автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Методы управления режимами потребителей в энергосистеме

На правах рукописи

Клавсуц Ирина Львовна

Методы управления режимами потребителей в энергосистеме

РГБ ОД

2 3 ДЗГ 1993

05.14.02 — Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени Кандидата технических наук

ф! тУ

Новосибирск-1999

Работа выполнена в Новосибирском Государственном техническом университете

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук профессор Филиппова ТА

- доктор технических наук профессор Кувшинова М.А. кандидат технических наук старший научный сотрудник Новиков Н.Л.

Ведущая организация

■ Региональный центр управления энергосбережением (г. Томск)

Защита состоится « /<Г »_1999 г. в_

на заседании диссертационного совета К 063.34.05 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу; 630092, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Отзыв (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу. 630092, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, НГТУ, ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан « сгсссЗ,_1999 г.

\ М-он,и.о

]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России смена хозяйственного уклада, представление электроэнергии в качестве товара и установление свободных цен сопровождается возрастанием заинтересованности потребителей в управлении процессом электропотребления.

Задача регулирования режимов электропотребления в традиционной не рыночной постановке решена и глубоко проработана. Переход к рыночным отношениям в электроэнергетике России требует некоторого смещения акцентов при постановке задачи регулирования электропотребления и создании методики регулирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" в сторону экономических критериев. Необходимо учитывать, что цена определенной нагрузки определяется режимом энергосистемы, причем параметрические свойства нагрузки ЭЭС взаимосвязаны со стоимостью. Углубляется взаимосвязь: энергетическая продукция, ее номенклатура, цена.

Для рыночных отношений необходим специальный механизм взаимодействия между энергетической системой-продавцом и потребителем-покупателем, который обеспечит экономическую заинтересованность покупателей. Основными для потребителей-покупателей являются два вопроса - создание (применение) специальной системы тарифов, связанных с интересами покупателей и создание методики и механизма регулирования спроса на товар со стороны покупателей в зависимости от тарифов. В диссертационной работе исследовался второй вопрос. На основании выполненного исследования разработана методика и механизм регулирования спроса со стороны покупателей на такой товар, как электрическая мощность и энергия в зависимости от рыночных цен. Рассматривались задачи стратегического управления нагрузкой. Стратегическими мы называем такие задачи, в которых рассматривается планирование графиков нагрузки потребителей на перспективу от суток до года.

Цель работы. Разработка моделей и методов регулирования нагрузки и электропотребления потребителей в энергосистеме, обеспечивающих возможность их экономического анализа. Это позволяет применить потребителям определенный механизм стратегического управления нагрузкой и электропотреблением по

критерию наименьших затрат для потребителей при выполнении требований энергоснабжающей организации.

Задачи исследования.

• Определение совокупности параметров, характеризующих график нагрузки потребителя, в качестве инструмента комплексного экономического и технического анализа при регулировании спроса;

• разработка принципов стратегического планирования и регулирования спроса потребителей;

• разработка методики планирования стратегии спроса на электрическую мощность и энергию, основанной на экономическом анализе совокупности коэффициентов графика нагрузки потребителя;

• выполнение расчетов на основе реальных примеров для получения общих количественных оценок, подтверждающих эффективность метода, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.

Методология и общая характеристика работы. Системный метод исследования, и прежде всего его компоненты - анализ и синтез составляют основу методологии диссертационной работы. В работе применены основные принципы системного подхода: комплексность постановки задач, целей и критериев, выделение существенных свойств системы, использование экономико-математического моделирования в качестве основного инструмента исследований.

В работе применены методы математической статистики, методы теории моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Изложены принципы экономического анализа графиков нагрузок потребителей. Показано, что параметры графика нагрузок потребителя образуют единую совокупность, причем у каждого элемента этой совокупности имеется своя стоимость.

2. Разработана модель экономического регулирования режимов потребителей в энергосистеме для промышленного предприятия. Для этой модели исследованы основные задачи стратегического управления нагрузкой потребителя в процессе текущего планирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель".

3. Разработан коэффициентный метод регулирования взаимоотношений "ЭЭС -потребитель", основанный на применении гибкой тарифной системы. Изложены

принципы определения оптимальной стратегии управления нагрузкой по критерию выгодности для потребителя в пространстве регулирования экономических потенциалов.

4. Получены обобщенные количественные оценки эффективности стратегического управления нагрузкой. По реальным данным проведен статистический анализ графиков нагрузки потребителей, решена задача идентификации статистических распределений гиперболического типа, представленных в ранговой форме. Полученные характеристики могут использоваться при формировании концепции управления потреблением электроэнергии.

5. На основании предложенной методики выполнены разработки по определению текущего планирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" и регулирования спроса для различных временных периодов и различных потребителей.

Практическая значимость работы. Все исследования выполнялись с учетом прикладного значения тематики на основе реальных данных и их практическое значение заключается в следующем:

1. Проведены прикладные разработки постановки различных задач стратегического управления нагрузкой со стороны потребителей.

2. Проведены вычислительные эксперименты применения методики регулирования экономических взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" для промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых потребителей. Она позволяет найти оптимальный вариант управления спросом, способствующий снижению издержек в энергосистеме, уменьшению затрат потребителей на покупку электроэнергии, повышению надежности энергоснабжения. Получены количественные показатели эффективности регулирования спроса для суточного и сезонного периодов планирования.

3. Определены требования к мониторингу электропотребления для решения задач эффективного использования энергии и регулирования спроса со стороны потребителя.

На защиту выносится:

1. Принципы экономического регулирования режимов нагрузки потребителей при текущем планировании взаимоотношений "ЭЭС - потребитель", позволяющие решать конфетные задачи регулирования спроса со стороны потребителей.

