Цифровизация энергетики России Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1Ä5

ЦИФРОВИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ DIGITALIZATION OF ENERGY OF RUSSIA

И.К. ХУЗМИЕВ

Действительный член Сената ВЭО России, председатель Северо-Осетинского отделения ВЭО России, советник генерального директора филиала «Россети», профессор кафедры информационных технологий в экономике ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказкий горно-металургический институт», д.т.н., д.э.н.,

I.K. HUZMIYEV

Full member of the Russian VEO Senate, Chairman of the North-Ossetian Branch of the VEO of Russia, Adviser to the General Director of the Rosset branch, Professor of the Department of Information Technologies in Economics of the North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute, Doctor of Technical Sciences, Doctor of Economic Sciences, Professor

Цифровизация всей окружающей человека среды существования -это реальность, с которой необходимо смириться, в противном случае развитие и существование человечества просто невозможно. Одной из базовых отраслей народного хозяйства, как говорили в советские времена, является энергетика. В силу наличия централизованной системы электроснабжения, распределенности сетевого хозяйства, особенности

АННОТАЦИЯ

вида товара, разных технологий, которые используют производители энергии, и необходимости синхронизации частоты и нагрузок, а также надежности функционирования, она имеет очень сложное управление и постоянно требует его совершенствования. К сожалению, аналоговое управление не позволяло обеспечить требования, выдвигаемые потребителями электрической энергии практически ко всем техническим и экономическим параметрам. Потребители и производители электроэнергии, а также инфраструктура энергетического рынка в отсутствие отечественных операционных систем, не говоря об отсутствии «движков» в системе работы интернета, софтов сопряжения и организации среды работы и обслуживания прикладных программ, используют зарубежное оборудование и программное обеспечение. Это чревато в условиях санкций и борьбы за рынки между странами потерей управления всей системой электроснабжения страны. Мы остановимся в статье на особенностях цифровизации небольшой части централи-

ABSTRACT

DigitaLization of the entire human existence Wednesday is a reality which must be smeritsja, otherwise the development and survival of humankind is simply impossible. One of the basic industries of the national economy, as said before in the Soviet times, is energy. Because of the centralized supply system, raspredeljonnosti of network economy, especially the type of product, different technologies that use energy producers and the need for synchronization frequency and loads, as well as reliability operation, it is very difficult to manage and requires constant improvement. Unfortunately, the analog control is not allowed to provide the requirements put forward by the consumers of electric energy to virtually all technical and economic parameters. Consumers and producers of electricity, as well as the infrastructure of the energy market, in the absence of domestic operating systems, not to mention the lack of «engines».

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Активно-адаптивная энергосистема, зеленая экономика, промышленная революция,умная энергетика,умная сеть, цифровая экономика, цифровая энергетика, центральная информационная система

KEYWORDS

Active-adaptive power system, green economy, industrïal révolution, smart energy, smart networking, digital economy, digital energy, the central information system of pwi, energy hub.

Сегодня в цивилизованных странах все больше различных функций по контролю, управлению, принятию решений, обмену информацией осуществляется с помощью цифровых информационных технологий, в том числе и с использованием интернета. Мир вступает в цифровой век. Подробно этот процесс описал в своей книге «Четвертая промышленная революция» (The Fourth Industrial révolution), ее автор Клаус Шваб (Klaus Schwab) [1], который отметил, что «мы стоим у истоков революции, которая фундаментально изменит то, как мы живем, работаем и общаемся друг с другом. По масштабу, объему и сложности четвертая промышленная революция не имеет аналогов во всем предыдущем опыте человечества. Нам предстоит увидеть ошеломляющие технологические прорывы в самом широком спектре областей, включая искусственный интеллект, роботизацию, автомобили-роботы, трехмерную печать, на-нотехнологии, биотехнологии и многое другое». Под этими процессами понимают цифровую трансформацию жизнеобеспечения — цифровую экономику, она же Экономика 4.0 (6-й технологический уклад). Владимир Путин, выступая с посланием Федеральному собранию 1 декабря 2016 г., от-

метил, что «цифровая экономика это не отдельная отрасль, по сути, это уклад жизни, новая основа для развития системы государственного управления, экономики, бизнеса, социальной сферы, всего общества». Особо отметим, что цифровая экономика вошла в перечень основных направлений стратегического развития России до 2025 года [2].

