«СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ Ретроспектива научных направлений СЭИ–ИСЭМ Ответственный редактор член-корреспондент РАН Н.И. Воропай НОВОСИБИРСК НАУКА 2010 УДК 621.311.1 ББК 31.2 С 34 Системные исследования в ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ ИМ. Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА

СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Ретроспектива научных направлений

СЭИ–ИСЭМ

Ответственный редактор

член-корреспондент РАН Н.И. Воропай

НОВОСИБИРСК

«НАУКА»

2010 УДК 621.311.1 ББК 31.2 С 34 Системные исследования в энергетике: Ретроспектива научных направлений СЭИ– ИСЭМ / отв. ред. Н.И. Воропай. – Новосибирск: Наука, 2010. – 686 с.

ISBN 978-5-02-018968-3.

В монографии дается обзор результатов научных направлений в области системных исследований в энергетике, выполненных в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН (до 1997 г. – Сибирский энергетический институт (СЭИ)), за его 50-летнюю историю.

Книга предназначена для специалистов, занимающихся системными проблемами энергетики, а также может быть полезна студентам и аспирантам в этой области исследований.

Табл. 32. Ил. 153. Библиогр.: 1681назв.

Редакционная коллегия Н.И. Воропай, А.В. Кейко, А.М. Клер, Ю.Д. Кононов, Б.Г. Санеев, В.А. Стенников Рецензенты Доктор технических наук. О.В. Балышев Доктор технических наук В.С. Степанов Доктор технических наук В.Р. Чупин Утверждено к печати Ученым советом Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН ISBN 978-5-02-018968- Без объявления © Российская академия наук, © Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН,

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………………………………………………... ВВЕДЕНИЕ. К 50-летию Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН …...

ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Становление системных исследований в энергетике ………………………………………. 1.2. О книге Л.А. Мелентьева «Системные исследования в энергетике: элементы теории, направления развития» ……………………………………………………………………….. 1.3. Междисциплинарные аспекты системных исследований в энергетике …………………... 1.4. Особенности математического моделирования в системных исследованиях энергетики …. 1.5. Учет неопределенности информации в системных энергетических исследованиях …….. 1.6. Методы оптимизации в системных исследованиях энергетики …………………………... 1.7. Актуальные направления теории и методов исследования операций в задачах энергетики …. 1.8. Методы решения некорректных задач в системных исследованиях энергетики ………… 1.9. ИТ-инфраструктура системных исследований в энергетике ……………………………….

ГЛАВА 2. СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ, УСТАНОВОК И ОБЪЕКТОВ

2.1. Становление прогнозных технологических исследований в энергетике …………………. 2.2. Физико-химический анализ технологических процессов в энергетике …………………... 2.3. Исследование быстрых теплогидравлических процессов в каналах энергоустановок ….. 2.3.1. Экспериментальная установка «Высокотемпературный контур» …………………….. 2.3.2. Термогидравлические процессы при разгерметизации парогенерирующего канала …… 2.3.3. Исследование теплогидравлических процессов в водоохлаждаемом канале при импульсных тепловыделениях……………………………………………………………… 2.3.4. Скорость низкочастотных волн давления в парожидкостной среде с неподвижным 2.4. Оптимизация схем и параметров энергетических установок и электростанций …………. 2.5. Системное сопоставление энергетических технологий …………………………………….

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ..

3.1. Управление режимами электроэнергетических систем: теоретические основы, реализация в автоматизированных системах диспетчерского управления ……………….. 3.2. Становление и развитие теории гидравлических цепей ……………………………………. 3.2.4. Математические модели и методы расчета потокораспрелделения…………………... 3.2.5. Обратные задачи потокораспределения и системная идентификация ТПС ………...... 3.2.7. Схемно-параметрическая оптимизация ТПС …………………………………………...... 3.2.13. Направления развития теории гидравлических цепей ………………………………….. 3.3. Предыстория и развитие исследований неоднородностей и слабых мест систем энергетики ….. 3.4. Наблюдаемость и идентифицируемость систем энергетики ………………………………. 3.4.1. Наблюдаемость электроэнергетических систем ………………………………………... 3.5. Оценивание состояния и идентификация параметров систем энергетики ………………... 3.5.1. Оценивание состояния (ОС) и идентификация параметров систем энергетики ……... 3.5.2. Современные направления исследований в области ОС ЭЭС …………………………… 3.6. Анализ и оптимизация установившихся режимов систем энергетики ……………………. 3.6.1. Алгоритмы для анализа и управления установившимися режимами ЭЭС …………….. 3.6.2. Анализ и оптимизация установившихся режимов трубопроводных и гидравлических 3.7. Исследование и нормализация режимов высших гармоник в электрических сетях высоких 3.7.2. ГОСТ 13109-97 об оценке несинусоидальности напряжения ……………………………. 3.7.3. Результаты измерений KU (n ) и KU в электрических сетях …………………………… 3.7.4. Методический подход к моделированию режимов высших гармоник …………………. 3.7.5. Моделирование электрической сети для анализа режимов высших гармоник ………... 3.7.6. Определение параметров элементов сети на высших гармониках по результатам 3.7.7. Основные результаты исследования свойств режимов высших гармоник в сетях 3.7.8. Централизованное снижение напряжений высших гармоник в узлах сети с распределенной нелинейной нагрузкой с помощью пассивных фильтров ……………… 3.8. Исследование переходных процессов электроэнергетических систем и управление ими … 3.9. Роль и место методов физического моделирования в исследованиях электроэнергетических систем, проводимых ИСЭМ СО РАН ……………………………………………….. 3.10. Исследование и обеспечение надежности систем энергетики …………………………… 3.10.1. Исследование и обеспечение надежности электроэнергетических систем ………….. 3.10.2. Исследование и обеспечение надежности теплоснабжающих систем ………………. 3.10.3. Научный семинар «Методические вопросы исследования надежности больших 3.11. Механизмы управления либерализованными системами энергетики и их реализация … 3.11.1. Механизмы управления либерализованными системами электроэнергетики ………… 3.11.2. Методы и механизмы управления либерализованными системами теплоснабжения … 3.11.3. Экономически обоснованные тарифы на электрическую и тепловую энергию на

ГЛАВА 4. СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕНДЕНЦИЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

4.1. Методы и модели исследования взаимосвязей энергетики, экономики и прогнозирования 4.1.1. Системы прогнозных моделей СЭИ 1970-х – 1980-х годов ……………………………… 4.1.2. Развитие методов моделирования взаимосвязей энергетики и экономики в ИСЭМ 4.1.3. Модельно-компьютерный комплекс ИСЭМ СО РАН для исследования долгосрочных стратегий развития ТЭК во взаимосвязи с экономикой ………………………………... 4.1.4. Некоторые результаты исследований ценовых и макроэкономических связей ТЭК... 4.1.5. Направление дальнейших исследований …………………………………………………… 4.2. Исследование направлений развития мировой энергетики на долгосрочную перспективу ….. 4.3. Формирование и исследование территориально-производственной структуры ТЭК 4.3.1. Модели для оптимизации территориально-производственной структуры ТЭК страны, разрабатываемые в 1960–1980 гг. ……………………………………………….

4.3.2. Развитие методов и моделей оптимизации ТЭК страны и регионов в 1990–2000 гг. … 4.3.3. Некоторые результаты исследований развития территориально-производственной 4.4. Прогнозирование и исследование развития региональных ТЭК ………………………….. 4.4.1. История развития исследований региональных ТЭК …………………………………….. 4.4.2. Цели и задачи исследования развития региональных ТЭК ………………………………. 4.4.3. Схема исследований развития региональных ТЭК ……………………………………….. 4.4.4. Система моделей для исследования развития региональных ТЭК ……………………… 4.4.5. Программно-вычислительный комплекс для исследования развития региональных ТЭК и формирования топливно-энергетических балансов ………………………………. 4.4.6. Оценка эффективности стратегий развития ТЭК ……………………………………… 4.5. Исследование в области энергетической безопасности страны и регионов ……………… 4.5.1. Истоки и эволюция проблематики энергетической безопасности. Формирование 4.5.3. Угрозы энергетической безопасности. Мониторинг и индикативный анализ ………… 4.6. Долгосрочное прогнозирование природообусловленных факторов в энергетике ………. 4.6.1. Предпосылки создания направления по долгосрочному прогнозированию природообусловленных факторов энергетики в СЭИ–ИСЭМ …………………………………….. 4.6.2. Научная и практическая значимость долгосрочного прогнозирования в энергетике..... 4.6.3. Основные этапы развития долгосрочного прогнозирования в СЭИ–ИСЭМ …………... 4.6.4. Вероятностный подход к долгосрочному прогнозированию И.П. Дружинина ………... 4.6.5. Методология долгосрочного прогнозирования А.П. Резникова ………………………….. 4.6.6. Создание гибридной информационно-прогностической системы ГИПСАР …………... 4.6.8. Применение новых информационных технологий в долгосрочном прогнозировании …. 4.6.9. Анализ эффективности долгосрочного прогнозирования и перспективы его 4.7. Системные исследования взаимодействия с природной средой при управлении развитием ТЭК... 4.7.1. История экологических исследований в Институте …………………………………….. 4.7.2. Результаты решения некоторых прикладных задач …………………………………….. 4.7.3. Развитие методологии учета экологических факторов при оценке вариантов 4.7.4. Методический подход для прогнозирования выбросов парниковых газов (СО2) и оценки эколого-экономической эффективности новых проектов по сокращению 4.8. Обоснование развития электроэнергетики, электроэнергетических систем и компаний …. 4.9.1. Территориально-временные уровни планирования развития теплоснабжения ……….. 4.9.5. Инновационные принципы построения теплоснабжающих систем …………………… 4.10.1. Краткий обзор исследований по проблемам обоснования развития систем 4.10.2. Иерархия задач при комплексном исследовании развития систем газоснабжения в 4.10.3. Методы и модели для оптимального развития систем газоснабжения ……………… 4.10.4. Обоснование основных направлений развития систем газоснабжения РФ до 2020 г. …. 4.11.1. Развитие методов моделирования угольной промышленности ……………………….. 4.11.2. Угольная промышленность как объект исследования и задачи прогнозирования 4.11.3. Система моделей для исследования развития угольной промышленности …………… 4.11.4. Программное и информационное обеспечение исследований развития угольной 4.11.5. Некоторые результаты исследований развития угольной промышленности ………... 4.12. Обоснование использования возобновляемых источников энергии …………………….. 4.12.2. Концептуальные положения и критерии оценки эффективности использования ВИЭ …. 4.12.3. Методический подход по обоснованию применения ВИЭ при разработке региональных энергетических программ …………………………………………………………………...