2. Метод выработки стратегии регулирования спроса, основанный на разработанном в диссертационной работе коэффициентном методе.

3. Методика решения прикладных задач анализа и регулирования на этапах суточного и сезонного управления спросом.

4. Количественные оценки, подтверждающие эффективность выбранной методики, полученные для промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых потребителей.

5. Требования к мониторингу для реализации проблемы регулирования спроса со стороны потребителей.

Апробация работы. Полученные результаты исследования и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. на постоянно действующем международном семинаре "Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе" (Новосибирск, 29-31 октября 1997г.);

2. на "International sumposium on science an technology" - KORUS '98 (Томск, 30 августа - 5 сентября, 1998 г.);

3. на семинарах кафедры Систем управления экономики энергетики НГТУ.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликованы следующие статьи и тезисы докладов.

1.Статистические характеристики нагрузки и задача тарификации. В "Сборнике научных трудов НПУ", Новосибирск, 1996 - № 1, с. 106-112, в соавторстве с Русиным Г. Л.

2. О новых задачах управления электропотреблением. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск,1996 - №1, с.99-105, в соавторстве с Медведковым В. В.

3.Управление режимами ЭЭС с учетом концепции сбыта ее продукции на энергетическом рынке. Заключительный отчет по гранду № 2 ГР 96, регистрационный № 02.9.80000108, Новосибирск, 1997. Руководитель Филиппова ТА

4. Задачи управления электропотреблением. Сборник докладов на постоянно действующем международном семинаре "Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе" Новосибирск, 1999т., с.14 -18, в соавторстве с Медведковым В. В.

5. Вопросы экономического регулирования графиков нагрузок потребителя. В "Сборнике научных трудов НПУ", Новосибирск, 1998, № 3, с. 101 - 106.

6. Экономическое регулирование режима нагрузки потребителя электрической энергии. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск, 1998, № 4, с. 1 - 6, в соавторстве с Филипповой Т. А.

7. Методология маркетинговых исследований в региональной энергетике Заключительный отчет по гранду №62 ГР 38, регистрационный № 01.9.80 ООО 040, Новосибирск, 1998. Руководитель Филиппова Т.А.

8. Economical analysis of power monitoring results. IX Miedzynarodowa Konferencja Naukowa "Aktualne Problemy w Eletrjenergetyce" - APE'99, Гданьский политехнический университет, в соавторстве с Филипповой Т. А. и Медведковым В. В., Принято к печати.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 140 страниц основного текста. 52 иллюстрации, 32 таблицы и список используемой литературы, включающий 100 наименований.

В соответствии с задачами содержание разделено на 4 главы, введение и заключение.

В первой главе рассматриваются проблемы управления и регулирования режимов нагрузок промышленных предприятий. Показано, что регулирование графика нагрузки и управление потреблением электроэнергии со стороны потребителя стало стабильным элементом энергетического сектора западных стран. В России смена хозяйственного уклада, представление электроэнергии в качестве товара и установление свободных цен должны способствовать росту заинтересованности потребителей в формировании кривой потребления, а это требует соответственных проработок по управлению спросом.

Управпение потреблением электроэнергии на стороне потребителя - это планирование, регулирование и контроль со стороны энергетических компаний использования электроэнергии потребителями, включая стратегическое управление нагрузкой, энергосбережение и некоторые другие аспекты.

Процесс современного планирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" должен рассматриваться как средство достижения новой системы целей, обеспечивающих в итоге интегрированное планирование ресурсов по наименьшим затратам для потребителя, электроэнергетической системы и государства.

Этот новый тип планирования получил на Западе, где разрабатываются государственные программы управления спросом, название "интегрированное

планирование ресурсов" по наименьшим затратам для: потребителей,

энергоснабжающей организации, государства, (правительства).

Опыт показывает, что реализация программ управления спросом, способствуя энергосбережению, позволяет:

• снизить издержки в энергосистемах,

• уменьшить затраты потребителей на покупку электроэнергии,

• повысить надежность энергоснабжения,

• уменьшить загрязнение окружающей среды.

Проблема регулирования режимов нагрузки потребителей при текущем планировании взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" имеет тесную взаимосвязь с техническими и технологическими задачами, организационными и информационными и требует создания определенного хозяйственного механизма. Этим объясняется то, что решить ее в полной совокупности достаточно сложно. В плане организационно-экономических задач наибольшее значение имеют: метод расчета, информация, энергоаудит, хозяйственный механизм управления. Часть этих вопросов исследуются в данной работе.

Очевидно, что при решении проблемы регулирования электропотребления в условиях представления электроэнергии в качестве товара и установления свободных цен, большего внимания требует разработка конкретных инструктивно-методических материалов для непосредственных исполнителей процесса регулирования элекгролотребления, основной задачей которых является -осуществление регулировочных мероприятий с целью поддержания установленных энергоснабжающей организацией условий электропотребления с наименьшим отрицательным влиянием на технологический процесс предприятия при наименьших затратах на оплату потребляемой электроэнергии. С этой целью исследовался вопрос о ценах энергетической продукции, которые в значительной мере предопределяются планированием и регулированием электропотребления.

Показатели, характеризующие приемники электрической энергии и графики их нагрузок имеют ценовые эквиваленты и могут использоваться для регулирования взаимоотношений "купли-продажи". Для этого необходимо усовершенствование тарифной системы в части ее универсальности по отношению к режимам потребления мощности и энергии.

В отечественных публикациях сейчас, в основном, освещаются результаты по экономическим проблемам энергетики, задачам управления и регулирования

режимами потребления уделяется небольшое внимание. Однако несомненно, что методы управления режимами потребителей требуют существенной корректировки.

