Исследование эффективности управления электрической нагрузкой при оптимизации развития электроэнергетических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Исследование эффективности управления электрической нагрузкой при оптимизации развития электроэнергетических систем

Ханаев Вениамин Вениаминович

Иркутск - 2008

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, г. Иркутск.

Научный руководитель - кандидат технических наук Труфанов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук Ковалев Геннадий Федорович

кандидат технических наук, доцент Умнова Марина Олеговна

Ведущая организация - Институт энергетических исследований Российской академии наук (ИНЭИ РАН), г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета Д 003.017.01, доктор технических наук, профессор А.М. Клер

1. Общая характеристика работы

электросбережение потребитель генерирующий мощность

Актуальность проблемы. Электросбережение и управление электрической нагрузкой являются важными факторами, влияющими на развитие электроэнергетики.

Значимость электросбережения определяют такие предпосылки, как:

- общий рост потребности экономики страны в электрической энергии;

- ограниченность и не возобновляемый характер энергоресурсов;

ужесточение экологических требований к процессам выработки электроэнергии.

Основные принципы, определяющие подход к реализации электросбережения сформулированы в работах Д.М. Воскобойникова, А.А. Макарова, Т.В. Анчаровой, С.И. Гамазина, В.В. Шевченко и др. В обобщенном виде их можно представить следующим образом:

1) на развитие электросбережения влияют два основных фактора - стоимость электроэнергии и технический прогресс (разработка новых и совершенствование существующих электропотребляющих технологий производства у потребителей);

2) сбережение электроэнергии следует рассматривать как экономическую категорию, оно должно осуществляться везде, где затраты на его проведение оказываются меньшими, чем затраты на добычу и переработку энергоресурсов, до той стадии, на которой осуществляется это сбережение;

3) политика, направленная на электросбережение должна рассматриваться как существенный фактор сбалансированного развития электроэнергетики и экономики на длительную перспективу.

Известно множество путей повышения маневренности электроэнергетических систем (ЭЭС), исследованием эффективности которых занимались Л.А. Мелентьев, Ю.Н. Руденко, В.А. Ханаев, Е.А. Волкова, И.М. Волькенау и др. Все они имеют различные масштабы применения, эффективность и сроки реализации и, в основном, касаются модернизации или замены генерирующего оборудования:

модернизация базисных блоков для повышения их маневренности;

замена устаревшего оборудования тепловых электростанций (ТЭС) на пиковые газотурбинные установки (ГТУ) и полупиковые блоки;

разгрузка атомных электростанций (АЭС);

вводы гидроаккумулирующих и воздухоаккумулирующих электростанций (ГАЭС, ВАЭС) и др.;

сооружение новых маневренных электропередач (ЭП).

Однако, помимо повышения маневренных возможностей собственно электроэнергетических систем, существует путь искусственного уплотнения (выравнивания) графиков нагрузки за счет самих потребителей, с помощью потребителей-регуляторов электрической нагрузки (ПР).

ПР, как таковые, а также возможности их использования исследованы в работах С.В. Кукель-Краевского, В.В. Михайлова, Ю.М. Когана, А.С. Некрасова и др. Несмотря на наличие положительного зарубежного опыта привлечения потребителей к регулированию нагрузки с помощью дифференцированных тарифов на электроэнергию, в отечественных работах в основном предусматривался командно-административный метод использования ПР. Прогнозные объемы применения ПР из-за отсутствия экономического стимула оказывались невелики и им не уделялось должное внимание.

Для существующих исследований в областях электросбережения и управления нагрузкой характерным является рассмотрение этих вопросов раздельно от задачи исследования развития ЭЭС.

Тем не менее, общность процессов производства и потребления электроэнергии требует согласованного рассмотрения ЭЭС и потребителей электроэнергии в вопросах покрытия графиков нагрузки. Переход экономики России от плановых к рыночным условиям хозяйствования позволяет отказаться от директивных методов воздействия на уровни и режимы электропотребления и обозначить реальные перспективы применения как электросбережения, так и ПР, обеспечив распределение эффекта от этих мероприятий между потребителями электроэнергии и ЭЭС.

В этих условиях повышается актуальность комплексной оптимизации развития электроэнергетики и потребителей электроэнергии для определения как направлений и способов повышения эффективности производства электроэнергии (оптимизация структуры генерирующих мощностей), так и ее использования в различных отраслях хозяйства.

Целью работы является разработка эффективных методов и аппарата исследований развития электроэнергетических систем с учетом осуществляемых у потребителей электросбережения и регулирования режимов электропотребления, а также оценка потенциала электросбережения и регулирования режимов электропотребления. Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Произведен аналитический обзор мероприятий по электросбережению и типов потребителей-регуляторов электрической нагрузки, дана оценка их потенциала и степени применимости на практике.

2. Разработана методическая база (определена задача комплексной оптимизации развития ЭЭС и потребителей электроэнергии, разработана математическая модель) для определения эффективности различных мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов, а также изучения оказываемого ими влияния на структуру генерирующих мощностей при оптимизации развития электроэнергетических систем.

3. На основе методических разработок рассмотрены изменения перспективной структуры ЕЭЭС России в зависимости от воздействий, оказываемых со стороны потребителей электроэнергии, а также определена степень эффективности различных их видов:

- модернизации источников электроосвещения (по предварительной оценке - одного из наиболее высокопотенциальных и малозатратных мероприятий по электросбережению);

- перевода в режим регулирования электрической нагрузки «обычных» производств (перспективного мероприятия по уплотнению графиков электрической нагрузки ЭЭС);

- применения в качестве ПР систем электроотопления с аккумулированием тепла (масштабного и малозатратного по предварительной оценке вида потребителей-регуляторов электрической нагрузки).

4. Рассмотрены возможности и перспективы электросбережения и потребителей-регуляторов при различных экономических взаимоотношениях между электроэнергетикой и потребителями электроэнергии (в условиях монополии, олигополии, дерегулирования электроэнергетики и т.д.).

