Determination features of fuel and energy complex critically important facilities in fuel and energy supply reliability studies

<jats:p>The purpose of the study is to identify industrial facilities that are critically important for the fuel and energy complex in the conditions of joint functioning of industries, taking into account the system effect and existing mechanisms of structural redundancy. To identify critically important facilities of the fuel and energy complex based on its operation models derived as a result of stage-by-stage sectoral and general energy studies, a methodology is proposed. It is based on the identification methods of critically important industry facilities on the principles of assessing vulnerability of critically important infrastructure elements. The presented methodology is characterized by the complex and flexible assessment of the critical importance of sectoral facilities, which is carried out on the basis of scenario options of fuel and ener gyomplex operation. The methodology is supplemented with a formalized representation of a typical general energy optimization model, which unifies the relationship between the territorial-production structure of the sectoral systems modeled in it, its information base with the corresponding technical and economic indicators, and the research problems solved with its help. The assessment of the critical importance of gas industry facilities is given for 80 constituent entities of the Russian Federation. The approbation results of the proposed methodology are given on the example of the identification of the critically important gas industry facilities using a model of fuel and energy complex operation with a detailed scheme of the Unified Gas Supply System of Russia. The approbation has revealed the differences in the priority of critically important facilities of the gas industry and the fuel and energy complex. It has also shown a significant influence of the system effect of the mutually coordinated functioning of industries on the fuel and energy supply of consumers. The results obtained confirm the efficiency of the methodology, prove the possibility of its use for assessing the critical importance of power industry branch facilities. The research scheme implemented in the methodology allows to obtain an adequate state of matters with the fuel and energy supply to consumers under cut-out critically important sectoral facilities.</jats:p>

section_content: Задача определения критически важных объектов (КВО) топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является развитием задачи определения отраслевых критических элементов, обосновывается необходимостью оценки степени критичности этих элементов в условиях совместного функционирования систем энергетики (СЭ) с учетом существующих в данном случае механизмов структурной избыточности. Решение этой задачи базируется на совместном применении модельного и инструментального аппарата исследований, отражающего технологическую и территориальную структуру объектов исследования (отраслевых систем и ТЭК). Важнейшим результатом этих исследований является разработка модификаций моделей исследований, в том числе моделей функционирования ТЭК с детализированным представлением анализируемых отраслевых систем. В основу методологических решений по реализации задачи легли:

идеи оценки уязвимости элементов критических инфраструктур [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10], к которым, безусловно, относятся ТЭК и его отраслевые системы [11] ;

методика выявления критических элементов газовой отрасли [12] [13] [14] [15] ; -формализованная ранее схема поэтапных двухуровневых модельных исследований (рис. 1), учитывающая согласованность отраслевых элементов в разноуровневых моделях [16] [17] [18] [19]. 

Подобная согласованность элементов позволила утверждать, что значимость одного и того же критического элемента для отрасли и для ТЭК в целом может быть различной, так как при определении КВО ТЭК учитывается системный эффект от взаимодействия СЭ;

дала возможность использовать перечень отраслевых критических элементов в качестве потенциальных КВО ТЭК при задании расчетных условий в модельных исследованиях ТЭК;

привела к получению перечня КВО ТЭК, не соответствующего перечню отраслевых критических элементов, включающего действительно критичные в условиях взаимосогласованной работы отраслей объекты. 

Главным отличием разработанной методики по определению КВО ТЭК стал учет его системно-функциональной сложности, практически выраженной в наличии: множества энергоресурсов, процессов их переработки и преобразования, возможности их взаимозаменяемости на объектах электро-и тепло-энергетики. Сравнительный анализ методик определения критических элементов на отраслевом и на общеэнергетическом уровне показал следующие результаты:

1. Обе методики ориентированы на анализ расчетных состояний, сформированных для сценариев отключений анализируемых элементов расчетных схем. Таким образом, оцениваются последствия неработоспособности данных элементов. При определении отраслевых критических элементов также предусмотрена возможность оценки последствий неработоспособности этих элементов в случае введения компенсирующих мероприятий. Этот механизм [12, 13] используется для корректировки перечня отраслевых критических элементов, позволяет исключить элементы, чья неработоспособность в значительной степени может быть компенсирована подключением резервных возможностей отрасли. 

2. Обе методики предполагают модельные расчеты с различным числом одновременно отключаемых элементов (в теории множеств размер множества называется его мощностью). При определении отраслевых критических элементов расчеты анализируются отдельно по единичным или множественным отключениям элементов [12, 13]. В методике определения КВО ТЭК заложена возможность совместного анализа расчетов с отключениями групп элементов различной мощности. 

3. В обеих методиках заложена идея оценки критичности элементов с позиций изменения степени обеспеченности потребителей энергоресурсами. Поэтому анализу в обоих случаях подвергаются относительные дефициты энергоресурсов по территориям либо по каждой отраслевой системе в целом. В модели ТЭК, включающей более одной отрасли, эта оценка носит комплексный характер, учитывает суммарные относительные дефициты различных энергоресурсов у различных категорий пользователей. Здесь также предусмотрена оценка важности анализируемых модельных показателей. Таким образом, реализуется схема работы с моделью ТЭК, концептуально представленная тремя этапами:

 этапом отладки сбалансированного годового варианта;

 этапом отладки варианта функционирования ТЭК в максимально нагруженные сутки;

 этапом расчета и анализа вариантов неработоспособности объектов модели в максимально нагруженные сутки. 

