РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ГАЗА И АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

13. National Technical Specification Notices. URL: https://www.rssb.co.uk/standards/ under-standing-and-applying-standards/national-technical-specification-notices (дата обращения: 19.07.2022).

14. Technical Regulatory Standards on Japanese Railways. URL: https://www.mlit.go.jp/ eng-lish/2006/h_railway_bureau/Laws_concerning/14.pdf (дата обращения: 19.07.2022).

15. Официальный сайт организации East Japan Railway Company. URL: https://www.jreast.co.jp/multi/en/index.html (дата обращения: 19.07.2022).

16. Китайские железные дороги/ PPIAF. URL: https://ppiaf.org/sites/ppiaf.org/files/ docu-ments/toolkits/railways_toolkit_russian/ch7_3.html(flaTa обращения: 19.07.2022).

17. Транспортная стратегия РФ до 2030 года с прогнозом на период до 2035 г. Утверждена распоряжением Правительства РФ от 27.11.2021 № 3363-р. URL: https://mintrans.gov.ru/ ministry/targets/187/191/documents (дата обращения: 19.07.2022).

Сведения об авторах

Сергей Александрович Савушкин

к.ф-м.н., с.н.с., ведущий научный сотрудник Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН, www.iptran.ru Москва, Россия Эл. почта: ssavushkin@mail.ru

Алеся Валерьевна Лемешкова

младший научный сотрудник, Институт проблем транспорта им. Н.С. СоломенкоРАН, www.iptran.ru Москва, Россия Эл. почта: aleslemesh@mail.ru

Information about authors

SergeyAlexandrovich Savushkin

PhD (PhD (Math), Senior Scientist, Leading Researcher,

N.S. Solomenko Institute of Transport Problems of RussianAcademy of Sciences, www.iptran.ru

Moscow, Russian Federation E-mail: ssavushkin@mail.ru Alesia Lemiashkova

Junior Researcher,

N.S. Solomenko Institute of Transport Problems of RAS, www.iptran.ru Moscow, Russian Federation E-mail: aleslemesh@mail.ru

УДК 681.518.3 Л.И. Бернер, Ю.М. Зельдин, A.A. Ковалёв

ГРНТИ 73.39.75 ДО «АтлантикТрансгазСистема»

DOI: 10.47501/ITNOU.2022.1.21-30

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ГАЗА И АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ.

В статьерассматривается задачаразработки программного модуля поддержки со-временныхметодов проактивногоуправления газотранспортной системой (ГТС) на основе прогнозирования изменения отборов газа потребителями, других возмущающих эффектов, с использованием газодинамического моделирования газопроводной системы в нестационарномрежиме ирежиме прогнозирования изменения режима. Ключевые слова: газотранспортная система, проактивноеуправление, прогнозирование потребления газа, проактивноеуправление

L. I. Berner, Y. М. Zeldin, А.А. Kovalev

AtlanticTransgasSystem

DEVELOPMENT OF A SOFTWARE MODULE FOR FORECASTING GAS CONSUMPTION AND AUTOMATED SUPPORT FOR PROACTIVE CONTROL OF THE GAS TRANSMISSION SYSTEM.

The article deals with the task of developing a software module to support modern methods of proactive control of the gas transmission system (GTS) based on forecasting changes in gas withdrawals by consumers, other disturbing effects, using gas dynamic modeling of the gas pipeline system in non-stationary mode and mode of forecasting changes in the mode. Keywords: gas transmission system,proactive management, gas consumption forecasting, proactive management

Введение. Трубопроводный транспорт газа

Транспорт природного газа по магистральным газопроводам с последующим распределением и поставками потребителям по распределительным сетям сегодня является наиболее развитым и распространенным способом доставки энергоносителей от производителя до потребителя. Альтернативные источники занимают определенную долю на современном энергетическом рынке и эта доля, безусловно, возрастает. И сегодня, и в обозримом будущем поставки газа по трубопроводам продолжат играть доминирующую роль практически во всех странах с развитой промышленностью. Поставки природного газа по газопроводам надежны, экономичны и безопасны, в том числе, с точки зрения экологии. Осуществляется разработка новых газовых месторождений, создаются новые трубопроводные маршруты, реализуется программа газификации собственных регионов России. Перечисленные обстоятельства говорят о безусловной важности и актуальности задачи развития технических решений по обеспечению эффективного и безопасного транспорта газа, в том числе с помощью решений по автоматизации.

