автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения системы оптимизации технико-экономических показателей энергогенерирующего предприятия на основе теории интервального регрессионного анализа и эвристической самоорганизации

? /' 99 - 'д - -9

Рязанская/государственная радиотехническая академия ОАО «Рязанская ГРЭС» РАО «ЕЭС России»

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Сергей Владимирович

Разработка математического и программного обеспечения системы оптимизации технико-экономических показателей энергогенерирующего предприятия на основе теории интервального регрессионного анализа и эвристической самоорганизации

Специальность 05.13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук, Заслуженный энергетик Российской федерации Шумилов Т.Н.

/

кандидат технических наук, доцент Белов В.В.

Рязань - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................6

1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА И РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛОЭНЕРГИИ........................................................14

1.1. Характеристика и состав энергетического оборудования Рязанской

ГРЭС...................................................................................................................14

1.2. Плановые и фактические технологические режимы энергоблоков.............17

1.2.1. Планирование нагрузок энергоблоков для производства электроэнергии................................................................................................17

1.2.2. Планирование нагрузок энергоблоков для производства теплоэнергии....................................................................................................18

1.2.3. План выработки электроэнергии и теплоэнергии........................................19

1.3. Удельный расход топлива.................................................................................22

1.3.1. Общие замечания............................................................................................22

1.3.2. Удельный расход топлива на производство электроэнергии.....................23

1.3.3. Удельный расход топлива на производство теплоэнергии.........................28

1.4. Расчет электроэнергии на собственные нужда для производства электроэнергии и теплоэнергии.......................................................................32

1.5. Расчет массы условного топлива для производства электроэнергии

и теплоэнергии...................................................................................................35

1.6. Расчет массы натурального топлива для производства электроэнергии и теплоэнергии.......................................................................38

1.7. Расчет стоимости топлива для производства электроэнергии и теплоэнергии......................................................................................................40

1.8. Структура затрат................................................................................................40

1.9. Характеристика прироста условно-постоянных затрат в

зависимости от калорийности угля.................................................................42

1.10. Тарифы за теплоэнергию, электроэнергию и мощность..............................44

1.11. Основные характеристики созданного программного обеспечения..........45

1.12. Основные результаты.......................................................................................49

2. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ЭНЕРГОБЛОКОВ РЯЗАНСКОЙ ГРЭС..............................................................51

2.1. Проблема планирования и выбора оптимального технологического режима................................................................................................................51

2.2. Формальная постановка задачи оптимизации технологических

режимов..............................................................................................................53

2.3. Основная задача..................................................................................................59

2.4. Метод решения задачи математического программирования для

выбора оптимальных режимов........................................................................66

2.4.1. Формулировка задачи.....................................................................................66

2.4.2. Линеаризация ограничений............................................................................68

2.5. Типы производственных процессов и распределение заданий

между производственными линиями..............................................................70

2.6. Основные характеристики созданного программного обеспечения............78

2.7. Основные результаты.........................................................................................81

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕМ ПРЕДПРИЯТИИ.................83

3.1. Современные подходы к созданию математических моделей объектов и процессов для задач управления производственными системами. Прямые самоорганизующиеся модели.......................................83

3.1.1. Детерминистический подход к построению модели...................................83

3.1.2. Прямое моделирование...................................................................................84

3.1.3. Многорядность в процессе построения модели...........................................86

3.1.4. Принцип массовой селекции..........................................................................87

3.1.5. Принцип внешнего дополнения.....................................................................88

3.1.6. Самоорганизация формального описания....................................................88

3.2. Моделирование в условиях нечеткости (интервальности)

переменных и априорной линейности наблюдаемого процесса..................90

3.2.1. Интервальная регрессионная модель............................................................90

3.2.2. Разработка метода решения задачи определения средних

значений и интервалов разброса калорийности сжигаемых углей............93

3.2.3. Пример решения задачи определения средних значений и интервалов разброса калорийности углей....................................................98

3.2.4. Разработка метода решения задачи оценивания масс различных

сортов углей, сжигаемых в смеси................................................................100

3.2.5. Пример решения задачи оценивания масс различных сортов угля, сжигаемых в смеси........................................................................................102

3.3. Моделирование процессов с помощью модифицированного метода группового учета аргументов........................................................................103

3.3.1. Общая схема построения алгоритмов, реализующих МГУА...................103

3.3.2. Аппроксимация процессов решениями линейных дифференциальных уравнений....................................................................115

3.3.3. Разработка модифицированного метода группового учета аргументов на основе процедуры оптимизации частных

полиномов (МГУАоп)...................................................................................119