Выполненный анализ показал, что при нынешнем изменении в структуре энергетики России необходимо создать специальный механизм взаимоотношений между электроэнергетической системой и потребителем, который обеспечит энергосбережение и экономическую заинтересованность как производителей электрической энергии, так и ее покупателей. Главное условие решения этой задачи - сохранение энергетического потенциала России.

Вторая глава посвящена разработке методики регулирования взаимоотношений "ЭЭС-потребитель". Исследованы показатели, характеризующие приемники электрической энергии и графики их нагрузок. Показано, что каждый график нагрузки потребителя имеет стоимость, зависящую от графика нагрузки системы, которая меняется в течение рассматриваемых интервалов времени.

Основные требования к предлагаемой методике регулирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" с использованием коэффициентного метода следующие:

• гибкая тарифная система, учитывающая время и режим спроса;

• регулирование на плановых периодах и в темпе процесса, на коротких интервалах времени.

Методика регулирования основана на использовании системы коэффициентов, характеризующих экономическую ценность графика нагрузки потребителя. Традиционно графики нагрузки потребителей анализируются по значениям относительных коэффициентов нагрузки в характерных точках. Их величина влияет на выбор схемы электроснабжения и следовательно характеризуется затратами в схемы электроснабжения.

Вместе с тем нагрузка потребителей влияет на затраты ЭЭС, ( на расход топлива, постоянные затраты, на поддержание надежности электроснабжения, качества электроэнергии и др.) и, следовательно, должна быть определена представительная система коэффициентов графика нагрузки потребителей взаимосвязанных с затратами ЭЭС.

В диссертационной работе на основании анализа выбраны 13 характерных показателей, (точек) графика нагрузок потребителей, связанных с режимами и затратами ЭЭС:

1) количество активной электроэнергии, потребленной за установленный расчетный период - Эпотребл, кВтч;

2) номинальная электроэнергия за расчетный период - Эн<м, кВт-ч;

3) среднее значение активной мощности за наименее загруженную смену -

Рпотрмаииаиьшаа, КВт

4) среднее значение активной мощности потребителя в период максимальной нагрузки энергосистемы - Рв юриов max сист., кВт;

5) максимальное значение средней активной мощности потребителя за получасовой интервал времени, регистрируемым в часы максимальной нагрузки энергосистемы, ( заявленный максимум ) - Ртах за», кВт;

6} среднеквадратичное отклонение графика нагрузки, ар, кВт;

7} суммарное значение колебаний нагрузки, рассматриваемого как стационарный

случайный процесс за расчетный период - ЕЛри кВт; 82 номинальная активная мощность предприятия - РНЫ1, кВт;

9] максимальная активная мощность потребителя за расчетный период - Ртах, кВт;

10)минимальная активная мощность потребителя за расчетный период - Ртп, кВт;

1 Передняя активная мощность потребителя за расчетный период - Рср, кВт;

12)средняя активная мощность за наиболее Загруженную смену - Рпотрнаибольш, кВт;

13)соеднеквадратическая активная мощность за расчетный период - Р«, кВт.

Параметры, характеризующие спрос, образуют вектор, в который входят

мощности на каждом расчетном интервале. При регулировании целесообразно это множество делить на две группы. В первую включаются регулируемые параметры графика нагрузок потребителя, обозначенные У. Остальные параметры, назовем их базовыми параметрами, образуют множество X. Базовые параметры взаимосвязаны с системой тарифов и для каждого X имеется свой тариф Т„ , или свои затраты ЭЭС. Следовательно, совокупность X - это некоторые контрольные точки графика нагрузок, которые отражают взаимоотношения ЭЭС и потребителей, при управлении спросом на стороне потребителя.

Коэффициент определяется, как величина

К техн - У /X

(1).

Базовые параметры X определяют те нагрузки, при которых варьируются регулируемые параметры У.

Коэффициенты К т>хи образуют матрицу технических коэффициентов А = || ктвхн ц ||, /=), ..., т; j=1, ..., п. В ней имеется 40 коэффициентов для 13 характерных X.

Матрица является технической характеристикой графика нагрузок потребителей и определяется технологическим процессом производства. Плановый режим отражается в определенных количественных соотношениях матрицы А. Матрица может также использоваться для определения диапазона регулирования У.

Следовательно, по матрице А определяются:

К техн. план. ~ У план J X; (2)

Ктехн. план. (X);

Ymin ^ Y < Ymax-

Все параметры У имеют экономические оценки в точках X, назовем их экономическим потенциалом Пу. Совокупность Пу на периоде Т дает поле экономических оценок экономических потенциалиалов для определенных нагрузок Р. Величина Пу зависит от композиции параметров режима потребителя, стоимости электроэнергии и мощности энергосистемы, от параметрических свойств Р, которые регулируются при изменении режима нагрузки. Планирование рассматривается как непрерывный процесс от года до суток годовое, квартальное, месячное, недельное, суточное. Процесс динамичный за счет коррекции плановых показателей.

Экономические потенциалы коэффициентов определяются, как величина

Y ■ Ц у

Кзкон— , (3).

х-ц,

ЦУЦ х - единичные стоимости У, X.

Коэффициенты К ,ксн образуют матрицу коэффициентов экономического потенциала технических параметров B = \\k,mMij\\,i=1, ...,m;j=1, ...,п.

Анализ К экж позволяет определить стоимость режима спроса. Матрица В имеет критериальное содержание. Критерием состояния графика нагрузок потребителя является величина

Ц[К э*ои(Х, Уплан. )]=Ц( W) (4).

