УДК 004.896 DOI: ... - pu.mtas.rupu.mtas.ru/archive/Kovalyov_620.pdf · УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

57ÏÐÎÁËÅÌÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ¹ 6 • 2020

УДК 004.896 DOI: http://doi.org/10.25728/pu.2020.6.6

ÖÈÔÐÎÂÀß ÏËÀÒÔÎÐÌÀ ÄËß ÐÅÀËÈÇÀÖÈÈ ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÑÈÑÒÅÌ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß

ÐÀÑÏÐÅÄÅËÅÍÍÛÌÈ ÝÍÅÐÃÎÐÅÑÓÐÑÀÌÈ

С.П. Ковалёв, А.А. Небера, М.В. Губко

ÂÂÅÄÅÍÈÅ

В настоящее вреìя во всеì ìире иäет так назы-ваеìый энерãети÷еский перехоä — форìированиеöифровой äеöентраëизованной ìаëоуãëероäнойэнерãети÷еской инфраструктуры (перспектива 3D:digitalization, decentralization, decarbonization) [1].В проöессе перехоäа возникает новый тип эëект-роэнерãети÷еских систеì с распреäеëенныìи энер-ãоресурсаìи (ЭЭС РЭР) — сëожные ãетероãенныеобъекты управëения, вкëþ÷аþщие в себя разно-образные энерãоприеìники (в тоì ÷исëе с управ-ëяеìой наãрузкой), ëокаëüные ãенерируþщие ус-тановки (в тоì ÷исëе на äизеëüноì топëиве, наприроäноì ãазе, а также на возобновëяеìых ис-то÷никах энерãии — ВИЭ) и накопитеëи эëектро-энерãии. Такие объекты насыщаþтся и буäут насы-щатüся разëи÷ныìи инноваöияìи, как техни÷ес-киìи (новые виäы оборуäования и автоìатики),

так и орãанизаöионныìи (новые виäы усëуã и ìо-äеëи рынка).Рост установëенной ìощности ЭЭС РЭР, сти-

ìуëируеìый в ìире как эконоìи÷ески, так и за-коноäатеëüно, в перспективе ìожет статü уãрозойäëя устой÷ивости и наäежности работы энерãо-систеì, есëи ЭЭС РЭР и их операторы не буäутвовëе÷ены в общий контур оперативно-техноëо-ãи÷ескоãо и эконоìи÷ескоãо управëения. Оäнакотраäиöионные ìетоäы и среäства управëения нерасс÷итаны на увеëи÷ение на поряäки коëи÷ествасубъектов и объектов управëения, объеìа потоковäанных, состава функöионаëüных заäа÷. Разработ-ка и внеäрение автоìатизированных систеì управ-ëения (АСУ) äëя отäеëüных объектов натаëкивает-ся на пробëеìы, связанные с высокиìи затратаìии с интеãраöией таких АСУ äруã с äруãоì (интеро-перабеëüностüþ).В этих усëовиях, исхоäя из принöипов öифро-

вой эконоìики, актуаëüна разработка öифровой

Аннотация. Рассìатриваþтся пробëеìы интеëëектуаëüноãо управëения совреìенныìиэëектроэнерãети÷ескиìи систеìаìи с распреäеëенныìи энерãоресурсаìи. Указанные сис-теìы вкëþ÷аþт в себя разнообразные энерãоприеìники (в тоì ÷исëе с управëяеìой на-ãрузкой), ëокаëüные ãенерируþщие установки и накопитеëи эëектроэнерãии. Показанаöеëесообразностü форìирования и испоëнения прикëаäных систеì управëения такиìиобъектаìи на базе еäиной öифровой пëатфорìы. Описан типовой проöесс управëенияна базе пëатфорìы, направëенный на повыøение эффективности совìестноãо функöи-онирования физи÷еских ëибо виртуаëüных ãрупп распреäеëенных энерãоресурсов с по-ìощüþ оптиìизаöионноãо пëанирования и виртуаëüной отработки на öифровых äвой-никах. Пере÷исëены актуаëüные сöенарии испоëüзования пëатфорìы в оперативноì уп-равëении распреäеëенныìи энерãоресурсаìи. Преäставëены заäа÷и ìатеìати÷ескоãообеспе÷ения пëатфорìы: автоìати÷еское ìоäеëирование и анаëиз эëектри÷еских режи-ìов на öифровых äвойниках, оптиìизаöионное пëанирование и управëение, проãнози-рование профиëей потребëения/ãенераöии и технико-эконоìи÷еских факторов.

Ключевые слова: распреäеëенные энерãоресурсы, öифровая пëатфорìа, öифровой äвойник, сìарт-контракт, оптиìизаöионное пëанирование.

правление техническими системами и технологическими процессамиУ


58 CONTROL SCIENCES ¹ 6 • 2020

пëатфорìы [2]. Чтобы поääерживатü созäание ифункöионирование АСУ ЭЭС РЭР, в пëатфорìувкëþ÷ается боëüøой набор базовых функöий и аë-ãоритìов управëения РЭР с øирокиìи возìож-ностяìи по настройке, а также ãотовые сервисыäëя субъектов распреäеëенной энерãетики в ìощ-ной обëа÷ной вы÷исëитеëüной среäе с уäаëенныìäоступоì. В раìках пëатфорìы унифиöируþтся иавтоìатизируþтся такие проöеäуры, как инфор-ìаöионный обìен ìежäу у÷астникаìи öикëовуправëения, верификаöия взаиìных обязатеëüстви финансовые взаиìорас÷еты, взаиìоäействие сäат÷икаìи и испоëнитеëüныìи ìеханизìаìи, ìо-äеëирование и оптиìизаöионное пëанированиережиìов работы оборуäования, защита от несанк-öионированноãо äоступа к инфорìаöии и äр. Ар-хитектура пëатфорìы проектируется с приöеëоìна возìожностü быстро коìпоноватü из ãотовыхìоäуëей, развертыватü и эффективно экспëуатиро-ватü разнообразные АСУ сиëаìи как разработ÷икапëатфорìы, так и экосистеìы партнеров, заинте-ресованных в испоëüзовании сервисов и инстру-ìентов пëатфорìы äëя разработки и проäвижениясобственных реøений.На рынке АСУ äëя распреäеëенной энерãетики

иìеется преäëожение пëатфорìенных реøений, втоì ÷исëе крупных от ãранäов в сфере автоìати-заöии. Оäнако крупные реøения в основноì на-öеëены на крупных заказ÷иков (ãенерируþщиекоìпании, нефтеãазовый сектор, проìыøëенныепреäприятия), всëеäствие ÷еãо иì присущи опре-äеëенный функöионаëüный äисбаëанс, высокаястоиìостü вëаäения и жесткие требования к уров-нþ кваëификаöии разработ÷иков и экспëуатиру-þщеãо персонаëа АСУ. Эти особенности боëüøихпëатфорì остро ощущаþтся в äеöентраëизован-ной инфраструктуре типа ìикроãриäа, состоящейиз ìножества небоëüøих активных потребитеëейнизкоãо уровня напряжения (0,4 кВ), не распоëа-ãаþщих ни еäиныì öентроì управëения, ни зна-÷итеëüныì ИТ-бþäжетоì, ни высококваëифиöи-рованныì персонаëоì. В своþ о÷ереäü, существу-þщие «ìаëоãабаритные» пëатфорìенные реøенияäëя такой инфраструктуры во ìноãоì направëенына преäоставëение красивых потребитеëüских сер-висов и неäостато÷но оснащены ìощныìи высо-котехноëоãи÷ныìи инструìентаìи энерãетиков,позвоëяþщиìи форìироватü и приìенятü öифро-вые äвойники ЭЭС РЭР, оöениватü техни÷ескуþиспоëниìостü и верифиöироватü факти÷еское ис-поëнение сìарт-контрактов разëи÷ных виäов и т. п.Дëя реøения этих пробëеì в настоящее вреìя

в раìках Наöионаëüной техноëоãи÷еской иниöи-ативы по направëениþ «Энерäжинет» веäется раз-работка «∀Пëатфорìы» [3] — öифровой пëатфор-ìы новоãо покоëения, способной преäоставитü

ìассовыì ряäовыì субъектаì распреäеëеннойэнерãетики отве÷аþщий их потребностяì и воз-ìожностяì интеãрированный пакет высоких энер-ãети÷еских, инфорìаöионных и эконоìи÷ескихтехноëоãий.В настоящей статüе описывается совреìенный

поäхоä к разработке пëатфорìенных реøений,принятый, в ÷астности, при созäании «∀Пëатфор-ìы», а также кратко рассìатриваþтся особенностиорãанизаöионноãо и аëãоритìи÷ескоãо обеспе÷е-ния управëения на базе «∀Пëатфорìы», отëи÷аþ-щие это реøение от анаëоãов. Дëя разработ÷икови поставщиков АСУ преäставëены функöионаëü-ные возìожности и архитектурная орãанизаöиякоìпонентов пëатфорìы, типовые проöессы и сöе-нарии испоëüзования, аëãоритìы и ìоäеëи. Ис-сëеäоватеëи в сфере ЭЭС РЭР увиäят новые об-ëасти и способы приëожения и внеäрения своихрезуëüтатов путеì интеãраöии с пëатфорìой. Субъ-ектаì распреäеëенной энерãетики ìоãут бытü ин-тересны описанные в статüе способы повыøенияотäа÷и от вëожений в новые техноëоãии посреäс-твоì внеäрения пëатфорìенноãо реøения.

