Петр Воробьев выступал у нас на семинаре в IC EnergyNet более года назад, ещё находясь в статусе сотрудника Массачусетского технологического института (MIT), — тогда только решался вопрос о его переходе в Сколтех. Яркое умное выступление, вдумчивые ответы на вопросы, искреннее желание понять собеседника. При этом обсуждалась достаточно революционная тематика — условия организации микргоридов на базе электронной генерации, вопросы новой теории управления энергетическими (микро-) системами. Позже я узнал историю Петра, об его учебе и работе в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау, о переезде в США, об участии в создании Центра энергетических систем в Сколтехе. Сейчас он работает над созданием российского Центра прикладных исследований в сфере новой энергетики. У меня не оставалось выбора, кроме того, как включить его в проект «Люди цифры». Встречайте — Петр Воробьёв, профессор Сколтеха.
Подпись.
“Большая проблема, которая есть в инженерном образовании, состоит в том, что студентам не очень объясняют, почему все так устроено”
Начнем с главного. Как ты дошел до жизни такой, что, будучи физиком и работая в престижном Институте теоретической физики им. Ландау, вдруг подался в электроэнергетику и, судя по всему, испытываешь удовольствие от того, чем занимаешься?
В каком-то смысле это история классическая. Не то, что все физики идут в энергетику, нет. Но многие физики идут в приложения. Если сейчас посмотреть на людей, которые занимаются, например, биологией даже в Сколтехе у нас, там огромное количество людей из физики и математики. Ничего удивительного и в том, что физики идут в инженерное дело. Более того, в Америке и Европе абсолютно распространенная ситуация, когда человек получает степень бакалавра по физике, а идет в магистратуру, например, на электроинжиниринг. И это, кстати, приводит к тому, что уровень математической подготовки инженерных кадров в Америке значительно выше, чем в России. Это сильно бросается в глаза, когда общаешься с профессорами, студентами из России и из Америки.
Как конкретно я пришел… Я учился спокойно в Институте Ландау, защищал диссертацию по теоретической физике, которая, однако же, была не совсем теоретической, я скорее назвал бы ее технической физикой. Так получилось, что мой руководитель Владимир Валентинович Лебедев и еще ряд людей исповедовали подход очень такой жизненный. Эти люди, будучи теоретиками, сами испытывают глубокое уважение к экспериментаторам. Когда идут какие-нибудь обсуждения, они всегда очень активно апеллируют к эксперименту, спрашивают: «Как это конкретно на эксперименте видно? Какое отношение имеет ваш результат к эксперименту, к реальной жизни?» И в меня эта культура тоже вошла. И мне всегда очень нравилось, когда я находил в реальной жизни подтверждение своим теоретическим знаниям.
Владимир Лебедев (директор Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН).
Эта практика от Льва Ландау пошла?
Да, но не только от него.
Соответственно, потихонечку я там работал. Мои коллеги из Лос-Аламосской национальной лаборатории Костя Турицын и Миша Чертков в какой-то момент времени сказали, что есть хорошие интересные задачи в энергетике, очень актуальные в мире, большое непаханое поле для физиков, и много групп хотят этим заниматься. Мне стало интересно, потому что меня к приложениям тянуло. Если бы это была не энергетика, это было бы другое приложение. В результате я стал с ними работать, сначала в Лос Аламосе, а потом в MIT.
Первую пару лет я вникал. Оказалось, что в энергетике физику разобраться не просто. Это не только электродинамика, уравнения Максвелла, законы Кирхгофа. Не все так просто.
Параллельно при поддержке MIT создавался Сколтех, начинался образовательный процесс. Мы с Костей сделали первый курс для энергетического центра Сколтеха, это был курс по технологии энергетических систем. В нем, как физики, мы объяснили основные процессы в энергосистемах, дали понимание, почему эти системы устроены так. Большая проблема, которая есть в инженерном образовании, состоит в том, что студентам не очень объясняют, почему все так устроено. Им дают знания как набор правил. А ведь можно все достаточно просто объяснить, как те или иные решения из физики следуют.
Подтверждаю. Я помню первый твой семинар, который мы провели у нас в IC EnergyNet. Сложные вещи звучали очень доступно… Как тебе, физику, удается достучаться до отраслевых специалистов?
