Современные подходы и модели управления электроэнергетическими системами региона: сравнительный анализ и ключевые недостатки

Введение

В условиях глобализации и ускоренных технологических изменений, энергетическая отрасль сталкивается с рядом критических вызовов, которые требуют комплексного и детального анализа. Глобальные реформы в энергетической сфере, особенно в управлении электроэнергетическими системами, играют ключевую роль в формировании устойчивого энергетического будущего. Эти изменения не только касаются технических аспектов, но и затрагивают экономические, геополитические и социальные измерения, требуя от стран как развитых, так и развивающихся, адаптации своих стратегий и подходов.

Данная статья предлагает анализ различных модельных подходов к управлению электроэнергетическими системами, рассматривая их через призму глобальных реформационных процессов. На примере стран с различным экономическим и геополитическим контекстом, таких как Великобритания и Соединенные Штаты Америки, исследуется, как специфические национальные условия влияют на выбор и эффективность управленческих решений в энергетической сфере. Особое внимание уделяется проблемам зависимости от ископаемых источников энергии и необходимости интеграции новых, универсальных подходов, которые бы способствовали устойчивому развитию и минимизации энергетических рисков.

Целью данной работы является выявление общих и специфических аспектов в стратегиях управления электроэнергетическими системами, а также оценка эффективности различных аналитических подходов и модельных решений в контексте мировых энергетических реформ. Это позволит предложить рекомендации для улучшения текущих практик и разработки новых подходов, адекватных меняющимся условиям глобальной энергетики.

Изучение разнообразных подходов к организации энергетической отрасли, основываясь на российском и международном опыте, подчеркивает глубокую связь между структурой управления в этой сфере и технологическим прогрессом. Введение первой отраслевой автоматизированной системы управления «Энергия» в 1975 году стало ключевым моментом, демонстрирующим, как адаптация к новым моделям функционирования может способствовать не только более эффективному распределению ресурсов, но и обеспечивать устойчивость и гибкость в управлении энергосистемами [7]. Это подчеркивает важность инноваций и технологического развития в процессе реформирования и модернизации энергетической отрасли. В изначальной своей конфигурации, система «Энергия» представляла собой комплексную многофункциональную систему, которая включала в себя автоматизированное управление диспетчерскими функциями для всей сети электроснабжения СССР, систему для выполнения организационных и экономических задач (АСОУ), а также систему, задействованную в управлении строительством (АСУС). Эта система была ответственна за мониторинг и управление процессами производства, транспортировки и дистрибуции электроэнергии на всех уровнях управления в энергетической инфраструктуре, оказывая влияние как на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые находят применение на электростанциях, подстанциях и в электрических сетях, так и на стандартизированные системы автоматического управления, включая местные автоматические системы и устройства, используемые на энергетических объектах [8].

В исследовании О.Н. Александровой [1] предлагается архитектура информационно-управляющей системы (ИУС) для сетевых компаний, организованная по бинарной структуре. Данная архитектура объединяет систему автоматизированного оперативно-технологического контроля высокого порядка, размещенную на уровне региональных сетевых структур, а также систему аналогичного назначения, но более низкого уровня, которая охватывает районные электросети. Предложенная модель предусматривает использование стандартизированных протоколов для эффективного выполнения функций сбора, обработки, хранения и архивации исходных данных, а также для передачи управляющих сигналов к сетевому оборудованию и автоматическим системам контроля. Кроме того, в модели заложены механизмы для обеспечения координированного взаимодействия между системами различных уровней, что позволяет повысить эффективность управления в целом.

В исследовании, проведенном С.И. Чичёвым и Е.И. Глинкиным, архитектура автоматизированной системы оперативно-технологического управления (АСОТУ) нижнего уровня для районных электрических сетей (РЭС) была представлена как многоуровневая структура, включающая в себя три основных функциональных слоев: слой сопряжения, слой сбора данных и слой предоставления данных [11].