1. ÒÈÏÎÂÎÉ ÏÐÎÖÅÑÑ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÍÀ ÁÀÇÅ ÏËÀÒÔÎÐÌÛ

Так же, как и саìа ЭЭС РЭР, АСУ ЭЭС РЭРпреäставëяет собой распреäеëеннуþ ìноãоуровне-вуþ систеìу. На разных ее уровнях объектаìи уп-равëения явëяþтся как отäеëüные орãанизаöии и÷астные ëиöа — субъекты распреäеëенной энерãе-тики, так и их объеäинения (операторы иëи аãре-ãаторы), сервисные коìпании и äруãие у÷астникиЭЭС РЭР, а также принаäëежащее иì эëектрообо-руäование, объекты инженерной и инфорìаöион-но-коììуникаöионной инфраструктуры.Цеëесообразностü приìенения пëатфорìы наи-

боëее ярко проявëяется на ãруппах РЭР, которыефункöионируþт боëее эффективно (по теì иëииныì критерияì) при соãëасованноì (в той иëииной степени) äëя всех объектов ãруппы принятииуправëяþщих реøений, нежеëи ÷еì при инäиви-äуаëüноì управëении кажäыì объектоì ãруппыбез у÷ета остаëüных. Управëение такиìи ãруппаìиìожет происхоäитü как äеöентраëизованно, так ииз выäеëенноãо ëоãи÷ескоãо öентра. При äеöент-раëизованноì управëении вëаäеëüöы отäеëüныхРЭР саìостоятеëüно нахоäят äруã äруãа äëя взаи-ìовыãоäноãо обìена энерãией и оказания/поëу-÷ения усëуã, в тоì ÷исëе посреäствоì рыно÷ныхìеханизìов аукöионноãо типа, фиксируþт обяза-теëüства по соãëасованноìу управëениþ своиìиобъектаìи в сìарт-контрактах и испоëняþт ихпутеì пряìых энерãети÷еских трансакöий (анãë.



peer-to-peer, P2P). Такой принöип управëения ìо-жет приìенятüся в инфраструктуре типа Интерне-та энерãии [4, 5], которая станет реаëизуеìой поìере развития техноëоãий, способных обеспе÷итüустой÷ивостü äеöентраëизованных ЭЭС РЭР.В настоящее вреìя проще реаëизоватü öентра-

ëизованное управëение, при÷еì как на основетрансакöий, финансовый поток в которых направ-ëен от вëаäеëüöа РЭР к оператору öентра управëе-ния (анãë. peer-to-operator, P2O), так и на основетрансакöий от оператора к вëаäеëüöу РЭР (анãë.operator-to-peer, O2P). В первоì из этих äвух сëу-÷аев (P2O) оператор приниìает от вëаäеëüöев ãруп-пу РЭР в заранее заäанноì составе, выпоëняетãрупповое управëение в öеëях ìаксиìизаöии эф-фективности их совìестноãо функöионирования иза это поëу÷ает свое вознаãражäение; этот прин-öип управëения называется «энерãия как сервис»(анãë. energy-as-a-service). Во второì сëу÷ае (O2P)ëоãи÷еский öентр по собственной иниöиативефорìирует ãруппу РЭР, в тоì ÷исëе путеì конку-рентноãо отбора, в öеëях объеäинения их возìож-ностей и/иëи потребностей в öеëüные эконоìи-÷еские аãреãаты, стоиìостü которых он оптиìизи-рует за с÷ет ìасøтабных эффектов и из äохоäа откоторых вознаãражäает вëаäеëüöев РЭР; öентрыуправëения такоãо типа называþтся аãреãатораìи(анãë. aggregators). Известны аãреãаторы спроса(öенозависиìоãо снижения потребëения), преäëо-жения (виртуаëüные эëектростанöии), хранения(распреäеëенные систеìы накопëения эëектро-энерãии).Возìожна и ÷асти÷ная äеöентраëизаöия уп-

равëения, коãäа аãреãатор/оператор не поëу÷аетпряìоãо äоступа к оборуäованиþ у÷астника ЭЭСРЭР, но закëþ÷ает с ниì обязываþщие соãëаøе-ния, оãрани÷иваþщие испоëüзование оборуäова-ния иëи ãарантируþщие выпоëнение операторс-ких коìанä. При этоì на вëаäеëüöа ëожится уп-равëение своиì энерãети÷ескиì оборуäованиеì вöеëях наибоëее эффективноãо еãо испоëüзованияпри усëовии выпоëнения соãëаøений.Типовой проöесс управëения ãруппаìи объек-

тов на базе пëатфорìы состоит из пяти стаäий, какпоказано на рис. 1.На первой стаäии заинтересованные стороны —

субъекты распреäеëенной энерãетики, иниöииру-þщие проöесс, — выбираþт öеëевые критерииоптиìаëüности ãрупповоãо управëения сообразносвоиì бизнес-öеëяì: ìиниìизаöии пëатежей зазакупаеìуþ на розни÷ноì рынке эëектроэнерãиþи ìощностü, ìаксиìизаöии äохоäа от проäажиэëектроэнерãии и оказания систеìных усëуã, ìак-сиìизаöии наäежности эëектроснабжения и äр.Соãëасно критерияì и своиì возìожностяì субъ-екты äаëее опреäеëяþт ìетоäы и среäства управ-

ëения, реãëаìенты и форìаты взаиìоäействия ивзаиìорас÷етов, а также АСУ. Эффект от приìе-нения пëатфорìы на этой стаäии закëþ÷ается ввозìожности быстрой коìпоновки проãраììноãо,инфорìаöионноãо и ìатеìати÷ескоãо обеспе÷е-ния АСУ из коìпонентов пëатфорìы и ãотовыхсервисов на ее базе. Дëя этоãо коìпоненты пëат-форìы офорìëяþтся как ìикросервисы — не-боëüøие, сëабо связанные и ëеãко изìеняеìыекоìпоненты с открытыì прикëаäныì проãраì-ìныì интерфейсоì, взаиìоäействуþщие в еäинойинфорìаöионной среäе с испоëüзованиеì эконо-ìи÷ных коììуникаöионных протокоëов в стиëеREST [6]. Аëãоритìы АСУ в основноì составëя-þтся из обращений к (ìикро)сервисаì пëатфорìыв поряäке, обусëовëенноì особенностяìи конк-ретноãо проöесса и объекта управëения. Допоëни-теëüно в прикëаäной ÷асти проãраììноãо обеспе-÷ения АСУ реаëизуþтся среäства поääержки про-öесса, спеöиаëизированные äо такой степени, ÷товкëþ÷атü их в пëатфорìу нераöионаëüно: это ìо-ãут бытü äрайверы взаиìоäействия с реäко встре-÷аþщиìися устройстваìи, аäаптеры интеãраöии сосìежныìи автоìатизированныìи систеìаìи, ìо-äуëи сбора и обработки спеöифи÷еских äанных,виäеокаäры поëüзоватеëüскоãо интерфейса и øаб-ëоны эëектронных äокуìентов.На второй стаäии форìируется конкретная

ãруппа РЭР äëя автоìатизированноãо управëенияпо выбранныì критерияì и оöениваþтся ожиäае-ìые зна÷ения интеãраëüных показатеëей ее эф-фективности. Данная стаäия ìожет выпоëнятüся,