Термин «цифровая экономика» впервые начал широко использовать Дон Тапскотт, автор книги «Электронно-цифровое общество» (в оригинале — Digital Economy), изданной в 1994 году [3]. Во Всемирном банке считают, что нужно очень широко понимать это явление, которое не просто касается отрасли ИКТ, а глубоко трансформирует всю экономику. Эксперты банка предлагают такое определение: «Цифровая экономика — это новая парадигма ускоренного экономического развития». В этой связи можно полагать, что будущее жизнеустройство будет опираться на экономику, основанную на сетевых децентрализованных локальных мало затратных ресурсах и энергосберегающих технологиях с интеллектуальными активно-адаптивными системами контроля и управления (умные системы). Ее можно рассматривать как сетевую структуру, состоящую из узлов различной природы, связанных между собой многочисленными формальными и неформальными связями для обмена материальными и нематериальными ресурсами. Отдельные узлы общей системы могут представлять из себя различные подсистемы жизнеобеспечения в виде отдельных специализированных сетей. Например, подсистемы инфраструктуры, сотовые операторы связи, активно-адаптивные электрические сети и т.п.

Такая экономика представляет из себя сложную интеллектуальную активно-адаптивную социально-эконо-

710 ТО М

мическую структуру, целью которой является повышение качества жизни граждан в соответствии с общепринятыми для данного региона критериями. Функционирование активно-адаптивных интеллектуальных систем («умных»), зависит от быстрого доступа к базам данных и их анализа, для адекватного, в соответствии с поставленной целью, принятия решений. Этот процесс может быть успешно реализован только с помощью цифровых технологий как базы ЦИФРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (ЭКОНОМИКА 4,0). (Отметим, что аналоговые системы в принципе тоже могут быть использованы, несмотря на их на порядок более медленную работу, размеры и стоимость.) То есть цифровые информационные системы — это современный инструмент, на основе которого появилась возможность изменить весь ход современной технологической революции. Главное — это при принятии решения иметь возможность быстро осуществлять рутинные операции управления и мгновенно реагировать на форс-мажорные изменения параметров и переменных. Эти функции могут формироваться как в автоматическом автономном режиме, так и при участии физических лиц, причастных к принятию решения. Сам инструмент принятия решения также оказывает влияние как на формулирование задач, так и на архитектуру системы, для которой эти задачи решаются. То есть возникает симбиоз новейших технологий и устройств управления ими, основанный на сетевой архитектуре, интернет вещах и цифровых информационных системах.

Ясно, что для жизнеобеспечения граждан во всех системах экономики непрерывно происходят процессы преобразования материальных ресурсов в необходимые товары и услуги с помощью соответствующих компетен-

1 *)Ч

ций и энергоносителей, которые обеспечивает энергосистема энергетика. Без энергетики цифровая экономика нежизнеспособна. Поэтому одной из главных систем жизнеобеспечения цифровой экономики является ЦИФРОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА, которая вместе с информационной системой является основой инфраструктуры четвертой промышленной революции (6-го технологического уклада). При этом основное направление развития энергетики определяется переходом мировой экономики на новый цифровой технологический уклад. Необходимо учитывать, что, по прогнозам, к 2040 году мировое потребление энергии возрастет на треть, за счет роста населения до 9 млрд человек, роста экономики в 1,5 раза, урбанизации и роста количества автомобилей в мире на 1,3 млрд штук. А если учесть, что уже сегодня 40% эмиссии тепличных газов формирует энергетика, то интеллектуальная «новая электроэнергетика» на основе активно-адаптивных «умных» решений с распределенной генерацией и широким использованием возобновляемых источников энергии становится одним из основных способов обеспечения устойчивого развития.

Необходимо отдавать себе отчет в том, что дальнейший рост экономики, основанный на безудержном потреблении энергии и ресурсов, не может быть устойчивым в связи с ресурсными ограничениями из-за конечных размеров планеты и ростом численности народонаселения. Поэтому и происходит смена нынешней экономики безудержного роста на малозатратную активно-адаптивную интеллектуальную «умную» «зеленую экономику», основанную на цифровых информационных технологиях, или, как ее еще называют цифровую экономику 4.0, которая является ос-

. 141

новой устойчивого развития. Это означает удовлетворение потребностей нынешних и будущих поколений нормированным количеством жизнеобеспечивающих ресурсов для всех категорий потребителей, достаточным для поддержания здорового образа жизни и работоспособности при снижении рисков деградации окружающей среды, как основы поддержания экологической, социально-экономической и политической стабильности в мировом сообществе на базе цифровой экономики 4,0 [4]. Ведь это вопрос выживания, что пока не осознано большинством в нашем потребительском обществе.

