Известия РАН. Энергетика, 2021, № 2, стр. 39-49

ВВЕДЕНИЕ

Задача поиска КВО ТЭК [1, 2] актуализировалась в последние несколько лет, стала логическим продолжением задачи выбора критически важных отраслевых объектов [3–6]. Основная идея этой задачи – подтверждение критичности отраслевых объектов в условиях совместной работы всех отраслей и существующих механизмов обеспечения потребителей необходимыми энергоресурсами. В основу реализации этой задачи была положена двухэтапная схема исследований, на первом этапе которой на уровне отдельных отраслей определялись критические отраслевые объекты, а на втором этапе в рамках общеэнергетических исследований подтверждалась их значимость для ТЭК в целом. Такая схема исследований опиралась на двухуровневую систему моделей, включающую отраслевые модели исследования и территориально-производственные модели ТЭК [7–9].

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВО ТЭК

Методологически задача определения КВО ТЭК была формализована на уровне общеэнергетических исследований и имела следующую краткую постановку.

Необходимо в рамках сценарных исследований функционирования ТЭК на базе складывающихся у различных категорий потребителей дефицитов ТЭР дать оценку критичности отраслевых объектов для отдельных территорий или их групп при условии, что:

− перечень отраслевых объектов представлен найденными на отраслевой модели критически важными отраслевыми объектами;

− расчетные сценарии – ситуации неработоспособности заданных отраслевых объектов (задаются отключения отдельных объектов, либо их групп);

− оценка критичности каждого отраслевого объекта для ТЭК в целом – обобщенная оценка относительных дефицитов по всем ресурсам у всех категорий потребителей;

− выбор КВО ТЭК осуществляется с учетом степени сработки возможностей структурной избыточности в отраслях.

Данная постановка задачи предполагала получение количественных, качественных и экспертных оценок критичности анализируемых отраслевых объектов, требовала предварительной проработки установок проводимых исследований. В основу анализа был положен показатель значимости объекта, комплексно характеризующий изменения анализируемых модельных показателей в случае неработоспособности элемента. Данный показатель определялся по всему множеству расчетных состояний с различными комбинациями его отключений:

где $Z{{O}_{i}}$ – значимость i‑го элемента ТЭК; $ZO_{i}^{{j,k}}$ – значимость i-го элемента по j-ому показателю в расчетах с группами отключений мощности $k$ (мощность – количество одновременно отключаемых элементов); $ZS_{r}^{{j,k}}$– оценки состояний по j-ому показателю в расчетах с включением i-го элемента в группы отключений мощности $k;$ $R$ – число оцененных по j-ому показателю состояний с включением i-го элемента в группы отключений мощности $k;$ $ZC_{{}}^{j}$ – значимость (удельный вес) j-ого показателя; $K$ – максимальная мощность групп отключений в оптимизационных расчетах; $J$ – количество анализируемых показателей; $I$ – множество отключаемых элементов ТЭК, $i \in I.$

Важнейшей качественной оценкой важности объекта стала его категория критичности, идентифицирующая группы объектов с близкими оценками их проблематичности для ТЭК в целом. Формализация идентификации категории критичности элементов (наиболее критичной считается первая категория) была представлена следующими соотношениями:

$CAT_{i}^{w}$ – категория критичности i-ого элемента для территории $w;$ $ZO_{i}^{w}$ – коэффициент значимости i-ого элемента для территории $w;$ $ZO_{i}^{{\max }}$ – максимальное значение значимости i-го элемента по всем рассматриваемым территориям; $N$ – множество заданных категорий критичности ${{n}_{l}}$ ($L$ – число заданных категорий критичности элементов); $n_{l}^{{low}},$ $n_{l}^{{up}}$ – экспертно заданные в процентном выражении нижняя и верхняя границы категории критичности $l;$ $I$ – множество отключаемых элементов ТЭК; $W$ – число рассматриваемых территориальных единиц.

Решение поставленной задачи методологически было разбито на три этапа (рис. 1):

– этап формирования стратегии выбора КВО ТЭК (задание целевых установок задачи, проработка базового варианта модели);

– этап проведения оптимизационных расчетов на базовом варианте модели;

– этап формирования перечня КВО ТЭК на основе количественных и качественных оценок критичности отраслевых объектов.

Инструментальная поддержка такого решения строилась вокруг работы с моделью функционирования ТЭК, важнейшими требованиями к которой стали максимальная проработка существующих механизмов структурной избыточности, адекватное представление анализируемых отраслевых объектов в территориально-производственной структуре ТЭК. Следствием этого стала необходимость разработки новых версий модели функционирования ТЭК с достоверным углубленным детализированным представлением анализируемых отраслевых структур. Пример разработки и апробации такой версии модели для случая выбора критически важных для ТЭК объектов газовой отрасли рассмотрен в следующем разделе статьи.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ ТЭК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТРАСЛЕВЫХ КРИТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для решения задачи поиска КВО ТЭК была разработана новая версия модели функционирования ТЭК. Разработка этой версии проводилась на базе двух разноуровневых моделей: общеэнергетической территориально-производственной модели ТЭК и отраслевой модели Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России. Выбор этих моделей обосновывался постановкой решаемой задачи – задачи определения наиболее критичных для ТЭК объектов газовой отрасли в условиях совместного функционирования энергетических отраслей. Использовалась полученная модель для оценки критичности объектов газовой отрасли, выделенных в рамках отдельных модельных исследований ЕСГ России.