4.12.4. Учет ВИЭ при моделировании систем энергетики на различных территориальных 4.13 Исследование и обоснование рациональных направлений развития энергоснабжения 4.13.1. Применение электроэнергии на цели теплоснабжения ………………………………... 4.13.2. Подключение изолированных потребителей к системе централизованного электроснабжения …………………………………………………………………………………. 4.13.3. Учет изолированных потребителей при разработке региональных энергетических 4.13.4. Методический подход к выбору оптимальных схем развития энергоснабжения

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наш институт обязан своим созданием идее комплексного изучения энергетики и выдающемуся ученому-энергетику – академику Л.А. Мелентьеву.

Сибирский энергетический институт (СЭИ) был организован в августе 1960 г. В составе Cибирского отделения Академии наук СССР. Л.А. Мелентьеву, первому директору, удалось привлечь лучших выпускников вузов и сотрудников различных организаций Москвы, Новосибирска, Ленинграда, Томска, Иваново, Иркутска и др., которые составили научное ядро института. С самого начала в СЭИ сложилась атмосфера демократизма, гласности и коллективизма в работе, что впоследствии было развито вторым и третьим директорами института – академиком Ю.Н. Руденко и чл.-корр. РАН А.П.

Меренковым и названо «духом СЭИ». В 1997 г. СЭИ переименован в Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ).

Главная задача института состоит в комплексном, системном изучении энергетики в широком ее понимании, а объектами фундаментальных исследований и приложений являются общеэнергетические и физико-технические системы: топливноэнергетические комплексы (ТЭК) территорий, регионов, страны и мира и составляющие их электроэнергетические, тепло-, нефте- и газоснабжающие системы, угольная промышленность, атомная энергетика, а также перспективные энергетические технологии и оборудование.

При этом научная направленность института связана с созданием и развитием теории и методов системных исследований в энергетике, нацеленных на : комплексное и многоаспектное рассмотрение ТЭК и составляющих его систем энергетики; анализ мировых, национальных и региональных тенденций в энергетике; разработку прогнозов, приоритетов и стратегий развития энергетики и ее составляющих; создание научнометодической базы для оптимального планирования, проектирования и функционирования энергетических объектов и систем и автоматизированного управления ими; обеспечение их надежности и безопасности; создание автоматизированных рабочих мест для исследователей, проектировщиков и диспетчеров в этой области и др.

За прошедшие 50 лет со дня основания коллективом института наработано много.

Сменяются поколения исследователей, в институт приходит молодежь. В преддверии 50-летнего юбилея института была задумана эта книга.

Почему и зачем нужна эта книга? Ответов несколько:

– 50 лет институту – это серьезное основание для того, чтобы осмыслить и систематизировать то, что сделано;

– нашей молодой смене нужно знать историю исследований, по крайней мере, чтобы «не изобретать велосипед»;

– ведущим сотрудникам и молодежи такое осмысливание и систематизация того, что сделано за 50 лет, полезны, поскольку, в том числе, наталкивают на новые идеи;

– в каждой науке, в каждом научном направлении есть своя внутренняя логика развития идей и подходов, знать ее, понять глубокий смысл этой логики всегда полезно для генерирования новых идей и подходов;

– информационную роль такой книги трудно переоценить как внутри, так и вне нашего коллектива.

Книга открывается развернутым Введением, в котором предпринята попытка систематизировать результаты исследований института, трансформацию подходов в разные периоды, сформировавшиеся научные школы, элементы внешнего признания достижений коллектива.

Глава 1 посвящена методическим основам системных исследований в энергетике.

Рассматривается история становления этого научного направления. Дается анализ книги Л.А. Мелентьева «Системные исследования в энергетике: элементы теории, направление развития», впервые комплексно сформулировавшей основные положения подхода. Рассматриваются междисциплинарные аспекты системных исследований в энергетике. Излагаются особенности математического моделирования как основного инструмента в системных исследованиях энергетики. Анализируются способы учета неопределенности при исследованиях ТЭК и систем энергетики. Рассматривается история развития и использования методов оптимизации для обоснования решений по развитию энергетики и управлению функционированием систем энергетики, специально излагаются оригинальные методы оптимизации, разработанные в институте. Анализируются новые актуальные направления теории исследования операций с учетом современных постановок энергетических задач. Дана история развития методов решения некорректных задач в энергетических исследованиях. Рассматриваются развитие и применение в институте информационных технологий (ИТ) и формирование ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике.

В главе 2 дана ретроспектива системных исследований свойств и закономерностей развития энергетических технологий, установок и объектов. Рассмотрено становление прогнозных технологических исследований в энергетике в институте. Излагается направление исследований, связанных с физико-химическим анализом технологических процессов в энергетике. Анализируются история и результаты исследований быстрых теплогидравлических процессов в каналах энергоустановок, выполняемых с использованием уникальной экспериментальной установки – высокотемпературного контура.

Рассмотрены подходы и методы оптимизации схем и параметров энергетических установок и электростанций. Излагается подход к системному сопоставлению энергетических технологий с помощью системных математических моделей.

В главе 3 рассматриваются методические основы, математические модели и методы исследования свойств систем энергетики и управления ими. Это направление представлено двумя взаимно дополняющими друг друга составляющими, связанными с электроэнергетическими системами (ЭЭС), с одной стороны, и с трубопроводными и гидравлическими системами, с другой. Излагаются история разработки теоретических основ управления режимами ЭЭС и их реализация в автоматизированных системах диспетчерского управления, а также становление и развитие теории гидравлических цепей в институте. Рассмотрены предыстория и развитие исследований неоднородностей и слабых мест в системах энергетики – электроэнергетических и трубопроводных и гидравлических. Представлены результаты в области наблюдаемости и идентифицируемости систем энергетики, а также по проблемам оценивания состояния и идентификации параметров систем энергетики. Рассмотрены в историческом аспекте методы анализа и оптимизации установившихся режимов систем энергетики, а также методы исследования и нормализации режимов высших гармоник в электрических сетях высоких напряжений. Излагается история развития исследований в области моделирования и анализа переходных процессов ЭЭС и управления ими. Дан анализ роли и места методов физического моделирования в исследованиях ЭЭС, проводимых в институте.

Рассмотрены история и результаты исследований и обеспечения надежности систем энергетики. Изложены механизмы управления либерализованными системами энергетики, математические модели и методы их реализации.

Глава 4 посвящена системным исследованиям тенденций и закономерностей развития энергетики. Рассмотрены методы и модели исследования взаимосвязей энергетики и экономики и прогнозирования ТЭК. Дан анализ истории и результатов исследований направлений развития мировой энергетики на долгосрочную перспективу. Излагаются проблемы формирования и исследования территориально-производственной структуры ТЭК страны и регионов, а также прогнозирования и исследования развития региональных ТЭК. Рассматриваются результаты исследований в областях энергетической безопасности страны и ее регионов, долгосрочного прогнозирования природообусловленных факторов в энергетике, системных исследований взаимодействия с природной средой при управлении развитием ТЭК. Обсуждаются методические основы и результаты исследования направлений развития специализированных систем энергетики – электроэнергетических, теплоснабжающих, газоснабжающих, угольной промышленности. Даны методы обоснования использования возобновляемых источников энергии. Приведены результаты исследования и обоснования рациональных направлений развития энергоснабжения северных и труднодоступных территорий.

В Заключении на основании анализа возможных перспектив развития энергетики предпринята попытка сформулировать актуальные направления системных исследований в энергетике.

Подготовка книги выполнена авторским коллективом в следующем составе: Абасов Н.В. (п. 4.6), Агафонов Г.В. (п. 4.11), Апарцин А.С. (п. 1.8), Беляев Л.С. (пп. 1.1, 1.5, 4.2, 4.8), Бережных Т.В. (п. 4.6), Войтов О.Н. (п. 3.6), Воропай Н.И. (Предисловие, Введение, пп. 1.2, 3.1, 3.3, 3.8, 3.10, 4.8, Заключение), Гамм А.З. (пп. 1.4, 3.3, 3.4, 3.5), Глазунова А.М. (п. 3.5), Головщиков В.О. (п. 3.9), Голуб И.И. (п. 3.3, 3.4), Гришин Ю.А. (п.

3.5), Дзюбина Т.В. (п. 4.10), Еделева О.А. (п. 4.9), Епифанов С.П. (п. 3.3), Ефимов Д.Н.

(пп. 3.3, 3.8), Зоркальцев В.И. (пп. 1.6, 1.7), Иванова И.Ю. (пп. 4.12, 4.13), Илькевич Н.И. (пп. 3.2, 4.8), Каганович Б.М. (пп. 1.3, 2.2), Калинина Ж.В. (п. 4.10), Кейко А.В.

(пп. 2.1, 2.5), Клер А.М. (пп. 2.4, 2.5), Ковалев Г.Ф. (п. 3.10), Коверникова Л.И. (п. 3.7), Колосок И.Н. (п. 3.5), Кононов Ю.Д. (п. 4.1), Коркина Е.С. (п. 3.5), Корнеев А.Г. (пп.

3.11, 4.4), Кошелев А.А. (пп. 4.7, 4.12), Курбацкий В.Г. (п. 3.5), Лагерев А.В. (п.4.3), Майсюк Е.П. (п. 4.7), Марченко О.В. (пп. 4.2, 4.12), Массель Л.В. (п. 1.9), Музычук С.Ю. (п. 4.4), Новицкий Н.Н. (пп.3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6), Окунева С.Т. (п. 4.10), Осак А.Б.

(п. 3.8), Паламарчук С.И. (п. 3.11), Пеньковский А.В. (п. 3.11), Подковальников С.В. (п.

4.8), Постников И.В. (п. 3.10), Пяткова Н.И. (п. 4.5), Рабчук В.И. (п. 4.5), Савельев В.А.

(п. 4.8), Санеев Б.Г. (пп. 1.5, 4.3, 4.7), Сендеров С.М. (п. 4.5), Славин Г.Б. (п. 4.5), Смирнов С.С. (п. 3.7), Соколов А.Д. (пп. 4.4, 4.11), Соломин С.В. (п. 4.2), Стенников В.А.

