Розробка та моделювання архітектури мікрогрідових систем з резервуванням від ядерних і традиційних джерел для критичної інфраструктури: підвищення надійності та безпеки енергопостачання

Євген Алфімов
Отримано 28.05.2025, Доопрацьовано 21.10.2025, Прийнято 24.12.2025
Анотація

Ця стаття представила концептуальну модель інтелектуальної енергетичної системи з комбінованими джерелами живлення, призначену для покращення безперервності, стабільності та безпеки енергопостачання об'єктів. Вона базувалась на комплексному підході, що поєднує аналітичні, порівняльні та структурно функціональні методи. Вона базувалась на передумові, що мікромережа, як гібридна система, поєднує мікрореактори, відновлювані джерела та резервні генератори, керовані штучним інтелектом, для забезпечення стабільного енергопостачання. Мікрореактори можуть знизити витрати на енергію на 15-25 %, а інтеграція відновлюваних джерел може збільшити коефіцієнт використання потужності на ≈35 % при використанні систем довгострокового зберігання. Гібридна архітектура «мікрореактори (ядро) + відновлювані джерела + сховище + аварійний резерв» забезпечила доступність >99,9 % та знижує ймовірність відмови до ≈1 %, що відповідає вимогам систем критичної інфраструктури. Ієрархічне управління є централізованим, з локальними контролерами, координованими центральним модулем штучного інтелекту, що підвищує стабільність системи на 30-40 %. Операційний цикл системи управління енергією на основі штучного інтелекту виконується в режимі реального часу з інтервалом 1-2 секунди, забезпечуючи швидке балансування навантаження, реагування на надзвичайні події та ізоляцію сегментів мережі у разі кіберзагрози. Нормативні вимоги Комісії з ядерного регулювання США передбачають відмовостійкість, резервування та тестування в середовищі «апаратне забезпечення в циклі», тоді як поетапне моделювання з використанням Python для аналізу енергетичних систем, автоматизованого проектування енергетичних систем та цифрового симулятора реального часу мінімізує технічні ризики та підвищує точність верифікації системи. Розроблена модель мікромережевої системи є гнучкою, масштабованою та кіберстійкою, поєднуючи ядерні, відновлювані та традиційні джерела енергії в єдиний інтелектуальний цикл керування, забезпечуючи безперебійне та автономне електропостачання критично важливих об'єктів за будь-яких умов. Результати можуть бути використані в концептуальному проектуванні, проектних структурах та оборонних відомствах для створення автономних та кіберстійких мікромережевих систем

Ключові слова:
мікромережа; дуже малий модульний реактор; системи зберігання енергії; інтелектуальне керування електромережею; довготривале зберігання енергії; цифровий двійник електромережі; автономність електромережі

Взято з Том 23, № 2, 2025

Сторінки 19–33

Використані джерела ЦИТУВАТИ
  1. Abbasi, M., Abbasi, E., Li, L., Aguilera, R.P., Lu, D., & Wang, F. (2023). Review on the microgrid concept, structures, components, communication systems, and control methods. Energies, 16(1), article number 484. doi: 10.3390/ en16010484.
  2. Abdusammi, M.R., Khaleb, I., Gao, F., & Verma, A. (2025). Evaluation of nuclear microreactor cost-competitiveness in current electricity markets considering reactor cost uncertainties. Nuclear Engineering and Design, 443, article number 114295. doi: 10.1016/j.nucengdes.2025.114295.
  3. Abou-Jaoude, A., Hanna, B., de Oliveira, R., Al Rashdan, A., & Huning, A. (2024). Detailed bottom-up assessment of microreactor potential cost competitiveness: 2024 microreactor program winter review. Retrieved from https:// gain.inl.gov/content/uploads/4/2024/05/03-MicroreactorCostBasis-Abou-Jaoude_2024_MPR.pdf.
  4. Agupugo, C.P., Tochukwu, M.F.C., Ogunmoye, K.A., Mosha, A.S., & Sabbih, F. (2025). Review of smart microgrid platform integrating AI and deep reinforcement learning for sustainable energy management. International Journal of Future Energy Innovations, 2(3), 1-17. doi: 10.54660/IJFEI.2025.2.3.01-17.
