Ученые создали систему управления энергетическими потоками
Специалисты Института проблем транспорта имени Н. С. Соломенко Российской академии наук разработали алгоритм прогнозирования энергопотребления морской портовой инфраструктуры.
Основным источником информации является Министерство науки и высшего образования Российской Федерации. Сообщение министерства также распространили БелТА и ТВ БРИКС.
Официальное название научной организации — Институт проблем транспорта имени Н. С. Соломенко РАН. Институт занимается исследованиями транспортных систем, логистики, безопасности, интеллектуального управления и экологических проблем транспорта.
Исследовательская группа создала математическую модель, на основе которой было разработано компьютерное программное обеспечение. Система должна с высокой точностью прогнозировать потребление электроэнергии и помогать распределять энергетические потоки между портовыми объектами.
Главная особенность метода заключается в способности самостоятельно адаптироваться к меняющимся режимам работы оборудования вместо применения заранее закрепленного набора параметров.
Портовая нагрузка постоянно меняется
Потребление энергии в морском порту редко остается стабильным в течение суток.
Резкие скачки могут возникать при заходе судна, подключении берегового электроснабжения, запуске судовых насосов, работе контейнерных кранов или одновременной зарядке электрической перегрузочной техники.
На общий график также влияют:
- количество судов у причалов;
- тип и размеры каждого судна;
- продолжительность стоянки;
- интенсивность погрузочно-разгрузочных операций;
- работа холодильных контейнеров;
- освещение терминалов;
- отопление и вентиляция складов;
- зарядка электрических тягачей и погрузчиков;
- температура воздуха и сезон;
- выработка солнечных и ветровых электростанций.
Один и тот же терминал утром может обслуживать небольшое судно при минимальной работе кранов, а через несколько часов одновременно принимать контейнеровоз и паром. Использование обычного среднего показателя для такого объекта может привести к значительной ошибке.
Конференция ООН по торговле и развитию отмечает, что порты одновременно являются крупными потребителями энергии и источниками выбросов. Их цифровая и энергетическая модернизация становится необходимой для сохранения пропускной способности, экологической устойчивости и конкурентоспособности.
Алгоритм не использует один фиксированный шаблон
Традиционная модель прогнозирования может анализировать строго определенное количество предыдущих наблюдений и использовать один и тот же временной интервал независимо от текущей ситуации.
Разработка Института проблем транспорта действует иначе. Она динамически определяет, какое количество наиболее похожих потребителей или режимов необходимо учитывать для конкретного прогноза.
Система также подбирает подходящую глубину анализа временного ряда. Иными словами, для одного режима ей может быть достаточно данных за последние несколько часов, а для другого потребуется сравнение с аналогичными днями, сезонами или циклами работы оборудования.
По описанию разработчиков, алгоритм учитывает локальные особенности данных в реальном времени. Это особенно важно для портов, где энергетический профиль двух соседних терминалов может существенно различаться.
Контейнерный терминал зависит от графиков судов, кранов и рефрижераторных контейнеров. Нефтеналивной объект использует насосное и перегрузочное оборудование. Пассажирский порт сталкивается с выраженными пиками при прибытии паромов и круизных судов.
Единая жесткая модель может работать недостаточно точно для всех таких объектов. Адаптивная система должна менять параметры под фактическую структуру нагрузки.
Прогноз должен стать частью системы управления портом
Сам по себе прогноз не включает и не отключает генераторы, накопители или краны. Для практического применения алгоритм необходимо связать с портовой системой энергетического управления.
Программное обеспечение может заранее сообщить, что через определенное время потребление резко увеличится. После этого система управления сможет:
- подготовить необходимую мощность внешней сети;
- запустить дополнительный генератор;
- изменить режим зарядки аккумуляторов;
- сохранить часть энергии в накопителе;
- перенести второстепенное потребление;
- распределить нагрузку между несколькими источниками;
- предупредить оператора о риске перегрузки сети.
Например, если к причалу приближается контейнеровоз, порт может заранее подготовить береговое питание и необходимую мощность для нескольких перегрузочных кранов.
Без точного прогноза оператору приходится постоянно держать резервные генераторы включенными или сохранять слишком большой запас мощности. Это увеличивает расходы и расход топлива.