Для оптимизации графика нафузок потребителя можно было бы применить оптимизационные методы линейного и нелинейного программирования. Задача при этом формулируется так: необходимо найти Ц ( Ynnm) => min при ограничениях

Ymin ~ Уплан £ Ymax, (5)

W(Yтш) =WMa, н X — Хзадан

Число переменных Ymm » 10+20.

Однако, в практике целесообразно применять пошаговую оптимизацию с использованием ранжированного ряда Ущин. В этом случае вначале последовательно регулируются параметры У/ , ¡=1,2, ..., т, и соответственно корректируется технологический процесс на производстве.

Используется матрица С, в которой последовательно регулируется Yn„a„i, затем Улда«.2, и т.д.

Критерий выгодности определим как

П ¿-= Е£Пуи = тт (6). ( *

где < = ¡2 ...... - дискретные

интервалы времени; П I , - экономические потенциалы в характерных точках / = А, В, С, ..., л для параметров Ха, Хв,Хс. X„ (Рис. 1).

Экономический потенциал меняется от У тл до Утах Для базовых параметров X а, Хв, Хс, потенциалы соответственно П,ц, П1В, П,с

Такое поле позволяет найти достаточно рациональную стратегию регулирования из ограниченного эвристически назначенного числа возможных вариантов.

)

11,с П2с Лзс

X,

Пи Пи

х„ *П,В -а- Пт *- Пзв

Время t, 1з

Рис.1

Поскольку оптимизация пошаговая, то выгодность каждого следующего шага определяется приращением

Г„ = ЛП/АУ (7).

До тех пор, пока у „ растет, менять стратегию выгодно.

Следовательно, процесс регулирования графика нагрузок и полученные стратегии спроса осуществляются на основе третьей матрицы С коэффициентов экономического потенциала удельных показателей технических параметров C=\\kblJ\\,i=1, ..., m;j=1, ...,n.

Анализ Кь позволяет определить удельную стоимость каждого характерного параметра графика нагрузок и менять этот удельный показатель в процессе выбора оптимальной стратегии режима потребления.

Третья глава посвящена прикладным разработкам стратегического управления режимами электропотребления потребителей - покупателей. Рассмотрены задачи текущего планирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель". С помощью метода точечного оценивания построены суточные графики стоимости электроэнергии потребителя S(t) и определена стоимость характерных параметров графиков нагрузок потребителя для суточных и недельных периодов.

Численные значения показателей графиков нагрузок получены на основе мониторинга электропотребления горнообогатительной фабрики. Данное предприятие является ярким примером, подтверждающим эффективность регулирования спроса. Дискретность обновления мощностей составляла 5 минут. Стоимость потребляемой электроэнергии определялась на основе данных, предоставленных Новосибирским Энергетическим Центром Тасис и фирмой ФИХТНЕР, использующей гибкие тарифы.

На основе матрицы коэффициентов регулирования технических параметров А = || ктехн || составлена экономическая матрица В= \\кЭКОН ||, (табл. 1), которая является критериальной и отражает затраты графика нагрузок потребителя по характерным для ЭЭС точкам.

Анализ показывает, что параметры В = \\кЭК0Н || переменные: в течение суток стоимость максимума меняется в 4 раза, стоимость минимума в 9.5 раз, по средней оценке текущих значений в 24 раза. В течение недели стоимость максимума меняется в 2.7 раз, стоимость минимума в 10.5 раз, по средней оценке в 3.8 раз.

Таблица 1

Матрица коэффициентов экономического потенциала суточных технических параметров горнообогатительной фабрики на недельном интервале, Кэ

\ 41 гцу\ Эцог -Ц1 Эио« •Ц1 Рном •Цз Рщах Цд Р|ГМП •Цб Рсрадн ■ц« Рпотр. иаибл. •ц? Ряот.ча имеиш. •ц» Р. период тах ЭЭС •ц» Ртах «лвлвии. Ц>0 Рс Ц,1 ор •ц« 1 0 •И,з

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Этот" Ц1 1 1

Эиом. -Ц1 2 1.23,2 1

р •иом Цз 3 1 4,625 1,86,3 2,1 -6,7

р. цд 4 0,51,2 1 3,412,5 1.55,6 1,86,8 0,961,5

Рщ1п •ц5 5 0,04 -0,2 0,10,3 1 0,30,56 0,21,0 0,1-0,3

Рервдм ц< 6 0,14 -0,6 0,20,7 1,8 3,5 1 0,32,2

Рпвтр. наибл. •Ц/ 7 0,30,9 1,31,5 1 1,44,9 0,2- 0,7

Рвот, на им.'Цв 8 | 0,50,95 1

р. период тахЭЭС ■ц9 9 0,16 0,5 0,20,6 15,5 0.53,1 1 0,2- 0,6

Ртах заявлен. • Цю 10 0,52 -0,9 0,71 1

р«-Цл 11 | 0,30,7 2,23,8 1-1,7 1

ар •ц« 12 0.20,3 13,6 0,41,6 1

£|ар|| 0 •ц« 13 | ** 1,52,5 6,928 3,110,6 1

Пределы Р|п1п .ц^ + Р(шх ,ц

Проведены расчеты по регулированию всех характерных параметров суточных графиков нагрузок потребителей, (за исключением Рнои и ЭИои), на недельном интервале времени. Диапазон регулирования принимался в размере 5+10% переменной. Результаты регулирования приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Эффект регулирования суточных графиков нагрузок горнообогатительной фабрики в 10% диапазоне _____^____^_

Параметры графика нагрузок Элот Рта* Р т(п Рср Рпотр. намбл. Рпот. найме иш. р. период гпах ЭОС Ртах ааявленм Рс, сгр 1 Е1ДР.1 0

