CC BY
152
(BMAS 2005). -San Jose, CA. -2005. -P. 134-139.
7. Rajarshi, Ray. Automated Translation of MATLAB Simulink/Stateflow Models to an intermediate format in HyVisual [Text] / Ray Rajarshi. -Chennai Mathematical Institute, 2007.
8. Schiffelers, R.R.H. Foundations of a compositional interchange format for hybrid systems. SE Report: Nr. 2006-05 [Электронный ресурс] / R.R.H. Schiffelers, J.E. Rooda // Режим доступа: http://se.wtb.tue.nl
9. Sfyrla, V. Compositional Translation of Simulink
Models into Synchronous BIP [Электронный ресурс] / V. Sfyrla, G. Tsiligiannis, Ir. Safaka [et al.]. -Verimag Research Report n TR-2010-16, 2010/
10. Solodovnik, E. Automatic Model Generation in VTB: Phasedomain Modeling of an Induction Machine [Text] / E. Solodovnik, W. Gao, R. Dougal // 34th Annual North American Power Symp. - Tempe, Arizona. -2002.
11. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// www.mathworks.com
УДК 004.9; 620.9
А.Н. Беляев, Р.И. Ивановский, Ю.Г. Карпов, К.А. Сотников SMART GRID. РАзРАБоТКА ПРИЛожЕНИй
Инициатива создания и внедрения Smart Grid получает все более широкое распространение во всем мире: давно назрела необходимость кардинального решения проблем, связанных с крупномасштабными авариями электросетей, огромными потерями в линиях электропередач, архаичными технологиями диспетчирования и управления энергосетями, трудностями включения в энергосистему новых потребителей и альтернативных источников энергии. Среди основных целей внедрения технологий Smart Grid - существенное повышение эффективности и надежности электроэнергетических систем. В России такие системы называются «интеллектуальными энергосистемами», «умными сетями», «активно-адаптивными энергосистемами» и т. п. Предпосылками развития электрических сетей подобного рода являются развитие распределенной генерации, появление «гибких» элементов, новые возможности аккумулирования энергии, появление новых технологий измерений, развитие информационных технологий.
Пилотные проекты по развитию интеллектуальных сетей уже появились в США, в Китае, в нескольких странах Европы. В России в феврале 2010 г. премьер-министр В.В. Путин поставил перед председателем правления ОАО «ФСК ЕЭС» О. Бударгиным задачу создания новой технологической платформы Единой энергосистемы России на базе интеллектуальных сетей. ФСК была разработана пятилетняя программа внедрения
«умных» сетей [1, 2] на период 2010-2014 гг., на реализацию первого этапа которой предусмотрены инвестиции в размере 519 млрд руб. В настоящее время разработаны реальные концепции реализаций пилотных проектов «интеллектуальной» сети на территории ОЭС Востока (Амурская область, Якутия, Приморский и Хабаровский край) [1]. Внедрение пилотных проектов Smart Grid ведется и в рамках проектов ОАО «Холдинг МРСК».
Разработка технологий Smart Grid в России -одна из немногих технологических революций, где Россия имеет шанс идти в ногу с наиболее передовыми развитыми странами.
Что такое Smart Grid?
В настоящее время в печати и электронных ресурсах встречается множество определений понятия Smart Grid. Так, международный Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) дает следующее определение: «полностью интегрированная, саморегулирующаяся и самовосстанавливающаяся электроэнергетическая система, имеющая сетевую топологию и включающая в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью автоматизированных устройств в режиме реального времени» [3]. В материалах Европейского Союза (EU) Smart Grid - это «... электрические сети, удовлетворяющие требованиям
энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счет скоординированного управления и при помощи современных двусторонних коммуникаций между элементами электрических сетей, электрическими станциями, аккумулирующими источниками и потребителями» [4]. Министерство энергетики США дает свою трактовку понятия Smart Grid: «... полностью автоматизированная система, обеспечивающая двусторонний поток электрической энергии и информации между энергообъектами. Smart Grid за счет применения новейших технологий, инструментов и методов наполняет электроэнергетику знаниями, позволяющими резко повысить эффективность» [5]. В формулировках Национальной лаборатории по энергетическим технологиям США (NETL): «Smart Grid - совокупность организационных изменений, новой модели процессов, решений в области информационных технологий, а также инноваций в сфере АСУ ТП и диспетчерского управления в электроэнергетике».
