Методи та засоби довгострокового прогнозування графіків навантаження об’єднаної енергосистеми в умовах перехідної економіки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 621.311:621.3.016.3

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ДОВГОСТРОКОВОГО ПРОГНОЗУВАННЯ ГРАФІКІВ НАВАНТАЖЕННЯ ОБ'ЄДНАНОЇ ЕНЕРГОСИСТЕМИ В УМОВАХ ПЕРЕХІДНОЇ ЕКОНОМІКИ

Спеціальність 05.14.01 - енергетичні системи та комплекси

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КОБРІН ПЕТРО ПЕТРОВИЧ

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті загальної енергетики НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, академік НАН України КУЛИК Михайло Миколайович, Інституту загальної енергетики НАН України, м. Київ, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник ЖАРКІН Андрій Федорович, Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, заступник директора з наукової роботи;

кандидат технічних наук АБРАМОВ Вадим Олексійович Київський міський педагогічний університет ім. Грінченка Б.Д., завідувач кафедри інформатики.

Провідна установа Національний технічний університет України “Київський політехнічний Інститут”, кафедра автоматизації енергосистем, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 2 ” червня 2005 року об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою: 03680, м.Київ, пр.Перемоги, 56, тел. 417-01-42.

З дисертацією можна ознайомитись в Інституті загальної енергетики НАН України.

Автореферат розісланий “ 26 ”квітня 2005 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Мельничук Л.П.



АНОТАЦІЯ

Кобрін П.П. Методи та засоби довгострокового прогнозування графіків навантаження об'єднаної енергосистеми в умовах перехідної економіки. - Рукопис. енергоспоживання часовий екстраполяція

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.01 - Енергетичні системи та комплекси. - Інститут загальної енергетики НАН України, Київ, 2005.

Шляхом аналізу методів довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС встановлено, що застосування методів виявлення залежностей, часових рядів, математичного аналізу та екстраполяції динамічних кривих, що традиційно застосовувались для прогнозування ГЕН, є неможливим з огляду на значні зменшення енергоспоживання та структурні зрушення в ретроспективний період. Доведено необхідність розробки нових методів прогнозування ГЕН через те, що проблема довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС в умовах перехідної економіки розроблена недостатньо повно.

Розроблено метод формових відображень для довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС та їх параметрів, принциповою особливістю якого є те, що співставлення та формування прогнозних ГЕН здійснюється з використанням як аргументу нової величини, а саме, індексу річного електроспоживання (час як аргумент виключений із аналізу), а початок ретроспективного періоду співпадає з роком максимального електроспоживання. Розроблено математичну модель довгострокового прогнозування ГЕН, яка дозволяє проводити корекцію прогнозних ГЕН шляхом врахування тарифного фактору через функцію попиту. Розроблено ПІК “ПРОГНОЗ” для проведення прогнозних розрахунків ГЕН ОЕС на глибоку перспективу, що включає в себе базу даних режимів електроспоживання ОЕС у період 1991-2002 років.

Результати прогнозних розрахунків на період до 2030 року за базовим варіантом свідчать про певне розущільнення форми ГЕН ОЕС України у добу зимового максимуму з 0.919 до 0.9 та зростання її нерівномірності - з 0.811 до 0.769. Очікується зменшення річного числа годин використання максимуму навантаження ОЕС з 5917 до 5599 год (5.3 %). Зростання максимуму навантаження на 2030 рік складатиме за базовим варіантом 2.42 разу, за песимістичним - 2.03 разу, за оптимістичним варіантом - 2.66 разу.

Ключові слова: довгострокове прогнозування, графік електричного навантаження, об'єднана енергосистема, параметри навантаження.



SUMMARY

KOBRIN P.P. Methods and facilities for long-term forecasting load curves of electric power pool in the conditions of transitional economy - Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree of Technical Sciences, Specialty 05.14.01 - Power system and complexes - Institute of General Energy of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

It is determined by the analysis of methods for long-term forecasting the electric load curves (ELC) of the electric power pool (EPP), that application of methods for establishing dependences, time series, mathematical analysis, and extrapolation of dynamic curves, which were traditionally used for ELC forecasting, are not possible due to considerable structural changes in retrospective period. It is proved the necessity of development of new methods for ELC forecasting, because the problem of ELC EPP long-term forecasting is not developed enough complete in the conditions of transitional economy.

The method of form representations for long-term forecasting the ELC EPP form and their parameters are developed. Its principal feature is that comparison and forming of predicted ELC is carried out with the use of a value, which is new in principle, as argument, namely, index of annual electricity consumption (time as argument is excluded from the analysis), and beginning of retrospective period coincides with the year of maximal electricity consumption in the past. The mathematical model of the ELC long-term forecasting, which enables to conduct correction of predicted ELC by taking tariff factor through the function of demand into account is developed. The program informational complex “PROGNOSIS” is developed for conducting the forecast calculations of EPP ELC for the distant future.

The results of forecast calculations for the period up to 2030 by the base variant indicate to certain thinning of ELC form for EPP of Ukraine from 0.919 to 0.9 and an increase in its non-uniformity from 0.811 to 0.769 in time of winter maximum. A decrease in annual number of hours of the use of maximum EPP load from 5917 to 5599 h (5.3 %) is expected. An increase in maximum load in 2030 will be 2.42 times by the base variant, 2.03 times by the pessimistic variant, and 2.66 times by the optimistic variant.

Key words: long-term forecasting, electric load curves, electric power pool, load parameter.



АННОТАЦИЯ

КОБРИН П.П. Методы и средства прогнозирования графиков нагрузки объединенных энергосистем в условиях переходной экономики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы. - Институт общей энергетики НАН Украины, Киев, 2005.

Проведен анализ методов долгосрочного прогнозирования графиков электрической нагрузки (ГЭН) объединенных энергосистем (ОЭС), который определил, что применение традиционных методов в условиях переходной экономики, учитывая спады электропотребления и продолжительные структурные сдвиги, является необоснованным. Доказана необходимость разработки новых методов прогнозирования ГЭН из-за того, что проблема долгосрочного прогнозирования ГЭН ОЭС в условиях переходной экономики разработана недостаточно полно.

