CC BY
118
SCIENCE TIME
МУЛЬТИАГЕНТНАЯ МОДЕЛЬ РЫНКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УЧАСТИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Марченко Олег Владимирович, Соломин Сергей Владимирович, Институт систем энергетики
им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск
E-mail: [email protected]
Аннотация. Данная статья посвящена вопросам исследования эффективности рыночных механизмов, применяемых для стимулирования развития возобновляемых источников энергии. Рассмотрена энергосистема, включающая ветроэнергетические установки со стохастическим режимом работы и тепловые электростанции на органическом топливе. Показано влияние предоставления субсидий возобновляемым источникам энергии на структуру электроэнергетической системы.
Ключевые слова: рынок электроэнергии, рыночные агенты, возобновляемые источники энергии, моделирование.
При исследовании возможных вариантов развития энергетики в настоящее время часто используются оптимизационные модели. Общим свойством этих моделей является использование единого критерия оптимальности (например, минимума приведенных или суммарных дисконтированных затрат) и поиск решения, наиболее эффективного для всей моделируемой энергетической системы в целом [1-12].
При эффективной организации рынка установившееся на нем равновесие обеспечивает оптимальное распределение ресурсов, т.е. точно такое же, как предсказывает решение оптимизационной задачи. Именно поэтому, а также вследствие более простой постановки задачи и наличия разработанных методов решения оптимизационные математические модели применимы для энергетических систем, работающих в условиях рынка.
Однако реальный рынок может отличаться, иногда существенно, от своей идеализированной модели. Для электроэнергетического рынка наряду с возможным стратегическим поведением агентов наиболее существенными факторами, приводящими к отклонению равновесия от оптимального решения, являются неэластичность спроса, недостаток информации о ценах в реальном
времени и невозможность (по техническим причинам) ограничивать электропотребление отдельных потребителей. В связи с этим в последнее время в энергетических исследованиях развивается направление агентного (агентно-ориентированного) моделирования [13-15].
Агентное моделирование представляет собой имитационное моделирование, исследующее поведение децентрализованных агентов и его влияние на поведение системы в целом. Под агентом понимается автономный субъект, который взаимодействует с окружающей средой, имеет определенную цель, принимает независимые решения и корректирует свое поведение с учетом прошлого опыта.
Ниже описаны основные принципы и некоторые результаты применения мультиагентной математической модели рынка электроэнергии для энергосистемы, включающей возобновляемые источники энергии со стохастическим режимом работы [15]. Модель предназначена для исследования эффективности рыночного механизма путём сравнения с оптимизацией по единому критерию.
Мультиагентная модель рынка электроэнергии сформулирована в виде задачи поиска рыночного равновесия (равновесие Нэша). В качестве агентов рассматриваются инвесторы, фирмы, производящие электроэнергию на электростанциях разных типов, и потребители (рис.1).
Рис. 1 Агенты на рынке электроэнергии и принимаемые ими решения
SCIENCE TIME
Решения агентов моделируются для трех периодов времени: долгосрочного, среднесрочного и краткосрочного. В долгосрочном периоде (годы) инвесторами планируется набор оптимальных с их точки зрения проектов и определяется установленная мощность электростанций, которая затем остается постоянной. В среднесрочном периоде (месяцы) потребители оптимизируют свое электропотребление с учетом ценовой ситуации на рынке. В краткосрочном периоде (текущее состояние рынка) системный оператор обеспечивает равенство объемов производства и потребления электроэнергии, ограничивая электропотребление, если в этом возникает необходимость.
Во всех случаях каждый участник рынка (производители и потребители) действует таким образом, чтобы максимизировать свой собственный экономический эффект (разницу доходов и затрат) с учётом правил, установленных на рынке.
Вследствие существенной специфики рынка электроэнергии рыночное равновесие может не обеспечивать максимум экономической эффективности всей системы в целом (максимум общественного благосостояния). Поэтому для оценки эффективности рыночного механизма рассматривается также вариант централизованного выбора оптимальной структуры и режима работы энергосистемы (оптимальный план) путем оптимизации по единому критерию. В качестве такого критерия выбрано математическое ожидание суммарного экономического эффекта.
Новизна модели заключается в учёте краткосрочного периода, в котором происходит согласование производства электроэнергии возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), работающими в стохастическом режиме, и переменной во времени нагрузкой потребителей. Без такого учёта, при усреднении выработки ВИЭ по году, как это часто делается в зарубежных исследованиях, возможны погрешности в определении оптимальной структуры энергосистемы (соотношения установленных мощностей энергоисточников разных типов).