Эффект регулирования в % от суммарного 9 15 4 9 12 8 17 9 3 9 5

Рассмотрены также предприятия и комплексные узлы нагрузки Новосибирской энергосистемы (НСЭ) с типовыми графиками нагрузок потребителей: промышленных (искитимский цементный завод, мясокмбинат, железная дорога), жилищно-коммунальных (подстанции Инская и Тулинская), сельскохозяйственных (подстанция Дружная). НСЭ имеет график нагрузок очень плотный, (коэффициент плотности —0,9) и, следовательно, ее характеристика стоимости в течение суток меняется незначительно. Получен эффект суточного регулирования и стратегического управления нагрузкой этих потребителей при существующей системе тарифов на электроэнергию. Средние количественные оценки суточного регулирования составили: э^ • 5%, - 10%, Р„,„ - 2%, Рф - 5%. Сезонная

неравномерность нагрузок показана на рис. 2, из которого видно, что эффект

Показатели сезонной неравномерности потребителей

:

—I

[I_)

3 Е1- г

ВЭэ1\Эл1 ■ Цз.вПЦп.е! Ш Цз.с I Щп.с!

№ потребителя (Табл 3)

Таблица 3 Потребители НСЭ

№№ Наименование потребителя

1. Про-мы-шлен-ные Цем.завод.Искитим

2. Мясокомбинат

3. П\с Вост.К-29

4. П\с Вост.К-30

5. Тэц-3,з-17,

6. ЖКХ Инская

7. Тулинская

8. С/Х П\с Дружная

9. ТЭЦ-3

регулирования будет значительным.

Применение коэффициентного метода регулирования спроса свидетельствует о его целесообразности для различных потребителей и дает наиболее обоснованное решение этих задач в условиях рыночной экономики.

В результате расчетных экспериментов получены принципиально новые модели экономического регулирования режима потребителей в энергосистеме, позволяющие потребителю, не только формировать свой график нагрузки, но и участвовать в формировании стоимости на приобретаемы им товар -электроэнергию и мощность. В моделях, применяемых ранее, такой подход не рассматривался.

В четвертой главе рассматриваются проблемы энергосбережения и мониторинга электропотребления, как комплекс мероприятий для организации управления спросом, который требует не только определенной системы взаимодействия между ЭЭС и потребителями, но и определенных организационных действий у потребителя. Мониторинг осуществляется с цепью получения всей необходимой информации о технологическом процессе предприятия, необходимой для управления спросом. Мониторинг электропотребления предоставляет потребителю возможность решения следующих проблем:

• это первый шаг в направлении энергосберегающей политики,

• позволяет получить необходимые данные для управления электропотреблением со стороны потребителя и стратегического управления нагрузкой,

• появляется возможность активного управления графиком нагрузки и его показателями,

• повышается эффективность использования оборудования и потребителей-регуляторов,

• может быть решена проблема качества энергии и др.

Мониторинг как процедура анализа структуры потребления электроэнергии предприятием и выявления возможностей оптимизации режима потребления технологических установок - мероприятие плановое, что требует изучения возможности эффективного использования и управления потреблением электроэнергии на предприятии. Для этого необходимо определить меры по энергосбережению, установив потенциальные возможности по сохранению энергии на различных участках производства, запланировать возможные инвестиции и тщательно разработать план действий, включающий графики, программы по распределению энергоресурсов и т.д. Мониторинг является необходимым этапом разработки, использования и развития управления спросом. Полученные данные наблюдений являются информационным обеспечением системы управления спросом. Если управление спросом представить в виде целостного процесса, то

получим следующую последовательность: мониторинг режима потребления планирование спроса => мониторинг технических параметров и технологического процесса => управление спросом => мониторинг экономичности, надежности и качества электроснабжения в процессе управления спросом. В диссертационной работе изложены принципы и пути организации мониторинга.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе исследовалась задача экономического регулирования режимов потребителей в энергосистеме.

Получены следующие конкретные результаты.

1. Выполнен анализ проблемы определения стоимости характерных параметров режима потребителей для текущего и стратегического управления нагрузкой. Показана многогранность этой проблемы и необходимость ее решения путем совместного анализа ее режимных, экономических и организационных аспектов. Такой подход требует обоюдного ценового регулирования ЭЭС и потребителей. При этом необходим специальный ценовой механизм регулирования спроса на электроэнергию и мощность со стороны потребителей-покупателей. Показано, что методику планирования и регулирования спроса целесообразно базировать на относительных коэффициентах, характеризующих режим нагрузки. Разработана совокупность коэффициентов, характеризующих режим потребителей. Анализ результатов проведенных исследований показал, что стоимость параметров графиков нагрузок потребителей, (значений максимальной, минимальной, средней, среднеквадратичной и др. мощностей), варьируется в течение различных интервалов времени (смены, суток, недели, месяца) до 20 раз. Определены основные требования к моделям регулирования спроса потребителей в условиях энергетического рынка.

