БОЛЬШИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМНОМ ПОДХОДЕ И СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ

Электроэнергетические системы (ЭЭС) и их объединения относятся к классу больших искусственных систем (БИС) [1, 2]. Дадим пояснения каждой из частей этого понятия.

Системой можно назвать объединение элементов, образующих связное целое в некотором заранее принятом смысле. Под элементом будем понимать объект, учитываемый лишь внешними характеристиками и свойствами, т.е. не разлагаемый на составные части.

Искусственной системой называется созданная человеком совокупность объектов. Системы энергетики в этом отношении несут двойной смысл: кроме всего, человек рассматривается как их неотъемлемая часть. Ввиду этого они также называются человеко-машинными системами. Как правило, БИС тесно взаимодействуют с природными системами, что нельзя не учитывать в расчетах их функционирования и, особенно, развития.

Наконец, большими называют такие системы, которые характеризуются особыми, только им присущими свойствами. Главным из них является свойство эмерджентности. Эмерджентность означает появление у целого таких свойств, которых нет у составляющих его частей.

Для того чтобы это качество проявило себя в полной мере, необходимо, чтобы части сами имели достаточно сложную внутреннюю структуру. Иначе, элементы, составляющие большую систему, рассматриваются как неделимые лишь на определенном этапе анализа, когда система представляется в агрегированной форме. При более детальном представлении ее элементы также обнаруживают сложную структуру.

Нетрудно показать, что ЭЭС также относятся к БИС, поскольку они являются человеко-машинными системами, связанными общими целями развития и функционирования, режимами работы, имеют сложную внутреннюю структуру, которая на различных этапах анализа по-разному агрегируется. На каждом уровне рассмотрения агрегированные элементы, по существу, представляют собой подсистемы рассматриваемой системы. На уровне рассмотрения подсистемы она сама выступает в качестве системы по отношению к своим элементам. Таких уровней БИС может иметь много, образуя тем самым иерархическую структуру. Свойство иерархичности является одним из основных свойств БИС.

Следует отметить, что ЭЭС сами могут рассматриваться как подсистемы систем более высоких уровней. В частности, они являются подсистемами электроэнергетики как подотраслитопливно-энергетического комплекса (ТЭК). Тот, в свою очередь, входит в качестве отрасли в сектор экономики «промышленность». Во многих задачах развития ЭЭС требуется рассматривать такие системы более высоких уровней. В этом случае уместнее говорить о больших системах энергетики (БСЭ).

Наряду с иерархичностью при анализе БСЭ необходимо учитывать также их связь с внешней средой, определяющей условия их развития. Этим, однако, далеко не исчерпываются главные свойства больших систем. К ним следует также отнести:

- организованность и управляемость на основе адаптации и эргатичности;

- двойственность природы;

- многосубъектность;

- многокритериальность;

- большое разнообразие состояний, свойств и связей;

- многовариантность функционирования и развития;

- устойчивость и динамизм развития

и некоторые другие.

Под организованностью и управляемостью понимается упорядоченность элементов системы, наличие определенной структуры, способность получать извне информацию и использовать ее для поддержания своей упорядоченности. Если в этом процессе система повышает свою организованность, то она называется самоорганизующейся. Этот процесс связан с приспособлением (адаптацией) системы к меняющимся внешним условиям. Системы называются эргатическими, т.к. их адаптация происходит при участии человека.

Двойственность природы больших систем проявляется в том, что, с одной стороны, под влиянием причинно-следственных связей их поведение подчиняется определенным закономерностям, а с другой - обилие воздействий, учесть которые практически невозможно, заставляет рассматривать их как случайные явления, вносящие в поведение систем некоторую долю неопределенности.

Участие человека в БСЭ приводит к необходимости выделения различных субъектов системы управления (СУ), имеющих свои, порой противоречивые интересы. Таким образом, большие системы становятся многосубъектными.