Установлено, что, несмотря на общее увеличение электропотребления с 2000 года, форма ГЭН ОЭС в сутки максимума нагрузки на протяжении 2000-2003 гг. сохранилась почти неизменной, а незначительное отклонение сопоставимо со случайными колебаниями электропотребления. Также установлено устойчивость формы суточных ГЭН отраслей национальной экономики в летний и зимний периоды 2000-2003 гг. Незначительная продолжительность периода стабилизации новых тенденций не дает оснований для надежного прогноза перспективных параметров электропотребления традиционными методами математического анализа и экстраполяции динамических кривых.

Разработан метод формовых отображений (МФО) для долгосрочного прогнозирования параметров и формы ГЭН ОЭС, принципиальной особенностью которого является то, что время как аргумент исключено из анализа (фигурирует только как параметр), а прогнозирование ГЭН проводится с использованием новой величины - индекса годового электропотребления. Сущность метода заключается в том, что форме прогнозного ГЭН каждой отрасли экономики ставится в соответствие (отображается) определенная форма ГЭН этой же отрасли на соответствующем репрезентативном участке ретроспективного периода. Репрезентативным участком ретроспективного периода в методе МФО считается период времени падения электропотребления. Это является принципиальным отличием метода МФО от известных методов долгосрочного прогнозирования ГЭН ОЭС. Разработана математическая модель долгосрочного прогнозирования ГЭН, которая позволяет проводить коррекцию прогнозных ГЭН учитывая тарифный фактор через функцию спроса.

На основании разработанного метода формовых отображений разработан программно-информационный комплекс (ПИК) “ПРОГНОЗ” для проведения прогнозных расчетов ГЭН ОЭС на долгосрочную перспективу. ПИК ориентирован на использование специалистами по проблематике прогнозирования развития энергосистем как на региональном, так и на уровне ОЭС, и обеспечивает выборку, сохранение и обращение информации, которая направлена на решение задач долгосрочного прогнозирования ГЭН ОЭС. В состав ПИК входит база данных режимов электропотребления ОЭС Украины за период 1991-2002 г.г.

В прогнозных расчетах за базовый год принят 2001 год, поскольку этот год характеризуется относительной стабильностью работы ОЭС Украины и частотой тока в сети в пределах допустимых норм. Прогнозирование ГЭН выполнялось на основании прогнозов годового электропотребления отраслей экономики, технологических потерь электрической энергии, затрат на собственные нужды электростанций и величин экспорта на период до 2030 года.

Результаты прогнозных расчетов на период до 2030 года проведенных по методу МФО за базовым сценарием развития экономики свидетельствуют о разуплотнении формы ГЭН ОЭС Украины в сутки зимнего максимума с 0.919 к 0.9 и возрастании неравномерности формы ГЭН - с 0.811 до 0.769. Следует ожидать уменьшение годового числа часов использования максимума нагрузки ОЭС с 5917 до 5599 ч (5.3 %). Рост максимума нагрузки на 2030 год будет составлять за базовым вариантом 2.42 раза, за пессимистическим - 2.03 раза, за оптимистичным вариантом - 2.66 раза. Установлено, что снижение величины потерь в сетях общего пользования и затрат на собственные нужды электрических станции к уровню мировых стандартов не приведет к существенному уплотнению совмещенного ГЭН ОЭС Украины.

Проведенные исследования по корректированию прогнозных ГЭН ОЭС Украины свидетельствуют о том, что учет тарифного фактора и коэффициентов эластичности спроса отраслевых потребителей будет приводить к уплотнению прогнозных ГЭН. Это позволяет утверждать об эффективности введения дифференцированных тарифов на электрическую энергию.

Результаты диссертационного исследования были использованы как исходная информация при разработке перспективной структуры генерирующих мощностей ОЭС Украины на период до 2030 года, которая вошла в состав Энергетической стратегии Украины на период до 2030 года и дальнейшую перспективу и является научной основой для проведения оптимизационных расчетов долгосрочного планирования развития ОЭС Украины.

Ключевые слова: прогнозирование, график электрической нагрузки, объединенная энергосистема, параметры нагрузки.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Графіки електричних навантажень (ГЕН) об'єднаної енергосистеми (ОЕС), які розробляються для кожної країни на довгострокову (20-30 і більше років) перспективу, є фундаментом, на якому ґрунтуються такі доленосні для неї рішення, як формування перспективної структури генеруючих потужностей.

Проблематикою прогнозування графіків електричного навантаження займались такі відомі вчені, як Д.А.Арзамасцев, А.В.Ліпес, А.Л.Мизін, В.Ф.Тімченко, В.М.Казанцев, Г.Н.Лялик, Б.К.Панкратов, В.А.Шлімович, М.Л.Калніболотский, А.Б.Будницький, Б.Г.Марченко, Н.В.Приймак та інші.

Капіталоємність та інерційність енергетичного будівництва визначають достатньо жорсткі вимоги щодо надійності прогнозування перспективних ГЕН, оскільки прорахунки у вирішенні цієї задачі можуть призвести до значних негативних наслідків. Завищені прогнози максимальних навантажень ОЕС призводять до неефективного використання капітальних вкладень у секторі генерації, а занижені - до ненадійного електрозабезпечення споживачів і навіть до тяжких системних аварій, що мали місце в останні роки у кількох штатах США та деяких країнах Європи.

Забезпечення достовірного прогнозування ГЕН ОЕС є особливо важливим для країн з перехідною економікою, соціально-економічний розвиток яких є дуже чутливим до ефективності інвестиційних вкладень та надійності електрозабезпечення. Традиційними методами прогнозування ГЕН, що широко використовуються у країнах з усталеним економічним розвитком, є методи аналізу часових рядів. Ці методи забезпечують надійне прогнозування за умови наявності ретроспективного базису з усталеним зростанням електроспоживання протяжністю десятки років.

