автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ эффективности развития региональной энергетической промышленности

На правах рукописи

ДЕБИБВ МАЙРБЕК ВАХАЕВИЧ

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ)

05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2014

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электропривод» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор, академик АН ЧР Керимов Ибрагим Ахмедович

Шевчук Валерий Петрович,

доктор технических наук, профессор, филиал Национального исследовательского

университета «Московский энергетический институт (ТУ)» в г. Волжском, главный научный сотрудник;

Ахмедов Сулейман Абдурагимовнч,

доктор технических наук, профессор, Дагестанский государственный университет (ДГУ) зав.кафедрой информатики и информационных технологий, декан факультета информатики и информационных технологий.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский

горно-металлургический институт», г. Владикавказ.

Защита состоится «25» декабря2014 г. в.15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru. по ссылке http7/www/vstu/гu/nauka/d¡ssertas¡onnye-sovety/d-21202804/1гёт1.

Автореферат разослан «08» ноября 2014 г.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного Л

совета, к.т.н. гд^^^**^ Водопьянов Валентин Иванович

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2015 _

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время структура промышленных отраслей России, непосредственно связанных с топливно-энергетическим комплексом, вектор их развития, имеющий в основном сырьевую направленность, не соответствуют критериям, характеризующим энергетику развитых стран. Подобный путь развития, по мере исчерпания природных ресурсов, может привести энергетику России в состояние стагнации. Поэтому усиленно рассматриваются возможные пути перевода этих отраслей в другое состояние, основу которого будут составлять современные наукоемкие технологии.

Приведем некоторые характеристики энергетической промышленности России. Структура энергетического комплекса с точки зрения современных представлений весьма нерациональна. Подавляющая часть тепловых электростанций (60%, 148 тыс. МВт мощности) работает на газе, часть на угле, мазуте, что приводит к огромным потерям нефти и газа, запасы которых могут исчерпаться в течение ближайших 50-70 лет. Кроме того, добыча и транспортировка обходятся все дороже, что ведет к постепенному росту себестоимости электроэнергии. К 2012г. физический износ оборудования в энергетическом комплексе составляет 110 тыс. МВт, то есть примерно 50% установленной мощности электростанций. Удельная энергоемкость на единицу продукции в России в 4-5 раз выше, чем в развитых странах, что существенно снижает ее конкурентоспособность на мировом рынке. Вместе с тем растет потребление электроэнергии, что отражено на рисунке В.1.

Перечислим основные проблемные точки энергетической промышленности России.

1. Старение промышленной инфраструктуры и снижение надежности централизованной системы электроснабжения. При этом не решена проблема мобилизации финансов для модернизации энергосистемы.

2. Ожидается рост электропотребления на 2-3% в год. Потребители предъявляют новые требования к качеству и бесперебойности поставок энергии, к информационной прозрачности и управляемости энергоснабжения.

3. Рост городов усугубляет проблемы их энергоснабжения. Выставляются новые требования размещения объектов под землей (прежде всего,объектов атомной энергетики), экологичное™ объектов.

4. Сохраняется тренд по усилению межсистемных связей и глобализации энергетических систем, в то время как на мировом рынке происходит интенсивное развитие малой распределенной генерации. Российская энергетическая промышленность отстает от тенденций развития современной мировой энергетики.

Год

Рис. В.1- Динамика потребления (1) и производства (2) электроэнергии в России за период 2000-2012гг.

5. Цены на энергоресурсы характеризуются повышенной непредсказуемостью, что порождает высокий уровень неопределенности в оценке возможных перспектив развития сырьевой российской экономики.

6. Развитие технологий в электроэнергетике России происходит медленно. Мало промышленных решений, базирующихся на основе современных технологиях.

7. На фоне общемирового тренда развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в России прогнозируется незначительное развитие ВИЭ, их доля в топливно-энергетическом балансе России к 2030 г. составит около 3%. Доля ВИЭ в экономике многих развитых стран предполагается к этому моменту довести до уровня выше 10%.

В связи с вышесказанным повышение эффективности использования энергоресурсов, внедрение новых перспективных альтернативных источников является одной из важнейших задач инновационного развития электроэнергетики России и Чеченской Республики.

Указанная проблема изучалась целым рядом авторов, таких как Безруких П.П., Сидоренко Г.И., Степанова Т.Б., Мусин А.Х., Бобряков A.B., Директор Л.Б., Ильин А.К., Шишкин Н.Д., Ильин P.A., Амерханов Р. А., среди которых выделяются работы Серпера Е.А., где проведена систематизация проблем, связанных с

инновационным развитием энергетики в России. В то же время, работ по изучению данной проблемы по ЧР явно недостаточно.

Ограниченность возможностей регионов по инновационному развитию энергетической системы, требует анализа эффективности альтернативных вариантов развития, включая развитие технологий снижения потребления энергии, использование альтернативных и возобновляемых источников энергии, причем предлагаемые решения должны учитывать региональные особенности энергетической промышленности, поскольку имеются значительные отличия в состоянии этой отрасли в разных регионах.

Таким образом, недостаточность методов анализа эффективности поиска новых альтернативных решений, учитывающих региональные особенности, на основе современных научных методов, таких как системный и теоретико-информационный анализ сложных систем и определяют актуальность темы диссертационного исследования.

Цель диссертационного исследования - разработка моделей, методов и алгоритмов повышения эффективности развития региональной энергетической промышленности (РЭП) на примере Чеченской Республики.

Задачи диссертационного исследования.

