Исследование эффективности управления электрической нагрузкой при оптимизации развития электроэнергетических систем

Электросбережение является важным слагаемым технической и экономической политики при прогнозировании и планировании развития топливно-энергетического комплекса и электрификации. Его возрастающая значимость определяется рядом следующих факторов: общий рост потребности экономики страны в электрической энергииневозобновляемый характер, ограниченность и удорожание 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 оказывают воздействие 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.

Большие возможности экономии энергоресурсов часто делают электросбережение, как составную часть энергосбережения, предметом государственной политики. Во многих странах мира, как экономически развитых, так и развивающихся, разрабатываются специальные программы, приводящие к значительным результатам, например энергетическая политика России [99] в качестве общегосударственной программы, направленной на электросбережение рассматривает совершенствование источников света, повышение эффективности электропривода и ряд других мероприятий.

Другим, не менее важным направлением эффективного развития электроэнергетики России является повышение маневренности электроэнергетических систем. Существуют различные подходы к решению этого вопроса, в основном касающиеся модернизации или замены генерирующего оборудования (исследованиями в этой области занимались JI.A. Мелентьев, Ю.Н. Ру-денко, В. А. Ханаев, Е. А. Волкова, И. М. Волькенау и др.):

— 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).

Модернизация устаревших базисных блоков для повышения их маневренности производилась еще в 1970;1980 г. г. Это мероприятие служит определенным образом вынужденным решением проблемы напряженных балансов мощности и электроэнергии, поскольку даже модернизированное устаревшее оборудование является изношенным и требует замены в относительно короткий промежуток времени.

Замена изношенного оборудования ТЭС на пиковые ГТУ и полупиковые блоки — подход, позволяющий за счет использования действующих объектов и коммуникаций (площадки, здания, инженерные сети, водоподготовка и т. д.), избежать значительных затрат на реализацию. По сути такой процесс замены оборудованияпредставляет собой относительно малозатратное техническое перевооружение ТЭС и является одним из наиболее эффективных мероприятий по повышению маневренности силами самой энергосистемы.

Разгрузка АЭС в основном предназначена для повышения маневренности энергосистемы в выходные дни. Регулярная разгрузка АЭС экономически мало эффективна, поскольку подобный режим работы ухудшает энергетические характеристики реакторов — увеличивается расход ядерного горючего.

Вводы ГАЭС, ВАЭС и других видов нового оборудования повышают маневренность электроэнергетических систем (ЭЭС) в основном в рабочие дни, поскольку накопители электроэнергии недельного регулирования имеют высокую стоимость и мало пригодны для массового внедрения. Ввиду большей плотности графиков нагрузки большинство накопителей не может эффективно работать в выходные дни, кроме того, многие из них не получат широкого применения в обозримом будущем, поскольку находятся в стадии опытно-промышленной эксплуатации или даже разработки, например сверхпроводящий индукционный накопитель (СПИН). Строительство же даже наиболее перспективных для решения задачи повышения маневренности накопителей (ГАЭС, ВАЭС) находится в сильной зависимости от конкретных местных и географических условий, что существенно снижает возможности их использования.

Сооружение новых маневренных ЭП, в частности для привлечения к покрытию перспективной нагрузки Европейской части России существующих и вновь вводимых гидроэлектростанций (ГЭС) Ангаро-Енисейского каскада — мероприятие, не способное получить широкого развития по ряду причин, в том числе из-за увеличения загрузки гидроэлектростанций непосредственно по месту их расположения и малых объемов строительства новых ГЭС.

Перечисленные способы повышения маневренности ЭЭС имеют различные масштабы применения, эффективность и сроки реализации и, в основном, касаются модернизации или замены генерирующего оборудования.

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

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

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.

Настоящая работа должна дополнить имеющиеся в данной области исследования и направлена на разработку принципов и методов математического моделирования и исследования потребителей электроэнергии при управлении развитием электроэнергетических систем/.

С учетом изложенного выше цель диссертации заключалась в разработке эффективных методов и аппарата исследований развития электроэнергетических систем с учетом осуществляемых у потребителей электросбережения и регулирования режимов электропотребления.

Для достижения указанной цели в диссертации, обобщающей исследования, выполненные автором в Институте систем энергетики им. JI.A. Ме-лентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН), 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 ЕЛ5 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.).