Однак для країн з перехідною економікою використання для прогнозування довгострокових ГЕН методів виявлення залежностей у часовому вимірі не є достатньо виправданим, оскільки для таких країн на ретроспективному базисі мають місце періоди з від'ємним приростом енергоспоживання. Періоди падіння є досить протяжними (до 10 років), а глибина зменшення енергоспоживання - значною (до 35-40%). Ця особливість є причиною того, що безпосереднє застосування методів виявлення залежностей до таких часових рядів дає принципово невірні прогнози електроспоживання та ГЕН ОЕС на глибоку перспективу. Тому виникає необхідність розробки принципово нових методів довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС з урахуванням особливостей розвитку електроенергетики за умов перехідної економіки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт Інституту загальної енергетики НАН України, затвердженими Відділенням фізико-технічних проблем енергетики НАН України, а саме: “Розробка та вдосконалення методів та засобів дослідження довгострокового розвитку паливно-енергетичного комплексу України” (Обліковий номер № 0204U000644); “Дослідження напрямів та оптимізація обсягів використання енергоефективних технологій в розвитку паливно-енергетичного комплексу” (Реєстраційний номер № 0101U003205); “Дослідження та розробка методів і засобів енергоекономічного аналізу та оптимізації структури та режимів управління сумісним виробництвом, транспортом і споживанням електричної та теплової енергії” (Реєстраційний номер № 0102V000744). Автор також був виконавцем таких робіт з розділів Енергетичної стратегії України до 2030 року та дальшу перспективу: розробка проекту Енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу (Реєстраційний номер № 0102V006305); розробка прогнозів макроекономічних показників, обсягів виробництва та споживання енергоресурсів з урахуванням енергозбереження і захисту довкілля для Енергетичної стратегії України до 2030 року та дальшу перспективу (Реєстраційний номер № 0102V005099).

Мета та задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розроблення методу та засобів визначення параметрів навантаження та розрахунку очікуваних у перспективі суміщених ГЕН ОЕС країн з перехідною економікою на основі індексів електроспоживання галузей економіки у відповідній перспективі.

Досягнення поставленої мети обумовило вирішення наступних задач: виявлення закономірностей та визначення факторів, що впливатимуть на формування перспективних параметрів та форму суміщеного ГЕН ОЕС України; аналіз тенденцій зміни параметрів та форми ГЕН за галузями економіки; розроблення програмно-інформаційного комплексу з визначення на перспективу параметрів та форми ГЕН ОЕС країн з перехідною економікою.

Об'єкт дослідження - Об'єднана енергосистема країни.

Предмет дослідження - перспективні параметри та форма суміщеного ГЕН ОЕС.

Методи досліджень. Складний характер взаємозв'язків впливу зовнішніх чинників на формування основних параметрів суміщеного та ГЕН галузей національної економіки обумовлює необхідність використання у дисертаційній роботі евристично-модельного та системного підходів, енергетичного та економічного аналізу, методів математичного моделювання, математичної статистики та експертних оцінок.

Наукова новизна отриманих результатів. В порівнянні з наявними роботами в даній галузі слід відзначити наступні елементи новизни в отриманих теоретичних та практичних результатах:

· вперше розроблено метод прогнозування графіків електричного навантаження ОЕС на глибоку перспективу за умов перехідної економіки, а саме метод формових відображень, принциповою особливістю якого є те, що формування прогнозних ГЕН здійснюється з використанням як аргументу принципово нової величини, а саме, індексу річного електроспоживання;

· вперше розроблено математичну модель оцінки параметрів електричного споживання, засновану на використанні довгострокових прогнозів річного електроспоживання галузями національної економіки, яка дозволяє проводити корекцію прогнозних ГЕН шляхом врахування тарифного фактору через функцію попиту;

· розроблено програмно-інформаційний комплекс “ПРОГНОЗ”, який забезпечує реалізацію методу формових відображень та орієнтований на використання фахівцями з проблематики довгострокового прогнозування розвитку енергосистем як на регіональному, так і на рівні об'єднаних енергосистем;

· вперше отримано та науково обґрунтовано основні параметри та форми ГЕН ОЕС України на період до 2030 року. Результати були використані як вихідна інформація при розробці перспективної структури генеруючих потужностей ОЕС України на період до 2030 року, яка ввійшла до складу Енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу.

Практичне значення отриманих результатів. Застосування розроблених математичної моделі та методу довгострокового прогнозування ГЕН дозволило вирішити ряд практичних завдань з визначення перспективних режимів роботи ОЕС України. Результати отримали впровадження при розробці проекту Енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу.

Результати дисертаційного дослідження доцільно використовувати при: визначенні величини встановленої потужності ОЕС; визначенні оптимальної структури генеруючих потужностей ОЕС; визначенні оптимальних перспективних режимів роботи різних типів електричних станцій; розробленні перспективних балансів потужності та електроенергії; визначенні на перспективу потреби у паливі; оцінюванні рівнів добового електроспоживання.

Особистий внесок здобувача. Із опублікованих у співавторстві робіт дисертантом використано тільки ті результати, які отримано здобувачем самостійно: аналіз методів довгострокового прогнозування ГЕН [1]; аналіз тенденцій зміни режимів електроспоживання в Україні [5]; визначення основних параметрів та форми ГЕН на перспективу [2, 4]; співставний аналіз параметрів та форми ГЕН європейських країн [3]; обґрунтування методу формових відображень для прогнозування ГЕН ОЕС на глибоку перспективу [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались: на першій міжнародній науково-практичній конференції “Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика” (м. Київ, 15-16 квітня 2003 року); на заходах 5-ої Всеукраїнської конференції міністрів охорони навколишнього середовища “Довкілля для Європи” - Міжнародному енергоекологічному конгресі “Енергетика. Екологія. Людина” (м. Київ, 27-28 березня 2003 року).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 6 наукових праць, в тому числі доповідь на науковій конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків по роботі, що викладено на 138 сторінках і містить 28 рисунків, 23 таблиці (із них 10 таблиць займають окрему сторінку), переліку використаних джерел із 184 найменувань викладених на 19 сторінках, 6 додатків на 46 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 202 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень, відзначено наукову новизну та практичну цінність результатів дисертаційної роботи, а також приведено відомості про апробацію роботи і публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи, з метою визначення доцільності застосування у прогнозних розрахунках існуючих методів довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС, наведено результати аналізу математичних та експертних методів прогнозування.

