Ретроспектива: инновационные и цифровые решения в энергетической отрасли

В условиях активных вызовов перед Россией в области цифровизации энергетики и ее отдельных сегментов остро встал вопрос о том, смогут ли внутренние ресурсы страны обеспечить надежный плацдарм для развития курса на цифровизацию отрасли. У многих специалистов возникают логичные вопросы, всегда ли было так, что Россия могла самостоятельно справляться с целями и задачами по развитию отрасли энергетики и на зависеть от сторонних ресурсов. Взгляд в историческое прошлое и выделение периодов в отраслевой истории, изучение того, как развивались технологии автоматизации производства и предпосылки к цифровизации, очень важно.

Первая половина 20 века

Промышленное применение электроэнергии в России начинается с середины 1880-х годов. Благодаря достижениям науки и промышленности появилась возможность для первого «энергетического пере-

ГРНТИ 44.01.09

EDN MEZAGO

Александр Аркадьевич Парень – преподаватель Высшей экономической школы Санкт-Петербургского государственного экономического университета, руководитель команды разработки технической документации ООО «Кристалл Сервис Интеграция» (г. Санкт-Петербург).

Статья поступила в редакцию 25.12.2022.

хода»: от непосредственной передачи усилий силовых машин (в основном паросиловых) на движущиеся механизмы через ременные, цепные и т.п. передачи к новому процессу «производство работы на удалении, выработка электроэнергии, передача электроэнергии на расстояние, потребление энергии в виде привода движущихся механизмов».

Переход от непосредственной тяги на более гибкую и эффективную электрическую создал основу для увеличения производительности труда в промышленности и стал важным фактором геоэкономиче-ской и геополитической конкуренции России в мире. На этом этапе электроэнергетика развивалась децентрализовано, т.е. путем строительства объектов генерации в непосредственной близости от точек потребления – многочисленных фабрично-заводских электростанций, построенных промышленными потребителями только для удовлетворения собственных потребностей в электроэнергии, а также городских электростанций, обеспечивавших население электроэнергией для бытовых целей (освещение) и общественного транспорта (трамвай).

Основным первичным источником энергии для электростанций того времени были уголь и нефть с ограниченного числа месторождений, поскольку доставка была затруднена из-за недостаточной развитости сети железных дорог России. Небольшую долю составляли местные источники топлива – дрова, торф и низкокалорийный уголь. Гидроэнергия использовалась в крайне ограниченном объеме [5].

Великая Отечественная война и первые послевоенные годы

Своевременность и эффективность создания объединенных энергосистем особенно подтвердились в самый трудный для нашей страны исторический период. Эвакуация промпредприятий на Урал, в Сибирь и Среднюю Азию потребовала организации там энергоснабжения. И хотя с оккупированных территорий удалось эвакуировать лишь небольшую часть оборудования электростанций, энергетики страны с честью выполнили задачу обеспечения электроэнергией предприятий.

Восстановление электроэнергетики в первые послевоенные годы происходило путем установки оборудования, полученного по репарациям. С начала 1950-х и вплоть до 1990-х годов электрические станции и сети оснащались только отечественным оборудованием. Основой топливного баланса тепловых электростанций оставались местные угли, торф, мазут. Началось строительство каскадов гидроэлектростанций на Волге, Каме, Днепре и Ангаре [5].

1950-1960-е годы

Вынужденное использование устаревшего оборудования привело к отставанию показателей экономичности энергетики от передовых стран. Принятые меры позволили в кратчайшие сроки последовательно разработать и включить в работу энергоблоки 150, 200, 300 и 800 МВт, обладавшие экономичным расходом топлива и сниженными затратами на строительство и эксплуатацию. Вводятся в строй самые крупные гидроэлектростанции каскада ГЭС на Волге – Куйбышевская (Жигулевская) и Сталинградская (Волжская).

В Сибири строятся крупнейшие на тот период в мире Братская и Красноярская ГЭС. Бурно растущая промышленность страны требовала все больше энергоресурсов, баланс которых в европейской части страны нуждался в дополнительных источниках, одним из которых стала атомная энергия. Использование обогащенного урана для выработки электричества открывало новую эру в истории отрасли, полностью меняя ее уклад. Фантастическая энергоотдача ядерного топлива при относительно небольшом весе и объеме позволяла перевозить его по всей стране независимо от местонахождения атомных электростанций и месторождений, отказавшись от принципа «кустования» электростанций вблизи топливных ресурсов, заложенного в эпоху ГОЭЛРО [5].