(3.2, 3.10, 3.11, 4.9), Таиров Э.А. (п. 2.3), Такайшвили Л.Н. (п. 4.11), Труфанов В.В. (п.

4.8), Тугузова Т.Ф. (пп. 4.12, 4.13), Федотова Г.А. (п. 3.10), Хамисов О.В. (п. 1.7), Ханаева В.Н. (п. 4.3), Чельцов М.Б. (п. 4.5), Шер И.А. (п. 1.4, 1.9).

Авторский коллектив выражает признательность Л.В. Ивановой, Н.С. Карымовой, О.М. Ковецкой, Т.Г. Новожиловой, Л.Н. Таюрской, А.Д. Шиленковой за большую работу по подготовке и изданию этой книги.

ВВЕДЕНИЕ. К 50-ЛЕТИЮ ИНСТИТУТА СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

19 августа 1960 г. было подписано постановление Президиума Академии наук СССР об организации в составе Сибирского отделения АН СССР в г. Иркутске Сибирского энергетического института. Постановление основывалось на распоряжении Совета Министров РСФСР от 3 августа 1960 г. № 4908-р. В 1997 г. постановлением Президиума СО РАН институт переименован в Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН).

Для создания Института имелись объективные предпосылки. Ко второй половине 1950-х годов в бывшем СССР, как и других экономически развитых странах, в энергетике сложилась принципиально новая ситуация, связанная с формированием крупных, территориально распределенных протяженных систем энергетики – электроэнергетических, газо-, нефте- и нефтепродуктоснабжающих, теплоснабжающих и др. В результате взаимосвязей и взаимовлияния систем энергетики образовался топливно-энергетический комплекс (ТЭК) как совокупность отраслевых систем энергетики, один из базовых комплексов экономики страны. Возникла объективная необходимость в комплексных междисциплинарных исследованиях системных проблем развития и функционирования систем энергетики и ТЭК в целом, имеющих фундаментальный характер.

В этот же период появились реальные возможности решения этих сложных многомерных системных задач, отличающихся нелинейными взаимосвязями множества факторов и условий и имеющих часто динамический характер поведения, благодаря появлению электронных вычислительных машин (ЭВМ) и бурно развивающимся методам вычислительной математики.

С учетом этого основателем и первым директором Института академиком Л.А. Мелентьевым была сформирована направленность исследований, базирующихся на сочетании трех составляющих:

принцип системности, по которому все заявления и процессы в системах энергетики должны рассматриваться с позиций закономерностей целого и взаимодействия его частей;

комплексный энергетический подход, сформулированный еще школой академика Г.М. Кржижановского, воспитанником которой был Л.А. Мелентьев;

практическая необходимость изучения энергетики как совокупности непрерывно развивающихся и усложняющихся систем энергетики.

Первый период деятельности института – 1960-е годы характеризовался самоутверждением математического моделирования и математических методов в энергетике и несколько преувеличенными надеждами молодого коллектива (средний возраст сотрудников 26–28 лет), что активное применение новых методов должно быстро преобразовать практику планирования, проектирования и эксплуатации систем энергетики. Освоение методов математического моделирования и ЭВМ с первых же лет выдвинуло Институт в одну из лидирующих научных организаций, решающих сложные комплексные проблемы энергетики. Этот статус Института подтвердили первые две всесоюзные конференции – 1963 и 1966 гг., проведенные в Иркутске.

Несмотря на лидирующую роль математического моделирования и ЭВМ в энергетических исследованиях Института, Л.А. Мелентьев придавал большое значение физическим исследовательским установкам. В 1960-е годы был спроектирован и сооружен высокотемпературный контур для изучения нестационарных процессов в паропроводах при высоких давлениях и температурах, ставший впоследствии уникальным исследовательским средством не только в СССР, России, но и в мире, который продолжает активно использоваться и развиваться до настоящего времени. Не так удачно сложилась судьба другой экспериментальной установки – электродинамической модели, а затем – цифро-аналого-физического комплекса (ЦАФК) для исследования аварийных процессов в энергосистемах. В 1960– 1970-е годы с использованием ЦАФК был решен ряд важных задач, особенно в части разработки и настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов.

К концу 1980-х – началу 1990-х годов спрос на исследования с использованием ЦАФК существенно снизился и установка была демонтирована.

Некоторое время находила применение еще одна экспериментальная установка – гидроинтегратор – для моделирования процессов в трубопроводных системах. В начале 1960-х годов в Институте существовала экспериментальная база по изучению процессов полукоксования углей. К концу 1990-х – началу 2000-х годов возникла необходимость создания экспериментальной установки газификации твердых топлив, на которой в последние годы были получены важные результаты. Тем не менее основным инструментом исследований Института на всем протяжении его истории оставались ЭВМ.

Следующий период – 1970-е годы – характеризовался определенным переосмыслением возможностей математического моделирования и ЭВМ в энергетических исследованиях, что сопровождалось осознанием принципиальной важности управления в системах энергетики как основного средства придания им необходимых свойств в процессах развития и функционирования, а также возникновением и интенсивным развитием основных научных направлений исследований Института.

На конец этого периода приходится издание книги Л.А. Мелентьева «Системные исследования в энергетике: элементы теории, направления развития» (М.: Наука, 1979), фактически ознаменовавшей теоретическое обобщение, структуризацию и оконтуривание проблематики системных энергетических исследований как самостоятельного научного направления. Л.А. Мелентьев сформулировал четыре базовых теоретических элемента системных исследований в энергетике: изучение природы исследуемых систем и их свойств;

исследование объективных тенденций развития изучаемых систем; разработка и совершенствование методов и средств исследования систем энергетики; решение с использованием методов системных исследований фундаментальных, в том числе межотраслевых, проблем развития энергетики, управления функционированием систем энергетики.

Эти базовые теоретические положения системных энергетических исследований на долгие годы определили приоритеты сформулированного научного направления, а также составляющие прикладных аспектов и проблем системных исследований в энергетике.

В 1980-е годы исследования Института приобретают все более комплексный характер. Его сотрудники активно участвуют в разработке Государственных программ и стратегий развития энергетики страны, научно-технического прогресса в энергетике и др.

В это же время издается трехтомная монография Института, обобщившая результаты работы коллектива по системным исследованиям в энергетике и получившая премию Сибирского отделения Академии наук СССР в конкурсе теоретических работ. В 1986 г.

четыре сотрудника Института из состава авторского коллектива под руководством директора Института академика Ю.Н. Руденко были удостоены Государственной премии СССР в области науки и техники. За первые 30 с небольшим первых лет сотрудникам Института были присуждены семь премий им. Г.М. Кржижановского Академии наук за значительные теоретические результаты в решении комплексных энергетических проблем.

Резкое изменение экономических и социально-политических условий развития и функционирования энергетики в начале 1990-х годов потребовало определенной корректировки структуры и содержания системных исследований. Но это не оказалось болезненным для коллектива, поскольку теоретические основы системных энергетических исследований, те четыре элемента теоретической базы, которые были сформулированы Л.А. Мелентьевым как фундаментальные составляющие этого научного направления, не подверглись какимлибо существенным изменениям.

Конечно, другими стали структура и механизмы отношений в энергетике, что потребовало разработки новых методов управления развитием и функционированием систем энергетики и ТЭК в целом, пересмотра состава и содержания комплексных энергетических задач, разработки принципиально новых проблем. Но важно то, что научное направление «Системные исследования в энергетике» оказалось готовым к такой необходимой трансформации именно благодаря заложенной в нем фундаментальной теоретической базе. И уже в 1993 г. коллектив Института, руководимый директором членом-корреспондентом РАН А.П. Меренковым, смог активно включиться в разработку первой в новейшей истории России Энергетической стратегии страны. В дальнейшем Институт регулярно активно участвует в разработке этого основополагающего документа в области приоритетов развития энергетики страны.

С середины 1990-х годов и особенно в 2000-е годы развитие системных исследований в энергетике характеризуется рядом особенностей, среди которых целесообразно выделить следующие.

1. Тенденция глобализации в энергетике привела к необходимости рассматривать усиление энергетических связей России с другими странами и анализировать место и роль ее энергетики в межгосударственной и мировой энергетической инфраструктуре. Это потребовало не только развития соответствующих исследований в Институте, но и активизации сотрудничества с энергетическими организациями других стран и международными энергетическими институтами. В 1998 г. состоялась первая международная конференция «Энергетическая кооперация в Азии», которая стала проводится регулярно раз в два года. В 2002 г. постановлением Президиума СО РАН при Институте создается международный исследовательский центр энергетической инфраструктуры «Азия – Энергия», координировавший ряд международных проектов. Сотрудники Института работают в международных организациях Азиатско-Тихоокеанского региона, таких как, например, АзиатскоТихоокеанский энергетический исследовательский центр, базирующийся в Токио. В 2008 г.

Институт становится координатором с российской стороны крупного международного проекта по совершенствованию принципов и систем управления большими электроэнергетическими системами, выполняемого в соответствии с 7-й рамочной программой сотрудничества Европейского Союза и России в области энергетики. Это направление поддерживается второй, регулярно проводимой Институтом с 2000 г. международной конференцией «Либерализация и модернизация энергосистем». Сотрудники Института активно участвуют в авторитетных международных конференциях, представляя оригинальные результаты исследований мирового уровня.

2. Либерализация и реструктуризация отраслей энергетики радикально изменили организационную структуру систем энергетики и характер взаимоотношений между субъектами рынков энергии. Это потребовало пересмотра методов управления развитием и функционированием систем энергетики на основе рационального сочетания рыночных механизмов и государственного регулирования при возросшей неопределенности условий функционирования и, особенно, развития систем, повышенной значимости многокритериальных и компромиссных подходов к обоснованию решений.

3. Глобализация и либерализация в энергетике усилили значение ее внешних связей, влияние экономических, политических, институциональных и других факторов и условий на функционирование и развитие систем энергетики. Одновременно в последние 20 лет обострилась проблема обеспечения достаточного, бесперебойного и экономически доступного энергоснабжения. Все это потребовало разработки нового научного направления системных исследований – энергетической безопасности.