Застосування методів, які базуються на аналізі часових рядів, потребують наявності даних за тривалий проміжок часу і базуються на аналізі кривих, що характеризують розвиток енергосистеми. Перевагою таких методів є їх простота та наочність отриманих результатів, хоча вони не завжди застосовуються (причиною може бути очікування у перспективі певних структурних зрушень тощо). Необхідна точність розрахунків забезпечується в умовах стійких тенденцій. Недоліком є те, що при розрахунках основна увага приділяється ретроспективі системи. Для надійного прогнозування необхідно використовувати ретроспективний базис, протяжність якого є співставною з глибиною прогнозування, тобто ретроспективний базис в залежності від глибини прогнозування може сягати кілька десятків років. Навіть для країн з усталеною економікою використання часових рядів, що охоплюють десятки років, може призвести до відчутних похибок в кінці інтервалу прогнозування, оскільки на останні роки цього інтервалу будуть мати вплив перші роки ретроспективного періоду. Цей вплив буде таким же, як і вплив останніх років цього періоду, хоча їх віддаленість від останніх років прогнозного періоду є значно меншою, що й обумовлює зазначені похибки.

В сфері прогнозування ГЕН вибір найбільш ефективних моделей та методів визначається саме глибиною прогнозування. Для глибин прогнозування, що сягають два-три десятки років і більше, традиційні методи виявлення залежностей є обґрунтованими тільки для країн з усталеною економікою. Для країн з перехідною економікою існують часові інтервали, де відбувається зміна знаку приросту електроспоживання з додатного на від'ємний і навпаки. Для цих інтервалів прогнозного періоду застосування методів виявлення залежностей в часовому вимірі не є коректним.

Тому для країн з перехідною економікою використання для прогнозування довгострокових ГЕН методів виявлення залежностей у часовому вимірі є недопустимим. Отже, кількісне вирішення задачі оцінки перспективних режимів електроспоживання за умов неусталених тенденцій та за умов перехідної економіки необхідно здійснювати формалізованими методами, що потребують розробки.

У другому розділі дисертаційної роботи наведено співставний аналіз тенденцій зміни основних показників та форми суміщеного ГЕН ОЕС України за період 1991-2002 р.р. та країн Європи (Франції, Німеччини та Польщі) за період 2000-2002 р.р.

До основних параметрів ГЕН відносяться максимум навантаження Р ^макс, тривалість годин використання максимального навантаження Т ^макс, який визначається як

.

Похідним показником Т ^макс є коефіцієнт заповнення k ^зап ГЕН - який показує, у скільки разів спожита кількість електроенергії за період Т, що розглядається, менше тієї кількості енергії, яка була б спожита за той же час, якщо б навантаження весь час було б максимальним,

.

Нерівномірність режимів електроспоживання характеризується коефіцієнтом нерівномірності навантаження k ^нер, який визначається як

.

Основні параметри форми добових ГЕН в літній і зимовий періоди за 1991-2002 роки наведено в табл.1. В період до 2000 року спостерігається стійка тенденція до зниження параметрів електроспоживання - W ^доб, Р ^макс та Р ^мін літнього та зимового періодів. Стосовно показників форми ГЕН k ^нер та k ^зап, то в зазначений період відбувається значне їх коливання за роками, що свідчить по неусталеність тенденцій електроспоживання.

Форми добових ГЕН ОЕС України літнього періоду не зазнали значних змін в зазначений період. В період 1991-1995 рр. спостерігається незначне коливання k^зап з подальшим ущільненням форми добового ГЕН.

В зимовий період 1991-1999 рр., незважаючи на коливання k^зап, форма добового ГЕН вимушено ущільнюється. Зміни форми добових ГЕН, особливо зимового періоду, пояснюються загальною незбалансованістю генерації та попиту, спричиненою надзвичайно важкими умовами паливозабезпечення. Про це свідчать значні коливання частоти струму в мережі ОЕС протягом доби. В переважній більшості часу вона була нижче допустимого рівня, і її провали в години максимуму навантаження сягали позначки 49,2 Гц. В подальшому, починаючи з 2000 року, k^зап виходить на рівень 1991 року та спостерігається стійкість форми суміщеного ГЕН ОЕС у період 2000-2002 років.

Проведено аналіз тенденцій зміни параметрів форми ГЕН в умовах ринкових відносин індустріально розвинутих країн Європи, що входять до складу UCTE (Union for the co-ordination of Transmission of Electricity) і відповідають таким критеріям: схожість структури генерації (Франція), схожість економічної ситуації (Польща), розвинене адміністративне регулювання та економічне стимулюванням електроспоживачів (Франція, Німеччина), схожість кліматичних умов. Слід відзначити, що в період 2000-2002 років, незважаючи на стійкість k^зап та k^нер добових ГЕН, глибина коливання основних параметрів ГЕН протягом року залежить від рівня економічного стимулювання споживачів, а стійкість параметрів та форми ГЕН обумовлена плануванням режимів електроспоживання. Найменші розбіжності за параметрами та формою ГЕН притаманні Німеччині, а загалом у всіх країнах розбіжності складають менше 5%.

Встановлено наближення основних параметрів та форми суміщеного ГЕН ОЕС України до ГЕН зазначених Європейських країн у денні години доби, що підтверджує факт стабілізації режимів електроспоживання ОЕС України.

