CC BY
32
Северцев Н.А., Мошин А.Ю. АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Под безопасностью электроснабжения потребителя понимается способность бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией в требуемом объеме соответствующего качества при воздействии дестабилизирующих факторов. Она зависит от многих факторов [1]. Во-первых, от запасов топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) в стране, а во-вторых, от таких как технический износ оборудования и электрических сетей, уровня квалификации обслуживающего персонала, работа в критическом режиме зимой при очень низких температурах, особенно в дневное время (события зимы 2005-2006 гг. доказали важность учета этого фактора), и т.д. Рассмотрим это более подробно.
Россия - богатейшая в плане энергоресурсов страна и играет ключевую роль, как показывают события последнего времени, в энергобезопасности даже мира в целом. Ведь территория России занимает 13% территории Земли, здесь проживает менее 3 % населения мира, а сосредоточено свыше 34% природного газа и около 13 % мировых разведанных запасов нефти [2].
Мы занимаем 1-е место в мире по международной торговле природным газом и 2-е место как экспортер нефти (и нефтепродуктов). В 2004 году только в Европу мы поставили энергоресурсов на 47, 8 млрд.
евро - 15% от всего энергетического импорта (имеются в виду все энергоресурсы - и природное топливо (нефть, газ, уголь), и электро- и теплоэнергия). На этом рынке наши энергоресурсы составляют 15% энергетического импорта. Правда, международное энергетическое агентство ожидает, что в ближайшие 20 лет общемировой объем потребления энергоносителей - в основном нефти и газа - возрастет в полтора раза. При этом, собственные запасы Западной Европы в Северном море истощаются, возрастают потребности в энергоносителях на Востоке (Китай, Северная Корея, Япония), где собственные запасы также ограничены. А Россия обладает гигантскими нетронутыми запасами ТЭР, намного превышающими возможности всех источников поставок в Северной и Южной Америке, Европе и Азии за исключением Ближнего Востока. Конечно, стоимость добычи в России относительно высока, но при нынешних высоких ценах на энергоносители это не проблема. Гораздо большее значение для России имеет эффективность использования имеющихся ТЭР, от которой также зависит энергетическая безопасность страны.
По данным Минпромэнерго, для производства одних и тех же товаров наша страна тратит энергии и ресурсов в 2,5 - 3,5 раза больше, чем страны Западной Европы. То есть, свои «богатства» мы расходуем без экономии будущее.
При сравнении нельзя скидывать со счетов, что в России огромные расстояния и холодный климат, поэтому и энергии требуется существенно больше. Тем не менее очевидно, что энергоэффективность российской экономики пока недостаточна. Правда, по данным ФБК, с 2001 года энергоёмкость ВВП в России стала снижаться.
Необходимо также учитывать и то, что в настоящее время потребность в электроэнергии существенно возрастает. Так на начало 2006 года уже 14 регионов России вышли на уровень потребления 1990 года. При этом техническое состояние электрооборудования и электрических сетей заметно ухудшается (на сегодняшний день их износ составляет более 50%) и требует существенных инвестиций для восстановления и модернизации.
Учитывая сложившуюся обстановку, Президент РАН и Председатель Правления РАО «ЕЭС России» 15 марта 2006 года подписали Соглашение о сотрудничестве, в котором определена серьезная задача - создать к 2030 году в стране качественно новую энергосистему. При этом отмечено, что энергетикам нужны научно обоснованные методы ответы на абсолютно прагматичные вопросы: на каких площадках, в какие
годы, какие объемы мощностей в стране должны быть введены? На какой топливной базе будут эти мощности работать, какие принципы будут положены в основу системы противоаварийной автоматики, что обеспечит бесперебойное функционирование этих новых мощностей? Каков должен быть научный и идеологический подход к расходу электроэнергии?
Рассмотрим некоторые предложения для решения этих вопросов.
1. Совершенствование тарифной политики. Действующая система формирования тарифа на электрическую энергию не предусматривает (к сожалению) дифференциацию тарифных ставок в зависимости от факторов, определяющих уровень безопасности электроснабжения потребителя электроэнергетической продукции.