Рис. 1. Типовой процесс управления на базе платформы



в ÷астности, на этапах проектирования и строи-теëüства РЭР. Бëаãоäаря приìенениþ пëатфорìыустанавëивается еäиная защищенная инфорìаöи-онная среäа äëя сëаженноãо взаиìоäействия всехэëеìентов систеìы ãрупповоãо управëения в раì-ках äостижения öеëей независиìо от территори-аëüноãо распоëожения, техноëоãи÷еских особен-ностей, вëаäеëüöев. Провоäится проöеäура вкëþ-÷ения кажäоãо объекта управëения ãруппы в этусреäу. При оãрани÷енных возìожностях управëе-ния объект ìожет бытü преäставëен в среäе как«÷ерный ящик» с известныì фиксированныì ин-терфейсоì взаиìоäействия. Оäнако äëя äостиже-ния ìаксиìаëüной эффективности управëенияöеëесообразно сфорìироватü еãо öифровой äвой-ник — ìоäеëü высокой степени аäекватности, спо-собнуþ äетаëüно отображатü состояние объекта,преäсказыватü еãо повеäение в разëи÷ных усëо-виях и опреäеëятü öеëесообразные управëяþщиевозäействия на неãо. Форìирование, приìенениеи приìер öифровоãо äвойника ЭЭС РЭР рассìат-риваþтся поäробно äаëее в § 3.На третüей стаäии типовоãо проöесса проис-

хоäит пëанирование öикëа управëения — опреäе-ëяþтся конкретные ожиäаеìые зна÷ения показа-теëей функöионирования объектов и эффектив-ности сфорìированной из них ãруппы в öеëоì,которые äоëжны бытü äостиãнуты в буäущеì öик-ëе. Зна÷ения ìоãут вырабатыватüся путеì посëе-äоватеëüноãо уто÷нения и верификаöии äости-жиìости в хоäе пëанирования на сужаþщихся ãо-ризонтах: среäнесро÷ноãо (от 1 ìесяöа äо 1 ãоäа),краткосро÷ноãо (на сутки впереä), оперативноãо(в те÷ение операöионных суток), а также по ìереуто÷нения инфорìаöии (заявок) от у÷астниковЭЭС РЭР. Соãëасно выработанныì пëанаì фор-ìируþтся заäания на функöионирование кажäоãоРЭР в хоäе öикëа, которые ìоãут бытü зафиксиро-ваны äоãоворныìи обязатеëüстваìи ìежäу субъек-таìи, наìереваþщиìися принятü у÷астие в öикëе,в тоì ÷исëе в форìе сìарт-контрактов. Пëатфорìапреäоставëяет äëя поääержки пëанирования про-ãраììные ìоäуëи, которые реаëизуþт типовыеаëãоритìы øирокоãо спектра приìенения, поз-воëяþщие автоìати÷ески ìоäеëироватü и анаëи-зироватü эëектри÷еские режиìы, проãнозироватüпрофиëи потребëения/ãенераöии и внеøние тех-нико-эконоìи÷еские факторы, реøатü оптиìиза-öионные заäа÷и управëения ãруппой РЭР. Моäе-ëирование режиìов провоäится на базе öифровойрас÷етной ìоäеëи, которая автоìати÷ески форìи-руется на основе öифровых äвойников объектовãруппы соãëасно топоëоãии соеäиняþщих их сеã-ìентов эëектри÷еских сетей. Аëãоритìы проãно-зирования строятся в тоì ÷исëе на базе пëоских иãëубоких ìоäеëей ìаøинноãо обу÷ения на боëü-

øих ìассивах истори÷еских äанных. Оптиìизаöи-онные заäа÷и реøаþтся на основе базовоãо аëãо-ритìа, преäоставëяþщеãо øирокие возìожностипо настройке путеì выбора конкретных переìен-ных, технико-эконоìи÷еских критериев и оãрани-÷ений. Ряä указанных аëãоритìов рассìатриваетсяпоäробно в § 4 и 5.По итоãаì пëанирования öикëа управëения

выпоëняется стаäия еãо реаëизаöии. Реаëизаöияöикëа вкëþ÷ает в себя непрерывный сбор теëеиз-ìерений и теëесиãнаëов (от существуþщих авто-ìатизированных инфорìаöионно-изìеритеëüныхи управëяþщих систеì иëи непосреäственно отКИПиА), оперативный рас÷ет факти÷еских зна÷е-ний показатеëей функöионирования РЭР и эф-фективности ãруппы в öеëоì, выявëение откëоне-ний факти÷еских зна÷ений от пëановых, опреäе-ëение необхоäиìых корректируþщих возäействийна объекты управëения, отправку коìанä на вы-поëнение возäействий испоëнитеëüныì ìеханиз-ìаì РЭР и/иëи экспëуатируþщеìу их персонаëу,реаãирование на всевозìожные изìенения внеø-них усëовий и отказы, оперативнуþ визуаëизаöиþтекущеãо состояния РЭР. Инструìенты пëатфор-ìы, в тоì ÷исëе вхоäящая в нее среäа интернетавещей, при реаëизаöии öикëа способны автоìати-÷ески поääерживатü поток сбора и коìпëекснойобработки оперативной инфорìаöии в теìпе ìяã-коãо реаëüноãо вреìени, вкëþ÷аþщий все пере-÷исëенные функöии. В пëатфорìе соäержатсяаäаптеры станäартных коììуникаöионных про-токоëов, таких как протокоë орãанизаöии о÷ере-äей äоставки теëеìетри÷еских сообщений MQTT(ГОСТ Р 58603—2019), Modbus, протокоëы изГОСТ Р МЭК 60870-5-104—2004 и äр. Поток опе-ративной инфорìаöии выступает объектоì øиро-коãо спектра вкëþ÷енных в пëатфорìу ìер защи-ты, направëенных на нивеëирование уãроз и рис-ков утраты конфиäенöиаëüности, öеëостности иäоступности. По окон÷ании о÷ереäноãо öикëа про-исхоäит возврат на стаäиþ пëанирования äëя сëе-äуþщеãо öикëа.Заверøаþщая стаäия типовоãо проöесса — поä-

веäение эконоìи÷еских итоãов öикëов управëе-ния, выпоëненных в те÷ение некотороãо рас÷етно-ãо периоäа. Факти÷еский вкëаä кажäоãо объекта в(не)äостижение öеëей öикëов автоìати÷ески вы-÷исëяется в натураëüноì выражении и перево-äится в стоиìостное зна÷ение. Уäовëетворяþтсязафиксированные в хоäе пëанирования äоãовор-ные обязатеëüства ìежäу субъектаìи, принявøи-ìи у÷астие в öикëах, путеì автоìати÷еской опëа-ты расс÷итанных вкëаäов в форìе вознаãражäенияиëи øтрафа посреäствоì перевоäа öифровых фи-нансовых активов ìежäу öифровыìи коøеëüкаìиу÷астников. По итоãаì взаиìорас÷етов возìожна



корректировка состава ãруппы путеì возврата навторуþ стаäиþ типовоãо проöесса. Эффект от при-ìенения пëатфорìы при поäвеäении итоãов за-кëþ÷ается в обеспе÷ении «справеäëивости» — ис-кëþ÷ении субъективноãо ÷еëове÷ескоãо фактораиз проöеäур рас÷ета и опëаты, обеспе÷ение ихпоëной прозра÷ности, защищенности и верифи-öируеìости, в тоì ÷исëе бëаãоäаря хранениþ ис-тории энерãети÷еских трансакöий с хеø-суììаìиäанных о факти÷еских физи÷еских объеìах усëуã враспреäеëенноì реестре.