  5. Alam, M., Hossain, M.J., Habib, A., Arafat, M.Y., & Hannan, M.A. (2025). Artificial intelligence integrated grid systems: Technologies, potential frameworks, challenges, and research directions. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 211, article number 115251. doi: 10.1016/j.rser.2024.115251.
  6. Archetti, J.A.G., Júnior, D.C.S., de Medeiros, L., Salamanca, H.L.L., Fuchs, L., de Oliveira, L.W., & Oliveira, J.G. (2023). Real-time validation of a control system for microgrids with distributed generation and storage resources. Electric Power Systems Research, 223, article number 109683. doi: 10.1016/j.epsr.2023.109683.
  7. Arévalo, P., Ochoa-Correa, D., & Villa-Ávila, E. (2024). Optimizing microgrid operation: Integration of emerging technologies and artificial intelligence for energy efficiency. Electronics, 13(18), article number 3754. doi: 10.3390/electronics13183754.
  8. Biswas, S., Follum, J.D., Etingov, P.V., Fan, X., & Yin, T. (2023). An open-source library of phasor measurement unit data capturing real bulk power systems behavior. IEEE Access, 11, 108852-108863. doi: 10.1109/ ACCESS.2023.3321317.
  9. Bryan, H.C., Jesse, K.W., Miller, C.A., & Browning, J.M. (2023). Remote nuclear microreactors: A preliminary economic evaluation of digital twins and centralized offsite control. Frontiers in Nuclear Engineering, 2, article number 1293908. doi: 10.3389/fnuen.2023.1293908.
  10. Chen, S., Liu, J., Cui, Z., Chen, Z., Wang, H., & Xiao, W. (2024). A deep reinforcement learning approach for microgrid energy transmission dispatching. Applied Sciences, 14(9), article number 3682. doi: 10.3390/app14093682.
  11. Demonstration of LDES to support Naval Base San Diego microgrid. (2025). Retrieved from https://ceqanet.lci. ca.gov/2025040501.
  12. Department of Defense breaks ground on Project Pele microreactor. (2024). Retrieved from https://www. energy.gov/ne/articles/department-defense-breaks-ground-project-pele-microreactor.
  13. Department of the Air Force. (2024). Council for the Alaska micro-reactor program (CAMP). Retrieved from https:// surl.li/mqrztp.
  14. DIgSILENT GmbH. (n.d.). Public download area. Retrieved from https://www.digsilent.de/en/downloads.html.
  15. Dinata, N.F.P., Ramli, M.A.M., Jambak, M.I., Sidik, M.A.B., & Alqahtani, M.M. (2024). Designing an optimal microgrid control system using deep reinforcement learning: A systematic review. Engineering Science and Technology, an International Journal, 51, article number 101651. doi: 10.1016/j.jestch.2024.101651.
  16. Dorman, D.H. (2023). Proposed rule: Risk-informed, technology-inclusive regulatory framework for advanced reactors. Retrieved from https://www.nrc.gov/docs/ML2116/ML21162A095.pdf.
  17. Dui, H., Zhang, S., Dong, X., & Wu, S. (2025). Digital twin-enhanced opportunistic maintenance of smart microgrids based on the risk importance measure. Reliability Engineering & System Safety, 253, article number 110548. doi: 10.1016/j.ress.2024.110548.
  18. Electric Power Research Institute. (n.d.). Introduction to OpenDSS. Retrieved from https://opendss.epri.com/ opendss_documentation.html.
  19. Foggo, B., Yamashita, K., & Yu, N. (2022). pmuBAGE: The benchmarking assortment of generated PMU data forpower system events. ArXiv. doi: 10.48550/arXiv.2210.14204.
  20. Hadi, M., Elbouchikhi, E., Zhou, Z., Saim, A., Shafie-khah, M., Siano, P., Rahbarimagham, H., & Colom, P.M. (2025). Artificial intelligence for microgrids design, control, and maintenance: A comprehensive review and prospects. Energy Conversion and Management: X, 27, article number 101056. doi: 10.1016/j.ecmx.2025.101056.
