«КРАТКИЙ ОТЧЕТ о научной и научно-организационной работе за 2012 год Иркутск - 2012 1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской ...»

Рис. 4. Изменение мощности энергоблока (1,2) и расхода топлива (3,4) по времени.

1.2.5. Разработана методика согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров охлаждаемой проточной части газовой турбины (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель: д.т.н. Клер А.М. (Отдел теплосиловых систем) Разработаны модели расчета охлаждаемой проточной части газовых турбин, пригодных для включения в состав оптимизационных математических моделей газотурбинной установки (ГТУ) и парогазовой установки (ПГУ), подходы к совместной оптимизации параметров цикла, параметров проточной части турбины. Проведена согласованная оптимизация параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров проточной части охлаждаемой газовой турбины. Для выполнения оптимизационных исследований разработана математическая модель газовой турбины, включающая следующие расчеты:

Газодинамический расчет, который сводится к определению параметров рабочего тела на входе и выходе решетки турбинной ступени (при средних диаметрах). Из расчета определяются высоты лопаток с учетом построенного профиля (рис. 5).

Для охлаждаемых решеток расчет проходит с учетом отвода тепла от основного потока рабочего тела.

Тепловой расчет, в котором определяются локальные коэффициенты теплоотдачи, как со стороны продуктов сгорания к наружной стенке лопатки, так и от внутренней стенки лопатки к охлаждающему воздуху. При этом учитываются коэффициенты теплопроводности материала лопаток и их теплозащитного покрытия.

В исследованиях выбрана схема охлаждения сопловых и рабочих лопаток с продольным течением охлаждающего воздуха. Согласно этой схеме в результате аэродинамического расчета определены потери давления воздуха в охлаждающих каналах сопловых и рабочих лопаток.

На основе данных теплового и газодинамического расчета проведен прочностной расчет с определением действующих и предельно допустимых напряжений в лопатке от газодинамических и центробежных сил. По итогам работы Ю.Б. Захаровым защищена кандидатская диссертация.

1.2.6. Методика построения программ для автономной проверки моделей систем автоматики энергоустановок ТЭС (программа фундаментальных исследований Руководитель: д.т.н. Э.А. Таиров (Отдел теплосиловых систем) Методика основана на применении программных компонент со структурнооднородным интерфейсом для построения моделей разветвлнных сетей обработки дискретных и аналоговых сигналов. Программные реализации моделей генерируются автоматически на основе текстового описания сетей, содержащих спецификации составляющих элементов и соединений между ними. Модели систем автоматики (системы автоматического регулирования и системы технологических защит и блокировок), представленные кибернетическими моделями (моделями “чрного ящика”), разворачиваются в эквивалентные по функциональности сети обработки сигналов. Их описание и создание выполняются единообразно как в составе полной модели энергоустановки, так и в автономном варианте. Это делает возможным создание и всестороннее тестирование моделей систем автоматики независимо от моделей основного оборудования, требуя только доступа к базе данных состояния модели всей энергоустановки. Тестирование выполняется путм проверки правильности реакции модели на изменение контролируемых параметров, которое может производиться либо произвольным образом в диалоговом режиме, либо на основе заранее составленного сценария.

Рис.6. Фрагмент системы, выполняющий отключение мельниц-вентиляторов (ДВ) и/или дымососов (ДС).

1.2.7. Разработана интегрированная ветропарогазотурбинная технология (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: к.т.н. Жарков С.В. (Отдел трубопроводных систем) Предполагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, связанной с паротурбинными установками (ПТУ), в частности входящих в состав парогазовых установок, с перегревом пара посредством теплоэлектронагревателя (ТЭНа), питающегося нестабилизированной электроэнергией от электрогенерирующей ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Предлагается, что при осуществлении способа работы паротурбинной установки, включающего перегрев пара посредством теплоэлектронагревателя (ТЭНа) от электрогенерирующей ВЭУ, в периоды недостаточной мощности ветроэнергетической установки (слабой силы ветра) переключать ТЭН ПТУ полностью на питание от дополнительного (резервного) источника электроэнергии.

На рис. 7 (а) показана схема установки. При высокой скорости ветра мощности, развиваемой ВЭУ, достаточно для того, чтобы ТЭН 2 был способен перегревать пар до проектных значений температуры. При этом ТЭН 2 располагается в базовой части потребления мощности ВЭУ, а избыточная (сверх мощности ТЭНа) электрическая мощность ВЭУ направляется на питание ТЭНа, подогревающего сетевую воду перед котельной 7, уменьшая расход топлива в ее котле. При недостаточной (слабой) силе ветра, когда мощность, развиваемая ВЭС, меньше мощности ТЭНа, ТЭН ПТУ с помощью переключателя 5 переключается на питание от дополнительного (резервного) источника электроэнергии. Этим обеспечивается стационарный (стабильный) режим работы как резервного источника питания, так и ПТУ с достижением максимальной эффективности, надежности и долговечности их работы.

На рис. 7 (б) показана схема установки, реализующей предлагаемый способ применительно к ПТУ парогазовой установки. Здесь в период слабого ветра вся электроэнергия ВЭУ “сбрасывается” на ТЭН 8 газотурбинной установки (ГТУ), уменьшая расход топлива в ее камере сгорания.

1-паровой котел, 2-теплоэлектронагреватель, 3электрогенерирующая ВЭУ, 4-паровая турбина, 5-электрический электрогенерирующая ВЭУ, 4-паровая турбина, 5переключатель, 6-резервный источник электроэнергии, 8- теплоэлектрический переключатель, 6-резервный источэлектронагреватель ГТУ.

ник электроэнергии, 7-пиково-резервная котельная Рис. 7. Принципиальная схема ветропаротурбинной установки (а) и ветропарогазотурбинной установки (б).

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ТРУБОПРОВОДНЫЕ

СИСТЕМЫ

А.В.Кейко (Отдел научно-технического прогресса в энергетике, Отдел трубопроводных систем, Отдел электроэнергетических систем, Отдел региональных проблем энергетики, Отдел теплосиловых систем) Выполнены аналитические, обзорные и сравнительные исследования показателей эффективности технологий малой распределенной энергетики, оценен потенциал энергетических ресурсов для малой энергетики. Определены технико-экономические характеристики технологий, оценено состояние рынка соответствующего оборудования, сформирован перечень основных разработчиков и производителей оборудования. Определены объемы, виды и распределение по территории страны местных энергетических ресурсов, применимых для использования в системах малой распределенной энергетики (см. рис. 8).

Выполнен анализ конкурентоспособности систем с распределенной генерацией, на его основе разработаны принципы построения таких систем, обеспечивающие выполнение установленных нормативов устойчивости и надежности энергоснабжения, качества энергии.

Рис. 8. Оценка масштабов рационального использования технологий для систем малой энергетики на территории РФ, программный комплекс REM и сопоставление технологий по степени проникновения на рынок. (сокращения на рисунке внизу-справа: ФЭП – фотоэлектронные преобразователи, АСММ – атомные станции малой мощности, ВЭУ – ветровые энергоустановки, ТНУ – теплонасосные установки, ПГУ – парогазовые установки, ГТУ – газотурбинные установки, ГПД - газопоршневые двигатели).

Получены результаты соответствующих расчетов, выполненных для случаев автономной работы систем малой распределенной энергетики и работы в сети централизованного энергоснабжения. Сформулированы рекомендации относительно выбора состава технологий малой распределенной энергетики для применения в экономике страны и для разработки. Определены объемы возможного применения малой распределенной энергетики, включая технологии со стохастическим и детерминированным характером функционирования. Оценены ресурсы для систем малой распределенной энергетики.

Полученные результаты позволяют существенно сузить круг рассматриваемых вариантов технологического развития по критериям современных и перспективных показателей технической, экономической и экологической эффективности. Это, в свою очередь, повысит эффективность совокупных затрат на НИР и ОКР по разработке технологий и систем распределенной энергетики.

На основе полученных методик разработан программный комплекс REM, предназначенный для определения оптимальной структуры, режимов работы и оценки экономической эффективности энергосистемы, включающей энергоисточники со стохастической генерацией энергии в зависимости от внешних условий (цена топлива, наличие или отсутствие связей с энергосистемами, климатические и метеорологические условия).