2. Разработан коэффициентный метод планирования и регулирования спроса. Определена система коэффициентов, характеризующая режим нагрузки. Коэффициенты имеют ценовой эквивалент, определенный системой тарифов или затратами на производство электроэнергии и мощности в ЭЭС. Разработана система комплексного анализа коэффициентов. Методика регулирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" основана на экономическом анализе матриц специальных коэффициентов. Методика предполагает применение гибкой тарифной системы в условиях энергетического рынка. С помощью предложенной методики

выполнены расчеты по получению оптимальных стратегий управления спросом различных групп потребителей для задач оперативного и текущего планирования. Расчеты показали, что регулируя график нагрузки и его характерные параметры, потребитель может регулировать стоимость этих характерных параметров и стоимость потребляемой электроэнергии. Исследовались суточные режимы горнообогатительной фабрики. Данный объект характеризуется неравномерностью суточного и недельного потребления и является показательным для максимальных оценок эффекта. За неделю характерные параметры режима меняются в несколько раз: Рср в 2.1 раз, Ртах В 1.4 раз, Pmiy в 5.1 раза. Соответственно стоимости этих параметров на том же временном интервале изменяются Spcp в 2.3 раза, Spmax в 2.6 раза, Spmin в 13.6 раза. Эффект регулирования спроса составил в среднем 15%. Исследовались сезонные режимы промышленных, сельскохозяйственных и жилищно-коммунальных потребителей. Для них определена целесообразная зона регулирования. По действующим тарифам, когда оценивается только эффект выработки электроэнергии оценки коэффициентов меняются в сельском хозяйстве на 15%, в промышленности на 22%, в жилищно-коммунальном хозяйстве на 10%. Эти примеры подтверждают эффективность задачи регулирования спроса Проведен статистический анализ графиков нагрузки потребителей. Полученное распределение негауссового типа имеет два пика (горба), определенных потреблением минимума и дневного максимума. Полученные характеристики могут использоваться при формировании концепции управления потреблением электроэнергии. Идентификация функционально заданных распределений может быть также очень полезной при тарификации.

3. Показана зависимость стоимости потребляемой электроэнергии от следующих факторов: конфигурации графика нагрузки системы, ценовой характеристики графика нагрузки системы, конфигурации графика нагрузки потребителя, методики формирования тарифа. Суммарная оценка является композицией этих факторов.

4. Определены особенности мониторинга спроса потребителей на электрическую мощность и энергию. Мониторинг является обязательным этапом создания системы регулирования спросом. Показано, что в основе мониторинга находятся мероприятия по энергосбережению. Комплекс мероприятий по энергосбережению включает режимные, организационные и технические меры, эффективность которых предопределяется регулированием спроса потребителей.

/-;/ -О и /7/0 О о ■

С/Л ^ Г/ ~ 14 # $ ~ 'о

!

Министерство общего и профессионального образования РФ Новосибирский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.311.

Клавсуц Ирина Львовна

Методы управления режимами потребителей в энергосистеме

Специальность 05.14.02 —

Электрические станции (электрическая часть), сети, электрические системы и управление ими.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор

Филиппова

Тамара Арсентъевна

Новосибирск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ РЕЖИМА НАГРУЗОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 11

1.1. Режимные способы регулирования графика нагрузки 11

1.1.1. Регулирование графика нагрузки и управление спросом 11

1.1.2.Техника формирования графика нагрузки 14

1.1.3.Контроль и управление потреблением 16

1.1.4.Управление потреблением энергии 19

1.2. Графики электрических нагрузок предприятий и их регулирование 23

1.3. Основные принципы экономических взаимоотношений

ЭЭС и потребителей-покупателей 31

2. МЕТОДИКА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ "ЭЭС-ПОТРЕБИТЕЛЬ" 38

2.1 Показатели, характеризующие приемники электрической

энергии и графики их нагрузок 38

2.2 Группировка коэффициентов анализа спроса 53

2.3 Требования к моделированию экономическо-энергетических взаимоотношений энергосистемы и потребителей электрической энергии и мощности 60

2.4 Ценообразование по спросу в реальном времени 67

2.5 Зависимость тарифа на электроэнергию от характеристик

графика нагрузки потребителя 75

2.6 Коэффициентный метод анализа режима потребления 80

2.7 Методика анализа экономических потенциалов при регулировании спроса 84

3. СТРАТЕГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ - ПОКУПАТЕЛЕЙ 91

3.1. Основные принципы управления спросом 91

3.2. Текущее планирование взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" 93

3.3 Регулирование нагрузки для оптимизации стратегии спроса 104

3.4 Текущее планирование спроса 115

3.5 Статистический анализ графиков нагрузки потребителей 120

4. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И МОНИТОРИНГ ЭЛЕКГРОПОТРЕБЛЕНИЯ 125

4.1 Организация управления спросом 125

4.2 Энергосбережение и его связь с управлением спросом 128

4.3 Технический учет и анализ структуры потребления электроэнергии 131

4.4 Технические задачи мониторинга для потребителей 137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147

ЛИТЕРАТУРА 150

ПРИЛОЖЕНИЯ 161

ВВЕДЕНИЕ

Рациональные формы и методы управления энергетикой являются предметом постоянного поиска во всех промышленно развитых странах. Для России, находящейся в состоянии изменения форм собственности, структуры и методов управления, эти задачи особенно актуальны, так как меняется характер взаимоотношений между электроэнергетической системой (ЭЭС) и потребителем-покупателем. Выходя на энергетический рынок, производители и потребители должны заранее представлять свои требования к формированию цены товара. Выбор оптимального решения при этом во многом определяется возможностями реально существующей системы взаиморасчетов между участниками рынка электроэнергии. Развитие энергетического рынка и его механизма ценообразования - важная задача энергетики России, ее решением успешно занимаются Семенов В.А., Бушуев В.В., Филиппова Т.А., Гамм А.З., Гамм Б.З., Китушин В.Г., Денисов В.И., Дьяков А.Ф. и многие другие. Пока - это задача будущего, однако - самого ближайшего. Для ее решения требуется разработка и внедрение многими организациями иерархической многоуровневой системы измерения и учета вырабатываемой и потребляемой электрической энергии и мощности, передачи результатов измерений и обработки данных на диспетчерские пункты предприятий, энергосистем и на центральный диспетчерский пункт единой энергосистемы России. Проблемам изменения взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" в условиях экономических преобразований в стране посвящены многочисленные публикации 1995 -1998 гг. в ведущих тематических отраслевых журналах: "Энергетик" [22, 70, 71, 74], "Промышленная энергетика" [4, 6, 7, 54], "Электрические станции" [5, 8, 17, 20, 24, 39, 43, 46, 48, 52 ], "Электричество" [15, 16, 21, 40, 58, 65] и др. В них рассмотрена концепция управления потреблением электроэнергии, широко применяемая за рубежом, и отмечена необходимость выполнения комплекса научно-исследовательских работ по разработке всей проблемы энергетического рынка и, в том числе, методов управления спросом в России с учетом изменившейся экономической ситуации. В диссертационной работе рассмотрена проблема управления спросом на электроэнергию со стороны потребителей.

