Оценка надежности энергоснабжения территорий

Наталья БЕРЕСНЕВА
Научный сотрудник, к. т. н.,
Институт систем энергетики
им. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН
е-mail: beresneva@isem.irk.ru

Наталья ПЯТКОВА
Старший научный сотрудник,
к. т. н., Институт систем энергетики
им. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН
е-mail: nata@isem.irk.ru

Введение

Оценка надёжности топливо- и энергоснабжения является составной частью исследований энергетической безопасности того или иного региона [1]. Целями этой задачи являются выявление наиболее уязвимых потребителей энергоресурсов в штатных и нештатных условиях, определение наиболее опасных нештатных ситуаций и поиск мер по их смягчению.
Это определило специфику проводимых исследований. Изучаемые модели могут предполагать создание нескольких сценариев, в которых рассматриваются воздействия различных нештатных ситуаций в различных сочетаниях, возможные компенсирующие мероприятия и их сочетания, в статике или в динамике. Модели предполагают комплексный подход взаимосвязанной работы систем энергетики, существующих в них механизмов взаимозаменяемости и резервирования. Изучаемый подход также предполагает возможности комплексного использования разнородных моделей (например, потенциального применения моделей отдельных систем энергетики). Модели могут быть стохастичны, так как связаны с вероятным поведением объектов систем энергетики в различных условиях, с вероятностным характером проявления нештатных ситуаций различной природы, с неопределенностью или недостаточностью накопленных для этих случаев информации.
Поэтому возникает необходимость рассмотрения поведения систем энергетики в нестандартных ситуациях, в том числе с учетом фактора неопределенности, приводящая к цикличности проводимых вычислительных экспериментов, к трудоемкости проводимого анализа. Сложность исследований в данном случае традиционно состоит в многоитерационности процесса, подкрепляется главенствующей ролью экспертных оценок. Фактор неопределенности также зависим от экспертных оценок в силу субъективности выбора факторов риска. Учет неопределенности в сценариях реализации нештатных ситуаций способен внести некоторую объективность в исследования энергоснабжения потребителей.

Оценка надежности топливо- и энергоснабжения территорий

Для определения надежности топливо- и энергоснабжения территорий применяется четырехэтапная схема модельной оценки, включающая следующие процессы:
I. Этап формализации задачи исследований.

1. Задание цели исследований, определение вида анализируемых ситуаций.
2. Задание схемы рассмотрения анализируемых ситуаций (последовательность их рассмотрения, возможность совместного моделирования в рамках текущей постановки задачи (детерминированный или вероятностный характер исследования, статика или квазидинамика).
3. Определение состава необходимой и достаточной для решения поставленной задачи территориально-­производственной структуры, задание временного аспекта ее исследования.
4. Определение базовых условий исследования заданной территори­ально-­производственной структуры (базового состояния систем энергетики) для моделирования анализируемых ситуаций.
5. Определение схемы и установок анализа последствий реализации рассматриваемых ситуаций (параметров и критериев анализа, правил оценки и интерпретации результатов анализа, территориального и отраслевого аспектов).

II. Этап формализации модели исследований.

1. Определение адекватной для решаемой задачи территориально-­производственной структуры модели.

1.1. Задание отраслевого и территориального состава модели. В случае квазидинамической модели – временных срезов.
1.2. Для каждой системы энергетики обоснование уровня представления отраслевых объектов (подробная технологическая отраслевая схема или обобщенное общеэнергетическое представление), задание состава типовых объектов, их технологических процессов и характеристик (переменных и технологических коэффициентов модели).
1.3 Выделение взаимосвязанных внутриотраслевых процессов и межотраслевых связей, их модельная формализация.
1.4. Для заданной территориально-­производственной отраслевой структуры формирование типовых балансовых и технологических уравнений модели, условий временных переходов
1.5. Определение состава целевой функции модели, правил задания удельных затрат и штрафов (приоритетность технологий и энергоресурсов, ключевые численные соотношения между стоимостными коэффициентами).

2. Определение необходимых и достаточных источников данных.