1. Выполнить анализ возможных состояний РЭП, на основе которого сформировать взвешенный граф состояний РЭП как сложной системы. Провести анализ значений основных характеристик графа на примере данных Чеченской Республики.

2. Построить математическую модель распределения ресурсов на развитие РЭП на основе взвешенного графа состояний и в рамках построенной модели разработать алгоритм распределения ресурсов.

3. Сформировать модели для выявленных направлений развития РЭП: распределение ресурсов, выделяемых на уменьшение потерь, и на развитие альтернативной энергетики на примере ветроэнергетики.

4. Провести классификацию характеристик процесса развития ветроэнергетики и разработать методы оценки этих характеристик. Оценить эти характеристики на примере Чеченской Республики.

5. Разработать алгоритм оптимального распределения ресурсов на развитие РЭП и реализовать его на примере Чеченской Республики. На основе анализа результатов расчета выработать общие рекомендации по рациональному распределению ресурсов.

Объектом исследования является региональная энергетическая

промышленность.

Предметом исследования являются процедуры систематизации показателей и моделирования системы РЭП.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Анализ направлений развития региональной энергетической промышленности на основе систематизации возможных факторов влияния, а также разработанного автором сценарного подхода формирования возможных вариантов развития РЭП.

Модель задачи минимизации издержек при поставках энергоносителей до региональных потребителей, учитывающая, наряду с технологическими затратами, также издержки и потери, связанные с аварийными ситуациями, с хищениями и злонамеренными действиями.

Модель и алгоритм решения задачи распределения ресурсов на развитие ветроэнергетики региона на основе формирования набора ветроэнергетических установок (ВЭУ) разного класса, наиболее полно и системно учитывающего все аспекты внедрения и эксплуатации ВЭУ в регионе.

Модификация метода динамического программирования, адаптированная для решения задачи распределения ресурсов на развитие РЭП, эффективность которого продемонстрирована на примере ЧР.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в формировании системы критериев, определяющих направление развития региональной энергетической промышленности и построении моделей повышения эффективности ее развития; в частности:

- проведена систематизация возможных факторов влияния на развитие РЭП, позволившая, в отличие от существующих типологизаций указанных факторов, выявить взаимосвязи между ними и на этой основе более полно учесть важность каждого из факторов. Предложена процедура оценки значений основных характеристик этих факторов, эффективность которой продемонстрирована на примере Чеченской Республики;

- построены формализованная модель процесса доставки энергоресурсов до региональных потребителей, которая, в развитие существующих моделей, позволяет при управлении процессом доставки энергоресурсов также учитывать факторы надежности и устойчивости доставки ресурсов;

- сформирована модель распределения ресурсов на развитие ветроэнергетики региона, которая опирается на системную классификацию всех факторов, влияющих на выбор средств ветроэнергетики, что позволяет более полно учитывать все аспекты развития ветроэнергетики;

- получены соотношения, позволившие адаптировать метод динамического программирования, на основе которого разработана методология решения формализованной в работе задачи распределения ресурсов на развитие РЭП, эффективность которого продемонстрирована на примере Чеченской Республики.

Теоретической и методологической основой исследования послужили методы системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, математического программирования, линейного и динамического программирования, методы алгоритмизации.

Практическая значимость результатов исследования определяется направленностью использования разработанного инструментария выявления важности различных направлений развития региональной энергетики и на этой основе обеспечения рациональной процедуры распределения ресурсов, выделяемых на развитие энергетики, что позволило значительно снизить величину средних рисков, связанные с развитием РЭП.

Реализация работы. Результаты выполненных исследований использованы при формировании направлений развития РЭП Чеченской Республики. На основе вычислений, выполненных в процессе выполнения работы, предложен вариант распределения ресурсов как для энергетики в целом, так и для ветроэнергетики. Материалы работы использованы в учебном процессе ГГНТУ в процессе преподавания дисциплин «Электроэнергетические сети и системы», «Электроснабжение» и «Электрические машины». Результаты исследования внедрены в учебном процессе и на производстве, о чем получены акты внедрения и использования результатов. На разработанный программный продукт (на языке С# (Си-шарп) в среде Visual Studio 2008)получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на конференциях: - научно-практическая конференция «Альтернативная энергетика и энергосбережения в регионах России» (г. Астрахань); - Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы геологии, геофизики Северного Кавказа» (г. Грозный),- III Всероссийская научно-

методическая конференция «Инновационные технологии в профессиональном образовании» (г. Грозный).

Публикации. По теме и результатам исследования опубликованы 20 печатных работ, в том числе 8 статей в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 21 таблицу, 4приложения.

Список использованной литературы включает 101 наименований, из них 13 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность изучаемой проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены методы исследования, даны основные положения работы, выносимые на защиту.

1.Как сформулировано в названии работы, рассматриваются проблемы повышения эффективности развития РЭП. Поэтому первый этап связан с анализом возможных направлений влияния региональных структур на энергетическую сферу, включая РЭП. Таким образом, на первом этапе на основе системного анализа проблемы развития РЭП выявлены три наиболее важных направления: 1) рационализация распределения ресурсов на поддержку и совершенствование РЭП;

2) оптимизации процессов доставки энергоресурсов до региональных потребителей;

3) оптимизация распределения ресурсов на развитие малой энергетики на примере ветроэнергетики.

2. На втором этапе рассматривается наиболее значимая и доступная к реализации задача из задач, выявленных на этапе 1. Существующие методы распределения ресурсов в основном носят чисто экономический характер, не позволяя учесть всю совокупность факторов, связанных с развитием РЭП. Поэтому в работе в качестве метода решения предложен метод, опирающийся на сценарный подход к анализу возможных ситуаций в РЭП. Предложенный подход реализован до уровня конкретного программного продукта.

