Introducción| ¿Qué es un gemelo digital? ¿Cómo funciona en HIL?
La transición a la energía renovable está en marcha, con los acontecimientos actuales conduciendo un impulso urgente lejos de una fuerte dependencia de las fuentes extranjeras de gas natural y petróleo. Los avances en las tecnologías de energía sostenible y los métodos de control de la red lo están haciendo posible; generar y compartir energía localmente es ahora más accesible que nunca. Sin embargo, la implementación de estos cambios es un desafío importante por sí solo. La infraestructura de red existente presenta una compleja combinación de equipos nuevos y antiguos, la mayoría de los cuales no están diseñados para los desafíos únicos de equilibrio y estabilidad de la red planteados por las fuentes de energía renovable y el almacenamiento de energía. Por esta razón, cualquier nuevo equipo de red o mecanismo de control debe ser probado cuidadosamente para evitar consecuencias inesperadas o desastrosas. ¡Si tan solo hubiera un entorno seguro donde se pudieran probar estas interacciones complejas, teniendo en cuenta las condiciones locales únicas de cada sitio!
Entra en el gemelo digital. Los gemelos digitales son modelos matemáticos de alta fidelidad de un dispositivo físico o un sistema. La palabra clave en esta definición es «alta fidelidad». Esto significa que, para las mismas condiciones o estímulos, un gemelo digital se comportará exactamente de la misma manera que el dispositivo físico o un sistema. Por ejemplo, un gemelo digital de una planta de energía solar producirá la misma cantidad de energía y proporcionará la misma calidad de energía (voltaje, frecuencia, armónicos, etc.) que la planta de energía física para condiciones idénticas: irradiación solar, temperatura exterior, tipo de paneles fotovoltaicos, condición de paneles fotovoltaicos (por ejemplo, recientemente limpiados o contaminados atmosféricamente), tipo de inversor(es) utilizado en la planta de energía solar, etc.
La metodología hardware-in-the loop (HIL) es la forma más poderosa de utilizar el gemelo digital, actuando como una interfaz entre el gemelo digital y un dispositivo físico o un sistema. Más específicamente, las pruebas HIL permiten que un dispositivo bajo prueba (DUT) «crea» que está operando en el sistema real mientras que en realidad está operando en un gemelo digital. Esto es posible gracias a la alta fidelidad del gemelo digital, que proporciona al DUT los mismos tipos de señales a la misma velocidad y los mismos niveles de potencia que en una instalación real. En el contexto de los gemelos digitales de microrredes o sistemas de energía comunitarios (CES), el DUT es típicamente un sistema SCADA, un sistema de gestión de edificios (BES) o un agregador de nube, controlando y operando la red digital como si fuera la red real. Esto puede ser útil en una amplia gama de casos, como al probar nuevas estrategias operativas, capacitar a nuevos operadores de red, solucionar errores de equipos, evaluar nuevas funcionalidades o implicaciones técnicas de introducir nuevos modelos de negocio y nuevos dispositivos.
Tipos de gemelos digitales| ¿Qué permite un gemelo digital para aplicaciones de batería?
Los gemelos digitales se clasifican de varias maneras diferentes, pero una de las más simples es centrarse en las fases del ciclo de vida del producto que admiten. En este contexto, los gemelos digitales generalmente se construyen para una de dos fases: gemelos digitales en fase de desarrollo y gemelos digitales en fase operativa.
Los gemelos digitales de fase de desarrollo (también conocidos como gemelos digitales de producto o producción) están diseñados para apoyar los procesos de construcción, renovación e implementación de nuevos productos y servicios. Estos implican la fabricación de un prototipo de gemelo digital del sistema planificado antes de la construcción. Por ejemplo, si desea instalar un nuevo sistema de baterías de almacenamiento en red en un sitio existente, un gemelo digital en fase de desarrollo le permitiría centralizar los datos en el sitio, ver dónde y cómo se podrían implementar los cambios necesarios en la red eléctrica. Luego, con HIL, podría explorar cómo funcionaría el sistema planificado en el sitio de destino, ayudándole a dimensionar mejor el sistema final, identificar posibles problemas de control y probar la comunicación con los trabajos del sistema, todo antes de comenzar a construir un prototipo real.