Актуальность работы. В России смена хозяйственного уклада, представление электроэнергии в качестве товара и установление свободных цен должно способствовать росту заинтересованности потребителей в управлении процессом электропотребления.

Задача регулирования режимов электропотребления в традиционной не рыночной постановке решена и глубоко проработана [1, 9, 12, 13, 14, 18, 30, 31, 35, 44, 50, 51, 53, 55, 56, 79]. Ряд организаций и специалистов отечественной энергетики успешно занимались решением этой задачи. Однако переход к рыночным отношениям в электроэнергетике России требует некоторого смещения акцентов при постановке задачи регулирования электропотребления и создании методики регулирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" в сторону экономических критериев.

Создание методики регулирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" требует исследования взаимосвязей стоимости электроэнергии ЭЭС и нагрузки потребителей. Необходимо учитывать, что цена определенной нагрузки определяется режимом энергосистемы, причем параметрические свойства нагрузки ЭЭС взаимосвязаны со стоимостью. Углубляется взаимосвязь: энергетическая продукция, ее номенклатура, цена. Для рыночных отношений необходимо создать специальный механизм взаимодействия между энергетической системой-продавцом и потребителем-покупателем, который обеспечит экономическую заинтересованность покупателей. Основными для потребителей-покупателей являются два вопроса - создание (применение) специальной системы тарифов, связанных с интересами покупателей и создание методики и механизма регулирования спроса на товар со стороны покупателей в зависимости от тарифов. В диссертационной работе исследовался второй вопрос. На основании выполненного исследования разработана методика и механизм регулирования спроса со стороны покупателей на такой товар, как электрическая мощность и энергия в зависимости от рыночных цен. Рассматривались задачи стратегического управления нагрузкой. Стратегическими мы называем такие задачи, в которых рассматривается планирование графиков нагрузки на перспективу от суток до года.

Цель работы. Разработка моделей и методов экономического регулирования нагрузки и электропотребления потребителей в энергосистеме, обеспечивающих возможность их экономического анализа, что позволяет применить потребителям определенный механизм стратегического управления нагрузкой и электропотреблением по критерию наименьших затрат для потребителей и энергоснабжающей организации.

Задачи исследования.

• Определение совокупности параметров, характеризующих график нагрузки потребителя, в качестве инструмента экономического анализа и регулирования спроса;

• разработка моделей экономического планирования и регулирования режимов нагрузки потребителей;

• разработка методики определения стратегии спроса на электрическую мощность и энергию, основанной на экономическом анализе цены параметрических показателей нагрузки;

• выполнение расчетов на основе реальных примеров для получения общих количественных оценок, подтверждающих эффективность метода, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.

Методология и общая характеристика работы. Системный метод исследования, и прежде всего его компоненты - анализ и синтез составляют основу методологии диссертационной работы. В работе применены основные принципы системного подхода: комплексность постановки задач, целей и критериев, выделение существенных свойств системы, использование экономико-математического моделирования в качестве основного инструмента исследований.

В работе применены методы математической статистики, методы теории моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Изложены принципы экономического анализа графиков нагрузок потребителей.

Показано, что параметры графика нагрузок потребителя образуют единую

совокупность, причем у каждого элемента этой совокупности имеется своя стоимость.

2. Разработана модель экономического регулирования режимов потребителей в энергосистеме для промышленного предприятия. Для этой модели исследованы основные задачи стратегического управления нагрузкой потребителя в процессе текущего планирования взаимоотношений "ЭЭС -потребитель".

3. Разработан коэффициентный метод регулирования взаимоотношений "ЭЭС -потребитель", основанный на применении гибкой тарифной системы. Изложены принципы определения оптимальной стратегии управления нагрузкой по критерию выгодности для потребителя в пространстве регулирования экономических потенциалов.

4. Получены обобщенные количественные оценки эффективности стратегического управления нагрузкой. По реальным данным проведен статистический анализ графиков нагрузки потребителей, решена задача идентификации статистических распределений гиперболического типа, представленных в ранговой форме. Полученные характеристики могут использоваться при формировании концепции управления потреблением электроэнергии.

5. На основании предложенной методики выполнены разработки по определению текущего планирования взаимоотношений "ЭЭС - потребитель" и регулирования спроса для различных временных периодов и различных потребителей.

Практическая значимость работы. Все исследования выполнялись с учетом прикладного значения тематики на основе реальных данных и их практическое значение заключается в следующем:

1. Проведены прикладные разработки различных задач стратегического управления нагрузкой со стороны потребителей.

2. Проведены вычислительные эксперименты применения методики регулирования экономических взаимоотношений "ЭЭС - потребитель". Она позволяет найти оптимальный вариант управления спросом, способствующий снижению издержек в энергосистеме, уменьшению затрат потребителей на покупку электроэнергии, повышению надежности энергоснабжения.

3. По реальным данным проведен анализ стоимости характерных параметров графиков нагрузок потребителей, получены практические рекомендации по их использованию при выработке стратегии управления нагрузкой потребителей промышленной, сельскохозяйственной и жилищно-коммунальной отраслей народного хозяйства.

