Наименование международного проекта ФЦП-БРИКС: Моделирование и методы управления киберфизическими системами в мультиэнергетических микросетях.

Номер соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ от  14 октября 2022 г. № 075-15-2022-1215.

Организации исполнители проекта:

1.     ИСЭМ СО РАН, Иркутск

2.     Центральный Южный университет, Китай

3.     Индийский технологический университет г. Рурки, Индия

Руководитель международного консорциума: профессор РАН, д.ф.-м.н. Сидоров Д.Н.

Руководитель китайского коллектива: профессор Fang Liu

Руководитель индийского коллектива: профессор Mukesh Kumar Pathak

Аннотация проекта:

Концепция интеллектуальных мультиэнергетических микросетей (МЭМС) основана на теории и принципах функционирования кибер-физических систем с использованием эффективных математических моделей, телекоммуникационных технологий и информационного управления, позволяющих эффективно генерировать, хранить, распределять и доставлять потребителю энергию из источников как традиционной, так и возобновляемой генерации. Данный проект направлен на систематизацию и получение новых научных знаний в области численного моделирования и управления киберфизическими системами в мульти-энергетических микросетях, в том числе на основе малых энергоблоков на основе термохимического преобразования низкоэнергетического сырья, возобновляемых источников энергии на базе ветрогенераторов и солнечных панелей. Интегральные динамические модели и эффективные прогнозные модели и методы, основанные на рекурсивных сетях глубокого обучения позволят реализовать концепцию цифрового двойника для управления многоэлементным гибридной установкой с накопителями энергии на основе аккумуляторов и суперконденсаторов. Благодаря информационной взаимосвязи оборудования «источник-аккумулятор-нагрузка» на уровне микросети через проводные/беспроводные сети связи, мультиэнергетическая микросеть постепенно трасформируется в сильно связанную кибер-физическую систему к которой традиционные методы работы и управления сложно применить. Российская команда (координатор проекта) сосредоточится на проведении теоретических исследований и разработке новых математических моделей. Команда из Индии внесет свой вклад благодаря обширным знаниям в области моделирования преобразователей и команда разработчиков из Китая внесет свой вклад в автоматизацию, включая исследования ситуационной осведомленности в информационно-телекоммуникационных сетях энергетических объектов.

В рамках сотрудничества исследователей Китая, России и Индии в области мультиэнергетических микросетей, в проекте реализуется четыре аспекта: механизм сопряженного взаимодействия потока информации и энергии, математическое моделирование, ситуационная осведомленность и совместное управление в мультиэнергетической микросети. Будут решены следующие задачи: динамическое моделирование киберфизической системы мультиэнергетической микросети, ситуационная осведомленность об управляемых данными (временными рядами) мультиэнергетическими микросетями, а также распределенное совместное управление гибкими управляемыми ресурсами мультиэнергетической микросети.

Благодаря исследованиям проекта будут разработаны такие оригинальные инновации, как механизм и архитектура взаимодействия информационно/энергетических потоков, методы ситуационной осведомленности, совместное управление распределенным накопителем энергии и гибкая регулировка частоты-напряжения. Это повысит уровень ситуационной осведомленности, уровень эффективности мультиэнергетического взаимодействия и обеспечит динамическую устойчивость мультиэнергетической микросети. Проект позволит реализовать самобаланс и безопасную работу мультиэнергетической микросети, а также улучшит экономические преимущества киберфизической системы в многоэнергетических микросетях и повысит эффективность энергопотребления.

Результаты за 2022 год - первый этап проекта

В ходе 2022 года выполнен первый этап работ по теме «Моделирование и методы управления киберфизическими системами в мультиэнергетических микросетях». Получены следующие результаты:

1.         Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов по теме проекта, который показал, что общие процессы децентрализации, декарбонизации и цифровизации, а также формирование новых энергетических практик, внедрение новых технологий, проникновение ВИЭ и силовой электроники стимулируют всё большее развитие микросетей и их трансформацию в МЭМС как автономных и самостоятельных энергетических структур. При этом стохастический характер генерации ВИЭ, которая активно используется в МЭМС, отрицательно влияет на их устойчивую работу и усложняет прогнозирование и оптимизацию их режимов.

2.         Осуществлено патентное исследование по теме проекта. Проверка патентов показала, что на интересующей территории патентов с широкой правовой охраной, отсутствуют патенты, препятствующие свободному проведению разработок в рассматриваемой области.