4. Продолжалось изучение природы исследуемых систем энергетики, выявление их новых, объективно обусловленных свойств и тенденций развития. Одно из таких свойств – неоднородность структуры систем энергетики – присуще любым сложноорганизованным системам. Разработаны методы определения и количественной оценки, а также подходы к полезному использованию этого свойства для моделирования систем, управления ими и обоснования их развития. Другой пример – изучение закономерностей развития распределенной генерации, представляемой малыми энергетическими установками, в том числе на возобновляемых источниках энергии, ее роли и места в энергоснабжении потребителей, влиянии на структуру и свойства систем энергетики и т.п.

5. Расширился спектр аспектов исследований систем энергетики: наряду с техническими, системными, экономическими и др. получили развитие физические, прежде всего термодинамические методы анализа и определения рациональных характеристик энергетических процессов, установок и систем.

С учетом отмеченных особенностей объектами системных исследований Института являются:

энергетические технологии (энергетические процессы и установки);

системы энергетики (электро-, тепло-, газо-, нефте-, углеснабжения), управление их функционированием и развитием;

энергетические комплексы (как совокупности взаимосвязанных систем), прогнозирование их развития и исследование функционирования.

Задачей системных исследований энергетических технологий является комплексный сравнительный анализ эффективности (термодинамической, экономической, экологической и др.) возможных и целесообразных масштабов использования различных энергетических процессов и установок, оптимизация их характеристик и структуры. Основные проблемы прогнозного анализа энергетических технологий и технологических структур связаны с оценкой потенциала совершенствования каждой технологии и раскрытием фундаментальных закономерностей, ведущих к ее освоению; определением благоприятных условий и наиболее эффективных областей применения технологии; уяснением механизма ее конкуренции с альтернативными решениями.

Исследования систем энергетики включают в себя анализ их свойств, разработку методов и математических моделей обоснования их развития и управления функционированием.

Системы энергетики приобретают новые, неизвестные на уровне энергетических объектов системные свойства, которые необходимо установить и исследовать, а для придания системам энергетики целесообразных свойств требуется использовать управление в широком смысле этого понятия (управление развитием и функционированием систем энергетики).

Системные исследования энергетических комплексов проводятся для анализа тенденций и закономерностей развития энергетики, прогнозирования развития топливноэнергетических комплексов различных уровней – от региональных, межрегиональных и национальных до межгосударственных и мировой энергетики, разработки научных основ энергетической политики и механизмов ее реализации. Актуальность этих исследований определяется тенденциями глобализации и либерализации энергетики мира и России и в то же время возросшей ролью региональных проблем развития энергетики. В конечном счете речь идет о создании эффективной системы производства, транспорта и распределения топлива и энергии как соответствующей инфраструктуры, обеспечивающей надежность и качество энергоснабжения потребителей.

Фундаментальные исследования Института в указанных направлениях служат методической основой для выполнения прикладных разработок в области обоснования развития энергетики и ее отраслей на различных территориальных уровнях, исследования проблем функционирования систем энергетики и управления ими. В этом плане Институт активно сотрудничает с Минэнерго РФ, энергетическими компаниями федерального и регионального уровней, администрациями и правительствами регионов, организациями других стран и международными.

В Институте сложился активный, работоспособный коллектив, треть которого – молодые сотрудники. Этому коллективу единомышленников по плечу решения любых сложных комплексных проблем развития и функционирования современных и будущих систем энергетики.

ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Становление системных исследований в энергетике Как научное направление системные исследования в энергетике формировались в 70–80-е годы прошлого столетия. Этому предшествовали работы по применению математических методов и электронных вычислительных машин (ЭВМ) в энергетических расчетах, созданию теории управления большими системами энергетики (БСЭ), учету неопределенности информации, изучению иерархических структур и внешних связей энергетики и др., которые так или иначе нашли отражение в этом научном направлении. Инициатором и руководителем практически всех работ был академик Л.А.Мелентьев.

Становление системных исследований в энергетике происходило параллельно с появлением и развитием таких общенаучных направлений и теорий, как математическое программирование, кибернетика, теория систем, системный подход, системный анализ и др. Их результаты и достижения, естественно, использовались и в энергетических исследованиях. Рассмотрим эти процессы в историческом плане с выделением для удобства изложения нескольких этапов.

Применение математических методов и ЭВМ. Этот этап, начавшийся в конце 50-х – начале 60-х годов, можно считать исходным. Математические методы применялись в энергетике и раньше, однако более широкие возможности для их использования открылись с появлением ЭВМ. Последние способствовали одновременно бурному развитию новых направлений в математике, например линейного программирования для решения задач оптимизации. Без ЭВМ их практическое применение было бы невозможно.

Применение математических методов и ЭВМ в энергетике было основной научной направленностью Энергетического института СО АН СССР при его создании в 1960 г. (позднее институт стал называться Сибирским энергетическим СЭИ). Эти исследования интенсивно развивались, и уже в 1963 г. в Иркутске был проведен всесоюзный симпозиум «Методы математического моделирования и использования электронных вычислительных машин в энергетике». Результаты работы симпозиума показали, что Институт выдвинулся в число лидеров в данной области. Доклады, сделанные на симпозиуме сотрудниками СЭИ, обобщены в коллективной монографии [1].

Начало 1960-х годов явилось периодом «повального увлечения» математическими методами и ЭВМ. С энтузиазмом разрабатывались и отлаживались программы расчетов на ЭВМ для решения самых разнообразных энергетических задач. Проведение расчетов на ЭВМ считалось обязательным и зачастую представлялось как доказательство правильности решения задачи. О широте применения «математического моделирования» * можно судить по содержанию тематического сборника работ СЭИ [2], подготовленного к следующему симпозиуму, который провели в Институте в 1966 г.

Этот термин, предполагающий использование ЭВМ, постепенно вытеснил словосочетание «применение математических методов и ЭВМ».

Использование ЭВМ (не только в СЭИ) позволило решать многие практические задачи и, несомненно, повысило уровень принятия решений в энергетике страны. Однако стало ясно, что ЭВМ – лишь инструмент для выполнения расчетов, а достоверность результатов зависит от качества разработанной программы и, что не менее важно, от использованной информации. «Что в машину заложишь, то и получишь» – эта истина внушала разочарование и сомнения. Наступил период некоторого охлаждения к математическим методам и ЭВМ.

Последующие исследования, анализ и обобщения прояснили постепенно причины «недостатков» математического моделирования. Их несколько:

исключительная сложность большинства энергетических объектов и систем, затрудняющая или даже не позволяющая описать их математически с необходимой точностью;

неопределенность (неполнота, недостаточная достоверность и т.п.) информации, которую приходится использовать при расчетах, например на предстоящий период времени;

многообразие внешних связей изучаемых объектов и систем с окружающей средой (смежными производственными системами и природой);

влияние «человеческого фактора» людей в производственных процессах и особенно в органах управления, действия и решения которых нельзя точно предсказать и замоделировать;

недостаточные параметры и производительность ЭВМ того времени.

Преодоление этих трудностей шло по нескольким направлениям. Во-первых, совершенствовались и применялись новые математические методы и программы расчетов на ЭВМ. Разрабатывались методы эквивалентирования моделей и информации, декомпозиции задач и моделей с последующей увязкой получаемых решений, внедрялись вероятностные и стохастические методы и др. В СЭИ создано, в частности, несколько принципиально новых методов оптимизации в процессе решения сложных энергетических задач. Более подробно это будет рассмотрено в разд. 1.4–1.8.

Во-вторых, уточнялись и углублялись постановки задач, анализировались их состав и взаимосвязи, а также качество имеющейся информации применительно к различным системам энергетики, притом в аспектах функционирования и развития. Здесь большое значение имело совместное участие инженеров соответствующих специальностей, экономистов и математиков в проведении исследований.

В-третьих, формировалось новое представление о системах энергетики как объектах исследований и управления. Этому способствовали получившие уже широкое распространение работы по кибернетике и теории систем. Начался новый этап, непосредственно предшествовавший формированию рассматриваемого научного направления в энергетике.

Управление большими системами энергетики. Понятие «большая система энергетики» введено во второй половине 60-х годов прошлого столетия по инициативе академика Л.А.Мелентьева. Обусловлено это накопленным опытом, отмеченными выше трудностями в математическом моделировании и самй логикой развития теории энергетических исследований. В этом понятии сочетаются два аспекта: сложность реальных систем и необходимость управления ими (управления функционированием и развитием). Одновременно предполагается, что у разных видов систем энергетики имеются общие свойства, важные с точки зрения управления.

В 1970 г. в Иркутске проведен еще один (уже третий) всесоюзный симпозиум, в названии которого фигурировали слова «управление большими системами в энергетике». Труды симпозиума опубликованы в трех томах [3]. В самом первом докладе на симпозиуме Л.А.Мелентьев обосновал необходимость формирования теории управления БСЭ [4]. После этого исследования в данном направлении стали интенсивно развиваться в СЭИ и других институтах страны.

Для лучшего представления об этих исследованиях целесообразно пояснить понятие «большой системы энергетики». В нем особый смысл вкладывается в слово «большая». В табл. 1.1, заимствованной из работы [5], показано соотношение БСЭ с другими системами.

Таблица 1.1. Место больших систем энергетики среди других видов систем Класс или вид систем Определение или отличительные признаки Системы вообще Совокупность взаимосвязанных элементов, которая обладает новым качеством, не присущим отдельным элементам Искусственные производственные То же, но создаваемые человеком для производства какойлибо продукции Большие производственные То же, но: а) включающие управляющие органы и людей, участвующих в управлении; б) имеющие сложную иерархическую структуру; в) непрерывно развивающиеся; г) подверженные влиянию множества случайных и неопределенных факторов Большие системы энергетики То же, но предназначенные для производства и распределения энергии, а также использования ее у потребителей.

Можно видеть, что большая система (в том числе БСЭ):

– включает в себя органы управления и является человеко-машинной системой из-за участия людей не только в производстве, но и в управлении;

– имеет сложную и, главное, иерархическую структуру как в управляемой, так и в управляющей своих частях;

– непрерывно развивается с изменением структуры и состава (числа и типов) элементов и связей;

– функционирует и развивается не только вследствие управляющих воздействий, но и под влиянием множества случайных (и неопределенных) факторов.