4. Определены требования к мониторингу электропотребления для решения задач эффективного использования энергии и регулирования спроса со стороны потребителя.

На защиту выносится:

1. Принципы экономического регулирования режимов нагрузки потребителей при текущем планировании взаимоотношений "ЭЭС - потребитель", позволяющие решать конкретные задачи регулирования спроса со стороны потребителей.

2. Метод выработки стратегии регулирования спроса, основанный на разработанном в диссертационной работе коэффициентном методе.

3. Методика решения прикладных задач анализа и регулирования на этапах суточного и сезонного управления спросом.

4. Количественные оценки, подтверждающие эффективность выбранной методики, полученные для промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых потребителей.

5. Требования к мониторингу для реализации проблемы регулирования спроса со стороны потребителей.

Апробация работы. Полученные результаты исследования и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. на постоянно действующем международном семинаре "Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе" (Новосибирск, 29-31 октября 1997г.);

2. на "International sumposium on science an technology" - KORUS '98 (Томск, 30 августа - 5 сентября, 1998 г.);

3. на семинарах кафедры Систем управления экономики энергетики НГТУ.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы следующие статьи и тезисы докладов.

1 .Статистические характеристики нагрузки и задача тарификации. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск, 1996 - № 1, с. 106-112, в соавторстве с Русиным Г. J1.

2. О новых задачах управления электропотреблением. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск, 1996 - № 1, с. 99-105, в соавторстве с Медведковым В. В.

3. "Управление режимами ЭЭС с учетом концепции сбыта ее продукции на энергетическом рынке" Заключительный отчет по гранду № 2 ГР 96, регистрационный № 02.9.80000108, Руководитель Филиппова Т.А. Новосибирск,

1997.

4. Задачи управления электропотреблением. Сборник докладов на постоянно действующем международном семинаре "Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе" Новосибирск, 1999г., с. 14 -18, в соавторстве с Медведковым В. В.

5. Вопросы экономического регулирования графиков нагрузок потребителя. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск, 1998, № 3, с. 101 - 106.

6. Экономическое регулирование режима нагрузки потребителя электрической энергии. В "Сборнике научных трудов НГТУ", Новосибирск, 1998, № 4, с. 1 - 6, в соавторстве с Филипповой Т. А.

7. Economic options of demand side mamagement in electrical utility planning. INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON SCIENCE AND TECHNOLOGY, Tomsk,

1998, в соавторстве с Филипповой Т. А.

8. Методология маркетинговых исследований в региональной энергетике. Заключительный отчет по гранду № 62 ГР 38, регистрационный № 01.9.80 000 040, Новосибирск, 1998. Руководитель Филиппова Т.А.

9. Economical analysis of power monitoring results. IX Miedzynarodowa Konferencja Naukowa "Aktualne Probiemy w Eletrjenergetyce" - APE' 99, Гданьский политехнический университет, в соавторстве с Филипповой Т. А. и Медведковым В. В. (В печати).

Структура и объем работы. Диссертация содержит 140 страниц основного текста, 54 иллюстрации, 34 таблицы, приложение и список используемой литературы, включающий 105 наименований.

В соответствии с задачами ее содержание разделено на 4 главы, введение, содержащее постановку проблемы и обоснование целей и задач работы, и заключение. В приложениях содержатся вспомогательные и дополнительные материалы, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

1. АНАЛИЗ РЕЖИМА НАГРУЗОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

1.1. Режимные способы регулирования графика нагрузки

1.1.1. Регулирование графика нагрузки и управление спросом

Проблема регулирования графика нагрузки со стороны потребителей актуальна и ей посвящено множество публикаций в отечественной и зарубежной периодической печати. Хотя во многих зарубежных энергетических компаниях она разработана до уровня практического применения, все же остается множество вопросов, требующих детализации и развития. [93].

Регулирование графика нагрузки и управление потреблением электроэнергии со стороны потребителя стало стабильным элементом энергетического сектора западных стран. В России смена хозяйственного уклада, представление электроэнергии в качестве товара и установление свободных цен должны способствовать росту заинтересованности потребителей в формировании кривой потребления.

Управление потреблением электроэнергии на стороне потребителя (Demand Side Management - DSM), или управление спросом (УС) - это планирование, регулирование и контроль со стороны энергетических компаний использования электроэнергии потребителями, включая стратегическое управление нагрузкой (УН или Load Side Management - LSM), энергосбережение и некоторые другие аспекты. [101].

Например, в США энергетические комиссии штатов при утверждении тарифов или получении лицензий требуют от энергокомпаний не только план развития энергосистемы и калькуляцию затрат, но и предполагаемые программы DSM.

Этот новый тип планирования получил на Западе название "интегрированное планирование ресурсов" ( Integrated Resource Planning - IRP= LSM + DSM ) по наименьшим затратам для:

• потребителей,

• энергоснабжающей организации.

• государства, (правительства).

Улучшение работы оборудования

Модернизация

Замена оборудования

Усовершенствование

технологического

процесса

УПРАВЛЕНИЕ СПРОСОМ ПРЕДПРИЯТИЯ

£

Управление использованием оборудования

Ограничение мощности

Отключение оборудования

Использование

потребителей-

регуляторов

Увеличение или

уменьшение

потребления

Перенос нагрузки по времени

Формирование эластичной кривой спроса_

Применение специальных методов расчета

Аккумулирование энергии

Использование в "часы пик" энергии, запасенной в период малой нагрузки

Информационные программы

Агитация населения

Энергоаудит предприятий

Контроль, наблюдение, архивирование информации

Механизм реализации

Специальная

государственн