Разработка модели ТЭК проводилась в соответствии со схемой модификации моделей, представленной в [10]. Особенностью этой схемы является совместное рассмотрение

1) структурной составляющей базовых моделей (моделей, на основе которых проводится разработка новой модели);

2) информационной составляющей базовых моделей;

3) спецификой решаемых задач.

Взаимосвязь этих составляющих в случае модернизации общеэнергетической модели для решения задачи выбора КВО ТЭК приведена на рис. 2.

Приоритетными в данной схеме модификации моделей являются задачи исследования, так как именно они определяют территориально-производственную структуру моделируемого объекта (отрасли или ТЭК), задают требования к самой модели. Также решаемые задачи влияют на состав и степень детализации информации, на выбор источников данных, формируют набор алгоритмов для верификации и преобразования этих данных в модельные. Получаемая в этом случае модель включает характеристики базовых моделей, может приобретать новые, не свойственные базовым моделям характеристики, необходимые для решения поставленных задач.

Применение такой технологии модификации моделей для решения задачи поиска КВО ТЭК:

− не противоречит двухэтапной схеме определения критически важных для ТЭК отраслевых объектов, на первом этапе которой определяются критические отраслевые объекты, на втором доказывается их критичность для ТЭК в целом;

− позволяет получить модель исследования ТЭК для второго этапа определения КВО с необходимой степенью детализации отраслевых объектов;

− поддерживает возможность моделирования механизмов резервирования и взаимозаменяемости ресурсов в модели функционирования ТЭК;

− позволяет учитывать особенности существующей информационной составляющей, ее состав и степень ее согласованности.

В случае определения критически важных для ТЭК объектов газовой отрасли применение данной технологии позволило добиться идентичности расчетной схемы ЕСГ страны в моделях обоих уровней, позволило напрямую формировать сценарии неработоспособности анализируемых отраслевых объектов. Совместное использование отраслевой и общеэнергетической информации с разной степенью ее детализации было достигнуто без дополнительной подготовки данных по объектам газовой отрасли. Важнейшим результатом модификации модели ТЭК стала корректировка режимов функционирования объектов электро- и теплоэнергетики.

Соотношение базовых и результирующей моделей исследования по ключевым аспектам функционирования отраслей представлено в табл. 1.

Особенностями новой версии модели функционирования ТЭК для определения критически важных для ТЭК объектов газовой отрасли стали:

− интеграция расчетной схемы ЕСГ России из отраслевой модели в общеэнергетическую;

− моделирование режима резервной работы объектов генерации электроэнергии и тепла;

− формирование блока коэффициентов сезонной неравномерности, блока удельных стоимостных и штрафных коэффициентов.

Интеграция расчетной схемы ЕСГ России в модель функционирования ТЭК была выполнена со следующими допущениями:

1. В схеме ЕСГ для территорий из зоны влияния ЕСГ допускалась замена потребителей газа на объекты из модели ТЭК. Таким образом сохранилась принятая в модели ТЭК категорированность потребителей, было соблюдено взаимодействие газовой отрасли, электро- и теплоэнергетики.

2. Для территорий, находящихся в зоне влияния ЕСГ, неизменными остались заданный в отраслевой модели состав источников, компрессорных станций, ПХГ, газопроводов. При этом было соблюдено соответствие объемов добычи газа в обеих моделях по данным территориям.

3. Для территорий, не входящих в зону влияния ЕСГ, были актуализированы данные модели ТЭК по добыче и потреблению газа. При наличии транспортной инфраструктуры вне ЕСГ (например, на Дальнем Востоке) в модель ТЭК были дополнительно включены соответствующие укрупненные транспортные схемы.

Расчеты на модели ТЭК с такой детализированной схемой газовой отрасли России показали наличие запертых источников газа в случае привязки последних к потребителям, схематично не связанными с территориями их размещения. Другим следствием различного представления потребителей в разноуровневых моделях стала необходимость верификации характеристик газопроводов. В целом, полученные на преобразованной отраслевой схеме ЕСГ результаты функционирования ТЭК были признаны адекватными с позиций взаимосвязанной работы отраслей.

Моделирование резервного режима функционирования ТЭС и котельных было выполнено с учетом дополнительного отпуска электроэнергии и тепла в случае возросших потребностей в этих ресурсах в отопительный период. Для этого использовалась и согласовывалась информация из двух источников:

− из статистической отчетности по производственным характеристикам ТЭС и котельных в отчетном году;

− из информационно-аналитического доклада ФКБУ “РЭА” Минэнерго России “Теплоэнергетика и централизованное теплоснабжение России”, ежемесячной отчетности системного оператора Единой энергетической системы.