Такое понимание больших систем энергетики делает их весьма сложным объектом исследований, однако оно более полно отражает реальную действительность. В 1970-е годы проведены многочисленные и серьезные работы по управлению БСЭ. Достаточно полный их обзор представлен в [5]. Наиболее важные и сложные проблемы обсуждены еще на двух всесоюзных симпозиумах в СЭИ: по фактору неопределенности в 1974 г. [6] и по иерархии управления в 1978 г. [7]. Большое внимание уделялось изучению свойств БСЭ.

На этом этапе развития энергетической науки получены важные теоретические результаты, внедренные в практику, многие из которых стали уже «классическими».

Несмотря на то что достаточно цельная и полная теория управления БСЭ не была создана, совершенствование методов управления системами энергетики никогда не прекращалось и составляет теперь одно из главных направлений системных исследований в энергетике.

Формирование системных исследований в энергетике как научного направления. В 1979 г. опубликована книга Л.А.Мелентьева «Системные исследования в энергетике» [8] (в 1983 г. она была переиздана в переработанном и дополненном виде [9]). Подробно содержание этой книги будет рассмотрено в следующем подразделе, поэтому здесь мы ограничимся лишь краткими комментариями.

Выход книги [6] можно считать началом формирования данного научного направления, хотя в ней уже даны определенные обобщения, т.е. фактически формирование началось несколькими годами раньше. Видится ряд причин изменения общего названия («флага») исследований, а вернее, их расширения и углубления.

Одна из них – формулировка «управление БСЭ» стала слишком узкой. В нее не укладывались все реально проводимые энергетические исследования. Несомненно, все они так или иначе связаны с развитием и функционированием энергетики в целом или слагающих ее систем (отраслей). Однако термин «управление» подразумевает непосредственное сознательное воздействие на систему. Между тем многие изучаемые проблемы такого непосредственного воздействия не предполагают. Это, например, исследование долгосрочных закономерностей и тенденций развития энергетики, которые носят теоретический (общепознавательный) характер. То же самое можно сказать о многих проблемах научно-технического прогресса (НТП) и экологических проблемах в энергетике, о долгосрочном прогнозировании развития энергетических систем разного уровня, включая прогнозирование потребностей в топливе и энергии, об изучении связей энергетики и экономики и др.

Вторая важная причина состояла в широком развитии и распространении к тому времени общенаучных представлений о «системности» мира, системном подходе к изучению явлений и проблем и т.п. Начали применяться термины «системные исследования» и «системный анализ», предполагающие изучение сложных объектов как систем.

В Австрии создается Международный институт прикладного системного анализа (IIASA), в Академии наук СССР образован Институт системных исследований, который возглавил академик Д.М.Гвишиани. Издаются многочисленные книги и сборники трудов по теории систем, системному подходу, системным исследованиям отечественных и зарубежных авторов. Их обзор сделан в [5, 8, 9], и мы не будем здесь его повторять.

В книге [6] дается первая структуризация состава и тематики системных исследований в энергетике. Выделена теоретическая часть исследований, к которой отнесены изучение природы и свойств систем, а также совершенствование методов и средств исследований. Вторая, прикладная часть разделена на пять больших направлений с разбивкой каждого на несколько составляющих. В последующем структура системных исследований в энергетике неоднократно обсуждалась и уточнялась, в том числе и в работе [9]. Интенсивно велись, конечно, и сами системные исследования во всех их областях.

Завершающим этапом формирования (становления) данного научного направления можно считать издание в 1986–1988 гг. трехтомной коллективной монографии СЭИ [5, 10, 11]. В этих книгах обобщены результаты многолетних исследований теоретического и прикладного плана, раскрыта методология (и методы) исследований, указаны возможности и пути их развития. Системные энергетические исследования продолжались, естественно, и после этого, и не только в СЭИ. Однако истории. Процесса их становления как научного направления целесообразно закончить описанием представлений, сформировавшихся к тому времени. Позднее начался уже «период зрелости», тематика исследований обновлялась, особенно после перехода страны от плановой экономики к рыночной. Этому, собственно, и посвящены разделы данной книги.

Под «системными исследованиями» в [5] понимаются исследования, основанные на системном подходе и использующие средства системного анализа. Они включают не только исследования систем, но и исследования сложных проблем, требующих системного подхода. Ключевым является понятие системного подхода как общей методологии исследований.

Представления о системном подходе во многом эвристические – он создает главным образом общую ориентацию для исследователя. Системный подход основан на диалектических представлениях о единстве, взаимосвязанности и взаимообусловленности явлений реального мира и должен обладать соответствующей универсальностью.

Попытки его «жестокой» регламентации противоречили бы самому его смыслу.

Вместе с тем для конкретных направлений исследований (в том числе энергетических) желательны понимание и конкретизация содержания системного подхода для более успешного его применения. Иначе каждый раз пришлось бы начинать исследования с «чистого листа». В [5] смысл и содержание системного подхода (применительно к энергетике) конкретизируюется путем выделения четырех его компонентов:

1) изучение и учет внешних связей рассматриваемой системы или проблемы (как правило, это делается после выделения изучаемого объекта из окружающей среды, но может потребоваться и в процессе выделения);

2) иерархическое представление о внутренней структуре сложных объектов и процессах управления ими;

3) учет неопределенностей, обусловленных неполнотой исходной информации, многокритериальностью и другими факторами;

4) применение математических методов и ЭВМ.

В [5] делается оговорка об условности такого представления системного подхода и возможности последующих корректив. Кроме того, сказано о желательности дальнейшей его конкретизации в виде некоторого набора принципов или основных положений системного подхода (попытка такой конкретизации сделана позднее в [12]).

Термин «системный анализ» используется в [5] в узком смысле – как совокупность методов, методик, процедур и правил, применяемых в системных исследованиях. Подобное узкое понимание принято и в ряде других работ, например в [13]. Предполагается, что системный анализ включает в себя математические методы исследования операций, которые в достаточной мере формализованы, а также содержит неформальные (эвристические, интуитивные) процедуры, приемы и правила, устанавливаемые и выполняемые людьми (исследователем, экспертом или лицом, принимающим решение).

С учетом описанных понятий, а также работ Л.А.Мелентьева [8, 9] в [5] приводится структура системных исследований в энергетике, представленная на рис. 1.1. Она включает три больших направления, каждое из которых разделяется на несколько областей исследований. В соответствии с указанными направлениями определена тематика упоминавшихся трех коллективных монографий СЭИ [5, 11, 12].

Прокомментируем кратко рис. 1.1. Можно видеть, что кроме «Управления БСЭ», которое продолжает предыдущий этап развития исследований, выделено еще два направления – теоретическое и исследование комплексных проблем энергетики. Эти три направления достаточно полно охватывают тематику системных энергетических исследований. Они еще долго могут оставаться основой для классификации, хотя относящиеся к ним области исследований будут, конечно, изменяться и дополняться, что фактически уже и произошло за прошедшие два десятилетия.

Математическое моделирование, которое представляло описанный исходный этап становления системных исследований, органически присутствует во всех направлениях и областях как один из компонентов системного подхода. Область совершенствования методов системного анализа, включенная в теоретическое направление, предполагает общеметодические разработки, которые могут использоваться во всех или многих областях прикладных направлений.

Направление «Управление БСЭ» на рис. 1.1 показано укрупненно. Фактически, как пояснено в [5], оно подразделяется по видам систем, а также на разработку методологии планирования, проектирования и управления БСЭ, о которой говорил Л.А. Мелентьев и создание которой не утратило своей фундаментальности и практической значимости.

Системные исследования в Как уже отмечалось, области системных исследований, особенно в третьем направлении, подверглись за прошедшее время значительным изменениям по сравнению с рис. 1.1. Некоторые из этих изменений отражены в работе [10]. Более подробно они описываются практически в каждом разделе данной книги. По-видимому, будет целесообразным сделать в дальнейшем обобщение системных исследований в энергетике на современном этапе с обновленной и более подробной их классификацией.

В целом тематику системных исследований в энергетике можно считать неисчерпаемой, так как в процессе ее развития и трансформаций в экономике страны возникают новые задачи. Почти все они потребуют для решения применения системного подхода и использования средств системного анализа. Несомненно, должна будет совершенствоваться и методология исследований во всех ее аспектах. Поэтому данное направление энергетической науки будет существовать «вечно» или, по крайней мере, до тех пор, пока не изменятся представления о системном подходе и не появятся какие-то новые, более совершенные общенаучные теории.

1.2. О книге Л.А.Мелентьева "Системные исследования в энергетике:

элементы теории, направления развития" В 1979 г. публикуется книга Л.А. Мелентьева "Системные исследования в энергетике. Элементы теории, направления развития", вызвавшая активный интерес среди широкого круга специалистов-энергетиков. Многочисленные отзывы на нее побудили Льва Александровича подготовить второе издание книги, переработанное и дополненное, вышедшее в 1983 г. [9]. В 1981 г. за этот труд Л.А. Мелентьеву присуждается премия им. Г.М. Кржижановского.

Книга стала заметным явлением в энергетической науке. Она подытоживала многолетний опыт автора и возглавляемых им коллективов и, по сути, формировала методологию нового научного направления в энергетических исследованиях. В данной статье анализируются основные положения этого нового научного направления, а также приводятся последующие результаты, развивающие и углубляющие его.

Предпосылки и становление системных исследований в энергетике. Говоря о предпосылках и методических основах, на базе которых сформировалось новое научное направление системных исследований в энергетике, необходимо выделить следующие положения.

1. Начиная с 20-х годов ХХ в. энергетика развивалась по пути создания все более мощных территориально распределенных производственных систем – электроэнергетических, газо-, нефте- и теплоснабжающих и др. Параллельно шел интенсивный процесс роста технической возможности и экономической целесообразности взаимозаменяемости отдельных видов энергии, энергетических установок разных типов, транспортно-энергетических средств и используемых энергетических ресурсов. Это приводило к увеличению взаимозависимости и взаимовлияния отдельных систем энергетики и формированию единых иерархически организованных общеэнергетических систем как регионов, государств, так и на межгосударственном уровне. Возрастала роль энергетики в качестве базы экономического и социального развития. К последней четверти ХХ в. эти тенденции проявились наиболее отчетливо не только в СССР, но и в других экономически развитых странах.