Это мой личный подход. Мне всегда нравится задавать вопросы: «Как это в реальной жизни устроено?» Мы бесконечно долго спорим с тем же Костей Турицыным. Когда он говорит, что решает задачу переходной устойчивости электросетей, я его спрашиваю о том, как сейчас поступают люди в системном операторе. Что они конкретно делают? Он говорит: «Ну они там какие-то вычисления гоняют». Я говорю: «Давай по шагам. Скажи конкретно. Представь, что завтра во всей красе ты решил задачу, пусть тебе «сверху» кто-то спустил решение. Что ты с этого получишь? Что конкретно ты внедришь в практику?» И этот спор бесконечный.
Константин Турицын (Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology).
Вот у нас последняя работа вышла про частоту, про настройку зон нечувствительности, про роль инерции. С точки зрения физики получился достаточно рядовой результат, стандартные методы применили. Мы с Костей обсуждаем, я говорю: «Мне понравилась статья. Опубликована в престижном журнале». Он говорит: «Там нелинейность можно было бы аккуратнее расписать». Я отвечаю: «А зачем? Это бы не добавило новых практических знаний. Мы четко ответили на практически важные вопросы. Прямо вот очень прямые ответы дали. Есть данные реальных экспериментов в Техасе, они подробно описаны инженерами, и эти результаты никто не понимал. Есть данные частотных измерений из Англии, из Ирландии… Инженеры это не понимали, на вопросы ответов у них не было. Мы ответили простым образом. То, что при этом я эту нелинейность красиво и элегантно не выписал, лично меня вообще не волнует».
“У меня была такая задача с самого первого дня, что никто из индустриальных людей не должен в моем лице увидеть какого-то там абстрактного учёного, который не знает, как на практике все работает…”
Мне представляется, что для проведения исследований и разработок в сфере современной энергетики требуется сложный синтез знаний из разных научных дисциплин и областей практик. Как в вашей работе этот синтез знаний происходит? Или человек должен быть энциклопедически развитым, или должна быть специально организована какая-то коллективная деятельность?
Коллективная! На 100%! Мой опыт в этом очень хороший. Когда я делаю доклады, то заостряю на этом внимание. Я не просто упоминаю своих соавторов, но также объясняю кто они такие, и почему важно, что именно они оказались в команде. Вот, например, в тех работах по микрогридам, о которых я рассказывал у вас на семинаре, я четко говорил, что это хороший пример коллаборации между физиками, инженерами, которые фактически руками умеют работать, и специалистами по теории управления. Плодотворная получилась коллаборация. Специалист по теории управления обратил наше внимание на проблемы организации микрогридов и указал, что стандартные подходы не работают. И он начал писать свою систему уравнений. Но проблема была в том, что он подходил к решению на основе теории управления. А мы как физики посмотрели и сказали: «Ну, давайте на основе теории возмущений напишем». Для физиков это стандартная вещь, в особенности для представителей школы Ландау. А для представителей теории управления — это не стандартно.
А чего ему не хватало, чтобы использовать ваш подход?
Это именно язык теоретической физики, когда ничего точно не считается, и мы всегда стараемся найти малые параметры в системе и получить примерный ответ… Это определенный стиль мышления. У специалистов по теории управления несколько по-другому мышление устроено.
Массачусетский технологический институт.
Я работал как-то с постдоком из Цюриха, его зовут Доминик, он из очень сильной научной группы по теории управления. Он приехал к нам в MIT, показал свои расчеты. Такая очень насыщенная математика и очень громоздкий ответ. Я говорю: «Доминик, давай разбираться с твоей формулой, мне сложно ее понять сходу». И начал вычеркивать из его формулы переменные. У него глаза на лоб полезли: «Ты чего делаешь?» Я ему: «Подожди, сейчас все нормально будет». Почикал формулу, получил приближенное, но простое выражение. Говорю: «Вот теперь мне все понятно — мои и твои результаты согласуются». Это просто другой подход.
Получается, что специалист другой научной школы в какой-то степени подходит к математическому описанию формально, на основе правил. Он знает, что это явление описывается так и боится что-то поменять?
Не то что боится, просто нет привычки по-другому на это смотреть. В этом смысле и у меня нет привычки что-то другое делать, что они умеют.
То есть ты говоришь, что в каждой предметной области есть свой характерный язык, средства описания и решения задач, стиль мышления. Ты лучше владеешь своим интеллектуальным багажом, другие своим. И когда образуются такие небольшие группы людей из разных дисциплин, то у них возникает возможность решить задачу как-то нетривиально.