Разработка новых тарифных схем, адаптированных к условиям рыночной экономики и учитывающих факторы безопасности электроснабжения, потребует:
- пересмотра категорирования потребителей на основе более тщательного рассмотрения характеристик их нагрузок, с тем чтобы максимально учесть особенности каждого;
- добровольного участия конечного потребителя в выборе уровня безопасности его электроснабжения;
- полной компенсации ущерба от недоотпуска электроэнергии, возникшего по вине энергоснабжающей компании;
- организации дифференцированного учета затрат на энергообслуживание в зависимости от напряжения и уровня безопасности питания;
- создания системы анализа воздействия новых тарифных структур на различные категории потребителей с точки зрения оценки эффективности их построения, управления объемами потребления и регулирования графиков нагрузки региональных рынков и отдельных энергоснабжающих компаний, а также обеспечения наилучших финансовых результатов энергокомпаний.
Комплексное решение проблемы безопасности электроснабжения в условиях рыночных отношений предусматривает формирование комплекта методических разработок, в том числе:
- экономического механизма, обеспечивающего полное возмещение ущерба конечным потребителям от перерывов электроснабжения, ограничения нагрузки и потребляемой энергии;
- показателей (стандартов) безопасности электроснабжения потребителей;
- экономически обоснованных принципов категорирования потребителей в зависимости от схемы их присоединения;
- концепции дифференцирования тарифов в зависимости от категории безопасности электроснабжения потребителя, характера и степени его участия в разгрузочных и ограничительных мероприятиях;
- механизма долевого участия потребителя в финансировании мероприятий по изменению схемного уровня надежности электроснабжения.
Сцелью более полного отражения в цене на электроэнергетическую продукцию дополнительных затрат энергоснабжающих компаний на повышение уровня безопасности электроснабжения, предлагается добавить надбавку (скидку) к тарифу на мощность или электроэнергию (соответственно при двух- или одноставочном тарифе) в зависимости от обеспечиваемого уровня безопасности электроснабжения:
а(0 = к * К°* к3(°* ^ , где - коэффициент безопасности электроснабжения 1-го объекта; К -
коэффициент запаса мощности, равный
^ (Щ + АЩ)/Щшм +1 , где Щ - потребляемая мощность 1-го объекта, АЩ - потери мощности в сетях (рассчитывается по [3]), Щиам - номинальная мощность э/подстанции (определяется по паспортным данным, с учетом износа и состояния оборудования); К^ - коэффициент сезонности потребления 1-го объекта (лето - 0,8, остальное время года-1); К() - коэффициент суточного потребления 1-го объекта
(днем - 1, ночью - около 0,7); К(^ - коэффициент потерь при снабжении 1-го объекта, равный
(Щ + АЩ )/Щ
Значения К2 и К3 будут стимулировать потребителей использовать электроэнергию в летний период и ночью, когда общая нагрузка далека от пиковой. А это, в свою очередь, обеспечит исключение перегруза э/подстанций. Их значения необходимо подобрать для каждого объекта таким образом, чтобы при использовании электроэнергии в «разгрузочные периоды» коэффициент безопасности был близок к единице, а в остальное время - больше единицы.
При этом необходимо отметить, что надбавки (скидки):
- не заменяют и не отменяют другие виды дифференцированных тарифов на электроэнергию, а действуют с ними совместно;
- устанавливаются для различных групп потребителей в соответствии с их классами безопасности электроснабжения, определяемыми в зависимости от количества и характеристик источников питания, схем электроснабжения и принципов ввода резервного питания.
Скидки (надбавки) для каждого выбранного потребителем класса безопасности электроснабжения предлагается рассчитывать на основании анализа соответствующих затрат энергоснабжающих компаний. При анализе учитывается, что отказы энергосистемы возникают в следствие:
- дефицита энергоресурсов (лимитирование электропотребления);
- прогнозируемого дефицита мощности (лимитирование потребления мощности в часы максимальных нагрузок или диспетчерские ограничения в зависимости от заблаговременности прогноза дефицита);
- непрогнозируемого (случайного) дефицита мощности (отключение потребителей системой автоматической частотной разгрузки);
- предотвращения нарушения устойчивости (отключение потребителей системой автоматического ограничения нагрузки);
отказов элементов распределительной сети (перерывы электроснабжения - обесточение или недопустимое снижение напряжения).