Проведений аналіз галузевих ГЕН щодо їх впливу на форму суміщеного ГЕН нетто ОЕС України дозволяє зробити висновок про те, що ключову роль у формуванні суміщеного ГЕН відіграють галузі з високою питомою вагою у структурі електроспоживання, а саме промисловість та комунально-побутові споживачі (відповідно 45,52 та 46,63 %). Тобто форма суміщеного ГЕН ОЕС України практично повністю визначається режимами електроспоживання промисловості та комунально-побутових споживачів (КПС), хоча форми їх ГЕН зовсім різні. Форма ГЕН КПС характеризується більшою нерівномірністю, ніж форма ГЕН промисловості (k^нер відповідно 0,91 та 0,81) і має чітко окреслений ранковий та вечірній максимуми (відповідно о 8 та 18-19 год.), тоді як форма ГЕН промисловості має максимум о 15 год. Максимумам навантаження КПС відповідають провали навантаження промисловості. Взаємокомпенсація таких коливань відбувається завдяки суперпозиції їх ГЕН, оскільки вони займають в структурі електроспоживання приблизно рівні частки. Це дозволяє зробити висновок про те, що прогнозування основних параметрів та форми ГЕН ОЕС можливе на підставі галузевої структури електроспоживання.

У третьому розділі наведено розроблений метод формових відображень (МФВ) для прогнозування параметрів та форми ГЕН ОЕС на глибоку перспективу в умовах перехідної економіки та розроблений на його підставі програмно-інформаційний комплекс “ПРОГНОЗ”.

Позитивною особливістю цього методу є те, що він побудований на використанні індексів електроспоживання та форм ГЕН галузей економіки країни.

Формою ГЕН є залежність



де - ГЕН в j-му році, - максимальне значення потужності, що відбирається в j-му році, t - години поточного періоду, t= 0, ... , Т.

Особливістю форми ГЕН є те, що її максимальне значення завжди відоме, а саме, . Крім того, диспетчерські служби ОЕС мають багаті статистичні дані щодо режимів електроспоживання ОЕС та галузей економіки.

Сутність МФВ полягає в тому, що формі прогнозного ГЕН кожної галузі економіки ставиться у відповідність (відображається) певна форма ГЕН цієї ж галузі на відповідній репрезентативній ділянці ретроспективного періоду.

Відомо, що за умов економічного зростання, яке відповідає ретроспективному періоду з позитивними темпами електроспоживання, нарощування обсягів виробництва відбувається шляхом інтенсифікації використання вже встановленого обладнання (інтенсивне зростання). Після вичерпання можливостей інтенсифікації за рахунок максимально інтенсивного завантаження технологічного обладнання протягом робочої зміни та збільшення кількості робочих змін до рівня, що обумовлюється технологічними особливостями виробництва, подальше збільшення обсягів виробництва відбувається за рахунок введення нових виробничих потужностей (екстенсивне зростання). Оскільки реалізація інтенсивних чинників, як таких, що не потребують помітних додаткових вкладень, відбувається значно швидше, ніж екстенсивних, погодинні графіки споживання електричної енергії сукупністю підприємств кожної галузі суспільного виробництва протягом періоду зростання даного року відповідають графікам минулих років з функціями пропорційності, що визначаються індексами річного електроспоживання. Природно, що означена економічна закономірність приводить до малої змінності безрозмірної форми ГЕН у період зростання, що підтверджує аналіз фактичних форм добових та сезонних ГЕН галузей економіки України у 1970-1990 рр.

Що стосується періоду кризового падіння суспільного виробництва, який характеризується відповідним падінням електроспоживання, то тут головним фактором, що визначає часову залежність споживання електричної енергії, є фактор зниження інтенсивності використання встановленого обладнання кожної галузі. При цьому на виробництвах, що припускають таку можливість, відбувається послідовне скорочення кількості робочих змін (ліквідація третьої та другої зміни) та кількості одиниць технологічного обладнання, що залишається у роботі.

На енергоємних виробництвах з неперервним технологічним циклом, що не припускають можливості ліквідації другої та третьої робочих змін, скорочення виробництва відбувається як за рахунок зміни кількості одиниць завантаженого обладнання (у роботі залишається найбільш економічне обладнання відповідної одиничної потужності), так і за рахунок переходу на режими часткового завантаження робочого обладнання. Перехід на режими часткового навантаження обумовлює можливість перерозподілу завантаження технологічного обладнання між змінами доби, що використовується на практиці з метою управління електроспоживанням за умов адміністративних обмежень з боку енергопостачальних компаній, а також мінімізації витрат на електричну енергію за рахунок переходу на зонні тарифи електроспоживання, диференційовані за годинами доби. Природно, що ретроспективний період кризового падіння виробництва супроводжується відповідними змінами форми електричних навантажень сукупності підприємств кожної галузі, що позначається на відповідних змінах суміщеного ГЕН ОЕС.

У період відновлення національної економіки, що характеризується позитивними темпами зростання електроспоживання галузей економіки, основним чинником нарощування обсягів виробництва є послідовна інтенсифікація виробничого процесу з мінімальним введенням нових виробничих потужностей. Природно, що процес відновлення виробництва обумовлюється тими ж економічними чинниками, що і процес його кризового падіння. Тому форми ГЕН галузей у період зростання виробництва закономірно повинні відповідати тим же формам ГЕН ретроспективного періоду падіння виробництва з тим же індексом річного електроспоживання за винятком часових ділянок, спричинених аварійними відключеннями електроживлення диспетчерами ОЕС. Але такі нерепрезентативні ділянки можуть бути виявленими та виправленими відповідними методами статистичного аналізу.

Отже, репрезентативною ділянкою ретроспективного періоду у методі МФВ вважається період часу падіння електроспоживання. Це є принциповою відмінністю методу МФВ від відомих методів довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС.

На рис.3 зображено графік споживання електричної енергії W_ij(j) і-ю галуззю економіки за роками. Графік складається із двох періодів, а саме, ретроспективного [ J, 0] та перспективного [0, J], тут J - максимальний рік періоду прогнозування.

Особливістю методу МФВ є те, що початок ретроспективного періоду J співпадає з роком максимального електроспоживання і-ї галузі в минулому

де - всі роки минулого періоду, для яких існує статистика W_ij(j).

