Sektor energetiky je pod velkým tlakem. Provozovatelé elektrických distribučních soustav potřebují svou infrastrukturu rychle přizpůsobit měnícím se podmínkám.
Do roku 2030 má být přibližně 80 % elektřiny vyráběno z obnovitelných zdrojů. Pilotní projekt společnosti naturenergie netze GmbH ukazuje, jak je možné rychle modernizovat transformátorové stanice a přizpůsobit je novým požadavkům. Ve spolupráci s dodavatelem softwaru Eplan a inženýrskou firmou entegra nyní tento provozovatel distribuční soustavy elektřiny v jižním Německu poprvé pracuje s digitálním dvojčetem, které výrazně urychlí projektování a další rozvoj transformátorových stanic.
Obr. 1. „Digitální dvojče je základem pro naše projektování,“ říká Rainer Beck ze společnosti naturenergie netze
Distribuční sítě v minulosti a dnes
Po desetiletí byla elektrická energie distribuována pouze jedním směrem – z nepřetržitě pracujících uhelných a jaderných elektráren přenosovou sítí do transformátorových stanic a odtud (po několikanásobném snížení napětí) prostřednictvím distribuční soustavy ke koncovým spotřebitelům. Při přirovnání k silničnímu provozu se z této klidné „jednosměrky“ nyní stala rušná silniční síť v centru města. V současné době se energetický mix mění každou hodinu podle větru a slunce, takže v podstatě již neexistuje nic, na co se spolehnout. Kromě toho provozovatelé větrných a solárních elektráren dodávají energii decentralizovaně do rozvodné sítě na úrovni nízkého nebo vysokého napětí, takže tyto sítě nyní fungují v obou směrech. Tepelná čerpadla a dobíjecí stanice pro elektromobily znamenají nejen vyšší spotřebu, ale i to, že dlouho známé zátěžové profily s vrcholem v podvečer se stávají minulostí. Kvalita dodávané elektřiny a frekvence 50 Hz však musí být zaručeny za všech okolností.
Provozovatelé distribučních soustav čelí obrovskému úkolu: potřebují svoji síť přizpůsobit všem těmto složitým požadavkům. Pro firmu naturenergie netze to znamenalo výstavbu nových zařízení a modernizaci mnoha již existujících transformátorových stanic. Rozvodnou soustavu je třeba přizpůsobit rostoucí poptávce po elektřině, ale to není jediný problém. Větším je nutnost upravit ji tak, aby zvládla mnohem vyšší úroveň flexibility, co se týče zdrojů a toků energie a přesné regulace elektřiny.
Digitální dvojče
Společnost naturenergie netze (viz text na rastru) musí tyto problémy řešit co možná nejrychleji a již nyní pracuje na realizaci pilotního projektu modernizace jednoho ze svých zařízení. Společnost využívá pro projektování a konfiguraci přestavby trafostanice Rheinfelden digitální koncept. Nový přístup využívá dokonce i při přípravných projektových pracích. Rainer Beck, koordinátor rozvoje distribuční sítě firmy naturenergie netze (obr. 1), vysvětluje: „Než začneme projektovat, vytvoříme digitální dvojče transformátorové stanice, tj. virtuální reprezentaci se všemi údaji jak pro rozvodná zařízení, tak pro řídicí a spínací techniku a samozřejmě pro budovy a všechny periferie. Přestavbu potom projektujeme na základě digitálního dvojčete.“
Dalším důvodem, proč je projektování transformačních stanic tak náročné, je skutečnost, že primární část, tj. rozvody a rozvodná zařízení, a sekundární část, tj. řídicí a spínací technika, jsou navrhovány různými systémy CAD. V tomto pilotním projektu bylo úkolem zajistit bezproblémovou spolupráci. Jako členové pracovní skupiny VDE ETG Digitální dvojčata pro elektrizační soustavy se dva přední dodavatelé – entegra se svým softwarovým řešením primtech pro rozvody a rozvodná zařízení elektrických stanic a Eplan pro řídicí a spínací techniku – připravili přesně na to, co společnost naturenergie netze potřebovala pro první (předběžnou) fázi projektování, a to spojení rozvodných zařízení a řídicí a spínací techniky do jednoho modelu.
