Developing a Model-based Digital Twin Reference Architecture for Active Energy Consumers and Smart Communities
This work is supported by a grant of the Ministry of Research, Innovation and Digitization, CNCS- UEFISCDI, project number PN-III-P4-PCE-2021-0334, within PNCDI III.
PROJECT EXECUTIVE SUMMARY:
The project proposal envisions the integration of Internet of Things, data, models and key performance indicators for 2 layers: prosumers and communities into a Digital Twin Reference Architecture (DTRA) to take advantage of Renewable Energy Sources (RES) potential, improve the sustainable consumption and enable the implementation of digital twins. DTRA will be structured into 2 layers: L1-consumers/prosumers & L2-CECs/microgrid. Thus, 2 Digital Twin prototypes will be built on DTRA to integrate the proposed models for the 2 layers.
The importance of the proposal theme is underlined by the Clean Energy Package issued by EU (mid 2019). The package sets significant targets for the next decades and empowers the prosumers and Citizen Energy Communities (CEC) in transition to a sustainable low-carbon environment. Emerging CEC are technologically complex, encapsulating the assets of consumers, prosumers and other local entities (RES, storage facilities, electric vehicle charging stations). They are based on voluntary participation, enabling access to electricity markets, being financially responsible for imbalances they cause. Thus, CEC enable their members to share the electricity among members, reap the rewards of local RES, trade and even manage the grid. Starting from the EU vision for CEC, the project scope is to support them by developing model-based digital solutions, creating a reference architecture, to successfully deliver economic, social and environmental benefits to its members that can be quantified as: cost reduction, better usage of RES, social contribution (reducing CO2&deforestation, standard coal saved), better standard of living and citizens’ health.
PROJECT DURATION: 01.06.2022 – 31.12.2024
PRINCIPAL INVESTIGATOR: CONF. UNIV. DR. SIMONA VASILICA OPREA
PREZENTAREA PRINCIPALELOR REZULTATE ALE PROIECTULUI
ETAPA 1 – 2022:
- Act 1.1 – Propunerea șabloanelor pentru colectarea și integrarea datelor
- Act 1.2 – Propunerea modelului de comunicație și a arhitecturii pentru managementul datelor
În cadrul etapei 2022 au fost studiate și analizate principalele concepte și activități legate de consumatori, prosumatori și comunitățile inteligente de energie (CE). De asemenea, au fost studiate caracteristicile replicilor digitale (Digital Twins – DT) și a fluxurilor de integrare și procesare a datelor (Digital Thread – DTH). Au fost identificate principalele cerințe pentru dezvoltarea replicilor digitale pentru consumatori/prosumatori (nivelul L1) și pentru comunități (nivelul L2). A fost propusă arhitectura soluției SMART-TWINS structurată pe trei noduri de comunicație și procesare a datelor: edge, fog, cloud. Această abordare permite dezvoltarea replicilor digitale pentru cele 2 entități fizice: prosumator și CE, modelându-le ca sisteme cibernetice și înglobând date, componente, modele și procese. Arhitectura va fi dezvoltată utilizând șabloane de procesare a datelor și un model de comunicație compus din cele trei noduri.
În cadrul activității A1.1 au fost propuse șabloane specifice la nivel elementar pentru a modela funcționalitățile prosumatorilor și CE, iar în A1.2 a fost propus modelul de comunicație.
Rezultatele obținute în cadrul etapei au fost diseminate în 3 jurnale indexate ISI (2 publicate și 1 articol aflat în evaluare în runda 2), precum și în cadrul a trei conferințe internaționale.
ETAPA 2 – 2023:
- Act 2.1 – Realizarea cadrului de integrare și management al datelor
- Act 2.2 – Propunerea si dezvoltarea algoritmilor pentru L1 – consumatori
- Act 2.3 – Propunerea si dezvoltarea algoritmilor pentru L1 – prosumatori
În cadrul activității A2.1, pornind de la arhitectura soluției SMART-TWINS structurată pe trei noduri de comunicație și procesare a datelor (Edge, Fog, Cloud) a fost realizat cadrul de integrare și management al datelor (Digital Thread – DTH). Cadrul de integrare conține șabloanele de organizare a datelor și specificațiile modelului de comunicație compus din cele trei noduri.
