Software & Systems

Важным направлением в исследованиях энергетики является изучение проблемы обеспечения энергетической безопасности (ЭБ) страны и ее регионов [1]. ЭБ – это состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения. Указанное состояние защищенности соответствует в нормальных условиях обеспечению (снабжению) в полном объеме обоснованных потребностей, в чрезвычайных ситуациях – гарантированному обеспечению минимально необходимого объема потребностей.

В Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) разработаны модели для формирования стратегий долгосрочного развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны и различных регионов с учетом требований ЭБ и экологических ограничений [2–8]. В том числе имеется опыт исследований для региона России (Сахалинская область, остров Сахалин) со схожей с Вьетнамом территориальной структурой. Использование этого опыта позволило разработать модель ТЭК Вьетнама с учетом особенностей географического положения и энергетики страны, а также ожидаемых потребностей в разных видах энергоресурсов [9].

В 2011–2012 гг. Институтом энергетической науки Вьетнамской академии наук и технологий (IES VAST) совместно с ИСЭМ СО РАН проводились исследования по разработке информационного, математического и программного обеспечения для формирования и оценки с позиций ЭБ вариантов развития ТЭК Вьетнама с учетом наличия ресурсных, транспортных и других ограничений [10, 11]. В 2013 г. в разрабатываемый комплекс был добавлен экологический блок оценки загрязнения окружающей среды объектами ТЭК [12].

Модель ТЭК Вьетнама

Экономико-математическая модель ТЭК Вьетнама и его регионов разрабатывалась на основе модели ТЭК России [13] и предназначена для решения задач оптимального управления развитием ТЭК страны и прогнозирования выбросов парниковых газов на общегосударственном и региональном уровнях для задаваемой перспективы.

Модель включает основные системы энергетики Вьетнама: газоснабжение, углеснабжение, нефтепродуктоснабжение и электроэнергетическую систему.

Кроме производственного и распределительного (транспортного) блоков, в модели присутствует блок потребления, в котором представлены основные потребители продукции отраслей ТЭК страны, ранжированные по категориям.

Ограничения рассматриваемой задачи формализованно записываются в виде системы линейных уравнений и неравенств:

,                                (1)

0 £ X £ D,                                                                (2)

0 £ Yt £ Rt,                                                          (3)

,                                                           (4)

,                                                               (5)

где t - категории потребителей; h - категории запасов; X - искомый вектор, компоненты которого характеризуют интенсивность использования технологических способов функционирования энергетических объектов (добычи, переработки, преобразования и транспорта энергоресурсов); Yt - искомый вектор, компоненты которого характеризуют объемы потребления отдельных видов топлива и энергии отдельными категориями потребителей (t); Skh  - искомый вектор, компоненты которого характеризуют объемы запасов топлива выделенной категории (h) на конец рассматриваемого периода; SH - заданный вектор, компоненты которого равны исходным уровням запасов энергоресурсов; A - матрица технологических коэффициентов производства (добычи, переработки, преобразования) и транспорта отдельных видов топлива и энергии (затраты–выпуск); D - вектор, определяющий технически возможные интенсивности использования отдельных технологических и производственных способов; Rt - вектор с компонентами, равными объемам заданного потребления  отдельных видов топлива и энергии отдельными категориями потребителей;- вектор, компоненты которого отражают нормативный объем запасов категории h; D - вектор с компонентами, равными объемам хранилищ (складов) данного энергоресурса.

Экологический блок представлен показателями, характеризующими удельные выбросы lc,p вредных веществ c в атмосферу объектом ТЭК p, и показателями, задающими (осредненные по территории региона) предельно допустимые выбросы (Ec,1) вредных веществ c в атмосферу региона l. В модели рассматриваются следующие вредные вещества: SO2, NOx, CO2, зола.

Для каждого региона l экологический блок модели представлен неравенством

,                                                    (6)

где Xp – компоненты вектора X, описывающие функционирование объекта ТЭК p.

Целевая функция имеет при этом следующий вид:  (7)

Первая составляющая такой целевой функции отражает издержки, связанные с функционированием отраслей ТЭК, входящих в него систем и подсистем энергетики. Здесь C - вектор удельных затрат по отдельным технологическим способам функционирования действующих, реконструируемых или модернизируемых, а также вновь сооружаемых энергетических объектов.