2. ÑÖÅÍÀÐÈÈ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß ÏËÀÒÔÎÐÌÛÂ ÎÏÅÐÀÒÈÂÍÎÌ ÓÏÐÀÂËÅÍÈÈ

Путеì конкретизаöии выøеописанноãо типо-воãо проöесса äëя разëи÷ных принöипов управ-ëения, виäов субъектов и объектов распреäеëен-ной эëектроэнерãетики, норìативно-правовых итехнико-эконоìи÷еских усëовий выäеëено восеìüсöенариев испоëüзования пëатфорìы в оператив-ноì управëении. Поскоëüку у пëатфорìы в öеëоìотсутствует заранее фиксированный заказ÷ик (в уз-коì сìысëе этоãо терìина), построение и посëе-äуþщее иìитаöионное ìоäеëирование сöенариевсëужит основныì способоì выявëения потребнос-тей заинтересованных сторон в ней, поäтвержäе-ния ее уникаëüности и востребованности. Пере-÷енü сöенариев быë первона÷аëüно сфорìирован враìках проекта по разработке архитектуры Интер-нета энерãии [7] и уто÷нен в хоäе проектированияпëатфорìы.Первые три сöенария экспëуатируþт возìож-

ностü преäоставëения энерãосистеìе усëуã на ос-нове аãреãирования и соãëасованноãо управëенияразëи÷ноãо роäа ресурсаìи.Сценарий 1. Управление спросом (ценозависимое

снижение потребления). Управëение спросоì осно-вано на возìожности уäовëетворятü повыøеннуþпотребностü в эëектроэнерãии в пиковые периоäыне тоëüко путеì увеëи÷ения выработки (ãенера-öией иëи отбороì из накопитеëей), но и путеìуìенüøения факти÷ескоãо потребëения по отно-øениþ к запëанированноìу заранее [8]. Дëя ìас-совых розни÷ных потребитеëей кратковреìенноеоткëþ÷ение иëи снижение наãрузки ìожет бытüнеобреìенитеëüныì и при объеäинении в круп-нуþ ãруппу с коорäинированныì оптиìаëüныìуправëениеì наãрузкой, в тоì ÷исëе по принöипу«скоëüзящеãо окна», ìожет преäставëятü зна÷и-ìый ресурс äëя коìпенсаöии пиков с ìиниìаëü-ныìи изäержкаìи. Операторы такоãо ãрупповоãоуправëения наãрузкой называþтся аãреãатораìиспроса: они проäаþт усëуãу по существенноìу сни-жениþ потребëения оператораì боëüøой энерãе-

тики, а с вëаäеëüöаìи откëþ÷аеìоãо оборуäова-ния провоäят трансакöии типа O2P на базе сìарт-контрактов.Сценарий 2. Управление виртуальной электро-

станцией. Функöия аãреãатора РЭР востребованане тоëüко äëя снижения потребëения, но и äëяãрупповоãо у÷астия вëаäеëüöев ãенерируþщеãооборуäования небоëüøой ìощности в рынкахэëектроэнерãии, ìощности, систеìных усëуã [9].Особенно актуаëüна аãреãаöия ãенераöии на ВИЭ,поскоëüку их выработка зависит от неуправëяе-ìых прироäных усëовий. Коорäинированное оп-тиìаëüное управëение ãруппой ãенераторов (ВИЭи топëивных), распоëоженных в реãионах с разнойпоãоäой, позвоëяет коìпенсироватü проваëы вы-работки оäних ãенераторов за с÷ет äруãих, ìини-ìизируя расхоä ископаеìоãо топëива траäиöион-ныìи эëектростанöияìи. В иäеаëе аãреãатор такойвиртуаëüной эëектростанöии способен наäежнопоставëятü стопроöентно экоëоãи÷ески ÷истуþэнерãиþ, ÷то позвоëяет еìу и вëаäеëüöаì обору-äования поëу÷итü äопоëнитеëüные эконоìи÷ес-кие преференöии, в тоì ÷исëе ÷ерез ìеханизì «зе-ëеных» сертификатов [10].Сценарий 3. Управление распределенной системой

накопителей. Объектаìи аãреãаöии ìоãут высту-патü не тоëüко еäиниöы энерãоприниìаþщеãо иãенерируþщеãо оборуäования, но и накопитеëиэëектроэнерãии. Способностü накопитеëей прак-ти÷ески ìãновенно перехоäитü из режиìа потреб-ëения энерãии к выработке и обратно äеëает ихсреäствоì управëения не тоëüко спросоì/преäëо-жениеì эëектроэнерãии и ìощности, но и ãиб-костüþ энерãосистеìы — скорости наращивания/уìенüøения ìощности. Аãреãатор, котороìу в со-ãëасованное оптиìаëüное управëение преäостави-ëа свои накопитеëи ãруппа вëаäеëüöев, охватыва-þщая некоторый сеãìент боëüøой энерãосистеìыс äостато÷но высокой пëотностüþ, способен про-äаватü оператору сеãìента высокока÷ественныесистеìные усëуãи — автоìати÷еское реãуëирова-ние ÷астоты и ìощности, в тоì ÷исëе норìиро-ванное перви÷ное реãуëирование ÷астоты (НПРЧ)[11]. Такой аãреãатор расс÷итывается с вëаäеëüöа-ìи конкретных устройств, обеспе÷ивøих оказаниеусëуãи, соãëасно их факти÷ески изìеренноìу вкëа-äу на базе сìарт-контрактов.Ряä сöенариев испоëüзования пëатфорìы ори-

ентирован на операторов кëасси÷ескоãо форìата итрансакöии типа P2O.Сценарий 4. Коммерческая диспетчеризация пот-

ребителей. Типи÷ныì оператороì явëяется коì-ìер÷еский äиспет÷ер, оказываþщий кëиентаì —активныì потребитеëяì усëуãи по оптиìаëüноìууправëениþ их энерãоприниìаþщиì оборуäова-ниеì, собственной ãенераöией и накопитеëяìи



эëектроэнерãии в öеëях ìиниìизаöии пëатежейза закупаеìуþ на розни÷ноì рынке эëектроэнер-ãиþ и ìощностü при собëþäении оãрани÷ений поуäовëетворениþ потребностей кëиентов в эëект-роэнерãии. Вознаãражäение оператору опреäеëя-ется в зависиìости от äостиãнутой веëи÷ины эко-ноìии пëатежей в рас÷етноì периоäе соãëасно пра-виëаì, заäанныì в сìарт-контракте с кëиентоì.Сценарий 5. Управление активными энергетичес-

кими комплексами (АЭК). Функöии, схожие с теìи,которые осуществëяет коììер÷еский äиспет÷ер,выпоëняет оператор АЭК — ëокаëüноãо коìпëек-са объектов по произвоäству и потребëениþ эëект-роэнерãии, связанных собственныìи эëектросе-тяìи, который присоеäинен к внеøней сети воäной то÷ке посреäствоì спеöиаëизированноãопроãраììно-аппаратноãо узëа, называеìоãо управ-ëяеìыì интеëëектуаëüныì соеäинениеì (УИС)[12]. Оператор осуществëяет оптиìаëüное управ-ëение АЭК при поìощи УИС и иных среäств ав-тоìатизаöии в öеëях ìиниìизаöии отбора ìощ-ности из внеøней сети в стоиìостноì выражениии поëу÷ает за это вознаãражäение от вëаäеëüöевобъектов, вхоäящих в АЭК. В общеì сëу÷ае АЭКäоëжен обеспе÷иватü эëектроснабжение крити÷-ных наãрузок и в сëу÷ае прерывания внеøнеãоэëектроснабжения, перехоäя в островной режиì сëокаëüныì баëансированиеì ìощности и управ-ëениеì ÷астотой. Теì саìыì АЭК — это факти-÷ески спеöиаëüный сëу÷ай микрогрида (сì. сöена-рий 8), иìеþщеãо оãрани÷енный переток с внеø-ней энерãосистеìой. Отìетиì постепенный рост÷исëа таких ìикроãриäов в энерãосистеìах разныхстран, наприìер, как ìеру повыøения наäежнос-ти эëектроснабжения крити÷еских объектов инфра-структуры иëи функöионируþщих в небëаãопри-ятных усëовиях внеøней среäы (ëесные пожарыи äр.) [13].Сценарий 6. Диспетчеризация парка станций за-

ряда электротранспорта. Среäи ЭЭС РЭР особоеìесто заниìаþт станöии заряäа эëектротранспор-та. Профиëü их потребëения отëи÷ается нереãу-ëярностüþ и вспëескаìи отбора ìощности. Оп-тиìизаöионное пëанирование в управëении стан-öияìи ÷асто провоäится в öеëях установëенияпривëекатеëüной öены на заряäку äëя вëаäеëüöевэëектроìобиëей, äифференöированной по вреìе-ни и по ìесту нахожäения станöии, с у÷етоì какзаãрузки заряäных постов, так и рыно÷ной стои-ìости эëектроэнерãии. Может бытü преäëоженаäаже отриöатеëüная öена, коãäа оператор станöииотбирает энерãиþ у эëектроìобиëей äëя попоë-нения собственных накопитеëей, у÷астия в öикëеуправëения спросоì иëи оказания систеìных ус-ëуã. Рас÷еты ìежäу оператораìи станöий и вëа-

äеëüöаìи транспорта öеëесообразно осуществëятüна основе сìарт-контрактов [14].Сценарий 7. Диспетчеризация участков и районов