В настоящее время мировая электроэнергетика, как и вся экономика, переживает смену технологической парадигмы. Существующая вертикально интегрированная энергетика, как комплексная мульти инфраструктурная система экономики 20-го столетия, должна изменяться, отвечая вызовам нового технологического уклада нового тысячелетия. Этот процесс изменений должен одновременно включить преобразования:

1) архитектуры сети на цифровой технологической базе;

2) источников и потребителей;

3) потребительских сервисов, главным из которых является розничный рынок-биржа, совмещенный с бил-линговым расчетным центром или уполномоченным банком.

Отметим, что существующая электроэнергетика — это вертикально интегрированная система, соответствующая основным концепциям развития экономики в XX веке. Однако она перестала соответствовать вызовам технологий нового столетия и нуждается в коренной модернизации путем переформатирования, как новая интеллектуальная

147

активно-адаптивная энергосистема, которую иногда называют «умная сеть» (Smart Grid) [5].

Активно-адаптивная энергосистема интеллектуальная энергетическая система (ИЭС) — «Умная сеть» (Smart Grid) — это сложная энергообеспечивающая экономику отрасль, построенная на базе сетевых технологий с вертикальными и горизонтальными связями между элементами системы с локальной генерацией ивозоб-новляемымиисточникамиэнергии(«Умнаяэнергетика»).

Отличие классической энергетики от «умной» можно сравнить с разницей между проводной телефонией и сотовой. Новая электроэнергетика позволяет оптимизировать производство и потребление энергоресурсов, повысить надежность и качество энергоснабжения, расширить использование экологически чистых возобновляемых источников энергии. Каждый узловой элемент «умной сети» может обладать свойствами генерации, потребления, хранения и передачи электрической энергии. Одним из свойств ИЭС является применение самовосстанавливающихся технологий, которые проводят диагностику и позволяют изолировать поврежденные участки и узлы системы и, если при этом имеется техническая возможность, автоматически восстанавливают работоспособность аварийного элемента ИЭС, изменяя маршрут передачи электроэнергии, информируя при этом ремонтный персонал.

Если рассмотреть систему «умной сетей», то ее можно представить как совокупность автономных ячеек, объеденных общей электрической сетью. Ячейки системы — это активно-адаптивные микросети на базе группы потребителей — источников энергии, связанные между собой электрическими сетями переменного и постоянного тока. Сетевую

710 ТО М

архитектуру сети можно рассматривать как структуру с многочисленными связями узлов между собой, состоящую из технических средств, технологических установок, устройств и сооружений с известными параметрами (hard) и заданными граничными условиями. Функционирование энергосистемы при этом должно осуществляться с минимальным расходом ресурсов, с получением заданных показателей в пределах некоторых пороговых величин посредством системы мониторинга и управления с помощью современных компетенций на базе информационных технологий и программных продуктов (soft). Ясно, что мониторинг и принятие решения в ИЭС должно осуществляться «умным» активно-адаптивным центром управления. В основе такого управления лежит концепция минимизации транзакцион-ных издержек. Для решения всех проблем реализации целевых функций необходимо разработать ее математическую модель, разработать и исследовать алгоритмы решений и составить программные продукты.

Отметим, что в комплексе всю ИЭС можно рассматривать как энергетический хаб. Энергетический хаб — инфраструктура ИЭС с распределительной энергетикой. Хаб в случае наличия электрической связи с внешней энергосистемой должен быть субъектом оптового рынка энергии, осуществляя функции розничного рынка, то есть происходит совмещение опта с розницей на биржевой площадке, минуя всех посредников. Алгоритм работы микробиржи хаба закладывается в АСУ ИЭС, которая связана с АСУ НП CP и сетевых организаций региона, а также поставщиками топлива. Исходной информацией для формирования внутренних цен единой ценовой зоны являются объемы и цены по долгосрочным контрактам, заключен-