3. На данном этапе решается следующая из перечисленных на этапе 1 задача -задача минимизации потерь, связанных с доставкой энергоресурсов до региональных потребителей. Построена математическая модель задачи,

учитывающая, в отличие от ранее разработанных моделей, также потери, связанные с нарушением надежности, целостности и безопасности доставки.

4. На данном этапе сформирована модель задачи оптимального распределения ресурсов на развитие региональной ветроэнергетики с учетом структуры возможных потребностей в ветровых энергетических установках. Предложен алгоритм решения полученной формализованной задачи.

5. Для практической реализации полученных теоретических результатов применительно к условиям ЧР в работе отражены результаты сбора данных, которые оказались необходимыми для практической реализации разработанных алгоритмов.

В первой главе выполнен анализ состояния энергетики России в настоящее время, перечислены основные ее проблемные точки, среди которых старение оборудования, ожидается рост электропотребления, ужесточение требований по экологичности энергообъектов, глобализация энергетических систем, повышенная волатильность цен на энергоресурсы, медленное изменение технологий в российской энергетике. Руководство страны, будучи в курсе указанных проблем, предпринимает усилия по их решению; в частности, принято ряд программ развития различных направлений в энергетике, в перечень которых включены также развитие альтернативных источников энергии, малая распределенная энергетика, интеллектуальная энергетическая система. В связи с вышесказанным, повышение эффективности использования энергоресурсов, внедрение новых перспективных альтернативных источников является одной из важнейших задач инновационного развития энергетики России.Ограниченность финансовых ресурсов, направляемых на инновационное развитие региональной энергетической системы, требует расчетов эффективности альтернативных вариантов развития, включая развитие технологий снижения потребностей в энергии, использование альтернативных и возобновляемых источников энергии. Сегодня альтернативная энергетика является перспективным с точки зрения экономической и энергетической эффективности направлением деятельности. Внимание к альтернативной энергетике резко возросло после ряда крупных политических и экологических кризисов, последним из которых была авария на японской АЭС Фокусима в 2011г.

Россия, обладающая значительными запасами нетрадиционного топлива и имеющая возможность использования одного (а иногда двух и более) возобновляемых источников энергии в каждом своём регионе. В главе проведен анализ опыта и перспективы использования, как в России, так и в других странах

различных видов альтернативных источников энергии: биотоплива, ветровой энергии, солнечной и геотермальной энергий и др.

Применительно к конкретным условиям Северо-Кавказского федерального округа и ЧР приводятся результаты исследований по использованию ветровой, солнечной энергии и гидроэнергетики.

Детальный анализ возможностей использования ветровой энергии, выполненный участием автора, позволил выявить наиболее перспективные районы использования ветровой энергии, которые представлены в табл. 1:

Таблица 1

Средняя месячная и годовая скорости ветра (м/с) по ЧР

Пункт Месяцы Год

1 II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Наурская 2.1 2.5 2.9 3.2 2.8 2.9 2.7 2.5 2.2 2.2 2.4 2.1 2.5

Шелковская 3.0 3.6 4.1 4.5 3.9 3.6 3.4 3.5 3.2 3.2 3.6 3.0 3.6

Грозный 1.4 1.8 2.2 2.5 2.5 2.5 2.3 2.1 1.8 1.6 1.5 1.3 2.0

Гудермес 2.8 2.9 3.2 3.8 3.6 3.9 3.7 3.6 3.2 2.8 2.9 2.8 3.3

Орджоникцдзевская 2.0 2.3 2.3 2.5 2.4 2.3 2.4 2.2 1.9 2.0 1.9 2.0 2.2

Урус-Мартан 1.0 1.3 1.6 1.7 1.6 1.7 1.4 1.4 1.1 1.1 1.2 1.0 1.3

Ведено 1.5 1.6 1.7 1.7 1.4 1.3 1.1 1.1 1.2 1.4 1.4 1.4 1.4

Шатой 2.2 2.4 2.7 2.4 2.0 1.7 1.6 1.6 1.7 2.0 2.3 2.1 2.0

Армхи 2.0 2.1 2.1 2.3 2.2 2.2 2.0 2.1 2.1 2.1 1.9 1.9 2.1

На основе данных, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что наиболее перспективными с точки зрения использования ветровой энергии являются Шелковской и Гудермесский районы. При этом, как показывают расчеты, ветроэнергетический валовый потенциал составляет 1406,0 млрд.кВт-ч/год, технический потенциал составляет =14,0 млрд. кВтч/год.

Солнечная энергия. В Чеченской Республике запасы солнечной энергии, выраженные величиной радиационного баланса, в равнинных и предгорных районах составляют 50-55 ккал/см2 в год, продолжительность солнечного сияния составляет в среднем 330 дней в году, а плотность солнечного излучения доходит до 0,33 кВт/м2. Технический потенциал по получению электрической энергии (с учетом площади занимаемой преобразователями 0,01% от всей площади территории и КПД установок 15%) составляет - 3.03 млрд. кВтчас/год.

Гидроэнергетический потенциал. Валовый потенциал оценивается величиной около 4,86 млрд. кВт-ч. Удельная насыщенность гидроэнергоресурсами составляет 3682,7 кВтч на 1 км2 территории. Освоение только 10% гидроэнергетического потенциала малых рек в среднегорном и высокогорном поясе позволит удовлетворить до 70% потребности электроэнергии Чеченской Республики.

