«История началась задолго до того, как мы, молодые специалисты, начали над этим работать, – рассказывает заведующий научно-исследовательской лабораторией «Моделирование электроэнергетических систем» Национального исследовательского Томского политехнического университета Михаил Андреев. – Проект стартовал в конце восьмидесятых – начале девяностых годов в Тюменской энергосистеме. В ней, как, в принципе, и в других регионах, было довольно много проблем, связанных с тем, что на тот момент не было точных инструментов для анализа и расчёта режимов». Тюменская область, в которой на фоне возникшего дефицита электричества в 1979 году была создана отдельная энергосистема, довольно специфична. Если учитывать объединённые с ней Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий автономные округа, то сегодня по части электропотребления она занимает второе место в России, значительно опережая Иркутскую область и уступая только Москве с Московской областью вместе взятым. А по выработке является лидером. Производят энергию исключительно тепловые станции, в том числе пять ГРЭС и три ТЭЦ. Распределяют её среди потребителей, значительно удалённых друг от друга, 55 линий электропередачи класса напряжения 500 кВ, 173 линии класса напряжения 220 кВ и 500 линий класса напряжения 110 кВ, не считая распределительных сетей.

Энергосистема в границах Тюменской области несколько меньше, однако и её параметры впечатляют: «пятисотки» тянутся почти на 1946 км, а протяжённость ЛЭП 220 кВ превышает 1326 км. Подстанций этих классов напряжения не так много – три штуки и семь штук соответственно. В восьмидесятых к тому же на них приходилось всего три крупных энергоисточника: Тюменские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, а также Тобольская ТЭЦ. Для того, чтобы с высокой точностью рассчитать работу нестандартной энергосистемы, требовалась непростая модель. «Компьютерная техника в то время ещё не была такой прогрессивной и столь активно не внедрялась, – напоминает Андреев. – Наши учёные, в том числе профессор Александр Сергеевич Гусев, который является научным руководителем лаборатории, создавали первую версию этой модели семь или восемь лет. Она была сделана исключительно для решения задач Тюменской энергосистемы и сейчас не работает – всё давно обновили. Скорее, это музейный экспонат».

Гибкость без погрешности

Техническое развитие энергетики тем временем не стоит. На смену привычным энергосистемам, в которых в приоритете крупная генерация, а система передачи электричества пассивна и управляется за счёт изменения структуры сети, сегодня приходят более сложные структуры. В частности, электроэнергетические системы с активно-адаптивными сетями. Их структура уже включает в себя не только крупные электростанции, но и распределённую генерацию и объекты, использующие возобновляемые источники. Линии электропередачи, которые соединяют их с потребителями, при этом оснащены автоматизированными системами контроля технического состояния. Потребители, которые всё шире применяют интеллектуальные системы учёта, становятся «активными»: мощность и состав их энергоустановок оперативно меняются в зависимости от складывающей ситуации. В отдельных случаях – скажем, если дом оснащён ветряком или солнечными панелями, – они даже сами могут отпускать излишки электричества в сеть. Гибкую работу всей энергосистемы обеспечивают устройства преобразования электричества с широкими возможностями регулирования её параметров и множественные коммутационные аппараты с высокой отключающей способностью. За надёжность отвечают современные цифровые устройства защиты и автоматики. А управление обеспечивает многоуровневая система, внутри которой происходит обмен огромными объёмами информации.

И в России, и за рубежом для этого в основном используются решения канадских компаний RTDS Technologies Inc и Opal RT. Продукты той и другой предназначены для исследования взаимодействия между различными видами и типами энергетического оборудования, изучения работы систем переменного тока, в том числе в режимах генерации и передачи электричества, а также проверки релейной защиты и схем управления. Моделирование происходит в цифровом виде, так что фактически комплексы представляют собой единый набор мощных процессоров, которые производят множество вычислений. «Но цифра, по сути, не отображает ничего, – замечает Андреев. – Выключение – ноль, включение – единица. Никакие задержки и тому подобное не учитываются. Мы, используя цифроаналоговые ключи, говорим это не голословно – было проведено исследование, сравнение систем, и наши выводы подтвердились».

