Виртуальные электростанции, но реальное электричество: ученый из Танзании Джексон Джон Джусто — об искусственном интеллекте и будущем электросетей

Джексон Джон Джусто приехал в Петербург из Танзании. На родине он окончил бакалавриат в области электроинженерии, а затем успел поучиться и поработать в университетах Южной Кореи, ЮАР, Германии, Индонезии и Швеции. Недавно ученый присоединился к команде ИТМО по программе ITMO Fellowship. В петербургском университете он работает над проектом, который поможет сделать более устойчивой интеграцию источников «зеленой» электроэнергии в инфраструктуру традиционной электросистемы. Что такое виртуальные электростанции и чем электроинженерам может помочь  искусственный интеллект, Джексон Джон Джусто рассказал в интервью ITMO NEWS.

— Вы приехали в Петербург из Танзании. Расскажите, пожалуйста, чем занимались на родине?

— Глобально моя научная специализация включает два направления. Первое ― это управление и оптимизация традиционных и «зеленых» источников электроэнергии, в том числе с помощью искусственного интеллекта. А второе связано с электромобилями и электроприводами.

Работать с техникой — моя страсть. Очень сложно управлять системой, которая не умеет даже разговаривать. Всё начинается с понимания, как работает конкретный прибор или устроена электросеть. Затем я пишу инструкции, с помощью которых контролирую их работу и заставляю выполнять конкретные задачи, как будто система ничем не отличается от людей. Это приводит меня в восторг.

Чтобы получить специализацию в области электроинженерии, я окончил бакалавриат Университета Дар-эс-Салама в столице Танзании. Затем отправился в Университет Донгук в Сеул, где учился на комбинированной программе магистратуры и аспирантуры. После этого я вернулся на родину, где продолжил преподавать и работать научным руководителем у выпускающихся студентов, а также проводить исследования вместе с учеными из других стран.

Затем я присоединился к Преторийскому университету в ЮАР, чтобы пройти программу постдокторантуры. Вместе с коллегами мы работали над новой ― эффективной, надежной и устойчивой ― системой электрификации из возобновляемых источников энергии для сельской местности, а с исследователями из Кембриджского университета — над бюджетной технологией недорогих преобразователей мощности для автономных солнечных фотоэлектрических систем (солнечных панелей).

— Я знаю, что вы сотрудничали не только с университетами в Южной Корее, но и Германии, Индонезии, Швеции. Как удалось поработать в нескольких странах? Что в целом вам дал этот опыт?

— За это стоит поблагодарить моего научного руководителя из Университета Донгук. Во время обучения там каждые два дня у меня проходил семинар, где нужно было представлять результаты работы в виде научной статьи. Мой руководитель был требовательным, заставлял много раз переделывать черновики и доводить их до совершенства. И даже если я присылал работу на проверку в 12 часов ночи, через полчаса мне приходило сообщение, что именно нужно было исправить.

Важно сказать, что для публикаций мы выбирали только высокоцитируемые журналы первого квартиля (Q1). Поэтому приходилось работать гораздо усерднее ― иногда я переписывал статью по 20 раз, чтобы ее приняли в журнал. Конечно, после такого получать отказы от редакторов было морально очень непросто. Чем-то это было похоже на марафон: у тебя уже нет сил и желания, кажется, что просто не можешь бежать дальше, но тренер (в моем случае — научный руководитель) всё время заставляет тебя продолжать и преодолевать ограничения, чтобы в итоге ты стал лучшим в своей сфере. И постепенно у меня начало получаться. Поэтому сейчас, учитывая свой опыт, я бы посоветовал молодым ученым выходить за флажки и принять долгосрочную стратегию как часть обучающего процесса ― продолжать работать, несмотря на отказы, и научиться воспринимать критику как предложение, которое поможет стать лучше.

В таком режиме я проучился пять лет, и всё было не зря. После первой принятой статьи в Q1 я на своем опыте осознал, что это значит — публиковаться в высокоцитируемых журналах. Всё сводится к тому, чтобы научиться принимать критику и понимать, как снова не совершать те же ошибки. Со временем проходить все этапы подготовки статьи стало проще и быстрее. Теперь я могу за час (а не день, как раньше) описать концепт своей идеи в виде рисунка.

Также я заручился доверием других ученых из смежных областей: когда они видят твою работу в высокоцитируемом журнале, то понимают, что она четко выверена и в ней нет «мусора», а значит на нее можно ссылаться. Теперь я сам выступаю редактором или техническим рецензентом нескольких международных научных журналов, которые выпускает, например, крупнейшая в мире инженерная ассоциация — Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) или британский Институт инжиниринга и технологий (IET).

Видя количество статей в топовых журналах, люди стали чаще интересоваться, чем я занимаюсь, и начали приглашать меня прочесть учебный курс или провести исследование в университетах разных стран. Вот так вознаграждаются те, кто много вкладывается в науку. Еще лучше, если вам удалось получить патент или лицензию — это говорит о еще большей значимости вашей работы.

— А как вы начали сотрудничать с ИТМО?

