CC BY
42
УДК 620.4.019.3:51.001.57(470)
ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ФЕДЕРАЛЬНЫХ ОКРУГОВ РОССИИ
1 2 А.В. Еделев , Н.М. Береснева
Институт систем энергетики им. Мелентьева СО РАН,
6664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Представлена экономико-математическая модель топливно-энергетического комплекса федеральных округов России, на основе которой производятся исследования функционирования и развития энергетики субъектов Российской Федерации с позиций обеспечения энергетической безопасности. Также дано описание специализированного программно-вычислительного комплекса «Корректива», в котором реализована информационная поддержка данных исследований. Ил. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: энергетическая безопасность (ЭБ); топливно-энергетический комплекс (ТЭК); модель ТЭК федеральных округов России; индикативный анализ.
TOOLS FOR THE STUDY OF ENERGY SECURITY OF RUSSIAN FEDERAL REGIONS A.V. Yedelev, N.M. Beresneva
Institute of Power Systems named after L.A. Melentiev SB RAS, 130, Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The article presents an economic and mathematical model of the fuel and energy complex of the federal districts of Russia. On its basis the authors carry out the studies of the operation and development of Power Engineering of the Subjects of the Russian Federation from the standpoint of ensuring energy security. Also, the article provides a description of the specialized software and computing complex "Korrektiva", where the informational support of these studies is implemented.
3 figures. 6 sources.
Key words: energy security; fuel and energy complex (FEC); FEC model of federal districts of Russia; indicative analysis.
Важным направлением в исследованиях энергетики России является изучение проблемы обеспечения энергетической безопасности (ЭБ) страны и её регионов [1]. В институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН) для изучения этой проблемы была предложена двухуровневая технология исследования. Верхний уровень технологии представлен системой моделей для оценки возможностей функционирования и развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны с позиций ЭБ в различных условиях. Нижний уровень технологии описывается моделями отраслевых систем энергетики (модель оценки производственных возможностей единой системы газоснабжения в экстремальных ситуациях, модель оценки производственных возможностей единой системы нефте- и нефтепродуктоснабжения). Для согласования моделей разных уровней используются различные методы агрегирования и многоступенчатой оптимизации.
В основе моделей верхнего уровня лежит территориально-производственная модель ТЭК России с блоками электроэнергетики, тепло-, газо- и углеснаб-жения, а также мазутоснабжения [1]. В ней информация представлена федеральными округами, или экономическими зонами, связанными между собой укрупнёнными схемами транспорта энергоресурсов. Расчё-
ты с её помощью, в основном, проводятся в годовом разрезе, хотя имеется возможность перехода на квартальный с помощью коэффициентов сезонной неравномерности.
В связи с необходимостью оценки уровня ЭБ субъектов РФ с прослеживанием ситуации по месяцам появилась необходимость в разработке балансовой территориально-производственной модели ТЭК с более детальным уровнем предоставления информации. Поэтому была создана подобная модель ТЭК федеральных округов [2]. Единица территориального деления в ней - субъекты РФ, объединённые в восемь федеральных округов: Центральный, Северо-Западный, Южный, Северо-Кавказский, Приволжский, Уральский, Сибирский, Дальневосточный. Описание ТЭК каждого федерального округа даётся в отдельных файлах формата решателя. Расчёт модели производится из основного файла с настройками модели. Первоначальная отладка модели проводится в годовом разрезе. Переход к месячному разрезу осуществляется с помощью коэффициентов сезонной неравномерности.
Основные ресурсы в модели - газ, уголь (каменный и бурый), мазут, прочие виды топлива, электроэнергия и тепло. Для угля и мазута введены запасы на начало года. Все потребители топливно-энергети-
1Еделев Алексей Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 422984; e-mail: [email protected]
Yedelev Alexey, Candidate of technical sciences, Senior Research Worker, tel.: (3952) 422984; e-mail: [email protected] 2Береснева Наталья Михайловна, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел.: (3952) 422984, 89501312532; e-mail: [email protected]
Beresneva Natalia, Candidate of technical sciences, Research Worker, tel.: (3952) 422984, 89501312532; e-mail: [email protected]
ческих ресурсов (ТЭР) разбиты на следующие категории: объекты электро- и теплоэнергетики (тепловые электростанции и котельные), потребители других отраслей экономики, экспорт ТЭР. В блоке электро- и теплоэнергетики источники переработанных ресурсов представлены на уровне станций (атомные и тепловые электростанции, гидроэлектростанции) и котельных. Для тепловых электростанций и котельных ограничена выработка электроэнергии и тепла, расход топлива (газа, мазута, каменного и бурого угля, прочих видов топлива) на эту выработку. Для тепловых электростанций предусмотрена взаимозаменяемость газа и мазута.
