Автор: В.А. Стенников, С.М. Сендеров, Б.Г. Санеев, Н.Н. Новицкий, А.Б. Осак
Автор перевода: Легкоступ К.В.
Источник: Energy Systems Research, vol. 2, no. 4 (8), 2019, pp. 6-16.
В.А. Стенников, С.М. Сендеров, Б.Г. Санеев, Н.Н. Новицкий, А.Б. Осак Энергетические системы как объекты иерархического моделированияВ статье рассматриваются тенденции изменения структуры и свойств энергетических систем будущего, которые являются инновационными в своем развитии. Анализируется роль интеллектуальных технологий в трансформации энергосистем. Представлены основные направления и результаты опубликованных исследований интеллектуальных энергосистем.
Ключевые слова:Энергетические системы, инновационные интеллектуальные технологии, преобразование энергетических систем, обоснование развития, управление режимами работы.
К середине 21 века следует ожидать кардинальных изменений в облике энергетического сектора. Эти изменения связаны не только с внутренними для энергетики процессами (интенсивное развитие энергетических технологий, качественный сдвиг масштабов внедрения интеллектуальных информационно-коммуникационных технологий и средств управления энергетическими объектами и системами), но и к кардинальному изменению парадигмы развития и функционирования энергетических систем как клиентоориентированных инфраструктурных систем, предоставляющих надежные и эффективные услуги предприятиям и населению. К системам энергетической инфраструктуры относятся прежде всего системы электро-, тепло- и газоснабжения с развитой транспортной и распределительной сетевой инфраструктурой. В известном смысле инфраструктура включает в себя системы снабжения нефтью и нефтепродуктами, хотя и не имеет развитой распределительной сети. К инфраструктурным системам относятся также системы водоснабжения.
Закономерности изменения условий развития и функционирования энергетических систем приводят к следующим существенным преобразованиям в структуре систем и режимах их работы.
Масштабы энергосистем и расширение обслуживаемых ими площадей продолжают расти.
Развитие городских агломераций вокруг крупных городов продолжается за счет формирования расположенных в них центров государственного и делового управления, концентрации высокотехнологичных производств, финансовых ресурсов, креатива, научно-образовательного кластера. В то же время продолжается тенденция к деурбанизации городских поселений, в том числе вынос промышленных производств из городских территорий и развитие индивидуального малоэтажного жилищного строительства. Кроме того, в средних и малых городах продолжится повышение статуса и уровня жизни населения. Все это приведет к нарастающей рассредоточенности энергопотребления по территории в процессе глубокой электрификации и газификации промышленного и жилого секторов для обеспечения роста качества жизни и производительности труда [1-3].
Тенденция к децентрализации энергоснабжения также развивается на стороне производства энергии в результате более широкого внедрения источников распределенной генерации, подключенных к узлам распределительных электрических и тепловых сетей. Эта тенденция обусловлена появлением новых высокоэффективных технологий производства энергии, которые позволяют системам энергоснабжения гибко адаптироваться к неопределенности спроса на энергию. Источники энергии, использующие возобновляемые источники энергии, также способствуют распределенной генерации.
Новые высокоэффективные технологии все чаще применяются и для крупных источников энергии. Фактически в состав генерирующих мощностей будущих систем энергоснабжения должны входить относительно крупные источники генерации для снабжения энергией крупных энергоемких потребителей и достаточно высокая доля распределенной генерации. Рассмотрим подробнее особенности и задачи будущих энергетических систем.
Широкое внедрение блоков распределенной генерации в электроэнергетические системы обусловлено рядом отличительных особенностей. Многие малые генерирующие установки, использующие газотурбинные технологии, работают на более высоких частотах, чем частота сети, и подключаются к системе через выпрямительно-инверторные блоки. Ветряные турбины имеют аналогичную связь, но имеют отчетливо стохастический характер генерируемой мощности. В результате существенно изменяются частотные характеристики генерации в электроэнергетических системах и снижается частотно-регулирующий эффект генерации. Блоки распределенной генерации имеют малую постоянную инерцию ротора по сравнению с традиционными генераторами большой мощности, а также имеют упрощенные системы управления, что обуславливает проблемы, возникающие при обеспечении устойчивости энергосистем.
Присоединение блоков распределенной генерации к распределительной электрической сети кардинально меняет ее свойства, что приводит к проблемам устойчивости, что обусловливает необходимость существенного развития и коренной реконструкции систем защиты энергосистемы на этом уровне [2].
