Молодые
ученые Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (Иркутск)
получили премию Правительства РФ в области науки и техники 2023 года за разработку
методов обоснования уровня резервирования генерирующей мощности
электроэнергетических систем. Подробнее об этом рассказал научный руководитель
авторского коллектива, заведующий лабораторией надежности топливо- и энергоснабжения
ИСЭМ СО РАН кандидат технических наук Дмитрий Сергеевич Крупенёв.
Михаил Мишустин и Дмитрий Крупенёв
«Резервирование
— это одно из основных средств обеспечения надежности электроэнергетических
систем и электроснабжения потребителей. Касательно генерирующей мощности в
энергосистеме можно сказать, что, по сути, резерв генерирующей мощности равен
разности величины располагаемой генерирующей мощности электроэнергетической
системы (имеется в виду суммарная располагаемая генерирующая мощность всех
генерирующих станций в энергосистеме) и совмещенного максимума нагрузки. Зачем
нам нужен резерв? Дело в том, что электроэнергетическая система имеет много
специфических характеристик, одна из которых — непрерывность процесса
производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Вследствие
этого любой отказ энергетического оборудования может мгновенно привести к
дефициту мощности и недоотпуску электроэнергии, поэтому в энергосистеме всегда
должны быть резервные источники для компенсации отказавших. Эта составляющая
называется аварийный резерв», — объясняет Дмитрий Сергеевич.
Еще
одна причина резервирования в энергосистеме — постоянные колебания нагрузки.
Например, потребители пользуются различными электроприборами, что приводит к
случайным колебаниям нагрузки, их тоже нужно компенсировать и предусмотреть
определенный уровень резерва генерирующей мощности, предназначенного для
компенсации случайных отклонений нагрузки потребителей. Это нагрузочный резерв.
В энергосистеме постоянно эксплуатируется генерирующее оборудование, а для его
поддержания в требуемом техническом состоянии необходимо проводить плановые
ремонты. Для компенсации вывода из работы генерирующих агрегатов при проведении
плановых ремонтов используется ремонтный резерв. И наконец, при прогнозировании
перспективной нагрузки могут быть просчеты, которые также нужно будет
компенсировать, в этом случае предусматривается стратегический резерв. Таким
образом, полный резерв генерирующей мощности состоит из перечисленных
видов.
«Основная
трудность обоснования резервов генерирующей мощности заключается в том, что,
как правило, в энергосистеме параллельно и постоянно работают множество
электростанций. Например, в Единой энергосистеме России работает порядка 880
электростанций, которые характеризуются различными условиями функционирования,
ограничениями, технологиями. Вся эта специфика должна учитываться при
определении уровня резервирования генерирующей мощности при перспективном
планировании развития энергосистем. К тому же существуют неопределенности, которые
присутствуют при составлении планов развития электроэнергетических систем:
прогнозирование электропотребления, затраты на ввод нового энергооборудования.
Это также необходимо учитывать при обосновании уровня резерва генерирующих
мощностей», — говорит Дмитрий Крупенёв.
Для
лучшего понимания, что такое резервирование генерирующей мощности, можно
рассмотреть в качестве примера небольшую систему, в которой имеется пять генерирующих
агрегатов по 100 МВт, а совмещенный максимум нагрузки равен 400 МВт. При этом
резерв генерирующей мощности может быть оценен на уровне 25 % (100/400). Для
крупной энергосистемы этот уровень (25 %) может быть высоким, и задача
ученых-энергетиков — определить, какой именно уровень резервирования
генерирующей мощности необходим для конкретных условий функционирования
электроэнергетических систем, чтобы обеспечить требуемый уровень надежности электроснабжения.
Это необходимость, так как низкий уровень резерва может привести к экономическому
ущербу, завышенный — к необоснованно высокой плате потребителей на его
содержание.
Стоит
отметить, что перспективное планирование развития энергосистем необходимо для
своевременного обеспечения электроэнергией потребителей.
«Здесь
основная проблема состоит в том, что объекты электроэнергетики, такие как
генерирующие станции, линии электропередачи, трансформаторные подстанции, — это
объекты, на изыскания, проектирование и строительство которых уходят годы, а
иногда десятилетия (здесь прежде всего речь идет о крупных гидро- и атомных электростанциях).