Определения Smart Grid в отечественных публикациях еще более разнообразны. Одно из наиболее общих определений этого понятия приведено в [7]: «... развитие концепции [Smart Grid] в России может рассматриваться ... как комплекс взаимосвязанных задач: научно-технологических, бизнес-задач (определяющих стратегии развития компаний и регионов), экономических (обеспечивающих повышение экономической эффективности как энергетического комплекса, так и других отраслей), социальных (связанных с созданием новых рабочих мест) и др.».
Возникает вопрос о том, какое из многочисленных определений является наиболее полным и правильным, поскольку из приведенных примеров следует, что сегодня отсутствует единое понимание концепции Smart Grid. Такое понимание, несомненно, необходимо для того, чтобы уже на первых этапах развитиия этой важной области не сделать системных ошибок, которые могут впоследствии замедлить ее развитие и/или привести к дополнительным затратам средств, временных и трудовых ресурсов.
Анализируя современные многочисленные концепции Smart Grid можно сделать вывод о том, что все определения являются лишь частично правильными, каждое из них отражает одну более или менее узкую область, в рамках которой авторы соответствующих концепций проводят исследования или разработки, либо имеют свои
инвестиции. Здесь можно вспомнить восточную притчу о том, как несколько слепцов пытались описать слона. Один, трогая хвост, говорил, что слон - это веревка, другой, нащупав ногу, говорил, что слон - это колонна, третий, ощупав бивни, говорил, что слон - это копье. Конечно, все они правы со своей точки зрения, но все же слона надо определять несколько по-другому.
Очевидно, что концепция внедрения Smart Grid должна рассматриваться более широко, системно, не с точки зрения производителей отдельных «умных» элементов, разработчиков определенных типов аппаратуры или собственников конкретных технологий.
Реализация принципов Smart Grid - это бесконечный процесс внедрения в электроэнергетические системы современных инновационных технологий, в т. ч. информационных и телекоммуникационных, для достижения основных целей: повышения энергоэффективности, экономичности, надежности, устойчивости к авариям, и т. п. Этот процесс начался давно и будет продолжаться, аналогично тому, как внедрение инновационных технологий происходит в автомобилестроении, телевидении, коммуникации, спорте и во множестве других сфер нашей жизни.
Внедрение инновационных технологий в электроэнергетику отличается от подобных процессов в других сферах своей масштабностью, огромными затратами, огромным возможным выигрышем в эффективности, но и огромными материальными потерями при выборе неверной стратегии развития. Эти отличительные черты инновационных процессов определяются самим объектом: масштабностью и взаимозависимостью фактически всех параметров и характеристик единой электроэнергетической системы огромной страны. Невозможно, например, только локально, в одном доме, районе или городе внедрить противоава-рийное управление энергосистемой: такая инновация затронет все уровни энергосистемы: генерацию, транспорт, распределение и потребление. Далее, указанная выше концепция развития четко определяет, что не существует финальной конфигурации Smart Grid - в процессе внедрения технологии могут претерпевать изменение и развитие, ранее внедренные в ЭЭС средства могут устареть и вызвать необходимость модернизации.
Такая концепция развития Smart Grid накладывает определенные требования на внедрение инновационных технологий или устройств
в энергосистему, она ограничивает выбор решений, принимаемых при построении или модернизации сети. Такие технологии и устройства должны быть согласованными и не противоречащими друг другу. Согласованность должна достигаться путем повсеместного использования четких стандартов на аппаратные и программные средства как существующих, так и новых, разрабатываемых в процессе внедрения новых технологий.
Процесс реализации Smart Grid может быть рассмотрен как внедрение в электроэнергетические системы (ЭЭС) инновационных решений на всех уровнях, при этом необходимо использовать системный подход. Использование системного подхода позволит как произвести адекватную постановку задачи, так и выработать эффективную стратегию на всех уровнях разработки и внедрения современных технологий, учитывая сложность и многообразие связей и механизмов ЭЭС.