3.3.4. Разработка метода группового учета аргументов на основе дифферальных частных приближений (МГУАдп)....................................123

3.3.5. Построение модели процесса изменения нагрузки на собственные нужды.............................................................................................................124

3.3.6. Модель зависимости условно-постоянных затрат себестоимости

от технико-экономических показателей.....................................................139

3.4. Основные характеристики созданного программного обеспечения..........149

3.5. Основные результаты.......................................................................................150

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И

ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА РЯЗАНСКОЙ ГРЭС.....................152

4.1. Способы прогнозирования производственно-экономических

процессов.........................................................................................................152

4.1.1. Однократный и многократный прогноз......................................................152

4.1.2. Предсказуемость случайного процесса при однократном прогнозе.......153

4.1.3. Прогноз единичных событий как частный случай

прогнозирования процессов.........................................................................155

4.2. Выбор метода прогнозирования.....................................................................157

4.2.1. Общие замечания..........................................................................................157

4.2.2. Структурное прогнозирование....................................................................161

4.2.3. Математические методы параметрического прогнозирования................162

4.2.4. Прогнозирование по аналогии.....................................................................164

4.3. Построение прогнозирующей модели без учета факторов процесса

по принципу сглаживания..............................................................................166

4.3.1. Предварительные замечания........................................................................166

4.3.2. Прогнозирующая модель на основе ГМУАоп...........................................168

4.4. Прогнозирование изменения условно-постоянных затрат себестоимости тепловой и электрической энергии.....................................170

4.5. Основные характеристики созданного программного обеспечения..........172

4.6. Основные результаты.......................................................................................172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................174

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время единая энергетическая система (ЕЭС) России остается самым крупным в мире высокоавтоматизированным комплексом, обеспечивающим производство, передачу и распределение электроэнергии и централизованное оперативно-технологическое управление этими процессами. В ее состав входят 440 тепловых и гидравлических электростанций мощностью соответственно 140 и 44 млн. кВт и атомные электростанции мощностью 21 млн. кВт., а также более 2.5 млн. км линий электропередачи всех классов напряжений, в том числе 300 тыс. км основных системообразующих ЛЭП напряжением 500, 750, 11500 кВ.

С 1992 года в России функционирует Федеральный оптовый рынок электроэнергии и мощности (ФОРЭМ), субъектами которого являются региональные энергосистемы и электростанции РАО «ЕЭС России». Основная задача ФОРЭМ - используя принцип конкуренции, обеспечить снижение стоимости электрической энергии и мощности генерирующих электростанций. В настоящее время ФОРЭМ функционирует как «одноуровневая» модель оптового рынка, в рамках которой любой покупатель может быть прикреплен к любому продавцу, независимо от их территориального расположения. Дальнейшее развитие ФОРЭМ в соответствии с Указом Президента РФ №426 является создание ФОРЭМ второго уровня с использованием трех моделей рынка. В европейской части России создается модель общего рынка. Установление цены электрической энергии на общем рынке будет происходить на основе конкурентного отбора заявок на покупку электрической энергии. В тоже время наряду с конкуренцией остается государственное регулирование тарифов на электроэнергию и мощность. Регулирующим органом является Федеральная энергетическая комиссия (ФЭК). Купля продажа электроэнергии (мощности) на оптовом рынке осуществляется строго по тарифам, регулируемым ФЭК. С переходом к модели второго уровня, ФЭК будет только контролировать процессы формирования цен на конкурентном рынке и в случае необходимости задавать предельный уровень цен. Начиная с 1998 года, ФЭК переходит на установление предельных

уровней тарифа на электроэнергию (мощность). Теперь генерирующие станции вправе снижать уровень тарифов на электроэнергию (мощность) отпускаемую на ФОРЭМ, но не ниже фактической себестоимости производства электроэнергии. При спаде производства в стране с 1992 г. снижается потребление потребителями электроэнергии и мощности. Загрузка электростанций Федерального уровня за последние коды колеблется на уровне 40-60 %. Следовательно, проблема снижения себестоимости производства электроэнергии и вследствие этого снижения уровня тарифов выдвигается на первый план. Поэтому в современных условиях, сложившихся на ФОРЭМ, возникла необходимость более точного и оптимального планирования технологических, экономических и управленческих процессов работы энергопроизводящих предприятий, в том числе и Рязанской ГРЭС. В частности, необходимо оптимальное планирование технологического процесса производства электроэнергии и теплоэнергии, оптимизации поставок топлива на электростанцию, затрат на производство энергии и т.д. Неплатежи, бартер, взаиморасчеты повышают спрос на маркетинговые исследования топливного рынка и средства автоматизированной оптимизации использования топливных ресурсов. Эти средства представляют собой основу интегральной системы, обеспечивающей повышение эффективности принятия оперативных решений и снижение риска при построении стратегической линии развития на среднесрочный и долгосрочный периоды.