Сформулируем показатель безопасности электроснабжения в виде функционала, зависящего от требований к объему и качеству энергии, а также от эксплуатационных факторов.
Введем следующие обозначения:
Щтреб = ТжТРеб - требуемый (текущий) объем электрической энергии, где 1 = (1, 2, ..., п) - по-
требители; ф - вектор качественных характеристик электрической энергии; кэ - область допустимых значений качественных характеристик электрической энергии.
В качестве количественной характеристики коэффициента безопасности примем вероятность того, что
в произвольный момент времени t объем электрической энергии Щ = будет не менее требуемой
Щщреб при условии, что качество поставляемой электрической энергии фэ будет находиться в установленных пределах. Здесь j = 1, 2, ..., т - поставщики электрической энергии. Тогда
а = РЩ > ЩТреб ф е кэ) (1)
Получение количественной оценки сводится к следующему. Моделируется процесс поступления электрической энергии на заданном интервале времени [0, £3] и выделяются такие отрезки времени, для кото-
рых выполняется условие (1). Обозначим сумму этих отрезков Т .
Тогда оценка а = т/13 (2)
где Т - суммарное время надежного функционирования системы; 7 - общее время функционирования
системы.
Модель функционирования системы целесообразно формировать на основе использования метода статистического моделирования, который позволяет учесть как структурные, так и эксплуатационные факторы, влияющие на устойчивость функционирования, и определить время устойчивого и неустойчивого функционирования системы в различных эксплуатационных режимах.
К структурным факторам относятся порядок взаимодействия поставщиков электрической энергии, режим функционирования, требования к объему поставляемой электрической энергии.
Безопасность функционирования электрической системы в значительной мере зависит от различных дестабилизирующих факторов, воздействие которых носит случайный характер. В целях моделирования целесообразно из всего множества выбрать лишь те, от которых в наибольшей степени зависит надежность электрической системы. Вариации значений этих факторов позволят получить зависимости Кбез как от одного, так и от их совокупности. Например, можно выбрать четыре режима работы: «зима-день», «зима-ночь»£, «зима-день» £, «зима-ночь» £. Знаком £ обозначены режимы работы при очень низких температурах (£°С > 25°С).
Получение зависимости С от совокупности факторов в виде полинома возможно при использовании теории планирования экспериментов [4], причем в качестве критерия целесообразно выбрать минимум обобщенной дисперсии эксперимента. Этому условию удовлетворяет Д- оптимальный план.
Наличие такой зависимости позволяет также определить допустимую область значений эксплуатационных факторов, при которых
С > абез-шреб
Таким образом, из изложенного вытекает структура модели, состоящая из двух контуров. Внутренний контур модели обеспечивает получение оценки коэффициента безопасности на основе (2), при этом
СС =сС(х*\wStr),
ж
где XJ - фиксированное значение эксплуатационного ^ - го фактора, ^ = 1.2,.., О; ф - факторы, определяющие качество энергии; Б£г - параметр, определяющий конфигурацию электрической системы.
Внешний контур позволяет осуществить варьирование факторов Xj в заданных диапазонах, причем это варьирование возможно как для одного фактора (при условии, что остальные фиксированы), так и для совокупности выбранных факторов. В модели это осуществлено при использовании матрицы планирования эксперимента.
В результате будет получена зависимость О — О (х*), в виде полинома от факторов Х^г ^ = 1.2, .., J при условии, что структура системы и требования по качеству энергии фиксированы. Заданное значение а без - треб позволяет, решая неравенство О —О (х* ), без - треб относительно Х^, получить
область допустимых значений эксплуатационных факторов.
2. Оптимизация потребляемой энергии. Рассмотрим один из вариантов оптимизации потребления электрической энергии. В электроснабжении потребителей обычно выделяют следующие режимы работы: «зима-день», «зима - ночь», «лето-день», «лето - ночь» [1]. Целесообразно увеличить количество режимов потребления, которые будут учитывать зимний месяц с большой вероятностью низких температур, выделять осень и весну, учитывать время отпусков и т.д. От выбранного режима потребления заявленной мощности, безусловно, зависит и безопасность электроснабжения потребителей, особенно в зимний период, когда нагрузка на электрооборудование транспортной системы существенно возрастает. Поэтому у некоторых потребителей существует выбор: максимизировать потребление заявленной энергии в летний
период и тем самым повысить уровень безопасности, или рисковать в противном случае.