На этапе отладки годового варианта модели выполняются массовые преобразования предметной информации с целью получения целевых характеристик функционирования объектов. Здесь производятся:

1. Отладка блока электро-и теплоэнергетики, включающая подготовку данных по станциям (или их группам) и котельным (или их группам), в том числе:

преобразование и верификация данных по топливопотреблению на объектах отрасли (приведение к единой шкале измерения по единым для каждого из ресурсов коэффициентам); -определение технологических характеристик функционирования тепло-и электрогенерирующих источников (объемов отпуска ими тепла и электроэнергии по отдельным видам топлива, удельных расходов топлива);

контроль соответствия отпуска преобразованных ресурсов и расхода топлива внутри станций и котельных;

корректировка перетоков электроэнергии;

балансовый контроль тепла по субъектам, электроэнергии по стране в целом. 

2. Отладка блока топливообеспечения, включающая:

определение обязательных потребностей в топливе по территориям, при необходимости с разбивкой обязательной потребности по отдельным категориям (например, для нужд населения и промышленности);

корректировку данных в случае отсутствия баланса по потреблению топлива на территориях;

анализ пропускных способностей транспортной инфраструктуры топливных отраслей. 

3. Балансовая оценка по всем энергоресурсам без учета их запасов. 

4. Проведение оптимизационных расчетов, определяющих:

-«запертость» энергоресурсов, определение причин их возникновения;

дефициты топлива на территориях, связанные с технологической недостаточностью энерготранспортной инфраструктуры, либо с дисбалансом собственных производственных возможностей и потребностей в случае изолированности территории;

дефициты конечных видов энергоресурсов, причины их возникновения (недопоставки первичных ТЭР, технологическая недостаточность объектов транспортировки);

уровень использования мощностей производственных объектов в отраслях ТЭК. 

На этапе отладки варианта максимально нагруженных суток определяются коэффициенты сезонной неравномерности, характеризующие изменения в потреблении и в производстве энергоресурсов в текущих условиях, 1. В блоке электро-и теплоэнергетики:  корректировка производственных возможностей станций и котельных в базовом режиме их функционирования;

 определение резервных возможностей оборудования на тепловых станциях и котельных;

 корректировка потребностей в электроэнергии и тепле;

 верификация стоимостных коэффициентов в части использования резервных возможностей станций, диверсификации топлива на них. 

2. В блоке топливообеспечения:  определение и подключение резервов топливных отраслей;

 корректировка обязательных потребностей в топливе. 

3. Отладка варианта, в ходе которой анализируются и устраняются нестыковки в части поставок топлива потребителям, его извлечение из хранилищ, приоритетность использования топлива в электро-и теплоэнергетике. 

На этапе анализа последствий от отключений критических объектов определяются относительные изменения анализируемых показателей по отдельным территориям или их группам. Эта информация используется для определения КВО ТЭК.
section_name: ВВЕДЕНИЕ

section_content: Методика определения критичности отраслевых энергетических объектов для территорий в условиях взаимосвязанной работы отраслевых систем отвечает следующим основным положениям:

1. Поставленная задача решается в рамках многовариантных многоуровневых вычислительных экспериментов на базе моделей функционирования ТЭК и его отраслей. Ключевая особенность данных экспериментов -многократное использование одних и тех же данных для моделей различного уровня. Допускается использование одной и той же информации на разных уровнях в преобразованном виде. 

2. Поставленная задача предполагает задание отраслевых элементов, из числа которых выбираются КВО ТЭК. Сценарии неработоспособности отраслевых элементов имитируются в проводимых вычислительных экспериментах. 

3. Решение задачи предполагает трехэтапную схему преобразования результатов вычислительных экспериментов, включающую получение количественных, качественных и экспертных оценок критичности элементов. Качественные и экспертные оценки формируются на базе количественных показателей. Качественные оценки (категории критичности элементов) позволяют выделять группы отраслевых элементов, являющиеся в разной степени проблематичными для ТЭК в целом. Основополагающим является интегральный критерий значимости элементов, комплексно характеризующий изменения анализируемых модельных показателей в случае неработоспособности отраслевых элементов. 

4. Анализируемые модельные показатели применительно к поставленной задаче систематизируются в две категории. Категорию важнейших показателей составляют складывающиеся на территориях дефициты энергоресурсов, являющиеся системной характеристикой функционирования отраслей. Категория сопутствующих показателей представлена технологиями обеспечения потребностей территорий (запасы и резервы, возможности взаимозаменяемости энергоресурсов в технологических процессах). Корректный анализ критичности отраслевых элементов требует учета обоих типов показателей. 