2.1. Выбор форм, статистической отраслевой отчетности с информацией для выбранной территориально-производственной структуры, выбор в них необходимых информационных единиц.
2.2. Анализ полноты и согласованности выбранных форм, выделение возможности дополнительного определения данных на базе имеющейся информации.
2.3. Проработка алгоритмов преобразования предметных данных из выбранных источников в модельные исходные данные.
2.4. Выбор дополнительных источников для задания сценарных характеристик.

III. Этап формирования исходной информационной базы модели исследований.

1. Консолидация предметных данных из выбранных источников в структуры заданного формата.
2. Верификация консолидированных предметных данных, определение недостающей для модели предметной информации.
3. Преобразование предметных данных в модельные исходные (приведение однотипных предметных данных к единым единицам измерения, определение технологических коэффициентов модели, коэффициентов сезонной неравномерности).
4. Обеспечение интеграции детализированных отраслевых схем в модель исследования за счет территориальной идентификации объектов данных схем, путем приведения заданных в них структур потребления к территориально-­производственной структуре модели исследования.
5. Валидация полученных модельных данных на этапе подготовки базового варианта функционирования систем энергетики.

IV. Решение поставленной задачи на модели исследований.

1. Формирование набора сценариев расчетных ситуаций для заданной схемы рассмотрения анализируемых ситуаций.
2. Проведение расчетов на модели исследований по сформированному набору расчетных ситуаций, формирование на их основе результирующей информационной базы модели.
3. Анализ сформированной результирующей информационной базы по отдельным расчетным вариантам для определения степени влияния данных ситуаций на эффективность функционирования отраслей, в том числе на региональном уровне.
4. Комплексная оценка расчетных сценарных вариантов в соответствии с заданными для решаемой задачи схемой и установками анализа.

В данной схеме четко прослеживаются основные составляющие любых модельных исследований (задача исследования, определяющая последующие компоненты; модель исследования; информационная база исследований), отражена многоуровневая структура оценки надежности энергоснабжения территорий (рис. 1), включающая:

• модель ситуации – конечные численные корректировки, характеризующие последствия реализации НС, или сторонние модели, формирующие эти оценки;
• комплексную многоуровневую модель взаимодействующих энергосистем, каждый уровень которой – взаимодействующие объекты;
• модель анализа, содержащую алгоритмы оценки состояний, критичности нештатной ситуации или объектов энергосистем на всем множестве расчетных состояний в соответствии с целевыми установками решаемой задачи;
• информационную базу исследований, включающую исходную предметную и модельную информацию, результаты расчетов и их анализа.

Ключевой компонент представленной структуры – адекватная модель взаимодействия систем энергетики, по сути метасистема региональных отраслевых структур с технологическими горизонтальными и вертикальными связями (рис. 2).
В этой метасистеме горизонтальные связи обеспечивают взаимодействие региональных отраслевых структур внутри одной энергосистемы. Они являются элементом транспортной подсистемы конкретной отрасли энергетики, обеспечивающим межрегиональные и внешние поставки ресурса. Такие связи присутствуют в каждой энергосистеме на уровне отдельной региональной отраслевой структуры, обеспечивают взаимосвязь технологических объектов отрасли. Вертикальные связи гарантируют взаимодействие отдельных отраслевых структур внутри территориальной единицы, идентифицируют взаимодействие топливных отраслей с электро- и теплоэнергетикой. Каждая такая связь придает ТЭС и котельным статус потребителей соответствующих видов ТЭР внутри каждой территории.
При этом каждая топливная территориальная структура представлена источниками (объектами добычи и переработки), объектами хранения и транспортировки ресурса, различными категориями его потребителей. Объекты электро- и теплоэнергетики, в свою очередь, типизированы различными топливными и нетопливными источниками, сетью ЛЭП, территориальными потребностями в электроэнергии и тепле. Территориальные энергетические структуры каждой отрасли моделируются по конкретному «объектно-­технологическому шаблону» (выделяются объекты определенного типа с определенным набором технологических характеристик).
На инструментальном уровне данная метасистема реализуется путем разбивки каждой энергосистемы на структурную (топологическую) и функциональную (технологическую) составляющие, позволяющие:

• на структурном уровне объединять отдельные системы в единую модель ТЭК;
• на функциональном уровне – обеспечить распределение потоков энергоресурсов по системам, моделировать воздействие возмущений.
• Возмущения в данном случае моделируются цепочкой:
• реализация нештатной ситуации (удаление объекта из обобщенной структурной модели ТЭК или изменение функциональных параметров объекта);
• обновление связей между системами с последующим перерасчетом функциональной модели.