Разобьем условно всех потребителей - производителей продукции на три группы доходности: 1-я
группа - потребители, имеющие возможность сократить потребление электроэнергии в зимний период в пределах 61 % - 80 % от заявленной мощности и использовать ее в летний; 2-я группа -потребители, имеющие возможность сократить потребление электроэнергии в пределах 41 % - 60 %; 3-я группа - в
пределах 20 % - 40 %. В процессе опроса потребителей варьируются производственные возможности предприятии (сокращение объема производства, а, следовательно, и прибыли; динамика управления персоналом, товарные запасы сырья и комплектующих и т.д.) и предлагается несколько вариантов тарифной ставки (скидки в летний период соответственно для каждой группы). Это необходимо для получения достаточного множества точек спроса потребителя и построения изолинии (изоповерхности) в пространстве возможных объемов потребления электроэнергии.
Представим функцию безопасности в общем виде:
и — Х° * Х°О *... * Х°п , где п - номер выбранного режима потребления, О - коэффициент безопасности.
Логарифмируя функцию безопасности, получаем
1пи = о 1пХ1 + о2 1пХ2 +... + апХп .
Заменив безопасность на «доход» и введя соответствующие обозначения, получим для каждой группы доходности 31, j = 1,2,3
1 = 1п 0 = Он + 0—',О +..+ 0п',п ,
где 1 = 1,2, ...., т » п.
Решение задачи методом наименьших квадратов отдельно для каждой группы доходности:
2 (1 - Ол - О', О - 0п',п )О ^ тт
/
приводит к системе уравнений для нахождения п неизвестных о„ . Запишем в матричной форме:
22 ... 2 ' п а "2 ^' ,
22',— , , .... 2 '—V ы а = 21', — ,
2 " 2 ',п',о .. _ , , 1 2 а 1 г >- 2
или в векторной форме: А о =В, где А — УгУ,В — VгYJ ,
VI V— . . .. ^ V—, .. .. V*
V — Vo1 Voo .. .. ^ , VT — V,— ^О .. .. VmО
Vm1 VmО .. V тп V—, .. V тп
или УтУо — VтVYj .
Решением является вектор [ОО...О„]: а — (VTV) -VTYj
О - является оценкой истинного значения а; (предполагаем, что оно существует)
После нахождения О следует найти доверительные интервалы для истинных значений О в терминах вероятности. Это интервалы вида
О- ’1\-оЮ(т - п)5О
О+ 21-о/О(т - п)^о
где
Zl_ct,/2 - квантили распределения Стьюдента с (т - п) степенями свободы,
\О
к
В заключении приведем методику для оценки общей безопасности распределительной цепочки поставки электрической энергии потребителям.
В контуре прохождения обобщенной единицы электрической энергии (ОЕЭ) (технологический процесс, ремонтные и пуско-наладочные стадии, диспетчерское управление и контроль, уровень технического состояния оборудования и электрических сетей, распределение электрической энергии и т.д.) участвуют
W L =
W K =
W я = •
различные производственные силы [1], от текущей величины которых зависят времена стадийной обработки (ОЕЭ):
t = V / (N * F), где V - объем ОЕЭ,
N - безопасность (ед. ОЕЭ/руб.),
F - фондовооруженность определенной стадии.
Например, если L - объем трудовых ресурсов, К - объем производственных фондов, получаем h + ^2 = V /(а* L) + V /(fi* K) , что соответствует величине V/J, где J-общая безопасность поставки электрической энергии.
Сокращая на V, получим 1/ о = 1/(а* L) +1/(fi* K) (3)
а - безопасность в ед. ОЕЭ рубля рабочей силы, fi - то же для капитала.
Таким образом, получаем новый вид функции безопасности поставки электроэнергии J. Ее особенности
- при фиксированном L увеличение К не приводит к бесконечному росту J и наоборот.