В связи с тенденциями развития и размещения производства и потребления электроэнергии электросетевая система в будущем также существенно изменится. С учетом новых технологий в преобразователях на основе силовой электроники, снижения себестоимости, повышения надежности и высокой управляемости электропередачи постоянного тока они получат существенное развитие в электросетях. В то же время широкое внедрение устройств, формирующих гибкие системы передачи электроэнергии переменного тока (ФАКТС) на основе силовой электроники, позволит радикально повысить управляемость сети передачи переменного тока [4]. Новые технологии, в том числе использование устройств FACTS, значительно повысят надежность и управляемость распределительной сети. Рост потребления электроэнергии при разбросанных по территории генерирующих источниках и потребителях приводит к увеличению плотности сетей передачи и распределения электроэнергии. В целом, с учетом этих факторов, будущие электроэнергетические системы будут все больше приобретать функции и свойства инфраструктурных систем (вспомним «Электроэнергетический Интернет»), которые теоретически смогут обеспечить потребителя электроэнергией в требуемом количестве. местонахождение, обладающее необходимым качеством и надежностью электроснабжения и доступное в разумная цена.
Наблюдается тенденция роста доли новых электроприемников с новыми нагрузочными характеристиками. К таким приёмникам относятся все электроустановки, запитанные от современных источников питания, то есть выпрямители/стабилизаторы и выпрямители/инверторы. К ним относятся вариаторы, все компьютерные, офисные и бытовые приборы с импульсным питанием, светодиодное освещение и т.д. Их отличительной особенностью является постоянство величины потребляемой активной мощности, невосприимчивость к широкому диапазону изменения напряжения питающей сети. (некоторые приемники обеспечивают одинаковую нагрузку даже при снижении уровня напряжения до 30% от номинального). В то время как традиционные потребители уменьшают свое потребление при снижении напряжения питания, обеспечивая тем самым регулирующее напряжение нагрузки действие, новые потребители увеличивают потребление.
Потребляемый ток при снижении напряжения питания, при сохранении той же активной мощности, и с учетом потерь в распределительной сети, это приводит к увеличению активной и реактивной мощности нагрузки. Соответственно, с ростом общей доли новых электроприемников будет снижаться вольтрегулирующее влияние нагрузки в электроэнергетической системе.
Ситуация усугубляется широким применением современных устройств РПН трансформаторов, в том числе используемых в распределительных сетях, что обеспечивает относительно стабильные уровни напряжения на шинах потребителей и соответствие нормативным требованиям, но при авариях в электросети и распределительной сети вместо снижения напряжения на шинах потребителей (и, как следствие, снижения активной и реактивной нагрузки) возникает постоянная нагрузка, увеличение потерь внутри сети значительный рост потребления реактивной мощности от электросети. Другая проблема заключается в том, что все большее количество приемников поддерживает постоянное энергопотребление при изменении частоты в сети. К таким приемникам относятся не только упомянутые выше новые потребители, но и большинство ТЭНов, применяемых для электрообогрева. Это снижает как общую мощность, так и общую долю нагрузки, напрямую подключенной к сети переменного тока (без преобразователей частоты), что обеспечит частотно-регулирующее действие нагрузки на всю электрическую мощность системы.
Еще одним важным новым фактором для будущих электроэнергетических систем является появление активных потребителей. s самостоятельно управлять собственным потреблением электроэнергии в зависимости от ценовых условий, установленных на розничном рынке электроэнергии, путем переноса потребления электроэнергии отдельными получателями из временных интервалов с высокими ценами на электроэнергию в временные интервалы с низкими ценами. Такое независимое от диспетчерского графика управление нагрузками, практикуемое активными потребителями, затрудняет управление режимами работы электроэнергетической системы из-за неопределенности потребления электроэнергии активными потребителями. Поэтому перспективным является взаимодействие электроэнергетической системы и потребителей в части их совместного управления режимами работы системы с использованием управляющих возможностей потребителей.
Существенное изменение свойств будущих электроэнергетических систем произойдет в результате повсеместного распространения систем накопления электроэнергии, технологии которых к настоящему времени уже освоены в промышленном секторе [5]. Характерно, что общесистемные накопители электроэнергии имеют высокоэффективные и быстродействующие системы управления на базе силовой электроники, которые могут способствовать управляемости электроэнергетическими системами. Ожидается, что значительная доля накопления электроэнергии будет приходиться на электромобили, что при массовом использовании существенно изменит внешний вид и режимы работы будущих электроэнергетических систем. С учетом указанных тенденций увеличения внедрения электроприемников и электроэнергии систем хранения, питаемых постоянным током через преобразовательные элементы, можно ожидать перехода к созданию распределительных сетей постоянного тока с общими преобразователями переменного тока в постоянный, размещаемыми на питающих подстанциях [6, 7].
