bessó digital, actuant com una interfície entre el bessó digital i un dispositiu físic o un sistema. Més específicament, les proves HIL permeten a un dispositiu en prova (DUT) “creure” que funciona al sistema real mentre funciona en un bessó digital. Això és possible gràcies a l’alta fidelitat del bessó digital, que proporciona al DUT els mateixos tipus de senyals a la mateixa velocitat i els mateixos nivells de potència que en una instal·lació real. En el context dels bessons digitals de microxarxes o sistemes d’energia comunitària (CES), el DUT sol ser un sistema SCADA, un sistema de gestió d’edificis (BES) o un agregador de núvols, controlant i operant la xarxa digital com si es tractés de la xarxa real. Això pot ser útil en una àmplia gamma de casos, com ara quan es proven noves estratègies operatives, es formen nous operadors de xarxa, es resolen errors d’equips, s’avaluen noves funcionalitats o implicacions tècniques d’introduir nous models de negoci i nous dispositius.
Tipus de Bessons Digitals Què habilita un bessó digital per a aplicacions de bateria?
Els bessons digitals es classifiquen de diverses maneres diferents, però una de les més senzilles és centrar-se en les fases del cicle de vida del producte que admeten. En aquest context, els bessons digitals solen estar construïts per a una de les dues fases: bessons digitals en fase de desenvolupament i bessons digitals en fase operativa.
Els bessons digitals en fase de desenvolupament (també coneguts com a bessons digitals de producte o producció) estan dissenyats per donar suport als processos de construcció, renovació i implementació de nous productes i serveis. Es tracta de fer un prototip de bessó digital del sistema previst abans de la construcció. Per exemple, si volguéssiu instal·lar un nou sistema de bateries d’emmagatzematge de xarxa en un lloc existent, un bessó digital en fase de desenvolupament us permetria centralitzar les dades al lloc, veure on i com es podrien implementar els canvis necessaris a la xarxa elèctrica i veure on. A continuació, amb HIL, podríeu explorar com funcionaria el sistema planificat al lloc de destinació, ajudant-vos a dimensionar millor el sistema final, identificar possibles problemes de control i provar la comunicació amb el sistema funciona, tot abans de començar a construir un prototip real.
Fase operativa, o rendiment, els bessons digitals estan dissenyats per donar suport a les fases d’operació i manteniment d’una instal·lació. Sovint funcionen recopilant dades en directe i històriques d’un lloc real, alimentant-les en una base de dades, mostrant les dades de dispositius individuals (instàncies bessones digitals) o el rendiment de tots els dispositius junts (agregats de bessons digitals) perquè puguin ser interpretats fàcilment pels gestors d’obra, com ara a través d’un sistema de gestió d’informació de construcció (BIM). Un bessó digital de fase operativa que funciona amb proves HIL permet un entorn sandbox d’alta fidelitat per provar noves estratègies de control o per entrenar nous operadors de microxarxes, sense posar en risc el sistema real. A més, els bessons digitals operatius permeten fer proves d’escenaris, permetent el manteniment predictiu basat en dades i / o proves de robustesa de ciberseguretat per evitar fallades del sistema abans que es produeixin, així com facilitar l’anàlisi post mortem de fallades del sistema i les seves possibles solucions i fer que el sistema de xarxa torni a estar en línia més ràpidament.
Bessons digitals basats en HILQuè necessites per fer un bessó digital?
Cada bessó digital és un model, però no tots els models són bessons digitals. La diferència entre un model i un bessó digital està en la fidelitat i precisió de l’emulació del dispositiu físic o d’un sistema, que, en el cas dels bessons digitals, són indistingibles del físic. Per fer-ho possible i crear un model que es pugui anomenar amb raó “bessó digital” és necessari, en primer lloc, obtenir les aportacions pertinents per modelar i, en segon lloc, disposar de dades rellevants per a la seva validació.
El primer requisit per crear un bessó digital són les entrades de modelatge adequades. En altres paraules, l’enginyer de modelització que crea un bessó digital ha de saber exactament quins dispositius s’han d’incloure al bessó, així com les seves especificacions i característiques operatives. El nivell de detalls i entrades de dades requerides depenen de la finalitat que servirà el bessó digital. Per exemple, quan es realitzen estudis de dimensionament de nous actius en microxarxes, com ara triar la mida òptima d’un sistema d’emmagatzematge de bateries, les entrades de modelització pertinents inclouen les dades de la placa identificativa dels actius existents, com ara els tipus de panells solars, la potència i l’eficiència dels inversors solars i altres dades rellevants que normalment estan disponibles a la taula d’especificacions al final del manual d’usuari de l’actiu modelat. No obstant això, per a casos d’ús d’integració i pre-posada en marxa, és necessari disposar també d’informació sobre la capa de comunicació, com els mapes de registre MODBUS de l’inversor, registres i funcionalitats personalitzades de SunSpec d’un sistema d’emmagatzematge de bateries, o, per exemple, la versió OCPP del carregador EV. En crear un model amb les mateixes capacitats de comunicació que el sistema físic, l’enginyer de modelatge pot crear un veritable bessó digital que, des del punt de vista d’un dispositiu en prova, per exemple, SCADA o un sistema de gestió d’edificis, es comporti precisament com el sistema real, inclosa la capacitat de llegir i escriure les mateixes dades mitjançant la mateixa configuració de comunicació. Per fer aquest model, l’enginyer modelista crea un document d’especificació de dades basat en el propòsit acordat del bessó digital que els interessats pertinents han d’emplenar amb dades de placa identificativa, especificació tècnica i, possiblement, registres de comunicació dels actius modelats. Amb les dades d’entrada adequades, es garanteix que el model replica amb precisió el dispositiu físic o el sistema.
