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

Page 1
background image

Page 2
background image

50

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

 

и

 

развития

 

электроэнер

-

гетических

 

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

.

Пяткова

 

Н

.

И

.,

к.т.н., старший научный 

сотрудник ИСЭМ СО РАН

Сендеров

 

С

.

М

.,

д.т.н., главный научный 

сотрудник ИСЭМ СО РАН

Ключевые

 

слова

:

электроэнергетическая система, 

энергетическая безопасность, 

индикаторы, моделирование

О

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
background image

51

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

i

 = 

{

 

И

i

1

, И

i

2

, И

i

3

, ...

 

}

Интегральная оценка состояния

энергетической безопасности

И = 

{

 

И

i

, И

м

 

}

И 

 И*

И* = 

{

 

И*

1

 

И*

2

 

И*

3

, ...

 

}

И

м

 = И(

c

x

r

g

)

•  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:
 

AX 

– 

T

= 1

 

Y

t

 =0, 

(1)

 

0 ≤ 

X

 ≤ 

D

(2)

 

0 ≤ 

Y

t

 ≤ 

R

t

(3)

где 

t

  —  категории  потребителей; 

X

 — искомый вектор, компоненты

которого характеризуют интенсив-

ность  использования  технологи-

ческих  способов  (добычи,  пере-

работки, преобразования и транс-

порта энергоресурсов); 

Y

t

 

— иско-

мый вектор, компоненты которого 

 4 (61) 2020


Page 4
background image

52

характеризуют объемы потребле-

ния  отдельных  видов  энергоре-

сурсов  отдельными  категориями 

потребителей  (

t

); 

A

  —  матрица 

технологических  коэффициентов 

производства  и  транспорта  от-

дельных видов топлива и энергии; 

D

  —  вектор,  определяющий  тех-

нически  возможные  интенсивно-

сти использования отдельных тех-

нологических и производственных 

способов; 

R

t

 — вектор с компонен-

тами,  равными  объемам  задан-

ной потребности отдельных видов 

энергоресурсов отдельными кате-

гориями потребителей.

Целевая  функция  при  этом 

имеет следующий вид:
 

(

C

X

) + 

T

= 1

 (

r

t

g

t

) → 

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  

(

g

t

)  у  потребителей  категории 

t

 

соответствуют  разности  (

R

t

  – 

Y

t

). 

Вектор 

r

t

  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
background image

53

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


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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Повышение эффективности почасового прогнозирования электропотребления с помощью моделей машинного обучения на примере Иркутской энергосистемы. Часть 2

Управление сетями / Развитие сетей Энергоснабжение / Энергоэффективность Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция
Томин Н.В. Корнилов В.Н. Курбацкий В.Г.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Превентивное управление нагрузкой в сетях 0,4 кВ в целях предотвращения возникновения аварийных ситуаций

Управление сетями / Развитие сетей Энергоснабжение / Энергоэффективность Релейная защита и автоматика
Удинцев Д.Н. Милованов П.К. Зуев А.И.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Принципы формирования цифровой платформы для управления надежностью распределительных электрических сетей в современных условиях эксплуатации

Управление сетями / Развитие сетей Энергоснабжение / Энергоэффективность Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция
Крупенев Д.С. Пискунова В.М. Гальфингер А.Г.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Новые технологии удаленного мониторинга и энергоэффективности электрооборудования сетей

Энергоснабжение / Энергоэффективность Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Диагностика и мониторинг
ООО «Сименс»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Обеспечить равные возможности для всех при справедливом распределении ответственности

Интервью Управление производственными активами / Техническое обслуживание и ремонты / Подготовка к ОЗП Энергоснабжение / Энергоэффективность
Интервью с Председателем Комитета по энергетике Государственной Думы Завальным П.Н.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»