Кратко рассмотрим трубопроводный транспорт газа как объект управления. Обобщенная схема газотранспортной системы (ГТС) показана на Рис. 1.

Крупный потребитель (ТЭЦ)

Рис. 1 Основные компоненты газотранспортной системы

Эксплуатацию трубопроводных систем для транспорта газа в России осуществляют предприятия, входящие в ПАО «Газпром». Каждое предприятие обслуживает ГТС протяженностью в несколько тысяч километров, расположенную в нескольких субъектах Федерации. Основными целями деятельности газотранспортного предприятия являются обеспечение безопасного функционирования сложного территориально-распределенного производственного комплекса, относящегося к критически важным инфраструктурным объектам, своевременная подача запланированных объемов газа нужного качества соответствующим потребителям, а также транзит соседним газотранспортным предприятиям. При этом ставится вопрос эффективности функционирования ГТС - минимальное потребление ресурсов для транспортировки газа (топливного газа или электроэнергии), разумная наработка оборудования и ряд других. Таким образом, основные КР1 (ключевые показатели эффективности) можно кратко сформулировать как безопасность, точность поставок газа, экономия ресурсов.

Следует отметить, что начиная с 60-х годов в транспорт газа и смежные отрасли газовой промышленности активно внедряются решения по автоматизации. При этом уровень автоматизации задач по управлению ГТС во многом определяется уровнем развития средств автоматики и вычислительной техники, равно как и методов решения прикладных расчетно-аналитических задач. Развитие вычислительных систем наряду с практической реализацией сложных методов моделирования и анализа предоставляют новые возможности в управлении ГТС и достижении высоких значений обозначенных выше КР1.

Поддержание сбалансированности ГТС как главная задача управления

Управление ГТС осуществляет диспетчерская служба предприятия, «вооруженная» различными автоматизированными системами и компьютерными программами. Перед диспетчерской службой стоят различные задачи, но с точки зрения организации поставок газа (то есть главной целевой функции ГТС) первейшее значение имеет мониторинг запаса газа в сети и её отдельных участках и поддержание того уровня запаса газа, который соответствует требованиям безопасности эксплуатации трубопровода и позволяет выполнять задания на поставку газа потребителями или транзит в соседние (граничные) предприятия.

Газотранспортная система (вернее, участок ГТС, обслуживаемый предприятием) должна быть сбалансированной - иллюстрация дана на Рис. 2.

-\

Транзит газа

-1/

Добыча и переработка

Запас газа в трубе

Запас газа в ПХГ

Транзит газа

Собственные нужды и потери

Подача газа

Рис. 2Модель поддержания баланса в газовой сети.

В газотранспортную систему газ поступает от других предприятий, а также от компаний по добыче и переработки газа. Кроме того, газ может отбираться из подземных хранилищ газа (ПХГ). Газ расходуется на транзит, закачку в ПХГ, подачу газа потребителям, а также на собственные нужды и (как правило, незначительно) на технологические потери. Сама труба является аналогом хранилища газа, объемы которого могут достигать значительных величин. Газ, содержащийся в ГТС (отдельном участке ГТС) на определенный момент времени, является т.н. «запасом газа в трубе».

В сбалансированной системе процессы протекают с постоянными показателями, поступление и расход газа неизменны, запас газа не меняется, дисбаланс (то есть разница между приходом и расходом, измеренная в мЗ в нормальных условиях) равен нулю. Дисбаланс газа не всегда должен быть нулевым - часто диспетчер решает задачу повышения или снижения запаса газа в сети, в результате чего дисбаланс межу поступлением газа в сеть и выдачей газа из сети становится отрицательным или положительным. Однако диспетчер должен точно понимать причину дисбаланса и знать, какие средствами он может управлять им.

Если не рассматривать аварийные ситуации на ГТС (прогнозирование которых не входит в предмет рассмотрения настоящей статьи), баланс в ГТС может быть нарушен благодаря двум основным причинам - изменению в потреблении газа одним или несколькими потребителями или изменениями в конфигурации ГТС (остановом или запуском оборудования, отключением или включением участков и т.п., что во многом обусловлено проводимыми ремонтами или техническим обслуживанием оборудования).

-Г

Рас. 3 Основные причины нарушения баланса ГТС — погода и проводимые ремонтные работы.

