Валерий Стенников: Благодаря поддержке Фонда мы создали группу единомышленников

Россия входит в пятерку крупнейших производителей электроэнергии в мире. Фундамент Единой электроэнергетической системы (ЕЭС) был заложен более ста лет назад. В XXI веке энергетика вступила в эпоху масштабной трансформации. Развитие цифровых и интеллектуальных технологий на наших глазах меняет привычную структуру ЕЭС и закладывает новые принципы работы. Энергетические системы интегрируются, становясь сложными киберфизическими структурами, а впереди нас ждет появление единой метасистемы с новыми технологическими возможностями. Проектирование таких комплексов — непростая задача, и для ее решения оптимально использовать цифровые двойники. Ученые Института систем энергетики Сибирского отделения РАН под руководством Валерия Стенникова создают платформу, которая поможет инженерам синтезировать модели реальных интегрированных энергетических систем. Интервью опубликовано в дайджесте новостей Фонда.

- Что представляет собой Единая энергосистема России сегодня? Готова ли она к вызовам XXI века?

Энергокомплекс России — крупнейший на планете, уникальный по структуре и конфигурации. Чтобы наглядно представить масштаб, приведу несколько цифр. ЕЭС обеспечивает энергоснабжение миллионов потребителей на огромной территории, которая объединяет 11 часовых поясов. По суммарному производству электроэнергии наша страна занимает четвертое место в мире после Китая, США и Индии. Мощность энергосистемы России составляет около 250 тыс. мегаватт, а всего в ее структуре действуют 911 крупных электростанций мощностью более 5 мегаватт.

К вызовам российской энергетике не привыкать. В конце XX века после распада СССР единая энергосистема была разделена организационно, технологически и территориально. Стартовавшая в 2001 году реформа по ряду причин не достигла поставленных целей. Приток инвестиций не состоялся, физическое и моральное старение оборудования продолжается, рост тарифов не приостановился и так далее. Обостряется ситуация с ведомственной разобщенностью организационного и технологического процессов. Крупная генерация и системообразующие сети находятся в одном ведомстве, распределительный электросетевой комплекс и малая энергетика — в другом, проблемы энергосбережения — в третьем. Тем не менее, отрасль продолжает работать и принципиально готова к возрастающим нагрузкам и технологическим преобразованиям. Нивелировать негативные факторы помогает задел, созданный еще в советский период.

Источник: evening_tao/Freepik

- Сегодня энергетика России столкнулась с новыми сложностями, вызванными уже внешними факторами — экспортно-импортными ограничениями. Как новая реальность повлияла на ЕЭС?

Современное производство оборудования подразумевает взаимодействие экономик разных стран. Российский рынок многие годы был связан с западным, поэтому доля иностранных технологий, оборудования и материалов достигает у нас в разных отраслях 20–70%.

Теперь это обернулось определенными проблемами: с поставками силовой электроники, аппаратуры автоматики, систем хранения энергии, интернет-технологий. Большое значение имеет также то обстоятельство, что передовые технологии контроля и управления в энергетике основаны на микросхемах большой интеграции*, которые не производятся в России. Отечественная промышленность перестраивается под новые реалии, но этот процесс требует больших затрат, времени и компетенций. Все перечисленные аспекты нужно серьезно анализировать, определять вектор развития, оценивать последствия принимаемых решений, и здесь необходим системный научный подход.

- Как меняется парадигма развития современной энергетики в общемировом масштабе?

Глобальные трансформации, происходящие в рамках смены технологического уклада, являются объективными, они не зависят от конъюнктурных, политических или других предпочтений. К основным трендам стоит отнести такие, как интеллектуализация, распределенная генерация, участие потребителей в регулировании собственного спроса, переход на безуглеродную энергию, энергоэффективность.

В перспективе технологическая инфраструктура современных энергосистем будет преобразовываться в сложную человеко-машинную систему, включающую в себя сотни тысяч различных технических элементов, взаимосвязанных между собой. Их цель — в режиме реального времени производить, транспортировать и распределять электроэнергию. Стратегические цели — повысить эффективность системы, снизить ее негативное воздействие на окружающую среду и сделать энергоснабжение доступным для всех потребителей. Решение этой триединой задачи невозможно без перехода к новой технологической парадигме. Она будет основываться на достижениях информационных и телекоммуникационных технологий, широкой интеллектуализации и интеграции энергетических систем электро-, тепло-, хладо-, газоснабжения в единую метасистему.