Таким образом, сделан вывод о том, что ЧР обладает большими по потенциальным возможностям запасами альтернативных источников энергии.

Во второй главе поставлены и решены задачи формализованного представления и описания задач повышения эффективности функционирования систем энергетики. Среди множества всех задач выделены три: задача 1 - системная классификация факторов, которые могут оказать влияние на процесс функционирования системы энергетики; задача 2 - повышение эффективности существующих систем энергетики, в частности, поставок энергоресурсов с наименьшими потерями; задача 3 - использование альтернативных источников энергии, в частности ветроэнергетики.

В задаче системной классификации факторов, влияющих на процесс функционирования систем энергетики, за основу анализа взят сценарный подход, предполагающий формирование множества возможных вариантов развития энергетической системы с количественными оценками рисков и результатов возможных исходов.

Для проведения системного анализа возможных схем развития энергосистемы выделены показатели классификации. Первым показателем являются базовые сущности, которые влияют на процесс формирования и развития энергосистемы участники процесса развития энергетики. Таковыми являются: 1) непосредственно существующая энергосистема; 2)экономика региона, прежде всего промышленность; 3) население;4) персонал в системе производства энергоресурсов; 5) окружающая среда; 6)государство, включая региональное руководство. В качестве второго показателя выбраны факторы, связанные с процессом развития сценария изменения отрасли во времени, а именно: 1) факторы, которые изначально могут оказать негативное воздействие на состояние энергосистемы; 2) возможные формы реализации этих факторов; 3) виды проявления факторов в энергетической промышленности, прежде всего, применительно к энергопоставляющим компаниям (ЭПК); 4) характер возможных действий при проявлении факторов; 5) возможные негативные последствия и позитивные результаты, связанные с реализацией факторов. На основе анализа различных сочетаний этих факторов и возможных переходов во времени, построена диа!рамма возможных сценариев развития энергетики региона, фрагмент которой приведен на рис.2.

Диаграмма содержит 153 блока и 258 переходов между блоками. На основе диаграммы был сформирован 1раф возможных сценариев развития региональной энергетики. В дальнейшем, сопоставив дугам и вершинам графа весовые

коэффициенты, получена графовая модель сценариев развития региональной энергетики.

Рис. 2 - Диаграмма возможных сценариев развития РЭП (фрагмент)

Для решения задачи - 2 построена математическая модель задачи минимизации издержек при поставках энергоносителей. Проблема доставки тепловой и электрической энергий от производителя к потребителю относится к числу наиболее проблемных и ответственных для производителя.

При проектировании, эксплуатации и совершенствовании систем транспортировки энергоресурсов необходимо учитывать не только факторы, связанные с издержками на транспортирование и ограничениями по пропускной способности отдельных сечений, но и факторы, относящиеся к надежности, безопасности, безаварийности и устойчивости процесса поставок.

В наиболее упрощенном рассмотрении систему энергоснабжения можно рассматривать как совокупность из трех взаимодействующих подсистем: а) производитель; б) сеть транспортных магистралей; в) потребители. Описанная система может быть формализована в виде взвешенного ориентированного графа, содержащего п = пю + п„ + л, узлов, где п„- число поставщиков, л„«- число потребителей, п,- число транзитных (промежуточных) пунктов, связанных, в частности, с посредническими услугами, и т дуг, соединяющих эти узлы. Число входных узлов 1рафа равно п„ .число выходных - л^. Обозначим через Л^ иЛ^. множества номеров поставщиков и потребителей соответственно. Для каждой дуги

задается пропускная способность е,., то есть предельно допустимый объем потока энергоресурсов, который эта дуга может пропустить, с4- затраты, связанные с доставкой единичного потока энергоресурса из ьго узла в >ый, а также векторы к) (£ = 1,4)}и {£,.(*) (Л = 1,4)}, где £/,;(1) - экспертная оценка вероятности возникновения аварии на данном участке магистрали, ¿0(2) - оценка вероятности несанкционированного хищения энергоресурса, </^(3) - оценка вероятности злонамеренного действия, повреждающего или разрушающего участок магистрали, £/,Д4) - оценка вероятности повреждения участка в результате различных стихийных (природных) явлений, техногенных аварий, (А, ) - суммарная величина потерь и издержек, связанных с ликвидацией последствий каждого из перечисленных типов негативного воздействия на участок магистрали, соединяющий ¡-ый и ]-ый узлы при условии, что объем поставок энергоресурса по данной дуге равен . Если ¡-ый и ый узел непосредственно не связаны дугой, то полагаем = о. Аналогичные векторы {</,(*)(* = 1,5)} и {Ц(к,х,) (¿ = 1,4)} задается для каждого узла, где ¿,(к) и для ¿ = 1,4 интерпретируются аналогично (¡¡¡(к) применительно к ¡-ому узлу, а </,(5) и Ц(5,х,) - оценка вероятности блокировки узла и связанных с этим потерь и издержек при условии, что суммарный объем энергоресурса, поступающей в ¡-ый узел, равен

х,. Очевидно, что х, = . Если узел /соответствует поставщику (потребителю), то

для него задается наибольший предельный объем поставки ^(наименьший предельный объем потребления 7] соответственно). Отметим, что в качестве потребителей могут выступать и промежуточные узлы, использующие часть ресурса на собственные нужды.