1970-1980-е годы

Развернутое в 1970-х годах строительство АЭС с энергоблоками 1000 МВт нацеливалось на ежегодный ввод до 10 ГВт, что было трудновыполнимой задачей для отечественной промышленности. Понимая это, правительство принимает дополнительный вариант обеспечения энергетического фундамента для развития страны – строительство крупных тепловых электростанций, расположенных вблизи мест добычи угля в Казахстане и Сибири, с передачей выработанной электроэнергии в Центральный район [5]. 1990-е годы

К началу 1990-х годов политические изменения, лихорадившие страну, стали негативно сказываться на ее экономическом положении. Началось падение промышленного производства: только за 1991 год по- требление электроэнергии предприятиями снизилось на 6%. С распадом Советского Союза во всех отраслях промышленности распались и многие межрегиональные (теперь уже международные) связи. Предприятия на территории бывших республик СССР, ранее надежно связанные между собой тысячами межотраслевых и внутриотраслевых экономических нитей, оказались без заказчиков и комплектующих. Жесткий экономический и финансовый кризис на всем постсоветском пространстве длился на протяжении всего десятилетия [5].

Тем не менее уже в 1990-е годы была начата цифровизация обслуживания энергетических систем с попыткой внедрения информационных технологий для оперативного диспетчерского управления. Именно в те годы была создана АСДУ ЕЭС России – комплекс технических средств, программного и информационного обеспечения, предназначенный для повышения надежности и экономичности энергоснабжения потребителей при соблюдении требований качества электроэнергии.

2000-е годы – по сегодняшние дни

30 апреля 1998 года на пост председателя Правления РАО «ЕЭС России» был назначен А. Чубайс. Под его руководством в подмосковном Архангельском создана рабочая группа, задачей которой стала разработка концепции реформирования электроэнергетической отрасли. В результате появилась программа действий, предусматривавшая фазу налаживания технологической и платежной дисциплины в энергетике, а затем – глубокое реформирование отрасли [5]. Новое руководство поставило перед собой задачу тотального реформирования всей системы управления энергетической отраслью, а также внедрения современных цифровых сервисов от управления диспетчеризацией до автоматизации поддержки.

К 2005 году Системный оператор полностью поменял автоматизированную систему оперативнодиспетчерского управления, внедрив унифицированный оперативно-информационный комплекс и создав новую информационно-вычислительную систему сбора и обработки данных о параметрах работы энергосистемы.

К основным функциям Системного оператора на рынке электроэнергии относятся обеспечение функционирования системы выбора состава включенного генерирующего оборудования на несколько дней вперед, формирование актуализированной расчетной математической модели для проведения конкурентного отбора на рынке на сутки вперед, расчет диспетчерских графиков нагрузки электростанций на предстоящие сутки, а также обеспечение функционирования балансирующего рынка – механизма управления режимами работы энергосистемы внутри суток, основанного на принципах экономической оптимизации, где генерирующие компании реализуют излишки производства, а потребители – внеплановое потребление [5].

Альтернативная энергетика

Вместе с внедрением цифровизации по обслуживанию комплексов энергетики, в начале 2010 года набирает оборот тенденция развития альтернативных источников энергии, использование которых ставит своей целью уменьшения вреда экологии. Можно выделить основные несколько трендов:

• 1.    Водородная энергетика. Водород – идеальный безуглеродный энергоноситель. Теплота его сгорания в три-четыре раза выше, чем у нефти, каменного угля и природного газа. Основной недостаток – высокая стоимость производства «зеленого» водорода [4].

• 2.    Безотходная атомная энергетика. Двухкомпонентная атомная энергетика должна прийти на смену традиционной, с дорогим захоронением отработанного ядерного топлива. Плутоний извлекается из отходов и вновь попадает в ядерный топливный цикл, становясь топливом для реакторов на быстрых нейтронах. Количество таких повторов в двухкомпонентной системе не ограничено [4].

• 3.    Термоядерная энергетика. Если термоядерную реакцию удастся сделать самоподдерживаю-щейся, у человечества появится практически бесконечный источник энергии [4].

• 4.    Атомные станции малой мощности – перспективный энергоисточник для удаленных регионов. В российских проектах предусмотрена возможность теплоснабжения и опреснения воды. Росатом строит атомные станции малой мощности в наземном и плавучем исполнении на базе новейших реакторных установок серии «РИТМ» [4].

Курс на цифровизацию

Энергетический сектор имеет исключительное, стратегическое значение для национальной экономики, которое с дальнейшим ростом энергопотребления и дифференциацией его источников, мировыми трендами развития цифровых технологий и постепенным переходом к информационному обществу только усиливается. В современных условиях перед энергетическим сектором встало много проблем и вызовов как национального, так и мирового масштаба, определяющих тенденции его развития на ближайшие десятилетия. Речь идет прежде всего о тенденциях цифровизации, постепенном переходе к информационному обществу и соответствующих изменениях, которые охватывают все бизнес-процессы современных энергетических предприятий. В этих условиях существенно возрастают требования к персоналу, развитию его профессиональных и личностных компетенций [1].