На наиболее низком уровне, слой сопряжения, предназначен для интеграции контрольных точек подстанций с оборудованием, подлежащим мониторингу и управлению. Данный результат достигается путем установления коммуникации между аппаратурой технологического назначения на подстанциях и центрами управления, находящимися в диспетчерских узлах районных электросетей, а также с главной станцией приема и передачи данных районных электросетей посредством использования телемеханических связей. Данный уровень играет ключевую роль в обеспечении надежности и эффективности передачи информации и управляющих команд между физическим оборудованием и системами управления.

Автоматизированная система управления технологическими операциями в сфере электроэнергетики была создана с использованием современных телемеханических комплексов, оснащенных микропроцессорными устройствами, прямо соединенными с вторичными обмотками трансформаторов для измерения тока и напряжения.

Организация этой системы основана на пространственно-распределенной информационно-вычислительной архитектуре, которая включает в себя три иерархических уровня для управления и обработки данных. На стартовом уровне находится сеть программно управляемых микропроцессорных устройств, установленных очень близко к основному и измерительному оборудованию, где они занимаются аккумуляцией и первоначальной обработкой данных, а также непосредственно управляют работой технических средств.

На вторичном уровне располагается центральный вычислительный узел - центр сбора данных, задачей которого является синхронизация работы низкоуровневых контролеров, обработка информации в режиме онлайн, создание и ведение баз данных за период в одни сутки, а также осуществление независимых управленческих операций. Связь между контрольными устройствами базового уровня и центром сбора данных осуществляется через оптоволоконные каналы, обеспечивая надежную защиту обмениваемых данных от внешних помех, типичных для электроподстанций.

Самый высокий, третий уровень, осуществляется с помощью вычислительных устройств, которые обеспечивают операторов подстанций всем спектром информации, необходимой для надзора и управления процессами, охватывая диаграммы, перечни, формы, графики, отчеты, сигналы предупреждения и чрезвычайные уведомления, инструкции для поступков в нестандартных обстоятельствах, а также консультационные и исторические данные, относящиеся к исполнению задач.

Изучение российского и зарубежного регионального опыта в области трансформации энергетического сектора позволяет выделить четыре основных подхода к его организации.

Первый поход в рамках индустриальной, вертикально интегрированной модели весь цикл от выработки до реализации электрической энергии осуществляется внутри единой компании, причём цены на продукцию устанавливаются государственными органами. Преимущества этого подхода включают стабильность организационной структуры и возможность государственного и потребительского контроля за ценообразованием, что ведёт к предсказуемым финансовым потокам для всех сторон. Однако недостатки заключаются в том, что такой подход не способствует улучшению производительности и эффективности работы предприятий, а также может привести к необходимости государственного финансирования отрасли или к Система, включающая независимых производителей, по сути, является развитием вертикально интегрированного подхода с добавлением элемента конкуренции среди производителей. Преимущества такой системы способствуют привлечению инвестиций частного сектора с ограниченными корректировками в структуре организации, гарантируя возможность регулирования цен и предсказуемость для участников рынка. Недостатки предполагают необходимость в обеспечении со стороны государства различных гарантий, направленных на привлечение частных инвестиций, в том числе обещаний стабильности цен и поддержки в рамках рыночной политики [4].

Подход, основанный на системе единого покупателя, включает в себя состязание между различными производителями в попытке выиграть контракты на предоставление электроэнергии основному закупающему агенту, который, в свою очередь, реализует электроэнергию по предварительно определенным ценам распределительным компаниям. Преимущества этого подхода позволяют привлекать частные инвестиции с минимальными изменениями в структуре, обеспечивая контроль цен и предсказуемость. Недостатки включают требование обеспечения прозрачности в деятельности основного закупщика [3].

Четвертая, пконкурентная модель предполагает, что производители электроэнергии конкурируют на оптовом рынке, главными покупателями на котором выступают компании, занимающиеся распределением электроэнергии и её продажей конечным потребителям. Преимущества этой модели включают стимулирование частных инвестиций и способствование увеличению эффективности и развитию отрасли. Однако недостатки включают отсутствие фиксированного контроля за ценами и требование значительных изменений в структуре и корректировку цен до уровня, обоснованного с экономической точки зрения [10].