активной распределительной электрической сети.Распреäеëитеëüные сети траäиöионно рассìатри-ваþтся в фокусе энерãети÷ескоãо перехоäа. Ин-новаöионные энерãети÷еские и инфорìаöионныетехноëоãии позвоëяþт поäнятü на новый уровенüоказание траäиöионных сетевых усëуã, ка÷ествокоторых изìеряется показатеëяìи наäежности(SAIDI/SAIFI), объеìаìи потерü и переãрузок нау÷астках сети. Становится возìожныì преäостав-ëятü такие усëуãи поäкëþ÷енныì потребитеëяì наоснове сìарт-контрактов. В то же вреìя, наëи÷иена стороне потребитеëей ëокаëüноãо ãенерируþ-щеãо оборуäования и накопитеëей, управëяеìыхинвертораìи, преäъявëяет новые требования к аë-ãоритìаì пëанирования режиìов в ÷асти обеспе-÷ения устой÷ивости в усëовиях äвунаправëенноãоперетока ìощности.Заверøает пере÷енü сöенариев оперативноãо

управëения наибоëее ìноãоãранный и коìпëекс-ный из них.Сценарий 8. Управление микрогридами и микро-

рынками. К ìикроãриäаì относятся ëокаëüныеЭЭС РЭР, äëя которых поäкëþ÷ение к внеøнейэëектросети отсутствует иëи оãрани÷ено по ìощ-ности, ëибо требуþтся особые ìеры обеспе÷ениянаäежности эëектроснабжения. Строитеëüствоìикроãриäов ìожет бытü обусëовëено как отсут-ствиеì иëи оãрани÷енностüþ öентраëизованноãоэнерãоснабжения (в труäноäоступных районах),так и соображенияìи экоëоãи÷ности и престиж-ности. В раìках ìикроãриäа ìожно отрабатыватü всоответствуþщеì ìасøтабе все выøепере÷исëен-ные сöенарии, поëу÷ая ìаксиìаëüный синерãети-÷еский эффект от пëатфорìенноãо поäхоäа. Боëеетоãо, как указываëосü выøе, при наëи÷ии среäствобеспе÷ения устой÷ивости возìожна орãаниза-öия ëокаëüноãо ìикрорынка äëя пряìой торãов-ëи эëектроэнерãией ìежäу вëаäеëüöаìи РЭР, поä-кëþ÷енных к ìикроãриäу, путеì провеäения транс-акöий типа P2P на базе сìарт-контрактов. В этоìсëу÷ае режиì энерãосистеìы опреäеëяется не öент-раëизованныì оптиìизаöионныì пëанировани-еì, а технико-эконоìи÷ескиì консенсусоì ìеж-äу ìножествоì иãроков с разëи÷ныìи интереса-ìи [4].В перспективе типовой проöесс оперативноãо

управëения в раìках пëатфорìы ìожет бытü рас-øирен äëя реаëизаöии äруãих проöессов и заäа÷,в тоì ÷исëе возникаþщих на разëи÷ных стаäияхжизненноãо öикëа ЭЭС РЭР. В ка÷естве приìеровобëастей такоãо приìенения пëатфорìы ìожнопривести:

— инвестиöионное пëанирование и оöенку,



— проектирование ЭЭС РЭР,— закупки и строитеëüство,— техни÷еское обсëуживание и реìонт,— обу÷ение персонаëа субъектов распреäеëен-

ной энерãетики,— инфорìаöионно-анаëити÷ескуþ поääержку.

3. ÖÈÔÐÎÂÛÅ ÄÂÎÉÍÈÊÈ ÎÁÚÅÊÒÎÂ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÏËÀÒÔÎÐÌÛ

Особенностü преäëаãаеìой öифровой пëатфор-ìы закëþ÷ается в øирокоì испоëüзовании öиф-ровых äвойников. Цифровые äвойники объектовпреäназна÷ены äëя ìоäеëирования всевозìожныхвозäействий на эти объекты в хоäе их поëноãожизненноãо öикëа (в тоì ÷исëе не осуществëяв-øихся физи÷ески), проãнозирования резуëüтатовтаких возäействий, выработки и реаëизаöии ìерпо преäотвращениþ их неãативных посëеäствий[15]. Как указываëосü в § 1, öифровые äвойникифорìируþтся вìесте с ãруппаìи объектов управ-ëения в öеëях повыøения äостоверности преä-ставëения и анаëиза их состояния и повеäения.Как и пëатфорìы в öеëоì, öифровые äвойникиориентированы на приìенение при реøении не-оãрани÷енно øирокоãо круãа заäа÷ анаëиза и уп-равëения, в тоì ÷исëе не известных во вреìяпроектирования. Поэтоìу ãëавныì коìпонентоìöифровоãо äвойника явëяется коìпëекс разнороä-ных инфорìаöионных, рас÷етных, иìитаöионных,нейросетевых и äруãих ìоäеëей, способных опи-сатü ìаксиìаëüно øирокий круã аспектов повеäе-ния ориãинаëа с приеìëеìыì уровнеì äостовер-ности [16].В настоящее вреìя выäеëяþтся äва основных

принöипа построения таких ìоäеëей: путеì ÷ис-ëенноãо описания физи÷еских явëений и путеììаøинноãо обу÷ения по преöеäентаì [17]. Моäеëифизи÷еских явëений, основанные на ÷исëенныхìетоäах реøения систеì аëãебраи÷еских и äиффе-ренöиаëüных уравнений ìатеìати÷еской физики,уже нескоëüко äесятиëетий развиваþтся в составеСАПР (коìпüþтерных инструìентов инженерныхрас÷етов, анãë. Computer Aided Engineering, CAE).В посëеäние ãоäы появиëисü высокопроизвоäи-теëüные вы÷исëитеëüные среäства, способные вы-поëнятü инженерные рас÷еты не при проектиро-вании изäеëия в конструкторскоì бþро, а в хоäеэкспëуатаöии в ìяãкоì реаëüноì вреìени на äан-ных, поступаþщих с äат÷иков объекта. Это позво-ëяет испоëüзоватü CAE в öифровых äвойниках, втоì ÷исëе энерãети÷ескоãо оборуäования: напри-ìер, известны терìоэëектри÷еские ìоäеëи сиëо-вых трансфорìаторов, позвоëяþщие оперативнопреäсказыватü отказы [18]. В своþ о÷ереäü, ìоäеëи

на основе ìаøинноãо обу÷ения актуаëüны äëяпроöессов, отëи÷аþщихся высокой äинаìикой инаëи÷иеì изìен÷ивых скрытых законоìерностей.Такие проöессы присущи оборуäованиþ ЭЭС РЭР:наприìер, ãëубокие (ìноãосëойные) искусствен-ные нейронные сети приìеняþтся äëя проãнози-рования выработки ãенераторов на ВИЭ [19]. Гëав-ныì фактороì аäекватности ìаøинноãо обу÷енияявëяется наëи÷ие хороøей обу÷аþщей выборки —статисти÷ески репрезентативноãо набора äосто-верно набëþäаеìых сöенариев повеäения ориãи-наëа при разëи÷ных зна÷ениях всех вëияþщихфакторов.Дëя ЭЭС РЭР актуаëüны äва типа öифровых

äвойников, образуþщие иерархиþ:— öифровые ìоäеëи эëектрооборуäования,

позвоëяþщие описыватü ìехани÷еские, тепëовые,эëектроìаãнитные, хиìи÷еские и иные проöессы втрансфорìаторе, накопитеëе эëектроэнерãии и пр.;

— öифровые ìоäеëи эëектроэнерãети÷ескихсистеì в öеëоì, позвоëяþщие ìоäеëироватü уста-новивøиеся и перехоäные проöессы, оöениватüриски взаиìоäействия с окружаþщей среäой (ãро-зы, пожары, усëовия безопасности ëþäей и äр.).Цифровые ìоäеëи второãо типа уже нескоëüко