Требуется распределить поток поставок энергоресурсов от поставщиков к потребителям таким образом, чтобы суммарная величина затрат средств, а также потерь и издержек энергоресурсов была бы минимальной с учетом выполнения всех балансовых ограничений. Данная задача оптимизации формализована следующим образом:

я л 4 к I « (1)

/.1 у.1 1-1 м »-1 7>1 при

условии выполнения следующих соотношений:

а) объем поставок от каждого поставщика не превосходит его предельных возможностей: для всех ieNm¡c^,

з-1

б) объем поставок каждому потребителю должен быть не меньше его

я

предельных потребностей: £ хи ^ Т, для всех У

в) объем энергоресурса, передаваемого по каждой дуге, не должен превосходить ее пропускной возможности: о £ £ е, для всех /, у = Гл;

г) для каждого узла разность объемов входящего и исходящего объемов

и я

энергоресурса должна быть равна объему потребления в этом узле: = Тп

/-1 /-1

где для / е Nш¡m полагаем Т, = 0.

Приведенная модель может быть обобщена на случай, когда возможно наличие потерь ресурса при его транспортировке, изменении характеристик системы во времени. Построенная формализованная модель позволяет реализовать технологию транспортировки энергоресурсов с учетом требований по надежности функционирования системы.

Детально рассмотрена задача 3 определяющая процесс использования ветровой энергии. В настоящее время ветроэнергетика вступила в полосу интенсивного роста и развития. Начиная с 2007 г., ежегодные темпы прироста ветроэнергетических мощностей в мире составляют порядка 23%, ежегодные вложения в ветроэнергетику колеблются около 30 млрд. долларов. В подавляющем большинстве развитых стран темпы роста ветроэнергетики выражаются двузначной величиной в процентах.

Выявлены те составляющие (сущности), которые влияют на процесс внедрения ветровой энергии. На процесс выбора ветроэнергетических установок (ВЭУ) и возможных вариантов их использования влияют следующие четыре группы факторов:

1) хозяйственные потребности;

2) характеристики существующих энергоресурсов;

3) природные условия (прежде всего, роза ветров) в зонах размещения;

4) государственные интересы и общественно-политические мотивы. В работе проведен анализ каждой группы факторов, на основе чего было построено дерево показателей, включающее 54 простых показателя. Разработаны методы оценки значений этих показателей.

На основе построенной совокупности показателей построена математическая модель выбора оптимального состава типов ВЭУ. Например, поставлена задача в рамках имеющихся финансовых возможностей в объеме

У тыс. руб. приобрести и разместить ВЭУ, выбрав их из заданных К типов. Каждый тип ВЭУ характеризуется следующими характеристиками (к = CF):

1) своим набором параметров хозяйственных нужд s(k), номинальных {с,<■'(*); / = 1^1}, эксплуатационных {с,">(*); / = îTs}, потребительских {с,'"(*); < = Г5 >, стоимостных {с<'»(*>; ( = Г?} показателей, показателей природных условий {е,(Л); / = й>}, показателей, характеризующих государственные и общественно-политические требования [g, (к); > = ¡74};

2) набором коэффициентов важности каждого из указанных параметров применительно к каждому классу ВЭУ {с,<■»(*); ; = м}, {с,"'(*); i = îTs}, {с,<■>(*); 1 = Ш. {с,"'(*); 1 = Ш, {£,(*); / = Гб}, {<?,(*); > = м}> где коэффициенты важности являются векторами, имеющими такую же размерность, что и оцениваемые ими параметры;

3) минимальным п„(к) и максимальным л"(к) количеством ВЭУ каждого типа, которое необходимо приобрести и разместить. Если нижнего ограничения нет, то л0(к) = 0 ; если верхнего ограничения нет, то л°(*) = <=°.

Обозначим через п(к) число ВЭУ k-го типа, которое предполагается приобрести и разместить. Требуется подобрать числа {л(*); * » ijc }таким образом, чтобы суммарная ценность покупки была бы максимальной, а затраты на приобретение и размещение не превосходили величины выделенных финансовых средств V, и по каждому типу ВЭУ количество приобретенных ВЭУ было не меньше заданного минимального и не больше заданного уровней. Указанная задача формализуется следующим образом: выбрать набор целых чисел {>■(*)} таким образом, чтобы

¿if(*) + tci"(*)-cJ",(*)+i;c1,*,(*)-c1",(*)+tc,w(t)-e^1(t)+

V И M tel

+ ¿C?"(/t) • с!"(*) Е,(к) • «,(*) +£0,(t) . g,(*)W) m«

<-i i-t м 1 12)

и выполнялись ограничения

¿Cl">(*).«(t)sK,H n,(*)i n(*)s»'(*) для всех k-ïjc. (3)

i-i

Построенные модели могут быть использованы для анализа различных характеристик соответствующих систем; в частности, в задачах распределения ресурсов, которые рассматриваются в последующих главах.

В третьей главе рассмотрены модели и алгоритмы формирования исходных данных, требуемых для реализации описанных выше моделей развития региональной энергетической промышленности и ветроэнергетики. Для получения численных значений требуемых параметров в работе классическая экспертная процедура конкретизирована с учетом специфики решаемой задачи. Предложена экспертная процедура формирования исходных данных: описан состав экспертной группы, сформирован состав оцениваемых показателей (пять экспертов), включающий три показателя (вероятность развития сценария по рассматриваемому направлению, средний ущерб при таком развитии сценария и коэффициент эластичности ущерба при вложении средств) и экспертный бланк. Ввиду большого количества оцениваемых показателей (579 показателей) от экспертов не требовалось проставление всех оценок. В результате были заполнены 43% данных, что отразилось на процессе их обработки. Например, для оценки меры согласованности мнений экспертов использовался коэффициент вариации. Данные, степень согласованности которых оказалась низкой, уточнялись путем обсуждения с каждым из экспертов. На основании экспертных оценок сформированы окончательные результаты экспертизы, при этом предложены соотношения для результирующих оценок, учитывая степень важности каждого из уровней.