Разработка методов и алгоритмов линейного оценивания состояния по измерениям комплексных электрических величин (данных PMU) (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ) Руководитель работы: чл.-корр. РАН Н.И.Воропай, отв. исполнитель: д.т.н.

И.Н.Колосок (Отдел электроэнергетических систем) Использование полученных синхронизированных векторных измерений тока и напряжения (измерения PMU) совместно с традиционными телеизмерениями (ТИ) SCADA позволяют существенно улучшить результаты решения задачи оценивания состояния (ОС), но наибольший эффект от применения PMU-технологии для ОС может быть получен при полной замене всех традиционных телеизмерений (активных и реактивных перетоков в линиях, узловых инъекций) векторными измерениями напряжений и токов.

Разработаны, реализованы в экспериментальной программе и исследованы два алгоритма линейного ОС для локальных областей ЭЭС, наблюдаемых по измерениям PMU: 1) алгоритм формирования матрицы Якоби путем дифференцирования зависимостей y (x ), и 2) алгоритм формирования матрицы Якоби путем составления нескольких матриц по определенным правилам и дальнейших простейших операций над ними. Результаты исследований показали полную идентичность полученных матриц Якоби, но второй алгоритм является более оптимальным при написании программного кода линейного оценивания состояния, так как он не содержит операций дифференцирования.

Проверка линейного алгоритма оценивания состояния была выполнена на тестовых схемах из 7 и 14 узлов. Результаты расчетов для схемы из 7 узлов, представленные на рис.9, показали, что среднеквадратичная ошибка (СКО) после ОС значительно уменьшилась: СКО измерений к эталону составляет 0,1929%, СКО оценок к эталону составляет 0,1166%.

Практическая ценность рассмотренного метода состоит в простоте его реализации и высокой скорости решения задачи. В современных условиях функционирования ЭЭС, ориентированных на применение WAMS-технологий, методы локального ОС могут быть легко интегрированы в АСУ объектов ЭЭС с последующим архивированием результатов оценивания состояния и передачей требуемых данных.

Рис.9. Ошибки измерений и оценок 7-ми узловой тестовой схемы.

Выполнен анализ сенсорных и слабых мест в электроэнергетической системе (ЭЭС) с использованием методов вероятностного потокораспределения (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной Руководитель: чл.-корр. РАН Н.И.Воропай, отв. исполнитель: д.т.н. И.И.Голуб (Отдел электроэнергетических систем) Доказана возможность на основе числовых характеристик переменных выделить в ЭЭС сенсорные переменные, в наибольшей степени реагирующие на внешние возмущения, и слабые места, являющиеся виновниками существования сенсоров, оценить возможные диапазоны изменения переменных в абсолютных единицах.

Разработан новый метод обобщенного возмущения, который является сочетанием линейного аналитического метода вероятностного потокораспределения с методом сингулярного анализа и не требует задания сценариев возмущений, а позволяет по заданной величине дисперсии обобщенного возмущения оценить множество сценариев по одному критерию.

Предложен новый нелинейный аналитический метод вероятностного потокораспределения трех моментов на основе кумулянтов, дающий возможность получить числовые вероятностные характеристики переменных близкие к характеристикам для метода Монте-Карло.

Разработан алгоритм вероятностного потокораспределения с учетом ограничений, заключающийся в последовательном итерационном решении детерминированной и вероятностной задач. Он включает выбор переменной, вероятность нахождения которой в допустимой области должна быть обеспечена в первую очередь, и управляющих воздействий, обеспечивающих требуемую вероятность за счет смещения математического ожидания переменной к центру допустимого интервала.

На рис. 10 показано, как выработкой управляющих воздействий можно увеличить вероятность нахождения сенсорных переменных в допустимых границах.

Разработка интеллектуальных подходов для мониторинга и прогнозирования параметров предстоящего режима ЭЭС на базе нейросетевых технологий и статистических методов (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ, грант РФФИ, грант фонда Александра фон Гумбольдта) Руководитель работы: чл.-корр. РАН Н.И. Воропай, ответственные исполнители: д.т.н. В.Г. Курбацкий, к.т.н. Н.В. Томин, к.ф.-м.н. Д.Н.Сидоров (Отдел электроэнергетических систем, Отдел прикладной математики) Интеллектуальное прогнозирование параметров режима.

Для повышения точности краткосрочного прогнозирования параметров режима разработан подход, предусматривающий совместное использование интеллектуальной нейронной сети (ИНС), метода опорных векторов (МОВ) и преобразования ГильбертаХуанга (ПГX) – гибридная прогнозная модель (рис. 11). При использовании такого подхода исходный нестационарный временной ряд раскладывается на электрические моды (ЭМ), расчтные значения которых используются для нахождения мгновенных амплитуд, и мгновенных частот. Затем расчтные значения ЭМ, амплитуды и частоты подаются на вход нейросетевой модели и машины опорных векторов. Непосредственно сами модели ИНС и МОВ формируются с использованием гибридного генетического алгоритма, использующего аппарат и метода имитации отжига для нахождения оптимальных структур ИНС и МОВ.

Результаты прогнозирования перетока активной мощности на 1 минуту вперд на базе различных гибридных моделей представлены в табл. 2.

параметры Гильберта-Хуанга Рис. 11. Гибридный подход для краткосрочного прогнозирования параметров режима.

Таблица 2. Сравнение прогнозов перетока активной мощности на 1 минуту вперд на базе различных гибридных моделей № Гибридные модели Средняя относитель- Средняя абсолютная Среднеквадратичная ошибка, % ошибка, MWt ная ошибка, MWt Мониторинг и предсказание аварийных ситуаций.

Разработан интеллектуальный подход к мониторингу и предсказанию утяжелнных и/или аварийных режимов на основе современных методов адаптивной кластеризации (самоорганизующихся карт Кохонена (СОК) и факторного анализа. Блок-схема данного подхода проиллюстрирована на рис.12.

Основная идея такого подхода заключается в создании такой модели СОК, которая обучается классифицировать (разбивать на кластеры), отслеживать и предсказывать аварийные ситуации. Кластеризация состояний основана на критериях «аварийный» или «неаварийный режим», которые в свою очередь подразделяются на «нормальный», «утяжелнный (предупредительный)», «аварийный №1 (корректируемый)» и «аварийный №2 (некорректируемый)». Использование факторного анализа позволяет выделить ключевые факторы, оказывающие влияние на развитие аварийной ситуации.

Экспериментальные расчты, выполненные для систем разной размерности (примеры на 10 узлов и 96 узлов), показывают, что предложенный подход интеллектуального мониторинга позволяет с определнным упреждением реагировать на утяжеление режима и/или возможность возникновения аварийной ситуации и в режиме реального времени оценивать вероятность негативного исхода для анализируемой ЭЭС.

Параметры Самоорганизующаяся сеть Карты Кохонена напряжение активная / реактивная активный/реактиный Рис. 12. Общая схема интеллектуального подхода для мониторинга и предсказания аварийных ситуаций ЭЭС.

Разработка методики централизованного снижения напряжений высших 1.3.5.

гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ) Руководитель работы: к.т.н. Л.И. Коверник (Отдел электроэнергетических систем) Методика централизованного снижения напряжений высших гармоник (т.е. одновременное снижение в некотором количестве узлов сети с помощью установки фильтра в одном из них) состоит из 8-ми пунктов:

1) анализ возможности применения централизованного подхода в рассматриваемой сети;

2) выбор расчетных схемы сети и режима нагрузок;

3) определение величины реактивной мощности фильтра на первой гармонике;

4) выбор желаемой величины напряжений высших гармоник в узлах сети;

5) определение узла установки фильтра;

6) выбор типа фильтра;

7) определение параметров фильтра;

8) оценка эффективности выбранных фильтров для различных конфигураций сети и режимов нагрузок.

Определение узла установки фильтра и параметров фильтра являются важнейшими задачами методики. Для определения узла установки фильтра предложен алгоритм “пробного фильтра”. Для определения параметров пассивных фильтров решается оптимизационная задача. Решение задачи реализовано для фильтров С-типа и третьего порядка. Методика апробирована на участке сети 220 кВ, питающем тяговые подстанции (рис. 13).