  21. Hamidieh, M., & Ghassemi, M. (2022). Microgrids and resilience: A review. IEEE Access, 10, 106059-106080. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3211511.
  22. Hanna, B.N., de Oliveira, R., Al Dawood, K., Patterson, M.W., Abou-Jaoude, A., Garcia, S., & Lindley, B. (2024). Technoeconomic evaluation of microreactor using detailed bottom-up estimate. Idaho: Idaho National Laboratory. doi: 10.2172/2447366.
  23. IEC 61850:2025 SER. (2025). Communication networks and systems for power utility automation – all parts. Retrieved from https://webstore.iec.ch/en/publication/6028.
  24. IEC 62443. (2024). Industrial communication networks – network and system security. Retrieved from https://iec. ch/taxonomy/term/778.
  25. IEEE 1547-2018. (2018). IEEE standard for interconnection and interoperability of distributed energy resources with associated electric power systems interfaces. Retrieved from https://standards.ieee.org/ieee/1547/5915.
  26. International Atomic Energy Agency. (2024). Iaea platform on small modular reactors and their applications: Annual report. Vienna: International Atomic Energy Agency.
  27. Islam, K., Kim, D., & Abu-Siada, A. (2024). A review on adaptive power system protection schemes for future smart and microgrids, challenges and opportunities. Electric Power Systems Research, 230, article number 110241. doi: 10.1016/j.epsr.2024.110241.
  28. Joseph, B.K., Shah, A.P., & Jadhav, G.V. (2023). Microgrid architecture for distributed generation: Issues and challenges. AIP Conference Proceedings, 2855(1), article number 070005. doi: 10.1063/5.0180136.
  29. Khai, V. (2024). Emerging trends in microgrids technology and prospects for their implementation in Ukraine. Computational Problems of Electrical Engineering, 14(1), 6-11.
  30. Khotian, A., & Rosen, V. (2022). State and prospects of development of local energy objects within microgrids. Power Engineering: Economics, Technique, Ecology, 2(68), 75-81. doi: 10.20535/1813-5420.2.2022.261373.
  31. Lane, T.G., & Revankar, S.T. (2025). Advances in technology, design, and deployment of microreactors – a review. Progress in Nuclear Energy, 178, article number 105520. doi: 10.1016/j.pnucene.2024.105520.
  32. Limouni, T., Yaagoubi, R., Bouziane, K., Guissi, K., & Baali, E.H. (2025). A comprehensive review of microgrid control methods: Focus on AI, optimization, and predictive techniques. Computers and Electrical Engineering, 125, article number 110442. doi: 10.1016/j.compeleceng.2025.110442.
  33. List, F., Dehoff, R., Carver, K., Joslin, C., Jordan, B., Duncan, R., Matheson, J.R., & No, T. (2024). Fabrication of a liner assembly for the marvel microreactor. Oak Ridge: US Department of Energy.
  34. Lovering, J.R. (2023). A techno-economic evaluation of microreactors for off-grid and microgrid applications.Sustainable Cities and Society, 95, article number 104620. doi: 10.1016/j.scs.2023.104620.
  35. NIST SP 800-82 Rev. 3. (2023). Guide to operational technology (OT) security. Retrieved from https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/82/r3/final.
  36. Opal-RT Technologies. (n.d.a). Renewable power systems: HIL for Hawaii Island with Siemens. Retrieved from https://blob.opal-rt.com/medias/Mkt_0027430.pdf.
  37. OPAL-RT Technologies. (n.d.b). The improbable real-time co-simulation between HYPERSIM and RTDS. Retrieved from https://blob.opal-rt.com/medias/L00161_1211.pdf.
  38. PSCAD. (n.d.). PSCAD user’s guide v4.6. Retrieved from https://www.pscad.com/knowledge-base/article/160.
  39. Punitha, S., Subramaniam, N.P., & Raj, P.A.D.V. (2024). A comprehensive review of microgrid challenges in architectures, mitigation approaches, and future directions. Journal of Electrical Systems and Information Technology, 11, article number 60. doi: 10.1186/s43067-024-00188-4.
