Методические и модельные аспекты исследования функционирования и развития электроэнергетических систем с позиций энергетической безопасности

Page 1

Page 2

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Методические и модельные аспекты
исследования функционирования
и развития электроэнергетических
систем с позиций энергетической
безопасности

УДК 620.9:621.311

Статья

посвящена

проблемам

исследования

функционирования

развития

электроэнер

гетических

систем

позиций

требований

обеспечения

энергетической

безопасности

Приведены

схемы

индикативного

модельного

подходов

исследованиям

Представлены

индикаторы

энергетической

безопасности

для

оценки

ситуации

отношении

электроэнергетических

систем

соответствующие

требованиям

Доктрины

энергетической

безопасности

Российской

Федерации

Пяткова

к.т.н., старший научный

сотрудник ИСЭМ СО РАН

Сендеров

д.т.н., главный научный

сотрудник ИСЭМ СО РАН

Ключевые

слова

электроэнергетическая система,

энергетическая безопасность,

индикаторы, моделирование

сновное содержание ис-

следований проблем энер-

гетической безопасности

(ЭБ) заключается в иссле-

довании производственных возмож-

ностей отдельных энергетических

систем и топливно-энергетического

комплекса (ТЭК) в целом в условиях

реализации угроз ЭБ тактического

и стратегического характера, а также

в формировании направлений дея-

тельности по предотвращению либо

преодолению негативных послед-

ствий для потребителей топливно-

энергетических ресурсов (ТЭР). Для

электроэнергетических систем (ЭЭС)

такие угрозы, как правило, реализу-

ются в виде нерасчетных экстре-

мальных условий функционирования

и развития. Подобные исследования

включают прогнозирование условий

функционирования и развития сис-

тем энергетики и ТЭК в целом в усло-

виях реализации указанных угроз,

оценку состояния систем энергети-

ки и потребителей в этих условиях,

выявление «узких мест» в системах

топливо- и энергоснабжения по-

требителей, выбор возможных на-

правлений и конкретных мер по ми-

нимизации негативных последствий

реализации угроз энергетической

безопасности у потребителей ТЭР.

Среди рассматриваемых энергети-

ческих систем, взаимосвязано функ-

ционирующих в рамках ТЭК России,

важнейшую инфраструктурную роль

играют наиболее близкие к потреби-

телям энергоресурсов ЭЭС. При этом

в рамках ТЭК проводятся исследова-

ния как технологически связанной

единой электроэнергетической сис-

темы (ЕЭС) России, так и изолиро-

ванных от нее ЭЭС.

Для проведения исследований

в ИСЭМ СО РАН была разработана

схема формирования интегральной

оценки ЭБ страны и ее регионов

с использованием модельных и ин-

дикативных исследований (рису-

нок 1) [1].

Из схемы видно, что интеграль-

ные оценки состояния ЭБ могут быть

получены только при использовании

двух указанных видов исследова-

ний. В отношении электроэнергети-

ки схема модельных исследований

будет показана ниже. Для прове-

дения индикативных исследований

используется соответствующий ап-

парат, подробно описанный в [2].

В части электроэнергетики при этом

выделены группы индикативного

анализа, отмеченные в Доктрине

энергетической безопасности Рос-

сийской Федерации, утвержденной

в 2019 году [3] с соответствующи-

ми индикаторами ЭБ [4]. Наиболее

представительными с точки зрения

развития ЭЭС индикаторами по со-

ответствующим группам являются

следующие:

Page 3

Оценка уровня энергетической безопасности страны, региона

Индикативная оценка

Экспертная оценка уровня

энергетической безопасности

на основе анализа состояния

важнейших индикаторов,

значения которых невозможно

отразить в модельных

исследованиях

Модельная оценка

Оценка уровня

энергетической безопасности

на основе модельных

исследований

{

, И

, ...

}

Интегральная оценка состояния

энергетической безопасности

И =

{

, И

}

∈

И*

И* =

{

И*

, ...

}

= И(

)

• Группа «Надежность и устойчи-

вость обеспечения российских

потребителей энергоресурсами

стандартного качества и услу-

гами в сфере энергетики». Важ-

ные индикаторы: относитель-

ные суммарные недопоставки

электроэнергии; физический из-

нос основных производствен-

ных фондов (ОПФ) в электро-

энергетике; относительные сум-

марные недопоставки электро-

энергии по регионам; величины

относительных среднегодовых

вводов установленной мощно-

сти и реконструкции электро-

станций регионов за предше-

ствующий анализу 5-летний

период.