Вышеуказанные новые нагрузочные характеристики потребителей, накопления и генерации будущих электроэнергетических систем существенно изменят свойства и управляемость систем. Существующие принципы управления режимами работы традиционных электроэнергетических систем основаны на использовании вольтрегулирующего воздействия нагрузки и частотных характеристик генерации. Благодаря этим эффектам современные электроэнергетические системы обладают внутренней автономностью, а системы управления вмешиваются, когда параметры режима работы выходят за определенные пределы. В связи с изменением свойств будущих электроэнергетических систем существенно ставится под сомнение их внутренняя самодостаточность и, как следствие, традиционные принципы управления режимами работы электроэнергетических систем потребуют существенной модификации и развития.
Практически все страны мира объявили концепцию интеллектуальной энергосистемы (Smart Grid) своей национальной политикой технологического развития электроэнергетики будущего. Эта концепция основана на интеграции нескольких инновационных звеньев во всех звеньях цепи от производства до потребления электроэнергии, а именно [8 и др.]:
• инновационные технологии и установки для производства, хранения, передачи, распределения и потребления электроэнергии;
• высокоэффективные средства и технологии измерения, сбора, обработки, хранения, передачи и представления (визуализации) информации;
• Передовые информационные и компьютерные технологии, включая Интернет;
• высокоэффективные методы контроля и управления, основанные на современных подходах, подкрепленных теорией управления;
• Активные потребители.
При этом будет проведена полномасштабная цифровизация всех этапов информационно-управляющей подсистемы, начиная от измерения текущих значений параметров режима работы и заканчивая выполнением управляющих воздействий.
Развитие электроэнергетических систем будущего на технологической основе интеллектуальной энергосистемы позволит во многом нивелировать указанные выше потенциально негативные тенденции изменения свойств электроэнергетической системы. В то же время новые задачи уже возникают и обострятся в будущем в части необходимости усиления координации управления режимами работы электроэнергетических систем на различных уровнях, повышения эффективности управления, обеспечения надежности. самой системы управления режимами работы электроэнергетической системы. Особо остро встают вопросы информационной безопасности и кибербезопасности при мониторинге и управлении электроэнергетическими системами [9, 10].
Важными условиями, определяющими развитие теплоснабжения на современном этапе и в ближайшей перспективе, являются следующие[11]:
• Повышение требований к комфортности помещений и качеству теплоснабжения, направленное на расширение спектра услуг, включая отопление, охлаждение, вентиляцию, кондиционирование и горячее водоснабжение;
• структурные преобразования в экономике, рост уровня благоустроенности жилищного сектора, изменение территориального размещения промышленных производств и переход их на собственные источники энергии окажут существенное влияние на структуру и спрос на тепловую энергию, а также о составе генерирующих мощностей;
• Энергосбережение, применение энергоэффективных технологий в производстве, изменение структуры промышленного производства, применение теплосберегающих конструкций зданий, внедрение систем учета и контроля отпуска и потребления тепла способствуют значительному снижению теплоемкости. промышленной продукции и общего потребления тепла в целом;
• Снижение плотности застройки, ее расширение в основном за счет свободных площадей, появление рынка эффективного теплогенерирующего оборудования малой мощности повышают роль децентрализованных (распределенных) систем:
• Рост стоимости электроэнергии, повышение цен на топливо и его транспортировку, удорожание оборудования и материалов и, как следствие, повышение тарифов на тепловую энергию, способствуют принятию энергосберегающих мероприятий в процессах производства, транспортировки., и потребление тепла, а также увеличение доли вторичных и возобновляемых энергоресурсов;
• структурные изменения в энергетике, увеличивающие использование газа для теплоснабжения в результате газификации регионов, способствуют развитию распределенных, высокоэффективных и конкурентоспособных газовых источников тепла;
• повышенные требования к надежности и безопасности теплоснабжения и необходимость их соблюдения в условиях договорных отношений приводят к увеличению затрат в тепловой сети, что снижает экономическую эффективность крупных источников теплоты, ограничивает пролеты теплоснабжения, увеличивает количество необходимых источников;
• Возросшая приверженность населения экологическим проблемам также поддержит тенденцию к разделению систем и будет способствовать их технологическому совершенствованию;
• Изменение инвестиционной политики, отсутствие крупных государственных вложений в теплоснабжение, незаинтересованность частных инвесторов в финансировании строительства объектов теплоснабжения и, по сути, переход теплоснабжающих организаций на самофинансирование с ограниченными дотациями от местных бюджетов, создание и укрепление конкурентной среды во всех отраслях экономики, развитие свободного рынка технологий и оборудования существенно ослабляют позиции централизованного теплоснабжения и приводят к смещению инвестиционной активности в сторону распределенной генерации, но не лишить первого его ведущей роли;
• многообразие форм собственности в сфере теплоснабжения и неизбежная смена отношений сторон с преобладанием экономических интересов исключают меры по принуждению потребителей к использованию отдельных видов теплоснабжения без экономического стимулирования и побуждают их к активному поведению.