Изменения в потреблении (отборе) газа, вызванные погодой или иными обстоятельствами, ремонтные работы способны вызвать дефицит газа для определенных потребителей или, наоборот, избыток газа. Для ликвидации данных ситуаций диспетчер по факту их выявления предпринимает определенные действия, призванные стабилизировать ситуацию и обеспечить максимально-возможную стабильность подачи газа потребителями и на транзит. При этом, если речь идет не о ликвидации аварии и предотвращении нештатной ситуации, важное значение играет оптимальность предпринятых диспетчером действий с точки зрения выбранных критериев (КР1).

Традиционный и проактивный методы управления ГТС

Классическая схема процесса управления транспортом газа показана на рисунке Рис. 4.

Заявки потребителей Транзитные объемы газа

Критерии оптимизации Планы ремонтов и другие ограничения

Koppeктировкизаявок Нештатные и аварийные ситуации Другие отклонения

Критерии выбора решения в нештатной ситуации

Возможности газотранспортной сети,

Ограничения, Наличие источников газа

Управляющие воздействия, выдача команд и диспетчерских зада ний

Документы для расчетов с потребителями

Рис. 4 Общее представление автоматизируемых процессов диспетчерского управления

На основе заявок потребителей и плана транзитных поставок (плюс закачка/отбор в/из ПХГ) определяется план транспорта газа, как правило, с посуточной разбивкой и с выделением объемов газа, поставляемого каждому потребителю и на выход из ГТС. Для составленного плана с помощью расчетов и оптимизационного моделирования определяется т.н. режим работы ГТС - совокупность конфигурации ГТС и показателей работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Режим учитывает проводимые работы на ГТС, связанные с выводом из строя или, наоборот, возвращение к эксплуатации определенных участков ГТС и ГПА. Режим оптимален по выбранному критерию.

Рассчитав режим на ближайший период времени (как правило, сутки), диспетчер выдает нужные команды для «выхода на указанный режим» и осуществляет мониторинг состояния ГТС. Если вернуться к Рис. 2. со схемой баланса газа, стабильный режим предполагает отсутствие дисбаланса. При возникновении возмущающих воздействий диспетчер должен реагировать на них изменением режима и опять стремиться вывести системы на стабильный режим с нулевым дисбалансом газа. Такой метод управления ГТС можно назвать «традиционным».

Проактивное управление объектом заключается в реакции на прогнозируемые события до их наступления. В большинстве случаев это позволяет предотвратить негативные сценарии развития ситуации, включая наступление нештатных ситуаций, нанесение ущерба и т.д. и/или сэкономить материальные ресурсы. В случае ГТС под проак-тивным управлением будем понимать реакцию диспетчерского персонала на изменения в потреблении газа, которые наступят в ближайшем (обозримом) будущем в течение 13 дней. Проактивное управление учитывает также планируемые переключения на ГТС, вывод части газоперекачивающих мощностей для ремонта, другие действиях, которые либо заранее известны, либо могут быть спрогнозированы с той или иной точностью с помощью математических или эвристических процедур.

Обобщенная схема проактивного управления показана на Рис. 5.

Подои стели прогнозного моделирования ГТС

Подсистема вариантного моделирования ГТС

Хранение и визуализация результатов

Подсистема, анализа [экспертная система, искусственный интеллект)

Подсистема фильтрации данных

Подсистема информационного обмена

Подсистема прогнозирования газопотребления

<

Смежные системы, \ соседние ГТП

(Оперативный диспетчерский [ журнал

СДКУ ГТП

Рис. 5 Общая модель проактиеногоупраеления ГТС

При ироактивиом управлении управляющее воздействие на технологический объект производится заранее, на основании прогноза состояния объекта, полученного от нестационарной математической модели газотранспортной системы («цифрового двойника» ГТС). Проактивное управление особенно эффективно для нелинейных инерционных систем со множеством входов и выходов, к которым можно прилагать дискретные и непрерывные управляющие воздействия, разнесенные во времени. Именно таким объектом управления является газотранспортная система. Проактивное управление предполагает определение наилучшего прогнозного состояния ГТС и его формирование путем выработки и реализации команд управления с учетом времени реакции системы на эти команды.

Важным компонентом реализации «проактивного управления» является наличие системы нестационарного моделирования ГТС с функциями прогнозирования. Однако одной модели ГТС недостаточно, требуется программное обеспечение, реализующее функционал прогнозирования потребления газа в регионе, а также позволяющее диспетчеру определить оптимальный режим работы ГТС.