• Группа «Регулирование цен

(тарифов) на продукцию орга-

низаций ТЭК и услуги в сфере

энергетики». Индикатор: отно-

сительный рост цен на элек-

троэнергию внутри страны и по

регионам.

• Группа «Осуществление ин-

вестиционной деятельности

в сфере энергетики, обеспече-

ние защиты прав инвесторов,

контроля за иностранными

инвестициями в российские

организации ТЭК, имеющие

стратегическое значение для

обеспечения обороны страны

и безопасности государства».

Индикатор: показатели выпол-

нения инвестиционных про-

грамм в электроэнергетике.

• Группа «Обеспечение энерго-

сбережения и повышения энер-

гетической эффективности».

Индикатор: величины относи-

тельного изменения удельной

энергоемкости ВВП и ВРП по

регионам.

Суть применения индика-

тивного подхода заключается

в сравнении фактических (рас-

четных) значений конкретных

индикаторов ЭБ (в отношении

электроэнергетики) с их науч-

но обоснованными пороговыми

значениями. В результате тако-

го сравнения можно получить

представления о приемлемости

или неприемлемости тех или

иных аспектов функционирова-

ния и развития электроэнергети-

ки страны и регионов с позиций

обеспечения требований энер-

гетической безопасности.

Рис

. 1.

Схема

получения

интегральной

оценки

уровня

энергетической

без

опасности

Из рисунка 1 видно, что вто-

рой важной составляющей ин-

тегральной оценки ЭБ является

модельная оценка. Проведение

модельных исследований требует

соответствующих методических,

модельных и программных раз-

работок. В ИСЭМ СО РАН раз-

работана двухуровневая система

моделей, объединяющая отрас-

левые модели и модель топлив-

но-энергетического

комплекса

[5]. Центральное место в системе

моделей занимает экономико-ма-

тематическая модель топливно-

энергетического комплекса Рос-

сии, которая предназначена для

решения задач, связанных с ком-

плексной оценкой условий топли-

во- и энергоснабжения в различ-

ных ситуациях и выявления узких

мест [5].

Модель позволяет осущест-

влять имитацию возможностей

функционирования ТЭК в рассма-

триваемом периоде и оценивать

условия топливо- и энергоснаб-

жения потребителей, так как она

достаточно детально описывает

производственные связи энерге-

тического комплекса, то есть все

стадии преобразования топлив-

но-энергетических ресурсов — от

их добычи до использования по-

требителями. Помимо производ-

ственного и распределительного

(транспортного) блоков в модели

описывается блок потребления,

в котором представлены основ-

ные потребители продукции от-

раслей ТЭК страны, ранжирован-

ные по категориям.

Таким образом, модель позво-

ляет осуществлять комплексный

анализ структуры и территориаль-

но-производственных связей ТЭК

страны в различных расчетных

ситуациях, а также оценивать ва-

рианты развития энергетических

отраслей на перспективу с учетом

фактора энергетической безопас-

ности.

Формализовано ограничения

указанной выше оптимизацион-

ной задачи записываются в виде

системы линейных уравнений

и неравенств:

–



= 1

=0,

(1)

0 ≤

≤

(2)

0 ≤

≤

(3)

где

— категории потребителей;

— искомый вектор, компоненты

которого характеризуют интенсив-

ность использования технологи-

ческих способов (добычи, пере-

работки, преобразования и транс-

порта энергоресурсов);

— иско-

мый вектор, компоненты которого

№

4 (61) 2020

Page 4

характеризуют объемы потребле-

ния отдельных видов энергоре-

сурсов отдельными категориями

потребителей (

);

— матрица

технологических коэффициентов

производства и транспорта от-

дельных видов топлива и энергии;

— вектор, определяющий тех-

нически возможные интенсивно-

сти использования отдельных тех-

нологических и производственных

способов;

— вектор с компонен-

тами, равными объемам задан-

ной потребности отдельных видов

энергоресурсов отдельными кате-

гориями потребителей.

Целевая функция при этом

имеет следующий вид:

(

) +



= 1

(

) →

min

. (4)

Первая составляющая отража-

ет издержки, связанные с функ-

ционированием отраслей топлив-

но-энергетического

комплекса,

входящих в него систем энергети-

ки и капвложений на их развитие.

Вторая

составляющая

—

ущербы от дефицита по каждому

виду энергоресурсов у каждой из

категорий потребителей. Вели-

чины дефицита энергоресурсов

(

) у потребителей категории

соответствуют разности (

–

Вектор

состоит из компонент,

названных с определенной услов-

ностью «удельными ущербами».

