Большие системы энергетики. Понятие о системном подходе и системном анализе

БОЛЬШИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМНОМ ПОДХОДЕ И СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ

Электроэнергетические системы (ЭЭС) и их объединения относятся к классу больших искусственных систем (БИС) [1, 2]. Дадим пояснения каждой из частей этого понятия.

Системой можно назвать объединение элементов, образующих связное целое в некотором заранее принятом смысле. Под элементом будем понимать объект, учитываемый лишь внешними характеристиками и свойствами, т.е. не разлагаемый на составные части.

Искусственной системой называется созданная человеком совокупность объектов. Системы энергетики в этом отношении несут двойной смысл: кроме всего, человек рассматривается как их неотъемлемая часть. Ввиду этого они также называются человеко-машинными системами. Как правило, БИС тесно взаимодействуют с природными системами, что нельзя не учитывать в расчетах их функционирования и, особенно, развития.

Наконец, большими называют такие системы, которые характеризуются особыми, только им присущими свойствами. Главным из них является свойство эмерджентности. Эмерджентность означает появление у целого таких свойств, которых нет у составляющих его частей.

Для того чтобы это качество проявило себя в полной мере, необходимо, чтобы части сами имели достаточно сложную внутреннюю структуру. Иначе, элементы, составляющие большую систему, рассматриваются как неделимые лишь на определенном этапе анализа, когда система представляется в агрегированной форме. При более детальном представлении ее элементы также обнаруживают сложную структуру.

Нетрудно показать, что ЭЭС также относятся к БИС, поскольку они являются человеко-машинными системами, связанными общими целями развития и функционирования, режимами работы, имеют сложную внутреннюю структуру, которая на различных этапах анализа по-разному агрегируется. На каждом уровне рассмотрения агрегированные элементы, по существу, представляют собой подсистемы рассматриваемой системы. На уровне рассмотрения подсистемы она сама выступает в качестве системы по отношению к своим элементам. Таких уровней БИС может иметь много, образуя тем самым иерархическую структуру. Свойство иерархичности является одним из основных свойств БИС.

Следует отметить, что ЭЭС сами могут рассматриваться как подсистемы систем более высоких уровней. В частности, они являются подсистемами электроэнергетики как подотрасли топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Тот, в свою очередь, входит в качестве отрасли в сектор экономики «промышленность». Во многих задачах развития ЭЭС требуется рассматривать такие системы более высоких уровней. В этом случае уместнее говорить о больших системах энергетики (БСЭ).

Наряду с иерархичностью при анализе БСЭ необходимо учитывать также их связь с внешней средой, определяющей условия их развития. Этим, однако, далеко не исчерпываются главные свойства больших систем. К ним следует также отнести:

- организованность и управляемость на основе адаптации и эргатичности;

- двойственность природы;

- многосубъектность;

- многокритериальность;

- большое разнообразие состояний, свойств и связей;

- многовариантность функционирования и развития;

- устойчивость и динамизм развития

и некоторые другие.

Под организованностью и управляемостью понимается упорядоченность элементов системы, наличие определенной структуры, способность получать извне информацию и использовать ее для поддержания своей упорядоченности. Если в этом процессе система повышает свою организованность, то она называется самоорганизующейся. Этот процесс связан с приспособлением (адаптацией) системы к меняющимся внешним условиям. Системы называются эргатическими, т.к. их адаптация происходит при участии человека.

Двойственность природы больших систем проявляется в том, что, с одной стороны, под влиянием причинно-следственных связей их поведение подчиняется определенным закономерностям, а с другой - обилие воздействий, учесть которые практически невозможно, заставляет рассматривать их как случайные явления, вносящие в поведение систем некоторую долю неопределенности.

Участие человека в БСЭ приводит к необходимости выделения различных субъектов системы управления (СУ), имеющих свои, порой противоречивые интересы. Таким образом, большие системы становятся многосубъектными.