Методы исследований. Для решения задач, поставленных в работе, были использованы методы системного анализа и математического программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Поставлена задача комплексной оптимизации развития электроэнергетических систем и потребителей электроэнергии.

2. Разработана новая модификация оптимизационной математической модели «СОЮЗ» Воропай Н.И., Труфанов В.В. Математическое моделирование развития электроэнергетической системы в современных условиях // Электричество. 2000, № 10, стр. 6-13., применяемой для выбора рациональной структуры генерирующих мощностей ЭЭС. Модернизированная модель включает математические модели мероприятия по электросбережению и потребителя-регулятора, составляющие основу для практических исследований и решения задачи комплексной оптимизации развития потребителей электроэнергии и систем электроэнергетики.

3. С помощью этой модели дана оценка изменений перспективной структуры ЕЭЭС России в зависимости от влияний со стороны потребителей электроэнергии, а также эффективности и масштабов применения ряда перспективных и высокопотенциальных мероприятий по электросбережению и уплотнению графиков электрической нагрузки (потребителей-регуляторов):

- модернизация источников электроосвещения (мероприятие по электросбережению);

- перевод в режим регулирования уровней электрической нагрузки «обычных» производств (мероприятие по уплотнению графиков нагрузки);

- применение в качестве потребителей-регуляторов систем электроотопления с аккумулированием тепла (потребитель-регулятор).

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработана методика оценки эффективности мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов, а также исследования воздействий, оказываемых ими на структуру генерирующих мощностей при оптимизации развития систем электроэнергетики. Представленные в работе математические модели потребителя-регулятора и мероприятия по электросбережению могут использоваться как при проведении исследований в области оптимизации развития электроэнергетических систем, так и для получения оценки экономической эффективности собственно мероприятий по электросбережению и регулированию режимов электропотребления (при разработке энергетических стратегий и программ или программ энергосбережения, а также при внедрении новых технологий, модернизации или переориентировании существующих производств и т.д.).

Положения, выносимые на защиту:

1. Постановка задачи комплексной оптимизации развития электроэнергетических систем и потребителей электроэнергии.

2. Оптимизационная математическая модель, включающая математические модели мероприятия по электросбережению и потребителя-регулятора для оценки эффективности мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов, а также для исследования оказываемого ими влияния на структуру генерирующих мощностей при оптимизации развития систем электроэнергетики.

3. Оценка эффективности и масштабов применения в качестве мероприятия по электросбережению модернизации источников электроосвещения.

4. Оценка эффективности и масштабов применения в качестве мероприятия по уплотнению графиков электрической нагрузки перевода в режим регулирования «обычных» производств.

5. Оценка эффективности и масштабов применения в качестве потребителей-регуляторов систем электроотопления с аккумулированием тепла.

6. Исследования влияний оказываемых рассматриваемыми мероприятиями на перспективную структуру генерирующих мощностей ЕЭЭС России при оптимизации ее развития.

Апробация работы. Результаты диссертации в настоящее время составляют важную часть методической и расчетной базы ИСЭМ СО РАН для проводимых исследований в области оптимизации развития электроэнергетических систем. Разработанные в диссертации основные методические положения и практические наработки апробированы в работах ИСЭМ СО РАН, ОАО «Иркутскэнерго» и ОАО «ВСЖД». Наиболее важные положения вошли в отчет по хозяйственно-договорной работе «Принципы развития Единой национальной электрической сети напряжением 220 кВ и выше» с ОАО «ФСК ЕЭС» в 2005 г.

По теме работы сделаны доклады на ряде научных конференций, в том числе с международным участием:

XXIX конференция научной молодежи ИСЭМ СО РАН (ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 1999 г.);

Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электрификация-2000» (г. Красноярск, 2000 г.);

XXX конференция научной молодежи ИСЭМ СО РАН (ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2000 г.);

Ежегодная Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (ИрГТУ, г. Иркутск, 2001 г.);

Межвузовская научно-практическая конференция «Россия и перспективы ее развития. Социально-экономические интересы регионов» (ИрГТУ, г. Иркутск, 2001 г.);

XXXII конференция научной молодежи ИСЭМ СО РАН (ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 146 страницах основного машинописного текста и состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы из 104 позиций и приложений. В работе приведены 20 рисунков и 24 таблицы.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется научная новизна проведенных исследований, приводится структура работы.

Во втором разделе приводится анализ возможностей применения мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов в качестве средств регулирования режимов электропотребления и работы ЭЭС.

Россия к практическому решению вопросов электросбережения подошла примерно с двадцатилетним опозданием по отношению к развитым странам мирового сообщества и ряда стран бывшего СССР. В связи с этим валовый внутренний продукт (ВВП) страны отличается высокой электроемкостью, значительно превышающей их показатели, мало задействованы ресурсы популяризации экономии электроэнергии среди населения на государственном уровне и привлечения к решению вопросов электросбережения коммерческих структур, например, энергосервисных компаний.

За последние пятнадцать лет в электроэнергетике России наблюдаются, с одной стороны, малые вводы мощностей на электростанциях, с другой стороны, постоянный и ощутимый прирост электропотребления практически во всех отраслях хозяйства страны (рис. 1). Например, по отношению к 1998 г. рост потребления электроэнергии к 2006 г. составил 20,6%.

В этих условиях экономия становится важнейшим фактором поддержания роста производства в условиях дефицита энергии и ограниченных капиталовложений в развитие электроэнергетики.

Однако рост электропотребления происходит в основном не за счет внедрения новых, электроэкономичных технологий, а за счет увеличения выпуска продукции действующими мощностями производств, характеризующимися высокой степенью изношенности и низкой энергоэффективностью. Так, по данным Госкомстата России, в 1990-1999 гг. с 29,4% до 3,9% сократилась доля нового оборудования (возраст до 5 лет) в структуре активной части производственных фондов промышленности. С 15% до 34,9% возросла доля устаревшего производственного оборудования (возраст более 20 лет). Коэффициент обновления по промышленности в целом за десять лет снизился с 7,5% до 1,1%, то есть почти в 7 раз. Тем самым увеличение электропотребления увеличивает и потенциал электросбережения.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Установленная мощность электростанций и электропотребление России, 1990-2006 гг.