2. Тенденция развития системности энергетики еще в 1920-е годы была успешно использована Г.М. Кржижановским при разработке плана ГОЭЛРО и развитии в последующем комплексного энергетического метода исследования. Сущность комплексного энергетического метода заключалась в системном подходе к энергетике, т.е. в рассмотрении энергетического хозяйства от энергетических ресурсов до приемников энергии включительно в органическом единстве. Таким образом, комплексный энергетический метод Г.М. Кржижановского – предшественник методологии системных исследований в энергетике.

3. В качестве методической основы системных исследований в энергетике Л.А.

Мелентьев рассматривал фундаментальные понятия материалистической диалектики и прежде всего – понятия единства, целостности и развития. Понятие целостности является исходным, его анализ предполагает обязательность выявления внутренних свойств исследуемого сложного объекта (системы), тенденции их изменения (развития объекта) и недостаточность изучения его только «извне» как некоего единства. Л.А. Мелентьев отмечал, что «понимание единства, целостности и развития в их неразрывности как выражения единства и борьбы противоположностей (противоречий) характеризует главное в методологии системного подхода», развиваемого в ХХ в. западноевропейскими и американскими основоположниками системных исследований (Берталанфи, Винер, Эшби и др.).

4. Существенное влияние на формирование методологии системных исследований в энергетике оказало бурное развитие вычислительной техники, методов математического моделирования и оптимизации, происходившее во второй половине ХХ в. Л.А.

Мелентьев глубоко осознавал ключевую роль математического моделирования и методов решения сложных многомерных задач применительно к проблемам функционирования и развития энергетики. Принципиально новые возможности, которые дает использование этого нового инструмента исследований, позволили Льву Александровичу рассматривать данное направление как одну из важных составляющих системных исследований в энергетике, развивающих на новой основе комплексный энергетический метод Г.М. Кржижановского.

Таким образом, сложились объективные предпосылки формирования методологии системных исследований в энергетике, однако только Л.А. Мелентьеву на основе его громадного научного опыта и интуиции суждено было их теоретически обобщить и существенно развить до цельной методологии, открывшей новую страницу в энергетической науке.

Методологические основы системных исследований в энергетике. В своей книге Л.А. Мелентьев четко сформулировал новое направление энергетической науки, которое назвал системными исследованиями в энергетике [9]. «Главная задача этих исследований (проводимых с использованием всего арсенала методов и средств, создаваемых в общих системных исследованиях) состоит: в изучении тенденций развития энергетики как совокупности больших систем, а также свойств этих систем и научных основ управления ими, включая развитие; в разработке необходимых для этого методов и средств; в решении (с использованием методов системных исследований) фундаментальных межотраслевых проблем энергетики, в том числе энергоэкологических; в научно-обоснованном прогнозировании развития энергетики и др.

Объектом (или предметом) исследований здесь выступает совокупность больших и сложных систем энергетики, являющихся основой развития энергетики. Качественная специфика этих систем и определяет правомочность формирования системных исследований в энергетике как относительно самостоятельного научного направления.

Таким образом, большие системы энергетики выступают как объект относительно автономных системных исследований ввиду того, что эти системы: а) охватывают по совокупности важный межотраслевой комплекс со специфическими для него объективными тенденциями развития; б) обладают, с одной стороны, только им присущими характерными свойствами, а с другой – главные общие свойства больших человекомашинных систем в этих системах проявляются весьма специфично». Как следует из приведенных положений, первичной категорией системных исследований в энергетике Л.А. Мелентьев считает совокупность больших и сложных систем энергетики. Поэтому в книге он вводит структуризацию систем энергетики по различным аспектам.

Производственная структура энергетики (энергетического комплекса) подразделяется на четыре основные стадии: 1) добыча (производство) и транспорт природных энергетических ресурсов; 2) их облагораживание и переработка; 3) производство преобразованных видов энергии (электроэнергии, пара и др.); 4) конечное использование энергии. Подчеркивается, что совокупность внешних связей энергетического хозяйства с другими отраслями экономики весьма существенно влияет на функционирование и развитие энергетики. Отмечается, что в основе формирования иерархической структуры больших систем энергетики находятся производственный и территориальный признаки.

Главное содержание системных исследований в энергетике включают следующие два направления.

1. Теоретическая и методическая часть исследований, состоящая в основном: в изучении природы исследуемых систем, включая основные объективные тенденции их развития, их свойства и особенности проявления этих тенденций и свойств; в создании и совершенствовании методов исследования систем, их моделей и процедур принятия решений; в создании и совершенствовании средств изучения систем (сбора, обработки, передачи, анализа информации, программных комплексов и др.).

2. Приложения системных исследований к решению фундаментальных проблем энергетики, включая: оптимальное управление в энергетике; решение основных межотраслевых комплексных проблем энергетики; долгосрочное прогнозирование энергетики; разработку концепций развития общеэнергетической и основных функциональных больших систем энергетики; оптимизацию схем и параметров сложных энергетических установок и др.

Важно подчеркнуть, что необходимость изучения свойств и тенденций развития такого сложного производственно объекта, как энергетика, ставится Л.А. Мелентьевым в качестве первичной основы системных исследований в энергетике. Можно говорить о взаимосвязанной двуединой задаче изучения свойств систем энергетики и тенденций их изменения в процессе развития этих систем. Знание объективных свойств и тенденций развития этого сложного объекта исследований позволяет использовать получаемую информацию при моделировании и обосновании решений по развитию и функционированию систем энергетики.

Выше уже отмечалась ключевая роль моделирования, математических методов и процедур обоснования решений методологи и системных исследований в энергетике. В условиях сложности изучаемого объекта, неполноты и недостоверности информации о нем, невозможности натурных экспериментов компьютерное моделирование, методы и процедуры выработки решений по управлению развитием и функционированием систем энергетики являются единственным средством системных исследований сложных энергетических проблем.

Ключевые аспекты системных исследований в энергетике. В своей книге Л.А. Мелентьев выделяет специальный раздел, названный им специальными вопросами Автор намеренно привел здесь оригинальный текст из книги Л.А. Мелентьева, поскольку более четко и более лаконично сформулировать ключевые положения системных исследований в энергетике весьма затруднительно.

системных исследований в энергетике. По сути, это ключевые аспекты методологии, включающие подробный анализ главных свойств, целей и критериев принятия решений при оптимизации развития систем энергетики, влияния неполноты информации на решение некоторых энергетических задач, математических моделей оптимального управления системами энергетики, автоматизированных систем управления и задач долгосрочного прогнозирования в энергетике.

Л.А. Мелентьев выделяет три обобщающих комплекса свойств систем энергетики: структурные, движения и управляемости. Структурные свойства главным образом характеризуются централизацией иерархической структуры реальных систем, которая конкретизирует понятие целостности как иерархического строения системы; определяет ее способности обладать такой материальной (технологической) и информационной иерархической структурой и такими иерархически построенными органами управления, которые обеспечивают возможность наиболее эффективного развития и функционирования системы.

В комплексе свойств движения систем энергетики (Л.А. Мелентьев фактически отождествляет движение с развитием) выделяются свойства динамичности, гибкости и экономичности. Свойство динамичности проявляется в движении системы, определяя изменения во времени ее параметров и процессов. При этом свойство динамичности ослабляется из-за проявления стабильности движения системы, прежде всего структурной стабильности, под которой понимается способность системы сохранять на определенном этапе движения свою структуру. Под свойством гибкости движения (развития) системы понимается ее способность с необходимой скоростью изменять свою структуру для обеспечения нормального развития, а также функционирования при возможных возмущениях. При таком понимании свойство гибкости тесно взаимосвязано со свойством централизации иерархической структуры системы и включает в себя свойства инерционности, адаптации и надежности. Свойство экономичности в общем случае – это способность систем энергетики осуществлять свое развитие и функционирование в заданных направлениях с минимальными соизмеренными во времени затратами живого и овеществленного труда при заданных ограничениях.

Комплекс свойств управляемости системы характеризуется свойствами недостаточной определенности оптимальных решений о движении системы и многокритериальности выбора таких решений. Недостаточная определенность принимаемых оптимальных решений о движении открытой производственной системы логически вытекает из неполноты информации о ее движении у органов управления. Свойство многокритериальности проявляется в том, что оптимальное решение о движении (развитии) системы может быть найдено лишь при использовании нескольких, как правило, противоречивых критериев и заданных ограничений. Лев Александрович придавал принципиально важное значение этим двум свойствам, посвящая раскрытию каждого отдельную главу.

Кроме изложенных общих свойств больших систем энергетики, в [9] рассматриваются и специфические свойства, к которым относятся: 1) широкая взаимозаменяемость элементов связей и продукции, превращающая системы в единое энергетическое хозяйство; 2) особая универсальность, а следовательно, и большая народнохозяйственная значимость производимой продукции, особенно электроэнергии и жидкого топлива, а поэтому и многочисленность внешних связей; 3) активность больших систем энергетики, которые не только обеспечивают развитие экономики, но и существенно влияют на развитие и размещение производительных сил; 4) особая масштабность, а значит, и особая сложность структур систем энергетики; 5) непосредственная материальность Определения свойств систем энергетики приводятся далее по работе [9].

основных связей (электрических, трубопроводных); 6) непрерывность, а часто и неразрывность во времени процессов производства, распределения и потребления энергии;

7) двойственность ряда систем энергетики, заключающаяся в том, что на определенном временном этапе производственные в общем плане системы могут рассматриваться как чисто физико-технические.

Одним из ключевых аспектов системных исследований в энергетике, которому посвящена специальная глава, а некоторые принципиальные вопросы затрагиваются также и в других главах книги, является математическое моделирование при оптимальном управлении системами энергетики. Ограниченные рамки статьи не позволяют подробно остановиться на этой проблеме, поэтому обратим внимание лишь на ряд важных моментов.

Во-первых, отмечается базовое значение формализованных методов моделирования и обоснования решений как единственного аппарата изучения систем энергетики и управления ими, причем эта роль формализованных моделей и методов со временем возрастает в связи с ростом сложности самих систем и связанных с их развитием и функционированием проблем.

Во-вторых, ввиду сложности исследуемых систем, как правило, необходимо квалифицированно упрощать модель без ущерба для точности результатов. В то же время, оставаясь в пределах разумного, обычно не следует чрезмерно упрощать модель. Поэтому процесс создания более точных и одновременно приемлемых по сложности моделей логически приводит к иерархическому принципу их построения, в том числе для последовательного уточнения принимаемых решений. При этом важно то, что в процессе преобразования моделей путем использования методов декомпозиции и агрегирования (эквивалентирования) исследователь основывается на некоторой исходной модели, и если она сформирована излишне приближенно, то никакие последующие математические преобразования не смогут дать содержательных результатов.