Именно так! Даже внутри нашего микроколлектива с Костей Турицыным, с которым мы много работали, мы уже разные, хотя и из одной научной школы, от одного научного руководителя происходим. Но я инженер больше, чем он. Я всегда приносил жизненные постановки задач, а он добавлял в методах. Это тоже пример продуктивной коллаборации.
Я все хочу понять, есть ли в ваших коллаборациях что-то… новое? Или это общепринятая практика решения задач в науке?
Такая практика широко принята и в России, и в мире. Меняется разве только то, что стало проще общаться. Интернет позволяет практически с каждым оперативно связаться. Такого рода вещи существовали и раньше. Тот же самый Ландау, он всю жизнь проработал в Институте физических проблем, работал бок о бок с экспериментаторами, он с ними общался. Есть легенда, что ему предлагали сделать Институт теоретической физики, и он отказался. Зачем мы будем «сами в себе вариться»? Не только Ландау. Очень многие в мире тянулись в практические сферы. В Америке много случаев, когда хорошие ученые уходили работать в инженерные компании, какой-нибудь Bell Labs, например, и там делали вещи, которые с точки зрения фундаментальной науки очень сильные. Это не новшество.
Лев Ландау.
Что не совсем обычно в моей ситуации, это такое сильное проникновение в новую область. Не просто коллаборация с кем-то, а я взял и стал инженером. Я потратил несколько лет, чтобы разобраться в электроэнергетике на таком уровне, что свободно общаюсь с индустрией. У меня была такая задача с самого первого дня, что никто из индустриальных людей не должен в моем лице увидеть какого-то там абстрактного учёного, который не знает, как на практике все работает… Я должен разговаривать с ними на абсолютно профессиональном уровне, и никогда не вызывать раздражения.
Может быть, в этом есть барьер? Насколько наука склонна так проникать в отрасль?
Да, в этом есть барьер. Это довольно острый вопрос и в Америке, и везде. К сожалению, есть довольно много представителей науки, которые не очень любят погружаться в индустрию. И среди моих коллег много таких, которым просто скучно общаться с индустрией. Они ожидают от общения чего-то другого. Индустрия начинает задавать какие-то вопросы, которые с их точки зрения примитивны. Но на самом деле, мое мнение заключается в том, что это не совсем так, вопросы отнюдь не примитивные. Просто сами мои коллеги не хотят сделать небольшие усилия для того, чтобы разобраться.
Есть ли в твоем подходе какая-то «особенность национальной науки»?
В Америке компетенция работы с индустрией развита сильнее, потому что там в принципе комьюнити более живое и там активно организуются новые компании на базе университетов. В России в этом смысле все похуже. С другой стороны, мне представляется, что в мире будет усиливаться тренд, связанный с тем, что академическая наука будет больше отдавать предпочтения работам, которые напрямую связаны с индустрией. И тогда востребованность в людях, которые являются «мостиками» между наукой и приложением, будет больше. Я надеюсь, что сам таким «мостиком» являюсь.
“Наша задача выявлять эти проблемные ситуации, искать компромиссные решения, доводить их до технологии”
Насколько я понимаю, в Сколтехе для этого есть все условия. И ты эту практику хочешь там развивать?
Безусловно. Это всегда было моей целью. Но большую уверенность придал мне семинар, который я у вас в EnergyNet провел. Я, честно говоря, не ожидал такого приема. Ну, я думал, что придут какие-то люди, посидят, покивают головами. Реально пришли люди вполне прикладные. И они поняли, что я рассказывал. Это очень для меня было важно.
Януш Биалек (первый директор Центра по энергетическим системам Сколтеха).
Какая основная идея Центра прикладных исследований (ЦПИ), созданием которого ты занимаешься в Сколтехе?
Нужно организовать центр, который занимается R&D, получает со-финансирование от индустрии, грантовое финансирование от Сколково при условии прохождения необходимой экспертизы, организует кооперацию с университетами, в том числе как минимум с одним зарубежным университетом. Идея хорошая! Нельзя при организации ЦПИ прийти просто с идеей теории или даже лабораторных экспериментов. Нужно, чтобы была заявлена логика коммерциализации. Это существенная часть.
Здесь для меня есть одна развилка. При постановке целей подобного R&D-центра можно идти вслед за бизнесом, а можно делать опережающий ход, а потом предложить бизнесу последовать за вами. В первом случае вы имеете более гарантированную поддержку индустрии, во втором — больше возможностей найти прорывные варианты использования новых технологий. Как вы проходите эту развилку?