Эти условия приводят к следующим изменениям:
1. снижение конкурентоспособности крупных централизованных систем теплоснабжения и снижение удельных мощностей источников тепла;
2. более широкое применение малой распределенной теплогенерации;
3. заинтересованность потребителей в энергосбережении;
4. более полное использование вторичных энергоресурсов и отходов производства, пригодных для получения тепловой энергии;
5. увеличение использования возобновляемых источников тепла;
6. заинтересованность в принятии действительно оптимальных решений по развитию теплоснабжения.Задачей управления развитием и эксплуатацией систем теплоснабжения будет являться своевременная адаптация и адекватное реагирование на изменение потребности в тепле и другие внешние вызовы.
Новые тенденции, возникающие в отрасли теплоснабжения, будут определять технологическую трансформацию систем теплоснабжения. С одной стороны, это становится все более востребованным, а с другой, обеспечивается формирующимся рынком доступных инновационных технологий и оборудования.
Наличие мини- и микроисточников тепла, наличие систем теплопотребления, оснащенных интеллектуальными приборами учета, автоматическим регулированием и контролем обеспечивают необходимые условия для активного потребительского поведения. Такой потребитель окажет существенное влияние на технологию эксплуатации систем теплоснабжения и облегчит переход от качественного к количественному регулированию и дифференцированному контролю структура систем, системные и технологические изменения, технические мероприятия по переоборудованию систем.
Основными направлениями изменения структуры теплоэнергетических систем являются:
а) Ориентация на иерархические принципы построения системы с разделением кольцевых опорных и тупиковых распределительных сетей узлами управления;
б) принятие общенезависимых схем подключения потребителей и замкнутых систем горячего водоснабжения;
в) разделение источников тепла, тепловых сетей и теплопотребляющих установок на самостоятельные контуры с помощью теплообменников, устройств автоматики и регулирования;
г) Создание автоматизированной системы управления технологическими процессами производства, транспорта и потребления тепловой энергии.
Системные и технологические преобразования ориентированы на новые технологии эксплуатации систем теплоснабжения:
– совместная работа источников тепла, что фактически соответствует основному назначению крупных систем теплоснабжения и обеспечивает эффективное снабжение потребителей теплом;
– Гибридное количественно-качественное, а также только количественно-количественное регулирование отпуска и потребления тепла, что способствует организации совместной работы источников и обеспечению соответствия количества отпускаемого тепла и потребности в нем в режиме реального времени;
– Относительно низкие температуры теплоносителя, обеспечивающие широкие возможности для вовлечения в совместную работу по объединенным тепловым сетям части источников теплоты разных типов и мощностей, таких как котельные, ТЭЦ, источники, работающие на вторичных энергоресурсах и др. нетрадиционные источники тепла; кроме того, позволяет использовать новые материалы в теплоснабжении и обеспечит продление срока службы оборудования;
– Снижение давления теплоносителя за счет того, что в автономных контурах элементов теплоэнергетической системы необходимо обеспечить только циркуляцию теплоносителя, при этом снижается утечка теплоносителя и увеличивается срок службы оборудования.
Техническое перевооружение систем включает в себя комплекс мероприятий, без которых невозможно реализовать вышеуказанные направления. Среди них следующие:
• Применение системы оперативного контроля, контроля и диагностики состояния оборудования и теплопроводов в тепловых сетях, применение шаровой, дисковой и другой запорно-регулирующей арматуры с электроприводом и дистанционным управлением;
• Внедрение систем автоматизации, контроля, учета и измерений и создание на их основе автоматизированной системы диспетчерского управления;
• широкомасштабная цифровизация всех этапов работы информационно-управляющей подсистемы от измерения параметров режима работы системы теплоснабжения до реализации управляющих воздействий;
• Широкое применение автоматизированных тепловых пунктов с пластинчатыми теплообменниками и системами управления и регулирования источников, тепловых сетей и тепловых вводов потребителей.
Перспективной технологической платформой теплоснабжения будущего, согласующейся с отмеченными выше изменениями в принципах построения и устройства систем теплоснабжения, является создание «интеллектуальной» системы теплоснабжения, которая будет унифицировать при качественно нового технологического уровня, источников, сетей и потребителей в единую автоматизированную систему [12]. Это придаст ему необходимую гибкость и адаптивность к изменяющимся условиям эксплуатации, повысит эффективность, надежность и качество теплоснабжения, будет способствовать снижению теплопотерь, сгладит неравномерность графиков теплопотребления и т. д. Наличие возможности контроля и контролировать в режиме реального времени режимы работы всех участников процесса генерации, передачи и потребления тепла, а также автоматически реагировать на изменение различных параметров в системе теплоснабжения позволит интерактивно («здесь и сейчас» ) поведение потребителей на рынке тепла. Это обеспечит двустороннее и взаимосогласованное взаимодействие между потребителем и теплоэнергетической системой.