Ku(5), % Рис. 13. Результаты выбора пассивного фильтра для участка сети. Ku(5)H – нормативное значение напряжения 5-ой гармоники по ГОСТу 13109-97, Ku(5)Бф – напряжение 5-ой гармоники без фильтра в узлах сети, Ku(5)Ф – с фильтром третьего порядка 5-ой гармоники, установленном в узле 2838.

Разработка управляемого подмагничиванием трансформатора (УПТр) (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ) Руководитель: д.т.н. С.С.Смирнов (Отдел электроэнергетических систем) Разработан и испытан управляемый постоянным током однофазный трансформатор (УПТр) броневого типа. За счет подмагничивания постоянным током боковых сердечников реактивная мощность трансформатора изменяется в широких пределах.

Трансформатор реализуется на базе трехфазного трансформатора. К сетевой обмотке среднего стержня подсоединяется сеть, к нагрузочной обмотке – конденсаторная батарея, активная нагрузка, фильтры высших гармоник. Обмотки боковых стержней включаются встречно и к ним подсоединяются управляемые источники постоянного тока.

Достоинства: малая мощность системы управления в номинальном режиме – 0,4% от Sн, широкий диапазон изменения реактивной мощности ± Sн, реализация на серийном оборудовании. Группа из трех трансформаторов заменяет асинхронизированный синхронный компенсатор (АСК). Стоимость УПТр в 2 раза меньше АСК. У УПТр значительно лучшие эксплуатационные и режимные свойства (не требует постоянного обслуживания, потери меньше в 3 раз). Применение УПТр в протяженных сетях высокого напряжения позволяет улучшить режимные свойства (стабилизировать напряжения, увеличить предельные передаваемые мощности, снизить потери, нормализовать напряжения высших гармоник, увеличить надежность работы). Режим работы УПТр сложен из-за использования глубокого насыщения стали боковых сердечников, существенного различия состава токов в обмотках и их сложного взаимодействия.

На рис.14 приведена осциллограмма номинального режима УПТР малой мощности при номинальной величине реактивной мощности. В сетевой обмотке протекает ток частотой 50 ГЦ. В обмотке управления постоянный ток и ток 100 Гц. Напряжение на обмотке управления постоянное и малой величины.

Рис.14. Напряжение и токи обмоток УПТр при номинальной реактивной мощности.

Разработка концепции «Умный дом» – «Умный квартал» – «Умный город»

1.3.7.

(интеграционный проект СО РАН) Руководитель работы: чл.-корр. РАН Н.И. Воропай, ответственный исполнитель: к.т.н. Д.Н.Ефимов (Отдел электроэнергетических систем) В концепции сочетаются технологии локальных, централизованных и распределенных систем управления и используется принцип микросетей (локальных сетевых объединений):

«Умный дом», где ключевую роль играет интеллектуальная система управления, предполагающая энерго- и ресурсосбережение на уровне современных требований при сохранении комфортных условий проживания. Кроме того, предполагается использование (по возможности) собственных источников энергии.

«Умный квартал», включающий (наряду с совокупностью «умных домов») внутриквартальные малые источники электрической и тепловой энергии и внутриквартальные объекты инфраструктуры (теплоснабжение, водоснабжение, освещение).

Интеллектуальная составляющая управления обеспечивает рациональное использование локальных (внутриквартальных) и внешних (городских и общесистемных) источников электрической и тепловой энергии, водных и иных ресурсов, позволяет за счет централизованного и локального управления обеспечить требуемые свойства (в т.ч. требуемую надежность) энергоснабжения ответственных потребителей и инфраструктурных объектов.

«Умный город», включающий (наряду с совокупностью «умных кварталов») общегородские объекты инфраструктуры (электрический транспорт, теплоснабжение, водоснабжение, освещение), крупные и мелкие учреждения и промышленные предприятия. К «умному городу» также относятся источники электрической и тепловой энергии и соответствующие инфраструктурные объекты, расположенные внутри города/мегаполиса.

Рис. 15. Силовая и информационная сети «умного» жилого дома или офиса:

1 – диспетчер системы; 2 – распределительная сеть; 3 – питающий понижающий трансформатор; 4 – фотоэлементы на крыше дома; 5 – метеостанция; 6 – блок управления связи с диспетчером и обслуживания; 7 – пульт управления, автоматики и контроля; 8 – компьютер дома; 9 – аккумулятор; 10 – инвертор; 11 – нагрузки дома; – гибридный электромобиль в гараже. Линии: сплошные – силовые кабели, пунктирные – каналы связи.

Разработка методов оптимизации развития основной электрической сети в 1.3.8.

рыночных условиях (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ) Руководитель работы: к.т.н. В.В. Труфанов, отв. исполнитель: П.С. Драчев (Отдел электроэнергетических систем) Разработана методика оптимизации развития основной электрической сети в рыночных условиях, ориентированная на максимизацию суммарного социального эффекта участников рынка. Уточнена математическая модель развития электрической сети с учетом дополнительных факторов: множественности режимов работы системы, ограничений на перетоки мощности между зонами свободного перетока, функционирования рынка электроэнергии. Модель программно реализована в системе моделирования GAMS.

Методика апробирована на реальных данных развития ЕЭС России на 2010 и годы. Результаты расчетов (сравнение решений в традиционной постановке и с учетом рыночных эффектов) приведены на рис. 16. Из результатов следует, что учет рыночных эффектов позволяет получить решение задачи с большим суммарным эффектом в сравнении с традиционной задачей на минимум затрат в развитие электрической сети.

Рис. 16. Сравнение оптимальных решений традиционной и «рыночной» моделей на примере ЕЭС России на 2010 и 2020 годы.

Разработаны математические модели для планирования загрузки электростанций в условиях оптового рынка электроэнергии (программа фундаментальных исследований СО РАН, грант ведущей научной школы РФ) Руководитель работы: д.т.н. С.И. Паламарчук (Отдел электроэнергетических Представлены основные положения разработанной методики среднесрочного планирования выработки электроэнергии. Предлагаемая методика учитывает особенности работы ЭЭС в условиях оптового рынка (алгоритм для решения задач планирования с использованием разработанной методики представлен на рис.17):

потребление электроэнергии в среднесрочной перспективе имеет ценовую эластичность;

большинство поставщиков стремятся получить максимум своей прибыли, достижение минимума суммарных затрат в ЭЭС не является их основной целью.

При планировании следует учитываются не индивидуальные интересы электростанций, а их поведение в рамках компании;

отдельные поставщики способны влиять на рыночные цены, принимается во внимание олигопольное состояние оптового рынка;

чтобы обеспечить экономически эффективную работу энергосистемы, имеющей гидроэлектростанции (ГЭС), необходимо планировать режим ЭЭС с учетом:

ограниченных объемов водохранилищ, водохозяйственных и экологических ограничений и случайного характера приточности воды.

Разработана регрессионная модель зависимости надбавки к цене электроэнергии для финансирования возобновляемых источников энергии. Такая модель была реализована на примере Германии. Величина надбавки зависит от темпов ввода возобновляемых источников и цены электроэнергии на оптовом рынке.

Усовершенствована модель для исследования влияния отделения сетей от генерации и монопольных привилегий в сфере передачи электроэнергии на пропускные способности, объемы передачи и затраты потребителей на энергоснабжение.

Рис. 17. Алгоритм решения задачи среднесрочного планирования.

1.3.10. Выполнен анализ механизмов функционирования электроэнергетического рынка на основе статических и динамических моделей несовершенной конкуренции (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. В.И.Зоркальцев (Отдел прикладной математики) Разработаны модели расчта равновесия, которые исследованы на примере рынка электроэнергии Сибири в случае реализации различных сценариев: эластичного и неэластичного спроса, маловодного года и др. Определяется, насколько далека реальная ситуация от оптимально возможной для отрасли в условиях ограниченного количества фирм, выпускающих продукцию.

В результате моделирования стратегического взаимодействия на оптовом рынке электроэнергетической системы «Сибирь» определено, что:

1) меньшую равновесную цену дают модели, в которых все генераторы используют равновесные функции предложения с наличием конкурентного окружения (в нашем случае линейные функции предложения);

2) при функционировании с неэластичным спросом у фирм существует возможность значительно завышать цены относительно цен, ориентированных на предельные издержки (цены Вальраса);

3) при резком ограничении участия фирм конкурентного окружения (маловодный год) возрастание цен не сочетается с увеличением разброса цен, рассчитанных по разным моделям, в том числе модели Вальраса.