14^

144

ным с поставщиками топлива и поставщиками электрической энергии оптового и розничного рынка энергии с учетом стоимости инфраструктурных услуг. Цены на энергию могут быть договорными или биржевыми, формируемыми в результате биржевого ценообразования в реальном масштабе времени. Динамическое ценообразование позволяет доводить до потребителей стоимость покупки электрической энергии, которая может быть ими реализована при снижении от договорного количества в случае договорного энергоснабжения, а также от собственных источников энергии и аккумуляторов. Система тарифных меню дает возможность сформировать оптимальный график производства электрической энергии, а также покупать или продать избыток (недостаток) электрической энергии по наиболее приемлемой цене. Наиболее эффективным способом решения сформулированных задач являются методы линейного программирования, сущность которого состоит в нахождении точек наименьшего значения целевой функции Р = Г(х)^тте — стоимости потребляемого ресурса при определенном наборе ограничений, налагаемых на аргументы и граничные условия [6].

Технологическая платформа для организации биржи — центральная информационная система ИЭС (далее ЦИС). Потребителями услуг ЦИС являются все элементы ИЭС и диспетчерские организации. Функции ЦИС — это организация функционирования рынка электроэнергии, начиная с генерации и заканчивая потребителями, а также мониторинг и контроль параметров и переменных всех систем и элементов ИЭС, регулирование и управление всеми процессами в ИЭС с учетом их соответствия техническим

710 ТО М

требованиям в заданном паспортном диапазоне изменений в процессе эксплуатации в реальном масштабе времени, анализ результатов мониторинга и диагностика для определения работоспособности и остаточного ресурса; принятие решения по ремонту или замене дефектных элементов сети в автоматическом режиме или лицами, принимающими решение. Необходимо отметить, что на ЦИС также возлагаются функции биллинга и учет договоров между продавцами и покупателями электрической энергии на розничном рынке. На ЦИС можно возложить также работу на рынке тепловой энергии, природного газа, воды и коммунальных услуг, используя ее как единую информационную систему мониторинга, контроля, управления и принятия решения всего ЖКХ региона.

Для этого в ЦИС имеется несколько контуров информационного обеспечения функционирования ИЭС:

1. Технологический контур, осуществляющий мониторинг, контроль и самодиагностику всех параметров и переменных систем и элементов ИЭС, а также регулирование и управление всеми процессами. Информационная система этого контура должна быть защищена от несанкционированного доступа и хакерских атак.

2. Рыночный контур — микробиржа, к которой может иметь свободный доступ любой субъект торговой системы ИЭС.

3. Потребительский контур осуществляет информационное обслуживание отдельных потребителей и поставщиков энергии (узлы системы), в том числе имеющих свойство активно-адаптивных интеллектуальных (умных) узлов ИЭС. Доступ к отдельным узлам контура возможен только для их владельцев или уполномоченных лиц.

14^

В заключение отметим, что «умная» цифровая энергетика должна быть основана на:

• массовом использовании возобновляемых источников энергии;

• наличии у большинства потребителей индивидуальных децентрализованных источников электроэнергии;

• применении сетевых активно-адаптивных цифровых информационных технологий для управления процессами потребления, распределения, генерации, аккумуляции, ценообразования, мониторинга и принятия решения в интеллектуальной энергосистеме;

• наличии в сети и у самих потребителей установок для аккумулирующих устройств различной природы;

• массовом использовании электротранспорта с развитой инфраструктурой обеспечения мобильного электрифицированного подвижного состава необходимыми энергоносителями от сети с возможностью их рекуперации при необходимости;

• образовании.

Для успешной реализации ИЭС СКФО ПАО МРСК СК в качестве пилотного проекта принят ИЭС Тагаурия с. Кобан в Республике Северная Осетия — Алания. Создание ИЭС Северного Кавказа позволит повысить надежность электроснабжения потребителей и сократить число аварийных отключений не менее чем в 2 раза, повысить уровень платежей до 98%, резко снизить потери в электрических сетях региона до величины 810%, создаст дополнительно несколько десятков тысяч рабочих мест в регионе, требующих высококвалифицированных работников, для чего станет необходимым организация соответствующей про-

710 ТО М

фессиональной подготовки местных кадров в учебных заведения СКФО. Помимо этого появится возможность организовать производство высокотехнологичного оборудования и материалов для интеллектуальной энергетики, начиная от нетрадиционных источников энергии до электроавтомобилей, что существенно повысит качество жизни на равнине и в горной зоне и будет способствовать возврату населения в регион. Проект состоит из следующих блоков:

1. Технологический — обеспечивает замену устаревшего аналогового оборудования на цифровые системы там, где это возможно по технологическим причинам, так, электрические машины, трансформаторы, электрические сети, коммутирующие установки — это аналоговое оборудование, все контрольно-измерительные, управляющие и информационные системы должны быть цифровыми.