Вторая составляющая - ущерб от дефицита по каждому виду топлива и энергии у каждой из выделенных категорий потребителей. Величины дефицита энергоресурсов gt у потребителей категории t соответствуют разности Rt-Yt. Вектор rt состоит из компонент, названных с определенной условностью «удельными ущербами». Стоимостная оценка реальной (полной) величины ущерба от дефицита, как известно, вызывает определенные трудности из-за многообразия форм проявления последствий от дефицита энергоресурсов, которые не всегда можно выявить и количественно определить. В данном случае эта трудность преодолевается путем введения шкалы приоритетов в удовлетворении спроса на отдельные виды топлива и энергии потребителей рассматриваемых категорий.

Третья составляющая аналогична второй и соответствует ущербам от ненакопления запасов. Соотношения коэффициентов векторов qh отражают предпочтительность (с точки зрения будущих возможных условий функционирования ТЭК) в тех или иных запасах по видам топлива и в территориальном разрезе. С помощью выбора соответствующего масштаба коэффициентов векторов qh задается степень важности накопления запасов отдельных категорий по сравнению с текущими затратами на функционирование ТЭК и степенью важности удовлетворения текущих потребностей отдельных категорий потребителей.

Разработанная модель ТЭК Вьетнама позволяет осуществлять комплексный анализ структуры и территориально-производственных связей ТЭК страны в различных расчетных ситуациях. С ее помощью можно оценить соотношение потребностей народного хозяйства в продукции энергетических отраслей и производственных возможностей предприятий каждой отрасли с целью прежде всего анализа функционирования и развития систем топливо- и энергоснабжения в имитируемых условиях.

Модель позволяет также получать информацию о возможной динамике изменения выбросов парниковых газов от объектов ТЭК по стране, регионам и основным энергоносителям; определять состав и размеры возможных мероприятий по производственной, технологической и территориальной перестройке энергетики с целью ослаб- ления негативного влияния парниковых газов на окружающую среду; выявлять рациональные направления научно-технического прогресса в производстве, преобразовании и использовании ТЭР и оценивать последствия для окружающей среды от внедрения новых технологий.

Программно-вычислительный комплекс «Корректива»

В ИСЭМ СО РАН исследования развития ТЭК страны проводятся с помощью многочисленных вычислительных экспериментов на основе балансовых экономико-математических моделей ТЭК, позволяющих комплексно анализировать условия развития энергетики и оценивать предпочтительность сценариев ее развития. В ходе исследования проводится оценка последствий реализации угроз ЭБ, выявляются слабые места в системе топливо- и энергоснабжения потребителей и на основе полученных решений экспертно формируются рекомендации по корректировке направлений развития энергетики страны с позиций ЭБ. Для проведения таких исследований используется программно-вычислительный комплекс (ПВК) «Корректива». Отличительной особенностью данного ПВК является использование методов комбинаторного моделирования [14] для формирования множества перспективных вариантов развития ТЭК.

ПВК «Корректива» состоит из модулей:

1)    формирования базовых сценариев развития ТЭК [15],

2)    формирования и расчета множества перспективных вариантов развития ТЭК [16],

3)    поддержки экспертного анализа конечного графа развития ТЭК.

Основной задачей модуля 1 является подготовка исходных данных для проведения расчетов на модуле 2. В то же время модуль 1 может использоваться как самостоятельная программа для расчета базовых сценариев развития ТЭК, поэтому он был передан IES VAST для проведения исследований на экономико-математичес­кой модели ТЭК Вьетнама. В 2012 году после внесения специалистами IES VAST предложений по улучшению интерфейса пользователя была создана адаптированная для нужд IES VAST версия модуля 1 ПВК «Корректива».

Базовый сценарий развития ТЭК может быть представлен в виде направленного во времени графа (рис. 1), узлы которого соответствуют возможным состояниям ТЭК в опорные годы. К каждому узлу привязывается исходная информация о состоянии ТЭК в опорный год, на основе которой можно создать модель ТЭК.

Ядро модуля 1 ПВК «Корректива» (рис. 2) представляет собой несколько десятков скриптов на интерпретируемом языке программирования Lua [17]. Решатель задач линейного программи- рования lp_solve [18] подключается в виде ди- намически загружаемой библиотеки, необходим для расчета на модели ТЭК. БД, работающая под управлением Firebird [19], используется для хранения исходных данных и результатов расчета.

Ключевым компонентом ядра модуля 1 ПВК «Корректива» является генератор моделей, который на основе исходных данных, считанных из БД или другого источника данных, создает задачу линейного программирования вида (1)–(7), передает ее для оптимизации lp_solve, а также записывает в читабельном виде (LP-формате) для последующего контроля со стороны исследователя. Генератор моделей управляется набором правил, преобразующих исходные данные в задаваемые вектора и матрицы модели ТЭК. Исследователь имеет возможность изменять правила преобразования исходной информации.