Интересы даже одного субъекта СУ многообразны. В результате мы имеем дело со свойством многокритериальности больших систем. При этом подразумевается, что критерии являются выражением интересов субъектов.

Сложность структуры, многообразие элементов больших систем, связей между ними создают многообразие состояний и свойств БИС. В свою очередь, это позволяет достигать одного и того же целевого результата различными путями. Последнее отражается свойством многовариантности.

Обилие элементов БИС в совокупности с обилием противоречивых, изменяющихся во времени внешних и внутренних воздействий приводит к отсутствию резких скачков в развитии БИС. Иначе говоря, большие системы являются высокоинерционными, устойчивыми в своем динамическом развитии.

Методологией исследования больших систем является системный подход. Этот подход базируется на следующих основополагающих принципах:

1) система должна рассматриваться как единое целое, а не как простая совокупность слагающих ее элементов;

2) система представляет собой некоторую структуру, построенную по иерархическому или сетевому принципу организации, но с элементами иерархической структуры;

3) система представлена своими субъектами, имеющими как общие, так и частные цели;

4) изучение свойств системы возможно с использованием методов моделирования. Модели систем должны учитывать все их определяющие свойства и связи с окружающей средой;

5) получаемые решения могут рассматриваться лишь как этапные, т.е. они должны непрерывно или периодически корректироваться и дополняться с учетом вновь появляющихся, ранее не учтенных обстоятельств, отражая свойство адаптивности БИС.

Реализация этих общих принципов требует применения соответствующей совокупности методов анализа БИС и выработки решений (рекомендаций) по их развитию и функционированию. Эта совокупность образует синтезирую-щую дисциплину - системный анализ. К системному анализу, применяемому для исследования БСЭ, относятся методы технической и экономической кибернетики, исследования операций, теория принятия решений в условиях неопределенности целей и исходной информации о существующем и прогнозном состоянии БСЭ и условиях их развития.

Системный анализ использует все классические и современные методы анализа, такие как линейное, нелинейное, динамическое, дискретное, стохастическое программирование; теорию распознавания образов; теорию нечетких множеств и свидетельств; математическую статистику, особенно регрессионный и корреляционный анализы; планирование эксперимента; экспертный анализ; математическую логику и диалоговые процедуры; имитационное моделирование и т.д.

В самом общем (однако несколько упрощенном) виде задачи развития БСЭ можно представить в форме схемы, изображенной на рис. 1, а. Здесь показаны вектор параметров внешних условий развития , вектор управляющих воздействий , вектор случайных параметров и критериальный векторный интегральный функционал . Векторный критериальный (целевой) функционал является интегральным, т.к. в больших системах решение, как правило, выбирается не по мгновенной реакции системы, а по интегральному результату за некоторый срок T (срок оптимизации):

. (1)

При таком представлении значение векторного функционала цели выражается в виде функции входных параметров, а в конечном счете - в виде функции управляющих воздействий . Строго говоря, лишь экстремальное значение функционала цели носит название критерий. Однако для краткости часто и сам функционал цели называют критерием.

Изменение параметров X, Y и Z, как правило, ограничивается некоторыми диапазонами типа

. (2)

Их изменение может также быть взаимно обусловленным:

; (3)

. (3а)

Зависимости типа (3а) но-сят название условий связи.

Модель системы типа изображенной на рис. 1, а носит название «черный ящик», т.к. о ее внутренних связях ничего не известно. Как правило, некоторая информация о внутренних связях в системах энергетики имеется, что позволяет параметры системы представить в виде внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) . Выработка управляющих воздействий осуще-ствляется некоторой системой управления (СУ), реакция которой проявляется в виде обратной связи (рис. 1, б). Соответствующая модель системы может быть названа «серым ящиком». Значения, принимаемые эндогенными переменными, зависят от значений экзогенных (внешних условий) и управляющих переменных

. (4)

Поэтому экзогенные и управляющие переменные называются независимыми, а эндогенные - зависимыми.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧ ПЛАНИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЭС

Электроэнергетика, являясь системой открытого типа, имеет тесные связи с другими народнохозяйственными системами. В первую очередь к ним относятся связи с топливоснабжающими системами: углеснабжающей, газоснабжающей, нефтеснабжающей, ядерно-энергетической. В результате можно говорить о существовании системы особого рода - топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Также следует выделить подсистемы экономики, смежные с ТЭК: транспортную, энерго- и электромашиностроение, электроаппаратостроение.