Учитывая постоянную, итеративную изменяемость Smart Grid, неотъемлемой характеристикой результатов внедрения новых технологий и элементов должно являться обеспечение целостности, надежности функционирования ЭЭС в целом, преемственности, что может быть достигнуто путем четкого задания следующих требований ко всем внедряемым решениям:
• комплексность - каждый отдельный проект в рамках Smart Grid должен являться внедрением технологического решения под ключ с полным решением задач, возникаюших при внедрении новой технологии;
• развиваемость - каждый проект должен учитывать возможные перспективы развития соответствующих технологий;
• масштабируемость - каждый проект должен обеспечивать возможность тиражирования, расширения, использования в широком спектре подобных и смежных систем, использования заново в других решениях;
• согласованность - каждый проект должен быть максимально согласован с существующими решениями, четко следовать спецификациям и стандартам в соответствующей сфере;
• системность - каждый проект должен учитывать и анализировать влияние его внедрения на всех уровнях функционирования ЭЭС: уровнях генерирования, передачи, распределения и потребления электроэнергии.
Таким образом, предлагаемый подход не ограничивает, а сочетает в себе большинство суще-
ствующих в настоящее время определений Smart Grid, предлагая рассматривать процесс реализации интеллектуальных сетей как совокупность внедрения взаимосвязанных, взаимозависимых, взаимодополняющих законченных проектов, удовлетворяющих перечисленным выше принципам комплексности, развиваемости, масштабируемости, согласованности и системности. Подобное решение позволит каждому разработчику, каждой научной или внедренческой группе найти свое место, рамки и ограничения на широком, необъятном поле Smart Grid.
В качестве примера, иллюстрирующего проблему и предлагаемую концепцию, рассмотрим процесс внедрения в ЭЭС новой технологии: «умных» счетчиков. Безусловно, сам факт их разработки является важным научным и техническим результатом, но для внедрения таких счетчиков в Smart Grid и обеспечения интеллектуальной составляющей необходимо выполнить комплексный проект, включающий следующие работы: установка «умных» счетчиков; интеграция счетчиков с сетью и другими интеллектуальными устройствами;
разработка и утверждение нормативных актов;
разработка и внедрение возможностей применения стратегий гибкой тарификации;
внедрение средств дистанционного сбора информации (PLC и пр.);
разработка и внедрение алгоритмов мониторинга, учета и контроля;
внедрение системы автоматических расчетов (биллинга);
разработка стандартов представления и хранения информации;
внедрение систем обработки и хранения учетной информации и т. д.
Технология реализации проектов Smart Grid
Представленная концепция Smart Grid должна поддерживаться структурированной технологией, обеспечивающей выполнение требований к реализации отдельных законченных приложений.
Процесс внедрения в существующие ЭЭС новых технологий и устройств, источников и накопителей энергии, технологий сбора, хранения и учета информации, информационных технологий в рамках концепции Smart Grid влечет появление
Рис. 1. Уровни применения '
дополнительной градации использования приложений, появление «нового измерения» (рис. 1).
Весь спектр выполняемых работ при внедрении технологий естественно разбить на три уровня: физический, информации и коммуникаций, управления. Такая структуризация удобна наряду с традиционной градацией (генерирование, передача, распределение, потребление). К физическому уровню могут быть отнесены устройства генерации, передачи, распределения и потребления электрической энергии (например, сверхпроводниковые индукционные накопители энергии, устройства гибкого регулирования потоков мощности, воздушные линии повышенной пропускной способности и пр.). На уровне информации и коммуникаций располагаются средства и методы сбора, передачи, обработки и анализа данных (например, протоколы, интерфейсы, стандарты, технологии передачи данных и пр.). Уровень управления характеризуется законченными приложениями для решения актуальных проблем (например, средства визуализации, умного учета, биллинга, динамического балансирования нагрузки и пр.).
В приведенном выше примере внедрения новой технологии «умных» счетчиков ясно прослеживается разделение перечисленного комплекса работ по таким уровням. Например, к физическому уровню из перечисленного перечня относятся работы:
установка «умных» счетчиков; интеграция счетчиков с сетью и другими интеллектуальными устройствами;
внедрение средств дистанционного сбора информации (PLC и пр.).
Для представления, структуризации по уровням и увязывания во времени выполнения
А
юлогий в области Smart Grid
комплекса работ в процессе внедрения новой технологии предлагается использовать аппарат технологических матриц, основывающихся на методах технологических карт и сетевых графиков, которые в разных модификациях используются в планировании сложных проектов в производстве, строительстве и других областях.
Технологическая матрица - это набор частично упорядоченных во времени работ, распределенных по уровням применения технологий, согласованных по срокам и связям, полностью опирающихся на стандарты, с целью обеспечения требований комплексности, развиваемости, масштабируемости, согласованности, системности.
