Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих подходов к моделированию МЭС и постановка задач 10
1.1. Актуальность глобальных энергетических исследований 10
1.2. Методология глобальных энергетических исследований 12
1.3. Анализ тенденций в разработке вычислительных инструментов для глобальных энергетических исследований 16
1.4. Цели и задачи данной работы 17
2. Обоснование исходных предпосылок и подходов к моде лированию МЭС 21
2.1. Основные классы решаемых задач 21
2.2. Анализ особенностей объекта моделирования 22
2.3. Анализ особенностей решаемых задач 28
2.4. Выбор методологического подхода 33
2.5. Иерархия основных элементов МЭС 34
2.6. Моделирование блока конечного потребления энергии 36
2.7. Структурирование системы 38
2.8. Выбор типа модели 39
2.9. Формирование системы внешних ограничений 45
2.10. Учет дискретности 46
2.11. Учет неравномерности энергопотребления 46
2.12. Учет неравномерности производства энергии 51
2.13. Учет надежности и резерва . 51
2.14. Учет энергосбережения 52
2.15. Описание динамики потребления невозобновляемых энергоресурсов 2.16. Учет научно-технического прогресса
2.17. Структура технико-экономических показателей МЭС
2.18. Дисконтирование затрат при моделировании МЭС
3. Математическое описание модели МЭС
3.1. Математическое описание модели МЭС
3.2. Структура системы ограничений
3.3. Особенности разработанной модели МЭС
4. Обоснование выбора базовых инструментальных средств
4.1. Анализ тенденции развития информационных технологий
4.2. Формирование требований к проектированию ИС
4.3. Автоматизация управления приложениями и объектная мо дель MS Office 94
4.4.Выбор объектно-ориентированного языка программирования 97
5. Разработка программного комплекса для исследований МЭС 99
5.1. Методика построения ПК из компонентов 99
5.2. Разработка модели данных МЭС Ю2
5.3. Синтаксис описания модели МЭС средствами MS Excel Ю7
5.4. Разработка архитектуры ПК 116
5.5. Проектирование компонентов ПК 118
5.6. Особенности реализация ПК 126
5.7. Технология проведения вычислительных экспериментов на модели МЭС с использованием ПК 131
5.8. Тестирование программного комплекса 135
Заключение 138
Литература 141
Приложение. Обзор вычислительных инструментов для гло бальных энергетических исследований 155
1. Отечественные разработки 155
1.1. Модели энергетического комплекса страны 155
1.2. Глобальная энергетическая модель GEM-1 OR 157
2. Зарубежные разработки 158
2.1. Классификация вычислительных инструментов 158
2.2. Системные энергетические модели 158
2.2.1. Общие принципы построения 158
2.2.2. Модель MARKAL 161
2.2.3. Модель EFOM . 161
2.2.4. Модель MESSAGE 162
2.2.5. Модель DNE 21 163 2.2.5. Прочие модели 165
2.3. Интегрированные энергетические модели 165
2.3.1. Общие принципы построения 165
2.3.2. Модель MELODIE 166
2.3.3. Модель ESG 167
2.3.4. Модель MIDAS 168
2.3.5. Модель MARKAL-MACRO 168
2.3.6. Модель Модели GEM-E3, ЕЗМЕ и WARM 169
2.4. Программные комплексы для энергетических исследований
2.4.1. Общие принципы построения
2.4.2. ПК ENPEP
2.4.3. ПК MESАР
2.4.4. ПК SUPER/OLADE-BID 176
2.4.5. ПК LEAP 178
2.4.6. ПК POLES 178
2.4.7. ПК ESPRINT 178
2.4.8. ПК NEMS 179
2.4.9. ПК NEW EARTH 21 179
2.4.10. ПК AIM 182
2.4.11. ПК ASF 183
2.4.12. ПК IMAGE 184
2.4.13. ПК MARIA 185
2.4.14. ПК IIASAIMF 187
2.4.15. ПК IKARUS 188
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно многочисленным исследованиям состояние энергетики и эффективность ее функционирования во многом, часто в решающей степени, определяют уровень экономического развития страны и ее стратегическую безопасность.
Наблюдаемое неуклонное повышение интереса к глобальным энергетическим исследованиям обусловлено в первую очередь тесными взаимосвязями и взаимозависимостями национальных энергетических систем с мировыми рынками топлива, а также энергетического оборудования. В последнее десятилетие все более актуальным становится решение таких новых проблем, как предотвращение глобальных изменений окружающей среды, включая климат, поиск оптимальных путей перехода человеческой цивилизации на путь устойчивого развития и др., в которых ключевую роль играет энергетика.
Существующие подходы к исследованию глобальных энергетических проблем базируются на использовании математических моделей мировой энергетической системы (МЭС). В виду сложности объекта моделирования и чрезвычайной трудоемкости проведения соответствующих исследований в мире существует всего несколько специализированных моделей МЭС. Наиболее известными из них являются DNE21, разработанная в Токийском университете в 1998 г. (К. Yamaji, Y. Fujii), и GEM-1 OR, созданная по инициативе акад. Ю.Н. Руденко в 1992-1993 гг. в Сибирском энергетическом институте СО РАН (СП. Филиппов, В.Н. Тыртышный и др.). Кроме того, для выполнения глобальных энергетических исследований используются некоторые модели, изначально предназначенные для оптимизации развития региональных энергетических систем, в частности, разработанная в IIASA модель MESSAGE III.