Стоимостная оценка реальной

(полной) величины ущерба от де-

фицита, как известно, вызывает

определенные трудности из-за

многообразия форм проявления

последствий от дефицита энерго-

ресурсов. Поэтому вводится шка-

ла приоритетов в удовлетворении

спроса на отдельные виды энер-

горесурсов потребителей рассма-

триваемых категорий.

В модели описаны отрасле-

вые подсистемы энергетического

комплекса: газовая, угольная, не-

фтеперерабатывающая, электро-

и теплоэнергетика.

Системообразующей, связы-

вающей все отрасли, частью мо-

дели является электроэнергетика.

В модели представлены следую-

щие типы электростанций: КЭС,

ТЭЦ, ГЭС и АЭС, ГТУ, ПГУ. Не-

посредственно связанная с элек-

троэнергетикой теплоэнергетика

представлена дополнительно бло-

ком котельных. Производственно-

территориальная структура блока

электроэнергетики представлена

на рисунке 2.

Описание возможных режимов

участия электростанций в покры-

тии неравномерностей графика

нагрузки и возможностей измене-

ния структуры топливопотребле-

ния на электростанциях с двойной

топливоподачей позволяет учесть

возможности

взаимозаменяе-

мости энергоресурсов как путем

распределения нагрузок между

электростанциями, работающи-

ми на разных энергоресурсах, так

и возможностью перехода на дру-

гой вид топлива у электростанций,

имеющих резервное хозяйство.

В процессе анализа результа-

тов оптимизационных расчетов

для задаваемых ситуаций опре-

деляются:

– размеры дефицита в отдель-

ных видах энергоресурсов по

рассматриваемым категориям

потребителей, тер риториаль-

ным образованиям и в целом

по стране;

– изменения пропускных способ-

ностей транспортных связей;

– рациональное использование

производственных мощностей

энергетических

объектов,

а также распределение отдель-

ных видов энергоресурсов по

категориям потребителей;

– структура топливно-энергети-

ческих балансов отдельных

территориальных образований

и страны, а также вынужден-

ных ограничений энергоснаб-

жения отдельных категорий

потребителей при различных

возможных возмущениях;

– возможности взаимозаменяе-

мости энергоресурсов в задан-

ных ситуациях.

С использованием представ-

ленной модели были проведены

исследования по выбору альтер-

нативных траекторий развития

электроэнергетики для последу-

ющего их анализа с позиций ЭБ,

рассмотрены различные альтер-

нативные траектории развития

ТЭК России [6–8].

Приведенная в данной статье

суть индикативного и модельного

подходов, а также схема их со-

вместного применения позволя-

ют сформулировать особенности

исследования функционирования

и развития электроэнергетиче-

ских систем с позиций энергетиче-

ской безопасности.

Работа выполнена в рамках проек тов

государственного задания III.17.5.1

Программы фундаментальных иссле-

дований СО РАН, рег. № АААА-А17-

117030310451-0.

Матрица удельных

расходов топлива

Производство электроэнергии на

КЭС

ТЭЦ

ГТУ

ПГУ

ГЭС + ГАЭС АЭС

Газовые
Угольные
Местное

топливо

Газовые
Угольные
Местное

топливо

Газовые Газовые

ГАЗ
УГОЛЬ
МАЗУТ

Ме

жрайонные пере

токи

эл

ектро-

энергии

Потребители

Блоки К-1200, К-800, К-400, К-300, К-200-210, K-150-160, K-100

Рис

. 2.

Производственная

структура

блока

электроэнергетики

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Page 5

ЛИТЕРАТУРА
1. Сендеров С.М. Модельно-ин-

дикативный подход к оценке

уровня энергетической без-

опасности страны при раз-

личных вариантах развития

энергетики // Известия РАН.

Энергетика, 2005, № 4. С. 3–9.

2. Сендеров С.М., Рабчук В.И. Со-

стояние энергетической без-

опасности России на феде-

ральном уровне: методический

подход к оценке и основные

результаты // Известия РАН.

Энергетика, 2018, № 2. С. 3–12.

3. Доктрина энергетической без-

опасности Российской Федера-

ции. URL: https://minenergo.gov.

ru/node/14766.

4. Сендеров С.М., Рабчук В.И. Ин-

дикаторы оценки доктрины

энергобезопасности России по

надежности топливо- и энер-

госнабжения // Энергетиче-

ская политика, 2019, № 3(141).

С. 86–95.