При анализе результатов расчета наиболее сложно было определить ограничивающие поток энергоресурсов (узкие) места и проследить логические цепочки, связывающие потребителя, недополучившего требуемое количество ТЭР, и узкое место, по вине которого это произошло и которое может быть отделено от него большим количеством дуг и пересечений. Связать эти факты воедино без достаточной степени нагляд- ности – колоссальная по трудоемкости работа. Для решения этой проблемы используется геоинформационная система (ГИС) SAGA [20], которая позволяет получить наглядное отображение исходной информации и графической интерпретации информации о работе любого из объектов ТЭК, полученной в результате расчета.

После расчета в ГИС SAGA создаются карты для каждого вида ТЭР. Например, на рисунке 3 приведена карта производства, транспорта и потребления электроэнергии. Карта состоит из трех слоев. Первый слой – точечные объекты в виде кружков – характеризует состояние производителей ТЭР. Второй слой – линии – дает представление о степени загруженности транспортной подсистемы. Третий слой, состоящий из площадных объектов, показывает, полностью ли удовлетворены нужды потребителей ТЭР.

Исходные данные для модуля 1 ПВК «Корректива» вводятся в электронных таблицах Microsoft Excel, проверяются и записываются в БД с помощью специальной программы [21]. Балансовые таблицы для всех видов энергоресурсов также создаются в Microsoft Excel (рис. 4).

В заключение необходимо отметить, что ИСЭМ СО РАН и IES VAST совместно разработана модель ТЭК Вьетнама и проведена адаптация модуля 1 ПВК «Корректива» под созданную модель.

Модель ТЭК Вьетнама позволяет оценить (по опорным годам задаваемой перспективы):

–      возможности использования существующих производственных мощностей отраслей ТЭК;

–      возможности передачи энергоресурсов по основным существующим транспортным связям внутри страны;

–      варианты импорта и экспорта энергоресурсов (газ, нефть, нефтепродукты, электроэнергия) во Вьетнам;

–      возможности взаимозаменяемости ТЭР в системе топливо- и энергоснабжения потребителей страны для различных условий функционирования этой системы;

–      масштабы выбросов вредных веществ и парниковых газов от объектов ТЭК и рассчитать их удельные выбросы на производство конечных ТЭР (электроэнергии) по Вьетнаму и его отдельным регионам.

Модуль 1 ПВК «Корректива», переданный IES VAST, создан на основе ГИС SAGA и используется для исследования путей развития ТЭК Вьетнама с учетом требований энергетической безопасности и экологических ограничений [22]. Он имеет следующие ключевые возможности: создание карт для каждого вида энергоресурса, наглядное отображение исходной информации и графической интерпретации информации о работе любого из объектов ТЭК, выделение на карте потенциальных узких мест, ограничивающих поток энергоресурсов, и предназначен для формирования базовых сценариев развития ТЭК Вьетнама.

Литература

1.     Бушуев В.В., Воропай Н.И., Мастепанов А.М., Шафраник Ю.К. [и др.]. Энергетическая безопасность России. Н.: Наука, 1998. 302 с.

2.     Senderov S. Energy Security of the Largest Asia Pacific Countries: Main Trends. Intern. Journ. of Energy and Power (IJEP), 2012, vol. 1, iss. 1, pp. 1–6.

3.     Сендеров С.М., Рабчук В.И., Пяткова Н.И. Анализ выполнения требований энергетической безопасности при реализации различных направлений развития ТЭК страны до 2030 г. // Изв. РАН. Энергетика. 2009. № 5. С. 17–23.

4.     Рабчук В.И., Сендеров С.М. Перспективы топливо- и энергоснабжения России до 2030 г. с учетом возможной реализации стратегических угроз энергетической безопасности // Энергетическая политика. 2010. Вып. 3. С. 25–34.

5.     Senderov S.M., Saneev B.G., Voropai N.I. Energy security of the Northeast Asian countries through energy cooperation. Northeast Asia Energy Focus, 2007, vol. 4, no. 4, pp. 11–16.

6.     Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tcheme- zov A.V. Russia's energy in the first half of the 21st century. Intern. Journ. of Global Energy Issues, 2003, vol. 20, no. 4, pp. 59–65.

7.     Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tcheme- zov A.V. Prospects  for electric power sector development in Russia in the 21st century and greenhouse gas emissions. Proc. Conf. World Climate Change, Moscow, 2003, pp. 117–125.

8.     Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tcheme- zov A.V. Outlooks of Russia’s power industry development in the 21st century and greenhouse gas emissions. IEEE Power Engineering Society. General Meeting, 13–17 July, 2003, Toronto, Ontario, Canada.