Таким образом обеспечивается взаимосвязанная работа энергосистем для различных уровней территориальной иерархии в различных ситуациях, в рамках заданной в исследованиях отраслевой территориально-­производственной структуры, в соответствии с ключевыми принципами моделирования общеэнергетических систем [2].
Приоритетность в производственной и транспортной структуре модели задается удельными затратами на функционирование объектов. Структура потребления регламентируется штрафами за недопоставку энергоресурсов. Определяются затраты и штрафы (коэффициенты целевой функции) исходя из обоснованных численных соотношений между технологиями модели, с учетом важности энергоресурсов в технологической цепочке преобразований в ТЭК. При определении коэффициентов затрат на производственные структуры для электрических станций также учитывается приоритетность в используемом топливе, последовательность режимов работы оборудования, возможности взаимозаменяемости топлива путем введения дополнительных численных соотношений. При формировании удельных затрат по транспортным инфраструктурам для оценки дополнительных резервных мощностей вводится коэффициент на увеличение расходов на искомые пропускные способности сетей.
При определении ущербов помимо важности энергоресурсов учитывается приоритетность категорий потребителей. Считается, что спрос на любой вид энергоресурсов более низкой категории потребителей уступает в потребности в любом виде энергоресурсов предыдущего более приоритетного потребителя. Чем выше значимость энергоресурса и потребителя, тем численно меньше штрафной коэффициент. При этом могут соблюдаться соотношения удельных ущербов на топливо и электроэнергию, на топливо и тепло, соотношение между удельными ущербами на тепло и электроэнергию. Учет этих соотношений позволяет сформировать необходимую структуру топливо- и энергопотребления.
В части анализа результатов расчета на используемой модели имеет смысл указать, что схема оценки обеспеченности территорий энергоресурсами:

• зависит от целевых установок исследований (глобальный или пространственный анализ, поиск критических элементов);
• характеризуется двухуровневостью и поэтапностью, включает анализ отдельных и всего множества расчетных состояний;
• является комплексной в плане совместного учета дефицитов отдельных энергоресурсов, дополненного анализом задействованной структурной избыточности;
• может быть расширена дополнительным статистическим анализом полученных результатов.

Конечным результатом анализа должны быть обобщенные оценки критичности нештатных ситуаций, перечень наиболее подверженных им территорий. Обобщенные оценки критичности формируются по всем рассматриваемым энергосистемам. Примеры определения оценок критичности объектов для отдельных территорий и перечень этих территорий приведены в [4,7].
Применительно к информационной базе модельных исследований надежности энергоснабжения территорий следует отметить:

• совместное хранение в ней предметной и модельной информации (как правило, в универсальной математической трактовке);
• зависимость ее состава от смоделированной территориально-­производственной отраслевой структуры;
• обязательность включения в нее необходимой технико-­экономической и географической информации по отраслевым объектам и потребителям ТЭР с признаками видовой, отраслевой и территориальной принадлежности, включение текущих издержек на функционирование систем энергетики;
• включение проработанной информации о нештатных ситуациях, о возможных масштабах их проявления и влияния на отраслевые объекты;
• обязательность фиксации в ней промежуточных и итоговых аналитических результатов для их дальнейшей интерпретации, экспресс-­анализа похожих расчетных ситуаций.

Технически работа с информационной базой представлена процессами преобразования и верификации данных, процедурами формирования, расчета и анализа сценарных вариантов.