Количественно определить потенциал электросбережения (разницу между фактическим и эталонным электропотреблением) можно лишь условно, например, путем оценки возможных объемов электросбережения и их локализации по различным группам потребителей или отраслям хозяйства. Наибольший потенциал электросбережения имеется в промышленном секторе и почти 20% потенциала приходится на коммунально-бытовое хозяйство. В целом же потенциал электросбережения составляет около 23% от потенциала общего энергосбережения.

По степени затратности малозатратные, капиталоемкие и сопутствующие техническому прогрессу мероприятия по электросбережению.

Малозатратные мероприятия по существу сводятся к наведению порядка в использовании электроэнергии: устранение прямых потерь, своевременный ремонт и наладка технологического оборудования, соблюдение энергоэкономных технологических режимов, улучшение организации производства, сокращение времени работы оборудования на холостых режимах и т.п.

Капиталоемкие мероприятия требуют значительных инвестиций для их осуществления, причем повышение эффективности использования электроэнергии является здесь основной целью, а эффект от ее сбережения должен в приемлемые сроки окупать затраты на проведение мероприятия.

Сопутствующие мероприятия выполняются в процессе технического перевооружения потребителей, когда выделение затрат на электросбережение условно. К сопутствующим мероприятиям относится также изменение структуры используемых материалов и конечных продуктов.

Электросберегающие технологии и оборудование по-прежнему остаются слишком дорогими и малодоступными для массового внедрения. Тем не менее, огромный «пассивный» спрос на них будет удовлетворяться с помощью различных источников финансирования, в частности - банковского кредитования и через создание энергосервисных компаний по типу зарубежных.

Важность применения потребителей-регуляторов обусловлена следующим. Графики электрической нагрузки характеризуются большой неравномерностью оказывающей воздействие на режимы работы энергетического оборудования, приводя к его частым пускам и остановам и вызывая перерасход топлива. Поэтому вопрос эффективного и рационального покрытия неравномерного графика нагрузки является одной из наиболее актуальных задач электроэнергетики. Для его решения требуется ввод специализированного высокоманевренного оборудования, способного покрывать пики графиков нагрузки и отключаться на время их провалов, что зачастую связано со значительными капитальными затратами.

В качестве альтернативы выступает искусственное уплотнение графика нагрузки - его выравнивание посредством привлечения потребителей к регулированию потребления электроэнергии. Такие потребители, способные работать в согласованном с ЭЭС режиме, способствующем заполнению провалов и (или) снятию пиков графика электрических нагрузок (суточных, недельных, годовых) принято называть потребителями-регуляторами (ПР).

Физически можно выделить два основных вида ПР:

- специальные ПР, подразделяющиеся на системные и продуктовые;

- ПР на базе обычных производств, подразделяющиеся на осуществляющие регулирование на основе имеющихся резервов и требующие установки дополнительного оборудования.

К специальным потребителям-регуляторам относятся тепловые, электрические и другие виды накопителей энергии, а также промышленные, бытовые и сельскохозяйственные производства со спросом на электроэнергию только в периоды провалов графика нагрузки. При этом системные ПР потребляют электроэнергию из ЭЭС в провалы графика и выдают ее обратно в часы максимума нагрузки (ГАЭС, ВАЭС, аккумуляторы тепла на АЭС, сверхпроводящие индукционные накопители), а продуктовые расходуют электроэнергию в провалы графика на производство собственной продукции без обратной выдачи. К продуктовым ПР относятся аккумуляционные установки электроотопления, электролизные установки для производства водорода, электромобильный транспорт, установки для обессоливания морской воды, дублирующий электропривод компрессорных станций газопроводов, сельскохозяйственные аккумуляционные электрокотлы и электронагреватели для горячего водоснабжения и отопления, установки для кормоприготовления и создания микроклимата.

Наиболее перспективными для климатической зоны России являются системы преобразующие электроэнергию в тепловую энергию с последующим ее аккумулированием.

В третьем разделе проведен обзор математических моделей (ММ) оптимизации развития электроэнергетики с целью определения возможностей их использования для решения задачи комплексной оптимизации развития электроэнергетических систем и потребителей электроэнергии.

Возрастающая актуальность проблем электросбережения и управления электропотреблением определяет потребность в соответствующем исследовательском аппарате - оптимизационных ММ. Исследование потребителей электроэнергии при оптимизации развития систем электроэнергетики требует от ММ обязательного наличия таких возможностей, как:

- гибкость, обеспечивающая построение дополнительных блоков (моделей), отличающихся степенью эквивалентирования ЭЭС и ее связей;

- способность учета изменений различных присущих потребителям электроэнергии особенностей и параметров;

- моделирование покрытия множества характерных суточных графиков электрической нагрузки ЭЭС в едином календарном времени.

В соответствии с проведенным обзорным исследованием установлено, что наиболее полно поставленным требованиям соответствует разработанная в ИСЭМ СО РАН оптимизационная ММ «СОЮЗ», предназначенная для выбора рациональной структуры генерирующих мощностей. Определено, что модель после проведения соответствующей модернизации может быть использована для исследования потребителей электроэнергии при оптимизации развития электроэнергетических систем.

В четвертом разделе:

- определен критерий экономической эффективности электросбережения и регулирования электропотребления в условиях задачи комплексной оптимизации;

- описана адаптация ММ «СОЮЗ» к задачам исследования потребителей электроэнергии при управлении развитием ЭЭС;

- проведены исследование развития ЕЭЭС России с учетом влияния со стороны потребителей электроэнергии и определение эффективности некоторых потребителей-регуляторов и мероприятий по электросбережению.