Здесь, как всегда, необходимо находить баланс. Нужно делать хороший, здоровый микс из вещей вполне приземленных, понятных, и вещей на перспективу. Большая часть программы посвящена микрогридам, применению накопителей и ВИЭ. Эти задачи представляют уже практический интерес для индустрии и содержат в себе еще большое количество наукоемких задач. Обычно в каждом случае использования нового устройства в энергосистеме возникают сложности согласованной работы этого устройства с множеством других устройств, уже работающих в энергосистеме, их совместной устойчивой работы, и эти проблемы не учитываются разработчиками отдельных устройств. Наша задача выявлять эти проблемные ситуации, искать компромиссные решения, доводить их до прикладных технологий.
Например, сейчас уже стандартно используются инверторы с солнечными панелями, это коммодити, их все клепают. Никто сейчас уже не задумывается, что когда-то была проблема подстройки фазы выходного сигнала солнечной генерации с фазой электроэнергии во внешней сети. Сейчас это решается при помощи phase-locked loop, это центральная часть управления инвертором. Проблема снята технологией.
«…поскольку я физик, то просто мне интересны такого рода задачи»
А какие технологические задачи ты считаешь фронтиром современной энергетики?
Есть задачи построения микроэнергосистем, где в принципе вся генерация интегрирована через устройства силовой электроники. Тут много вопросов подключения и функционирования в существующей системе огромного количества солнечной генерации и накопителей. Исследования и разработки в сфере управления устройствами силовой электроники для электросетей — серьезный тренд сейчас в мире.
Семинар Петра Воробьева в IC EnergyNet: проблематика создания микрогридов.
Дальше есть круг задач, которые связаны так или иначе с информационными технологиями и математическими методами. Я решаю, например, довольно приличное количество задач, связанных с методами идентификации (System Identification). Классическая постановка задачи — это по данным измерения определить режимы работы оборудования. При этом речь идет не просто об обработке данных, а о формировании на основе этого хороших моделей.
Это получается идентификация каких-то состояний, не объектов?
И объектов тоже. Я простой пример приведу. Есть такие ситуации, устанавливаю я солнечные панели и получаю под это субсидии за ту мощность, что передал в сеть, и субсидии эти могут быть довольно приличные. Ну и начинаю я хитрить, ставлю рядышком дизель, и с дизеля начинаю закачивать в сеть. Вот простой пример. На самом деле, отличить дизель от панели очень легко по флуктуациям напряжения.
Смежная задача — это идентификация характера нагрузки. На самом деле, довольно важно, какая нагрузка подключена, ведь это влияет на границу устойчивости сети и понимание, где эти границы в данный момент находятся, что позволяет гораздо в более экономичном режиме работать сети. Есть задача определить, сколько за подстанцией сидит распределенной солнечной генерации, она ненаблюдаемая, она просто понижает общую нагрузку. Но принципиально важно различать нагрузку и солнечную генерацию. Это нужно для планирования резерва в системе.
Второе направление понятно. Ещё что?
Третье направление — я довольно много занимаюсь новыми методами режимного регулирования в энергетических системах. Одна из идей, которая сейчас много обсуждается, это применение накопителей для регулирования частоты. Оказывается, довольно интересно, что если будем сейчас считать применение накопителей по экономике, то получится, что накопители пока не выгодно применять. Но плохая экономика происходит от того, что мы считаем примитивно. Как обычно думают про использование накопителя? Когда дешево — запасать, когда дорого — продавать. Но это не единственное применение. Как раз более важное применение нишевое. Вот регулирование частоты, фактически балансировка мощности, это хорошее нишевое применение, где накопители все свои преимущества могут продемонстрировать. Оказалось, что это экономически уже сейчас выгодно. Такое применение развито на рынках США (PJM) и в Великобритании. Накопители участвуют в этом рынке так же, как генераторы, только их скорость отклика быстрее, и сам отклик резче. Эта возможность определяется специфической природой накопителей. И требования регулятора по более резкому отклику не приводит к неустойчивостям. Это простая иллюстрация, но даже это еще сильно далеко от того, что реально можно сделать с помощью накопителей.
Семинар Петра Воробьева в IC EnergyNet: вопросы трансформации электроэнергетики.
Какие еще темы у тебя остались?
Большая область задач — как сигналы с векторных измерителей (PMU) правильно использовать. До сегодняшнего дня все это использовалось только для большой энергетики, там характерные времена, на которых что-то меняется, были секундные. А в случае небольших сетей, особенно с использованием силовой электроники, возникают сложности, так как там время измерения близко к динамике процессов. Там решать даже простые задачи уже нетривиально. Это более фундаментальная тема, но заниматься ею перспективно.
