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.