Интеллектуальные энергетические системы

В современном мире развития цифровых технологий увеличивает необходимость внимания к критическим инфраструктурам, в том числе энергетике. Энергетика — сложная существующая система, и ее можно преобразовать, используя новые технологии, но нельзя новым технологиям подчинить. Это требует одновременно глубокого понимания технического и технологического устройства существующих энергосистем, понимания принципов и возможностей новых технологий. Навыки нужно не просто совместить, а тщательно синтезировать, чтобы проектировать системы более эффективные, чем существующие, обладающие большим модернизационным потенциалом и устойчивые в течение длительного времени — технически, технологически, финансово.

Энергосистемы будущего должны не просто существовать, но и стабильно работать — вот главное требование к критическим инфраструктурам. В совокупности это сложнейшая открытая задача, для решения которой важно выделить основные технологии и способы их взаимодействия. Это является ключевым моментом в подготовке принципиально нового поколения специалистов, обучение которых должно идти с опорой на современные способы обучения.

Внедрение цифровых технологий и развитие отечественных ИТ-решений в энергетике — это часть цифровой трансформации, одной из национальных целей развития Российской Федерации. Возможность познакомить школьников во время соревнований и подготовки к ним с современной инженерной задачей — управлением киберфизическими системами — позволяет не просто рассказать им об определенной области технологий, но и предоставить возможность приобретения личного практического опыта решения небольших, но реальных задач в данной области. Это и есть вход в деятельностную профориентацию, обеспечивающую осознанный выбор образовательной траектории и профессии в будущем.

Профиль посвящен моделированию энергетических систем ближайшего будущего. Реализация энергосети в архитектуре интернета энергии требует проектирования и строительства многочисленных надежных гибких энергосистем, эффективно распределяющих электроэнергию, в том числе за счет использования альтернативных источников и взаимодействия с внешним рынком мощностей.

Важное место в профиле занимают экономические модели, которые в настоящее время пока не распространены. В частности, биржа экономических микроконтрактов, составляющая один из главных компонентов технологии Smart Grid. Успешное участие в ее работе предполагает применение автоматизации, создание оптимальных стратегий и алгоритмов анализа параметров энергосети, в том числе с применением информационных технологий.

Получить реальный опыт командного управления сложными киберфизическими системами и написания программ для их управления, на практике познакомиться с понятиями гибкости и баланса, динамического ценообразования в проектах «Интернет энергии» участники могут в заключительном этапе профиля. Представленные задачи требуют знания математики школьного уровня, а именно, теории вероятностей, геометрии и основ анализа.

Помимо школьных знаний и навыков требуется самостоятельное освоение таких тем, как теория игр, теория аукционов, программирование на языке Python, основы численных методов в решении математических задач. Большинство задач профиля требует реализацию их решения в программном виде, будь то компонент существующей системы (управляющий скрипт энергосистемы) или самостоятельная программа (инструменты для принятия решений).

Отборочные этапы и подготовительные мероприятия по профилю проектируются таким образом, чтобы в течение года постепенно ввести школьников в контекст и культуру профиля, а также подготовить их к финальной задаче — от этапа к этапу увеличивается их сложность и специфика. По мере продвижения команд к заключительному этапу проводятся вебинары, предоставляются дополнительные методические материалы по сложным темам.

Знакомство с профилем начинается с «Урока НТО» по профилю Интеллектуальные энергетические системы, который проводится в общеобразовательных учреждениях. Материалы для его проведения находятся на сайте https://nto-lesson.ru/.

Первый шаг в понимании тематики профиля — видеокурс от разработчиков профиля. Курс знакомит с базовыми понятиями энергетики, архитектурой интернета энергии и разработан для погружения в тему. Помимо этого сформированы еще два курса с видеоразбором задач второго отборочного этапа за прошлые годы.

Первый отборочный этап (дистанционный индивидуальный) состоит из предметных задач по информатике, математике и инженерного тура.

Предметный тур определяет уровень подготовки школьников по математике и информатике, устанавливая необходимую планку для участия во втором этапе и работы с его обучающими материалами. Задачи инженерного тура первого этапа сформулированы таким образом, чтобы отразить специфику профиля. Задачи проще, чем на втором туре, и, в отличие от них, могут быть решены индивидуально, а не только командой.

На втором отборочном этапе (дистанционном) участники создают команды и загружают общее решение. Функций у этого этапа несколько:

формирование команд;
отбор команд участников, способных решать сложные задачи;
ознакомление с математическими и физическими концепциями, на которых будет построена задача заключительного этапа;
информирование участников о требованиях к уровню программирования (идентичных тем, что будут предъявлены им на заключительном этапе).