Необходимость согласования этих источников обосновывалась:

− встречающейся в статотчетности некорректностью данных по производственным возможностям ТЭС и котельных;

− узкой специализацией используемой информационно-аналитической отчетности.

Определялись резервные возможности отпуска тепла и электроэнергии ТЭС и котельными по следующей схеме:

− определение пиковых суточных потребностей в электроэнергии и тепле из используемой информационно-аналитической отчетности;

− определение резервных возможностей отпуска электроэнергии и тепла ТЭС и котельными для заданных производственных возможностей этих объектов;

− проверка покрытия пиковых суточных потребностей в электроэнергии и тепле с учетом резервных возможностей ТЭС и котельных;

− дополнительная корректировка заданных резервных возможностей ТЭС и котельных с учетом структуры отпуска электроэнергии и тепла, структуры расхода топлива, особенностей обеспечения территорий котельно-печным топливом. Также дополнительно учитывалось снижение выработки электроэнергии ГЭС в зимний период.

Результатом модификации исследовательских моделей стала новая версия модели функционирования ТЭК с отраслевой структурой, концептуально представленной на рис. 3. В расчетах при определении КВО ТЭК в качестве базового использовался суточный вариант максимума нагрузки объектов энергетики, учитывающий резервные возможности генерирующих возможностей станций. Выбор КВО осуществлялся из множества возмущенных вариантов отключения отраслевых критических элементов при максимальной загруженности объектов.

АПРОБАЦИЯ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЭК

Новая версия модели функционирования ТЭК представлена 80 субъектами федерации, агрегированными по 8 федеральным округам. Технологически она включает ключевые топливные отрасли (газовую, угольную, нефтеперерабатывающую), электро- и теплоэнергетику (рис. 3). Газовая отрасль в модели представлена расчетной схемой ЕСГ России, дополненной изолированными газодобывающими районами. Расчетная схема ЕСГ состоит из 378 узлов (источников и потребителей газа, подземных хранилищ газа, узловых компрессорных станций), 486 дуг (магистральных газопроводов и отводов на распределительные газовые сети). Электро- и теплоэнергетика включает тепловые станции и котельные, для которых смоделирован резервный режим работы оборудования, предусмотрена взаимозаменяемость газа и мазута.

С использованием разработанной модели было проведено исследование влияния отключений критических объектов газовой отрасли (61 элемент) на функционирование ТЭК в целом. Результатом поочередного отключения этих объектов стало снижение производства рассматриваемых в модели энергоресурсов, появление дефицитов у различных категорий потребителей. Анализ результатов расчетов показал следующую картину.

В целом по стране при отключении критических объектов газовой отрасли сложились дефициты энергоресурсов, вынесенные на рис. 4. Согласно экспертным установкам, анализ критичности объектов проводился только для случаев значительных суммарных дефицитов (свыше 5%) хотя бы по одному энергоресурсу. При этом список отраслевых критических объектов сократился до 25 элементов. Такое резкое сокращение списка было вызвано влиянием эффекта системного взаимодействия отраслей. Расчет и анализ показателя критичности оставшихся объектов газовой отрасли показал изменение их исходной приоритетности (рис. 5), полученной в рамках отдельных модельных исследований ЕСГ страны. Связано это было с учетом в данном показателе сработки запасов топлива, величины диверсификации топлива на электростанциях, имеющих двойную топливоподачу.

Анализ влияния отключений этих объектов на энергоснабжение федеральных округов показал различия в ранжировании этих объектов по отдельным округам и по России в целом.

Качественный анализ критичности объектов газовой отрасли был проведен по трем категориям критичности с порогами 30% и 70%. Наиболее критичной считалась первая категория с суммарными относительными дефицитами свыше 70%. Количество критических элементов по этим группам по федеральным округам распределилось следующим образом (табл. 2). Значительный дефицит был получен на территориях, чей топливно-энергетический баланс ориентирован на использование природного газа. Это Северо-Кавказский, Приволжский, Центральный и Южный округа, где количество критических элементов первой категории составило 12–14 объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены основные особенности построения моделей ТЭК для проведения исследований по определению критически важных отраслевых объектов. Эти особенности связаны:

– с учетом временного аспекта технологических процессов в отраслях ТЭК;

– с представлением технологических процессов в топливных отраслях и особенно в электро- и теплоэнергетике;

– с выделением средств структурной избыточности для снижения воздействия аварийных ситуаций при отключении критически важных элементов отраслевых систем.

Рассмотрена модель функционирования ТЭК с детализированным представлением ЕСГ России. Приведены результаты экспериментальных расчетов по определению КВО ТЭК с использованием новой версии модели. Представлены результаты анализа по величине относительных дефицитов, по показателям значимости критических элементов газовой отрасли по стране и федеральным округам.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 20-08-00367.