В основе системы, которую разработали томские учёные, лежит аналоговый комплекс – попросту говоря, миниатюрная модель энергосистемы. Она обеспечивает первый уровень моделирования. За коммутацию всех элементов системы отвечают гибридные процессоры, смонтированные на специальной плате, – это второй, физический уровень. На выходе они дают физические сигналы – реальные токи, протекающие в строгом соответствии с теми же правилами Кирхгофа. На следующем, третьем уровне моделирования они уже преобразуются в «цифру». «Основная доля приходится на «железо», – объясняет собеседник «Сибирского энергетика». – Сами компоненты – микропроцессоры, резисторы, конденсаторы – не секретные, их можно найти в свободной продаже. Здесь нет самостоятельных разработок, но то, как они в совокупности работают, – целиком и полностью наша заслуга. Мы объединяем модель на физическом уровне, а цифровой нужен только для интерактивной связи с пользователем, чтобы он мог в реальном времени влиять на процесс и видеть результаты своего вмешательства. Софт – это в основном серверное и системное программное обеспечение. Плюс своего рода интерфейс для пользователя».

Всё вместе составляет мультипроцессорный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями. Именно так официально именуется разработка, за создание и внедрение которой премию правительства РФ 2017 года в области науки и техники для молодых учёных помимо Андреева получили проректор ТПУ Юрий Боровиков, доцент кафедры электроэнергетических систем Энергетического института ТПУ Николай Рубан и ассистенты той же кафедры Алексей Суворов и Руслан Уфа. Коллектив её авторов намного шире. А о масштабности его работы говорит тот факт, что при создании комплекса только с 2011 по 2016 год было получено шесть российских патентов на изобретения и шесть свидетельств о регистрации компьютерных программ, изданы три монографии, 27 публикаций в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, и 24 статьи в журналах из списка ВАК.

Минус аварии, минус потери

Комплекс позволяет моделировать «поведение» любой системы – от отдельного энергоблока на электростанции до сети крупного региона. Высокая точность прогноза позволяет, среди прочего, уменьшить количество крупных аварий на 35–40%. «Любое ЧП начинается с мелочей, – говорит заведующий лабораторией «Моделирование электроэнергетических систем». – А последствия могут быть очень серьёзными – это и массовое отключение потребителей, и повреждённое оборудование, и финансовые потери. Так было во время «блэкаута» в Москве в 2005 году или аварии в Объединённой энергосистеме Сибири в августе 2016 года, которые мы анализировали». Разработка Томского политеха, в свою очередь, может просчитать последствия любого, даже самого незначительного отклонения от режима, что позволяет предотвратить массовые отключения.

Точно так же её использование даёт снижение потерь электроэнергии как минимум на 4-5%. Она помогает определить оптимальный режим работы генерирующего оборудования и его загрузку, перераспределить перетоки по сетям. Это доказал пилотный проект, реализованный на Дальнем Востоке: там планировали внедрять гибкие системы передачи, и томские учёные рассчитывали их возможные параметры. При всех своих преимуществах комплекс стоит в два-три раза дешевле зарубежных моделирующих систем. Потенциальный экономический эффект от его массового внедрения сами разработчики оценивают в 50–60 млрд рублей в год.

Моделирующий комплекс, к слову, уже опробовали в разных точках России. С его помощью была разработана гибридная модель Тюменской энергосистемы с учётом динамической нагрузки и эквивалентов объединённых энергосистем Урала и Сибири. Точно так же была смоделирована Томская энергосистема. На подстанции 110/35/6 «Вахская», которая входит в её состав, полученную с помощью комплекса режимную информацию использовали для расчёта уставок устройств релейной защиты и автоматики. Учёные из ТПУ принимали участие и в подготовке проекта энергокластера «Эльгауголь» – Эльгинского месторождения коксующихся углей на юго-востоке Якутии и сетевой инфраструктуры, необходимой для его разработки. Для него они разработали платформу для тестирования и настройки адаптивной автоматической системы оптимального управления и регулирования напряжения и реактивной мощности.