Последнее говорит о том, что рыночная власть стратегических фирм возрастает слабо, а значительное повышение цен определяется рыночной властью гидроэлектростанций. Соответственно, необходимо вводить их в модель как активных игроков.

Проведены сравнительные исследования на базе экономико-математического моделирования возможных механизмов организации спотового рынка электроэнергии.

Полученные результаты имитационного поведения поставщиков-производителей товара на олигопольных рынках иллюстрируют возможные эффекты в изменении ситуации на рынке при смене правил поведения отдельных игроков. В некоторых ситуациях отдельные поставщики могут получать краткосрочные преимущества при выходе из состояния олигопольного равновесия (см. рис. 18). Расширение объемов поставок у таких производителей может дать им увеличение прибыли, хотя это будет сопровождаться снижением цены, а также потерями доходов у других участников рынка, что может побуждать их к переменам правил поведения. В конечном итоге это может привести к снижению прибыли у всех поставщиков и к неустойчивому состоянию на рынке.

1.3.11. Разработаны механизмы объектно-ориентированного моделирования трубопроводных систем (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. Н.Н.Новицкий (Отдел трубопроводных систем) В ИСЭМ СО РАН в рамках развиваемого здесь научного направления – теории гидравлических цепей (ТГЦ) разработан модельный аппарат, а также методы расчета и оптимизации, применимые в принципе к любым типам трубопроводных и гидравлических систем. Однако до настоящего времени эффективное использование этого потенциала в значительной мере сдерживалось отсутствием адекватных компьютерных технологий гибкого конфигурирования конечных программно-вычислительных комплексов (ПВК). При этом, с одной стороны, одни и те же методы решения типовых задач дублировались в разных ПВК, а с другой, – при разработке ПВК нового назначения приходилось адаптировать уже реализованные методы к прикладной специфике.

В работе сформулированы принципы новой технологии программной реализации методов ТГЦ, обеспечивающей возможность многократного применения реализованных методов ТГЦ в различных ПВК. Технология основана на идеях объектноориентированного моделирования и предполагает отделение специфики моделей трубопроводных систем от общих методов их расчета. Выполнено обоснование способов реализации соответствующих программных компонент и механизмов их взаимодействия по данным и по функциям. Разработана архитектура информационно-вычислительных комплексов (ИВК) распределенного типа, которая позволяет применять методы ТГЦ в многопользовательском режиме, а также существенно упрощает процессы развития и сопровождения ПВК. Предложенная технология апробирована на примере задач расчета режимов систем водо- и газоснабжения через Web-интерфейс (рис. 19).

Рис. 19. Внешний вид Web-интерфейса для моделирования трубопроводных систем методами теории гидравлических цепей.

1.3.12. Разработаны математические модели для анализа и синтеза надежности при многоуровневом моделировании систем газоснабжения (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. Н.И.Илькевич (Отдел трубопроводных систем) Разработаны математические модели анализа надежности: многониточного магистрального газопровода, газового промысла и подземного хранилища газа. Приведены математическая модель синтеза структурной надежности проектируемого магистрального газопровода и математическая модель анализа надежности функционирования закольцованной системы газоснабжения. Показаны алгоритмические особенности разработанных моделей по сравнению с существующими и даны описания соответствующих программ и комплексов. Предложен двухэтапный методический подход для нахождения оптимальной надежности сложной газоснабжающей системы. Выполнена формализация структур данных, используемых в унаследованных программных средствах анализа и синтеза надежности элементов газоснабжающих систем, и создано объектное представление элементов газоснабжающей сети с точки зрения задач надежности. Выполнены исследования по особенностям перевода крупных потребителей газа (предприятий черной и цветной металлургии), а также предприятий промышленности строительных материалов нефте- и агрохимии с газа на другие виды топлива.

Анализ Аналитический метод – "схема гибели и Синтез Рис. 20. Классификация математических моделей анализа и синтеза надежности.

1.3.13. Разработаны методы и алгоритмы для решения задачи оптимального управления производством и распределением тепловой энергии в условиях рынка (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. В.А. Стенников (Отдел трубопроводных систем) Разработана многоуровневая математическая модель регулируемого конкурентного рынка тепловой энергии, которая позволяет осуществить поиск оптимальных условий функционирования всех элементов теплоснабжающей системы (источников, сети и потребителей). Ее иерархическая структура представлена на рис. 21. На уровне регулирующего органа данная постановка позволяет определять величину минимального порогового значения тарифа для потребителей, при соблюдении баланса производства и потребления тепла, а также неотрицательности прибыли источников тепловой энергии.

Полученные в процессе моделирования показатели для двух вариантов формирования отношений на рынке тепловой энергии позволяют сделать следующие выводы.

Во-первых, регулирование позволяет снизить итоговый тариф для потребителей на 8,5% при соблюдении баланса в системе и неотрицательности прибыли источников тепла. Вовторых, при регулировании суммарные затраты по системе центрального теплоснабжения снизились на 18% в сравнении с нерегулируемым конкурентным рынком тепловой энергии.

ЛОКАЛЬНЫЙ РЫНОК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1.3.14. Разработано методическое и программное обеспечение для решения задач реконструкции и развития теплоснабжающей системы (ТСС) (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. В.А. Стенников (Отдел трубопроводных систем) Для разработки применена концепция модельно-управляемой разработки, что позволяет автоматически получать сложные программные системы на основе формализованных описаний элементов тепловой сети, спектра решаемых задач и имеющегося программного обеспечения. В качестве средства хранения формализованного описания разработана онтологическая система, структура которой приведена на рис. 22(а). Метаонтология системы содержит базовые понятия предметной области и устанавливает отношения между ними, которые используются для построения онтологии инженерных знаний и онтологии программного обеспечения.

Разработан быстродействующий алгоритм для решения задачи схемнопараметрической оптимизации ТСС, принцип работы которого схематично показан на рис. 22(б). Во время работы этого алгоритма используются технологии параллельных вычислений. Применение данных технологий позволяет существенно сократить время расчтов при решении прикладных задач оптимизации параметров ТСС с использованием вычислительной техники. В предложенном алгоритме удалось преодолеть основную сложность разработки параллельных программ – обеспечить правильную последовательность взаимодействий между различными вычислительными потоками, а также координацию ресурсов, разделяемых между потоками.

Онтологическая система Рис. 22. а) Структура онтологической системы для решения задач реконструкции и развития теплоснабжающих систем и б) пример работы быстродействующего алгоритма их схемно-параметрической оптимизации.

1.3.15. Разработана методика оптимизации ввода и совместной работы источников тепла (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.ф.-м.н. О.В.Хамисов (Отдел прикладной математики) Разработанная методика предназначена для решения параметрической задачи минимизации разрывной функции на параллелепипеде при одном ограниченииравенстве, в правой части которого и находится параметр, соответствующий изменяющейся температуре наружного воздуха. Требуется определить параметрическиоптимальное решение, практически интерпретируемое как оптимальный режим ввода и функционирования источников тепла в течение некоторого периода времени, например, отопительного сезона. Для каждого источника минимизируемые издержки есть функция, имеющая разрыв первого рода в нуле, соответствующий переходу из «холодного»

режима в «горячий». При аргументе строго большем нуля издержки – выпуклая дифференцируемая функция. Разработанная методика представляет собой аппроксимацию данной задачи задачами линейного смешанного 0-1 программирования.

Определены оценки погрешности аппроксимации. Показано, что предлагаемая методика позволяет улучшать точность аппроксимации за счт увеличения размерности задачи. В основе такого подхода лежит возможность решать задачи 0-1 программирования с сотнями дискретных переменных современными решателями. Преимущество состоит в естественной возможности расширения рассматриваемой задачи, например, добавление сетевых ограничений и т.д.

1.4. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И ОБЩЕЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

(программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.т.н. Б.Г. Санеев (Отдел региональных проблем энергетики) В рамках работ по оценке перспектив развития энергетики Байкальского региона разработана стратегия развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области, которая одобрена распоряжением Правительства области №491-РП от 12.10.2012 г.