В рамках аналитического исследования, направленного на выявление различий и общностей в моделях функционирования электроэнергетического сектора на фоне глобальных реформационных процессов, предлагается расширить географический охват исследования, включив в него страны с разнообразным экономическим и геополитическим контекстом [6]. Данное дополнение представляется целесообразным для глубокого понимания идущих процессов. В рамках аналитического обзора моделей функционирования электроэнергетического сектора, осуществляется сравнительный анализ стран с различным экономическим и политическим контекстом. В частности, Великобритания отмечается как лидер в применении рыночных принципов в электроэнергетике среди стран Западной Европы. США выделяются обширными территориями и либерализацией экономических отношений, включая энергетический сектор, где активно проводятся реформы. Скандинавские страны характеризуются успешным завершением реформ энергетического сектора, социально-ориентированной политикой и климатическими условиями, схожими с Россией. Венгрия, переориентировавшаяся с постсоциалистической экономической системы на европейские экономические стандарты, Италия с высокоразвитым экономическим уровнем, и Бразилия, проводящая активные экономические реформы и являющаяся ключевым игроком в Латинской Америке, также включены в анализ.

Для проведения необходимых сопоставлений выделим основные преимущества и недостатки существующих моделей функционирования отрасли электроэнергетики в обозначенных странах.

Для США характерна высокая автономия регионов в выборе пути реформ электроэнергетики, что ведет к разнообразию моделей внутри страны. Однако это приводит к региональному дисбалансу в структуре отрасли, а уважение к частной собственности затрудняет реформы, требующие реструктуризации всей системы [9].

Страны Скандинавии отмечаются высоким уровнем конкуренции, но их рынки электроэнергии подвержены флуктуациям, аналогичным финансовым рынкам, что добавляет нестабильности [13].

В Великобритании также наблюдается высокая конкуренция, однако она приводит к снижению рыночной капитализации компаний на фоне растущей эффективности, что может быть двояким результатом [12].

Венгрия имеет высокий уровень государственного контроля в электроэнергетике, что способствует конкуренции среди производителей, но также приводит к доминированию государственной компании и ограниченной конкуренции в целом [2].

Италия характеризуется наличием конкуренции и ведущей роли компании ENEL, при этом система единого закупщика защищает интересы уязвимых слоев населения. Однако конкуренция ограничена за счет доминирующего положения ENEL [14].

В Бразилии государственный контроль способствует стабильности, но сдерживает конкуренцию и способствует существованию вертикально-интегрированных структур, при этом потребители сталкиваются с ограниченным выбором между регулируемым и нерегулируемым сегментами.

Таблица 1

Сравнительный анализ государственного контроля, конкуренции и стабильности на рынке энергетики различных стран

В России к началу 2024 года наблюдаются предпосылки для развития конкуренции среди производителей электроэнергии, однако существование регулируемого сегмента и отсутствие полной конкуренции на рынке сбыта ограничивают эффективность и развитие отрасли.

Проанализируем представленные государства в контексте продвижения конкуренции и открытости сектора электроэнергетики для частных инвестиций, исходя из критериев «структура собственности» и «уровень свободы рынка». На пороге 2024 года важно подчеркнуть следующее:

- Соединенные Штаты, Великобритания, и страны Скандинавии выявили высший уровень открытости рынка в секторе электроэнергии, что способствовало упрощению процесса вхождения для частных инвесторов; - Эти же государства добились значительного прогресса или, по крайней мере, приблизились к выполнению задач, определенных в ходе проведения реформ.

В отношении России на границе 2024 года можно сказать, что она слегка запаздывает за Великобританией и странами Скандинавии по аспектам либерализации рынка электроэнергии и привлечения частного капитала в этот сектор. Это происходит несмотря на то, что процесс внедрения конкурентного формирования цен на рынке электроэнергии в России фактически был завершен к началу 2024 года, хотя торговля по тарифам остается ограниченной для населения.