Здесь были названы системы производственного типа, связанные с электроэнергетикой по ее ресурсному обеспечению. Такого же типа, но непроизводственную связь электроэнергетика имеет с окружающей природной средой, ресурсы которой она также потребляет. В то же время электроэнергетика связана со всеми народнохозяйственными системами через поставку своей продукции, т.е. с отраслями промышленности, строительным комплексом, сельским хозяйством, коммунально-бытовым сектором.

В период существования жесткой централизованной системы управления народным хозяйством задачи планирования развития отраслей существенно упрощались вследствие строгой иерархической структуры управления экономикой страны и подчинения частных целей подсистем единой общей цели развития экономики в целом. Это позволяло говорить не просто о планировании развития, но даже о управлении развитием.

С отказом от административных методов управления и переходом к рыночному регулированию произошел также отказ от жесткой системы подчинения низших иерархических уровней экономики верхним. Соответственно была ликвидирована и система подчинения частных целей субъектов СУ общим народнохозяйственным (а зачастую и политическим). Резко ослабели вертикальные связи в управлении. Тем не менее иерархичность строения экономики сохранилась по технологическим причинам. Способы управления в такой системе значительно усложнились из-за децентрализации самой системы управления. Это привело, с одной стороны, к тому, что основные задачи развития электроэнергетики сохранились, хотя и модифицировались применительно к новым условиям, а с другой стороны - к появлению новых задач развития, актуальных в условиях перехода к рыночной экономике.

Существенно изменились и подходы к самим задачам развития. В них значительно увеличился вес аспекта прогнозирования и снизился вес аспекта управления, возросла степень неопределенности целей и информации о будущих условиях развития. Целью анализа при рассмотрении задач является, как правило, не выработка предписаний, а сообщение лицу, принимающему решения (ЛПР), всей необходимой информации об условиях развития, последствиях принятия тех или иных решений в различных условиях и рекомендаций наиболее рациональных решений с их обоснованием.

Рассматривая задачи развития электроэнергетики, необходимо учитывать, что, с одной стороны, технологическая структура электроэнергетики, состоящей из Единой электроэнергетической системы России (ЕЭЭС), объединенных электроэнергетических систем (ОЭЭС), районных (территориальных) электроэнергетических систем (ЭЭС), предприятий электрических сетей (ПЭС), электростанций, электросетевых районов сохранилась. Однако произошли серьезные изменения в структуре их управления в связи с акционированием электроэнергетики. Образование РАО «ЕЭС России», его дочерних акционерных обществ (ДАО), акционерных обществ энергетики и электрификации (АО-Энер-го) привело к росту самостоятельности региональной электроэнергетики, возможности выработки рациональных решений не на основе предписаний, а на основе поиска консенсуса среди субъектов СУ.

Изменения в системе управления электроэнергетикой коснулись и проектных организаций, решающих задачи развития ЭЭС. С созданием акционерных обществ из отделений головных проектных институтов произошла регионализация управления развитием электроэнергетики. В настоящий момент начался новый этап реформирования электроэнергетики, проявляющий себя в виде реструктуризации РАО «ЕЭС России» и призванный повысить ее рыночную эффективность.

При формировании задач развития электроэнергетики следует учитывать также возросшую самостоятельность ее подсистем: электрогенерирующей, электрораспределяющей и электропотребляющей. В настоящем переходном периоде в России еще сохраняется, хотя и в ослабленной форме, монополизация электроснабжающей отрасли, поэтому пока нет явного разделения первых двух из отмеченных подсистем. В то же время электропотребляющие подсистемы, получив экономическую самостоятельность, становятся вполне самостоятельными субъектами по отношению к электроснабжающим, что не может не отразиться на задачах развития.