Масштабы и сложность систем газоснабжения продолжают расти. Удаленность, отделяющая месторождения газа от точек его потребления, стремление к диверсификации транспортных коридоров и увеличению возможности регулирования потока приводят к увеличению общей протяженности и усложнению конфигурации систем магистральных газопроводов. Активная газификация регионов, дальнейшая урбанизация страны, «зарастание» городов таунхаусными поселками и загородными поселками с высокой степенью благоустроенности приводят к необходимости развития систем централизованного газоснабжения и газораспределительных сетей, расширение области, охватываемой ими.
Совершенствуется и расширяется номенклатура технических изделий, используемых в системе газоснабжения:
– Трубопроводы из новых материалов, в том числе полимерных;
– Новые материалы и технологии для тепло- и гидроизоляции, снижения коррозионных процессов и образования отложений на внутренних поверхностях труб и др.;
– Энергоэффективное, компактное и малошумное компрессорное оборудование с высоким КПД в широком диапазоне мощностей;
– Надежная и качественная запорно-регулирующая арматура.
Возможности контроля и выявления неэффективного использования газа в свою очередь активизируют процессы массового применения более эффективных и качественных газораспределительных клапанов, газопотребляющих устройств, автоматических средств контроля в точках потребления. Все более активное потребительское поведение приводит к значительному усложнению процессов эксплуатации системы газоснабжения, усилению нестационарности режимов работы системы газоснабжения, увеличению вероятности появления нестандартных или даже запроектных режимов работы.
Это, в свою очередь, служит стимулом для следующего:
– Внедрение нового высокоадаптируемого энергосберегающего компрессорно-энергетического оборудования с регулируемой скоростью вращения в системе газоснабжения;
– более широкое применение средств управления и местной автоматики на магистральных объектах, автоматических регуляторов давления, расхода и т.п. в газотранспортных и газораспределительных сетях;
– развертывание крупномасштабных систем телеметрии и фискального учета для мониторинга моделей и процессов потребления;
– Применение дифференцированных тарифов для потребителей в сутки.
Во всем мире и в России газовая отрасль идет по стопам электроэнергетики в модернизации сетей, коммуникаций, приборов учета, создании разнообразных пилотных проектов, и все эти действия в конечном итоге направлены на развертывание удаленных данных. коллекции с использованием технологии M2M (Machine-to-Machine).
Уже к 2020 году Европа может стать одним из крупнейших региональных рынков M2M-устройств, достигнув отметки в 13,5 млн установленных устройств. Согласно прогнозу, опубликованному Pike Research [13], общее количество устройств мониторинга на основе M2M, установленных в газовой отрасли по всему миру, будет быстро расти в течение следующих нескольких лет, увеличившись с 8,5 млн в 2009 г. до 36,3 млн к 2016 г. Технология М2М предполагает оснащение узлов учета газа системами телеметрии. В состав оборудования, как правило, входят комплексы коммерческого учета узлов учета газа и шкаф для автоматизации системы телеметрии. Основной задачей системы телеметрии объектов газораспределения является контроль технологических параметров: давления газа на входе и выходе, перепадов давления на фильтрах, запорной арматуре и т.д. состоянии объекта и оперативно реагировать в случае возникновения неполадок. По некоторым оценкам, система телеметрии позволит контролировать около 80% поставляемого природного газа. Передача данных возможна по одному из четырех каналов связи: GSM, выделенная физическая линия, коммутируемая телефонная линия или радиоканал. GSM используется чаще всего из-за его неоспоримых преимуществ: стоимости и скорости развертывания при сохранении приемлемых значений показателей качества.
Сегодня существует острая необходимость в создании интеллектуальные газораспределительные сети на цифровой основе. Под интеллектуальной системой здесь понимается такая система передачи и распределения потоков газа, которая сочетает в себе традиционные компоненты и современные технологии, комплексные средства управления и контроля, а также информационные технологии и средства связи, обеспечивающие повышение эффективности управления газораспределительной сетью и ресурсами газоснабжения.
Неотъемлемыми частями этой газовой сети являются:
– Автоматизация и управление (интеллектуальные системы учета: счетчики газа и электронные приборы контроля);
– Сетевая коммуникационная инфраструктура (технологические, приборные и локальные сети);
– Специализированный кейс-центр, использующий методы искусственного интеллекта.
Построение интеллектуальной сети предполагает установку интеллектуальных узлов учета, позволяющих создать первичное информационное поле.