Fase operativa, o rendimiento, los gemelos digitales están diseñados para soportar las fases operativas y de mantenimiento de una instalación. Estos a menudo funcionan recopilando datos en vivo e históricos de un sitio real, alimentándolos en una base de datos, mostrando los datos de dispositivos individuales (instancias de gemelos digitales) o el rendimiento de todos los dispositivos juntos (agregados de gemelos digitales) para que puedan ser interpretados fácilmente por los administradores del sitio, como a través de un sistema de gestión de información de edificios (BIM). Un gemelo digital de fase operativa que funciona con pruebas HIL permite un entorno sandbox de alta fidelidad para probar nuevas estrategias de control o para capacitar a nuevos operadores de microrredes, sin poner en riesgo el sistema real. Además, los gemelos digitales operativos permiten realizar pruebas de escenarios, lo que permite el mantenimiento predictivo basado en datos y / o las pruebas de robustez de ciberseguridad para evitar fallas del sistema antes de que ocurran, así como facilitar el análisis post mortem de las fallas del sistema y sus posibles soluciones y volver a poner el sistema de red en línea más rápido.
Gemelos digitales basados en HIL¿Qué necesitas para hacer un gemelo digital?
Cada gemelo digital es un modelo, pero no todos los modelos son gemelos digitales La diferencia entre un modelo y un gemelo digital está en la fidelidad y precisión de la emulación del dispositivo físico o un sistema, que, en el caso de los gemelos digitales, son indistinguibles del físico. Para que esto sea posible y crear un modelo que pueda llamarse legítimamente «gemelo digital» es necesario, en primer lugar, obtener los inputs relevantes para el modelado y, en segundo lugar, disponer de datos relevantes para su validación.
El primer requisito para crear un gemelo digital son las entradas de modelado adecuadas. En otras palabras, el ingeniero de modelado que crea un gemelo digital necesita saber exactamente qué dispositivos deben incluirse en el gemelo, así como sus especificaciones y características operativas. El nivel de detalles y las entradas de datos requeridas dependen del propósito que servirá el gemelo digital. Por ejemplo, al realizar estudios de dimensionamiento para nuevos activos en microrredes, como elegir el tamaño óptimo de un sistema de almacenamiento de baterías, las entradas de modelado relevantes incluyen los datos de la placa de identificación de los activos existentes, como los tipos de paneles solares, la clasificación de potencia y la eficiencia de los inversores solares, y otros datos relevantes que generalmente están disponibles en la tabla de especificaciones al final del manual del usuario del activo modelado. Sin embargo, para los casos de uso de integración y pre-puesta en marcha, es necesario tener también información sobre la capa de comunicación, como los mapas de registro MODBUS del inversor, los registros personalizados sunSpec y las funcionalidades de un sistema de almacenamiento de baterías o, por ejemplo, la versión OCPP del cargador EV. r. Al crear un modelo con las mismas capacidades de comunicación que el sistema físico, el ingeniero de modelado puede crear un verdadero gemelo digital que, desde el punto de vista de un dispositivo bajo prueba, por ejemplo, SCADA o un sistema de gestión de edificios, se comporta exactamente como el sistema real, incluida la capacidad de leer y escribir los mismos datos utilizando la misma configuración de comunicación. Para hacer este modelo, el ingeniero de modelado crea un documento de especificación de datos basado en el propósito acordado del gemelo digital que las partes interesadas relevantes deben completar con datos de placa de identificación, especificaciones técnicas y, posiblemente, registros de comunicación para los activos modelados. Con los datos de entrada adecuados, se garantiza que el modelo replicará con precisión el dispositivo físico o el sistema.