Предлагаемый аппарат предполагает распределение выполняемых работ по представленным выше уровням: физическому, информации и коммуникаций, управления. В рамках каждой отдельной работы должно быть учтено и проанализировано ее влияние по координате всех «традиционных» уровней ЭЭС: генерирование, передача, распределение и потребление. Технологическая матрица позволяет проанализировать такие характеристики, как требуемые ресурсы, затраты, временной график, связи и пересечения с другими работами и проектами. Упрощенный пример технологической матрицы представлен на рис. 2.
Аппарат технологических матриц - инструмент планирования и согласования работ и ресурсов, дающий возможность произвести оценку, контроль и прогнозирование. Принципиальными отличиями данного аппарата от известных методов технологических карт и сетевых графиков является четкое разделение по уровням применения технологий в двух измерениях, а также от-
Рис. 2. Упрощенный пример технологической матрицы (внедрение системы интеллектуального учета)
сутствие требования четкого последовательного выполнения отдельных работ (возможность частичного пересечения последовательно выполняемых работ по временной шкале). Кроме того, в предлагаемом аппарате отсутствует четкое разделение процессов и состояний целевого объекта, элементами матрицы являются отдельные работы, обладающие свойством законченности.
Неотъемлемый атрибут процесса внедрения Smart Grid - синергия (взаимное умножение эф-фективностей) разрабатываемых и внедряемых проектов. Аппарат технологических матриц помогает осуществить наиболее эффективное планирование и систематизацию выполняемых работ, максимально обеспечивая возможность повторного использования результатов, объединения ресурсов, координации и интеграции проектов.
Проект внедрения интеллектуального управления в ЭЭС
Один из проектов по разработке технологий Smart Grid в СПбГПУ - работа по внедрению интеллектуального управления в ЭЭС, которая проводится кафедрами распределенных вычислений и компьютерных сетей и электрических систем и сетей.
Цель работы - применение современных средств, теории и технологий моделирования, визуализации, компьютерной математики и численных методов к решению интегральных задач
интеллектуального управления ЭЭС в рамках концепции Smart Grid. Данные технологии заключаются в использовании существующих и в разработке новых методов, алгоритмов и средств регулирования и противоаварийного управления в ЭЭС, основываясь на работах, проведенных коллективом разработчиков в течение последних 10 лет [7-11]. Упрощенная технологическая карта данного проекта приведена на рис. 3.
В рамках представленного проекта выполнены работы по решению широкого спектра проблем, связанных с управлением устойчивостью ЭЭС в нормальных и аварийных режимах, а также по осуществлению восстановления и самовосстановления после системных аварий, в их числе:
создание математических моделей сложных гибридных систем;
разработка адекватных методов прогнозного моделирования;
разработка алгоритмов управления устойчивостью;
оптимизация уровней напряжения и потоков реактивной мощности;
оценивание опасности «лавины напряжения»;
выявление локальных аварийных ситуаций и самовосстановление;
выявление колебаний и демпфирование; оптимизация потоков активной мощности; адаптация устройств релейной защиты;
Рис. 3. Упрощенная технологическая карта проекта внедрения интеллектуального управления в ЭЭС
разработка алгоритмов динамической реконфигурации ЭЭС;
разработка комплекса мероприятий по повышению устойчивости ЭЭС;
разработка алгоритмов управления распределенными источниками и накопителями энергии;
создание интеллектуальных тренажеров для оперативного персонала с применением имитационных моделей.
Среди основных задач, на решение которых направлена разрабатываемая технология:
повышение эффективности, надежности, устойчивости, управляемости ЭЭС; противоаварийное управление; саморегулирование (self-healing); автоматическое и автоматизированное восстановления после системных аварий;
минимизация потерь в аварийных ситуациях. Разрабатываемое приложение позволяет учесть специфику конкретных прикладных задач на единой платформе, в рамках единой базы данных с применением средств визуализации и привязки к местности объектов ЭЭС на основе электронных карт и географических информационных систем (ГИС).
В данной статье рассмотрена проблема развития интеллектуальных электроэнергетических сетей нового поколения (Smart Grid). В рамках
предложенной концепции представлена технология планирования разработки отдельных законченных приложений Smart Grid с использованием аппарата технологических матриц, проиллюстрирован пример их использования. Представлен также один из проектов, реализуемых в СПбГПУ, цель которого - внедрение интеллектуального противоаварийного управления в ЭЭС, приведена упрощенная технологическая матрица указанного проекта.
