Модели и методы адаптации систем энергетики в современных условиях их функционирования и развития

Объект исследования – системы энергетики России и её Севера. Цель работы – разработка подходов и методов оценки трансформации систем энергетики в ответ на изменение их внешнего окружения и внутренних правил развития и функционирования, в т.ч. их надёжности. Методологическая основа работы – системные исследования в энергетике, математическое моделирование и программирование, иерархическое моделирование, сценарный анализ, теория нечётких множеств, теория вероятностей и статистики, методы оптимизации, энергоэкономический анализ. Результаты работы. Разработан метод решения задачи сравнительной оценки неопределённости информации, необходимой для прогнозирования развития отраслей энергетики. Поскольку совокупность всех факторов, определяющих уровень неопределённости прогнозов, может быть оценена только качественно, методической основой решения задачи выбран метод анализа иерархий. Основным новым результатом стало выявление двух групп отраслей, у которых уровни неопределённости необходимой для прогнозирования информации существенно разнятся. Применение этого результата плодотворно при моделировании перспектив развития топливно-энергетического комплекса благодаря минимизации негативного влияния высокого уровня неопределённости некоторых отраслей энергетики. Решена задача численной оценки значимости укрупненных направлений декарбонизации экономики. Определены направления, без которых она невозможна в современных условиях – среди них ГЭС, АЭС, а также повышение энергоэффективности в энергопотреблении и в производстве энергии на углеводородном топливе. Во вторую по значимости группу вошли безуглеродные (ветровые и солнечные) источники энергии. В третьей представлены энерготехнологии с географически ограниченными возможностями применения и предпочтительные для локального энергоснабжения. Обоснован подход к моделированию неопределённости знаний о возможностях адаптации сложной системы энергетики в ответ на изменения внешних условий, базирующийся на инструментарии теории нечётких множеств. Метод, реализующий данный подход, ориентирован на прогнозирование изменений в системах энерго- и топливоснабжения с большим количеством акторов на основе представлений о полноте и достаточности имеющихся информации и знаний. Выявлены расхождения между публичными заявлениями компаний относительно приверженности климатической повестке в Арктике и фактическим содержанием их планов, программ и проектов модернизации промышленности и энергетики, в которых не ставится задача снижения выбросов парниковых газов до какой-то определенной величины или хотя бы частичный переход на возобновляемые источники энергии. Отсутствие активных действий по декарбонизации не означает, что такие изменения не происходят. Последовательное накопление микроизменений в желательном направлении в ходе множества инвестиционных циклов способны в итоге привести к качественному переходу во всей энергосистеме. Обоснован состав средств резервирования при различных сценариях развития солнечных и ветровых электростанций в объединенной энергосистеме Юга ЕЭС России. При планируемой к 2025 г. величине производства электроэнергии 7700 млн кВт∙ч (6,86 %) требуется увеличение величины оперативного резерва мощности на 160 МВт (0,94 % от максимума нагрузки) при работе в составе ЕЭС России и 420 МВт (2,47 %) при изолированной работе. Установлено, что адаптация топливно-энергетического комплекса к требованиям борьбы с глобальным изменением климата в Республике Коми проявляется, главным образом, в декарбонизации местной экономики в процессе газификации объектов энергетики. Остальные направления, характерные для стран Европейского Союза, практически не выражены. Повышение физической и экономической доступности энергии для локальных сообществ, переход на местные экологически нейтральные источники энергии (за исключением биотоплива в лесных районах), развитие интеллектуальных распределённых энергетических систем, включая системы накопления энергии, остаются задачами неопределённой перспективы. Показано, каким образом сводные топливно-энергетические балансы субъектов федерации позволяют оценить вклад каждого региона в общую эмиссию парниковых газов, и на этой основе проводить межотраслевые и межрегиональные сравнения, в том числе по эффективности достижения национальных целей климатической повестки. Также анализ массива отчетных и перспективных топливных балансов в схемах теплоснабжения даёт возможность проводить исследования на низовом уровне – отдельном городском или сельском поселении. Сравнительные оценки на локальном уровне малоинформативны в силу сильной гетерогенности объектов наблюдения. Однако получаемые количественные оценки дают основания для определения наиболее проблемных элементов региональной энергетической системы с целью корректировки управляющих воздействий. Обосновано, что, несмотря на ряд явных и неявных преимуществ автомобилей на электрической тяге для общества и владельцев транспортных средств (в т.