äесятиëетий приìеняþтся в составе среäств кëассаSCADA/EMS, SCADA/DMS/OMS и äр., позвоëяяäиспет÷ераì оöениватü риски при возìожных от-казах важных эëеìентов энерãосистеì, выпоëнятüоперативнуþ оптиìизаöиþ эëектри÷еских режи-ìов и äр. Новое ка÷ество такиì ìоäеëяì ìожетäатü у÷ет эконоìи÷еских аспектов развития ифункöионирования энерãосистеì, интеãраöия сãеоинфорìаöионныìи систеìаìи и äанныìи со-öиаëüных сетей. В иäеаëе, особенно äëя ãрупповыхобъектов управëения, öифровая ìоäеëü энерãо-систеìы äоëжна вкëþ÷атü в себя поëнофункöио-наëüные ìоäеëи всеãо испоëüзуеìоãо эëектрообо-руäования. Оäнако сборка öеëостноãо корректно-ãо öифровоãо äвойника ЭЭС РЭР из äвойников еесоставëяþщих ìожет потребоватü высоких затраттруäа и привести к вы÷исëитеëüно еìкой ìоäеëи.Факти÷ески требуется виртуаëüно воспроизвестипроöесс строитеëüства сеãìента ЭЭС РЭР на ин-форìаöионных и ìатеìати÷еских ìоäеëях. Дëяэтоãо необхоäиìы ìоäеëи, иìеþщие явно выäе-ëенные интерфейсы äëя взаиìоäействия äруã сäруãоì с проверкой корректности и поääержива-þщие иерархи÷ескуþ коìпозиöиþ. Веäутся иссëе-äования, направëенные на построение таких ìо-äеëей путеì сборки на уровне сиìуëяöий [20],нейросетей [21] и äр.Дëя форìаëüноãо описания и верификаöии

сборки ìоäеëей ранее быë преäëожен перспектив-ный поäхоä на базе ìатеìати÷ескоãо аппарата те-ории катеãорий [22]. Еãо основная иäея закëþ÷а-



ется в тоì, ÷то схеìа ЭЭС РЭР преäставëяетсяäиаãраììой в катеãории, объектаìи которой сëу-жат аëãебраи÷еские преäставëения ìоäеëей, а ìор-физìы описываþт äействия по сборке ìоäеëейсистеì из ìоäеëей составëяþщих. Дëя такой äиа-ãраììы вы÷исëяется универсаëüная конструкöиякопреäеëа (colimit) — аëãебраи÷еский анаëоã сбор-ки. В öеëях приëожения к разработке пëатфорìыбыëи äетаëüно изу÷ены такие конструкöии, опи-сываþщие сборку инфорìаöионных и иìитаöи-онных ìоäеëей, и на их основе выработаны типо-вые проектные реøения äëя коìпоновки öифро-вых äвойников ЭЭС РЭР.Цифровой äвойник ЭЭС РЭР реаëизуется в

пëатфорìе как коìпëекс ìатеìати÷еских ìоäеëей,настроенных (сконфиãурированных) на обработкув теìпе ìяãкоãо реаëüноãо вреìени разнообразнойинфорìаöии: ìассивов äанных теëеизìерений итеëесиãнаëизаöии по объектаì управëения от сре-äы интернета вещей, ìастер-äанных из инфорìа-öионной ìоäеëи объектов управëения, эëектрон-ной äокуìентаöии и öифровых интерактивныхсхеì (пëанов, карт) [23]. Макет такой ìоäеëи ëо-каëüной энерãосистеìы активноãо потребитеëя,разработанный в среäе Matlab Simulink, показан нарис. 2. Макет способен расс÷итыватü и показыватüãрафики состояния äëя всех еäиниö оборуäования,профиëи ãенераöии и потребëения по еäиниöаì и

по энерãосистеìе в öеëоì. Моäеëируþтся и отоб-ражаþтся как установивøиеся режиìы, так и пе-рехоäные проöессы, такие как перекëþ÷ение напитание от накопитеëя и отработка öикëа öено-зависиìоãо снижения потребëения. Иìеется воз-ìожностü расс÷итатü и заäатü уставки äëя инвер-тора накопитеëя.Чтобы обеспе÷итü сквознуþ совìестиìостü ìо-

äеëей по вхоäныì/выхоäныì äанныì и искëþ÷итüразно÷тения в иìеновании и интерпретаöии по-нятий, которыìи оперирует öифровой äвойник,инфорìаöионное обеспе÷ение разрабатывается наоснове общей äëя всей пëатфорìы онтоëоãии рас-преäеëенной энерãетики. Эта онтоëоãия форìиру-ется из реëевантных норìативно-техни÷еских äо-куìентов, таких как станäарты IEC 61968, 61970,62325 (Common Information Model, CIM), ГОСТР 58651.2—2019 «Еäиная энерãети÷еская систеìаи изоëированно работаþщие энерãосистеìы. Ин-форìаöионная ìоäеëü эëектроэнерãетики. Базис-ный профиëü инфорìаöионной ìоäеëи» (россий-ский профиëü CIM), преäваритеëüный наöио-наëüный станäарт «Инфорìаöионные техноëоãии.Уìная энерãетика. Терìины и опреäеëения», онто-ëоãия уìных энерãоприниìаþщих устройств SmartAppliances REFerence (SAREF), станäарт на сìарт-контракты ERC20 и äр.

Рис. 2. Макет цифрового двойника энергосистемы [23]



4. ÌÀÒÅÌÀÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÎÁÅÑÏÅ×ÅÍÈÅ ÎÏÒÈÌÈÇÀÖÈÎÍÍÎÃÎ ÏËÀÍÈÐÎÂÀÍÈß

Разëи÷ные заäа÷и оптиìизаöии возникаþт вовсех сöенариях испоëüзования систеìы управëе-ния распреäеëенной энерãетикой. Поìиìо кëас-си÷еских äëя эëектроэнерãетики заäа÷ оптиìиза-öии режиìов эëектроэнерãети÷еских систеì, вы-бора оптиìаëüноãо состава рабо÷еãо оборуäованияиëи конфиãураöии сети [24], совреìенные ЭЭСРЭР требуþт реøения заäа÷ оптиìаëüноãо пëани-рования работы сетевых накопитеëей эëектроэнер-ãии (СНЭ), оöенки рисков при управëении спро-соì, оптиìизаöии испоëüзуеìых аãреãатораìи ре-сурсов при оказании систеìных усëуã.Все эти оптиìизаöионные заäа÷и иìеþт своþ

спеöифику:— они реøаþтся на разных вреìенных проìе-

жутках: от нескоëüких ìинут в заäа÷ах управëенияìощностüþ при втори÷ноì реãуëировании ÷асто-ты [25] äо äесятиëетий в заäа÷ах пëанированияразвития сети [26];

— они иìеþт разëи÷ные критерии ìиниìиза-öии реактивной ìощности, потерü в сети, откëоне-ний напряжения от ноìинаëа, совокупных затратна ãенераöиþ, а также ìаксиìизаöии совокупнойприбыëи у÷астников эëектроэнерãети÷еской сис-теìы [24] иëи прибыëи отäеëüных у÷астников впреäпоëожении раöионаëüных (равновесных) äей-ствий остаëüных у÷астников [27];

— они вкëþ÷аþт в себя разëи÷ные наборы итипы переìенных (äвои÷ные, öеëо÷исëенные, не-прерывные);

— они разëи÷ныì образоì у÷итываþт неопре-äеëенностü буäущеãо, и т. ä.Наконеö, к реøениþ этих заäа÷ преäъявëяþтся

разëи÷ные требования по то÷ности и оператив-ности — от нескоëüких секунä в заäа÷ах äеëениясети [28] äо äней и ìесяöев в заäа÷ах пëанирова-ния состава кëиентов аãреãаторов (сì. ниже).В то же вреìя, пëатфорìенный поäхоä к реа-

ëизаöии систеì управëения распреäеëенной энер-ãетикой преäпоëаãает вкëþ÷ение в пëатфорìу ìак-сиìаëüно универсаëüных аëãоритìов реøенияоптиìизаöионных заäа÷, которые бы покрываëибоëüøуþ ÷астü заäа÷ сöенариев испоëüзованияпëатфорìы. Это требует разработки общей ìате-ìати÷еской ìоäеëи и унифиöированноãо поäхоäак форìуëировке и реøениþ заäа÷ оптиìизаöииэëектроэнерãети÷еских систеì. Поìиìо ìакси-ìаëüной универсаëüности ìатеìати÷еской ìоäе-ëи, АСУ ЭЭС РЭР äиктуþт высокие требования кìасøтабируеìости аëãоритìов äëя реøения заäа÷äëя äесятков тыся÷ приборов и сетей сëожнойконфиãураöии.