3.         Дано обоснование выбранного направления исследований. Показано, что управление МЭМС является сложной и актуальной задачей, при решении которой необходимо учитывать не только энергетические, но и информационные ресурсы. Проведенный анализ результатов исследований, представленных в научных публикациях, показал, что готового решения, полностью удовлетворяющего решению этой задачи, на настоящий момент не разработано. Эту задачу можно сформулировать в виде задачи оптимального управления. В качестве исходных данных для оптимизации используется прогноз изменения параметров режима на заданное время. Распределенная оптимизация позволяет эффективно решать задачу оптимального управления в случае, когда создание единого управляющего центра, централизованный сбор данных и формирование единой модели МЭМС не является рациональным. При этом существующие методы распределенного оптимального управления требуют развития. Перспективным подходом к управлению МЭМС является мультиагентный подход. Мультиагентные технологии представляются эффективным подходом не только для распределённого управления режимами МЭМС, но и для построения её надёжной информационной сети на уровне систем среднего и низкого напряжений.

4.         Осуществлено моделирование связей между потоком энергии и информационным потоком мультиэнергетической сети. Приведено описание предлагаемого решения мультиагентного управления МЭМС. Разрабатываемая модель управления МЭМС реализует динамическую систему мультиагентного управления на базе универсальных узловых контроллеров. Каждый из узловых контроллеров реализует универсальный адаптирующийся алгоритм, совместная работа которых реализует оптимальное управление всей МЭМС. При этом предполагается динамическая коммуникационная и энергетическая структура МЭМС, учитывающая информационные потоки при мультиагентном управлении.

5.         Описаны и разработаны методы и модели многокритериальной оптимизации структуры мультиэнергетических микросетей по критериям экономической эффективности и минимизации воздействия на окружающую среду. Для двухуровневой оптимизации используются многокритериальные целевые функции, формируемые в соответствии с многокритериальной теорией ценности. Их использование позволяет математически обоснованно сформировать и использовать модель предпочтений ЛПР при двухуровневой оптимизации. Разработанная двухуровневая иерархия целей и критериев позволяет проводить оптимизацию в рамках единой многокритериальной модели. При этом обеспечивается минимизация запросов информации от ЛПР. Используемый комплексный метод позволяет регулировать затраты вычислительных ресурсов путем изменения периода моделирования на втором уровне оптимизации. Этот период может охватывать от нескольких лет до суточных или сезонных срезов характерных периодов.

6.         Разработан и смонтирован экспериментальный образец гибридной энергоустановки. Проведены ее тестовые испытания. Тестовые испытания показали работоспособность гибридной энергоустановки как в нормальных, так и в аварийных режимах работы.

В части работ иностранных партнеров также все запланированные ими работы на 2022 выполнены в полном объеме.

В рамках проекта исследовались вопросы моделирования связей между энергетическими и информационными потоками при оптимальном управлении мультиэнергетической микросетью. Важно отметить, что с повышением интеллектуальности автоматического управления микросетями все более актуальными становятся вопросы кибернетической безопасности. Наши коллеги из Индийского технологического университета в Рурки в рамках совместной работы над проектом выполнили исследование влияния отказов в кибернетической системе управления микросетью на надежность энергоснабжения. Предложена модель чувствительности киберфизической мультиэнергетической сети с помощью которой можно в реальном времени оценить изменение показателей надежности такой сети. При этом учитываются, как вероятные физические воздействия на первичную сеть, так и кибернетические атаки, например, такие как внедрение ложных данных. Партнеры из Центрального Южного университета (CSU, г. Чанша) Китая предложили метод адаптивной оценки устойчивости киберфизической системы к возмущениям мультиэнергетической сети. На следующих этапах проекта планируется использование разработок иностранных партнеров в решениях по мультиагентному управлению микросетью, предлагаемых ИСЭМ СО РАН.

Другим актуальным направлением исследований, проведенным, индийскими коллегами из Индийского технологического университета в Рурки является вопрос обеспечения устойчивости работы микросети. В рамках данного направления исследовались модели первичного и вторичного регулирования. Проведенное исследование подтвердило актуальность развития методов анализа устойчивости первичного и вторичного регулирования с использованием новейших математических методов нелинейного анализа, оптимального управления и методов машинного обучения. Модели, применяемые для анализа устойчивости микросети будут применяться для определения запасов устойчивости, которые в свою очередь будут использоваться при оптимальном управлении в виде ограничений.