Характерная особенность модели ТЭК федеральных округов - наличие достаточно подробных схем подсистем транспорта энергоресурсов:
• сеть магистральных газопроводов, взятая из модели производственных возможностей системы газоснабжения, на основе которой проводятся исследования суточного потокораспределения газа в условиях разного рода возмущений [3];
• укрупнённая до уровня субъектов сеть линий электропередач, взятая из модели оценки надёжности больших и сложных электроэнергетических систем [4];
• транспорт мазута и угля представлен укрупнённой сетью железнодорожного транспорта.
В подсистемах транспорта ресурсов с помощью аппарата двойственных оценок определяются потенциальные узкие места. Под таковыми понимаются участки транспортной сети, чья пропускная способность используется по максимуму, и в случае чрезвычайной ситуации могут не позволить полного удовлетворения потребностей в ресурсе.
В математическом смысле модель представляет собой классическую задачу линейного программирования. Целевая функция модели минимизирует сумму приведённых затрат и ущербов от дефицита ТЭР у потребителей. Ограничения оптимизационной задачи записывается в виде системы линейных уравнений и неравенств:
AX-Y =0; 0 < X < D ; 0 < Y < R,
(1) (2) (3)
где X - вектор, компоненты которого характеризуют интенсивность использования технологических способов функционирования энергетических объектов (добычи, переработки, преобразования и транспорта энергоресурсов); Y - вектор, компоненты которого характеризуют объёмы потребления топлива и энергии; А - матрица технологических коэффициентов производства (добычи, переработки, преобразования) и транспорта отдельных видов топлива и энергии; D -вектор, определяющий технически возможные интенсивности использования отдельных технологических и производственных способов; R - вектор с компонентами, равными объёмам заданного потребления отдельных видов топлива и энергии.
Целевая функция имеет вид:
C • Х+r • g ^ min. (4)
Первая её составляющая отражает издержки, связанные с функционированием отраслей ТЭК, входящих в него систем и подсистем энергетики. Здесь С -вектор удельных затрат по отдельным технологическим способам функционирования действующих, реконструируемых или модернизируемых, а также вновь сооружаемых энергетических объектов. Вторая составляющая - ущербы потребителей от дефицита по каждому виду топлива и энергии. Величины дефицита энергоресурсов д у потребителей соответствуют разности (R - Y). Вектор r состоит из компонент, названных с определённой условностью удельными ущербами.
Инструментальная поддержка исследований на модели ТЭК федеральных округов реализована в программно-вычислительном комплексе (ПВК) «Корректива» [5]. Архитектура программного комплекса показана на рис. 1. Основные концептуальные решения этого комплекса - использование языка описания сценариев IPAT-S для создания вариантов модели, реша-
Рис. 1. Архитектура программно-вычислительного комплекса «Корректива»
О п и с а н мо дел и
И схо дн данные
^Создание варианта
Э к с п е р
дрозданнь и а р и а нт п
Ш '
Описание ПВК
Решатель
Й;Р а с с ч ит е= а р и а нтг а р и а нт модели
Акали! рйСЧСТа
Обр дан»
з ботаннь ые
Ин дн катор ы
ЭБ
Ш а блоны табл иц
^ Создан и е Р езул ьти рую щих та бл иц
Шаблоны
Ш а блоны карт
Р ,| л ьти рую щи е
-
С Го-щя-нтке рииимх
пектронные рты
Ш а блон ы НТМЬ Не1р
Р езул ьти рую щи и с Ь гп- ф а йл
Сладили» Ьлгп! .
Ш-
П Е! К "Корректива"
Рис.2 Проведение исследований функционирования ТЭК России
в ПВК "Корректива"
Рис. 2. Проведение исследований функционирования ТЭК России в ПВК «Корректива»
теля задач линейного программирования !р_Бо!уе. Основный язык разработки комплекса - язык программирования 1_иа.