Критерием комплексной оптимизации систем электроэнергетики и потребителей электроэнергии является минимум суммарных затрат (1), включающих в себя затраты как на производство электроэнергии, так и на ее потребление (затраты на обеспечение технологических процессов, связанных с электропотреблением).

З_У = З_ППЭ + З_П min (1)

где: З_У - суммарные затраты, связанные с производством и потреблением электроэнергии;\

З_ППЭ - затраты на производство и передачу электроэнергии;

З_П - затраты на потребление электроэнергии или технологии, связанные с электропотреблением (затраты потребителя).

Для оценки эффективности мероприятий по электросбережению и регулированию электропотребления, критерий оптимизации (1) можно представить в виде:

ДЗ (б, в) = ДЗ_ППЭ (б, в) + ДЗ_П (б, в) max (2)

где б = Nґ / N, (0 < б < 1) - коэффициент электросбережения (отношение величины нагрузки потребителя после проведения электросбережения к его исходному значению); в = N_min / N_max, (0 < в < 1) - коэффициент неравномерности графика нагрузки (отношение значений минимальной нагрузки и максимальной).

В задаче комплексной оптимизации коэффициенты б и в являются искомыми оптимизационными параметрами, зависящими от масштабов реализации оцениваемых мероприятий. ДЗ_ППЭ (б, в) и ДЗ_П (б, в) - изменения затрат на производство и передачу, а также потребление электроэнергии, связанные с реализацией мероприятий по электросбережению и регулированию уровней электропотребления, в свою очередь определяемые как:

ДЗ_ППЭ (б, в) = З_ППЭ - Зґ_ППЭ (3)

ДЗ_П (б, в) = З_П - Зґ_П (4)

В выражениях (3) и (4) З_ППЭ, З_П и Зґ_ППЭ, Зґ_П - соответственно затраты на производство и передачу, а также потребление электроэнергии до и после проведения мероприятий по электросбережению и регулированию режимов электропотребления.

Постановка задачи комплексной оптимизации развития электроэнергетики и потребителей электроэнергии может найти свое применение для решения различных вопросов:

- разработка государственных энергопрограмм, энергетических стратегий, программ энергосбережения;

- определение схем развития различных отраслей экономики, прямо или косвенно связанных с электроэнергетикой;

- разработка и оценка механизмов финансовых взаимоотношений между энергокомпаниями и потребителями электроэнергии в вопросах электросбережения и регулирования режимов электропотребления;

- поиск путей преодоления экологических проблем.

Для адаптации модели «СОЮЗ» к задачам исследования потребителей электроэнергии при управлении развитием электроэнергетических систем произведено ее дополнение соответствующими блоками математических моделей потребителей электроэнергии [1-4, 6, 8, 9]. Обобщенная математическая формулировка модели:

min (5)

при (6)

Выражение (5) является минимизируемым при ограничениях (6) функционалом, в общем случае представленным суммарными приведенными затратами на развитие и функционирование электроэнергетических систем, исследуемых потребителей-регуляторов и энергосберегающих технологий.

Здесь j - номер группы однотипного генерирующего оборудования или потребителя электроэнергии; i - номер энергоузла; s - номер характерного суточного графика нагрузки; - индекс (продолжительность) зоны нагрузки в суточном графике;

- нагрузка j-го типа генерирующего оборудования в узле i в суточном режиме s в зоне, продолжительностью часов либо мощность (снижение нагрузки) потребителей-регуляторов или электросберегающих технологий, - соответствующие удельные переменные затраты;

- выбираемые установленная мощность и новая (вводимая) мощность j-го оборудования (потребителя) в узле i; - удельные постоянные ежегодные издержки и приведенные капиталовложения в это оборудование;

- пропускная способность электрической связи между узлами i и i'; - удельные ежегодные затраты на эту связь;

- новая (вводимая) пропускная способность межсистемной связи i и i'; - соответствующие удельные приведенные капиталовложения.

Первые две суммы в целевой функции определяют годовые переменные и постоянные издержки на электростанциях и у моделируемых потребителей, третья сумма соответствует приведенным капиталовложениям в их реализацию, последние две суммы определяют годовые постоянные издержки и приведенные капиталовложения в межсистемные электрические связи.

Ограничения (6) включают в себя балансы мощности энергоузлов, технические ограничения на режимы работы генерирующего и электропотребляющего оборудования, ограничения по топливу и др.

Годовой баланс энергии энергоузлов в модели описывается совокупностью балансов зон представительных суточных графиков электрической нагрузки с переходом к годовым показателям в функционале модели через коэффициенты «эквивалентного числа суток в году». При моделировании суточного режима используется принцип «позонной оптимизации» в соответствии с разбиением суточного графика нагрузки на горизонтальные зоны продолжительностью часов, соответствующие приростам нагрузок в разные часы суток:

(7)

В выражении (7) первая сумма - участие всех электростанций узла, ПР и мероприятий по электросбережению в покрытии зоны отдельного суточного графика, вторая и третья суммы - межузловые «входящие» и «выходящие» перетоки, а правая часть - мощности зон суточного графика.

Поскольку определено два вида влияния на электропотребление: изменение его уровня с помощью электросбережения и снижение неравномерности графиков нагрузки с помощью потребителей-регуляторов, именно их ММ предлагается использовать для решения задачи комплексной оптимизации развития электроэнергетических систем и потребителей электроэнергии.

При проведении оптимизационных расчетов по выбору рациональной структуры электроэнергетической системы по типам электростанций и оборудования, мероприятия по электросбережению можно рассматривать как один из «способов» покрытия нагрузки, т.е. как альтернативу выработке электроэнергии на электростанциях. Математическую модель k-го потребителя электрической энергии, проводящего мероприятие или ряд мероприятий по электросбережению можно представить следующим образом:

-= (8)

(9)

=(1 - g_ks - ) (10)

(11)

(12)

(13)

Здесь выражение (8) определяет эффект или величину электросбережения , являющийся разностью значения нагрузки потребителя до проведения мероприятия по электросбережению и после - .