Универсаëüная ìоäеëü объеäиняет спеöификузаäа÷ разëи÷ных, в тоì ÷исëе инноваöионных,сöенариев — в постановке оптиìизаöионной заäа-÷и у÷итываþтся:

— управëение составоì и режиìаìи работы ис-то÷ников эëектроэнерãии — траäиöионных ãене-раторов и ВИЭ;

— управëение наãрузкой (пряìое управëение на-ãрузкой, перенос наãрузки, аãреãирование спроса);

— управëение накопитеëяìи эëектроэнерãии, втоì ÷исëе у общественноãо и персонаëüноãо эëект-ротранспорта;

— техни÷еские среäства управëения реактив-ной ìощностüþ и напряжениеì, конфиãураöиейЭЭС РЭР;

— систеìы и объекты, внеøние по отноøениþк объекту управëения (к ÷асти ЭЭС РЭР, контро-ëируеìой пëатфорìой), вкëþ÷ая ìноãо÷исëенныевзаиìные обязатеëüства ìежäу у÷астникаìи —сëожные ìноãоставо÷ные и ìуëüтизонные тарифына эëектроэнерãиþ и ìощностü, øтрафы за откëо-нение от заявëенноãо потребëения, обязатеëüствапо у÷астиþ в оказании систеìных усëуã и т. п.;

— боëüøое ÷исëо (äо нескоëüких сотен) взаи-ìосвязанных периоäов пëанирования;

— неопреäеëенностü буäущеãо — разëи÷ныесöенарии изìенения объеìов ãенераöии, потреб-ëения, рыно÷ных öен и äруãих зна÷иìых пара-ìетров.С то÷ки зрения разработки ìетоäов реøения

оптиìизаöионной заäа÷и кëþ÷евуþ роëü иãрает еекëасс. Вообще, заäа÷а оптиìизаöии режиìа эëект-ри÷еской сети — это невыпукëая заäа÷а неëи-нейноãо проãраììирования, обы÷но реøаеìая ìе-тоäоì Нüþтона — Рафсона. К сожаëениþ, этотìетоä не работает при наëи÷ии äискретных пере-ìенных, описываþщих состав вкëþ÷енноãо обо-руäования, режиìы наãрузки и конфиãураöиþ се-ти. К тоìу же, наëи÷ие в систеìе СНЭ зна÷итеëüноувеëи÷ивает разìерностü заäа÷и управëения режи-ìоì, поскоëüку периоäы пëанирования в преäеëахсуток становятся существенно взаиìозависиìыìи[29], ÷то сиëüно усëожняет реøение неëинейнойзаäа÷и. Такиì образоì, универсаëüностü и ìасø-табируеìостü öифровой пëатфорìы управëенияЭЭС РЭР требует иноãо поäхоäа.Неëинейные равенства, описываþщие переäа-

÷у энерãии ìежäу узëаìи эëектри÷еской сети, äëянорìаëüных режиìов работы распреäеëитеëüныхсетей преиìущественно раäиаëüной топоëоãии эф-фективно прибëижаþтся в раìках ëинейной ìо-äеëи «постоянноãо тока» (анãë. direct current powerflow [24]). Про÷ие исто÷ники неëинейности в за-äа÷е управëения режиìоì — неëинейные функ-öии себестоиìости ãенераöии и потери энерãии вëинии, также неëинейныì образоì зависящие от



объеìа протекаþщей ÷ерез нее активной и реак-тивной энерãии — ìоãут бытü заìенены кусо÷но-ëинейной аппроксиìаöией [30]. В раìках сöенар-ноãо поäхоäа к ìоäеëированиþ неопреäеëенности[31] при перехоäе к заäа÷е стохасти÷ескоãо про-ãраììирования кëасс оптиìизаöионной заäа÷ине ìеняется.В резуëüтате реøается сìеøанная (äискретно-

непрерывная) заäа÷а ëинейноãо проãраììирова-ния (СЗЛП). Дëя реøения заäа÷ такоãо типа в пос-ëеäние äесятиëетия разработаны эффективные ìе-тоäы на базе аëãоритìа ветвей и ãраниö с нижни-ìи оöенкаìи на основе непрерывной реëаксаöии.Совреìенные универсаëüные коììер÷еские оп-тиìизаöионные пакеты, такие как Gurobi, Mosek,IBM CPLEX, FICO Xpress, позвоëяþт эффективнореøатü СЗЛП боëüøой разìерности с тыся÷аìиäискретных и ìиëëионаìи непрерывных переìен-ных. В раìках пëатфорìы пëанируется, у÷итываяих опыт, разработатü собственные аëãоритìы ре-øения СЗЛП боëüøой разìерности на основе äе-коìпозиöионных ìетоäов [25]. Декоìпозиöионныеаëãоритìы оптиìизаöии ëеãко распараëëеëиваþт-ся, ÷то позвоëяет ìасøтабироватü пëатфорìенноереøение за с÷ет повыøения ÷исëа испоëüзуеìыхвы÷исëитеëüных яäер.Реøение заäа÷и в ëинейноì прибëижении

позвоëяет ответитü на важные вопросы выбора со-става вкëþ÷енноãо оборуäования, испоëüзованияСНЭ, выбора конфиãураöии сети. Оäнако ãаран-тированно äопустиìый режиì эëектри÷еской сетиìожно поëу÷итü, тоëüко реøив исхоäнуþ неëи-нейнуþ заäа÷у с у÷етоì потоков активной и реак-тивной ìощности в сети. Она реøается посëеäо-ватеëüно äëя кажäоãо пëановоãо периоäа вреìении при зафиксированных зна÷ениях äискретныхпереìенных, поëу÷енных из реøения ëинеаризо-ванной заäа÷и. В резуëüтате реøения этой непре-рывной заäа÷и относитеëüно небоëüøой разìер-ности нахоäится äопустиìый режиì, наибоëеебëизкий к расс÷итанноìу с у÷етоì эконоìи÷ескихсоображений в ëинейноì прибëижении.

C ростоì разìерности систеì то÷ное реøениеоптиìизаöионных заäа÷ и äаже прибëиженное ре-øение с заäанной то÷ностüþ становится невозìож-ныì. Даëüнейøее повыøение ìасøтабируеìостипëатфорìенноãо реøения возìожно с поìощüþìетоäов прибëиженноãо äинаìи÷ескоãо проãраì-ìирования (анãë. approximate dynamic programming)[32], ина÷е называеìоãо обу÷ениеì с поäкрепëе-ниеì (анãë. reinforcement learning) [33]. Этот поäхоäпреäставëяет собой коìбинаöиþ кëасси÷еских оп-тиìизаöионных поäхоäов, оптиìаëüноãо управëе-ния и поäхоäов, основанных на äанных (ìаøин-ноì обу÷ении), и позвоëяет при реøении ìноãо-периоäной оптиìизаöионной заäа÷и ìаксиìаëüно

испоëüзоватü инфорìаöиþ об истори÷еских усëо-виях функöионирования систеìы.На i-ì øаãе аëãоритìа äëя кажäоãо из рассìат-

риваеìых в соответствии с работой [31] сöенариевìиниìизаöия суììарных затрат объекта управëе-ния на äиапазоне периоäов пëанирования

C(•) = ct(s(t), u(t)) → ,

ãäе s(t) — состояние систеìы на на÷аëо периоäа t,äекоìпозируется на ìножество оäнопериоäныхзаäа÷ ìиниìизаöии скорректированных затрат

Ct(•) = ct(s(t), u(t)) + W(i)(s(t + 1), t) → ,

ãäе W(s, t) = WB(sB, t) + WS(sS, t) + WD(sD, t) ++ WA(sA, t) + WM(sM, t) — эвристи÷еская кусо÷но-ëинейная функöия Беëëìана, описываþщая вëи-яние ëокаëüных реøений u(t), приниìаеìых в пе-риоä t, на затраты буäущих периоäов в преäпо-ëожении раöионаëüноãо повеäения в буäущеì;s(t + 1) = 〈sB(•), sS(•), sD(•), sA(•), sM(•)〉 — опреäеëя-еìое на÷аëüныì состояниеì s(t) и управëениеìu(t) состояние систеìы на конеö периоäа t, вкëþ-÷аþщее в себя состояния всех СНЭ sB(•), статусыsS(•), sD(•) и sA(•) обязатеëüств по куìуëятивныì(наприìер, суто÷ныì) объеìаì приобретения, пос-тавки и потребëения эëектроэнерãии (ЭЭ) соот-ветственно, а также ìаксиìаëüное накопëенное ÷а-совое потребëение sM(•) (äëя у÷ета вëияния äвухста-во÷ноãо тарифа на переäа÷у ЭЭ); WB(•, t), WS(•, t),WD(•, t), WA(•, t), WM(•, t) — сëаãаеìые функöииБеëëìана, описываþщие буäущие затраты, свя-занные соответственно с СНЭ, куìуëятивныìиобязатеëüстваìи по приобретениþ, переäа÷е и пот-ребëениþ ЭЭ, äвухставо÷ныì тарифоì на пере-äа÷у ЭЭ.В хоäе реøения заäа÷и периоäа t äëя кажäоãо