Основным модулем, влияющим на режимы газоснабжения региона, является подсистема управления работой узлов учета газораспределительных станций. Данная подсистема позволяет видеть состояние основных параметров газораспределительной станции, таких как давление газа на выходе, часовой расход газа, накопленный расход газа за заданные договорные сутки, расход газа за предыдущие сутки с передача актуальных данных в специализированный кейс-центр в режиме периодического автоматического запроса.
Следующей по порядку процесса транспортировки газа в газораспределительной системе является подсистема управления газорегуляторными пунктами предприятия. Данная подсистема построена на базе программно-аппаратного комплекса, позволяющего осуществлять оперативный контроль следующих параметров газорегуляторных пунктов по каналам радиосвязи:
– входное и выходное давление газа;
– температура внутри помещения газорегуляторных пунктов;
– уровень загазованности технологических помещений ГРП и потребителей в зоне обслуживания ГРП.
Таким образом, использование интеллектуальной аппаратуры поддержки или умных технологий в газовой отрасли напрямую связано с газораспределительными сетями, приближено к потребителю и позволяет в режиме онлайн перераспределять потоки газа в газораспределительной сети, оптимизируя (в необходимой и возможной степени) газ проходит через его ответвления.
Рассмотренные инновационные тенденции в системах электро-, тепло- и газоснабжения во многом характерны для систем водоснабжения, а также для систем нефтеснабжения, если речь идет о технологической и транспортной инфраструктуре. Обобщение этих тенденций позволяет нам сформулировать ряд утверждений, в равной степени применимых ко всем этим системам.
1. Увеличение масштабов рассматриваемых энергосистем, расширение обслуживаемых ими территорий.
2. Усложнение структуры энергосистем в связи с ростом разнообразия энергоэлементов в широком диапазоне технологий и мощностей, включая распределенную генерацию, и усложнением конфигурации сетевой инфраструктуры.
3. Усиление взаимодействия и взаимозависимости различных энергетических систем в энергетике, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций, и тем самым усугубления проблем энергобезопасности страны и ее регионов.
4. Широкое использование инновационных технологий в производстве, транспортировке, распределении и потреблении энергоресурсов и конечных видов энергии.
5. Активный характер потребительского поведения в части управления собственным энергопотреблением в темпах, соответствующих процессу, с использованием дифференцированных во времени цен на потребляемые энергоресурсы.
6. Широкое использование информационно-коммуникационных технологий измерения состояния энергосистем, передачи, обработки и представления оперативной информации для контроля и управления режимами работы.
7. Активное использование идеологии интеллектуальных энергосистем как технологической платформы энергосистем будущего.
8. Существенное изменение свойств будущих интеллектуальных энергосистем как объектов мониторинга их состояния и управления режимами их работы.
9. Создание условий для построения интегрированных интеллектуальных энергосистем как единых технологических комплексов с общей системой управления за счет не только традиционных факторов интеграции на уровне производства энергии (например, ТЭЦ, производящих электроэнергию и тепло при использовании газа). в качестве их топлива), но и благодаря наличию альтернативных технологий использования разных видов энергии для одних и тех же целей на стороне потребителя (например, отопление от системы централизованного теплоснабжения или от электронагревателя) [14] .
Перечисленные общие тенденции развития и функционирования энергосистем будущего предопределяют направления их исследования.
В течение последних 10-15 лет специалисты активно обсуждают и разрабатывают повестку создания интеллектуальных электроэнергетических систем, то есть Smart Grids [15-39]. Под эгидой международных организаций ежегодно проводятся международные конференции по проблемам интеллектуальных электроэнергетических систем. Например, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) ежегодно проводит специализированные международные конференции «Инновационные технологии интеллектуальных сетей» в Европе, Азии, Африке, Северной и Южной Америке. Тема интеллектуальных технологий и интеллектуальных систем электроснабжения также в значительной степени освещается на общих конференциях по электроэнергетике, проводимых IEEE, то есть на Общем собрании IEEE PES, IEEE Power Tech, IEEE Power Con и т.п. Интеллектуальные технологии и добавление интеллектуальных возможностей к управлению электроэнергетическими объектами и электроэнергетическими системами активно обсуждаются на международных конференциях, конгрессах, симпозиумах, семинарах, проводимых Международной федерацией автоматического управления (IFAC), а также на Международной конференции по большим Электрический Systems (CIGRE), Международной конференции по распределению электроэнергии (CIRED) и некоторыми другими международными ассоциациями и организациями. Актуальные задачи интеллектуальных технологий также рассматриваются на международных конференциях, проводимых в России и странах СНГ на русском языке, таких как «Современные направления развития систем защиты энергосистем», «Электроэнергетика». машиностроение глазами молодежи», «Методические вопросы исследования надежности больших энергетических систем» и ряд других.