Поскольку часть электроприемников потребителя может не использоваться или находиться в ремонте, в соответствии с предложением о «покрытии» нагрузки с помощью мероприятий по электросбережению, выражение (8) можно записать в виде (9), где является суммарной мощностью эффекта в области электросбережения k-го потребителя электроэнергии, участвующая в покрытии зоны продолжительностью часов графика нагрузки S-ых расчетных суток. Параметр определяет максимальную долю мощности задействованных в работе электроприемников в их суммарной установленной мощности и определяется согласно зависимости (10).

В выражении (10) величины g_ks и - коэффициенты соответственно аварийного простоя и плановых текущих и капитальных ремонтов k-го потребителя для S-ых расчетных суток.

Смысл выражения (9) заключается в том, что суммарная мощность электросбережения k-го потребителя электроэнергии после проведения электросберегающих мероприятий не может превышать суммарную установленную мощность используемого им технологического оборудования с учетом ремонтного, аварийного и технологического простоев.

Капиталовложения и издержки на эксплуатацию, необходимые для проведения мероприятий по электросбережению, определяются согласно уравнениям (11), (12) и (13), смысл которых заключается в следующем.

Допустим, что до проведения мероприятий по электросбережению технологический процесс k-го потребителя электроэнергии характеризовался текущими затратами . После проведения электросберегающих мероприятий, требующих на свое внедрение некоторых капитальных затрат K_k, технологический процесс будет характеризоваться текущими затратами .

Удельные капиталовложения, позволяющие реализовать электросбережение, в этом случае будут определяться согласно (11) и равняться отношению капитальных затрат K_k и эффекта в области электросбережения.

В свою очередь ежегодные издержки, которыми сопровождается процесс эксплуатации оборудования или текущие затраты (денежные и материальные) характеризуются зависимостью (12). Если после проведения электросбережения текущие затраты потребителя электроэнергии снижаются, то величина может быть отрицательной. С учетом этого удельные эксплуатационные издержки, позволяющие обеспечить электросбережение можно записать в виде (13).

Зависимость издержек от режима работы потребителя не учитывается, поэтому переменные издержки включены в состав ежегодных.

При описании в модели электроэнергетической системы потребителя-регулятора следует учесть ряд следующих моментов:

- как перевод в режим регулирования обычных потребителей электроэнергии, так и создание новых ПР требуют капиталовложений;

- составляющая затрат на электроэнергию, используемую в режиме потребления, может быть учтена на электростанциях, обеспечивающих в результате оптимизации режим ЭЭС, а не в текущих затратах потребителя;

- при сдвиге мощности ПР из пиковой зоны графика нагрузки в зону провала высвобождается часть генерирующих мощностей электростанций, этот режим может быть представлен как «генерация» ПР;

- соответственно работа ПР в зоне провала будет рассматриваться как режим «потребления».

С учетом этого в математической модели ПР определение использования мощности основано на разделении режимов «генерации» и «потребления». В каждые расчетные сутки в режиме «генерации» ПР могут участвовать в покрытии верхних зон графика с общим числом часов использования, не превышающих заданную величину. Мощность ПР в режиме «потребления» оптимизируется для периодов провала графика. Специальные уравнения учитывают заданные соотношения между режимами заряда и генерации (по энергии и мощности):

(14)

(15)

=(1 - g_ks - ) (16)

(17)

(18)

Неравенства (14) и (15) определяют долевое участие электрической мощности k-го ПР в «генерирующем» и «потребляющем» режимах соответственно. Здесь - суммарная мощность электроприемников ПР; - мощность «генерирующего» режима работы, продолжительностью часов в S-ые сутки; - мощность «потребляющего» режима в час t S-ых суток. - коэффициент готовности мощности потребителя (доля мощности задействованных в работе электроприемников в их суммарной установленной мощности), определяемый согласно (16). В выражении (15) - коэффициент соотношения мощностей «генерирующего» и «потребляющего» режимов.

Уравнение (14) является ограничением использования мощности потребителя-регулятора в режиме «генерации» и определяет, что она физически не может превышать суммарную мощность всех электроприемников с учетом коэффициента готовности. В свою очередь зависимость (15) показывает, что мощность «потребляющего» режима также не может превышать суммарную мощность всех электроприемников с учетом коэффициента готовности.

Выражения (14) и (15) для потребителей-регуляторов дополнены соотношением связи по энергии «генерирующего» и «потребляющего» режимов (17) и ограничением среднесуточного числа часов использования (18).

Смысл неравенства (17) заключается в том, что физически энергия «генерирующего» режима не может превышать энергию «потребляющего» режима. Здесь - длительность одного интервала; - коэффициент полезного действия (КПД), определяющий энергетические потери на стадиях преобразований и промежуточного накопления электроэнергии.

Ограничение на потребляемую энергию (18) для продуктовых ПР определяется объемами производства продукции, продолжительностью рабочей смены, для прочих ПР - емкостью аккумуляторов и накопителей.

В целях определения возможностей применения для решения задач комплексной оптимизации ЭЭС и потребителей электроэнергии математической модели «СОЮЗ» с использованием блоков, моделирующих мероприятия по электросбережению и ПР, выполнены оптимизационные расчеты.

Основной целью исследования являлось изучение оптимальной структуры ЕЭЭС России с учетом влияния на ее развитие со стороны потребителей электроэнергии, а также получение оценки эффективности мероприятий по электросбережению, использования обычных предприятий в качестве ПР и применения специальных ПР. Финансово-экономические результаты расчетов получены в долларах США, и, для удобства восприятия, переведены в Российские рубли по курсу 26 Российских рублей равны 1 доллару США.

Результаты проведенных исследований сопоставлялись с исходным вариантом оптимизации развития ЕЭЭС.