Модель в комплексе представлена в виде сети, каждый узел которой соответствует субъекту РФ, а дуги - транспортным связям между ними. Технология проведения исследований в ПВК «Корректива» в нотации ЮБР-О показа на рис. 2. Результаты исследований представляются в виде балансовых таблиц по федеральным округам и электронных карт для каждого энергоресурса. На электронных картах режим рабо-
ты объектов идентифицируется цветом. Чёрный цвет означает, что объект работает в нормальном режиме с определённым запасом по производственным мощностям, красный - объект полностью загружен (никакого запаса по производственным мощностям нет), синий - объект по какой-то причине не был задействован. Цветовая дифференциация объектов в зависимости от характеристик работы позволяет идентифицировать узкие места, чаще всего обозначенные двойной красной линией. На рис. 3 показан фрагмент газовой сети, в котором дуга «Кировская область -
Рис. 3. Поиск узких мест в системе транспорта газа
Рязанская область» выделена как потенциальное узкое место в транспорте газа.
Интерактивные электронные карты создаются на основе Flash-технологии при помощи инструментария amMap [6]. Набор файлов для электронной карты включает:
- компонент amMap (файл с Flash-графикой ammap.swf);
- векторную карту России в виде Flash-графики;
- настройки для amMap в формате XML;
- исходные данные в формате XML;
- HTML-файл, объединяющий все вышеперечисленные файлы вместе.
Настройки для amMap в формате XML создаются вручную один раз и одинаковы для всех карт. Исходные данные для карты в формате XML формируются автоматически.
Апробация последней версии модели проводилась на примере резкого похолодания в Северо-
Западном и Центральном федеральных округах с различным уровнем запасов мазута. По результатам расчёта был проведён анализ индикатора ЭБ «уровень потенциальной обеспеченности спроса на ТЭР в условиях резкого похолодания (10% наброс потребления на территории региона)». Были выявлены регионы с наименьшим потенциальным топливообеспечением: Смоленская, Тверская, Псковская, Архангельская и Астраханская области, Ставропольский и Краснодарский края, республика Северная Осетия - Алания.
Таким образом, для исследования развития ТЭК субъектов РФ с позиций обеспечения ЭБ разработана модель, позволяющая проводить анализ удовлетворения потребностей территорий в энергоресурсах в месячном разрезе. С помощью созданной модели проведено исследование возможностей топливообес-печения субъектов РФ для сценария похолодания в регионах Северо-Западного и Центрального федеральных округов, выявлены наиболее проблемные регионы страны.
Библиографический список
1. Энергетическая безопасность России / Бушуев В.В., Во-ропай Н.И., Мастепанов А.М., Шафраник Ю.К. и др. Новосибирск: Наука, 1998. 302 с.
2. Еделев А.В., Береснева Н.М. Модель для исследования ТЭК федеральных округов России с позиций энергетической безопасности // Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики: сб. науч. тр. Вып. 60. Методы и средства исследования и обеспечения надежности систем энергетики / отв. ред. Н. И. Воропай А.И. Таджи-баев. СПб.: Северная звезда, 2010. С. 234-239.
3. Еделев А.В., Еникеева С.М., Сендеров С.М. Информаци-
онное обеспечение при исследовании вопросов функционирования больших трубопроводных систем // Вычислительные технологии. 1999. Т. 4. № 5. С. 30-35.
4. Ковалев Г.Ф., Лебедева Л.М. Модель оценки надёжности электроэнергетических систем при долгосрочном планировании их работы // Электричество. 2000. № 11. С.17-24.
5. Береснева Н.М., Еделев А.В. Система поддержки исследований энергетической безопасности России // Программные продукты и системы. 2008. № 2. С. 76-78.
6. Сайт АтМар. 1^1.: http://www.ammap.com (дата обращения: 12.10.2010).
УДК 681.3
ФОРМИРОВАНИЕ ОНТОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Н.Н. Макагонова
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033 г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Описан методический подход к формированию онтологического пространства междисциплинарных исследований, основанный на выделении базовых (основных) типов концептов предметной области (объектов и их свойств, состояний объектов, событий, процессов, ситуаций, задач), для описания которых разработана структура базовой онтологической единицы и описаны метаонтологии, соответствующие типам концептов. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: информационные технологии; информационное моделирование; онтологическое пространство.
FORMATION OF THE ONTOLOGICAL SPACE OF INTERDISCIPLINARY RESEARCHES N.N.Makagonova
Institute of Power Systems named after L.A. Melentiev SB RAS, 130, Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The author describes a methodical approach to form the ontological space of interdisciplinary researches, based on the distinguishing of basic (core) types of object domain concepts (objects and their properties, states of the objects, events, processes, situations, problems). To describe them the author has developed the structure of a basic ontological unit and
1Макагонова Надежда Николаевна, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 428864, e-mail: [email protected]
Makagonova Nadezhda, Candidate of technical sciences, associate professor, senior research worker, tel.: (3952) 428864, e-mail: [email protected]