5. Пяткова Н.И., Сендеров С.М.,

Пяткова Е.В. Методические осо-

бенности исследования проб-

лем энергетической безопас-

ности на современном этапе

// Известия РАН. Энергетика,

2014, № 2. С. 81–87.

6. Пяткова Н.И., Сендеров С.М.

Использование двухуровневой

технологии исследований при

решении проблем энергетиче-

ской безопасности / Методи-

ческие вопросы исследования

надежности больших систем

энергетики. Вып. 59. Методиче-

ские и практические проблемы

надежности

либерализован-

ных систем энергетики. Отв.

ред. Н.И. Воропай. Иркутск:

ИСЭМ СО РАН, 2009. С. 274–

283.

7. Пяткова Н.И., Рабчук В.И., Сен-

деров С.М., Еделев А.В. и др.

Методические основы выбора

направлений

корректировки

решений по развитию энер-

гетики государства с позиций

энергетической безопасности

// Известия РАН. Энергетика,

2006, № 3. С. 21–27.

8. Сендеров С.М., Рабчук В.И.,

Пяткова Н.И. Анализ выпол-

нения требований энергетиче-

ской безопасности при реали-

зации различных направлений

развития ТЭК страны до 2020 г.

// Известия РАН. Энергетика,

2009, № 5. С. 17–23.

REFERENCES
1. Senderov S.M. Model-indicative ap-

proach to state energy security level

evaluation in diﬀ erent scenarios of

power industry development //

Iz-

vestiya RAN

[News of RAS]. Ener-

getika Publ., 2005, no. 4, pp. 3–9. (In

Russian)

2. Senderov S.M., Ryabchuk V.I. Fed-

eral energy security of Russia: eval-

uation procedure and main results //

Izvestiya RAN

[News of RAS]. Ener-

getika Publ., 2018, no. 2, pp. 3–12.

(In Russian)

3. Doctrine of Energy Security of the

Russian Federation. URL: http://pub-

lication.pravo.gov.ru/Document/View

/0001201905140010?index=0&rang

eSize=1.

4. Senderov S.M., Ryabchuk V.I. Indica -

tors used in Doctrine of Energy Secu-

rity of Russia for evaluation of fuel- and

energy supply reliability //

Energe tiches-

kaya politika

[Energy policy], 2019,

no. 3(141), pp. 86–95. (In Russian)

5. Pyatkova N.I., Senderov S.M., Py-

atkova E.V. Methodical speciﬁ cs of

studying present-day energy secu-

rity problems //

Izvestiya RAN

[News

of RAS]. Energetika Publ., 2014,

no. 2, pp. 81–87. (In Russian)

6. Pyatkova N.I., Senderov S.M. Use

of a two-level research technology

in solving problems of energy secu-

rity /

Metodicheskiye voprosy issle-

dovaniya nadezhnosti bol’shikh sys-
tem energetiki

[Methodical aspects

of reliability study of large power

systems]. Issue 59.

Metodicheskiye

i prakticheskiye problem nadezhnosti
liberalizovannykh system energetiki

[Methodical and practical aspects of

liberalized power system reliability].

Resp. editor Voropay N.I. Irkutsk,

Melentiev Energy Systems Institute,

Siberian Branch of the Russian Acad-

emy of Sciences, 2009, pp. 274–283.

(In Russian)

7. Pyatkova N.I., Ryabchuk V.I., Sen-

derov S.M., Edelyev A.V. and other.

Methodical grounds for correcting

decisions taken in state power indus-

try development from the energy se-

curity point of view //

Izvestiya RAN

[News of RAS]. Energetika Publ.,

2006, no. 3, pp. 21–27. (In Russian)

8. Senderov S.M., Ryabchuk V.I., Pyat-

kova N.I. Study of energy security

requirement fulﬁ llment in the pro-

cess of developing the state fuel-

and-energy complex until 2020 //

Izvestiya RAN

[News of RAS]. Ener-

getika Publ., 2009, no. 5, pp. 17–23.

(In Russian)

На прав

ах рек

ламы

№

4 (61) 2020

Оригинал статьи: Методические и модельные аспекты исследования функционирования и развития электроэнергетических систем с позиций энергетической безопасности

Ключевые слова: электроэнергетическая система, энергетическая безопасность, индикаторы, моделирование

Читать онлайн

Статья посвящена проблемам исследования функционирования и развития электроэнергетических систем с позиций требований обеспечения энергетической безопасности. Приведены схемы индикативного и модельного подходов к исследованиям. Представлены индикаторы энергетической безопасности для оценки ситуации в отношении электроэнергетических систем, соответствующие требованиям Доктрины энергетической безопасности Российской Федерации.