Pentru activitatea A2.2 au fost propuși și dezvoltați algoritmii pentru modelarea și implementarea funcționalităților replicii digitale DT-L1 destinat consumatorilor: i) monitorizarea și controlul în timp real al dispozitivelor IoT; ii) modelarea tiparelor de consum prin clustering; iii) proiectarea programelor de răspuns la cerere (DR); iv) optimizarea consumului pentru ziua următoare prin proiectarea unui sistem de recunoaștere a tiparelor de consum cu algoritmi de învățare automată pentru a facilita programul zilnic bazat pe tarife; v) gestionarea flexibilității cu control IoT; vi) analiza comportamentului de consum pentru economisirea energiei și adoptarea mecanismelor de tranzacționare pe piață; vii) indicatori de performanță specifici (KPI-uri).
În cadrul activității A2.3 au fost propuși și dezvoltați algoritmii pentru prosumatori: i) prognoza consumului și a producției utilizând modele de tip Machine Learning (ML) și Deep Learning (DL); ii) modulul inteligent de control al dispozitivelor electrice în funcție de disponibilitatea surselor regenerabile de energie (RES) locale și restricțiile de consum; iii) planificarea consumului utilizând algoritmi de optimizare; iv) identificarea oportunităților de tranzacționare pe piață pentru a tranzacționa surplusul/acoperi deficitul; v) gestionarea flexibilității și a dezechilibrelor; vi) indicatori de performanță specifici (KPI-uri).
Rezultatele obținute în cadrul etapei au fost diseminate în 13 jurnale indexate ISI (10 publicate și 3 articole acceptate spre publicare), 1 articol indexat Scopus, precum și în cadrul a 7 conferințe internaționale.
Etapa 3 – 2024:
- Act 3.1 – Propunerea si dezvoltarea algoritmilor pentru L2 – modele operaționale
- Act 3.2 – Propunerea si dezvoltarea algoritmilor pentru L2 – modele de piață
- Act 3.3 – Realizarea arhitecturii de referință DTRA
- Act 3.4 – Realizarea prototipurilor L1 si L2. Testarea si validarea rezultatelor obținute
Activitatea A3.1 a vizat crearea algoritmilor operaționali pentru sistemul de management energetic la nivel comunitar (eEMS). S-au dezvoltat algoritmi pentru controlul flexibilității prin Direct Load Control (DLC), care gestionează pornirea și oprirea dispozitivelor programabile pentru a echilibra cererea și oferta în comunitatea energetică și pentru distribuirea beneficiilor în comunitate (Value Share), utilizând metode diverse precum Shapley, contribuția marginală și o metodă propusă bazată pe consum și generare. Algoritmii optimizează echitatea și eficiența distribuției veniturilor și costurilor în comunitate.
Activitatea A3.2 s-a concentrat pe realizarea algoritmilor pentru tranzacționarea în piețele locale (LEM) și piețele de flexibilitate (LFM). Algoritmii sunt alocați pe cele două replici digitale iEMS pentru prosumatori și consumatori și eEMS pentru comunități. iEMS pregătește prețurile și cantitățile ofertelor de cumpărare și vânzare, aplicând reguli automate pentru deficit sau surplus. Algoritmul eTrade4EC, implementat în eEMS, gestionează tranzacționarea pe LEM, stabilind prețuri de clearing și optimizând volumul tranzacționat. Simulările au utilizat diverse scenarii și reguli pentru a asigura maximizarea beneficiilor pentru comunitate.
In cadrul activității A3.3 s-a proiectat o arhitectură pe două niveluri: L1 (individual) și L2 (comunitar). Nivelul L1 monitorizează și controlează dispozitivele IoT individuale, cum ar fi PV-uri și baterii, în timp ce L2 agregă și gestionează datele comunitare. L2 integrează tranzacționarea pe LEM, utilizează blockchain pentru transparență și coordonează schimburile energetice între comunități și operatorii de rețea. Interacțiunea dintre L1 și L2 optimizează utilizarea resurselor și minimizează dependența de rețea.
În cadrul activității A3.4 au fost configurate replicile digitale folosind Raspberry Pi pentru iEMS și un server central pentru eEMS. Comunicarea a fost realizată prin protocol MQTT. Modelele au fost testate pe date reale și sintetice, simulând scenarii de vară și iarnă pentru a evalua performanța în condiții variate. Rezultatele au arătat o reducere semnificativă a schimburilor cu rețeaua și o tranzacționare eficientă pe LEM și LFM. Distribuirea beneficiilor a fost evaluată prin indicatori de performanță (KPI), demonstrând un grad ridicat de echitate și sustenabilitate pentru comunitatea energetică.
DISEMINAREA REZULTATELOR
Rezultatele proiectului au fost diseminate în 29 articole indexate WoS din care 7 în Q1 după AIS, 12 în Q2 după AIS, 1 articol indexat Scopus și 15 conferințe internaționale.