Модели оптимального управления микросетью основываются на результатах оценивания состояния и прогнозирования. Партнеры из Центрального Южного университета Китая предложили в рамках совместной работы над проектом использование понятия ситуационная осведомленность, что дает новый взгляд на проблемы достоверизации исходных данных, оценивания состояния и анализа качества прогнозирования режимов работы мультиэнергетической микросети. Китайскими партнерами реализована платформы валидации киберфизической системы которая может применяться ИСЭМ СО РАН для тестирования разрабатываемых решений оптимального управления микросетью на предмет сохранения динамической устойчивости сети в процессе управления.

В рамках работ по проекту проводился взаимный обмен информацией о структуре мультиэнергетической микросети, учитываемых параметрах основных элементов, модели киберфизической системы мультиэнергетической микросети.

Обсуждение и дальнейшая реализация совместных теоретических идей и технологических решений позволяет оперативно решать трудности, возникающие при реализации проекта.

Налажено сотрудничество как между научными сотрудниками, так и между студентами и аспирантами организаций- партнеров.

Создана интернет страница на официальном сайте ИСЭМ СО РАН, на которой можно ознакомится с ходом выполнения проекта (https://isem.irk.ru/solutions/).

Международная кооперация несет существенные преимущества для научного и технологического развития мультиэнергетических микросетей, исследуемых в рамках данного проекта.

В состав ЭО ГЭУ входят несколько источников, работающих на возобновляемых ресурсах – фотоэлектрические панели (ФЭП, солнечная энергия) и газогенераторная электростанция (ГГ-ДВС, биомасса). Предусмотрено также аккумулирование энергии. Энергоустановка также может быть подключена в сеть и работать от бензинового электрогенератора (БЭГ). В энергоустановке используется инвертор, а также система сбора и анализа данных (ССАД). В дальнейшем для управления данной гибридной энергоустановкой будет разработан модуль управления распределенной мультиагентной микросетью, для обеспечения максимальной экономической эффективности и надежности работы микросети. Общая мощность ЭО ГЭУ составляет около 1 кВт. Данной мощности достаточно для разработки эффективных решений управления и моделирования киберфизическими системами и дальнейшего масштабирования гибридной энергосистемы. К ЭО ГЭУ подключено несколько потребителей: один потребитель с постоянной нагрузкой около 400 Вт, а другой с переменной нагрузкой мощность также около 400 Вт.

Результаты за 2023 год - второй этап проекта

В ходе 2023 года выполнен второй этап работ по теме «Моделирование и методы управления киберфизическими системами в мультиэнергетических микросетях». В отчетном периоде получены следующие результаты:

1.         Разработан эффективный метод моделирования киберфизической системы мультиэнергетической сети, который учитывает активные элементы в МЭМС участвующие в формировании решения с учетом собственных целей в процессе организации эффективного энергоснабжения. Метод позволяет проводить декомпозицию общей сложной задачи управления на несколько более простых с организацией информационной связи между элементами.

2.         Разработана теория математического моделирования связей между потоком энергии и информационным потоком мультиэнергетической микросети, которая сводится к теории оптимального управления, поскольку ограничения по надежности и устойчивости учитываются в качестве ограничений на параметры стационарных режимов при оптимизации.

3.         Разработана математическая модель генератора распределенной энергии;

4.         Разработан метод оценки состояния заряда аккумуляторов энергии в мультиэнергетической микросети с управлением временными рядами мультиэнергетической микросети.

5.         Разработаны новые методы прогнозирования, основанные на использовании ансамблевого метода и методов глубокого машинного обучения на базе алгоритмов рекуррентных нейронных сетей. Данные методы были использованы для прогнозирования выработки мощности ветроэнергетических установок, работающих в составе ветропарка реальной подстанции «Йени Яшма» (Азербайджан), показано хорошее совпадение прогнозных результатов с фактически измеренными данными.

6.         Разработаны методы и модели многокритериальной оптимизации структуры мультиэнергетических микросетей по критериям надежности и качества производимой электроэнергии. Разработан модифицированный метод MAVT, который позволяет ранжировать варианты структуры мультиэнергетической микросети в условиях неопределенности с использованием количественных показателей. Качество получаемых решений при использовании предлагаемого подхода выше в сравнении с традиционным однокритериальным подходом, так как при однокритериальном подходе обеспечивается учет только одного критерия, а оценки по остальным критериям могут быть неудовлетворительными. Сравнительный анализ показал, что изменение шкалирующий коэффициентов критериев приводит к соответствующему изменению получаемых оценок по критериям. Этим обеспечивается высокое качество принимаемых решений, так как обеспечивается учет необходимых критериев пропорционально их значимости для лица, принимающего решение в конкретной ситуации.