Исходя из условий межтопливной конкуренции у различных категорий потребителей, определены рациональные объемы использования природного газа, в том числе для развития нефте- и газохимической промышленности. К 2030 году потребность в природном газе в Иркутской области может возрасти до 9-11 млрд. м3.

Выполнена технико-экономическая оценка маршрутов поставки природного газа за пределы Иркутской области как российским потребителям, так и на экспорт. По экономическим показателям, объемам потребления и профилю рельефа местности приоритетным является маршрут газопровода Ковыктинское ГКМ – Саянск – Наушки - УланБатор – Китай (Пекин). Этот маршрут имеет геополитическое значение и позволяет газифицировать вдоль трассы не только российские территории, но и потребителей Монголии.

Сделаны оценки энергоэкономической, социально-экономической и бюджетной эффективности реализации разработанной стратегии.

Рис. 23. Стратегия развития энергетики Байкальского региона.

Исследовано влияние изменений экспортных цен на природный газ в России на его внутреннее потребление и экспорт в период до 2050 г. (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: к.т.н. А.В. Лагерев (Отдел региональных проблем энергетики).

Влияние экспортных цен на природный газ исследовано для умеренного сценария развития экономики России с помощью динамической оптимизационной территориально-производственной модели «ТЭК России-2050», разработанной в ИСЭМ СО РАН.

В соответствии с принятым сценарием среднегодовые темпы прироста ВВП в период до 2030 г. составят 3,9 %, а в последующие десятилетия будут замедляться: до 3,4 % в период 2031-2040 гг. и до 3,2 % – в период 2041-2050 гг. Рассмотрены 3 варианта возмождалее цен предложения) на природный газ на российских рынках:

вариант 1 - «экспортные» цены на газ в стране выше внутренних цен предложения;

вариант 2 – «экспортные» цены на газ в стране равны внутренним ценам предложения;

вариант 3 – «экспортные» цены газа ниже цен предложения.

Структура баланса российского природного газа представлена на рисунке 24.

Рис. 24. Структура баланса российского природного газа в зависимости от соотношения «экспортных» и внутренних цен предложения на газ в 2050 г.

Выполнен прогноз потребности в природном газе по регионам Китая и развития газотранспортной инфраструктуры до 2030 г. (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: к.т.н. С.П.Попов (Отдел региональных проблем энергетики).

В предстоящие десятилетия страны Азиатско-Тихоокеанского региона будут представлять наиболее динамичный рынок потребления углеводородного сырья, при этом Китай будет являться определяющим игроком. Будет расти потребность в нефти для производства моторного топлива и в газе для производства электроэнергии, а также для использования в качестве моторного топлива.

Получены уточненные оценки мкости газового рынка стран Северо-Восточной Азии для российского природного газа на 2020 г. и 2030 г. Выполнен прогноз потребности в природном газе по регионам Китая с учетом развития газотранспортной инфраструктуры.

Показано, что российский газ имеет высокую конкурентоспособность в северовосточных провинциях Китая (условные центры потребления гг. Пекин и Харбин) при условии строительства трубопроводной системы, соединяющей Ковыктинское месторождение с южными территориями Байкальского региона и далее на экспорт через Монголию и Забайкальск, а Чаяндинское месторождение – с Харбином через Благовещенск.

Рис. 25. Прогноз потребности в природном газе по регионам Китая и развития газотранспортной инфраструктуры до 2030 г.

Выполнено исследование долгосрочного развития ТЭК восточных регионов 1.4.4.

с выявлением тенденций и закономерностей развития территориальнопроизводственной структуры (программа фундаментальных исследований СО Руководитель работы: д.т.н. Б.Г.Санеев, д.т.н. А.Д.Соколов (Отдел региональных проблем энергетики) Исследование проводилось по следующим направлениям.

1. На основе региональных топливно-энергетических балансов (ТЭБ) и с использованием информационно-программного комплекса «ТЭБ Сибири и Дальнего Востока»

в соответствии с принятыми инерционным, базовым и умеренным сценариям социально-экономического развития до 2030 года определены стоимостные показатели энергоэффективности экономики, коэффициенты полезного использования топлива, стоимостные оценки ТЭБ. Показано, что по интегральной оценке более предпочтительным является базовый сценарий, однако, окончательный вывод о рациональности того или иного сценария ТЭБ можно сделать лишь с учетом показателей социальноэкономической, бюджетной эффективности, энергетической безопасности и экологической оценки.

2. С целью экономического обоснования создания и размещения крупнотоннажных нефтегазохимических комплексов в восточных регионах России выполнен сравнительный анализ экономической эффективности создания предприятий по выпуску полимеров с использованием в качестве сырья этана и нафты. Выполненные исследования показали, что при ожидаемом уровне цен на сырье и полимерную продукцию строительство нефтехимического комплекса, работающего на нафте, экономически нецелесообразно. Наиболее целесообразными местами размещения нефтехимических производств являются площадки в г. Саянск Иркутской области и в п. Ильинский Сахалинской области. Площадка в Иркутской области характеризуется относительно небольшим расстоянием до Ковыктинского ГКМ (500 км), на котором отлажена система наклонно-направленного бурения, что гарантирует при ВНД в 15 % на промысле и тарифе на транспорт газа в 5 долл. за 1000 м3 на 100 км стоимость газа на входной задвижке завода по разделению газа в размере не выше 70 долл./1000 м3.

3. Исследованы наиболее значимые факторы, влияющие на развитие угольной промышленности восточных регионов, а именно:

потребность в угле и его добыча (см. рис. 26);

уровни переработки угля;

наличие транспортной инфраструктуры;

природные факторы (водность рек, зимние температуры) экспорт электроэнергии;

транспортные тарифы на перевозку угля;

качественные характеристики угля.

Сделаны выводы о том, что результаты по исследованию влияния различных факторов на развитие угольной промышленности восточных регионов носят скорее качественный характер, чем количественный. Не всегда возможно однозначно определить зависимость развития угольной промышленности от отдельных факторов в силу их взаимозависимости. Большинство факторов могут оказать влияние на развитие угольной промышленности восточных регионов, также как и России в целом, только в долгосрочной перспективе в силу инерционности развития отрасли.

Рис. 26. Динамика добычи и потребления угля в восточных регионах РФ в зависимости от стратегического и умеренного сценария социально-экономического развития.

Исследованы наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность 1.4.5.

вариантов развития распределенной генерации в изолированных районах на востоке РФ (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: к.т.н. И.Ю. Иванова (Отдел региональных проблем энергетики) Разработана модель определения оптимальной мощности гелиоустановок (фотоэлектрических преобразователей и систем солнечного теплоснабжения). Модель включена в комплекс программных инструментальных средств для исследования эффективности функционирования и развития распределенной генерации. В основе модели заложен принцип минимизации затрат на сооружение гелиоустановок в зависимости от потенциала природных энергоресурсов и стоимостных показателей, характеризующих современный уровень цен на гелиоустановки (с учетом дискретности оборудования) и используемое топливо дополняющего энергоисточника (ДЭС или котельной).

С использованием дополненного новой моделью комплекса инструментальных средств проведены исследования влияния изменения мощности гелиоприемников на рост полезной выработки энергии и сроки окупаемости проектов их сооружения.

Сделаны следующие выводы:

- с увеличением площади гелиоприемников возрастает разница между возможной и полезной выработкой энергии;

- увеличение площади, а, следовательно, и мощности гелиоприемников с целью полного обеспечения энергопотребления влечет за собой многократное увеличение капиталовложений;

- в современных ценовых условиях полезная выработка энергии и, соответственно, объем и стоимость вытесненного топлива увеличивается медленнее, чем возрастают капиталовложения (рис. 27).

тыс. кВт·ч Рис. 27. Исследование влияния изменения мощности фотоэлектрических преобразователей (вверху) и систем солнечного теплоснабжения (внизу) на рост полезной выработки энергии и сроки окупаемости проектов их сооружения.