В-третьих, важным моментом является соотносение точности результатов расчетов с точностью используемой информации. Особенно это касается плановых и проектных расчетов, в которых целесообразную точность результатов не следует иметь большей, чем точность используемых исходных показателей. Лев Александрович приводит в качестве иллюстрации тот факт, что при расчете ведется с точностью до 1 % третья цифра, получаемая в результате расчета, уже является лишней. Неопределенность исходной информации возрастает с увеличением удаленности рассматриваемого периода времени, причем общие показатели по стране в целом обычно оказываются более устойчивыми, чем для отдельных районов. Поэтому чем больше заблаговременность расчетов, тем меньше оснований для большой территориальной дифференциации развития энергетики.

Отдельная глава в книге посвящена автоматизированным системам управления (АСУ) в энергетике. Она специфична тем, что рассматривает структуру АСУ централизованно директивно управляемой энергетикой. Другой специфический момент связан с идеологией автоматизации управления энергетикой, характерной для того времени. Тем не менее работавшие и развивавшиеся в 1970–1980-е годы АСУ технологическими процессами в конкретных системах энергетики – автоматизированные системы диспетчерского управления, автоматизированные системы плановых расчетов в энергетике – доказали свою эффективность. Принципиальным положением для того времени было то, что объективная целостность энергетики как иерархической совокупности больших систем энергетики требовала целостности и единства соответствующей системы управления. С определенной трансформацией и учетом особенностей управления энергетикой в современных условиях применительно к сфере государственного управления эта идеология АСУ может быть использована и в настоящее время.

Рассматривая задачи долгосрочных прогнозов в энергетике, Л.А. Мелентьев выделяет главные цели таких прогнозов: выявление основных объективных тенденций развития энергоснабжения народного хозяйства; определение эффективных направлений и уровней электрификации и моторизации экономики и социальной сферы; выявление научной концепции и ведущих направлений научно-технического прогресса больших систем энергетики; выбор наилучших пропорций получения и переработки отдельных энергоресурсов, их распределение по районам страны и категориям потребителей; оценка основных взаимных требований развития энергетического хозяйства и смежных отраслей экономики; разработка главных комплексных программ, реализующих выбранные направления научно-технического прогресса в энергетике; обоснование ведущих направлений развития энергетической науки с определением ее главных задач. При этом Лев Александрович подчеркивает, что относительно однозначные долгосрочные прогнозы могут быстро терять свою практическую ценность под влиянием изменения внешних условий, поэтому обоснованны исследования крайних стратегий развития энергетики.

Представленные ключевые положения (аспекты) системных исследований в энергетике формируют, как осторожно отметил Л.А. Мелентьев в подзаголовке книги, элементы теории в этом новом направлении энергетической науки.

Основные проблемы развития систем энергетики. Расценивая научно обоснованное прогнозирование развития энергетики как органически важную составляющую системных исследований в отрасли, Л.А. Мелентьев рассмотрел в книге из всего многообразия проблемы пять комплексных аспектов: 1) пропорции развития систем энергетики, в том числе потребления энергии в народном хозяйстве; 2) научно-технический прогресс развития энергетики; 3) эффективность использования различных энергетических ресурсов; 4) маневренность топливо- и электроснабжения народного хозяйства;

5) перспективные экологические проблемы энергетики.

Прогноз пропорций развития энергетики СССР на 20 лет вперед дается в книге в виде следующих основных тенденций: неэкономичность и в целом нецелесообразность сохранения высокой доли нефти в приросте энергетического баланса (за предшествующие 1961–1980 гг. эта доля составила 45 %); наращивание в энергетическом балансе страны ядерного горючего; сдерживание быстрого развития наиболее экономичных угольных бассейнов – Кузнецкого и Канско-Ачинского – необходимостью создания высокопроизводительной горнодобывающей техники и рядом социально-экономичес-ких факторов; интенсивный рост доли газа в энергетическом балансе страны в первое десятилетие (1981–1990 гг.) при последующем замедлении темпов роста природного газа и выдвижении на первое место двух видов энергетических ресурсов – ядерного горючего и угля; повышение интереса к использованию нетрадиционных источников энергии.

Нет необходимости комментировать, насколько оправдался этот прогноз Л.А.

Мелентьева, поскольку произошли объективные события, принципиальным образом изменившие условия развития энергетики. Для ситуации конца 1970-х годов этот прогноз объективно оценивал целесообразные тенденции развития энергетики.

Среди объективных тенденций, характеризующих пропорции потребления энергии в народном хозяйстве, Лев Александрович отмечает улучшение структуры конечного потребления энергии, выражающееся в росте доли преобразованных видов энергии в конечном ее потреблении. Другая обобщающая тенденция связана с расширением сферы использования энергии в народном хозяйстве, третья определяется ростом энерговооруженности (прежде всего электро- и механовооруженности) труда. И наконец, отмечается, что в энергетике в целом действует и, вероятно, будет (хотя и медленно) действовать объективное повышение ее абсолютной экономичности. Очевидно, что указанные тенденции, за редким исключением объективно обусловленных сломов, продолжают существовать в настоящее время.

Ключевые проблемы научно-технического прогресса в энергетике Л.А. Мелентьев формулирует следующим образом.

1. В области добычи, переработки и транспорта природных энергетических ресурсов: усиление темпов работ на разведку нефти и газа; разработка мероприятий по повышению коэффициентов извлечения ресурсов из недр; форсирование работ по получению жидких топлив из угля и сланцев, по производству специальных видов горючих газов, например водорода, по добыче и переработке вязких нефтей, по использованию газоконденсатных месторождений и др.; разработка и реализация целевых производственных программ комплексного освоения Западно-Сибирской нефтегазовой провинции, Кузнецкого, Канско-Ачинского угольных бассейнов и др.; повышение эффективности сверхдальнего транспорта природного газа, нефти и нефтепродуктов, угля и др.; существенное повышение эффективности и глубины переработки нефти.

2. В области производства преобразованных видов энергии и их распределения: коренное совершенствование существующих и создание новых средств производства электроэнергии; повышение эффективности существующих и создание новых средств сверхдальних передач и распределения электроэнергии; повышение эффективности существующих и создание новых средств централизованно производимой тепловой энергии (пар, горячая вода), повышение эффективности ее передачи, распределения и др.

3. В области совершенствования развития и управления большими системами энергетики: уточнение научных концепций развития общеэнергетической системы страны и основных функциональных систем (электроэнергетической, ядерно-энергетической, нефте-, газо-, углеснабжающих); совершенствование методов автоматизированного управления развитием и функционированием этих систем.

Есть основания утверждать, что с учетом определенной корректировки, связанной с изменением внешних условий развития энергетики, перечисленные ключевые проблемы научно-технического прогресса в энергетике актуальны и сейчас.

Анализируя тенденции изменения в СССР эффективности использования различных энергетических ресурсов, Л.А. Мелентьев рассматривает это в качестве центрального вопроса развития общеэнергетической системы страны. В книге дается краткая оценка запасов главных природных энергетических ресурсов, прослеживается изменение общей структуры энергетического баланса страны, обсуждаются основные направления развития добычи и использования отдельных видов энергетических ресурсов.

Излагаются основные направления оптимизации перспективной структуры расходуемых энергетических ресурсов как в целом, так и применительно к использованию отдельных их видов для характерных типов энергетических установок. Рассматриваются задачи территориального распределения энергетических ресурсов с учетом восполнения энергетического баланса европейских районов страны энергетическими ресурсами ее восточных районов.

Среди тенденций изменения эффективности использования энергетических ресурсов отмечены следующие: рост эффективности использования природных энергетических ресурсов; повышение эффективности структуры их использования; рост доли затрат овеществленного труда (капиталовложений) в общих затратах на развитие энергетики; снижение энергоемкости национального дохода. При этом экономия расхода энергии и энергетических ресурсов, повышение эффективности их производства относятся к числу государственно важных задач, что чрезвычайно актуально и сегодня.

Проблема маневренности топливо- и электроснабжения анализируется в книге в связи с тем, что потребление топлива и электроэнергии колеблется весьма значительно из-за изменений метеорологических и гидрологических условий, а также из-за особенностей организации производственных процессов и быта населения. В то же время существуют относительно постоянные режимы добычи (производства) отдельных видов топлива, а в электроэнергетике проблема связана с массовым вводом тепловых агрегатов на закритических параметрах пара и атомных энергоблоков, рассчитанных на базовые режимы работы. Для обеспечения маневренности топливоснабжения предлагается создание запасов топлива различного назначения – для компенсации суточной, недельной, сезонной и многолетней неравномерности топливопотребления.

В электроэнергетике аналогичные мероприятия связаны с формированием рациональной структуры генерирующей мощности на основе агрегатов, работающих в различных зонах суточного графика нагрузки, и с созданием резервов генерации мощности различного назначения.

В отношении влияния энергетики на окружающую среду Л.А. Мелентьев приходит к следующим выводам: допускаемые в то время экологические нарушения, в том числе энергетикой, в целом уже весьма серьезные, но не катастрофические; при разумных действиях и разумных затратах можно на решающих участках свести к приемлемым экологические нарушения, создаваемые человеком; в то же время отрицательные воздействия энергетики и других источников на окружающую среду возрастают, поэтому меры по их предотвращению следует осуществлять быстро, планомерно и повсеместно; для повышения эффективности таких мер важно в больших масштабах развертывать научные исследования по изучению механизмов воздействия и последствий влияния человека на окружающую среду, а также по разработке и совершенствованию таких мер. Нелишне отметить, что за прошедшие десятилетия многое в этом отношении уже сделано, особенно в экономически развитых странах, но еще многое предстоит сделать.

Дальнейшее развитие системных исследований в энергетике можно разделить на два этапа: 1980-е – начало 1990-х годов и последующий период.

Первый этап характеризовался углублением и развитием методологии системных исследований в энергетике, сформулированной Л.А. Мелентьевым в его книге [9]. Здесь необходимо прежде всего отметить трехтомник [5, 10, 11], вышедший в 1986–1988 гг., который обобщил теоретические и методические результаты Сибирского энергетического института СО АН СССР и Института энергетических исследований ГКНТ и АН СССР.