Для оценки ожидаемого среднего ущерба, связанного с реализацией каждого из перечисленных в работе возможных действий со стороны юридического субъекта процесса энергоснабжения выведена следующая рекуррентная формула для ущерба связанного с каждым из блоков диаграммы (/- номер уровня, у- номер блока в уровне):

где ¿у1 - (безусловная) вероятность того, что при конкретной реализации сценария у'-ый блок /-го столбца будет реализован, р™ - вероятность развитии сценария от Л-го блока (/ -1)-го уровня в т-ый блок /-го уровня, - потери, связанные с этим переходом, и - аналогичные характеристики для переходов внутри /-го уровня. Соотношения для нахождения вероятностей Ь(/} в работе приведены.

На основе выражения (4) найдены соотношения средних величин рисков г,, связанных с каждым уровнем и выполнено ранжирование всех блоков диаграммы сценариев по степени рисков 2, на последних двух уровнях, фрагмент одной из

диаграмм приведен в табл. 2:

Таблица 2

Пример списка возможных действий при распределении ресурсов

Порядковый номер Номер по технологии Наименование действия Значение результирующего показателя

I 17 Принятие мер по устранению финансового дисбаланса 1361,87

2 18 Сокращение персонала и ликвидация части нерентабельных объектов 332,23

3 35 Продажа и ликвидация части материальных ценностей ЭПК с целью обеспечения ее рентабельности 77,72

Одной из наиболее важных задач в рамках описанной модели является задача оптимального распределения ресурсов на развитие региональной энергетической промышленности между различными блоками диаграммы сценариев, с учетом степени отдачи от вложения средств в каждый из блоков. Данная задача формализована, и для ее решения адаптирован метод динамического программирования.

Таблица 3 Основные объекты использования ВЭУ

№ Тип объекта снабжения электроэнергией Кол-вообъекто в Средний объем потребностей в энергии на одном объекте (кВт) Основныетребования к ВЭУ

1 Высокогорное пастбище 150 4,0 Ремонтопригодность,мобильн ость

2 Автономные помещения лесного хозяйства (лесничества) 80 5.0 Возможность установки на большой высоте.неприхотливость

3 Обособленные объекты сельского хозяйства 500 4,0 Ремонтопригодность,неприхот ливоегь

4 Удаленные небольшие объекты для туризма, альпинизма 230 7,1 Надежность.стабильность

5 Метеостанции 15 7,0 Надежность,самодиагностика и информирование

В главе также рассмотрена аналогичная задача оптимального распределения средств на развитие ветроэнергетики на примере ЧР. Сначала выполнен детальный анализ состава и содержания факторов и показателей внедрения ВЭУ применительно к реальным условиям Чеченской Республики. Далее проведена классификация всех потенциальных пользователей ВЭУ, в результате сформированы 17 групп пользователей, разбитых на 4 класса, каждый из которых характеризуется требованиями по мощности ВЭУ. Для каждой группы выявлены два наиболее важных показателя, а также оценено ориентировочное количество требуемых ВЭУ. Пример результатов указанного анализа по одному из сформированных классов приведен в таблице 3.

В главе 3 предложены процедуры сбора необходимых данных, требуемых для решения задачи распределения ресурсов на развитие РЭП.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации разработанных в работе моделей и алгоритмов. Применительно к задаче распределения ресурсов на развитие РЭПпродемонстрирован контрольный пример распределения средств в объеме 50 млн. руб. Применительно ко всей диаграмме возможных сценариев, результаты решения задачи с помощью предложенной модели приведены в табл. 4.Выполнен анализ полученных результатов и направлений вложения средств по каждому из действий.

Таблица 4.

Распределение ресурсов по различным блокам диаграммы сценариев

№ Номер столбца Номер блокав столбце Наименование блока Величина ресурса(млн. РУб.) Величина ресурса(%)

1 2 3 4 5 6

1 1 И Значительное превышение объема поставок э/р величины оплаты за них 1,1 2,2

2 1 12 Отсутствие нормальной законодательной и/или правоохранительной среды 3,8 7,6

3 1 16 Низкое качество услуг, оказываемых партнерами 0,4 0,8

4 2 18 Низкие температуры, сильные снегопады, ураганные ветры, длительные проливные дожди 0,4 0,8

5 2 19 Сильная жара, задымление населенных пунктов, песчаные бури 0,1 0,2

6 2 20 Землетрясения, наводнения, оползни 3.4 6.8

7 2 21 Эпидемии, массовые заболевания 0,2 0,4

8 3 22 Отказ и уничтожение части энергооборудования 2,9 5.8

продолжение таблицы 4

1 2 3 4 5 6

9 3 23 Невозможность персоналувыполнятъ свои функции 0,6 1,2

10 3 27 Неработоспособность отдельных объектов энергетики ввиду техногенных аварии 1,8 3,6

11 4 10 Активная реализация программ уменьшения потребления э/р 6,1 12,2

12 4 11 Интенсивное развитие альтернативных источников энергии 1,2 2,4

13 4 23 Уменьшение подачи э/р потребителям 1,4 2,8

14 4 24 Приобретение дополнительного оборудования 7,8 15,6

15 4 25 Ремонт оборудования 2,4 4,8

16 4 28 Привлечение дополнительных сотрудников 0,1 0,2

17 4 29 Привлечение внешних источников поставки э/р 0,7 1,4

18 4 30 Создание новых энергопоставляющих объектов 6,2 12,4

19 4 31 Урегулирование спорных вопросов на основе совместных договоренностей 1,2 2,4