Модельная оценка влияния отказов критически важных объектов газовой отрасли на надежность энергоснабжения потребителей

На основании ранее проведенных исследований [4 и др.] критически важными объектами предлагается считать предприятия, частичный или полный выход из строя которых в разных условиях может существенным образом снизить производственные возможности систем энергетики и топливно-­энергетического комплекса (ТЭК) в целом и привести к значительным дефицитам в поставках соответствующих видов энергии.
Цель модельной оценки заключается в определении критических для территорий отраслевых объектов (на примере газовой отрасли), комплексная оценка последствий их неработоспособности для конечных потребителей. Характер проводимых исследований – полный перебор детерминированных отключений важных объектов единой системы газоснабжения (ЕСГ) России на базе территориально-­производственной модели функционирования ТЭК. Характерная особенность используемой версии модели – реализация технологической схемы ЕСГ России, моделирование режимов функционирования тепловых электростанций (ТЭС) и котельных. Территориальные единицы модели – субъекты РФ, временной аспект – суточный временной разрез. Базовый вариант модели – сбалансированные нагруженные январские сутки с активизированными суточными запасами топлива.
Ключевой акцент исследований сделан на оценке распределения резервов мощностей и запасов газа для покрытия суточных недопоставок электроэнергии и топлива различным категориям потребителей при отключении объектов единой системы газоснабжения (ЕСГ) страны. Конечный результат исследований – перечень наиболее критичных для ТЭК объектов газовой отрасли, отказы которых могут вызвать недопоставки энергоресурсов в рассматриваемых субъектах РФ.
Проведение экспериментальных исследований выявило следующие моменты. Из 61 важных объектов газовой отрасли к наиболее критичным для ТЭК в целом по своим последствиям (величине дефицитов и коэффициентам значимости) отнесено 14 предприятий. Эти объекты отнесены к кризисной категории элементов (К). Отказ еще 13 объектов газовой отрасли показал их значимость для потребителей в зоне предкризиса (ПК). Подобное сокращение общего количества критически важных объектов газовой отрасли до 27 наиболее значимых для ТЭК предприятий стало следствием проявления системного фактора при совместном функционировании энергосистем. Оценка надежности энергоснабжения в данном случае проводилась по величине складывающихся дефицитов энергоресурсов, по получаемым коэффициентам значимости отключаемых объектов.

Распределение критически значимых для ТЭК страны объектов по федеральным округам страны оказалось различным по степени их влияния на потребителей (таблица 1). Наибольшее влияние отказов предприятий газовой отрасли выявилось на территориях Центрального и Приволжского федеральных округов, где большая часть потребителей по уровню надежности энергоснабжения оказалась в зонах кризиса и предкризиса, далее – Южный и Северо-­Кавказский федеральные округа.

В целом, отказ критических объектов газовой отрасли наибольшим образом сказался на потребителях европейской части страны. Здесь количество субъектов в федеральных округах по зонам кризиса и предкризиса распределилось согласно таблице 2. В этой таблице числитель каждой ячейки – процент субъектов федерального округа, для которых критически важный для ТЭК страны объект тоже оказался кризисным. Знаменатель ячейки – процент субъектов федерального округа от всего количества регионов, в которых при отказе выделенного объекта складывались дефициты, характерные для предкризисной зоны.

Также следует отметить, что по полученным дефицитам энергоресурсов наблюдается разная значимость отключаемых объектов в зоне влияния ЕСГ России по территории страны. При этом взаимосвязанное функционирование отраслей повлияло и изменило приоритетность газовых критически важных объектов для ТЭК в целом. Дефициты, в силу необходимости полного обеспечения потребностей тепла в отопительный период, складывались в части отпуска электроэнергии и поставок газа. Складывающиеся по федеральным округам дефициты у потребителей подробно показаны на рис. 3. Здесь приведены изменения значимости объектов для разных территорий с учетом конфигурации существующей ЕСГ страны. Значимость критически важных объектов в данном случае оценивается по относительным дефицитам энергоресурсов у потребителей федерального округа. Сибирский и Дальневосточный округа не входят в зону ЕСГ, поэтому отказы в газовой отрасли значительно не повлияли на энергоснабжение потребителей этих федеральных округов.

Заключение

В статье показаны ключевые моменты оценки надежности топливо- и энергоснабжения отдельных территорий. Представлены разработанные схема исследований и схема формирования моделей для оценки энергоснабжения территориальных образований. Представленные схемы были апробированы для единичных отключений критически важных объектов газовой отрасли [5–6]. Представленные результаты получены при поддержке гранта РФФИ № 20–08–00367А.