В качестве мероприятия по электросбережению была рассмотрена модернизация источников освещения, подразумевающая замену традиционных ламп накаливания (0,15 кВт; 5,72 руб./шт.; срок службы - 1 год) на люминесцентные лампы (0,05 кВт; 32,5 руб./шт.; срок службы - 12 лет), идентичные по световому потоку. В качестве объекта исследования эффективности модернизации электроосвещения выбраны предприятия легкой промышленности, доля осветительной нагрузки которых приблизительно равна 15% от суммарной мощности электропотребления. При модернизации всех источников освещения, величина электросбережения составит 2/3 от исходной мощности осветительной нагрузки или 10% от суммарной мощности электропотребления предприятием. Величина ограничений по максимальной мощности определена достаточно условно - по распределению предприятий по федеральным округам России, с учетом среднестатистической мощности одного предприятия 2 МВт и при величине электросбережения 10% от суммарной мощности электропотребления. Тем не менее это не мешает оценить эффективность рассматриваемого мероприятия по электросбережению.

В табл. 1, с разбивкой по ОЭЭС, отображены оптимальные объемы модернизации электроосветительных установок и электросбережения с помощью этого мероприятия, полученные в результате расчетов.

По ЕЭЭС в целом оптимальные объемы применения модернизации источников электроосвещения составили 4474 МВт. Видно, что во всех ОЭЭС оптимальные объемы модернизации электроосвещения выходят на заданные ограничения по максимальной мощности. Это говорит о высокой эффективности данного мероприятия по электросбережению и его конкурентоспособности по отношению к «традиционным» способам покрытия пиковой мощности электрической нагрузки.

Таблица 1. Электросбережение и снижение мощности электрической нагрузки

ОЭЭС	Электросбережение, млн. кВт·ч	Снижение мощности электрической нагрузки, МВт
Северо-Запад	1404	454
Центр	3541	1174
Северный Кавказ (Юг)	859	283
Волга	1436	454
Урал	3010	981
Сибирь	3034	959
Восток	535	169
ВСЕГО	13819	4474

Изменения вводов генерирующих мощностей по ОЭЭС, в сравнении с исходным вариантом развития ЕЭЭС, выглядят таким образом:

- ОЭЭС Северо-Запада, Северного Кавказа (Юга), Волги - без изменений;

- ОЭЭС Центра - снижение вводов ПГУ на 975 МВт и ГАЭС на 127 МВт;

- ОЭЭС Урала - увеличение вводов КЭС на 800 МВт;

- ОЭЭС Сибири - снижение вводов КЭС на 1900 МВт;

- ОЭЭС Востока - снижение вводов КЭС на 200 МВт.

В ОЭЭС Центра, энергосистеме с разреженным графиком электрической нагрузки, электросбережение снижает максимум электропотребления и тем самым «конкурирует» с ПГУ и ГАЭС. ОЭЭС Сибири и Востока имеют относительно плотные графики нагрузки, поэтому электросбережение заменяет ввод новых генерирующих мощностей в этих энергосистемах. Снижение выработки в ОЭЭС Сибири разгружает межсистемные связи Сибирь-Урал, но, вместе с тем, требует от ОЭЭС Урала, крупнейшего промышленного и электропотребляющего узла, увеличения собственной генерации. Здесь наблюдается увеличение вводов генерирующего оборудования.

В суммарном отношении вариант развития ЕЭЭС России с модернизацией источников освещения (заменой ламп накаливания на люминесцентные лампы) по приведенным затратам в развитие и функционирование ЕЭЭС и анализируемых потребителей на 18,4 млрд. руб. дешевле, чем исходный вариант, не предусматривающий подобных мероприятий. В результате проведения данных мероприятий по электросбережению достигается экономия капиталовложений 77,1 млрд. руб. и годовая экономия топлива 3,73 млн. тут или 5,8 млрд. руб. в денежном эквиваленте. В общей сложности в целом по ЕЭЭС в результате проведения этого мероприятия на 4,5 ГВт снижается максимум нагрузки и на 3,2 ГВт снижается ввод новых генерирующих мощностей. Меньшее снижение вводов мощностей (относительно снижения максимума) объясняется увеличением «неиспользуемой» мощности ГЭС из-за уплотнения графиков нагрузки в результате электросбережения.

Для исследования возможностей применения в качестве потребителей-регуляторов «обычных» предприятий - потребителей электроэнергии были также выбраны предприятия легкой промышленности, характеризующиеся достаточной гибкостью производственного процесса (относительной простотой и малыми затратами на его перенастройку) и определенной степенью свободы во взаимоотношениях с поставщиками сырья и потребителями продукции (возможностью работать «со склада» и «на склад»).

При подготовке исходных данных к оптимизационному расчету развития ЕЭЭС, рассматривающему перевод предприятий в режим работы потребителей-регуляторов предполагается, что удельные капиталовложения отсутствуют (предприятия способны изменить режим работы за счет собственных резервов). Принята двухсменная работа предприятия (суточная длительность режима «заряда» ПР составляет шестнадцать часов) с восьмичасовым перерывом в период максимума нагрузки (суточная длительность режима «генерации» ПР равна восьми часам).

Увеличение удельных постоянных издержек, основной составляющей которых является заработная плата персонала переводимых в режим регулятора предприятий, принято равным 50%.

Перевод предприятий на ночную работу сопряжен с повышением требований к освещению. Для легкой промышленности, по отношению к суммарной мощности, доли мощностей основного технологического процесса и электроосвещения составляют 85% и 15% соответственно. За счет повышения требований к освещению рабочих мест в ночной период, необходимости освещения прилегающих территорий и подсобных помещений, доля электроосвещения может возрасти в два раза. При неизменной технологической мощности, соотношение ее доли и доли мощности электроосвещения составит 85% и 30% соответственно, т.е. мощность предприятия при ночной работе (мощность «заряда» потребителя-регулятора) превысит мощность работы этого же предприятия в штатном режиме (мощность «генерации» потребителя-регулятора) в 1,15 раза. Обратная этому соотношению величина - коэффициент полезного действия (КПД) потребителя-регулятора равен 0,87.