Министерство энергетики Российской Федерации активно запускает и проводит презентации новых проектов. Один из них – «Цифровая энергетика». Цель проекта: создание условий для преобразования энергетической инфраструктуры РФ посредством внедрения цифровых технологий [2]. В проекте рассматриваются долгосрочные перспективы цифровой трансформации ТЭК (см. рис.).

План цифровой трансформации ТЭК

КЛЮЧЕВЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА 2019-2024 гг.

КЛЮЧЕВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К 2024 г.

КЛЮЧЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ К 2024 г.

2021 г.

Разработаны отраслевые образовательные программы и программы переподготовки кадров для цифровой энергетики, созданы образовательные центры на базе

2022-2024 гг.

Обеспечивается нормативное регулирование (в части разработки нанесения изменений в отраслевое законодательство)

Проводится реализация проектов по внедрению цифровых технологий во всех отраслях ТЭК

2019 г.

Сформирована концепций цифровой трансформации ТЭК

Создана система управления и координации цифровой трансформацией отраслей ТЭК

2020 г.

Разработана программа создания Центров тестирования, испытаний, сертификации и аттестации (ЦТИиСА)

Подготовлен перечень нормативных антов, необходимых для дальнейшего развития и внедрения цифровых технологий

100%

Доля организаций ТЭК России, использующих средства защиты информации, передаваемой по глобальным сетям, в общем числе обследованных организаций

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Снижен непродолжительности перерывов электроснабжения

Повышение уровня технического состояния производственных фондов электроэнергетики для объектов на 596 без повышения затрат на поддержание технического состояния

Снижен иена 20% аварийности на объектах электроэнергетики связанной с техническим состоянием производственных фондов

НЕФТЕГАЗОВЫЙКОМПЛЕКС

Повышение коэффициента извлечения нефти на 5-10% на цифровых месторождениях

Снижение операционных затрат на цифровых месторождениях на 10%

Снижение капитальных затрат на цифровых месторождениях до 15%

УГОЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Увеличениедобычи подземным и карьерным способом

Повышение уровня безопасности ведения горных работ

Рис. План цифровой трансформации ТЭК (согласно ведомственному проекту «Цифровая энергетика»)

Внедрение и использование цифровых технологий в энергетике, исходя из принципов экономической целесообразности и повышения доступности энергетической инфраструктуры и распределенной энергетики, также было заявлено в коммюнике в рамках Открытого Правительства под эгидой Министерства энергетики РФ. Реализация направления «Цифровая энергетика» к 2022 году предполагает создание единого информационного пространства для отраслей ТЭК России (межотраслевой информационной среды), где будет обеспечена возможность цифрового управления отраслями ТЭК, а также цифровизации предоставления услуг в сфере ТЭК [3].

Искусственный интеллект

Актуальность и повышенный интерес к применению методов искусственного интеллекта в энергетике обусловлены как основными трендами развития энергетики (интеллектуальная энергетика, цифровая энергетика, «умные» цифровые двойники и др.), так и повышенным интересом к применению систем искусственного интеллекта, что в нашей стране в существенной мере было инициировано принятием «Национальной стратегии развития искусственного интеллекта до 2030 г.» [6]. Цифровые двойники (ЦД, Digital Twin) – один из современных трендов цифровизации, получивший уже достаточно широкое распространение в энергетике. В настоящее время под «Цифровым двойником» понимают реальное отображение всех компонентов в жизненном цикле объекта с использованием физических данных, виртуальных данных и данных о взаимодействии между ними [6].

Выводы

Оценивая развитие в целом энергетической отрасли России до сегодняшних дней, можно сделать вывод, что, несмотря на политические и экономические события, которые негативно сказывались на привлечении новых инвестиций или технологий, на сегодняшний день применение цифровых технологий двигает ее вперед. Следующий этап развития – применение искусственного интеллекта в энергетике – существенно расширяет область применения цифровизации, так как эти технологии можно использовать на различных предприятиях ТЭК.

Таким образом, можно обеспечить устойчивое развитие отрасли, так как системы искусственного интеллекта в автоматическом режиме могут проводить оценку надежности системы, моделируя комбинации нескольких одновременных отказов оборудования. В результате сотрудники получают информацию о среднем потоке отказов, реальное значение показателей надежности по каждой функции и по системе в целом для любого типа оборудования или процесса [7].