В последнее время в секторе энергетики появились различные инновационные концепции, включая улучшение эффективности использования энергии, расширение использования возобновляемых энергетических ресурсов, трансформацию и переработку энергетических отходов, развитие децентрализованного производства энергии и создание умных энергетических сетей. Интеграция этих новых подходов в общую стратегию энергетического развития требует разработки и применения продвинутых моделей энергетического планирования. Такие модели строятся на основе обработки статистических данных, учета уже известных фактов, анализа прошлых тенденций в энергетике и формирования обоснованных предположений. Однако в процессе анализа моделей энергетики иногда приходится прибегать к упрощениям и обобщениям. Существует множество методов моделирования в энергетике, выбор которых зависит от множества факторов, включая целевую аудиторию (политиков, научное сообщество, энергетические компании и т.д.), цели моделирования (анализ данных, прогнозирование, оптимизация, оценка эффективности и т.д.), масштаб географического покрытия (локальный, национальный, международный) и концептуальный подход (макроэкономический или технологический). Для развивающихся стран большую проблему представляет излишняя зависимость от традиционных источников энергии, таких как древесина и уголь, которые ведут к обезлесению и деградации почв, в то время как для развитых стран актуальной проблемой является увеличение зависимости от ископаемых видов топлива, способствующих выбросам парниковых газов. Универсальные модельные подходы должны включать в себя рассмотрение ряда изменчивых элементов, включая:

1) функционирование системы энергоснабжения;

2) цикличность в технологических инновациях и запасах;

3) нововведения и технологические прорывы;

4) поведенческие модели и тренды, характерные для предприятий и домашних хозяйств;

5) инвестиции в энергетику и неэнергетические сектора, а также экономические трансформации;

6) создание и эксплуатация инфраструктурных объектов.

В зависимости от их назначения, структурных характеристик и предположений, принятых при их создании, модели можно разделить на:

1) подходы «сверху вниз» и «снизу вверх»;

2) период времени, на который они рассчитаны;

3) сектора экономики, которые они охватывают;

4) применение оптимизации в сравнении с выбранными методиками моделирования;

5) детализацию данных;

6) географическую протяженность.

Дополнительные критерии для систематизации моделей включают применение математических техник, уровень детализации данных, сложность и адаптивность модели. Таким образом, модели также можно категорировать по:

1) специфическому и универсальному использованию;

2) конкретным и общим требованиям к данным;

3) секторальному охвату;

4) структурным характеристикам: внутренние и внешние предположения;

5) основной методологии;

6) математической основе;

7) географическому охвату, который может быть мировым, региональным, национальным, локальным или специфическим для конкретного проекта;

8) временной перспективе: краткосрочной, среднесрочной или долгосрочной;

9) аналитическому подходу, как «сверху вниз» или «снизу вверх».

Заключение

Представленные методы являются основополагающими, но не являются исчерпывающими. Это объясняется тем, что модель, применяющая верхний подход, может включать в себя множество предположений, в то время как модели с нижним подходом, работающие как комплекс инструментов, предоставляют возможность пользователю формировать собственные предпосылки. Модели в области энергетики могут быть сосредоточены на электроэнергетической отрасли или охватывать всю систему энергообеспечения. В основном, эти модели применяются для исследования специфических или реальных сценариев, где каждый сценарий представляет собой последовательный набор предположений о изучаемой системе. При этом новые сценарии сравниваются с базовым, известным как стандартное продолжение бизнес-процессов (Business-as-usual - BAU), и осуществляется анализ полученных и изученных данных.

На основании проведенного анализа моделей функционирования электроэнергетического сектора в контексте глобальных реформационных процессов, можно сделать вывод о значительном разнообразии подходов к модернизации и развитию энергетической отрасли в различных странах. Опыт Великобритании и США, основанный на внедрении рыночных механизмов и политике либерализации, демонстрирует важность адаптации регуляторных и экономических инструментов к специфическим условиям и потребностям национальных энергетических систем. Такое разнообразие подходов подчеркивает необходимость комплексного использования моделей с учетом специфических и универсальных требований, секторального охвата, структурных характеристик, методологии, математической основы, географического и временного охвата, а также аналитического подхода. Важно также подчеркнуть, что эффективность использования моделей зависит от их способности адаптироваться к меняющимся условиям и интегрировать новые данные и предпосылки в анализ. В заключение, рекомендуется акцентировать внимание на разработке и внедрении универсальных модельных подходов, которые учитывают изменчивые элементы и способствуют устойчивому развитию энергетической отрасли, а также на поощрении международного сотрудничества в обмене знаниями и опытом для глобального прогресса в энергетических реформах.