Необходимо отметить, что в СПбГПУ проводятся многие другие исследования, связанные с внедрением концепции Smart Grid в отечественных ЭЭС, среди них:
обеспечение достоверности, надежности и безопасности передачи информационных потоков в ЭЭС;
верификация программ управления энергоснабжением на основе Model Checking;
оценка и управление качеством предоставляемого сервиса в Smart Grid на основе SLA;
применение систем глобальных измерений (WAMS, PMU) в управлении силовыми устройствами;
разработка геоинформационных средств визуализации состояния ЭЭС в реальном времени;
разработка батарей большой мощности на базе литий-ионных полимерных аккумуляторов нового поколения;
выбор и установка регулируемых устройств компенсации реактивной мощности в сетях 110-500 кВ (управляемые шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы);
разработка технических требований к установкам распределённой генерации и критериев оптимального автоматического управления ими;
исследование целесообразности применения компактных воздушных линий повышенной пропускной способности, газонаполненных линий, кабелей из сшитого полиэтилена;
разработка технических требований к устройствам гибкого регулирования напряжения и потоков активной мощности (устройства FACTS, фазоповоротные трансформаторы).
список литературы
1. ФСК ЕЭС: новый вектор развития сетей [Текст] / Энергоинфо. - 2010. -№11 (46).
2. Бударгин, О.М. Умная сеть - платформа развития инновационной экономики [Электронный ресурс] / О.М. Бударгин // Корпоративный сайт ОАО «ФСК ЕЭС». Режим доступа: http://www.fsk-ees.ru/media/File/ press_centre/speeches/ Presentation_budargin.pdf (дата обращения: 10.09.2011)
3. Smart Power Grids - Talking about a Revolution [Электронный ресурс] / IEEE Emerging Technology Portal, 2009.
4. European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit European Communities: European Technology Platform Smart Grids, Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the future [Электронный ресурс] / European Communities. -2006.
5. «Grids 2030». A National Vision for Electricity's Second 100 years [Электронный ресурс] / Office of Electric Transmission and Distribution of USA Department of Energy, 2003.
6. Кобец, Б.Б. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid [Текст] / Б.Б. Кобец,
И.О. Волкова. - М.: ИАЦ Энергия, 2010. -208 с.
7. Беляев, А.Н. Программирование на примере электротехнических и электроэнергетических задач: Учеб. пособие [Текст] / А.Н. Беляев, С.В. Смоловик. -СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. -74 с.
8. Karpov, Y. Hierarchical Modelling of Electric Power System Expansion by AnyLogic Simulation Software [Text]/ Y. Karpov, R. Ivanovski, D. Popov [et al.] // IEEE Conf. on Electric Power Systems. -SPb., 2005.
9. Ивановский, Р.И. Имитационное моделирование энергосистем. Проблемы и возможности [Текст] / Р.И. Ивановский, В.К. Савков // Электросистемы. -2005. -№ 2-3. -С. 18-20.
10. Ивановский, Р.И. Синтез многомерных систем управления. Проблема устойчивости [Текст] / Р.И. Ивановский, А.В. Нестеров // Тр. Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2005). -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ -Т. 2. -2005. -C. 62-66.
11. Ивановский, Р.И. Противоаварийное управление в электрических сетях на основе имитационных моделей [Текст] / Р.И. Ивановский, А.В. Нестеров, К.А. Сотников // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -СПб.: Изд-во СПбГПУ -2008. -№2.
УДК 535.3, 577.3, 519.6
задача рассеяния света на моделирующих клетки
В биофизических исследованиях уделяется большое внимание развитию расчетных методов теории взаимодействия электромагнитных волн с взвесями диэлектрических частиц произвольной формы. Это связано с тем, что информация о поглощении и рассеянии излучения различными взвесями требуется во многих случаях, например, при оптическом зондировании суспензий химических и биологических частиц, разработке раз-
К.Г. Куликов ТЕЛАХ Произвольной ФоРМЫ,
крови для случая ш У1УО
личных экспресс-методов изучения биологических объектов и т. д. Следует отметить ряд работ [1-4], в которых исследована возможность теоретического построения оптических характеристик диэлектрических частиц разнообразной формы и структуры.
Классическая задача о рассеянии численно реализуется прямыми методами, позволяющими свести данную проблему к решению системы ал-