Оценены масштабы реализации стратегических угроз энергетической безопасности и выполнено обоснование рекомендаций по предотвращению кризисных ситуаций в энергетике при анализе вариантов ее развития в долгосрочной перспективе (программа фундаментальных исследований СО РАН, программа Президиума РАН) Руководитель работы: д.т.н. С.М.Сендеров (Отдел живучести и безопасности систем энергетики) Определены перспективы обеспечения внутренних потребностей России первичными видами топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на период до 2030 г. с учетом возможной реализации стратегических угроз энергетической безопасности.

Сформулированы конкретные меры и структурированы направления деятельности по обеспечению энергетической безопасности России в долгосрочной перспективе:

меры производственно-технического характера (в рамках инвестиционной, инновационной деятельности и организационно-технических мероприятий, в т.ч.

по отраслям энергетики;

меры институционального характера, касающиеся корректировки государственной энергетической политики, развития энергетического законодательства, создания эффективного информационного обеспечения системы мониторинга энергетической безопасности.

Показано, что в случае незамедлительного проведения комплекса описанных мер может быть существенно сокращена длительность перспективного проявления дефицита первичных ТЭР в условиях реализации стратегических угроз ЭБ. При этом величина этого дефицита на уровне 2020 г. может быть сокращена с ориентировочно 12% до 4% от потребностей экономики страны в первичных ТЭР (см. рис. 28).

Рис. 28. Перспективы обеспечения внутренних потребностей России первичными видами ТЭР на период до 2030 г. с учетом возможной реализации стратегических угроз энергетической безопасности.

Выполнена оценка возможных ограничений и барьеров на пути развития 1.4.7.

ТЭК, предложены подходы по сужению области неопределенности его долгосрочного развития (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель работы: д.э.н. Ю.Д. Кононов (Отдел взаимосвязей энергетики и Дана комплексная характеристика возможных ограничений и барьеров на пути развития ТЭК. Предложены методические подходы к приближенной количественной оценке некоторых из них. При этом особое внимание уделено барьерам, обусловленным неопределенностью будущих условий и инвестиционными рисками. Показано, что величина и характер неопределенности может оказать заметное влияние на барьеры по вводу производственных мощностей в ТЭК и на ограничения по потреблению топлива.

Подход к сужению области неопределенности долгосрочного развития ТЭК учитывает сложные взаимосвязи и взаимозависимости между производством энергоносителей, ценами и спросом на них, а также барьерами и ограничениями. Сущность подхода к сужению области неопределенности долгосрочного развития ТЭК состоит во все более полном учете этих взаимосвязей, последовательном расширении круга решаемых задач, увеличении состава используемых экономико-математических моделей и усложнением схемы итерационных расчетов. При этом особое внимание уделяется выделению из множества вариантов развития ТЭК (определяемых для каждого сценария развития экономики) общей прогнозной области, а в ней зоны инвариантов и зоны нестабильности (рис. 29).

Результаты прогнозов подготовительного Сценарий развития экономики, Мощность, ГВт Рис. 29. Состав и взаимодействие моделей на разных стадиях формирования и исследования вариантов долгосрочного развития ТЭК (условные обозначения моделей: 1 – ТЭК, 2 - Конъюнктура региональных энергетических рынков (спрос и цены), 3 – Барьеры и угрозы, 4 - Отрасли ТЭК, 5 – Макроэкономика, 6 – Энергетические компании) с практическим примером определения прогнозной области при вводах АЭС и зоны инвариантов для двух сценариев развития экономики.

Сформулированы возможности математической модели Глобальной энергетической системы GEM для моделирования долгосрочных перспектив развития ядерной энергетики (по заказу ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ», г. Обнинск) Руководитель: к.т.н. О.В. Марченко (Отдел научно-технического прогресса в энергетике).

В рамках исследования эффективности долгосрочных стратегий развития ядерной энергетики с применением разработанных в ИСЭМ СО РАН Глобальной энергетической модели GEM (Global Energy Model) и методики оценки экономического риска вследствие задержки ввода в России АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БР) изучена чувствительность экономического риска и энергетической структуры к изменению основных исходных данных. В том числе исследовано влияние капиталовложений в новые АЭС, цен на природный уран, прогнозируемого энергопотребления и величины экологических ограничений. В качестве количественной меры риска приняты перерасход затрат на развитие энергетики и реализуемость рассматриваемых вариантов, которая оценивалась на основе экспертно заданных вероятностей. Ядерная энергетика рассматривалась в составе ТЭК России на фоне мировой энергетики. Затраты определялись по результатам моделирования на модели GEM.

На основе анализа статистической информации сформированы двенадцать вариантов, различающихся капиталовложениями в АЭС с БР, ценами на природный уран, электропотреблением и величинами глобальных ограничений на выбросы парниковых газов. Одновременно с указанными вариантами рассматривались несколько стратегий развития ядерной энергетики, различающихся сроками ввода АЭС с БР, в том числе базовый (широкомасштабное развитие БР при максимально благоприятных условиях) и сценарий, предполагающий задержку ввода БР приблизительно на 20 лет по сравнению с базовым сценарием.

Для всех вариантов проведены оптимизационные расчеты технологической структуры энергетики мира и России на период до 2100 г. По результатам моделирования определены экономические ущербы (перерасход затрат) от задержки ввода быстрых реакторов с учетом затрат на реализацию программы развития АЭС с БР. На рис.1 представлены функции распределения экономического ущерба для стратегии, предполагающей задержку ввода БР на 20 лет с учетом неопределенности исходных данных. Согласно полученным результатам при всех рассмотренных вариантах ввод АЭС с БР в России целесообразен (раньше или позже); задержка ввода АЭС с БР на 20 лет приведет к ущербам с вероятностью 40-80%, с вероятностью 10-30% этот ущерб будет не менее млрд. долларов. Несмотря на то, что вероятность получить ущерб от задержки ввода БР не очень велика (40-80%, см. рис. 30), величина этого ущерба может быть весьма значительной (до 25 млрд. дол.). Вместе с тем преждевременный ввод БР при неблагоприятных для них условиях (низкое электропотребление, мягкие ограничения на выбросы двуокиси углерода) дает ущерб не более 1-5 млрд. дол. В связи с этим, принимая решение в условиях объективно существующей неопределенности, следует рекомендовать развитие инновационных АЭС повышенной безопасности с реакторами на быстрых нейтронах.

Рис. 30. Распределение вероятности экономического ущерба в условиях неопределенности (минимального и максимального), связанного с задержкой широкомасштабного ввода АЭС с реакторами на быстрых нейтронах на 20 лет: вероятность того, что ущерб будет не меньше, чем заданная величина.

Выполнен интеллектуальный анализ данных при долгосрочном прогнозировании природообусловленных факторов энергетики (программа фундаментальных исследований СО РАН) Руководитель: д.т.н. Массель Л.В. (Отдел живучести и безопасности систем энергетики) Разработаны методы и инструментальные средства интеллектуального анализа данных при долгосрочном прогнозировании природообусловленных факторов энергетики. Реализована программная система ГеоГИПСАР, интегрирующая методы долгосрочного прогнозирования информационно-прогностической системы ГИПСАР и методы обработки геоклиматических данных.

Разработаны основные компоненты системы моделирования гидроэнергетического потенциала каскада ГЭС. На рис. 31 справа показан полученный с помощью этой системы график наполнения Богучанской ГЭС в зависимости от даты начала наполнения прогнозируемых показателей притока воды в водохранилища Ангарского каскада ГЭС и водохозяйственных требований.

Результаты использовались ОАО «Иркутскэнерго» для уточнения и повышения надежности прогнозов показателей водности Ангарского каскада ГЭС, докладывались на рабочем совещании в Президиуме ИНЦ СО РАН по проблемам, связанным со строительством Богучанской ГЭС.

Рис. 31. Архитектура системы ГеоГИПСАР и результаты его работы.

1.4.10. Разработан методический подход и инструментальные средства для интеллектного контроля и преобразования данных для вычислительного эксперимента (программа фундаментальных исследований СО РАН, программа Президиума РАН № 15, гранты РФФИ № 10-07-00264, №11-07-00192 и 12-07-00359) Руководитель: д.т.н. Массель Л.В. (Отдел живучести и безопасности систем энергетики) Разработан методический подход к интеллектному контролю и преобразованию данных для вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики для решения задачи преобразования данных при интеграции разработанных интеллектуальных компонентов и традиционных программных комплексов. Применены методы дедуктивного синтеза программ для решения задач преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента включая:

• методические принципы интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента на примере исследований энергетической безопасности;

• декларативные представления процессов преобразования и контроля данных, алгоритмы их построения и применения, а также их свойства;

• методику интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных.