В ходе решения этих задач потребовалось:

— рассмотреть и систематизировать типы электросберегающих мероприятий и потребителей-регуляторов электрической нагрузки, как применяемые на практике, так и находящиеся на стадии прогнозных и проектных разработок, определить их степень готовности и потенциал применения;

— проанализировать существующие методы и схемы решения задачи управления развитием электроэнергетических систем и дополнить их с учетом применения мероприятий по электросбережению и потребителей-ре1уляторов электрической нагрузки;

— изучить опыт математического моделирования развития электроэнергетических систем;

— создать универсальную математическую модель для исследования потребителей электроэнергии при управлении развитием электроэнергетических систем, а также для оценки эффективности различных мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов электрической нагрузки;

— исследовать изменения перспективной структуры ЕЭЭС России в зависимости от воздействий, оказываемых со стороны потребителей электроэнергии;

— исследовать экономический эффект от применения ряда рациональных мероприятий по электросбережению и потребителей-регуляторов (модернизация источников электроосвещения, перевод в режим регулирования электрической нагрузки обычных производств, применение в качестве потребителей-регуляторов систем электроотопления с аккумулированием тепла);

I p.

— проанализировать возможности применения электросбережения и потребителей-регуляторов при различных формах экономических взаимоотношений в электроэнергетике;

— рассмотреть особенности применения автоматизированных систем учета и контроля электропотребления в качестве необходимой базы для определения эффекта от проведения электросбережения и использования потребителей-регуляторов электрической нагрузки.

В диссертации впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

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

2. Модификация математической модели «СОЮЗ», включающая 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. Оценка с помощью новой модификации модели «СОЮЗ» изменений перспективной структуры ЕЭЭС России в зависимости от влияний, оказываемых со стороны потребителей электроэнергии, а также эффективности и масштабов применения следующих 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 электрической нагрузки);

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

Результаты диссертации в настоящее время составляют важную часть методической и расчетной базы Института систем энергетики им. JI.A. Ме-лентьева СО РАН (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.

Работа прошла апробацию на ряде научных конференций, в том числе с международным участием:

1. XXIX конференция научной молодежи ИСЭМ СО РАН (ИСЭМ СО.

РАН, г. Иркутск, 1999 г.);

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

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

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

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

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

По теме диссертации опубликованы девять печатных работ:

1. Ханаев В. В. О комплексной оптимизации развития электроэнергетической системы и потребителей энергии / В сб.: Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999. — (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН: Вып. 29) — стр. 66−73.

2. Ханаев В. В. Вопросы комплексной оптимизации развития систем электроэнергетики и потребителей электроэнергии с учетом воздействия на электропотребление / В сб.: Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 9. Томск, изд-во Томского университета, 2000 — стр. 153 — 162.

3. Ханаев В. В. Особенности оценки эффективности воздействия на режимы потребления электрической энергии / В сб.: Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2000. — (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН: Вып. 30) — стр. 94 — 101.

4. Ханаев В. В. Мероприятия и средства воздействия на режимы потребления электрической энергии / В сб.: Россия и перспективы ее развития. Социально-экономические интересы регионов. Выпуск 2. — Иркутск: ИрГТУ, 2001. -(Материалы научно-практической конференции) — стр. 80 — 85.

5. Ханаев В. В. Коммерческий учет энергоносителей как база для проведения энергосбережения / В сб.: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. — Иркутск: ИрГТУ, 2001 — (Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием) — стр. 117−119.

6. Ханаев В. В. Аннотация курса лекций по энергосбережению / Сборник аннотаций лекций. — Иркутск: ИрГТУ. Региональный центр «Энергосбережение», 2001 г.

7. Ханаев В. В. Информационно-измерительная система как база для проведения энергосбережения и анализа эффективности использования электрической энергии / В сб.: Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. — (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН: Вып. 32) -стр. 151 -155.

8. Труфанов В. В., Ханаев В. В. Математическое моделирование потребителей электроэнергии при оптимизации развития электроэнергетических систем // Электричество. 2008, в печати.

9. Ханаев В. В. Потребители-регуляторы: возможности и перспективы применения // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008, № 1, — стр. 59−64.

Диссертация состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложений.

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.

Установлено, что в условиях России наиболее перспективны малозатратные мероприятия, перспективная доля которых в общем объеме электросбережения может составить 90%. К ним относятся:

— модернизация источников электроосвещения (замена традиционных ламп накаливания на люминесцентные);

— применение регулируемого электропривода;

— оптимизация использования электроэнергии в быту.

Внедрение подобных мероприятий может осуществляться с помощью специализированных энергосервисных компаний.

В качестве потребителей-регуляторов актуальны системы электроотопления с аккумулированием тепла. Такое оборудование может эффективно использоваться в часы ночного минимума нагрузок, а замена или дооснаще-ние им существующих систем электроотопления позволит снизить пиковые уровни электрической нагрузки.