ч. в плане безопасности движения, дешевизне заправки и эксплуатации), сколь-нибудь широкое их использование на Севере видится в пределах населённых пунктов и городских пригородов. А единственная весомая польза от их использования состоит в улучшении экологической обстановки в городах. Показано, что вследствие общей нестабильности мировой экономики после кризиса 2008 г. положительная динамика природоохранной составляющей инвестиций традиционной энергетики привела к снижению её конкурентности. В частности, для наиболее дешёвой угольной генерации снижение составило в среднем 21% за счёт роста экологической компоненты с 34 до 41%. Выявлено, что на конкурентность традиционной энергетики также существенное влияние оказала тенденция резкого снижения удельных инвестиций в возобновляемые энергоисточники за этот период (для наиболее дешёвой наземной ветрогенерации на 32% при инфляции 16%). Сделан вывод о наличии факторов искусственного характера в тенденции занижения конкурентности традиционных энерготехнологий со стороны развитых стран. Показано, что для формирования модели расчетной схемы ЭЭС и ЕЭС России при решении задач балансовой надёжности приемлемо применение предложенного в новых МУ 2022 г. подхода, основанного на оценке контролируемых сечений, используемых при диспетчерском управлении. При этом отмечается, что именно такой подход применялся при формировании моделей расчетных схем ЕЭС страны при разработке МР 2003 г. и не утвержденных МУ 2012 г. Показано, что введение в новых МУ раздела по обеспечению балансовой надёжности приведет к негативным последствиям в области исследования балансовой надёжности по причине сосредоточения инструментария и информационной составляющей в одной структуре. Приведены различные модели оценки случайных состояний генерирующей мощности и нагрузки (блоков РДМ) при оценке ПБН: балансовая модель, модель в идеализации постоянного тока и модель, основанная на учете контролируемых сечений. Показано, что получение ограничений по пропускной способности межсистемных связей сопряжено с опредёленными допущениями, связанными с независимостью используемых при формировании под задачи балансовой надёжности модели расчетной схемы ЭЭС контролируемых сечений. Особенно эти допущения характерны для первых двух приведенных выше моделей. На гипотетической схеме энергосистемы показан процесс получения модели расчетной схемы ЭЭС под задачи балансовой надёжности и проведены сопоставительные расчеты по обоснованию величины оперативного резерва мощности и требуемой мощности электростанций для обеспечения нормативного показателя балансовой надёжности. На множестве других примеров с различными параметрами показано, что использование рассмотренных в работе трёх моделей оценки случайного состояния – блоков РДМ приводит практически к одним и тем же результатам величин оперативного резерва мощности (отличия величин по ЭЭС в целом не превышают 0,2 % от максимума нагрузки энергосистемы). Показана эффективность сочетания централизованной и децентрализованных энергосистем, что обеспечивает в условиях энергетического перехода повышение надёжности электроснабжения. При этом наличие ЛИЭС расширяет возможности управления спросом на электроэнергию в ЕЭС, позволяя достичь уменьшения пиковой нагрузки в энергосистеме, отражающееся на цене электрической энергии на рынке на сутки вперёд, а также на рынке мощности, путём предотвращения избыточного капиталоёмкого строительства электростанций и электрических сетей. Оказываемое агрегатором влияние на конфигурацию графика нагрузки в ЕЭС России по мере прохождения времени будет увеличиваться, что приведет к изменению плотности графика нагрузки, которое скажется на уровнях необходимого оперативного резерва мощности. Разработан на основе свёрточной нейронной сети классификатор для определения в реальном времени изменений в топологии электрической сети. В основу определения линий электропередачи, изменивших своё состояние, положено различие в характере переходных процессов, возникающих в результате событий и фиксируемых устройствами синхронизированных векторных измерений. Вычислительные эксперименты продемонстрировали возможность использования предлагаемого классификатора на больших системах. Полученные оценки по влиянию грубой ошибки (перемена знака модуля тока) на точность определения изменения в топологии электрической сети указывают на необходимость включения данных с грубой ошибкой в обучающую выборку. Для построения имитационных моделей электроэнергетических систем впервые использованы современные языки акаузального моделирования. Разработаны и верифицированы экспериментальные библиотеки моделей основных компонентов электроэнергетической системы. Результаты моделирования электромеханических переходных процессов в 10-машинной тестовой энергосистеме продемонстрировали принципиальную возможность и эффективность применения такого подхода для быстрого прототипирования сложных электроэнергетических систем. Введён в действие программно-технический комплекс моделирования ЭЭС. Его назначение – численное моделирование в реальном времени установившихся режимов, электромагнитных и электромеханических переходных процессов в заданной виртуальной модели многомашинной регулируемой ЭЭС и выдача результатов в виде потоков данных синхронизированных векторных измерений по цифровым каналам связи, а также с помощью реальных физических устройств измерения, сбора и передачи информации. Комплекс служит испытательным стендом для проведения НИР, связанных с разработкой и тестированием методов и алгоритмов решения задач оперативно-диспетчерского и автоматического режимного управления по данным синхронизированных векторных измерений. Программное обеспечение микропроцессорной релейной защиты и автоматики энергосистем относится к области критически важных приложений, работающих в режиме реального времени и требующих высокой надёжности выполнения своих функций. Показано, что для подобных систем основная часть готовности функционирования защиты связана с готовностью программного обеспечения. Последнее определяется сложностью описания алгоритмов и большой чувствительностью даже к малым отклонениям от основного алгоритма, вызванной проблемами тестирования из-за отсутствия ограничений непрерывности функций, описывающих алгоритмы решений. На примере промышленного терминала, включающего модули защиты и управления шин 35 кВ и секции трансформатора, показано, что вклад неготовности программного обеспечения в суммарную неготовность терминала для защиты трансформатора составляет 99,8%, а для защиты шин – 49,8%.