Заявленный критерий значимости каждого элемента определяется по всему множеству расчетных состояний с различными комбинациями его отключений: R -число оцененных по j-му показателю состояний с включением i-го элемента в группы отключений мощности k ; j ZC -значимость (удельный вес) j-го показателя; K -макси- мальная мощность групп отключений в оптимизационных расчетах;

J -количество ана- лизируемых показателей; множество от- ключаемых iI . 

Формализация идентификации категории критичности элементов (наиболее критичной считается первая категория) может быть представлена следующим образом:
section_name: МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

section_content: ,; Формально методика определения КВО ТЭК представлена тремя этапами:

1) формирования стратегии выбора КВО ТЭК;

2) проведения оптимизационных расчетов;

3) формирования перечня КВО ТЭК. На первом этапе:  определяются объекты смоделированной территориально-производственной структуры ТЭК;

 выделяются группы отключаемых отраслевых элементов для их последующего включения в моделируемые ситуации;

 формируется набор критериев оценки состояний (важнейших и сопутствующих модельных показателей), устанавливается значимость этих критериев;

 определяются категории критичности элементов и их пороговые значения. 

На втором этапе проводятся оптимизационные расчеты модели ТЭК, в рамках которых рассчитываются нештатные ситуации с отключениями групп отраслевых элементов. 

На третьем этапе формируются оценки критичности отключаемых отраслевых элементов с последующим формированием перечня КВО ТЭК:

 корректируется состав анализируемых расчетных состояний путем исключения состояний с допустимым для страны в целом относительным дефицитом хотя бы по одному ресурсу (на данном этапе принят 5% барьер оценки дефицита по стране в целом);

 определяются критерии значимости элементов по рассматриваемым территориям или их группам;

 определяются категории критичности для анализируемых элементов;

 формируется перечень КВО ТЭК. Алгоритм этапа формирования перечня КВО ТЭК представлен на рис. 3. В нем все получаемые оценки привязаны группам территорий, к которым могут быть отнесены и группы из одного региона.
section_name:  

section_content: Представленная методика была дважды апробирована на моделях ТЭК на примере отключений критических объектов газовой отрасли. По результатам первой тестовой апробации была доказана работоспособность и эффективность разрабатываемой методики, а также адаптированы некоторые ее ключевые моменты [20]. Текущая апробация методики была направлена на выявление разногласий в приоритетности критических объектов газовой отрасли и объектов Классификация критических элементов газовой отрасли по влиянию на энергоснабжение потребителей Classification of critically important elements of gas industry by their impact on energy supply of consumers Ранжирование объектов по показателю значимости выявило разность приоритетности объектов в федеральных округах и по стране в целом (рис. 7). Качественный анализ был выполнен по трем категориям критичности. К первой категории были отнесены объекты, вызывающие суммарный относительный дефицит свыше 70%. Раскладка дефицитов по оставшимся категориям: от 30 до 70% для второй категории, ниже 30% для третьей. Количество критических элементов по этим группам по территории страны (по федеральным округам) распределилось следующим образом: значительный дефицит был получен на территориях, топливноэнергетический баланс которых ориентирован на использование природного газа, это Северо-Кавказский, Приволжский, Центральный и Южный округа, где количество критических элементов первой категории составило 12-14 объектов.
section_name: АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

section_name: Рис. 4. Технологическая структура модели функционирования топливно-энергетического комплекса для определения критически важных для него объектов газовой отрасли

section_content: В статье представлена преемственность методики выбора КВО ТЭК. Разработана и формализована общая схема выбора КВО ТЭК на базе отраслевых критических элементов. Дана сравнительная характеристика отраслевой (на примере газовой отрасли) методики выбора критических элементов и методики формирования перечня КВО ТЭК с учетом системного эффекта. 

В статье формализована используемая для определения КВО ТЭК территориальнопроизводственная модель функционирования ТЭК, описана реализованная трехэтапная схема работы с ней. Представлена разработанная методика определения КВО ТЭК в условиях взаимосвязанной работы отраслевых систем. Для выбора КВО ТЭК выделены важнейшие и сопутствующие модельные показатели, предложен интегральный показатель критичности отраслевых элементов.
section_name: ЗАКЛЮЧЕНИЕ

section_content: termining vulnerable elements in critical energy infrastructures // Methodological problems in reliability study of large energy systems: E3S Web Conferences. 2019. Vol. 139. https://doi. org/10. 1051/e3sconf/201913901017

section_content: for the identification of critically important facilities of the fuel and energy complex, fuel and energy complex operation model, criterion of element significance Acknowledgements: This work was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research, grant No. 20-08-00367.

section_name: Contribution of the authors

section_content: The authors contributed equally to this article.
section_name: Contribution of the authors

section_content: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
section_name: Конфликт интересов

section_content: The authors declare no conflicts of interests.
section_name: Conflict of interests

section_content: The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.
section_name: Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

section_content: Статья поступила в редакцию 21. 09. 20; одобрена после рецензирования 02. 11. 2020; принята к публикации 18. 12. 2020.
section_name: Информация о статье

section_content: The article was submitted 21. 09. 20; approved after reviewing 02. 11. 2020; accepted for publication 18. 12. 2020.
section_name: Information about the article