Высокий интерес к идеологии интеллектуальных электроэнергетических систем как технологической платформы энергетики будущего имеет вполне обоснованные основания. Во многих странах это связано с несколькими основными факторами: ожидаемым широким использованием сильно изменчивых возобновляемых источников энергии, дополнительным спросом на электроэнергию в связи с постепенным переходом на электромобили и развитием информационных технологий, позволяющих создавать игровые возможности. изменение высокоэффективных систем контроля и управления электроэнергетической системой. В то же время подходы и приоритеты варьируются от страны к стране из-за разного профиля электроэнергетики и электроэнергетических систем, различий в предпочтениях.
В Европе, США и ряде других стран основное внимание уделяется системе распределения электроэнергии и активности потребителей [15, 16]. В Китае упор делается на высоковольтную сеть электропередачи в плане оснащения ее высокоточными системами синхронных векторных измерений на базе PMU, современными системами сбора, передачи, обработки и представления информации, которые служат основой для создание крупномасштабных систем мониторинга (СКМ) и управления (СКУ) режимами работы электроэнергетических систем [20-21]. В России развивается концепция активно-адаптивной сети, относящейся, прежде всего, к сети передачи электроэнергии, но также и к сетям распределения [17-19]. Активно-адаптивная сеть, являясь аналогом Smart Grid, предполагает широкое использование современных систем учета, сбора, обработки, передачи и визуализации данных, активных элементов, изменяющих топологию сети и влияющих на генерацию и потребителей, реально- системы оперативного управления, позволяющие адекватно реагировать на изменяющуюся ситуацию в электроэнергетической системе, системы оперативного мониторинга и прогнозирования состояния электроэнергетической системы.
В 2010-2012 годах по инициативе и при поддержке Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы (ФСК ЕЭС), Института систем энергетики им. Мелентьева СО РАН, Института проблем управления РАН Российской академией наук и Научно-техническим центром Федеральной сетевой компании (ФСК ЕЭС) при участии ряда организаций и экспертов разработана Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активной и адаптивной сетью [22]. На основании этого онцепции вышеуказанные организации разработали и систематизировали теоретические основы, методы и модели управления интеллектуальными энергосистемами [23]. В 2008-2011 годах в рамках 7-й рамочной программы сотрудничества Европейского Союза и России в области энергетики по Госконтракту Минобразования при координации Института систем энергетики им. Мелентьева СО РАН и с при участии Института проблем управления РАН и ряда других организаций реализован проект «Наукоемкая координация оперативного и аварийного управления взаимосвязанными энергосистемами Европейского Союза и России» [24]. Эти фундаментальные работы послужили методологической основой для развития исследований в России в области интеллектуальных технологий и интеллектуальных электроэнергетических систем.
В 2011-2013 гг. Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРТУ) при методической поддержке Института систем энергетики им. Мелентьева СО РАН реализовал проект «Интеллектуальная энергетическая система для эффективной электроэнергетики будущего», поддержанный грант Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 220 «О мерах по привлечению ведущих научных сотрудников в российские высшие профессиональные учебные заведения». Приглашенным ученым был профессор, д-р З.А.Стычинский, Университет Отто фон Герике в Магдебурге, Германия. Между Иркутским национальным исследовательским техническим университетом, Университетом Отто фон Герике, Институтом систем энергетики им. Мелентьева СО РАН, Институтом Фраунгофера (Магдебург), ОАО «Иркутскэнерго» и Siemens было подписано соглашение о намерениях, в соответствии с которым ИРНИТУ создал передовую исследовательскую инфраструктуру в рамках проэкт. На базе этой инфраструктуры проводились запланированные проектом исследования.
Идеология Smart Grid начинает внедряться в системы газоснабжения [25-45]. Основные исследования и их результаты сосредоточены на газораспределительных сетях, а точнее на интеллектуальном учете, обработке и предоставлении актуальной информации потребителю. Пионером в этой области является Япония. Соответствующая работа ведется в европейских странах, хотя отношение к этой проблеме достаточно настороженное [27]. В России процесс использования идеологии Smart Grid все еще находится в зачаточном состоянии [28-30]. Системы отопления имеют значительный методологический, технологический и информационный потенциал для использования идеологии Smart Grid. Этому способствует успешно развивающийся рынок доступных современных технологий добавления интеллектуальных возможностей, систем контроля и учета тепловой энергии, телекоммуникаций и информационного обеспечения, малой генерации на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и др. Они обеспечивают активную поведение потребителей, обращение со складом и собственное производство Thermak Energy для создания максимально комфортных условий в помещении. Масштабный пилотный проект «Combined Efficient Large Scale Integrated Urban Systems» (CELSIUS) по разработке интеллектуальных систем электричества, тепла и охлаждения реализуется в пяти крупных городах Европы: Гётеборге, Женеве, Кельне, Лондоне, Роттердаме [30]. Наибольший прогресс достигнут в Гётеборге, где применяются не только новые технологии производства энергии, но и интегрированные транспортные технологии в виде единой конструкции для одновременной передачи электроэнергии, тепла и газа. Первые проекты по построению интеллектуальных систем теплоснабжения реализуются в ряде других европейских городов, таких как Марсталь и Копенгаген (Дания) [41-43], Битигхайм-Биссинген и Крайльсхайм (Германия) [30], Мальмё. (Швеция) [34], Delft и Heerlen (Нидерланды) [34, 35] и др. Эти проекты выполняются на базе существующих систем с включением возобновляемых источников энергии, накопителей тепла, вовлечением потребителей в активное управление их теплопотреблением с учетом их индивидуальных особенностей и требований.