В рамках этого же глобального процесса значительно меняются архитектура и принципы построения распределительного электросетевого комплекса. Если раньше сети только передавали энергию, то теперь они могут и передавать, и принимать ее от электростанций, изменяя направление потоков энергии. Кроме того, энергокомпании становятся более клиентоориентированными, то есть направленными на удовлетворение потребностей населения и промышленности в качественной электроэнергии. Растет инвестиционная привлекательность энергопредприятий. Они начинают все больше участвовать в развитии своих систем, не перекладывая эту задачу только на потребителей. Отрасль постепенно переходит к экологически чистой энергетике, включая нетрадиционную и возобновляемую, и как промежуточный этап этого процесса — широкое применение природного газа. Помимо этого, отмечается последовательный переход к технологически взаимосвязанной инфраструктуре электроснабжения, теплоснабжения, водоснабжения, газоснабжения. Важную роль начинают играть децентрализованные распределенные системы энергоснабжения, причем не только в изолированных районах.

Стоит отметить и постепенное внедрение интернета вещей и интернет-энергии, когда потребитель сам может выбрать любого поставщика. Роль науки в успешной реализации этих векторов развития невозможно переоценить. Новая парадигма в энергетике базируется на глубоких научно-технических разработках, которые, в свою очередь, основаны на системном подходе, учитывающем всю совокупность факторов, включая риски и угрозы. 

Исследовательская группа под руководством Валерия Стенникова. Источник: издательство Оригами

- В рамках проекта РНФ ваша группа создает цифровой двойник для проектирования интегрированных энергетических систем — ИЭС. Что подразумевает это понятие?

Как я уже сказал выше, современная энергетика — это сложный инфраструктурный комплекс, в состав которого входят элементы топливо-, электро-, тепло- и холодоснабжения. Каждое направление имеет свою производственную, транспортную и распределительную структуры. С одной стороны, эти системы независимы, с другой — могут взаимодействовать между собой. Это говорит об их естественной интеграции, которая усиливается по мере формирования интеллектуальной, информационной и телекоммуникационной среды. 

Объединенные на интеллектуальной основе системы всех видов энергоснабжения представляют собой интегрированную энерготехнологическую метасистему, которая сочетает в себе многокомпонентность, эффективность, надежность, управляемость, а также гибкое использование технологий преобразования, транспортировки и хранения энергии.

Такие системы уже получили развитие за рубежом. «Пилоты» ИЭС внедряются в семи странах мира: Китае, Германии, Дании, Нидерландах, Финляндии, Франции и Швеции. Самый передовой проект — «Объединенные эффективные крупномасштабные интегрированные городские системы» , изначально связавший Гетеборг, Женеву, Кельн, Лондон и Роттердам. В последние годы к проекту подключились еще несколько десятков городов Европы.

В России аналогом таких систем можно назвать ТЭЦ**, которая потребляет топливо и производит одновременно электроэнергию и тепло. Затем по городским коммуникациям энергоносители поставляются потребителям, которые используют и газ, и электроэнергию, и тепло, и холод. Нередко один энергоноситель превращается в другой, например, электричество преобразуется в тепло или холод.

- Как создание цифрового двойника способствует развитию ИЭС?

Проектирование таких сложных комплексов — это задача со звездочкой, требующая специального оборудования, программного обеспечения и научных компетенций для разработки математических моделей. Цифровой двойник — виртуальная модель реального физического объекта, только не застывшая, а динамическая, которая развивается вместе со своим аналоговым прототипом. Для его создания нужно импортировать концептуальные модели разработанные с помощью специальных программных средств — BIM, CAD,GIS — либо отсканировать физические объекты в реальном мире.

Профессор Валерий Стенников с рабочей группой. Источник: издательство Оригами

Двойник позволяет объединить в одном цифровом пространстве различные математические, информационные и интеллектуальные составляющие. С помощью виртуальной модели можно проводить эксперименты и проверять гипотезы, решать задачи управления. При этом всех их можно проиграть, не подвергая опасности реальную систему. В результате у разработчиков уходит меньше времени на трудоемкие вычисления, качество принимаемых решений растет, а затраты на сооружение и эксплуатацию реальной ИЭС снижаются. Цифровые двойники активно применяются в российский энергетике, а драйвером в этой сфере выступает нефтегазовая отрасль.

- Какие результаты ваша группа получила в рамках проекта?

Прежде чем приступить к работе, мы детально разобрались с объектом исследований, архитектурой его построения и новыми свойствами. Энергетические системы становятся сложными киберфизическими структурами. Поскольку это новые для нас технологические объекты, нужно разработать для проектирования новые методические и вычислительные инструменты. Использовать зарубежные аналоги мы не можем не только из-за внешних условий, но и потому, что мы имеем дело с более масштабными и сложными системами. 