7.         Проведены экспериментальные исследования, на разработанной гибридной энергоустановке, которые показали, что при данной конфигурации автономная работа поддерживалась и удовлетворяла спрос потребителей. За счет фотоэлектрической энергии удалось поддерживать автономную работу в дневное время, а аккумуляторный блок накапливал избыток электроэнергии для последующей работы микросети в ночное время. При необходимости, микросеть автоматически подключалась к внешней сети (генератору). На основании полученных данных можно сделать вывод, что разработанная гибридная микросеть функционирует и позволяет проводить исследования в области повышения надежности и эффективности гибридных энергосистем с использованием возобновляемых источников энергии и может служить основой для дальнейших исследований в области гибридных энергосистем. Так данные о работе накопителей были использованы для разработки метода оценки состояния заряда аккумуляторов энергии в мультиэнергетической микросети с управлением временными рядами.

Партнерами из Центрального Южного университета Китая разработан метод совместного управления распределенным накопителем энергии, который предполагает использование метода оптимального энергетического расписания для распределенной сети с учетом участия групп агрегации источник-нагрузка-накопитель. Также создана гибкая самообучающаяся стратегия управления частотой и напряжением в гибридных AC/DC мультиэнергетических микросетях с распределенной возобновляемой генерацией и разнородной нагрузкой и разработан метод двухуровневого (ведущий – ведомый) управления для обеспечения согласованностью между различными уровнями управления. Таким образом, китайской научной группой создана системно-схемная модель активной распределительной сети, включающая распределенное питание и множество нагрузок. Индийским партнером разработана теория и численный метод вероятностного интервального прогнозирования на основе глубокого обучения. Предложенный метод представляет собой комбинированную модель, включающую четыре части LSTM-модель прогнозирования фотоэлектрической мощности, RNN-модель прогнозирования фотоэлектрической мощности, DNN-модель прогнозирования фотоэлектрической мощности, оптимизация весов Нелдера-Мида и комбинированная модель прогнозирования. Предложенный подход апробирован на данных о выработке фотоэлектрической энергии на электростанции за один год. Также экспериментально установлено, что выбор оптимальных весов с помощью метода Нелдера-Мида позволяет повысить точность прогнозирования модели и улучшить устойчивость метода. Также создана платформа “источник-накопитель-потребитель“ для валидации метода оценивания состояния уровня накопителей и разработана стратегия управления частотой и напряжением гибридной AC/DC мультиэнергетической микросети, в основе которой лежит идея использования энергетического хаба. Энергетический хаб повышает энергетическую гибкость всей электрической сети за счет дополнительной возможности регулирования активной мощности.

Мероприятия, проводимые в рамках проекта ФЦП-БРИКС

20 апреля 2023 года был проведен семинар между участниками стран БРИКС в рамках проекта ФЦП на тему "Solar Powered DC Microgrids with Hybrid Energy Storage Systems-Architecture Topologies", докладчик Dr Dogga Raveendhra (Zunike Energies Pvt, IIT Roorkee).

27 мая 2023 года был проведен семинар участников стран БРИКС в рамках проекта ФЦП на тему "Методы управления и моделирования киберфизическими электроэнергетическими системами", докладчик аспирант Mr Peng Yuheng (Central South University, Changsha, China).

С 18 по 20 августа 2023 года  в городском округе Чанша, провинции Хунань, КНР в смешанном формате прошла Конференция "2nd International Conference on Power System and Energy Technology" (ICPSET 2023). В рамках конференции проводили обсуждение математических моделей кибрфизических систем энергетики с ВИЭ.

2 августа 2024 г. в Центральном южном университете (Чанша, КНР) прошел семинар международного Российско-Китайско-Индийского (БРИКС) проекта "Методы моделирования и управления кибер-физическими системами в мультиэнергетических микросетях". С китайской стороны в обсуждении научных результатов приняли участие профессор Лю Фан (руководитель китайского коллектива), аспиранты Гуо Вейру, Ляо Жин Тао и Хуан Ю Конг. От ИСЭМ СО РАН с докладами выступили профессор РАН, д.ф.-м.н. Сидоров Д.Н. (координатор проекта), зав. лаб. №43, с.н.с., к.т.н. Томин Н.В., c.н.с., к.т.н. Шакиров В.А., также участие приняли зав. лаб. №72, с.н.с., к.т.н. Козлов А.Н. и ученый секретарь ИСЭМ СО РАН, к.т.н. Барахтенко Е.А. Со стороны Индии в работе семинара приняли участие профессор Мукеш  Кумар Патхак (руководитель индийского коллектива университету Руурки), аспиранты Картик Парихар, Рупеш Ядав.