узëа сети v ∈ V также вы÷исëяþтся äвойственныепереìенные оãрани÷ений баëанса ìощности, такназываеìые узловые цены LMPv(t). В преäпоëоже-нии фиксированных узëовых öен ìожно уто÷нитüсëаãаеìые функöии Беëëìана. Действитеëüно, ска-жеì, öенностü зака÷ки äопоëнитеëüной еäиниöыэнерãии в конкретный СНЭ в периоäе t опреäеëя-ется ìаксиìаëüной разниöей текущей и буäущейузëовой öены с у÷етоì потерü в накопитеëе, т. е.совокупные затраты WB(sB, t) всех СНЭ систеìыпреäставëяþт собой ëинейнуþ функöиþ заряäа.Анаëоãи÷ныì образоì уто÷няþтся и остаëüныесëаãаеìые функöии Беëëìана. Дëя сëеäуþщей ите-раöии уто÷ненные функöии усреäняþтся по сöе-нарияì.

t 1=

T

∑ minu 1( ) ... u T( ), ,

minu t( )



Такиì образоì, реøение заäа÷и ìетоäоì при-бëиженноãо äинаìи÷ескоãо проãраììирования ос-новано на аëãоритìе посëеäоватеëüноãо уто÷ненияэвристи÷еской функöии Беëëìана, при÷еì ско-ростü схоäиìости аëãоритìа зависит от тоãо, на-скоëüко то÷ныì явëяется нуëевое прибëижениефункöии Беëëìана, которое обы÷но берется изанаëоãи÷ноãо периоäа в проøëоì.Боëüøинство возникаþщих в бизнес-сöенари-

ях заäа÷ среäнесро÷ноãо пëанирования также вöеëоì описываþтся привеäенной выøе универ-саëüной ìоäеëüþ. Оäнако их спеöифика позвоëя-ет существенно снизитü разìерностü и преäëожитüбоëее эффективные аëãоритìы реøения. Рассìот-риì это на приìере заäа÷и выбора состава кëи-ентов аãреãатора систеìных усëуã. Как указано всöенарии 3, с ìассовыì распространениеì СНЭ ираспреäеëенной ãенераöии у сетевых коìпаний иаãреãаторов появëяþтся возìожности преäостав-ëения усëуã НПРЧ на основе ãрупповых äоãоворовпутеì испоëüзования спонтанно возникаþщих не-соãëасованных резервов СНЭ и ãазотурбинных ãе-нерируþщих установок. Аãреãатор ìожет, с оäнойстороны, преäëаãатü Систеìноìу оператору усëуãиãарантированноãо НПРЧ, а с äруãой стороны, обе-щатü небоëüøуþ фиксированнуþ пëату вëаäеëü-öаì оборуäования за возìожностü уäаëенноãо уп-равëения настройкаìи их среäств ПРЧ и за äоступк их систеìаì ìониторинãа ПРЧ, не требуя приэтоì от них поääерживатü резервы ìощности.Аãреãатор, выбирая состав РЭР äëя закëþ÷ения

с их вëаäеëüöаìи äоãоворов у÷астия в ãрупповоìНПРЧ, ìаксиìизирует ìатеìати÷еское ожиäаниесвоей прибыëи, равное разниöе ìежäу ожиäаеìыìäохоäоì и затратаìи:

F(Ц, R, x) = Ц•R•π(Ц)•Т –

– Ш•ES(r(t)•x' – R) – c•x',

ãäе Ц — öеновая заявка аãреãатора на рынке усëуãиНПРЧ; R — заявëенный аãреãатороì резерв актив-ной ìощности; x = (x1, ..., xn) — вектор-строка от-

бора кëиентов на пëановый периоä (ãäе xi = 1, есëи

i-й кëиент отбирается äëя у÷астия в ãрупповоìНПРЧ, и 0 в противноì сëу÷ае); π(Ц) — проãнозвероятности отбора заявки аãреãатора с öеной Цна рынке систеìной усëуãи НПРЧ (неотриöатеëü-ная убываþщая функöия); T — ÷исëо контроëü-ных периоäов на ãоризонте пëанирования; Ш —ставка øтрафа за непреäоставëение кажäоãо МВтрезерва ìощности; ES(y), ãäе y — äействитеëüнаясëу÷айная веëи÷ина с пëотностüþ распреäеëения

p(y), — функöия ожиäаеìых потерü (анãë. ExpectedShortfall):

ES(y) = – yp(y)dy,

которуþ также ìожно записатü ÷ерез среäнее аб-соëþтное откëонение и ìатеìати÷еское ожиäание

арãуìента как ES(y) = – ; r(t) = (r1(t), ...,

rn(t)) — вектор-строка сëу÷айных веëи÷ин про-ãнозов объеìа резерва оборуäования кëиентов i == 1, ..., n в контроëüный ìоìент t; c = (c1, ..., cn) —вектор-строка стоиìостей у÷астия кëиентов i == 1, ..., n в ãрупповоì НПРЧ (öены äоступа к сис-теìаì ìониторинãа кëиентов).Преäпоëожение норìаëüности распреäеëения

сëу÷айных веëи÷ин ri(t), i = 1, ..., n, в кажäый ìо-ìент вреìени t = 1, ..., T позвоëяет отказатüся отобщеãо сöенарноãо поäхоäа к у÷ету неопреäеëен-ности [31] и карäинаëüно уìенüøитü разìерностüзаäа÷и. В этоì преäпоëожении суììарный резервR(t) = r(t)•x' — это норìаëüно распреäеëенная сëу-

÷айная веëи÷ина со среäниì (t) = (t)x' и äис-

персией Σ2(t) = xKtx', ãäе (t) — вектор ìатеìати-÷еских ожиäаний сëу÷айных веëи÷ин r1(t), ..., rn(t),а Kt — их ìатриöа ковариаöии, и заäа÷а своäитсяк заäа÷е сìеøанноãо неëинейноãо проãраììиро-вания:

F(Ц, R, x) = Ц•R•π(Ц)•Т –

– Ш•ES(r(t)•x' – R) – c•x',

ãäе φ(•) и Φ(•) — функöия пëотности и функöияинтеãраëüноãо распреäеëения станäартноãо нор-ìаëüноãо распреäеëения соответственно.Соãëасно работе [34], реøение этой заäа÷и эк-

виваëентно реøениþ сеìейства заäа÷ кваäрати÷-ной ìиниìизаöии среäней по вреìени äисперсии

резервов Σ2 := x x' при параìетри÷ески

заäанноì оãрани÷ении на среäний резерв x (t)'.

Кваäрати÷ные заäа÷и äвои÷ноãо проãраììирова-ния своäятся к ëинейныì заäа÷аì станäартныìитехникаìи. Функöия π(Ц) при этоì также заìеня-ется своей воãнутой кусо÷но-ëинейной аппрокси-ìаöией.Анаëоãи÷ные заäа÷и возникаþт и при аãреãи-

ровании систеìных усëуã втори÷ноãо реãуëирова-ния ÷астоты, öенозависиìоì снижении потребëе-

t 1=

T

∑

∞–

0

∫

12--- y 1

2--- y

R r

r

t 1=

T

∑

Kt/Tt 1=

T

∑⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞

t 1=

T

∑ r



ния, управëении ãруппой заряäных станöий эëект-ротранспорта; они реøаþтся с поìощüþ схожихпоäхоäов.

5. ÀËÃÎÐÈÒÌÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÄÀÍÍÛÕ

Как отìе÷ено выøе, эффективностü аëãоритìаприбëиженноãо äинаìи÷ескоãо проãраììированияво ìноãоì обусëовëена испоëüзованиеì накоп-ëенной (в функöии Беëëìана) истори÷еской ин-форìаöии о функöионировании систеìы. Это при-ìер аëãоритìа, основанноãо на äанных. Остаëü-ные аëãоритìы, описанные в преäыäущеì разäеëе,также требуþт боëüøоãо объеìа исхоäных äанных.Частü исхоäных äанных преäставëяет собой ре-зуëüтат норìативноãо пëанирования (произвоäст-венные пëаны), а остаëüные äанные ìожно тоëüкопроãнозироватü.Этиì обусëовëена необхоäиìостü реаëизаöии в

пëатфорìе øирокоãо спектра ìетоäов проãнози-рования зна÷иìых параìетров. В основноì этопроãнозы потребëения в

Documents

УДК 004.896 DOI: ... - pu.mtas.rupu.mtas.ru/archive/Kovalyov_620.pdf · УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