Очевидно, что решение указанных задач требует применения средств вычислительной техники со специальным программным обеспечением, которое позволило бы оптимизировать процессы с целью минимизации затрат на производства электроэнергии и теплоэнергии.

Состояние вопроса. Задача оптимизации режимов работы энергосистем решается, начиная с сороковых годов нашего века. В середине шестидесятых силами отечественных энергетиков была математически обоснована теория оптимизации режимов работы электрических станций в составе энергосистем. К этому времени были написаны и успешно внедрены в практику разработки режимов энергосистем ряд программ, на базе существующей в то время вычисли-

тельной техники. К концу семидесятых, с появлением вычислительной техники второго, а затем и третьего поколения, была решена проблема информационного обеспечения оптимизационных задач. В основу программ оптимизации были положены различные модификации метода распределения нагрузки по принципу равенства относительных приростов расхода условного топлива на единицу прироста мощности. Прародителем метода был В.М. Горнштейн [4]. В конце восьмидесятых годов идея внедрения рыночных отношений в энергетику породила потребность в переходе на стоимостные характеристики относительных приростов, которые позволили бы без разработки нового программного обеспечения перейти с критерия оптимизации по принципу минимума расхода условного топлива на критерий минимума реальных затрат на топливо. Система планирования объемов выработки электроэнергии, сложившиеся на первом этапе развития ФОРЭМ не нуждалась в получении и использовании стоимостных характеристик относительных приростов стоимости (ХОПС). Переход от фиксированного тарифа на ФОРЭМ к предельному тарифу придает значимость в ХОПС не только для оптимизации режимов энергосистем, но и для оптимизации режимов оборудования на электростанциях с различным типом оборудования. К таким электростанциям относятся Рязанская ГРЭС, Канаковская ГРЭС, Костромская ГРЭС.

Отличительной особенностью современного состояния экономики страны в целом и энергетических предприятий в частности является то, что исключительно актуальной становится проблема тщательной экономии ресурсов. При этом возникают новые нетрадиционные задачи, направленные на обеспечение экономии не только «в большом», но и «в малом». Требуется тщательное изучение взаимосвязи всего комплекса производственно-экономических процессов на предприятии, выявление скрытых закономерностей и явлений. Учет новых знаний при принятии управленческих решений и в процедурах оптимизации технологических процессов позволит повысить экономичность производства, свести к минимуму потери ресурсов и обеспечит выживание предприятия в условиях экономического кризиса.

В настоящее время существует большое количество достаточно эффективных методов оптимизации, моделирования и прогнозирования процессов [13 - 16, 19, 20, 33, 39]. Однако, их прямое применение к решению многих практических задач невозможно в силу наличия специфических условий и ограничений. Обычно требуется адаптация и развитие известных методов. Особенно это важно в современных экономических условиях, когда требуется наибольшая эффективность применяемых средств автоматизации. Кроме того, программная реализация современных методов оптимизации, моделирования и прогнозирования процессов неизбежно специализирована под конкретные предметные области. Причем сама эта специализация является достаточно сложной задачей.

Одновременно с этим в настоящее время практически отсутствуют стандартные алгоритмические и программные средства, объединенные проблемным пользовательским интерфейсом, специализированными конверторами данных и формирователями задач для предприятий электроэнергетики, нацеленные на решение нетрадиционных задач. Для того чтобы выявить скрытые взаимосвязи между различными факторами и процессами, которые позволят найти дополнительные пути повышения экономичности производства, требуется тщательный анализ предметной области. Для поддержки такого анализа требуются специализированные программные средства, тщательно согласованные со спецификой предметной области.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена вопросам разработки, исследования и внедрения в производственную и управленческую деятельность ОАО «Рязанская ГРЭС» методов, алгоритмов и программ, позволяющих решать задачи оптимизации технологических процессов производства тепло- и электроэнергии, моделировать, прогнозировать и исследовать взаимосвязи показателей производственно-экономической деятельности крупного энергетического предприятия, функционирующего в режиме конкуренции в условиях жесткой экономии материальных и финансовых ресурсов.

Основные задачи исследования:

- анализ предметной области и выявление задач, решение которых позволит обеспечить повышение экономичности производственного процесса за счет повышения качества принятия управленческих решений, более рационального планирования и использования ресурсов;

- разработка методов решения задач оптимизации, моделирования и прогнозирования производ