Задача разработки модуля проактивного управления

АО «АТГС» имеет большой опыт создания систем диспетчерского управления, в том числе газотранспортными системами. До недавнего времени реализованные решения основывались на традиционном методе управления ГТС. С появлением в российской газовой отрасли нестационарных газодинамических моделей ГТС, реализующих функции прогнозирования режима транспорта газа в меняющихся условиях, и с приобретением АО «АТГС» практического опыта применения подобных моделей в рамках систем диспетчерского управления встал вопрос о программной имплементации методов проактивного управления.

В настоящее время специалистами АО «АТГС» прорабатывается вопрос создания модуля проактивного автоматизированного управления (МПАУ), который предназначен для применения в составе систем оперативно-диспетчерского управления (СОДУ) газотранспортными предприятиями как часть системы поддержки принятия диспетчерских решений (СППДР).

МПАУ включает следующие подсистемы:

- подсистему прогнозирования потребления газа по каждому из объектов с учетом суточной неравномерности, включая как точки поступления и передачи транспортируемого газа, так и точки отбора (газораспределительные станции). Потребление газа прогнозируется с периодом 1 час на основе планов (заявок) на транспортировку и распределение газа, существующих архивов потребления газа по объектам, прогнозных условий окружающей среды, дней недели (рабочий / выходной) ит. п.;

- подсистему хранения планов управляющих воздействий и планового режима ГТС. В подсистему вводится план управляющих воздействий на ГТС (переключение запорной арматуры, пуск / останов газоперекачивающих агрегатов, изменение расхода газа через узлы редуцирования и т.п.), в том числе связанный с техническим обслуживанием и ремонтом ГТС, а также плановый режим, выработанный группой планирования режимов;

- подсистему оценки результатов прогнозирования режима ГТС, поддержки принятия диспетчерских решений.

МПАУ функционирует совместно с действующей СОДУ Предприятия, в том числе с программно-вычислительным комплексом (ПВК) нестационарного моделирования ГТС Предприятия. Используются две копии нестационарной модели:

- модель в режиме «оффлайн» используется для планирования работы ГТС, моделирования нескольких возможных вариантов управления и выбора наилучшего из них (с учетом имеющихся ограничений) - целевого режима;

- модель в режиме «онлайн» используется для контроля текущего состояния ГТС, прогнозирования режима ГТС при фактических параметрах технологического процесса, проактивного управления ГТС для поддержания запланированного целевого режима.

Основными пользователями МПАУ является производственно-диспетчерская служба газотранспортного предприятия - группа планирования режимов и оперативный диспетчерский персонал.

Группа планирования режимов с помощью МПАУ и ПВК моделирования в режиме «оффлайн» проводит вариантное моделирование ГТС, при котором учитывается прогноз потребления газа и несколько предварительных планов переключений (в том числе учитывающих работы по техническому обслуживанию и ремонту оборудования). Затем МПАУ (подсистема оценки результатов) дает интегральную оценку оптимальности результатов моделирования по набору критериев, каждый из которых используется с соответствующим весом, с учетом имеющихся ограничений и целевого режима ГТС. В результате выбирается один наилучший вариант, который загружается в подсистему хранения планов управляющих воздействий и планового режима ГТС.

Функциональная структура МПАУ при использовании специалистами группы планирования режимов приведена на Рис. 6. Розовым цветом выделены модули МПАУ, синим - существующие подсистемы СОДУ Предприятия.

Рис. 6 Функциональная структураМПАУ,режим «оффлайн»

Оперативный диспетчерский персонал контролирует текущий режим ГТС, используя систему контроля и управления реального времени (СДКУ СОДУ), и прогнозный режим ГТС, используя МПАУ и нестационарную модель ГТС в режиме «онлайн». Модель рассчитывает текущий прогноз режима ГТС с учетом прогноза газопотребления (передается из подсистемы прогнозирования) и запланированных группой режимов управляющих воздействий (передаются из подсистемы хранения планов). Пересчет прогнозного режима производится каждый час.

Диспетчер периодически производит оценку соответствия текущего прогнозного режима плановому, который выработан группой планирования режимов и загружен в подсистему хранения планов. Фактический прогноз также показывает «узкие места» в работе ГТС, которые могут возникнуть в ближайшем будущем, и сигнализирует о них диспетчеру. При намечающейся тенденции на отклонение планового и фактического прогнозных режимов, возникновение потенциальных проблем, диспетчер предпринимает необходимые корректирующие действия до наступления события, то есть действует «проактивно».