Командная работа начинается именно во время второго тура. Помимо общих механизмов НТО, в профиле Интеллектуальные энергетические системы существует условие для командного взаимодействия — ограниченное число попыток на каждую задачу. Это стимулирует участников уже на начальном этапе договариваться об общей стратегии и обозначать свою позицию по отношению к каждой задаче внутри команды.

Структура профиля выстроена таким образом, чтобы не просто провести соревнования, а выстроить годичную образовательную программу. Для этого второй и заключительный этапы связаны между собой (на рис. 1.1 представлена эта взаимосвязь). Так, во время второго отборочного этапа участники выполняют задания, отражающие часть большой финальной командной задачи, и знакомятся с базовыми концепциями — работают с вероятностными прогнозами, графами, аукционами, задачами на оптимизацию.

Рис. 1.1. Связь финальных тем и тем задач второго тура

В заключительном практическом туре перед участниками стоит задача моделирования собственных энергосистем и написание алгоритмов управления энергообеспечением. Главная цель — разработать стратегию оптимального построения умной энергосети и управления ею в условиях локальной конкуренции.

Участники проектируют экономические стратегии, анализируют прогнозы погоды и потребления, пишут скрипты по управлению энергообъектами. Побеждает та команда, чья энергосеть оказывается самой эффективной с точки зрения производства, накопления и расхода энергии, и самой «самостоятельной», способной выбрать оптимальный подход с учетом меняющихся условий.

Ежегодно сеть кардинально меняет свои законы и заготовки команд не работают, поэтому задача моделирует реальную инженерную ситуацию. Все базовые технологии известны, но новые объекты, экономические протоколы, балансы меняют механику и требуют создания обновленных продуктов и стратегий взаимодействия внутри сложной киберфизической системы.

Командная задача заключительного этапа представляет собой комплексную интегральную задачу, полное оптимальное решение которой чрезвычайно сложно, однако участники способны найти приближенное решение. Качество и сложность используемых приближений отражает глубину понимания, знаний и уровень их способностей.

Система оценки полностью автоматизирована и спроектирована таким образом, чтобы однозначно и численно оценить качество найденных и реализованных участниками приближенных решений.

Соревнования заключительного этапа профиля проводятся на программно-аппаратных комплексах лаборатории «Интеллектуальные энергетические системы», разработанных компанией «Полюс-НТ». Основой лаборатории являются стенды-тренажеры ИЭС — это модель поселения с потребителями энергии (жилые дома, больницы, заводы), электростанциями на альтернативных источниках энергии.

Стенды воссоздают погодные условия (ветер и освещенность) и рынок электроэнергии (многоуровневая биржа микроконтрактов). В 2024–25 гг. физические задачи определения параметров генераторов модифицированы:

светильники на столах горят несинхронно, имитируя движение солнца с востока на запад;
изменен характер прогнозов на силу ветра;
прогнозы различаются на каждом из трех столов (но на соответствующих столах каждой из двух площадок они одинаковы);
киберфизические солнечные электростанции (киберСЭС), введенные в 2023–24 гг., сохранены, но изменена их механика, а именно, скорость поворота и диапазон значений угла;
ведены теплоэлектростанции (ТЭС), которые были на седьмом финале ИЭС, проходившем дистанционно;
в игре изменился характер экономической модели: аукцион ведется по принципу all-pay (платят все) на пакеты объектов с заранее выставленными тарифами, а в рамках моделирования начисляются экологические баллы, которые в конце игры конвертируются в баллы итогового счета;
банк для итоговой выплаты формируется из налогов, взимаемых с команд на протяжении моделирования;
введена механика дискретного износа сетей: в течение моделирования ветки подстанций накапливают износ, после превышения которого ветка отключается на один такт и автоматически включается;
с помощью управляющего скрипта команды могут вручную отключать ветки для сброса накопленного износа.

Помимо командной задачи (практический тур) на заключительном этапе участникам решают индивидуальные задачи по предметам: информатика и математика (предметный тур). Это необходимо для того, чтобы объективно проверить индивидуальные знания участников, косвенно оценить индивидуальный вклад участников в результат командной работы.

Таким образом, за время заключительного этапа, наряду с предметными знаниями, участники получают опыт командного решения с возможностью выявления индивидуального вклада каждого в решение общей задачи. Это дает возможность выявить наиболее одаренных в научно-техническом отношении школьников.

Участие в данном профиле позволяет им в будущем сделать осознанный выбор профессии, а также расширяет популярность знаний в области энергетики и управления сложными системами. Собственный реальный опыт управления сложной системой дает возможность уже в школьном возрасте понять свое отношение и выбрать целевой профильный вуз, а значит, выбрать эффективную образовательную траекторию.