Максимальная величина применения мощности этих предприятий в качестве потребителей-регуляторов по каждой из ОЭЭС определяется по аналогии с исследованием эффективности модернизации источников освещения.

Изменения вводов генерирующих мощностей по ОЭЭС, в сравнении с исходным вариантом развития ЕЭЭС, выглядят таким образом:

- ОЭЭС Северо-Запада, Северного Кавказа (Юга), Волги, Урала, Сибири, Востока - без изменений;

- ОЭЭС Центра - снижение вводов ПГУ на 996 МВт и ГАЭС на 127 МВт.

В соответствии с результатами расчетов, при использовании обычных предприятий в качестве потребителей-регуляторов, эффект достигается только в ОЭЭС Северного Кавказа (Юга). Оптимальная мощность применения ПР составляет 1035 МВт в режиме «генерации» и 1139 МВт в режиме «потребления» не выходя на ограничения по максимальной мощности (2,83 ГВт). Экономии топлива, по отношению к исходному варианту развития ЕЭЭС, в варианте развития с применением в качестве ПР «обычных» предприятий не наблюдается, поскольку эффект освобождения от покрытия пиковой нагрузки менее экономичных генерирующих мощностей компенсируется низким КПД потребителя-регулятора, составляющим 87%.

Одной из причин, определяющей малые объемы реализации рассматриваемого мероприятия, являются высокие постоянные издержки, не позволяющие такому типу ПР полноценно конкурировать с традиционными способами покрытия пиковых электрических нагрузок. Несмотря на это, по отношению к исходному, рассматриваемый вариант развития ЕЭЭС требует капиталовложений и приведенных затрат на реализацию, соответственно на 79,5 млрд. руб. и 11,0 млрд. руб. меньше.

Анализ возможного варианта развития ЕЭЭС показывает, что режим ночной работы предприятий («заряда») используется в интересах ОЭЭС Центра, снижая электропотребление в пиковые часы в объеме 1702 млн. кВтч, конкурируя с вводами ПГУ и ГАЭС в этой энергосистеме.

Исследование современного уровня развития ПР, выполненное во втором разделе диссертации показало, что максимальные возможности регулирования графика электрической нагрузки связаны с аккумулированием тепла для отопления и горячего водоснабжения.

Принцип действия этого, пока еще мало распространенного оборудования состоит в следующем. В период провала электрической нагрузки электронагреватели вырабатывают тепло, одна часть которого расходуется на отопление помещений, а другая аккумулируется в теплонакопительных блоках. В период пика электрической нагрузки электронагреватели автоматически отключаются от электросети. Обогрев здания производится за счет аккумулированного тепла, съем которого осуществляется обдувом воздухом теплонакопительных блоков.

Максимальная суточная длительность заряда теплового аккумулятора составляет семь часов, максимальная суточная длительность разряда - семнадцать часов. Единичная мощность одного накопителя принята равной 0,002 МВт. Паспортный КПД оборудования равен 87%.

В расчетах рассматривалось оборудование отечественного производства, стоимость которого в бытовом исполнении составляет 5200 руб./кВт, в промышленном исполнении - 6300 руб./кВт.

Ежегодные издержки приняты равными нулю - считается, что новое оборудование не требует затрат на свое обслуживание больше, чем ранее использовавшиеся системы электроотопления. Ограничения по максимальной мощности отсутствуют - расчеты носят оценочный характер с целью определения степени эффективности данного оборудования как ПР.

Всего было рассмотрено три варианта возможного применения систем электроотопления с аккумулированием тепла в качестве ПР, отличающихся объемами применения этого оборудования - ограниченное применение для модернизации электрокотельных, массовое внедрение устройств на объектах жилья и объединение условий двух предыдущих вариантов. Результаты проведенных расчетов по каждому из рассматриваемых вариантов представлены в табл. 2.

Изменения вводов новых генерирующих мощностей по ОЭЭС:

- ОЭЭС Северо-Запада, Северного Кавказа (Юга), Волги, Урала, Сибири - без изменений для всех вариантов;

- ОЭЭС Центра - снижение вводов ГАЭС на 127 МВт для всех вариантов;

- ОЭЭС Востока - снижение вводов КЭС на 100 МВт и 150 МВт для второго и третьего вариантов соответственно.

Рассматриваемые ПР используются в интересах ОЭЭС Центра, при этом они конкурентоспособны по отношению к ГАЭС, но менее эффективны чем ПГУ. Применение ПР в ОЭЭС Востока позволяет выровнять график электропотребления и снизить вводы конденсационного оборудования.

Таблица 2. Объемы применения систем электроотопления с аккумулированием тепла в качестве потребителей-регуляторов

ОЭЭС	Мощность «генерации», МВт	Мощность «потребления», МВт	Снижение электропотребления в пиковые часы, млн. кВт·ч
	1	2	3	1	2	3	1	2	3
Северо-Запад	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Центр	0	61	35	0	70	40	0	28	16
Северный Кавказ (Юг)	58	164	221	67	189	254	92	260	350
Волга	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Урал	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Сибирь	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Восток	21	59	80	24	68	92	7	28	38
ВСЕГО	79	284	336	91	327	386	99	316	404

Модернизация существующих электрокотельных и перевод их в режим ПР может быть использована в объемах 21 МВт для ОЭЭС Востока и 58 МВт для ОЭЭС Северного Кавказа, что позволит выровнять ночной провал мощности нагрузки в этих энергосистемах на 24 и 67 МВт. Снижение электропотребления в пиковые часы оценивается в 7 и 90 млн. кВтч электроэнергии соответственно.