Per descomptat, qualsevol enginyer de modelització coneix la importància de la frase “escombraries a; escombraries fora”. El que transforma aquest model precís en un bessó digital és la validació del model, que garanteix que les entrades de modelatge rellevants també produeixin sortides de model rellevants i precises. En el context de l’agermanament digital, la validació és el procés d’afinació del model de manera que el seu comportament coincideixi plenament amb el comportament del dispositiu físic o sistema que es pretén representar, en definitiva, assegurant que el model sigui realment útil per a les condicions i entrades en qüestió. El principal requisit per a la validació és un conjunt de dades de mesures rellevants: històriques, o, preferiblement, tant històriques com en temps real. En disposar de mesures històriques rellevants, els enginyers de modelatge poden modificar i parametritzar acuradament el model fins que el seu comportament sigui idèntic al dispositiu físic (o a un sistema) per a les mateixes entrades i en les mateixes condicions. El tipus de dades necessàries per a la validació i la seva granularitat depèn de la finalitat del bessó digital. Per a anàlisis de flux de potència i estudis de dimensionament d’actius, les dades d’interval de 15 minuts solen ser suficients (per exemple, per a plantes fotovoltaiques: irradiació solar, sortida d’energia, etc.). D’altra banda, per a l’emulació d’escenaris crítics en el temps, per exemple, la provisió de serveis auxiliars (com ara restauració de freqüències, suport de qualitat de potència, etc.), és necessari disposar de mesures de segon o fins i tot subsegüents, així com dades addicionals dels actius en qüestió (per exemple, estat de càrrega, mode operatiu actual de la bateria, etc.). Si l’objectiu del bessó digital és accelerar la integració, també s’ha de validar la capa de comunicació del bessó digital, de manera que els enginyers de modelatge asseguren l’escalat correcte i el tipus de mesures realitzades mitjançant MODBUS, CAN, IEC61850 o altres protocols de comunicació.
En definitiva, un cop creeu un model basat en entrades rellevants i valideu sobre la base de mesures històriques o en temps real rellevants, heu creat un bessó digital amb aquesta finalitat: un model el comportament del qual coincideixi amb el comportament del vostre dispositiu físic o d’un sistema.
H2020 HYBRIS Com poden els bessons digitals demostrar el valor dels nous sistemes de bateries?
Si s’han d’utilitzar àmpliament els bessons digitals, és important que el marc de modelatge es pugui demostrar de manera repetible i escalable. En el projecte HYBRIS, una bateria Toshiba Lithium-Ion optimitzada per a serveis d’alimentació i una bateria de flux redox Kemiwattoptimitzada per a serveis energètics s’integren en un nou sistema de bateries híbrides dissenyat per treballar en un sol contenidor d’enviament, que es trasllada de soci a soci durant el projecte. Per donar suport a això, es desenvolupa i valida un bessó digital basat en HIL del sistema de bateries híbrides contra proves reals per donar suport a la posada en marxa i les proves de control del prototip de bateria real. El model està dissenyat amb paràmetres flexibles, de manera que es poden considerar diferents mides dels sistemes de bateries al llarg del projecte.
Un cop validat, aquest bessó digital del sistema de bateries s’integrarà en un bessó digital d’un sistema de xarxa italià gestionat per Solidarity and Energy. Això crea essencialment un “lloc de demostració virtual”, on el sistema SCADA del lloc o un controlador basat en núvol poden actuar com a dispositiu de control en prova. Per descomptat, això requereix que el model de lloc estigui degudament validat, cosa que es farà en dues etapes: en primer lloc, mitjançant l’ús de les dades històriques i reals del lloc per garantir que les entrades de control al lloc coincideixin amb el comportament simulat del bessó, i segon, replicant les proves realitzades al lloc real amb el prototip de bateria real contra les de l’entorn de bessons digitals totalment virtuals. Un cop confirmades les dues proves de validació, es poden realitzar proves al “lloc de demostració virtual” abans de proves reals, cosa que li permet actuar com a bessó digital operatiu del lloc.
Finalment, aquest enfocament s’amplia per a un lloc de demostració residencial als Països Baixos gestionat peri.LECO. Aquí no s’implementarà cap sistema de bateries real ni controls locals; en canvi, es crearà i validarà un “lloc de demostració virtual” sense l’actiu de la bateria igual que per al lloc italià. Amb el bessó digital grid validat, el model de bateria HYBRIS també es pot afegir virtualment, permetent als usuaris potencials comparar els avantatges del sistema HESS, i fins i tot el rendiment de sistemes de bateries de diferents mides, utilitzant les condicions reals del propi lloc. Aquest marc té el potencial de ser una potent eina de venda, fent molt més factible l’adopció de sistemes de bateries nous i personalitzats i donant confiança a aquells que busquen integrar aquestes noves tecnologies que funcionaran com es pretén.
Escrit per Sergio Costa i Aleksandar Kavgic de Typhoon HIL.