Obr. 2. Při modernizaci sekundární části rozvoden se společnost naturenergie netze spoléhá na software od společnosti Eplan
Významný nárůst efektivity inženýrské práce
Pro tento jedinečný projekt hledaly společnosti entegra a Eplan inovativního provozovatele distribuční soustavy s vhodným pilotním projektem, který by se do této spolupráce zapojil jako třetí strana. Kontakt se společností naturenergie netze přišel v pravý čas – zejména proto, že šlo o složitý projekt. Rainer Beck vysvětluje: „Cílem projektu je zmodernizovat veškerou řídicí a spínací část ve stávající, velmi složité transformátorové stanici – a to za provozu.“. Je snadné pochopit, proč bylo zapojení do tohoto projektu pro všechny zúčastněné tak lákavé. Běžně by projektování a modernizace trvaly dva až tři roky, ale nová metodika projektování vše skutečně urychlí. Matthias Schuy, business development manager společnosti entegra, vysvětluje: „To, co zde děláme – integrace rozvodných zařízení a řídicí a spínací techniky transformátorové stanice do jednoho digitálního dvojčete –, nebylo nikdy předtím realizováno a přínosy jsou velmi slibné.“. Rainer Beck dodává: „Cílem není jen rychlá návratnost jednorázové investice. Po první fázi projektování, tj. po fázi předběžného návrhu projektu, vidíme, že při přestavbě transformátorových stanic můžeme dosáhnout velkých úspor času. To je navíc možné uplatnit v každém projektu.“.
Jeden model pro všechny uživatele
V první fázi projektu byla trafostanice naskenována, byly pořízeny fotografie štítků zařízení se jmenovitými hodnotami a vygenerované údaje o rozvodech a rozvodných zařízeních byly porovnány s údaji ze systému AMS. Výsledkem je ověřený funkční 3D model transformátorové stanice v softwaru primtech. Soubory vytvořené v programu primtech byly následně prostřednictvím rozhraní exportovány do prostředí Eplan a použity jako základ pro projektování řídicího systému a spínací techniky. Nakonec byla data řídicí a spínací techniky integrována do digitálního dvojčete. „Práce je téměř hotova. Zdokumentováním současného stavu byl vytvořen základ pro efektivní výměnu řídicí a spínací techniky trafostanice. To je opravdu důležitý krok. Všechna data jsou verifikována. V podstatě se řídíme zásadou ‚jediného zdroje pravdy‘. Data v původních systémech jsou nedotčena a navázána na digitální dvojče. Předchází se tak redundancím, které by se v budoucnu mohly ukázat jako problematické,“ vysvětluje Jan Oliver Kammesheidt, globální manažer pro vertikálního trh energetiky ve společnosti Eplan.
Obr. 3. Úzká spolupráce společností entegra a Eplan pomáhá zajistit efektivitu projektů přestavby rozvodných sítí (zleva: Simon Rümmele, naturenergie netze, Jan Oliver Kammesheidt, Eplan, Rainer Beck, naturenergie netze, Matthias Schuy, entegra)
Co se týče architektury kombinovaného datového modelu, zúčastněné strany – zcela v souladu s principem digitálního dvojčete – vytvořily unikátní infrastrukturu. „Žádný systém nemá přednost – místo toho existují pouze různé pohledy na jeden a týž model. Digitální dvojče otevírá okno do systému – například ze softwaru primtech do prostředí Eplan nebo SAP. Digitální dvojče tak plní jednu ze svých hlavních funkcí – nabízí centralizovaný přístup ke všem důležitým informacím o trafostanici,“ vysvětluje Schuy.
Standardizace řídicí a spínací techniky
Tuto spolupráci tří stran – společností entegra a Eplan a provozovatele distribuční sítě – umožnilo nebo přinejmenším usnadnilo rozhodnutí přijaté před dvěma lety. Tehdy začala společnost naturenergie netze pro projektování řídicí a spínací techniky používat softwarová řešení Eplan Electric P8 a Eplan Pro Panel (obr. 2). Za výběr byl odpovědný Simon Rümmele, vedoucí projektu rozvoje distribuční soustavy. „Díky systému Eplan jsme mohli pokročit ve standardizaci a efektivnějším navrhování řídicí a spínací techniky – a také v ucelené tvorbě digitální projektové dokumentace, kterou můžeme využít i během provozu pro preventivní údržbu a generální opravy,“ říká.