2. Информационный — это мониторинг, контроль, информационный обмен, биржевая площадка, хранение информации и базы данных, биржевая площадка, визуализация всех процессов, стенды для тренировок, планирование, принятие решения.

3. Образовательный — это воспитание, подготовка и переподготовка преданных своей профессии кадров для новой энергетики России.

Образовательный процесс, основанный на научных исследованиях в сфере ИЭС, должен начинаться со средней школы, и далее — специалисты со средним и высшим образованием, кандидаты и доктора наук. При успешной работе на основе этого центра можно будет создать Корпоративный университет инновационной энергетики ПАО «Россети» на

147

14Я

Северном Кавказе (типа Singularity University of Energy, то есть «вперед смотрящие в энергетике») с участием вузов, региональных отделений РАН и других заинтересованных организаций. Важной стороной деятельности университета является подготовка кадров. Помимо всего прочего это будет способствовать сокращению оттока креативной молодежи из региона.

4. Бизнес — это коммерциализация технологий и технических средств ИЭС за счет их реализации на внутреннем и внешних рынках для получения прибыли.

Отметим, что реализация технологии интеллектуальных электрических сетей ИЭС («Умные сети» — Smart Grid) позволит существенно повысить надежность и качество энергоснабжения, эффективность использования первичных энергоносителей, снизить издержки производственных процессов и воздействие на окружающую среду за счет использования ВИЭ и систем аккумуляции. Практически этот процесс по своей значимости и объему работ можно назвать план ГОЭЛРО - 2.

Усложняющаяся система жизнеустройства порождает на всех уровнях, от глобального до регионального, громоздкую систему администрирования. Попытка решить все проблемы логистики всех ресурсов, от материальных до духовных, администрированием приводит к бюрократизации человеческого общества, нарастанию хаоса и, как говорил Генри Форд, «перетаскиванию мертвых грузов». Интенсивное нарастание потребления всех без исключения ресурсов обществом потребления исчерпало себя из-за конечного размера планеты Земля. В этой связи использование цифровых информационных технологий мониторинга и управления всех процессов жизнеобеспечения населения на базе интеллек-

. 149

туальнои активно-адаптивнои цифровом энергетики как новой инфраструктуры «зеленой» цифровой экономики 4.0 нового столетия с целью экономии всех ресурсов не имеет альтернативы.

Касаясь вопроса потери управления перечисленными системами, необходимо отметить, что это все должно быть реализовано только на отечественных платформах с использованием отечественных софтов.

Библиографический список

1. Шваб К. Четвертая промышленная революция. — М.: Издательство «Э», 2017.

2. Послание Президента РФ Федеральному Собранию от 01.12.2016 «Послание Президента Российской Федерации Федеральному Собранию».

3. Тапскотт Дон. Электронно-цифровое общество (Digital Economy).

4. Хузмиев И. Устойчивое развитие // Научные труды ВЭО России. 2013. Т. 177. С.15.

5. Хузмиев И. Умные сети и биржевая торговля электрической энергией // Энергия: экономика, техника, экология. — М.: РАН. 2014. № 9. С. 28.

6. Вентцель Е.С. Исследование операций: Задачи, принципы, методология. Учебное пособие. — М.: Дрофа, 2004.

References

1. Shvab К. Chetvertaja promyshlennaja revoljucija. — M.: Izdatel'stvo «Je», 2017. S.16.

2. Poslanie Prezidenta RF Federal'nomu Sobraniju ot 01.12.2016 «Poslanie Prezidenta Rossijskoj Federacii Federal'nomu Sobraniju».

3. Tapskott Don. Jelektronno-cifrovoe obshhestvo (Digital Economy).

1 so

4. Huzmiev I.,Ustojchivogo razvitie, Nauchnye trudy VJeO RF, t.l77, M-V, 2013, S.15.

5. Huzmiev I, Umnye seti i birzhevaja torgovlja jelektricheskoj jenergiej. «Jenergija: jekonomika, tehnika, jekologija», RAN, M, № 9, 2014, s.28.

6. Ventcel' E.S. Issledovanie operacij: Zadachi, principy, metodologija. Uchebnoe posobie. — M.: Drofa, 2004.