В рамках подхода разработаны схема взаимодействия и базовый состав компонентов программного обеспечения для реализации предложенной методики. Предложены основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента. Реализован научный прототип соответствующего инструментального средства. Разработанные методика и программное обеспечение позволяют автоматизировать переход от этапа качественного анализа (с использованием когнитивного и событийного моделирования) к этапу количественного анализа (с использованием традиционных программных комплексов).

Рис. 32. Схема преобразования данных при переходе от когнитивных карт к математическим моделям.

1.5. ГРАНТЫ РФФИ, ВЕДУЩЕЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ И ДРУГИХ ФОНДОВ

в том числе 2 гранта сторонних организаций с участием ИСЭМ СО РАН.

Разработка динамической пространственной агентно-ориентированной 1.5.1.

имитационной модели функционирования и развития мировой энергетической системы, РФФИ № 10-06-00538-а, совместно с ИНЭИ, 2010-2012 гг.

Руководитель: чл.-корр. РАН С.П. Филиппов (ИНЭИ РАН), исполнители: к.э.н.

В.В. Савин, М.М. Березенцев, к.т.н. О.В. Марченко, к.т.н. С.В. Соломин, к.т.н.

А.В. Лебедев (Отдел научно-технического прогресса в энергетике) Проанализированы особенности объекта моделирования, сформулированы и обоснованы методические, технические и информационные требования к динамической пространственной агентно-ориентированной имитационной модели функционирования и развития мировой энергетической системы. Выполнена модификация моделей мировой энергетической системы GEM-13R и GEM-Dyn: в целевую функцию введены весовые коэффициенты для каждого региона, а также затраты на импорт энергоносителей и доходы от их экспорта. Это позволило в процессе оптимизации в разной степени учесть интересы регионов путем задания величин коэффициентов в интервале от 0 до 1. В предельном случае можно учесть интересы лишь одного региона, а других – не учитывать.

Проведена серия расчетов и выполнено сравнение результатов оптимизации структуры энергетики и затрат на ее развитие для вариантов оптимизации для мира в целом и оптимизации с позиций России. Показано, что с позиции России выгоднее уменьшение масштабов добычи и экспорта органических топлив при сохранении или увеличении уровня их внутреннего потребления. При этом затраты на развитие энергетики снижаются на 5-10% (рис. 33).

Рис. 33. Масштабы экспорта энергоресурсов из России: сплошная линия – сценарий 1, оптимизировалась энергетика всего мира в целом; пунктирная линия – сценарий 2, минимизировались затраты только энергетики России (без доходов от экспорта энергоносителей).

Разработка комплексных моделей, основанных на методах индустриального 1.5.2.

метаболизма для оценки экологической безопасности энергетических производств, РФФИ 12-08-00439-а Руководитель: к.г.н. Е.В.Кучменко, исполнители: М.С.Зароднюк, д.т.н.

О.А.Балышев, Р.А. Иванов (Отдел научно-технического прогресса в энергетике) Проект направлен на изучение антропогенного воздействия энергетических производств на природные комплексы в региональном масштабе (на примере Байкальской природной территории). В работе количественно оценивается степень антропогенного влияния на озеро Байкал от крупных ТЭЦ Иркутско-Черемховского промышленного комплекса, расположенных на расстоянии 60-200 км. Путем проведения комплекса натурных экспериментов и интерпретации их с использованием методов рецепторного моделирования количественно оцениваются балансовые характеристики с учетом поступления, миграции, аккумуляции, выведения загрязнителей, характерных для теплоэнергетики (серусодержащие соединения, органические соединения, микроэлементы), в экосистему Южного Прибайкалья и Южной котловины озера Байкал. Инструментом исследования путей миграции загрязнителей выступают математические модели рассеивания примесей.

Для получения балансовых оценок используются реальные данные о выбросах загрязняющих веществ в окружающую среду, информация по составу атмосферного воздуха, атмосферного аэрозоля, загрязнению снежного покрова и поверхности почвы.

Методики оценки влияния крупных ТЭЦ на, разработанные в ходе выполнения проекта, в дальнейшем могут быть использованы для решения аналогичных задач в зоне влияния других промышленных центров Сибири.

Исследование проблем энергоснабжения Байкальского региона, разработка 1.5.3.

рациональных направлений развития энергетики (в том числе с использованием возобновляемых источников энергии), РФФИ №12-08-98023р_сибирь_а, 2012-2013 гг.

Руководитель: д.т.н. Б.Г. Санеев (Отдел региональных проблем энергетики, Отдел научно-технического прогресса в энергетике) В рамках 1 этапа проекта в 2012 г.:

– выполнен ретроспективный анализ (2005-2010 гг.) современного состояния экономики и отраслей энергетики, на основе которого выявлены основные проблемы энергоснабжения потребителей Иркутской области, Республики Бурятии, Забайкальского края, входящих в состав Байкальского региона;

– оценены потенциальные возможности ресурсной базы ТЭК региона, в том числе возобновляемых природных энергоресурсов;

– проанализирована экологическая ситуация и выявлена роль энергетики в загрязнении окружающей среды региона;

– усовершенствованы научно-методические основы долгосрочного прогнозирования энергопотребления Байкальского региона;

– разработан программно-вычислительный комплекс для исследования развития региональных ТЭК и формирования топливно-энергетических балансов;

– усовершенствованы методы и модели исследования развития угольной промышленности региона и создания газоперерабатывающих производств;

– разработаны экономико-математические модели оценки эффективности применения в регионе различных вариантов энергоснабжения, в частности: топливных и возобновляемых источников энергии, газификации потребителей;

– проанализированы и систематизированы основные инвестиционные проекты, планируемые к реализации на территории промышленных кластеров Байкальского региона;

– выполнен прогноз потребности в электрической и тепловой энергии для двух сценариев развития экономики региона на период до 2030 г.

Потребность Байкальского региона к концу третьего этапа составит: в электроэнергии – 118-124 млрд. кВт·ч, в тепловой энергии – 80-85 млн. Гкал. Наибольший прирост потребности будет приходиться на электроэнергию, объем ее потребления возрастет за рассматриваемый период в 1,8-1,9 раза. Теплопотребление увеличится в 1,3-1, раза (рис. 34).

Рис. 34. Рост энергопотребления в Байкальском регионе.

Мультиметодные алгоритмы и вычислительные технологии идентификации динамических систем и параметрического синтеза оптимального управления, РФФИ 12-01-00193-а совместно с ИДСТУ СО РАН Руководитель: д.ф.-м.н. А.Ю. Горнов (ИДСТУ СО РАН), исполнитель от ИСЭМ:

М.С. Зароднюк (Отдел научно-технического прогресса в энергетике) Проект направлен на создание новых эффективных алгоритмов, программных средств и вычислительных технологий, позволяющих находить численные решения задач невыпуклой оптимизации динамических систем. Идентификация динамических систем порождает экстремальные задачи при применении методов математического моделирования в различных областях – механике, динамике полета, робототехнике, навигации, электроэнергетике, экономике. Большинство известных работ и подходов к решению возникающих при этом задач оптимизации ориентированы на поиск только локального экстремума оценочных функционалов. Для задач параметрического синтеза оптимального управления также пока не найдено общего подхода, позволяющего надежно преодолевать естественную многоэкстремальность. Разрабатываемые в рамках проекта подходы тестируются на задачах разных областей знания, в том числе в задачах технической экологии. Предполагается использование параметрического синтеза в исследованиях технологии термохимической конверсии твердых топлив.

Разработка методического инструментария и исследование влияния характера неопределенности будущих условий на эффективность и реализуемость вариантов развития и модернизации систем энергетики, РФФИ № 12-06-00090-а, 2012-2014 гг.

Руководитель: д.э.н. Ю.Д. Кононов (Отдел взаимосвязей энергетики и экономики) В рамках проекта разработан методический подход и реализующая его компьютерная программа для оценки влияния на конкурентоспособность рассматриваемых объектов и на выбор рационального варианта энергоснабжения региона неопределенности цен на топливо, спроса на конечную продукцию и технико-экономических показателей новых электростанций, крупных котельных, промышленных установок. Метод основан на использовании оптимизационных моделей и техники статистических испытаний Монте-Карло.