Поэтому для своевременного удовлетворения требований обеспечения
электроэнергией существующих и перспективных потребителей требуется проведение
ряда работ. Во-первых, по заблаговременному анализу уровня этого потребления,
во-вторых, по определению наилучшего с точки зрения обеспечения экономичности,
надежности, экологичности и безопасности варианта развития электроэнергетических
систем. В России существует, так сказать, эшелонированная система перспективного
развития электроэнергетических систем. Основные принципы этого процесса
отражены в Методических указаниях по проектированию развития энергосистем. К
слову, в этом документе в части раздела по определению резервов генерирующей
мощности, используются результаты нашей работы. В соответствии с планами
развития электроэнергетических систем ежегодно разрабатывается Схема и
программа развития электроэнергетических систем России на шестилетний период, а
также один раз в три года корректируется Генеральная схема размещения объектов
электроэнергетики. В рамках разработки этих документов проводится обоснование
уровня резервирования генерирующей мощности с использованием результатов нашей
работы», — отмечает ученый.
Поиск
оптимального уровня резервирования генерирующей мощности при перспективном
планировании развития современных электроэнергетических систем является трудной
и наукоемкой задачей, которая формируется из ряда не менее наукоемких подзадач.
Основная трудность — применить такие математические модели и методы, которые
будут максимально эффективно отражать специфику работы электроэнергетических
систем и позволят решать поставленные задачи с требуемой точностью.
«Можно
выделить несколько крупных подзадач, в которых наш коллектив добился
значительных успехов, соответствующих мировому уровню. Во-первых, определение
уровня резервирования генерирующей мощности может быть основано на нескольких
критериях. Мы взяли за основу критерий нормирования балансовой надежности и
разработали комплексную методику обоснования нормативных значений вероятности
бездефицитной работы (один из показателей балансовой надежности
электроэнергетических систем). Комплексность методики заключается в учете
различных критериев: экономических, технических, социальных, физической безопасности,
влияющих на значение норматива, что, к слову, не сделано в зарубежной практике.
В рамках приложения разработанной методики была проанализирована текущая
ситуация в России с влияющими на норматив факторами и определены значения
норматива для разных условий. Вторым моментом, который хотелось бы подчеркнуть,
является разработка эффективной методики оценки балансовой надежности
электроэнергетических систем с применением методов машинного обучения и
математических моделей новых объектов, которые в современных электроэнергетических
системах получают всё большее распространение. Это такие объекты, как
возобновляемые источники энергии и системы накопления энергии. Также в рамках
развития методики оценки балансовой надежности современных электроэнергетических
систем были разработаны методы кластеризации электроэнергетических систем на
зоны надежности, которые позволили формализовать процесс формирования
энергетических расчетных моделей электроэнергетических систем и повысить вычислительную
эффективность всей методики оценки, что является важным при анализе таких
сложных систем, например, как Единая энергосистема России», — объясняет Дмитрий
Сергеевич.
В
решении данных подзадач результаты иркутских ученых не имеют аналогов в России
и соответствуют лучшим достижениям мировой науки в этой области. Это касается и
разработки методов оптимизации надежности электроэнергетических систем. В этом
аспекте исследования, проведенные в ИСЭМ СО РАН, являются уникальными и
соответствуют лучшим практикам.
В
состав награжденного коллектива вошли три исследователя из ИСЭМ СО РАН: Д.С.
Крупенёв — руководитель работы, Денис Александрович Бояркин и Дмитрий
Викторович Якубовский, кандидаты технических наук, старшие научные сотрудники
лаборатории надежности топливо- и энергоснабжения. Лауреаты премии подчеркивают,
что работа базировалась на достижениях и фундаментальных результатах их
учителей в ИСЭМ СО РАН. «Здесь прежде всего хочется отметить работы академика
Юрия Николаевича Руденко и его сотрудников. Можно заключить, что наш авторский
коллектив основную работу выполнял на протяжении восьми лет», — говорит Дмитрий
Крупенёв.
Основным
результатом работы является создание методики и программного инструментария
определения оптимального уровня резервирования генерирующей мощности в
электроэнергетических системах. Для потребителей электроэнергии это означает,
что будет минимизирована цена за нее при обеспечении требуемого уровня
надежности электроснабжения. Помимо этого, методические и программные разработки
апробированы на Единой энергосистеме России. В результате анализа было
выявлено, что в целом на современном уровне отечественная единая энергетическая
система является высоконадежной, даже с некоторым превышением запаса прочности
в некоторых регионах, который пригодится для развития экономики, но в то же
время в некоторых регионах присутствует вероятность возникновения недоотпуска
электроэнергии и требуется повышение уровня надежности путем реализации мероприятий
по строительству генерирующих и сетевых объектов.