Por supuesto, cualquier ingeniero de modelado conoce el significado de la frase «basura en; basura fuera». Lo que transforma este modelo preciso en un gemelo digital es la validación del modelo, que garantiza que las entradas de modelado relevantes también produzcan salidas de modelo relevantes y precisas. En el contexto del hermanamiento digital, la validación es el proceso de ajustar el modelo para que su comportamiento coincida plenamente con el comportamiento del dispositivo físico o sistema que se pretende representar, en resumen, asegurando que el modelo sea realmente útil para las condiciones y entradas en cuestión. El principal requisito para la validación es un conjunto de datos de mediciones relevantes: históricas o, preferiblemente, tanto históricas como en tiempo real. Al tener mediciones históricas relevantes, los ingenieros de modelado pueden modificar y parametrizar cuidadosamente el modelo hasta que su comportamiento sea idéntico al dispositivo físico (o un sistema) para las mismas entradas y en las mismas condiciones. El tipo de datos requeridos para la validación y su granularidad depende del propósito del gemelo digital. Para los análisis de flujo de potencia y los estudios de dimensionamiento de activos, los datos de intervalos de 15 minutos suelen ser suficientes (por ejemplo, para plantas fotovoltaicas: irradiación solar, potencia de salida, etc.). Por otro lado, para la emulación de escenarios de tiempo crítico, por ejemplo, la prestación de servicios auxiliares (como la restauración de frecuencias, el soporte de calidad de la energía, etc.), es necesario tener mediciones de segundo o incluso subsegundos, así como datos adicionales del activo en cuestión (por ejemplo, estado de carga, modo operativo actual de la batería, etc.). Si el propósito del gemelo digital es acelerar la integración, la capa de comunicación del gemelo digital también debe validarse, por lo que los ingenieros de modelado aseguran el escalado correcto y el tipo de mediciones realizadas a través de MODBUS, CAN, IEC61850 u otros protocolos de comunicación.
En resumen, una vez que crea un modelo basado en entradas relevantes y lo valida sobre la base de mediciones históricas o en tiempo real relevantes, ha creado un gemelo digital para ese propósito: un modelo cuyo comportamiento coincide con el comportamiento de su dispositivo físico o un sistema.
H2020 HYBRIS | ¿Cómo pueden los gemelos digitales demostrar el valor de los nuevos sistemas de baterías?
Para que los gemelos digitales se utilicen ampliamente, es importante que el marco de modelado se pueda demostrar de una manera repetible y escalable. En el proyecto HYBRIS, una batería Toshiba Litio-Ion optimizada para servicios de energía y una batería Kemiwattredox-flow optimizada para servicios energéticos se integran en un novedoso sistema de batería híbridadiseñado para funcionar en un solo contenedor de envío, que se mueve de socio a socio durante el proyecto. Para respaldar esto, se desarrolla y valida un gemelo digital basado en HIL del sistema de batería híbrida contra pruebas reales para respaldar las pruebas de puesta en marcha y control del prototipo de batería real. El modelo está diseñado con parámetros flexibles, de modo que se pueden considerar diferentes tamaños de los sistemas de baterías a lo largo del proyecto.
Una vez validado, este gemelo digital del sistema de baterías se integrará en un gemelo digital de un sistema de red italiano gestionado por Solidaridad y Energía. Esto esencialmente crea un «sitio de demostración virtual», donde el sistema SCADA en el sitio o un controlador basado en la nube pueden actuar como el dispositivo de control bajo prueba. Por supuesto, esto requiere que el modelo del sitio esté validado adecuadamente, lo que se hará en dos etapas: primero, utilizando los datos históricos y reales del sitio para garantizar que las entradas de control en el sitio coincidan con el comportamiento simulado en el gemelo, y segundo, replicando las pruebas realizadas en el sitio real con el prototipo de batería real contra las del entorno del gemelo digital completamente virtual. Una vez que se confirman ambas pruebas de validación, las pruebas en el «sitio de demostración virtual» se pueden realizar antes de las pruebas reales, lo que le permite actuar como un gemelo digital operativo del sitio.
Por último, este enfoque se extiende para un sitio de demostración residencial en los Países Bajos administrado pori.LECO. Aquí, no se implementará ningún sistema de batería real o controles locales; en su lugar, se creará y validará un «sitio de demostración virtual» sin el activo de batería al igual que para el sitio italiano. Con el gemelo digital de red validado, el modelo de batería HYBRIS también se puede agregar virtualmente, lo que permite a los usuarios potenciales comparar los beneficios del sistema HESS, e incluso el rendimiento de sistemas de baterías de diferentes tamaños, utilizando las condiciones reales del sitio en sí. Este marco tiene el potencial de ser una poderosa herramienta de ventas, haciendo que la adopción de sistemas de baterías novedosos y personalizados sea mucho más factible y dando confianza a aquellos que buscan integrar estas nuevas tecnologías de que funcionarán según lo previsto.
Escrito por Sergio Costa y Aleksandar Kavgic de Typhoon HIL.