Функциональная структура МПАУ при использовании сменным диспетчерским персоналом приведена на Рис. 7.

СОДУ Предприятия (режимные параметры, планы поставки и распределения газа, архив по расходам гага)

т

Подсистема прогнозирования потребления газа

Подсистема планирования технического обслуживания и ремонта (ТОРО)

Подсистема хранения планов управляющих воздействий, планового режима

гтс

СДКУ Предприятия (параметры реального времени)

Нестационарная модель ГТС в режиме «онлайн»: прогноз режима ГТС

N /

Диспетчер ПДС

Рас. 7 Функциональная структура МПА У, режим «онлайн»

Выводы и заключения

Применение новых методов управления ГТС с использованием МПАУ предоставляет возможности для качественно нового уровня управления газотранспортной системой. Модуль не имеет отечественных аналогов, автоматизирующих процесс анализа ситуации и поддержки принятия решений в режимах планирования и реального времени, и соответствует известным зарубежным аналогам (например, DeltaV PredictPro разработки компании Эмерсон, PSIgasguide компании PSI Software AG и другие).

Применение технологий обработки информации, заложенных в разработке, соответствует задачам, поставленным на государственном и корпоративном уровне, включая «Стратегию развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 - 2030 годы», Программу «Цифровая экономика Российской Федерации», Стратегию цифровой трансформации Группы Газпром на 2022 - 2026 гг.

Предполагается тиражирование разработки в дочерних газотранспортных обществах ПАО «Газпром». Формат применения - в составе СОДУ уровня администрации (производственно-диспетчерской службы) общества как часть Системы поддержки принятия диспетчерских решений. Предполагаемая модель бизнес-процесса - постоянное круглосуточное использование в автоматическом режиме для оперативного диспетчерского персонала, периодическое использование специалистами группы планирования режимов (в их рабочее время).

Принципы, заложенные в работу МПАУ, позволяют в дальнейшем адаптировать его для использования не только для газотранспортных систем, но и для широкого круга других технологических объектов (нефте- и продуктопроводы, технологические установки нефтеперерабатывающих предприятий и т. п.).

Литература

1. Информационный ресурс https://www.gazprom.ru/about/production/transportation/

2. Охтилев М.Ю., Мустафин Н.Г., Миллер В.Е., Соколов Б.В. Концепция проактивно-го управления сложными объектами: теоретические и технологические основы II Изв. ВУЗов, Приборостроение, 2014, том 54, №11, с. 7-14, ЬЦр8://суЬег1ешпка.т/агЦс1е/п/коЩ8ер181уа-ргоакЦупо§о-иргау1ешуа-81о2кпуть оЬек1ат1 ^еогейсИезЫе-! -1еЬпо1о§1сЬе8к1е-08поуу.

3. Л.И.Бернер, А.С.Хадеев, Ю.М.Зельдин, С.Г.Марченко Применений технологи й искусственного интеллекта в системах диспетчерского управления газотранспортной системой II Автоматизация в промышленности, №12/2020, с.46-49

4. В.В.Никаноров, С.Г.Марченко, Л.И.Бернер, Ю.М.Зельдин Подсистема прогнозирования газопотребления крупного промышленного кластера АСУТП магистрального транспорта газа II Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2017. №3

5. Информационный ресурс https://www.atgs.ru/spurt-r.

Сведения об авторах Бернер Леонид Исаакович

доктор техн. наук, профессор

генеральный директор

АО «АтлантикТрансгазСистема»

Москва, Россия

Эл. почта: berner@atgs.ru

Зельдин Юрий Маркович

канд. техн. наук

заведующий отд. ИУС

АО «АтлантикТрансгазСистема»

Москва, Россия

Эл. почта: zeldin@atgs.ru

КовалёвАндрей Александрович

канд. техн. наук

заместитель генерального директора по развитию АО «АтлантикТрансгазСистема» Москва, Россия Эл. почта: kovalev@atgs.ru

Information about authors

Berner Leonid

Doctor of Science (Tech.), Professor General Director «AtlanticTransgasSystem» JSC Moscow, Russian Federation E-mail: berner@atgs.ru. Zeldin Yury PhD Tech.

Head of ICS Department «AtlanticTransgasSystem» JSC Moscow, Russian Federation E-mail: zeldin@atgs.ru KovalevAndrey PhD Tech.

Deputy General Director for Development «AtlanticTransgasSystem» JSC Moscow, Russian Federation E-mail: kovalev@atgs.ru