9.     Senderov S.M., Pyatkova N.I., Ngo Tuan Kiet, et al. Specific features of energy security in Vietnam. Proc. (SED-20b11) Sustainable energy developmental models and energy security, Ha Noi – Ha Long, Vietnam, Nov., 14–15, 2011, pp. 33–42.

10.  Edelev A.V., Nguyen Quang Ninh, Nguyen Van The, Tran Viet Hung, Le Tat Tu, Doan Binh Duong, Nguyen Hoai Nam. Developing “Corrective” software: 3-region model. Proc. of Intern. Conf. Green Energy and Development, Hanoi, Vietnam, Nov., 2012, pp. 41–52.

11.  Edelev A.V., Tran Viet Hung, Le Tat Tu, Doan Binh Duong. Completed database scheme of corrective software for research on Vietnam fuel energy complex with consideration of energy security requirements. Proc. of Intern. Conf. Green energy and development, Hanoi, Vietnam, Nov., 2012, pp. 67–76.

12.  Edelev A.V., Tchemezov A.V., Nguyen Hoai Nam, Doan Van Binh. Sustainable energy development and green growth strategy for Vietnam: a suitable pathway of power sector ensuring the national energy security. Proc. 3rd Intern. Sc. Conf. Sustainable Energy Development, Hanoi, Vietnam, 16–18 Oct., 2013, pp. 21–28.

13.  Зоркальцев В.И. Методы прогнозирования и анализа эффективности функционирования системы топливоснабжения. М.: Наука, 1988. 144 с.

14.  Ануфриев А.Ф., Вишерская Г.М., Зоркальцев В.И., Калинина А.А. [и др.]. Региональный энергетический комплекс (особенности формирования, методы исследования). Л.: Наука, 1988. 200 с.

15.  Edelev A.V., Beresneva N.M. Program package to study Russia federal districts energy sector development in terms of energy security. The 2nd Intern. Sc. Conf. on Sustainable Energy Development, Hanoi, 2011, pp. 49–54.

16.  Береснева Н.М., Еделев А.В. Система поддержки исследований энергетической безопасности России // Програм- мные продукты и системы. 2008. № 2. С. 76–78.

17.  Ierusalimschy R., Figueiredo L., Celes W. Lua – an extensible extension language. Software: Practice and Experience, 1996, vol. 26, no. 6, pp. 635–652.

18.  Mixed Integer Linear Programming (MILP) solver lp_solve. URL: http://sourceforge.net/projects/lpsolve (дата обращения: 09.11.2013).

19.  Borrie H. The Firebird Book, 2nd Ed., 2013, vol. 1, 470 p.

20.  Conrad O. SAGA – program structure and current state of implementation. SAGA – Analysis and Modeling Applications. Göttinger Geographische Abhandlungen, 2006, vol. 115, pp. 39–52.

21.  Edelev A.V., Doan Binh Duong. Input–output application for Corrective software. Proc. of Intern. Conf. Green energy and development, Hanoi, Vietnam, Nov., 2012, pp. 111–123.

22.  Edelev A.V., Pyatkova N.I., Tchemezov A.V., Nguyen Hoai Nam, Tran Viet Hung. Software package corrective to study long-term development of fuel and energy complex of  Vietnam  with regard to requirements of  energy security and ecology restrictions. Proc. 3rd Intern. Sc. Conf. Sustainable Energy Development, Hanoi, Vietnam, Oct., 2013, pp. 101–109.

References

1.  Bushuev V.V., Voropay N.I., Mastepanov A.M., Shafranik Y.K.  Energeticheskaya besopasnost Rossii  [Security of
Energy Supply of Russia]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1998, 302 p.

2.  Senderov S. Energy Security of the Largest Asia Pacific Countries: Main Trends. Intern. Journ. of Energy and Power
(IJEP). 2012, vol. 1, no. 1, pp. 1–6.

3.  Senderov S.M., Rabchuk V.I., Pyatkova N.I. Analysis of fulfilling requirements of energy supply security when im-plementing different development directions for the fuel and energy sector of the country until 2030.  Izvestiya RAN.
Energetika [News of the RAS. Power Engineering]. 2009, vol. 5, pp. 17–23 (in Russ.).

4.  Rabchuk V.I., Senderov S.M. The prospects of fuel and power supply for Russia until 2030 considering the possibil-ity of strategic threats energy supply security. Energeticheskaya politika [Energy Policy]. 2010, vol. 3, pp. 25–34 (in Russ.).