В то же время, постановка новых задач, в частности, таких как оценка отдаленных последствий для национальной и мировой энергетики текущих решений, принимаемых на государственном (национальном) и межгосударственном уровнях, выдвигают новые требования как к используемой моделк МЭС, так и вычислительному инструменту, ее реализующему. Например, стремление сделать модель МЭС более универсальной и при этом реализовать ее в мультирегиональной динамической постановке неизбежно ведет к многократному увеличению ее размерности. Следовательно, резко возрастают требования к скорости и надежности обработки больших объемов информации.
Решение данных проблем возможно на базе накопленных в течение последних 4-х десятилетий в ИСЭМ СО РАН (прежде СЭИ СО АН СССР) v других отечественных и зарубежных организациях знаний и опыта моделирования и исследования национальных и мировой энергетических систем, г также последних достижений в развитии современных информационны? технологий и вычислительной техники. Теоретической основой решение глобальных энергетических проблем может служить методология системны? исследований в энергетике, решающий вклад в формирование которой внесли в нашей стране Л.А. Мелентьев, А.А. Макаров, Л.С. Беляев, Ю.Д. Кононов, Н.И. Воропай и др., за рубежом - В. Хефеле, Н. Накиченович и др., І практической - имеющийся в ИСЭМ СО РАН (СЭИ СО АН СССР) опыт ма тематического моделирования и исследования ТЭК страны (А.А. Макаров Б.Г. Санеев, Л.Д. Криворуцкий) и мира (Л.С. Беляев, СП. Филиппов), долго срочного технологического прогнозирования в энергетике (Л.С. Беляев, Б.М Каганович, СП. Филиппов), а также опыт применения в энергетических ис следованиях новых информационных технологий (Л.В. Массель и др.).
Объектом исследования является мировая энергетическая система представляющая собой совокупность взаимосвязанных региональных систем находящихся в непрерывном развитии.
Предметом исследования является информационная технология (ИТ прогнозирования развития мировой энергетической системы на долгосроч ную перспективу, которая рассматривается как совокупность методов разра ботки инструментальных средств, включая архитектуру программного обеспечения, методов организации вычислительного процесса и методов проведения содержательных исследований с использованием новых инструментальных средств.
Цель работы заключается в создании с применением современных информационных технологий программного комплекса нового поколения для выполнения глобальных энергетических исследований на базе разработанной с участием автора новой версии математической модели мировой энергетической системы в мультирегиональной динамической постановке.
Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать модель мировой энергетической системы в мультирегиональной динамической постановке (GEM-Dyn).
2. Разработать архитектуру программного комплекса GEM-Dyn реализующего модель МЭС на основе новых информационных технологий.
3. Обеспечить компьютерную реализацию ПК GEM-Dyn.
Методы исследовании: методология системных исследований в энергетике, методы математического и компьютерного моделирования, современные информационные технологии, включая, методы объектного подхода ь анализу, проектированию и программированию, методы проектирования ба; данных, методы построения информационных систем в энергетических исследованиях.
Составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту еле дующие основные результаты работы:
1. Метод описания динамики ограничений на ресурсы невозобновляе-мых видов энергии в мультирегиональной динамической модели МЭС.
2. Синтаксис языка для описания математической модели МЭС средствами табличного процессора MS Excel.
3. Компонентная архитектура ПК GEM-Dyn применительно к компью терной реализации модели МЭС.
4. Технология проведения вычислительных экспериментов на моделк МЭС с использованием ПК GEM-Dyn.
Практическая значимость работы. Успешное завершение разработки модели МЭС в динамическое мультирегиональной постановке и осуществление ее компьютерной реализации в виде программного комплекса GEM-Dyr фактически означает ликвидацию отставания России в данной научной области. Практическое применение ПК GEM-Dyn позволит поднять на качественно новый уровень выполнение глобальных энергетических исследование в стране и получать более обоснованные рекомендации для государственных органов власти, принимающих стратегические решения в энергетическое сфере.
Апробация результатов работы. Основные положения работы обсуждались на всероссийских конференциях: «Энергетика России в 21 веке: Проблемы и научные основы устойчивого и безопасного развития» (Иркутск 2000 г.), «Информационные телекоммуникационные технологии в науке г образовании Восточной Сибири» (Иркутск, 2002 г.); на международных конференциях и семинарах: International Conference on Power Systems (Wuhan China, 2001), «Оценка возможности рынка энергии биомассы в Сибири и нг Дальнем Востоке» (Хабаровск, 2001 г.), The 4th International World Energ) System Conference (Tokyo, Japan, 2002), «Энергетическая кооперация в Северо-Восточной Азии» (Иркутск, 2002 г.); на совместном заседании Совета пс проблемам развития энергетики России РАН и Международного агентства пс атомной энергетике (МАГАТЭ) «Обзор долгосрочных энергетических сценариев: ядерная энергетика» (Москва, 25-26 апреля 2002 г.); на футурологиче-ской конференции ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002 г.); на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 1999, 2000, 2001, 2002 гг.), а также на заседаниях секции научно-технического прогресса в энергетике Ученого совета ИСЭМ СО РАН и на научных семинарах лаборатории перспективных энергетических источников и систем ИСЭМ СО РАН.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано шесть печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 190 страниц, в том числе, рисунков - 41, таблиц - 8, библиографический список из 193 наименований (13 страниц), приложение - 36 с.