20 4 39 Поиск новых возможносгейи потребителей э/р 0,1 0,2

21 4 40 Прокладка новых энергопередающих линий 4,7 9,4

22 5 24 Уменьшение финансовых возможностей ввиду непредусмотренных затрат 0,7 1,4

23 5 25 Ограничительный режимпотребления энергоресурсов 0,9 1,8

24 5 27 Недостаточный уровень квалификации новых сотрудников 0,3 0.6

25 5 29 Необходимость вложениязначительных финансовыхресурсов 0,4 0,8

26 5 31 Риски, связанные с внедрением новых технологий 1.1 2,2

Итого: 50млн.р. 100%

Для проверки адекватности построенной модели распределения ресурсов проведено распределение 50 миллионов средств одним из распространенных методов, учитывающим оценки значимости каждого из действий. В качестве оценки значимости использовались полученные выше значения рисков г<'> для каждого из действий. Оценка среднего риска Л, вычисленная на основе классической формулы как сумма произведений вероятности 4»' реализации каждого из действий на величину риска г'", связанного с этим действием, оказалась равной Л= 1020568 у.е. При сравнении величин Ун Дсделан вывод о том, что предложенный алгоритм распределения ресурсов позволяет снизить величину риска на 8%.

Применительно к задаче распределения ресурсов на развитие ветроэнергетики решена задача оптимального выборасостава ВЭУ, с использованием модели на основе выражений (2) и (3). Численные значения параметров задачи получены с помощью экспертных оценок. Решение задачи проводилось на основании

следующего алгоритма. Обозначим: к-, = — - средняя ценность от приобретения ВЭУ

/-го типа, приходящаяся на один рубль вложенных средств. Упорядочим набор чисел (*г,} в порядке невозрастания: * , где г г... г . Сначала

приобретается ВЭУ /,-го типа в максимально возможном количестве, затем на оставшиеся средства приобретаются ВЭУ ¿2-го типа и т.д. Применительно к условиям Чеченской Республики получено следующее решение: вектор упорядоченных номеров классов ВЭУ ((„»2,...,11,)=(16;12;15;17;14;13;4;7;11;9;8;1(>,6;1;53;2). Каждая группа ВЭУ оценивалась по 100 бальной шкале. Фрагмент решения для первых пяти наиболее важных групп приведен в табл. 5.

Таблица 5.

Ранжирование классов ВЭУ в порядке убывания их рейтингов

№ группы Наименование класса Рейтинг Ориентировочная стоимость Исходный № группы

1 Энергосистемы крупных хозяйствующих субъектов 100 30 16

2 Удаленные сельские поселения 96,53 17 12

3 Энергосистема Чеченской Республики 94,92 60 15

4 Региональные энергосистемы 91,02 45 17

5 Строительные объекты среднего уровня 62,21 27 14

Таким образом, при наличии любой заданной величины денежных средств на основе приведенного порядка приоритетности ВЭУ получаем наиболее оптимальный состав средств ВЭУ.

В заключении диссертации приводятся основные выводы и результаты работы, полученные автором в процессе исследования.

В приложениях приводятся результаты проведения экспертной процедуры, значения исходных данных для проведения расчетов, результаты выполнения расчетов, относительные значения коэффициентов эластичности, акты внедрения в учебный процесс и в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ возможностей использования альтернативных источников энергии в Чеченской Республике, показал, что наиболее перспективными являются солнечная и ветровая энергии. Выявлены потенциальные возможности использования ветровой энергии в разных районах республики.

2. Предложена и реализована процедура классификации возможных сценариев развития региональной энергетической промышленности, и на её основе сформирована графовая модель задачи развития энергетики, позволившей решить задачу оптимального распределения ресурсов развития РЭП. В рамках этой модели формализованы задача оптимального распределение ресурсов на совершенствование структуры расходов в РЭП и задача развития альтернативных источников энергии.

3. Построена математическая модель снижения потерь и минимизации издержек при поставках энергоносителей, учитывающая, наряду с традиционными показателями, также факторы надежности, безопасности, безаварийности и устойчивости процесса поставок.

4. Разработана классификация факторов процесса использования ветровой энергии, выделены четыре группы факторов, для каждой из которых построено дерево показателей с описанием методов оценки их значений, в результате чего сформирована система из 54-х простых показателей, позволяющих учесть основные аспекты процесса внедрения ВЭУ.

5. Построена математическая модель решения задачи выбора оптимального состава ВЭУ, с учетом конкретных условий их использования, а также выполнена первичная обработка результатов с помощью экспертной процедуры.

6.Проведена адаптация метода динамического программирования к задаче оптимального распределения ресурсов развития РЭП, реализация которого продемонстрирована на контрольном примере.

7. Разработанные в работе модели и алгоритмы внедрены в производство и учебный процесс, таким образом, могут быть использованы для решения аналогичных задач в других регионах России.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Статьи в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных высшей аттестационной комиссией

1. Дебиев М.В., Попов Г.А. Анализ схем развития энергетических мощностей в регионе на основе сценарного подхода // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика, 2012, №1. - с. 35-40.

2. Дебиев М.В., ПоповГ.А.Системная классификация факторов, определяющих выбор вариантов размещения объектов ветроэнергетики // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика, 2011, №2, с. 15-22.