Пятая, последняя.
Сейчас подумаю… Есть DC-сети. Они немного в стороне. Но это свой интересный мир, своя интересная физика. Да, чуть не забыл. Внедрение ВИЭ — пятое крупное направление — хорошее, масштабное внедрение ВИЭ. Опять же, все со всем связано. Вот в Ирландии много ветра. Но в сеть берут не более 50% мощности от ветрогенераторов. Это определяется требованиями устойчивости, сейчас это предельное проникновение ветровой энергетики в их энергосистему. Однако, если мы начнем по-умному все делать, те же накопители использовать, то ситуация изменяется. Если мы захотим довести долю ветра до 75%, сколько нужно для этого поставить накопителей, если их нормально при этом настроить? Оказывается, что не так-то много…
Давай остановимся. Ты назвал пять направлений. Чем они для тебя связаны?
Наверное, их можно все вместе объединить термином динамика устойчивости и регулирование в электрической сети. Эта тема мне интересна в силу моего бэкграунда, — поскольку я физик, то просто мне интересны такого рода задачи.
Но вопросы динамики и регулирования были известны и 20 лет назад, и 40. Почему сейчас они актуализировались, и ты даже считаешь их фронтирными?
Дело в том, что сейчас происходят две вещи одновременно. С одной стороны, растет нагрузка в энергосистеме, и меняется ее характер. Электронные приборы, зарядники, силовая электроника — эта нагрузка очень агрессивная по отношению к сети. Этот тренд выставляет более высокие требования к устойчивости сети. Классический пример — в 1996 году блэкаут в Америке произошел как раз из-за того, что в системе появилось много кондиционеров. Там сеть развалилась. Если бы это были лампочки, то ничего бы не произошло. А с другой стороны, есть тренд с ростом доли возобновляемой энергетики, она агрессивная с точки зрения динамики, переменчивая. В этой связи и становятся актуальными исследования в области устойчивости.
Возникли вызовы…
Но при этом возникли и возможности. Используя расширительное толкование цифровизации, можно сказать, что появился пакет цифровых технологий.
“Это и есть процесс цифровизации, который последние лет 70 длится в мире!”
Почему расширенное толкование? И вообще, интересно узнать, как ты определяешь понятие «цифровая энергетика»?
Я бы понятие «цифровая энергетика» не определял. Ведь термин “цифровой” имеет конкретное содержание. То, что сейчас имеют в виду, когда обычно говорят о цифровизации в энергетике, на самом деле подразумевают более широкий круг процессов. Я бы сказал, что то, что реально скрывается под словом «цифровизация», это скорее «информатизация».
Есть такой известный термин smart grid, который уже приобретает окраску не всегда положительную. Но у него есть довольно четкое определение, которое можно прочитать в Википедии. Это изменение работы электрической сети с использованием современных коммуникационных технологий и технологий обработки данных. Фактически я не обязан ничего цифрового даже иметь. Я могу существенно улучшить работу сети, не прибегая к цифровым технологиям как таковым, все у меня будет аналоговое, все сигналы и измерения.
Лаборатория по интеллектуальным сетям (Сколтех).
Другое дело, когда говорят о цифровизации конкретно как о замене способа передачи данных, когда передается не аналоговый сигнал, а цифровой, что позволяет существенно сократить количество ошибок. Мы берем сигнал, разбиваем его на дискретные значения и далее храним и передаем эти значения в виде битов. Это и есть процесс цифровизации, который последние лет 70 длится в мире!
Я озадачен твоим ответом. Я думаю, что принципиальным в цифровизации является все же не технический метод представления и передачи данных, а нечто другое, что-то, что определяет качественный переход настоящего времени. А качественные изменения происходят в организации экономических процессов, во взаимодействии между экономическими акторами. Отсюда, кстати, и термин «цифровая экономика».
Понимаю. Мне кажется, что термин «цифровой» во всех этих контекстах приобретает несколько другое значение, не такое, какое он имеет в научной части. Слово «цифровой» происходит из того, что компьютеры используются. Но здесь не имеет никакого значения цифровая обработка сигнала или аналоговая. То есть «цифровая экономика» — это экономика с максимально автоматизированной обработкой информации. А компьютеры работают по цифровому принципу, поэтому этот термин сюда перешел.
Подготовлено IC EnergyNet в рамках проекта “Люди цифры”.
Интервью брал Дмитрий Холкин.
Источник: medium.com