Интересы даже одного субъекта СУ многообразны. В результате мы имеем дело со свойством многокритериальности больших систем. При этом подразумевается, что критерии являются выражением интересов субъектов.

Сложность структуры, многообразие элементов больших систем, связей между ними создают многообразие состояний и свойств БИС. В свою очередь, это позволяет достигать одного и того же целевого результата различными путями. Последнее отражается свойством многовариантности.

Обилие элементов БИС в совокупности с обилием противоречивых, изменяющихся во времени внешних и внутренних воздействий приводит к отсутствию резких скачков в развитии БИС. Иначе говоря, большие системы являются высокоинерционными, устойчивыми в своем динамическом развитии.

 

Методологией исследования больших систем является системный подход. Этот подход базируется на следующих основополагающих принципах:

1) система должна рассматриваться как единое целое, а не как простая совокупность слагающих ее элементов;

2) система представляет собой некоторую структуру, построенную по иерархическому или сетевому принципу организации, но с элементами иерархической структуры;

3) система представлена своими субъектами, имеющими как общие, так и частные цели;

4) изучение свойств системы возможно с использованием методов моделирования. Модели систем должны учитывать все их определяющие свойства и связи с окружающей средой;

5) получаемые решения могут рассматриваться лишь как этапные, т.е. они должны непрерывно или периодически корректироваться и дополняться с учетом вновь появляющихся, ранее не учтенных обстоятельств, отражая свойство адаптивности БИС.

Реализация этих общих принципов требует применения соответствующей совокупности методов анализа БИС и выработки решений (рекомендаций) по их развитию и функционированию. Эта совокупность образует синтезирую-щую дисциплину - системный анализ. К системному анализу, применяемому для исследования БСЭ, относятся методы технической и экономической кибернетики, исследования операций, теория принятия решений в условиях неопределенности целей и исходной информации о существующем и прогнозном состоянии БСЭ и условиях их развития.

Системный анализ использует все классические и современные методы анализа, такие как линейное, нелинейное, динамическое, дискретное, стохастическое программирование; теорию распознавания образов; теорию нечетких множеств и свидетельств; математическую статистику, особенно регрессионный и корреляционный анализы; планирование эксперимента; экспертный анализ; математическую логику и диалоговые процедуры; имитационное моделирование и т.д.

В самом общем (однако несколько упрощенном) виде задачи развития БСЭ можно представить в форме схемы, изображенной на рис. 1, а. Здесь показаны вектор параметров внешних условий развития , вектор управляющих воздействий , вектор случайных параметров и критериальный векторный интегральный функционал . Векторный критериальный (целевой) функционал является интегральным, т.к. в больших системах решение, как правило, выбирается не по мгновенной реакции системы, а по интегральному результату за некоторый срок T (срок оптимизации):

. (1)

При таком представлении значение векторного функционала цели выражается в виде функции входных параметров, а в конечном счете - в виде функции управляющих воздействий . Строго говоря, лишь экстремальное значение функционала цели носит название критерий. Однако для краткости часто и сам функционал цели называют критерием.

Изменение параметров X, Y и Z, как правило, ограничивается некоторыми диапазонами типа

. (2)

 

Их изменение может также быть взаимно обусловленным:

 

; (3)

 

. (3а)

 

Зависимости типа (3а) но-сят название условий связи.

Модель системы типа изображенной на рис. 1, а носит название «черный ящик», т.к. о ее внутренних связях ничего не известно. Как правило, некоторая информация о внутренних связях в системах энергетики имеется, что позволяет параметры системы представить в виде внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) . Выработка управляющих воздействий осуще-ствляется некоторой системой управления (СУ), реакция которой проявляется в виде обратной связи (рис. 1, б). Соответствующая модель системы может быть названа «серым ящиком». Значения, принимаемые эндогенными переменными, зависят от значений экзогенных (внешних условий) и управляющих переменных

. (4)

 

Поэтому экзогенные и управляющие переменные называются независимыми, а эндогенные - зависимыми.