В свете сказанного рассмотрим структуру задач развития электроэнергетики [3]. Основные задачи представлены в табл. 1. Хотя в настоящее время вертикальные иерархические связи в СУ значительно ослабели, признаки иерархической классификации - производственный, территориальный, временной - целесообразно сохранить. Это соответствует технологическим особенностям ЭЭС и других подсистем экономики и итеративному циклическому характеру выработки решений по их развитию. Выделение иерархических уровней, кроме того, отвечает сложности БСЭ, требующей применения поэтапного агрегированного принципа анализа и выработки решений по развитию.

По поводу изложенной в табл. 1 классификации необходимо отметить следующее. Не вошли в таблицу, но учитываются при решении задач прогнозы общеэкономической и социальной ситуации в стране, ее регионах и территориях, динамики отечественного и мирового рынков. Эти вопросы разрабатываются на стадиях формирования стратегии или концепции развития электроэнергетики страны и программ развития электроэнергетики регионов. Для этого широко применяется сценарный подход. Стратегия и программы развития электроэнергетики, как правило, разрабатываются как раздел стратегии и программ развития ТЭК или даже экономики регионов.

Последующие задачи пп. 3-6, упомянутые в таблице, могут ставиться как самостоятельные. Однако обычно они разрабатываются в комплексе с формированием энергопрограмм.

Задачи прогнозирования новой техники относятся к прогнозированию научно-технического прогресса (НТП). Их особенностями в данной постановке являются необходимость учета значительной инерционности процесса создания и освоения новой техники, неопределенность прогнозных значений ее экономических показателей, зависящих, кроме всего, от конъюнктуры спроса. При их решении следует также учитывать мировой рынок и соотношение на нем цен и предложений.

Как потребность в новой технике, так и результаты определения рациональной концентрации на локальном (агрегаты, единичные мощности электростанций) и региональном (энергетические комплексы) уровнях требуют определения рациональной степени интеграции систем энергетики для энергоснабжающих систем с учетом энергопотребляющих систем. Эта сравнительно новая задача, появившаяся в связи с переходом к рынку, является развитием известной задачи определения рациональной глубины электрификации. Эти задачи имеют тесную взаимосвязь с задачей формирования структуры электрогенерирующих источников по типам электростанций.

Таблица 1

Задачи прогнозирования для развития ЭЭС

Задача	Производ-ственный и территориальный уровень	Ориенти-ровочный временной период, лет	Решения, обосновываемые в задаче
1. Прогнозирование нагрузок и электропотребления	ЕЭЭС, страна	20-30	Перспективная потребность в электроэнергии. Характерные режимные показатели спроса
	ОЭЭС, регион		Перспективная потребность в электроэнергии. Характерные графики электрических нагрузок. Балансы мощности и энергии
	ЭЭС, адм.обл. (республика)	10-15	То же
	Энергорайон (ЭР), узел на-грузки (УН)	10-15	Перспективная потребность в электроэнергии. Характерные показатели графиков нагрузки
2. Разработка стратегии и программ развития электроэнергетики	ЕЭЭС	20-30	Стратегические направления в прогнозировании развития электроэнергетики страны, разработка приоритетов государственной поддержки регионов и подотраслей ТЭК
	ОЭЭС, регион, ЭЭС, адм.обл.	15-20	Программы развития электроэнергетики регионов и их ЭЭС (территорий) и определение рациональной степени интеграции
3. Прогнозирование новой техники (основного оборудования)	Страна, мировой рынок		Новые классы напряжения; типы, единичные мощности и экономические показатели генерирующего и электросетевого оборудования
3.1. Разработка новых типов и создание опытных образцов		5-10
3.2. Серийное производство		15-20
3.3. Определение перспективной потребности в основном оборудовании	ЕЭЭС ОЭЭС ЭЭС	20-30 15-20 10-15	Прогнозирование и размещение заказов на предприятиях
4. Определение рациональной степени концентрации электроэнергетики
4.1. Определение рациональной концентрации генерирующих мощностей	ЕЭЭС ОЭЭС	20-30 15-20	Рациональная территориальная, станционная и блочная концентрация (по типам электростанций) по элементам агрегирования
	ЭЭС, ЭР, УН	5-10	Расширение зоны централизованного электроснабжения. Рациональная схема электроснабжения
5. Определение структуры генерирующих мощностей	ЕЭЭС ОЭЭС	20-30 15-20	Прогнозные объемы ввода генерирующей мощности по типам электростанций
6. Оптимизация размещения и мощности электростанций с учетом их технического перевооружения	ОЭЭС, ЭЭС	10-20	Определение пунктов и площадок новых электростанций, темпов ввода мощностей; рекомендуемых вариантов реконструкции существующих электростанций
7. Разработка схем развития электрических сетей	ЕЭЭС	10-20	Структура системообразующих сетей ЕЭЭС, межсистемные связи для ОЭЭС
	ОЭЭС	10-15	То же для ОЭЭС и ЭЭС
	ЭЭС	5-10	Схемы основных электрических сетей ЭЭС