5.  Senderov S.M., Saneev B.G., Voropai N.I., Energy security of the Northeast Asian countries through energy coopera-tion. Northeast Asia Energy Focus. 2007, vol. 4, no. 4, pp. 11–16.

6.  Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tchemezov A.V. Russia's energy in the first half of the 21
st
century. In-tern. Journ. of Global Energy Issues. 2003, vol. 20, no. 4, pp. 59–65.

7.  Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tchemezov A.V. Prospects for electric power sector development in
Russia in the 21st century and greenhouse gas emissions. World Climate Change Conf. Moscow, 2003, pp. 117–125.

8.  Saneev B.G., Lagerev A.V., Khanaeva V.N., Tchemezov A.V. Outlooks of Russia’s power industry development in
the 21
st
century and greenhouse  gas emissions.  IEEE Power Engineering Society. General Meeting. Toronto, Ontario, Cana-da, 2003.

9.  Senderov S.M., Pyatkova N.I., Ngo Tuan Kiet. Specific features of energy security in Vietnam.  Proc. of SED-2011
Sustainable Energy Developmental Models and Energy Security. Hanoi, 2011, pp. 33–42.

10.  Edelev A.V., Nguyen Quang Ninh, Nguyen Van The, Tran Viet Hung, Le Tat Tu, Doan Binh Duong, Nguyen Hoai
Nam. Developing “Corrective” software: 3-region model.  Proc. of the  Int.  Conf.  Green  Energy  and  Development. Hanoi,
2012, pp. 41–52.

11.  Edelev A.V., Tran Viet Hung, Le Tat Tu, Doan Binh Duong. Completed database scheme of  “Corrective”  software
for research on Vietnam fuel energy complex with consideration of energy security requirements.  Proc. of the  Int.  Conf.
Green Energy and Development. Hanoi, Vietnam, Nov., 2012, pp. 67–76.

12.  Edelev A.V., Tchemezov A.V., Nguyen Hoai Nam, Doan Van Binh. Sustainable energy development and green
growth strategy for Vietnam: a suitable pathway of power sector ensuring the national energy security. Proc. 3rd Int. Science
Conf. Sustainable Energy Development. Hanoi, Vietnam, 2013, pp. 21–28.

13.  Zorkaltsev V.I.  Metody prognozirovaniya i analiza effektivnosti funktsionirovaniya sistemy toplivosnabzheniya
[Methods of Forcasting and Analyzing Efficiency of Functioning]. Moscow, Nauka Publ., 1988, 144 p.

14.  Anufriev A.F., Visherskaya G.M., Zorkaltsev V.I., Kalinina  А.А.  Regionalny energetichesky compleks (osobennosti
formirovaniya,  metody issledovaniya)  [Regional  Energy Sector (Generation Features, Researchmethods)]. Leningrad, Nauka
Publ., 1988, 200 p.

15.  Edelev A.V., Beresneva N.M. Program package to study Russia federal districts energy sector development in terms
of energy security. Proc. 2nd Int. Science Conf. Sustainable Energy Development. Hanoi, 2011, pp. 49–54.

16.  Beresneva N.M., Edelev  А.V. The system of security of energy supply of Russia research support  Programmnye
produkty i sistemy [Software & Systems]. 2008, vol. 2, pp. 76–78 (in Russ.).

17.  Ierusalimschy R., Figueiredo L., Celes W. Lua  –  an extensible extension language.  Software: Practice and Experi-ence. 1996, vol. 26, no. 6, pp. 635–652.

18.  Mixed Integer Linear Programming (MILP) solver lp_solve. Available at: http://sourceforge.net/projects/lpsolve (ac-cessed November 9, 2013).

19.  Borrie H. The Firebird Book. 2nd ed., 2013, vol. 1, 470 p.

20.  Conrad O. SAGA –  program structure and current state of implementation.  SAGA –  Analysis and Modeling Applica-tions. Göttinger Geographische Abhandlungen Publ., 2006, vol. 115, pp. 39–52.

21.  Edelev A.V., Doan Binh Duong. Input – output application for Corrective software. Proc. of the Int. Conf. Green En-ergy and Development. Hanoi, Vietnam, 2012, pp. 111–123.

22.  Edelev A.V., Pyatkova N.I., Tchemezov A.V., Nguyen Hoai Nam, Tran Viet Hung. Software package corrective to
study long-term development of fuel and energy complex of Vietnam    with regard to requirements of  energy security and
ecology restrictions. Proc. 3rd Int. Science Conf. Sustainable Energy Development. Hanoi, Vietnam, 2013, pp. 101–109.