Показано, что электросбережение и регулирование режимов электропотребления повышают надежность электроснабжения, обеспечивают устойчивость электроэнергетических систем и потребителей к авариям.

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

3. Определены требования к оптимизационным математическим моделям, касающиеся исследования потребителей электроэнергии при управлении развитием электроэнергетических систем:

— гибкость, обеспечивающая построение дополнительных блоков (моделей), отличающихся степенью эквивалентирования электроэнергетической системы и ее связей;

— способность учета и изменения различных, присущих потребителям электроэнергии особенностей и параметров;

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

Выполнен аналитический обзор существующих математических моделей оптимизации развития электроэнергетики с целью определения их соответствия задаче комплексной оптимизации потребителей электроэнергии и электроэнергетических систем.

В результате проведенного обзорного исследования установлено, что наиболее полно указанным требованиям отвечает оптимизационная математическая модель «СОЮЗ», разработанная в Институте систем энергетики им. JI.A. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН). Данная модель выбрана в качестве базовой для проведения исследований в области комплексной оптимизации развития электроэнергетических систем и потребителей электроэнергии.

4. На базе модели «СОЮЗ» разработана новая математическая модель, позволяющая проводить исследование долгосрочного развития электроэнергетических систем с учетом оказываемого на них влияния со стороны потребителей электрической энергии. Разработаны и включены в модель дополнительные блоки, моделирующие основные влияния на электроэнергетические системы со стороны потребителей электроэнергии и позволяющие проводить совместное исследование их долгосрочного развития:

— математическая модель мероприятия по электросбережению;

— математическая модель потребителя-регулятора.

5. В целях проверки и демонстрации возможностей разработанной математической модели был произведен ряд расчетов, направленных на исследование развития ЕЭЭС России с учетом оказываемого на нее влияния со стороны потребителей электроэнергии. В ходе проведенного исследования определена степень эффективности ряда мероприятий по регулированию уровней и режимов электропотребления, а также исследованы изменения перспективной структуры ЕЭЭС России с учетом этих мероприятий.

Замена традиционных ламп накаливания люминесцентными лампами является эффективным и возможным к широкому применению мероприятием по электросбережению, конкурирующим в разных ОЭЭС с вводами КЭС, ПГУ и ГАЭС. Реализация этого мероприятия в разрезе долгосрочного развития ЕЭЭС позволяет снизить на 77,1 млрд руб. (2965 млн долл.) капитальные затраты, на 3,73 млн. тут расход топлива и на 18,4 млрд руб. (707 млн долл.) эксплуатационные издержки.

Перевод «обычных» предприятий в режим потребителей-регуляторов не является результативным мероприятием по регулированию режимов электропотребления и может применяться в ограниченных объемах (около 1 ГВт при заданном максимальном уровне вводов 2,8 ГВт) только в ОЭЭС Северного Кавказа (Юга).

Использование в качестве потребителей-регуляторов систем электроотопления с аккумулированием тепла имеет хорошую перспективу и может оказать положительное влияние на развитие ЕЭЭС России, приведя к снижению капитальных затрат на 1,1−2,9 млрд руб. (39−108 млн долл.). Использование этих потребителей-регуляторов наиболее эффективно в ОЭЭС Центра, Северного Кавказа (Юга) и Востока. Суммарная мощность их вводов может достичь 336 МВт.

6. Дано заключение о влиянии различных форм экономических взаимоотношений между потребителями электроэнергии и электроэнергетическими системами на такие, связанные с электросбережением и регулированием электропотребления вопросы, как стимулы к проведению этих мероприятий и степень интересов сторон-участников процесса производства и потребления электроэнергии.

Степень заинтересованности потребителей в электросбережении, как в 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.

Для генерирующей компании внутреннее электросбережение также служит одним из главных средств снижения издержек и повышения своей конкурентоспособности.

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.

7. Сделан анализ вопросов построения автоматизированных систем учета электроэнергии (АСУЭ), служащих средствами определения эффекта от электросбережения и регулирования электропотребления и являющихся необходимой базой для проведения таких мероприятий. Для этого произведена классификация АСУЭ по основным признакам и выполнен обзор наиболее известных разработок в этой области. Также представлен собственный опыт проектирования и внедрения автоматизированных систем учета электроэнергии, приведены конкретные примеры реализации АСУЭ на действующих объектах, определены особенности их текущей эксплуатации и перспективы дальнейшего развития.

Наиболее важные результаты проведенных исследований освещены на научных конференциях, в том числе с международным участием и в печатных работах по теме диссертационной работы, а также применены на практике в ряде, в том числе совместных с другими организациями, научных отчетов и работ.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.