Определенным завершением первого этапа можно считать издание трехтомника [12, 14, 15] в 1995 г. В этот период развивались традиционные направления системных исследований в энергетике, но и закладывались основы новых, актуальность которых была вызвана кардинальным изменением внешних, в частности экономических, условий развития и функционирования систем энергетики.

Второй этап развития системных исследований в энергетике имел ряд принципиальных особенностей, среди которых отметим следующие.

1. Тенденция глобализации в энергетике привела к необходимости рассматривать усиление энергетических связей России с другими странами и анализировать место и роль ее энергетики в межгосударственной и мировой энергетической инфраструктуре [16, 17]. Одновременно возросла роль региональных исследований развития энергетики при сохранении значимости прогнозирования развития энергетики страны в целом [18].

2. Либерализация и реструктуризация отраслей энергетики изменили организационную структуру систем энергетики и характер взаимоотношений между субъектами рынков энергии. Это потребовало пересмотра методологии управления развитием и функционированием систем энергетики на основе рационального сочетания рыночных механизмов и государственного регулирования при возросшей неопределенности условий функционирования и, особенно, развития систем, повышенной значимости многокритериальных и компромиссных подходов к обоснованию решений [19–21].

3. Глобализация и либерализация в энергетике существенно усилили значимость внешних связей энергетики, влияние экономических, политических, институциональных, правовых и др. факторов и условий на функционирование и развитие систем энергетики, что потребовало разработки и развития нового направления системных исследований энергетики – энергетической безопасности [22].

4. Продолжалось изучение природы исследуемых систем энергетики, выявление их новых объективно обусловленных свойств. Одно из таких свойств – неоднородность структуры систем энергетики – присуще любым сложноорганизованным системам.

Разработаны методы выявления и количественной оценки неоднородности структуры систем энергетики, подходы к полезному использованию этого свойства для моделирования систем и управления ими [23].

5. Расширился спектр аспектов исследований систем энергетики: наряду с техническими, системными, экономическими и др. аспектами существенное развитие получили физические, прежде всего термодинамические методы анализа и определения рациональных характеристик энергетических процессов, установок и систем [24].

Указанные новые направления системных исследований в энергетике получили развитие наряду со многими традиционными направлениями, в большей или меньшей мере трансформировавшимися под влиянием требований новых условий функционирования и развития систем энергетики.

1.3. Междисциплинарные аспекты системных исследований в энергетике Изучение энергетики в ИСЭМ, первоначально намеченное и ведущееся как межотраслевое рассмотрение возникающих проблем, неизбежно стало приобретать все более ярко выражаемый междисциплинарный характер. Такое увеличение разносторонности исследований обусловлено спецификой энергетики, при управлении которой неизмеримо теснее, чем при управлении любой другой отраслью народного хозяйства, переплетаются экономические, технические, физические, экологические и социальные факторы. Это связано и с разнообразием систем производства, транспорта, распределения и потребления различных видов энергии и энергоносителей; и с необходимостью единого управления этими системами на разных временных уровнях (эксплуатации, планирования, прогнозирования), и с охватом энергетикой всех отраслей экономики и социальной сферы. В зависимости от принимаемых на этих уровнях решений изменяются экономические показатели энергетического комплекса в целом (денежные затраты, расходы топлива и энергии); надежность и качество энергоснабжения; загрязнение природы вредными выбросами; качество жизни людей (например, уровень комфорта в жилых и производственных помещениях, возможность использования технических средств связи, транспорта и удовлетворения многих других потребностей).

Междисциплинарность исследований, в свою очередь, повысила актуальность развития единого языка изложения энергетических проблем. Такой язык нужен для взаимопонимания между занимающимися вопросами энергетики специалистами разных профилей: инженерами (электриками, теплотехниками, ядерщиками, нефтяниками и др.), экономистами, менеджерами, физиками, математиками. Однако требование установления взаимопонимания является необходимым, но недостаточным, чтобы обеспечить с помощью «энергетического» языка условия, обязательного для успешного развития энергетики как междисциплинарной отрасли науки. Для достаточности энергетический язык должен стать формализованным языком математического моделирования. Именно единство в искусстве построения моделей в наибольшей мере способствует обогащению специалистов накопленным коллегами опытом.

Сложность создания единого формализованного языка энергетиков значительно увеличивается из-за имеющихся наряду с естественной и прогрессивной тенденцией интеграции наук процессов их дифференциации и обусловленных этим разрывов исторических связей. Такие разрывы наиболее часто наблюдаются при использовании результатов, полученных на стыках наук. Так, исчисление бесконечно малых, вариационное исчисление, математическое программирование 4 произошли от физики, но развитие этих дисциплин в рамках математики и тем более их применение в прикладных исследованиях в ряде случаев не связываются с принятыми при начальном физическом обосновании исходными предпосылками о консервативности и равновесности моделируемых систем.

Сложности формирования общего языка порождаются и разным характером исследований, проводимых физиками и математиками, теоретиками и прикладниками, инженерами и экономистами. В зависимости от этого характера меняется само представление о научной строгости. У математиков основной критерий строгости – соответствие получаемого результата исходной формулировке задачи. У физиков и инженеров промежуточные и окончательные результаты расчетов должны согласовываться с результатами натурных экспериментов (при возможности проведения таковых) и с природой изучаемого объекта. Несогласованность заставляет либо отбрасывать отдельные некорректные результаты, либо изменять постановку решаемой проблемы. Характер исследований влияет и на форму записи постановок задач, и на анализ промежуточных преобразований (соотношение между его неформализованной, качественной и формализованной составляющими), и на формулировку выводов.

Возникшие междисциплинарные проблемы энергетики первоначально решились в технических подразделениях ИСЭМ при анализе схем и параметров энергетических установок (Г.Б. Левенталь, Л.С. Попырин) и режимов электроэнергетических (Л.А. Крумм, Ю.Н. Руденко) и трубопроводных (В.Я. Хасилев, А.П. Меренков) систем.

Однако всесторонняя постановка проблемы междисциплинарных исследований была дана В.Я. Хасилевым при определении предмета вновь формируемой научной дисциплины – теории гидравлических цепей (ТГЦ), и его по праву можно считать основоположником междисциплинарного направления в деятельности института.

К В.Я. Хасилеву полностью относятся высказанные им самим слова об инженере, как физике, химике, экономисте и математике в одном лице. Он глубоко чувствовал сформулированную применительно к математике в известном докладе Д. Гильберта [25] мысль о том, что источниками научных проблем являются как связи с внешним миром (запросы пользователей), так и логика развития самой науки. В.Я. Хасилевым эта мысль распространялась и на прикладные науки. Он понимал, что если при постановке каждой новой конкретной задачи думать только о ценности непосредственно получаемых практических результатов, никакой настоящей науки создано не будет.

Лучшей иллюстрацией подхода В.Я. Хасилева к выбору направлений исследований является его первоначальный набросок содержания ТГЦ [26–29]. Непосредственным толчком для разработки этой теории послужила потребность в решении чисто практической задачи – расчета гидравлических режимов водяной тепловой сети, питаемой от нескольких параллельно работающих теплоисточников. Незадолго до начала Отечественной войны разрабатывался Генеральный план развития Москвы, в рамках которого была намечена схема ее теплоснабжения. Согласно этой схеме, несколько загородных ТЭЦ должны были подавать теплоноситель в окружающий город кольцевой Основой математического программирования стал выполненный Лагранжем анализ равновесия механической системы, из которого возникли и метод множителей, и функция Лагранжа, и определение условий экстремума последней.

трубопровод, а из него вода – распределяться по внутригородским магистралям. Предполагалось, что в сильные морозы в сеть будет поступать дополнительное количество тепла от расположенных в черте города пиковых котельных. Реализовать намеченную схему оказалось невозможно из-за отсутствия вычислительного инструмента.

Опыт и интуиция подсказали В.Я. Хасилеву, что в данной ситуации нельзя ограничиться созданием упрощенного метода расчета, а следует взяться за решение фундаментальной научной проблемы – анализа многоконтурных гидравлических систем.

Для достижения намеченной цели им были определены два направления исследований:

1) развитие общей теории гидравлических цепей и 2) создание обеспечивающей эффективное применение этой теории вычислительной техники – аналоговых машин (напомним, что цифровых компьютеров в те годы еще не было).

При этом ТГЦ задумывалась В.Я. Хасилевым как замкнутая теория, позволяющая решать все относящиеся к области ее приложений задачи. Списки задач составлялись по двум признакам классификации: отраслевому и дисциплинарному (отражающему научный характер исследуемой проблемы). По отраслевому признаку выделялись проблемы, связанные с анализом режимов и оптимизацией систем теплофикации и централизованного теплоснабжения, нефте,- газо- и водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях.

Физическая, математическая, техническая и экономическая составляющие ТГЦ, определяющие совместно ее междисциплинарный характер, вытекали из содержания трех основных намеченных В.Я. Хасилевым задач: прямой и обратной задач потокораспределения и задачи оптимального синтеза (технико-экономической оптимизации) цепей. Эти задачи были поставлены применительно к принципиально различающимся физико-математической природой гидравлическим системам: с движением сжимаемых и несжимаемых сред; с сосредоточенными, распределенными и регулируемыми параметрами; активным (с источниками движущих давлений) и пассивным (без таковых).

Технико-экономический аспект ТГЦ проявился в формулировке проблем выбора схем и параметров (диаметров труб, давлений нагнетателей и дросселируемых давлений) трубопроводных сетей. Математическая и вычислительная составляющие теории связаны с непрерывным развитием методов решения ее основных задач: контурных расходов и узловых давлений для расчета потокораспределения, дискретного динамического программирования и многоконтурной оптимизации для оптимального синтеза цепей.

Однако наиболее ярко единство составляющих и междисциплинарность ТГЦ раскрылись в выполненном В.Я. Хасилевым анализе особенностей задачи схемно– параметрической оптимизации гидравлической цепи (выборе сопротивлений ветвей и расчете распределения по ним расходов и потерь давления). Эти особенности он полностью разъяснил исходя из гидродинамического (физического) соотношения между потерей давления и расходом жидкости (формулы Дарси–Вейсбаха) для ветви цепи [27].