Береговое электроснабжение станет одним из главных применений
Особое значение разработка может получить при управлении системами берегового электроснабжения судов.
Даже после швартовки судну требуется энергия для вентиляции, отопления, охлаждения, освещения, насосов, систем управления, холодильного оборудования и обработки груза.
Если береговое подключение отсутствует, эту энергию обычно вырабатывают судовые вспомогательные дизель-генераторы.
Береговое электроснабжение позволяет отключить их и получать электричество от наземной сети. Международная морская организация рассматривает такую технологию как способ уменьшить загрязнение воздуха, выбросы и шум в районе порта.
Мощность, необходимая отдельному судну, может составлять от менее чем 100 кВт до 10–15 МВт. Для обслуживания крупных судов порту могут понадобиться высоковольтная сеть, трансформаторы, преобразователи частоты, панели управления и специальные кабельные системы.
Ошибка прогноза при такой мощности может быть дорогостоящей. Недостаток энергии приведет к ограничению берегового питания или необходимости срочно запускать генерацию. Избыточный резерв увеличит капитальные и эксплуатационные расходы.
Выбросы можно снизить непосредственно возле городов
Многие крупные порты расположены рядом с густонаселенными городскими районами.
Дизельные двигатели судов, грузовиков и перегрузочной техники выбрасывают оксиды азота, оксиды серы, твердые частицы и углекислый газ. Поэтому экологический эффект модернизации особенно заметен в непосредственной близости от терминалов.
Агентство по охране окружающей среды США отмечает, что в портах одновременно концентрируется большое количество дизельного оборудования. Береговое питание позволяет судам отключать вспомогательные двигатели и сокращать локальные выбросы во время стоянки.
Европейская комиссия также рассматривает береговое электроснабжение как стратегический элемент декарбонизации портовых операций. Оно способно значительно сократить локальные выбросы CO₂, NOₓ, SOₓ и твердых частиц.
Однако итоговое снижение углеродного следа зависит от источника электроэнергии. Если порт получает ее преимущественно от угольной или газовой генерации, выбросы частично перемещаются от причала к электростанции.
Наибольший климатический эффект достигается при использовании атомной, гидроэнергетической, солнечной, ветровой и другой низкоуглеродной генерации.
Система может управлять гибридной микросетью
Современный порт постепенно превращается из обычного потребителя в самостоятельную энергетическую систему.
В состав портовой микросети могут входить:
- подключение к национальной электросети;
- дизельные или газовые генераторы;
- солнечные панели на крышах складов;
- наземные или морские ветровые установки;
- приливная генерация;
- аккумуляторные накопители;
- водородные энергетические установки;
- системы берегового питания;
- зарядные станции для техники и грузовиков.
Каждый источник имеет собственные ограничения. Солнечная генерация зависит от облачности и времени суток, ветровая — от скорости ветра, а приливная — от циклов движения воды.
Аккумулятор может быстро компенсировать скачок нагрузки, но имеет ограниченный запас энергии. Дизель-генератор обеспечивает надежность, однако увеличивает расходы и вредные выбросы.
Адаптивный прогноз позволяет заранее определить предполагаемый дефицит или избыток электроэнергии и выбрать более выгодную комбинацию источников.
Возобновляемую энергию будет проще интегрировать
Одна из задач разработки — обеспечить более безопасное подключение возобновляемых источников к портовой микросети.
Проблема заключается в одновременной нестабильности предложения и спроса. Выработка солнечной или ветровой энергии меняется вместе с погодой, а потребление зависит от судозаходов и работы терминалов.
Если в момент подключения крупного судна ветер ослабевает, системе необходимо быстро компенсировать недостающую мощность. Если же производство электроэнергии превышает спрос, избыток следует направить в аккумулятор, на зарядку техники или другим потребителям.
Точный прогноз позволяет заранее подготовить накопители и резервные установки, не дожидаясь критического отклонения частоты или напряжения.
Развитие подобных технологий связано с более широкой трансформацией морской отрасли. K2Cargo News ранее рассказывал, как экологичные суда и новые энергетические системы поддерживают развитие морской ветроэнергетики.
Отказ от лишней работы генераторов снижает затраты
Портовые дизель-генераторы могут использоваться как основной, резервный или пиковый источник энергии.