— История чем-то похожа. В 2023 году я планировал взять творческий отпуск и как раз искал место, где бы смог попутешествовать, отдохнуть от рутины и, возможно, заняться новыми исследованиями. К счастью, как раз в это время мне прислали приглашение поучаствовать в программе ITMO Fellowship. Мне нравится Россия, я многое о ней слышал как от западных СМИ, так и от российских телеканалов, но хотел посмотреть на страну своими глазами. Поэтому когда получил письмо, подумал, что это судьба ― и вот, с июля я работаю здесь.

Также я планирую развивать коллаборацию между ИТМО и Университетом Дар-эс-Салама и открыть лабораторию в одном из этих вузов. Думаю, в этой лаборатории российские и танзанийские студенты могли бы работать над общими исследованиями и проводить семестровые обмены.

― И как вам России своими глазами, а не на картинке? Что больше всего удивило?

― Я приехал в Россию в июле 2024 года. В это время погода в Петербурге очень похожа на погоду в моем родном городе Дар-эс-Салам. Кроме того, разницы во времени нет, поэтому даже часы переводить не нужно. Но здесь летом ночь короче, чем день — это меня приятно удивило. Сейчас наоборот — день становится короче. Я уже успел убедиться, что Россия — довольно приятное место для жизни и работы. Люди на самом деле очень приветливы: если кому-то нужна помощь, они готовы ее оказать. Это очень важно для иностранцев.

— Над каким исследованием вы работаете сейчас в ИТМО?

— Мое текущее исследование связано с объединением традиционных и «зеленых» источников энергии в общую электросистему и управлением ею с помощью технологий искусственного интеллекта. «Традиционные» виды энергии ― например, газ, нефть, уголь и древесина ― не считаются ни возобновляемыми, ни экологичными. Поэтому в последние десятилетия люди стали рассматривать и другие ― дешевые и безотходные ― виды энергетики, например, солнце, ветер или биомассу (органические отходы) и водород.

Представьте, что у вас есть все эти источники «зеленой» энергии, ее хватает на весь дом и даже что-то остается. Или, наоборот, только собственных генераторов электричества вам не хватает и приходится искать что-то дополнительно. Что делать в таких случаях? Продавать и покупать электричество. Уже сейчас в Швеции, Германии и Австралии используются виртуальные электростанции. Это децентрализованная сеть, которая объединяет множество источников «зеленой» энергии от частных домовладений и позволяет торговать электричеством с помощью представителей государства или электроброкеров. Это своего рода регуляторы рынка — они покупают электричество у домовладельца и перепродают его другим покупателям или производствам.

Но у интеграции электричества от солнечных фотоэлектрических систем в традиционную электросистему есть несколько проблем. Для электросети очень важно держать постоянными показатели напряжения и частоты тока, поставляемых потребителям. Это гарантирует, что все получат качественную энергию для своих нужд. Если какой-либо показатель снижается, домовладельцы могут этого не заметить, потому что в «традиционной» выработке электричества потери компенсирует синхронный генератор. Он вращается под действием ветра в турбинах, воды на гидроэлектростанциях или тепла от сжигания топлива на теплоэлектростанциях и в итоге преобразует механическую энергию в электрическую.

Но в системе, основанной на солнечных панелях, в качестве подстраховки используется не генератор, а пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор. Он помогает поддерживать напряжение или ток, чтобы солнечные панели или виртуальные электростанции всегда вырабатывали максимальное количество электричества. Но такие регуляторы не могут предугадать изменения в погоде, поэтому эти устройства лучше заменить на более гибкие регуляторы с технологиями ИИ на базе нечетких нейронных сетей (ННС). С их помощью мы можем не только предсказывать климатические перемены, но и планировать и выстраивать работу солнечных фотоэлектрических систем на основе данных о спросе домохозяйств, а также управлять такими системами — например, приказать выработать больше или меньше электричества.

Также идею с торговлей электричеством можно дополнить одноранговыми транзакциями, основанными на технологиях блокчейна и смарт-контрактов. Они могут сделать продажу и покупку энергии более прозрачной для всех, даже без регуляторов со стороны. Как раз над этими исследованиями я работаю сейчас вместе с учеными ИТМО.

— В каких еще проектах вы планируете участвовать в ИТМО?

— В планах несколько направлений. Во-первых, у команды Нового физтеха уже есть опыт работы с беспроводной зарядкой (ранее ученые разработали новое поколение беспроводных зарядок и первую в России систему беспроводной зарядки для электротранспорта — прим.ред.), поэтому мы планируем создать систему беспроводной зарядки для дронов, которые используют, например, в доставке или медицине. Если по пути аккумулятор устройства разрядится, можно зарядить его в определенном месте с равномерно распределенным в объеме магнитным полем. При этом дрону не понадобятся ни провода, ни специалисты-помощники для подключения.

Второй проект связан с мониторингом состояния и предотвращением поломки электродвигателей. Они используются как в электротранспорте, так и ветряных турбинах, поэтому важно заранее знать, когда сломается часть устройства, и вовремя ее заменить. С помощью нелинейной системы управления, интегрированной с нейросетями и регуляторами на базе нечеткой логики, мы можем отслеживать параметры, влияющие на электродвигатели, и на их основе предсказывать работоспособность и надежность устройства.

А еще я с нетерпением жду ноября — тогда я начну читать учебные курсы студентам выпускных курсов ИТМО.