3. Керимов И.А., Дебиев М.В., Магомедов Р.А-М., Хамсуркаев Х.И. Особенности использования ветровой энергии в Чеченской Республике // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал -Вып. 4(44). -август 2012. -9с. -http://ipb.mos.ru/ttb/2012 - 0421200050/0082.

4. Керимов И.А., Дебиев М.В, Магомадов Р.А-М, Хамсуркаев Х.И. Использование гидроаккумулирующих агрегатов в энергосистеме Чеченской Республики // Электронный журнал "Инженерный вестник Дона", ivdon.ru.№l/20I2 -с.6.

5. Керимов И.А., Дебиев М.В, Магомадов Р.А-М, Хамсуркаев Х.И. Ресурсы солнечной и ветровой энергии Чеченской Республики//Электронный журнал "Инженерный вестник Дона",ivdon.ru.№ 1/2012- c.l 1.

6. Керимов И.А., Саидов А-В.А., Батаев Д.К-С., Дебиев М.В. Использование детандер-генераторных агрегатов в системе газовых сетей Чеченской Республики // Вестник Тамбовского университета. Серия естественных технических наук. Тамбов, 2012. том 17. Выпуск 2. с 786-790.

7. Дебиев М.В. Алгоритм решения задачи оптимального распределения ресурсов энергоотрасли региона // Электронный журнал "Инженерный вестник Дона",ivdon.ru.№3/2013 - с.11.

8. Керимов И.А., Дебиев М.В. Анализ возможных направлений развития энергоотрасли региона //Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал -Вып. 4(50). -сентябрь 2013. -8с. - http://ipb.nios.ru/2013-4.

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

9. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2014615353 от 26 мая 2014 г. РФ. Программа распределения ресурсов по различным направлениям, связанным с

энергетической отраслью/Дебиев М.В., Абдулхакимов У.И., Хасухаджиев А.С-А., Магомадов Р.А-М., Нахаев М.Р.; ГГНТУ. - 2014.

Статьи в сборниках международных и российских конференций

10. Керимов И.А., Дебиев М.В. Ресурсы солнечной и ветровой энергии Чеченской Республики //Современные проблемы геологии, геофизики Северного Кавказа. Материалы Всероссийской научно-техн. конф. -Грозный : Академия наук Чеченской Республики, 2011,- с. 288-296.

11. Дибиев С.М., Дебиев М.В., Магомадов Р.А-М. Возобновляемые энергоресурсы Чеченской Республики и перспективы развития малой энергетики //Материалы научно-практического семинара, г. Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2010.-С.102-103.

12. Дибиев С.М., Дебиев М.В., Магомадов Р.А-М. Перспективы развития малой энергетики в Чеченской Республике //Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии. Материалы международной конференции с элементами научной школы для молодежи. -Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2010. -; с. 15-19.

13. Дебиев М.В., Сапамов A.C., Амхаев Т.Ш. Моделирование процессов распределения энергоресурсов Чеченской Республики с наименьшими потерями //Инновационные технологии в профессиональном образовании. Сборник материалов II Всероссийской научно-методической конференции.

-Грозный: Издательство "Грозненский рабочий", 2011. - с.142-146.

14. Дебиев М.В., Махмудов С.С-Э. Перспективы развития гидроэнергетики Чеченской Республики //Инновационные технологии в профессиональном образовании. Сборник материалов III Всероссийской научно-методической конференции: в 2т. Т.1. -Грозный: Изд-во «ИННОЦ» ГГНТУ, 2012. - с.106-110.

15. Керимов И.А., Дебиев М.В. Анализ факторов развития ветроэнергетики в 4P //Современные проблемы геологии, геофизики Северного Кавказа. Материалы П-ой Всероссийской научно-техн. конф. - Грозный. 2012: Академия наук Чеченской республики. - с.499-508.

16. Керимов И.А., Гайсумов М.Я., Ахматханов P.C., Дебиев М.В. Перспективы развития детандер-генераторных агрегатов в системе газовых сетей Чеченской Республики//Вестник Академии наук Чеченской Республики^!(14), 2011. -с.80-89.

17. Дебиев М.В., Абдулхакимов У.И. Специальные вопросы расчета асинхронных двигателей. //Инновационные технологии в профессиональном образовании. Сборник материалов Всероссийской научно-методической конференции. -Назрань: ООО "Пилигримм", 2010. -с. 81-86.

18. Дебиев М.В., Попов Г.А. Моделирование процессов распределения ресурсов на уменьшение потерь энергоресурсов на примере Чеченской Республики. XXIV Международная научная конференция ММТТ-24, Саратов, т.2, 2011, с.64-67.

19. Керимов И.А., Дебиев М.В. Анализ развития ветроэнергетики региона (на примере Чеченской Республики) // Вестник Академии наук Чеченской Республики,№4 (21), 2014. - с.104-116.

20. Керимов И.А., Дебиев М.В. Перспективы использования солнечной и ветровой энергии (на примере Чеченской Республики) //«Актуальные проблемы защиты окружающей среды и техносферной безопасности в меняющихся антропогенных условиях» - «Белые ночи-2014» Материалы международной научно-практической конференции (г. Грозный, 1-3 июня 2014г.). -658с.

Для заметок

Издано 28.10.2014 г. Формат 60/84 1/16. Бум. офсетная №1. Печ. л. 1 Отпечатано в типографии ГТНТУ Тираж 100 экз.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акдц. МД Миллношциюва» 2014г. 364902, г.Грозный, ул. А. Авторханова, 14/53

15-2 15

2014342467