Poučení z průmyslové výroby
Projekt dokazuje, že uživatelé v elektroenergetice mohou využít zkušenosti a řešení z oblasti průmyslové výroby. V tomto odvětví, ve kterém společnost Eplan působí již desítky let, je standardizace a „industrializace“ zařízení pro výrobu rozváděčů a rozvodných zařízení pevně etablována. Co se týče tohoto kroku u transformátorových stanic, je ještě hodně co dohánět. „Doposud se trafostanice projektovaly případ od případu a stavěly se jednotlivě. To však velmi ztěžuje posouzení nákladů modernizace nebo nové výstavby, jejichž potřeba vzniká v důsledku energetické transformace. Odvětví potřebuje mnohem větší standardizaci než v minulosti. To podporujeme a jsme rádi, že jsme ve společnosti naturenergie netze našli partnera otevřeného inovacím. Společné digitální dvojče pro rozvody a rozvodná zařízení i řídicí a spínací techniku proces projektování výrazně urychluje a navíc přináší větší spolehlivost,“ vysvětluje Kammesheidt.
Obr. 4. Společnost naturenergie netze GmbH je provozovatelem distribuční sítě elektřiny v jižním Bádensku-Württembersku
Silní partneři pro energetickou transformaci
Simon Rümmele vysvětluje, že právě toho chce firma naturenergie netze dosáhnout. „Chceme a musíme se více digitalizovat, protože věříme, že to v budoucnu otevře nové možnosti a usnadní nám práci. Proto v naší transformátorové stanici v Rheinfeldenu zkoušíme nejnovější technologie a chystáme další pilotní projekty. Navíc díky společnosti Rittal, sesterské společnosti firmy Eplan, máme silného partnera i pro konverzi veškeré techniky rozváděčů,“ říká.
Společnost naturenergie netze plánuje standardizaci – a základem pro ni bude i společné digitální dvojče vytvořené společnostmi entegra a Eplan. Vytvoření vzorových šablon, z nichž se budou odvozovat konkrétní varianty, zkrátí dobu potřebnou na projektování. To je zásadní, protože distributoři musí přizpůsobit většinu svých trafostanic novým požadavkům. „V tom nám pomůže digitální dvojče a všechny přípravné práce, které realizují společnosti entegra a Eplan. Díky partnerství a spolupráci přicházíme se skutečnou inovací, která nám pomůže rozvíjet naše distribuční soustavy a efektivně je přizpůsobit budoucnosti,“ dodává Rainer Beck.
Z projektu však nebude mít prospěch pouze společnost naturenergie netze. Na rozdíl od průmyslové výroby provozovatelé distribučních soustav otevřeně sdílejí informace, protože si navzájem téměř nekonkurují (v Německu stejně jako u nás a v dalších zemích má každý provozovatel elektrické distribuční soustavy svůj region). „Jsem přesvědčen, že mnoho provozovatelů rozvodných soustav bude schopno převzít to, co děláme zde a v pracovní skupině VDE, a využít to k rychlému projektování a realizaci vlastních projektů modernizace a nové výstavby,“ uvádí Kammesheidt.
(Gerald Scheffels, Hans Robert Koch, Eplan GmbH & Co. KG)
Rozvodny: co je dobré vědět
Co je primární část rozvodny? Patří sem všechna zařízení, která jsou zodpovědná za distribuci a přenos elektrické energie: přípojnice, odbočky, odpojovače, transformátory a kabely. Software primtech 3D by entegra lze použít k efektivnímu projektování a navrhování venkovních rozvoden. Plně funkční 3D modely fungují jako základ digitálního dvojčete. Více informací: www.primtech.com.
Co je sekundární část? Patří sem všechna zařízení a systémy, které nejsou přímo zodpovědné za přenos nebo transformaci elektrické energie, tj. systémy řízení a monitorování primárních zařízení.
Díky Eplan Data Portal a Platformě Eplan nabízí společnost Eplan vhodné údaje o zařízeních a softwarové nástroje pro efektivní práci na projektu: od předběžného návrhu až po projektování s automatizovaným vytvářením schémat zapojení.
Společnost naturenergie netze
Společnost naturenergie netze GmbH je provozovatelem distribuční sítě elektřiny v jižním Bádensku-Württembersku v Německu. Oblast distribuce pokrývá region jižně od Freiburgu až po Hochrhein na západě a od Bodamského jezera na východě až po Villingen-Schwenningen na severu. Společnost naturenergie netze GmbH je součástí německo-švýcarské společnosti naturenergie holding AG.
www.naturenergie-netze.de