Слід відзначити неспівставність протяжностей ретроспективного [ J, 0] та перспективного [0, J] періодів. Якщо для умов таких країн, як Україна оговорений ретроспективний період становить біля 10 років, то перспективний може становити 25-30 і більше років. При цьому забезпечується висока точність прогнозування, що практично неможливо навіть для країн з усталеною економікою при застосуванні методів виявлення залежностей в часовому вимірі через велику розбіжність протяжностей ретроспективного та перспективного періодів. Ця велика перевага МФВ забезпечується завдяки тому, що в ньому час як аргумент виключений із аналізу (він фігурує тільки як параметр), а співставлення та формування ГЕН здійснюється з використанням як аргументу принципово нової величини, а саме, індексу річного електроспоживання.

При застосуванні МФВ як вихідні дані використовуються (окрім зазначених величин) річні ГЕН галузей національної економіки для кожного року ретроспективного періоду [ J, 0] з поточним індексом року та повне електроспоживання галузей економіки на ретроспективному і перспективному періодах ; ; i=; ; , І - загальна кількість галузей економіки, що фігурують в моделі. МФВ містить наступні операції з формування прогнозних ГЕН ОЕС на довгострокову перспективу.

1. Визначаються індекси річного електроспоживання галузей економіки за роками ретроспективного та прогнозного періодів:

де i = ; ; , 0 - базовий рік.

Експорт електроенергії фігурує в методі як окрема галузь з власними індексами електроспоживання та ГЕН.

2. Визначаються форми річних галузевих ГЕН для кожного року ретроспективного періоду:



3. Для кожної галузі та кожного прогнозного року періоду [0, J] визначаються нерівності:

4. Для галузей та років, для яких справедлива залежність (6), визначаються квазиформи галузевих ГЕН за наступною залежністю:

5. Для галузей та років, для яких справедлива залежність (7), квазиформи галузевих ГЕН обчислюються за формулою:

6. З використанням (8) та (9) обчислюються форми галузевих ГЕН (прогноз):

7. Для кожної галузі та кожного розрахункового року обчислюються коефіцієнти заповнення ГЕН (прогноз):



Після отримання скоригованих перспективних ГЕН ОЕС нетто виконується прогнозування безпосередніх електричних навантажень генеруючого обладнання ОЕС з урахуванням втрат у магістральних та розподільчих мережах на перспективу, а також на власні потреби електричних станцій (ВП). В розрахунках на перспективу параметрів навантаження технологічних втрат в мережах загального використання (ТВЕ) та ВП ці показники розглядаються як окремі галузі, оскільки вони мають власні ГЕН. Тому для них аналогічно (3) та (4) розраховується , .

Тоді ГЕН ТВЕ та ВП розраховуються як:

В разі, якщо розрахунки ТВЕ та ВП слід виконувати через максимальну споживану потужність нетто (за нормативними коефіцієнтами), то їх визначають згідно з очікуваними значеннями коефіцієнта втрат та прогнозованим рівнем максимальних навантажень нетто:

де , -постійні коефіцієнти; - величина втрат у мережах загального користування; - очікуваний коефіцієнт втрат.

Тоді ГЕН ТВЕ та ВП запишеться як:

Обчислюється ГЕН брутто ОЕС як сума ГЕН нетто, ГЕН ТВЕ та ГЕН ВП:



де - скоригований прогнозний ГЕН нетто ОЕС.

На підставі розробленого методу формових відображень створено програмно-інформаційний комплекс (ПІК) “ПРОГНОЗ” для проведення прогнозних розрахунків графіків електричного навантаження на глибоку перспективу. ПІК “ПРОГНОЗ” орієнтований на використання фахівцями з проблематики прогнозування розвитку енергосистем як на регіональному, так і на рівні об'єднаних енергосистем. ПІК забезпечує вибірку, збереження та обіг інформації, що спрямована на вирішення задач довгострокового прогнозування графіків електричного навантаження ОЕС. Алгоритм роботи спрямований на збереження та передачу всієї вхідної та отриманої розрахунковим шляхом інформації до бази даних для подальшої обробки та аналізу результатів в процесі прогнозування ГЕН. ПІК забезпечує роботу користувачів, які не мають спеціальної підготовки в галузі програмування та обчислювальної техніки за рахунок інтуїтивного інтерфейсу. До складу ПІК входить база даних з режимів електроспоживання ОЕС України за період 1991-2003 рр., що забезпечує оперативний пошук необхідних даних.

Загалом, створений програмно-інформаційний комплекс слід розглядати як єдину БД, що поділяється на три частини: довідкову, програмну та частину результатів. ПІК забезпечує: інтерактивну підтримку БД ГЕН; реалізацію розробленої математичної моделі; аналіз отриманих результатів; формування графоаналітичної інформації по результатам проведених досліджень.

Структурну схему роботи комплексу приведено на рис.4. В ПІК “ПРОГНОЗ” слід виділити основні блоки, що об'єднані певним функціональним призначенням: блок визначення індексів річного електроспоживання ретроспективного періоду; блок визначення початку ретроспективного періоду; блок вибору прогнозних залежностей; блок формування прогнозних ГЕН; блок корекції прогнозних ГЕН; блок формування результатів.

Блок визначення початку ретроспективного періоду здійснює реалізацію залежності (2) методу МФВ на підставі інформації по режимам електроспоживання галузей національної економіки в ретроспективний період, вибірка якої здійснюється з бази даних “ГЕН_ОЕС”. Вибірка здійснюється для галузей, перелік яких зазначено в БД довгострокових прогнозів електроспоживання галузей національної економіки. Результатом роботи даного блоку є визначення переліку і загальної кількості галузей економіки, для яких виконуватиметься прогноз, та початків їх ретроспективних періодів.