Найдем оптимальное соотношение между К и L при фиксированном Q и фиксированных аир (зависящих от
квалификации труда и от качества технологии):
К + L = Q (общий капитал)
Получаем задачу максимизации безопасности поставки электрической энергии:
f p(K, L) = 1/ J = 1 /(а * L) + 1 /(fi * K) ^ min U + K = Q
Решая методом Лагранжа: W = р+Х*(Ь + K — Q) ^min ,
-1/(а* L2) + Л = 0 -1/(fi* K2) + Л = 0 , + K — Q = 0
находим соотношение К / L и их доли в Q:
1/(а * L2) = 1/(fi* K2) ^ L = SQRT(fi/a) * K , K = SQRT(а/p) * L ,
при этом, т.к. SQRT (fi/а) * K + K = Q и SQRT (а/fi)* L + L = Q , получаем доли К и L в общем капитале Q, дающих оптимальное их соотношение для нашей задачи:
K = Q * SQRT (а) /(SQRT (fi) + SQRT (а)) ,
L = Q * SQRT (fi)/(SQRT (fi) +SQRT (а)) (4)
Из (З) и (4) находим при фиксированном Q оптимальное соотношение а/fi :
1/J = (SQRT (fi) + SQRT (а))/(а* Q * SQRT (fi)) + (SQRT (fi) + SQRT (а))/ ' /(fi * Q * SQRT (а)) ^ min а2 + fi2 — c = const = 0
Отсюда получим методом Лагранжа а/fi =1. В реальности, конечно, это соотношение может быть не выполнимо. Оно зависит от качества рабочей силы и производственных процессов.
Взяв производные, можно определить возрастание и убывание предельных продуктов по К и L:
J 'к > 0, J \ > 0, J ”к < 0, J "L < 0
Если подключить диспетчерский капитал D, то при условии К + L + D = Q, получим аналогично:
(р= 1/J = 1/(а*L) + 1/(fi*K) +1(/*D) ^min , где
у обеспечивает диспетчерское распределение электроэнергии на вложенный рубль.
Оптимальные доли K,L,D в этом случае будут равны:
K = Q * SQRT (а * у) /(SQRT (а * у) + SQRT (fi * у) + SQRT (fi * а)) L = Q * SQRT (fi * у) /(SQRT (а * у) + SQRT (fi * у) + SQRT (fi * а)) В = Q * SQRT (а * fi) /(SQRT (а * у) + SQRT (fi * у) + SQRT (fi * а))
Для анализа а^,у можно использовать стандартную модель эконометрики [5]:
1/J. = (1/а) * (1/Ц) + (1/fi) * (1/K) + (1/у) * (1/Ц) + ei,
где St - случайная помеха, i - номер строки статотчетности, 1/а,1/fi^/у-коэффициенты регрессии. Таким образом, предложены схема (алгоритм) реализации электроэнергии с учетом уровня безопасности электроснабжения, рекомендации по оценке заявленного потребителем ущерба, методологические аспекты стандартизации безопасности электроснабжения потребителей и методические рекомендации по механизму введения дифференцированной, в зависимости от обеспечиваемого уровня безопасности, платы за электроэнергию.
Предлагаемые изменения в тарифной политике будут стимулировать потребителей использовать электроэнергию в летний период и ночью, когда общая нагрузка далека от пиковой. А это, в свою очередь, обеспечит исключение перегруза э/подстанций и э/сетей.
Предложенная методика позволяет оценить значения коэффициентов безопасности электроснабжения с учетом оптимального потребления электрической энергии.
Найденный новый вид функции безопасности поставки электроэнергии обладает необходимыми качествами, позволяет моделировать экономический процесс и оптимизировать соотношение между объемом трудовых ресурсов, объемом производственных фондов, объемом диспетчерского капитала и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мошин А.Ю. Особенности тарифной политики в зависимости от уровня надежности электроснабжения регионов РФ. Тезисы докладов научно-практической конференции, г. Череповец, 2006 г., стр. 68-70.
2. Мошин А.Ю. Анализ развития внутреннего рынка природного газа. Монография М.: изд-во РУДН,
2006. - 168 с.
3.Методика расчета нормативных (технологических) потерь электроэнергии в электрических сетях (утверждена приказом Минпромэнерго России от 03 февраля 2005 г. №21).
4. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971. -312
5. Елисеева И.И. Эконометрика, 2-е изд. М.: Финансы и статистика, 2005.
С.
-576с.