Проведены экспериментальные расчеты (на примере ввода новых электростанций в Европейской части страны в период 2020-2025 гг.), которые подтвердили работоспособность метода и показали заметное влияние характера неопределенности на рациональную структуру (по критерию эффективность-риск) ввода новых электростанций.

Предупреждение и ликвидация аварийных режимов электроэнергетических 1.5.6.

систем на основе новых методов прогнозирования и управления, РФФИ №11-08-00109-а, 2011-2012 гг.

Руководители: чл.-корр. РАН Воропай Н.И., исполнители: д.т.н. Курбацкий В.Г., к.т.н. Томин Н.В. (Отдел электроэнергетических систем) В 2012 г. разработан интеллектуальный подход к системе мониторинга и выявления аварийных ситуаций ЭЭС, который включает следующие этапы.

Сбор данных, предоставляемых системой SCADA. Эти данные подаются в системы предварительной обработки данных, которые выявляют наиболее важные и критические данные, оказывающие влияние на развитие режима.

Кластеризация состояний ЭЭС. Цель этой процедуры заключается в выяснении, насколько опасно то или иное состояние системы. Задача решается через самообучающиеся и самоорганизующиеся нейронные сети Кохонена, которые используют набор смоделированных состояний ЭЭС. Кластеры формируются по тестовым ситуациям, представляющим собой нормальные и аварийные режимы ЭЭС.

Интерпретация текущего состояния ЭЭС. Основной целью является ранжирование состояний ЭЭС с точки зрения их потенциальной способности перейти в область динамической неустойчивости. Все состояния делятся на нормальные, потенциально опасные и аварийные. Эта информация предоставляется оператору ЭЭС для принятия необходимых мер.

В «off-line»-режиме формируется кластерная модель оценки безопасности состояния ЭЭС (рис. 35). В «on-line»-режиме эта модель в реальном времени обрабатывает полученные от системы SCADA измерения. Таким образом, разработанная модель позволяет оператору отслеживать в «on-line»-режиме уровень безопасности состояния ЭЭС, предупреждая о возможных утяжелнных режимах и аварийных ситуациях (например, «Вероятность чрезвычайной ситуации составляет 85%»).

Интеллектуальная система реализована в STATISTICA 8.0 и протестирована на 10-узлой и IEEE 42-узловой IEEE электрической сети.

Рис.35. Обобщнная блок-схема оценивания и классификации состояния Создание и интеграция интеллектуальных информационных технологий и 1.5.7.

ресурсов для междисциплинарных исследований в области энергетики, РФФИ № 10-07-0264-а, 2010-2012 гг.

Руководитель: д.т.н. Л.В. Массель (Отдел живучести и безопасности систем Методы построения интеллектуальной ИТ-среды для исследования и обеспечения энергетической безопасности, Руководитель: к.т.н. А.Н. Копайгородский (Отдел живучести и безопасности систем энергетики) Методы, технологии и инструментальные средства когнитивного моделирования для исследований и поддержки принятия решений в энергетике, РФФИ № 12-07-00359, 2012-2014 гг.

Руководитель: к.т.н. А.Г. Массель (Отдел живучести и безопасности систем 1.5.10. Экспериментальное исследование экстремальных характеристик парожидкостного потока в плотноупакованном слое шаровых частиц, РФФИ № 12-08-00734-а, 2012–2014 гг.

Руководитель: д.т.н. Э.А. Таиров (Отдел теплосиловых систем) В ходе выполнения работ по проекту получены экспериментальные данные по выходу на критическое истечение парожидкостной смеси через плотноупакованные слои шаровых частиц. Размеры частиц – 2, 3 и 4 мм; высота засыпки – 250, 355 и мм; объмное паросодержание смеси – от = 0.2 до = 0.8; давление перед засыпкой 0. МПа. Выявленные значения максимальных массовых скоростей лежат в пределах от кг/м2с до 600 кг/м2с (при высоте засыпки 795 мм) и от 200 кг/м2с до 710 кг/м2с (при высоте засыпки 250 мм). Выполнены оценки критической скорости истечения на паровой фазе.

1.5.11. Интенсификация процессов тепломассопереноса в многофазных пористых и зернистых системах с фазовыми и химическими превращениями, РФФИ № 11-08-00368-а, 2011–2013 гг.

Руководитель: чл.-корр. РАН Б.Г. Покусаев (Московский государственный университет инженерной экологии, МИХМ), исполнители от ИСЭМ СО РАН:

д.т.н. Таиров Э.А., Васильев С.А. (Отдел теплосиловых систем) 1.5.12. Развитие теории неклассических интегральных уравнений типа Вольтерра, возникающих при моделировании нелинейных динамических систем, и разработка вычислительных алгоритмов и программного обеспечения с приложением к задачам энергетики, РФФИ № 12-01-00722-а, 2012-2014 гг.

Руководитель: д.ф.-м.н. А.С. Апарцин (Отдел прикладной математики) Продолжено исследование различных типов неклассических интегральных уравнений типа Вольтерра, проводившееся в рамках предыдущих проектов РФФИ. Такие уравнения естественным образом возникают при построении математических моделей нелинейных динамических систем типа вход-выход на базе универсального аппарата полиномов Вольтерра, а также при моделировании процессов замены устаревших элементов развивающихся систем новыми.

1.5.13. Разработка теории, моделей и методов обоснования развития и управления функционированием структурно неоднородных электроэнергетических систем в рыночных условиях. Грант ведущей научной школы, НШ-1507.2012.8, 2012-2013 гг.

Руководитель: чл.-корр. РАН Н.И. Воропай (Отдел электроэнергетических систем) В 2012 г. получены следующие результаты:

Разработаны инновационные принципы и направления развития электроэнергетики России на интеллектуальной основе.

Разработаны методы оптимизации конфигурации системы электроснабжения путем размещения источников питания и закрепления за ними потребителей.

Разработан оптимизационный подход к определению параметров пассивных фильтров с целью нейтрализации высших гармоник в электрических сетях.

Разработана система показателей наблюдаемости для оптимальной расстановки измерений параметров режима устройствами измерения векторных величин PMU.

Исследованы статистические свойства частоты в Единой энергосистеме России на основе обработки измерений PMU.

Разработаны методы многокритериальной реконфигурации систем электроснабжения для обеспечения минимума потерь в нормальных режимах и надежности электроснабжения потребителей в послеаварийных режимах.

Разработаны методы восстановления системы электроснабжения, включающей установки распределенной генерации после аварий.

Разработаны принципы распределенного координированного управления режимами электроэнергетических систем с использованием интеллектуальных технологий и средств.

Выполнен анализ факторов и условий, связанных с интеллектуализацией электроэнергетических систем, влияющих на надежность этих систем и надежность электроснабжения потребителей.

Выполнено обобщение методов анализа режимов электроэнергетических систем с учетом детализации математических моделей.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИКЛАДНЫХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ЗАКАЗАМ ФЕДЕРАЛЬНЫХ ОРГАНОВ ВЛАСТИ, РЕГИОНАЛЬНЫХ АДМИНИСТРАЦИЙ, ГОСУДАРСТВЕННЫМ КОНТРАКТАМ И ХОЗДОГОВОРАМ

2.1. РАБОТЫ В ИНТЕРЕСАХ ФЕДЕРАЛЬНЫХ КОМПАНИЙ

Кржижановского, 2011-2012 гг.) Руководитель работы: чл.-корр. РАН Воропай Н.И., отв. исполнители: к.т.н.

С.В. Подковальников, к.т.н. Труфанов В.В., к.э.н. И.Ю. Иванова (Отдел электроэнергетических систем, Отдел научно-технического прогресса в энергетике, Отдел региональных проблем энергетики) Выполнена оценка масштабов развития и размещения генерирующих мощностей ЕЭС России на перспективу до 2030 года при варьировании неопределенных внешних условий: потребления электроэнергии, объемов демонтируемого оборудования, масштабов развития распределенной генерации, АЭС, малых ТЭЦ, цен на органическое топливо.