Опубликованные за рубежом методические разработки по тематике интеллектуальных систем теплоснабжения связаны в первую очередь с определением их свойств, формированием технологической концепции интеллектуальной системы теплоснабжения (интеллектуальных тепловых сетей) [36,37], общим математическим описанием таких систем с учетом хранения и альтернативного производства тепловой энергии на стороне потребителя [38, 39]. Предложена математическая модель оптимального управления работой системы, обеспечивающая согласование энергетических балансов при минимальных затратах на производство тепла [39], поставлены и решены задачи оптимизации режимов работы системы при минимальных расходах топлива на производство тепла [40, 41]. Сформулированы задачи оперативного прогнозирования потребности в тепле и его распределения по источникам, в том числе возобновляемым [42]. Главной особенностью этих проектов является то, что они ориентированы на применение в системах с высокой степенью автоматизации технологических процессов. Однако они не охватывают весь спектр возникающих новых проблем. В России вопрос «умных тепловых сетей» дошел только до стадии обсуждения. При этом технологическая база для его реализации подготовлена, есть научно-методический прогресс в управлении разработкой и эксплуатацией. Это работы по решению задач оптимального распределения тепловых нагрузок между источниками тепла [43], по идеологии, принципам построения и управления режимами работы [44,45]. Они могут заложить методологическую основу для интеллектуальных систем теплоснабжения.
На основе анализа проблем проектирования и эксплуатации трубопроводных систем тепло-, водо-, газонефтеснабжения, а также современных тенденций инновационного развития энергосистем решаются задачи строительства и управления интеллектуальными трубопроводными системами были разработаны в Институте систем энергетики им. Мелентьева СО РАН [12, 45]. Новое содержание раскрыто для задач анализа и синтеза гидравлических схем, являющихся теоретической основой интеллектуальных трубопроводных систем. Были разработаны методы количественной оценки управляемости и идентифицируемости этих систем.
В связи с актуализацией исследований в рамках концепции Smart Grid были проведены исследования на предмет анализа интегрированных систем энергоснабжения с учетом активности потребителей в управлении собственным энергоснабжением, использования накопителей энергии, современных информационных и коммуникационных технологий и др. [45]. Обсуждаются конкретные приложения к различным интегрированным системам энергоснабжения: электричества и тепла; электричество, вода и газ; электричество и газ; электричество, тепло и холод; и т.д.
В странах Евросоюза прорабатываются вопросы оснащения жилых и общественных зданий умными счетчиками. Европейская комиссия сформулировала задачу стандартизации интеллектуальных счетчиков электроэнергии, газа, тепла, воды (Мандат М/4416, 2009 г.) [26, 27]. Система интеллектуального учета считается ключевым звеном в реализации комплексных интеллектуальных систем электроснабжения. В связи со стандартизацией интеллектуальных счетчиков и активным использованием потребителями собственных микроисточников энергии (солнечные фотоэлектрические панели и коллекторы, микротурбины, микроаккумуляторы электроэнергии и тепла и др.), а также альтернативных устройств которые фиксируют энергопотребление, ведется постоянная работа по созданию и эксплуатации микроэнергетических систем на уровне потребителей.
Вышеприведенный анализ состояния исследований в данной предметной области свидетельствует о наличии проработанных разработок в области построения и исследования интеллектуальных энергетических систем. При этом качество выводов, относящихся к отдельным направлениям и различным энергетическим системам, неодинаково. Кроме того, состояние развития в России представляется неадекватным по сравнению с практикой, принятой за рубежом. Все это требует активизации и включения фундаментальных исследований в проблемы интеллектуальных энергетических систем и пути их решения.
Сложность энергетических систем, их взаимодействие и взаимозависимость, сложность обоснования развития этих систем как автономных систем и в составе энергетики, а также интегрированных энергетических систем, сложность процессов, протекающих в энергетических системах - все это предопределяет актуальность применения иерархического моделирования для обоснования развития и управления функционированием энергетических систем.