При отсутствии качественного прогноза оператор вынужден включать их заранее и оставлять работающими дольше необходимого. Часть топлива расходуется без фактической полезной нагрузки.
Более точное прогнозирование может сократить:
- холостой ход оборудования;
- количество неэффективных запусков;
- расход дизельного топлива;
- эксплуатацию генераторов при низкой нагрузке;
- износ двигателей;
- расходы на техническое обслуживание;
- объем необходимого аварийного резерва.
Экономический результат будет зависеть от размера порта, стоимости топлива и электроэнергии, структуры микросети и точности исходных данных.
Разработчики не опубликовали расчет конкретной экономии для отдельного терминала. Поэтому говорить о гарантированном снижении расходов на определенный процент пока преждевременно.
Краны создают резкие пики потребления
Контейнерные перегрузочные краны являются одними из наиболее мощных потребителей электроэнергии в порту.
Во время подъема контейнера возникает кратковременный пик. При опускании груза современные системы могут возвращать часть энергии в сеть или накопитель.
Если несколько кранов одновременно поднимают контейнеры, нагрузка резко увеличивается. Дополнительное потребление создают автоматические штабелирующие краны, конвейеры, насосы и электрические терминальные тягачи.
Алгоритм может анализировать повторяющиеся операционные циклы и заранее оценивать их суммарное влияние.
В перспективе прогноз можно связать с системой управления заданиями. Она будет распределять операции между кранами таким образом, чтобы сохранить производительность, но не допускать одновременного возникновения нескольких максимальных пиков.
Холодильные контейнеры требуют отдельного учета
Рефрижераторные контейнеры должны постоянно получать электроэнергию для поддержания температуры.
Их количество на терминале меняется в зависимости от прибытия судов, железнодорожных составов и грузовиков. Сезонные поставки фруктов, овощей, мяса, рыбы и фармацевтической продукции способны значительно увеличить нагрузку.
Отключение питания даже на ограниченное время может привести к повреждению груза и крупным страховым претензиям.
Поэтому холодильное оборудование относится к критически важным потребителям, которые нельзя просто отключить во время энергетического дефицита.
Прогнозирующая система должна отделять управляемые нагрузки от тех, для которых необходимо гарантированное непрерывное питание.
Невысокие вычислительные требования расширяют возможности внедрения
Разработчики отмечают, что алгоритм не требует высокопроизводительного вычислительного комплекса.
Это может стать важным преимуществом для небольших и средних портов, которые не располагают крупными центрами обработки данных или значительным бюджетом на ИТ-инфраструктуру.
Программное обеспечение теоретически можно разместить на обычном промышленном сервере или локальном вычислительном устройстве непосредственно в диспетчерском центре.
Локальная обработка данных также сокращает задержку между получением информации и управляющим решением. Порту не обязательно передавать весь поток технологических данных во внешний облачный центр.
Однако для реального внедрения потребуется обеспечить резервирование оборудования, защиту от кибератак и безопасную связь с портовыми системами.
Качество данных определит точность прогноза
Даже наиболее совершенная модель не сможет дать надежный результат при ошибочных или неполных исходных данных.
Порту необходимы показания интеллектуальных счетчиков, сведения о графиках судозаходов, режимах работы кранов, погоде, состоянии накопителей и планируемом использовании причалов.
Проблемы могут возникнуть, если:
- счетчики передают данные с задержкой;
- часть оборудования не подключена к общей системе;
- судно прибывает раньше или позже расписания;
- оператор изменяет план погрузки;
- датчик показывает неверное значение;
- разные терминалы используют несовместимые форматы данных.
Поэтому внедрение алгоритма потребует не только установки программного обеспечения, но и создания единой системы сбора, очистки и синхронизации информации.
Интерес инвесторов к подобным решениям уже растет. Ранее K2Cargo News сообщал, что будущее рынка морской аналитики было оценено в $3,85 млрд.
Европейские требования увеличат спрос на прогнозирование
Европейский рынок берегового электроснабжения должен значительно расшириться в ближайшие годы.
По данным Европейской комиссии, системой OPS уже оборудован 71 из 179 основных морских портов сети TEN-T. В них доступен 461 соответствующий причал. В комплексной сети TEN-T береговое питание установлено в 31 из 371 порта на 78 причалах.