Блок визначення індексів річного електроспоживання забезпечує реалізацію залежностей (4) і (5) алгоритму методу МФВ. Робота блоку забезпечується спеціальним алгоритмом формування індексів річного електроспоживання галузей національної економіки для ретроспективного та перспективного періодів на підставі повної (типова статистична звітність) структури електроспоживання визначених галузей економіки та прогнозів електроспоживання галузей національної економіки відносно базового року. Результатом роботи зазначеного блоку є індекси річного електроспоживання і для ретроспективного та перспективного періодів відповідно.

На цій інформації базується робота основного блоку ПІК - блоку вибору прогнозних залежностей. В цьому блоці на підставі даних попереднього блоку для кожної галузі та кожного прогнозного року періоду [0, J] визначаються нерівності (7) та (8). В залежності від того, яка нерівність буде справедлива для прогнозного індексу річного електроспоживання , в цьому блоці вибирається залежність, за якою розраховуватимуться квазиформи галузевих ГЕН, тобто вибір залежності (9), або (10). Вибрана залежність передається в блок формування прогнозних ГЕН.

Блок формування прогнозних ГЕН забезпечує проведення прогнозних розрахунків ГЕН ОЕС. Вхідною інформацією цього блоку є залежність, за якою слід розраховувати прогнозні ГЕН і яка передається з блоку вибору прогнозних залежностей. Тут реалізовуються залежності (11) - (15) методу МФВ. Результатом роботи блоку є ГЕН, які передаються для подальшої роботи алгоритму в блок корекції прогнозних ГЕН.

Блок корекції прогнозних ГЕН здійснює врахування тарифного фактору у прогнозних розрахунках ГЕН. Таким чином блок реалізує положення п.11 - п.15 розробленого методу МФВ та залежностей (16) - (17). Скориговані ГЕН передаються в блок формування результатів.

Блок формування результатів відповідає за наповнення результатами прогнозування ГЕН та їх параметрів екранних форм користувача. Тут формуються екранні форми ГЕН галузей економіки та їх параметри, ГЕН ОЕС нетто та їх параметри, а також ГЕН ОЕС брутто та їх параметри. Окрім числової інформації формується графічна. Графічна частина даного блоку включає набір екранних форм в яких розміщено графічні діаграми, що отримані за результатами перспективних розрахунків ГЕН ОЕС та галузей національної економіки. Числова інформація в межах даного блоку формується у вигляді екранних форм-таблиць, в яких визначені поля для всіх об'єктів прогнозування. Числова інформація, на зразок того, як це було виконано для БД ГЕН ретроспективного періоду, передається в базу даних прогнозних ГЕН галузей національної економіки та ОЕС України - БД “ГЕН_ОЕС_ПРОГНОЗ”.

У четвертому розділі проведено прогнозування основних параметрів та форми ГЕН ОЕС України на період до 2030 року.

За базовий рік прийнято 2001 рік, оскільки цей рік характеризується відносною стабільністю роботи ОЕС України та частотою струму в мережі в межах припустимих норм. Прогнозування ГЕН виконувалось на підставі прогнозів річного електроспоживання галузей національної економіки, технологічних втрат електричної енергії та витрат на власні потреби електростанцій на період до 2030 року.

Проведенню прогнозних досліджень передував етап агрегування фактичної роздрібненої інформації з режимів електроспоживання відповідно до укрупнених секторів економіки, відносно яких виконувалося прогнозування річного електроспоживання. Виділено 5 основних груп споживачів: промисловість, сільгоспспоживачі, транспорт, будівництво та комунально-побутові споживачі.

Згідно прогнозу електроспоживання галузей національної економіки на період до 2030 року визначались прогнозні індекси зміни річного електроспоживання галузі відносно базового року. Найвищі темпи розвитку електроспоживання очікуються у сільгоспспоживачів та у будівництві (відповідно в 11.1 та 9.4 разу зросте річне електроспоживання), а динаміка росту електроспоживання ключових галузей є близькою (відносно базового року електроспоживання промисловості зросте у 1.86 разу, а комунально-побутових споживачів у 1.80 разу). Максимум навантаження сільгоспспоживачів збігається із максимумом навантаження нетто ОЕС України, що, з урахуванням зазначеного темпу розвитку сільгоспспоживачів ГЕН сприятиме певному розущільненню форми ГЕН ОЕС України через не надто високу їх вагу у структурі електроспоживання. Аналогічно для галузі будівництва ранковий максимум навантаження будівництва сприятиме певному росту ранкового максимуму ОЕС, хоча другий максимум навантаження будівництва, який припадає на 14 год., дещо компенсує розущільнення ГЕН нетто ОЕС України.

Результати розрахунків перспективних параметрів та форми ГЕН ОЕС України нетто (у добу зимового максимуму), отримані за допомогою розробленого методу МФВ та ПІК “ПРОГНОЗ” (табл.2, рис.5, рис.6), свідчать про те, що на період до 2030 року за базовим варіантом розвитку економіки ріст максимуму навантаження на 2030 рік складатиме за базовим варіантом - 2.72 разу за песимістичним - 2.21 разу, за оптимістичним варіантом - 3.07 разу. Розущільнення добового ГЕН складає за базовим варіантом - 1.42 %, за песимістичним - 0.76 %, за оптимістичним варіантом - 1.53 %.

Результати розрахунків перспективних параметрів та форми ГЕН ОЕС України брутто (у добу зимового максимуму), свідчать про те, що на період до 2030 року за базовим варіантом розвитку економіки ріст максимуму навантаження на 2030 рік складатиме за базовим варіантом - 2.17 разу за песимістичним - 2.43 разу, за оптимістичним варіантом - 1.80 разу. Розущільнення добового ГЕН складає за базовим варіантом - 1.09 %, за песимістичним - 0.76 %, за оптимістичним варіантом - 0.44 %. Очікується зменшення річного числа годин використання максимуму навантаження ОЕС за базовим варіантом з 5917 до 5562 год (6 %), за песимістичним - до 5537 год (6.42 %), за оптимістичним - до 5744 год (2.92 %).