Если последняя задача требует высокой степени агрегирования информации, то решение следующей (см. п. 6 табл. 1) приводит к определению показателей конкретных энергетических объектов. Наблюдающаяся в последние годы интенсификация процесса физического и морального износа основного оборудования ЭЭС в сочетании с инфляционными процессами, увеличивающими финансовый риск крупных инвестиций, приводит к повышению привлекательности вариантов реконструкции и модернизации действующего оборудования электростанций по отношению к новому энергетическому строительству.

Если задачи 1-6 целиком относятся к предпроектным стадиям работ, то задачи разработки схем развития электрических сетей переходят также в разряд проектной стадии работ. В то же время целый ряд принципиальных решений, принимаемых в этих задачах, определяется на предпроектных стадиях. Например, принципиальные вопросы развития системообразующих сетей определяются рациональной степенью интеграции ЭЭС. Это означает выбор между стратегией самобалансирования и рационального уровня взаимопомощи ЭЭС, а на стадиях разработки схем электроснабжения потребителей - рациональных уровней централизации электроснабжения.

Одним из важнейших разделов работ, выполняемых на предпроектной стадии, является разработка технико-экономических обоснований (ТЭО). Этот вид работ выполняется, как правило, для электростанций, схем развития электрических сетей и наиболее крупных электросетевых объектов. В последнее время в связи с экономической самостоятельностью энергетических предприятий этот вид работ может принимать форму разработки бизнес-планов сооружения энергетических объектов, основной целью которых является определение их финансовой эффективности.

При разработках развития ЭЭС на предпроектных стадиях следует учитывать инерционность энергетического комплекса из-за его высокой капиталоемкости. Это снижает адаптационные возможности ТЭК, поэтому проектирование и строительство объектов ТЭК должно быть упреждающим и опережающим. Иначе из-за влияния факторов неопределенности развития отрицательные последствия могут оказаться катастрофическими.

Работы, выполненные на предпроектных стадиях, практически предопределяют дальнейшее развитие ЭЭС. Они задают технические условия (техни-ческое задание) для конкретного проектирования энергетических объектов, выполняемого также стадийно - в виде разработки технического проекта и рабочих чертежей.

В заключение необходимо отметить, что в табл. 1 упомянуты лишь основные задачи перспективного развития ЭЭС и не упомянуты многие важные задачи, такие как разработка программ энергосбережения (или программ повышения эффективности использования энергии), программ развития нетрадиционных источников энергии, определения рациональных уровней резерва мощности в ЭЭС. В последнее время в связи с нестабильностью развития в число актуальных выдвинулась задача анализа энергетической безопасности региона и его территорий, решаемая в рамках анализа экономической безопасности.