Проведенное сравнение с исходным вариантом и полученные результаты расчетов показывают, что модернизация действующих систем электроотопления с применением аккумулирования тепловой энергии является достаточно результативным мероприятием. Подобные системы эффективны при использовании в объединенных энергосистемах Северного Кавказа (164 МВт), Востока (59 МВт) и Центра (61 МВт). Потребители-регуляторы способны обеспечить заполнение ночных провалов графиков нагрузки в размере 70, 189 и 68 Мвт или 260, 29 и 28 млн. кВтч для ОЭЭС Северного Кавказа, Востока и Центра соответственно.

Результаты третьего варианта близки к суммарным результатам первого и второго вариантов расчета. В целом показатели применения потребителей-регуляторов по ОЭЭС Центра, Северного Кавказа и Востока составляют порядка 336 МВт в режиме «генерации», 386 МВт в режиме «потребления» и 400 млн. кВтч. В сравнении со вторым вариантом видна реализация системного эффекта: большие объемы вводов потребителей-регуляторов в ОЭЭС Северного Кавказа оказываются более выгодными по отношению к их вводам в ОЭЭС Центра (164 / 61 МВт для второго варианта и 221 / 35 МВт для третьего варианта соответственно), т.е. работа потребителей-регуляторов в ОЭЭС Северного Кавказа осуществляется в интересах ОЭЭС Центра.

Применение систем электроотопления с аккумулированием тепла в качестве потребителей-регуляторов увеличивает расход топлива (от 0,3 до 0,44 тыс. тут/год) и, соответственно, связанные с ним затраты (от 1,1 до 1,3 млрд. руб. в год). Это обусловлено относительно низким, около 87%, коэффициентом полезного действия (КПД) тепловых аккумуляторов, применяемых в составе исследуемых систем. В дальнейшем использование современных материалов и тепловой изоляции позволит повысить КПД установки до 90-95% и снизить величину перерасхода топлива.

Конкуренцию применению систем электроотопления с аккумулированием тепла в качестве потребителей-регуляторов оказывают относительно недорогие источники пиковой мощности, в частности ПГУ, что делает применение данного вида потребителей-регуляторов неэффективным в остальных объединенных энергосистемах (Сибирь, Урал, Волга и Северо-Запад).

Варианты развития ЕЭЭС с применением систем электроотопления с аккумулированием тепла практически идентичны исходному варианту по суммарным приведенным затратам, во втором и третьем вариантах наблюдается небольшая экономия капиталовложений - 1,1 млрд. руб. и 2,9 млрд. руб. соответственно.

В пятом разделе рассмотрены условия развития электросбережения и регулирования электропотребления. Даны заключения о влиянии на них различных форм экономических взаимоотношений между энергокомпаниями и потребителями электроэнергии.

Степень заинтересованности потребителей в электросбережении, как одной из статей снижения своих затрат, определяется стоимостью электроэнергии. Ценовая политика энергокомпаний во многом зависит от степени их влияния на рынок электроэнергии. Крайние проявления этого влияния - монополия и монопсония. Так монопольное положение позволяет энергокомпании диктовать потребителям свою, ориентированную на получение максимальной прибыли, ценовую политику, и таким образом косвенно стимулировать их к электросбережению. Монопсония же наоборот подразумевает сильные позиции потребителя и снижение его интереса к электросбережению.

Так как при равномерном графике нагрузки производство электроэнергии всегда более выгодно, чем при неравномерном, интерес энергокомпаний к регулированию режимов электропотребления сохраняется всегда. Лучшие условия привлечения потребителей к регулированию режимов электропотребления могут создаться либо «под принуждением» - при монополии в электроэнергетике, либо при наличии конкуренции среди энергокомпаний и, как следствие, при наличии выгодных тарифных предложений для потребителей с их стороны. Монопсония, как и в случае с электросбережением не гарантирует добровольного участия потребителей в регулировании режимов электропотребления.

Современная электроэнергетика во многих странах, в том числе и в России, подвержена глубоким преобразованиям, направленным на переход к рынку электроэнергии. Несмотря на неоднозначные прогнозы и результаты подобных преобразований, очевидно, что тенденция реформирования электроэнергетики в дальнейшем сохранится и усилится. В условиях рынка появляется понятие «управление спросом на электроэнергию», механизм которого приводится в действие через тарифы на электрическую энергию, возможности для развития электросбережения и регулирования режимов электропотребления при этом улучшаются.

Поскольку эффект от регулирования уровней и режимов электропотребления проявляется у каждого участника этих мероприятий, возникает необходимость его точного определения [5,7]. Решить эту задачу могут автоматизированные системы учета электроэнергии (АСУЭ).

Учет электроэнергии, зачастую ошибочно причисляемый к мероприятиям по электросбережению, на самом деле является базой для его проведения, а также и регулирования режимов электропотребления.

Наличие учета оказывает косвенное влияние на электросбережение, позволяя выявить перерасход и неэффективное использование электроэнергии, а также дисциплинируя производственный персонал.

В разделе выполнен обзор, в котором рассмотрены структура и типы АСУЭ, примеры их реализации на действующих объектах, особенности эксплуатации и перспективы дальнейшего развития.

В заключении сформулированы наиболее важные выводы и рекомендации по результатам проведенной работы.

В приложениях приведены дополнительные материалы, поясняющие отдельные положения из основных разделов работы.

Основные результаты работы

Основные результаты проведенных в ходе диссертационной работы исследований состоят в следующем:

1. Рассмотрены проблемы удовлетворения растущего спроса на электрическую энергию и покрытия переменной части графика электрической нагрузки. В качестве дополнения и альтернативы существующим мероприятиям по повышению маневренности электроэнергетических систем определены возможности использования потребителей электроэнергии. Определены характеристики и степень технической готовности основных мероприятий по электросбережению и различных типов потребителей-регуляторов электроэнергии, установлены их существенный потенциал и способность оказывать значительное воздействие на развитие систем электроэнергетики.