Источник: издательство Оригами

Мы предложили оригинальный подход для создания программной платформы, предназначенной для построения цифровых двойников ИЭС. Суть нашей идеи в интеллектуальном построении цифрового двойника на базе математических моделей, методов и алгоритмов, теорий гидравлических и электрических цепей. Для автоматизации этапов построе­ния платформы наша группа предла­гает использовать концепцию Model Driven Engineering***.

Платформа имеет универсальный характер и может быть применена для систем, которые располагаются на разных территориях и имеют свои особенности. Кроме того, инструментарий может использоваться для создания виртуальных моделей отдельных энергосистем. Платформа позволяет проектировать их следующим образом: инженер создает компьютерную модель ИЭС с описанием ее конфигурации. На этой основе в автоматизированном режиме строится цифровой двойник, то есть формируются структуры данных, определяется набор математических моделей и алгоритмов, объединяются программные компоненты, формируется хранилище данных и создается система обработки и обмена данными с внешней средой. 

Результаты моделирования на виртуа­льном прототипе используются для построения реальной ИЭС. В свою очередь, на основе данных с характеристиками реа­льной энергосистемы можно пост­роить ее цифровой двойник. По мере развития вычислительных ресурсов, появления интернета вещей, сетей 5G и облачных вычислений у цифровых двойников появятся новые возможности. Уверен, что в ближайшем будущем мы услышим также про умные цифровые двойники на основе искусственного интеллекта. Объединившись, они сформируют уже единую цифровую модель. Это заметно расширит круг задач и услуг. Но и в наши дни уже неоспоримо: виртуальные прототипы стали ведущим трендом технологической трансформации энергетики. 

- Насколько сама отрасль, считающаяся консервативной, готова к внедрению ИЭС? Есть ли запрос от энергетиков?

Проблема не столько в консервативности отрасли, сколько в нашей ментальности и несовершенстве организации системы управления. У нас традиционно не энергетики идут к потребителям с предложением по их энергоснабжению, а потребители пытаются убедить энергетиков, что они им нужны. Но ситуация постепенно меняется к лучшему, и сегодня потребитель уже включается в управление: сооружает свои источники энергоснабжения, переносит пики нагрузки. Так, в 2019 году ввод новой мощности малых нетрадиционных источников превысил ввод крупной традиционной генерации. 

И этот процесс продолжается — произ­водство энергии все больше переносится к месту потребления. В результате системообразующие крупные сети становятся менее задействованными в энергоснабжении, перетоки энергии по ним сокращаются. Еще один позитивный момент заключается в том, что между энергетиками и производителями возник новый тип конкуренции. Компании выпус­кают оборудование, которое позволяет пот­ребителям самостоя­тельно обеспечивать себя энергией. Все это стимулирует развитие единой информационной системы, применение технологий больших данных, облачных вычислений, а также цифровых двойников для всех технологических энергетических систем, опять же в составе ИЭС.

Источник: wirestock/Freepik

- Какие препятствия могут возникнуть на этом пути?

Рисков успешной трансформации отечественной энергетики достаточно: это и проблемы износа оборудования, и экономические ограничения, и инвестиционные проблемы, и доступность рынка оборудования и технологий, и преобладание монопольной организации энергетических структур, и ужесточение экологи­ческих требований. Вместе с тем процессы технологической трансформации энергетики не остановить. Их можно только либо замедлить, либо идти с ними в ногу.

- Ваши исследования по созданию цифровых двойников поддерживает Российский научный фонд. Чем вам помогает грант РНФ?

Система поддержки Фонда позволяет отбирать наиболее перспективные проекты. Считаю, именно этот критерий должен быть основным. Получение гранта РНФ говорит о том, что заявленная тематика и коллектив признаны научной общественностью. Благодаря поддержке Фонда мы создали группу единомышленников и можем сообща решать задачу в русле мировых тенденций трансформации энергосистем. 

Профессор Валерий Стенников с рабочей группой. Источник: издательство Оригами

Также грант позволил нам апробировать результаты в виде публикации и докладов на отечественных и зарубежных конференциях. Это очень важно. Мы получили положительные отзывы от российских и зарубежных коллег. Актуальность, новизна постановки и дополнительные финансовые стимулы позволили заинтересовать молодых ученых и привлечь к исследованиям студентов.

***

Сноски: 

* Схемы, содержащие свыше 100 элементов.

** ТЭЦ — теплоэлектроцентраль

*** Совокупность методических подходов к автоматизированному построению сложных программных систем на основе предварительно разработанных моделей.