  40. Qi, N., Huang, K., Fan, Z., & Xu, B. (2025). Long-term energy management for microgrid with hybrid hydrogenbattery energy storage: A prediction-free coordinated optimization framework. Applied Energy, 377(B), article number 124485. doi: 10.1016/j.apenergy.2024.124485.
  41. Raza, M.K., Alghassab, M., Altamimi, A., Khan, Z.A., Kazmi, S.A.A., Ali, M., & Diala, U. (2024). Integration of very small modular reactors and renewable energy resources in the microgrid. Frontiers in Energy Research, 12, article number 1365735. doi: 10.3389/fenrg.2024.1365735.
  42. REopt facilitates solar microgrid scaling in Cameroon. (2025). Retrieved from https://www.nrel.gov/reopt/ projects/case-study-cameroon.
  43. RTDS Technologies. (n.d.). Power electronics HIL. Retrieved from https://www.rtds.com/applications/powerelectronics-hil/.
  44. Swenson, Tucker, Vrettos, E., Mueller, J., & Gehbauer, C. (2019). Open PMU event dataset: Detection and characterization at LBNL Campus. Retrieved from https://github.com/LBNL-ETA/pmu_event_library.
  45. The ultimate guide to IEC 62443 for OT security. Apply IEC 62443 to close security gaps, harden assets, align with existing frameworks, and raise OT cyber resilience. (2025). Retrieved from https://www.rockwellautomation. com/en-gb/company/news/blogs/iec-62443-security-guide.html.
  46. Thulasiraman, P., Hackett, M., Musgrave, P., Edmond, A., & Seville, J. (2023). Anomaly detection in a smart microgrid system using cyberanalytics: A case study. Energies, 16(20), article number 7151. doi: 10.3390/ en16207151.
  47. Uddin, M., Mo, H., Dong, D., Elsawah, S., Zhu, J., & Guerrero, J.M. (2023). Microgrids: A review, outstanding issues and future trends. Energy Strategy Reviews, 49, article number 101127. doi: 10.1016/j.esr.2023.101127.
  48. United States Department of Energy. (2022). Microgrid and integrated microgrid systems program. Retrieved from https://www.energy.gov/oe/articles/microgrid-and-integrated-microgrid-systems-program-report-download.
  49. United States Nuclear Regulatory Commission. (2025). Part 53 – risk informed, technology-inclusive regulatory framework for advanced reactors. Retrieved from https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/advanced/ modernizing/rulemaking/part-53.
  50. Watson, J.D., Ojo, Y., Laib, K., & Lestas, I. (2021). A scalable control design for grid-forming inverters in microgrids. IEEE Transactions on Smart Grid, 12(6), 4726-4739. doi: 10.1109/TSG.2021.3105730.
  51. Woo, T.H., & Kim, Y.I. (2025). Microgrid control incorporated with Small Modular Reactor (SMR)-based power production in the university campus. Progress in Nuclear Energy, 183, article number 105678. doi: 10.1016/j. pnucene.2025.105678.
  52. Yin, Y., Wang, W., & Yu, M. (2024). Short-term load forecasting of microgrid based on TVFEMD-LSTM-ARMAX model. Transactions on Electrical and Electronic Materials, 25, 265-279. doi: 10.1007/s42341-023-00506-z.
  53. Zidane, T.E.K., Muis, Z.A., Ho, W.S., Zahraoui, Y., Aziz, A.S., Su, C.-L., Mekhilef, S., & Campana, P.E. (2025). Power systems and microgrids resilience enhancement strategies: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 207, article number 114953. doi: 10.1016/j.rser.2024.114953.
Alfimov, Ie. (2025). Development and modelling of microgrid system architecture with redundancy from nuclear and traditional sources for critical infrastructure: Improving the reliability and security of energy supply. Journal of Kryvyi Rih National University, 23(2), 19-33. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2025-2-23-19-33
uk