Регламент FuelEU Maritime предусматривает, что с 1 января 2030 года контейнерные и пассажирские суда валовой вместимостью более 5 тыс. тонн должны использовать береговое электроснабжение или другую технологию с нулевыми выбросами во время стоянки в охваченных требованиями портах.
С 2035 года правило распространится на все порты ЕС, в которых создана необходимая инфраструктура.
Подключение большого количества судов превратит прогнозирование нагрузки из вспомогательной функции в один из основных элементов управления портовой сетью.
Порту необходимо будет понимать не только максимальную мощность одного судна, но и вероятность одновременного подключения нескольких потребителей.
Технология может повысить устойчивость критических объектов
Стабильное электроснабжение необходимо системам навигации, безопасности, пожаротушения, связи, контроля доступа и обработки опасных грузов.
При аварии внешней сети порт должен сохранить питание критических потребителей и безопасно остановить второстепенное оборудование.
Адаптивный алгоритм может заранее выявить приближение дефицита мощности и подготовить систему к переходу на резервный режим.
Он также может помочь определить, какой объем энергии необходимо постоянно хранить в аккумуляторах. Слишком маленький резерв создает риск остановки, а слишком большой не позволяет эффективно использовать накопитель для снижения пиковых нагрузок.
Для объектов с опасными или температурно чувствительными грузами надежность может быть важнее прямой экономии.
Перед внедрением потребуются промышленные испытания
В сообщении Минобрнауки России говорится, что разработанный метод превзошел ряд современных моделей прогнозирования по точности.
Однако конкретные показатели ошибок, размер использованного массива данных и названия портов, на которых проводилась проверка, не раскрываются.
Не сообщается также:
- насколько заранее система формирует прогноз;
- как часто она обновляет расчеты;
- какие типы портового оборудования были включены в модель;
- проверялась ли она на реальных системах берегового питания;
- зарегистрировано ли программное обеспечение;
- когда может начаться коммерческое внедрение.
Для перехода от научной разработки к промышленному продукту понадобятся пилотные проекты в действующем порту.
Систему необходимо проверить в разные сезоны, при отклонениях судов от расписания, сбоях датчиков и резком изменении режима терминала.
Отдельно потребуется подтвердить, что ошибочный прогноз не сможет привести к отключению критического оборудования или нарушению безопасности.
Российская разработка соответствует глобальному тренду
Порты по всему миру одновременно проходят энергетическую и цифровую трансформацию.
Международная морская организация рассматривает порты как важнейших участников сокращения выбросов морского транспорта. Среди перспективных мер она выделяет береговое питание от возобновляемых источников, альтернативные топлива и оптимизацию всей логистической цепочки.
Конференция ООН по торговле и развитию также указывает, что цифровые технологии позволяют портам точнее прогнозировать изменения, быстрее принимать решения и одновременно повышать устойчивость инфраструктуры.
Разработка Института проблем транспорта объединяет эти два направления. Она использует цифровой анализ для решения энергетической и экологической задачи.
Если заявленная точность подтвердится в реальной эксплуатации, алгоритм сможет стать частью систем умного порта, объединяющих судозаходы, терминальные операции, генерацию, накопление и потребление энергии.
Главный результат будет зависеть от практического внедрения
Новая модель решает одну из наиболее сложных задач портовой энергетики — прогнозирование нагрузки в условиях постоянных изменений.
Адаптивный выбор данных позволяет не привязывать систему к одному жесткому шаблону. Низкие требования к вычислительной мощности потенциально делают технологию доступной не только крупнейшим портам.
Наиболее перспективными областями применения становятся береговое электроснабжение судов, управление гибридными микросетями, интеграция возобновляемой энергии и оптимизация работы дизель-генераторов.
Однако окончательную эффективность покажут только промышленные испытания. Портовым операторам потребуются подтвержденные показатели точности, экономии, надежности и кибербезопасности.
При успешной реализации разработка может помочь портам одновременно уменьшить расходы, сохранить устойчивость энергоснабжения и снизить загрязнение воздуха в прибрежных городах.
Читайте также: Samskip усилит проект HyShip судами на водороде для маршрута Осло — Роттердам