В дисертаційній роботі проведено корекцію прогнозних ГЕН відповідних галузей. Коефіцієнти еластичності попиту обрано в межах 0.005-0.015, що відповідають таким країнам, як Польща. Відповідно до рекомендацій Національної комісії з регулювання в енергетиці співвідношення для тарифів відносно середньодобового становлять 0.25, 1 та 2 відповідно для базової, напівпікової та пікової зони навантажень. Результати розрахунків свідчать, що при =0.015 форма прогнозного добового ГЕН ОЕС України нетто ущільнюється з 0.905 до 0.912 (доба зимового максимуму навантаження 2030 року) за рахунок збільшення навантаження в базовій частині на 1.1% і зменшення на 1.5% в піковій.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі здійснено наукове обґрунтування та проведено комплекс теоретичних і практичних досліджень, реалізація яких забезпечила розробку нового методу та програмно-інформаційного комплексу “ПРОГНОЗ” для прогнозування ГЕН ОЕС на довгострокову перспективу в умовах перехідної економіки. Отримано наступні узагальнені науково-практичні результати:

1. Шляхом аналізу методів довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС встановлено, що застосування традиційних методів прогнозування ГЕН, а особливо методів виявлення залежностей, в умовах тривалих структурних зрушень є недоцільним, а інколи і зовсім неможливим. Доведено необхідність розробки нових методів прогнозування ГЕН через те, що проблема довгострокового прогнозування розвитку великих систем енергетики, в тому числі і прогнозування ГЕН, в умовах перехідної економіки розроблена недостатньо повно.

2. Проведено ретроспективний аналіз тенденцій зміни режимів електроспоживання ОЕС України за 1991 - 2002 р.р., який показав наявність різких структурних змін режимів електронавантажень ОЕС України. Встановлено, що незначна тривалість періоду стабілізації нових тенденцій (період з 2000 року) не дає підстави для надійного прогнозу параметрів перспективного електроспоживання традиційними методами.

3. Вперше розроблено метод довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС та їх параметрів, а саме, метод формових відображень, на підставі прогнозних даних із електроспоживання галузей національної економіки, сутність якого полягає в тому, що формі прогнозного ГЕН кожної галузі економіки ставиться у відповідність певна форма ГЕН цієї ж галузі на відповідній репрезентативній ділянці ретроспективного періоду. Принциповою особливістю методу МФВ є те, що співставлення та формування ГЕН здійснюється з використанням як аргументу принципово нової величини, а саме, індексу річного електроспоживання.

4. Розроблено математичну модель прогнозування параметрів електричних навантажень, засновану на використанні довгострокових прогнозів річного електроспоживання галузями національної економіки, яка дозволяє проводити корекцію прогнозних ГЕН шляхом врахування тарифного фактору через функцію попиту.

5. На підставі розробленого методу МФВ розроблено програмно-інформаційний комплекс “ПРОГНОЗ” для проведення прогнозних розрахунків ГЕН ОЕС на глибоку перспективу. ПІК орієнтований на використання фахівцями ОЕС країни з проблематики прогнозування розвитку енергосистем як на регіональному, так і на рівні об'єднаних енергосистем, та забезпечує вибірку, збереження та обіг інформації, що спрямована на вирішення задач довгострокового прогнозування ГЕН ОЕС. До складу ПІК входить база даних режимів електроспоживання ОЕС України за період 1991-2002 р.р.

6. Вперше науково обґрунтовано та розраховано графіки електричних навантажень ОЕС України та їх параметри за трьома сценаріями (базовий, оптимістичний, песимістичний) розвитку економіки на період до 2030 року. Результати прогнозних розрахунків на період до 2030 року за базовим варіантом свідчать про певне розущільнення форми ГЕН ОЕС України у добу зимового максимуму з 0.919 до 0.909 та зростання її нерівномірності - з 0.811 до 0.774. Очікується зменшення річного числа годин використання максимуму навантаження ОЕС з 5917 до 5562 год (5.3 %). Зростання максимуму навантаження на 2030 рік складатиме за базовим варіантом - 2.17 разу, за песимістичним - 2.43 разу, за оптимістичним варіантом - 1.8 разу.

7. Проведені дослідження з коригування прогнозних ГЕН ОЕС України дозволяють зробити висновок про те, що врахування тарифного фактору та коефіцієнтів еластичності попиту споживачів призводитиме до ущільнення прогнозних ГЕН. Це дозволяє стверджувати про ефективність введення диференційованих тарифів на електричну енергію.

8. Результати дисертаційного дослідження були використані як вихідна інформація при розробці перспективної структури генеруючих потужностей ОЕС України на період до 2030 року, яка ввійшла до складу Енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу та є науковим підґрунтям для проведення оптимізаційних розрахунків з довгострокового планування розвитку ОЕС України.



ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кобрін П.П., Крисанов Д.В. Аналіз методів прогнозування графіків електричного навантаження об'єднаної енергосистеми та можливості їх вдосконалення // Проблеми загальної енергетики. _2001. -№4. -с.24-29.

2. Дубовський С.В., Кобрін П.П. Прогнозування графіків електричного навантаження ОЕС України методом суперпозиції графіків річного та добового електроспоживання // Проблеми загальної енергетики.-2002. -№7. -С.21-24.

3. Кобрін П.П. Основні показники графіків електричного навантаження країн Європи // Проблеми загальної енергетики.-2002. -№7. -С.69-70.

4. Дубовський С.В., Кобрін П.П. Моделювання перспективних параметрів навантаження об'єднаної енергосистеми України з урахуванням різних рівнів енергозбереження // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: Енергозбереження в Україні: Законодавство, теорія, практика. - 2003. -С.70-73.

5. Дубовський С.В., Кобрін П.П. Аналіз тенденцій зміни режимів електроспоживання в Україні // Технічна електродинаміка. -2003. -№3. - С.73-77.

6. Кулик М.М., Дубовський С.В., Кобрін П.П. Прогнозування графіків електричних навантажень об'єднаної енергосистеми на довгострокову перспективу // Проблеми загальної енергетики. -2004. -№ 10. -С.7-11.

Размещено на Allbest.ru