В качестве примера рассмотрено влияние субсидий ВИЭ (ветроэнергетических установок (ВЭУ), работающих в стохастическом режиме) на структуру энергосистемы, включающей наряду с ВЭУ тепловые электростанции на органическом топливе. Принято, что субсидии формируются путём нормирования количества "зеленой энергии", которую должны купить потребители (например, в рамках системы "зеленых сертификатов", применяющейся в ряде европейских стран) [16-18].
На рис.2 показано изменение структуры энергосистемы в зависимости от величины субсидий: с их увеличением установленная мощность ВИЭ увеличивается, а электростанций на органическом топливе уменьшается.
SCIENCE TIME
-т
1,2
1,0
0,8
Мощность, отн.ед
0,0
ТЭС
ВИЭ
0,5
Субсидии, цент/кВт.ч
1,0
Рис. 2 Влияние субсидий на структуру электроэнергетической системы
Предложенная модель позволяет описать действия рыночных агентов, найти рыночное равновесие и оценить эффективность рынка (с учётом возможных управляющих воздействий государства) путём сопоставления с решением оптимизационной задачи.
В настоящее время в странах Европы и Северной Америки большое внимание уделяется разработке энергетической политики, направленной на стимулирование ВИЭ. При этом ставятся цели уменьшения экологических ущербов, повышения надежности энергоснабжения и его экономической эффективности, обеспечения энергетической безопасности, стимулирования наукоемкого производства, создания дополнительных рабочих мест и др. Эффективность различных мер и возможность согласования между собой указанных целей оценивается на основе мультиагентных (агентно-ориентированных) моделей, учитывающих противоречия интересов субъектов рынка и наличие в энергетической системе различных центров принятия решений.
В России аналогичное направление моделирования энергетики пока развито недостаточно, в связи с чем выполненные исследования актуальны, а их результаты могут найти применение при разработке энергетических стратегий страны и регионов.
Литература:
1. Беляев Л.С., Марченко О.В., Филиппов С.П. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. - Новосибирск: Наука, 2000. - 269 с.
2. Belyaev L.S., Marchenko O.V., Filippov S.P. et al. World energy and transition to sustainable development. - Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 2002. - 264 p.
3. Марченко О.В. Стоимость энергии и оптимальные параметры ветроэнергетических установок // Известия РАН. Энергетика. - 2000. - № 2. - С. 97-103.
4. Соломин С.В. Исследование эффективности и оптимизация технико-экономических показателей ветроэнергетических установок в системах энергоснабжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук.- Иркутск, 1997. - 21 с.
5. Новожилов М.А., Соломин С.В. Выбор параметров ветроэнергетической установки // Электрические станции. - 1994. - № 8. - С. 46-48.
6. Belyaev L.S. A study of wind energy contribution to global climate change mitigation // Int. Journal of Energy Technology and Policy. - 2005. - Vol. 3. - No.4. -P. 324-341.
7. Марченко О.В. Математическая модель энергосистемы с возобновляемыми источниками энергии // Известия РАН. Энергетика. - 2006. - № 3. - С. 154-161.
8. Марченко О.В. Исследование долгосрочных перспектив использования возобновляемых источников энергии для децентрализованного энергоснабжения - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. - 62 c.
9. Марченко О.В. Анализ экономической эффективности возобновляемых источников энергии в децентрализованных системах энергоснабжения // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. - № 5. - С. 78-84.
10. Marchenko O.V. Mathematical modelling and economic efficiency assessment of autonomous energy systems with production and storage of secondary energy carriers // Int. Journal of Low Carbon Technologies. - 2010. - Vol. 5. - No.4. - P. 250255.
11. Беляев Л.С., Марченко О.В., Соломин С.В. Исследование долгосрочных тенденций развития энергетики России и мира // Известия РАН. Энергетика. -2011. - № 2. - С. 3-11.
12. Marchenko, O.V. Efficiency of Small Wind/Diesel/Hydrogen Systems in Russia // Int. Journal of Renewable Energy Research. - 2013. - Vol. 3. - No.2. - P. 241-245.
13. Ma T., Nakamori Y Modeling technological change in energy systems - from optimization to agent-based modeling // Energy. - 2009. - Vol. 34. - P. 873-879.
14. Gutierrez-Alcaraz G., Sheble G.B. Modeling energy market dynamics using discrete event system simulation // Energy. - 2009. - Vol. 34. - P. 1467-1476.
15. Марченко О.В., Соломин С. В. Мультиагентная математическая модель энергетического рынка с возобновляемыми источниками энергии // Наука и современность. - 2014. - № 32-2. - C. 48-53.
SCIENCE TIME
16. Марченко О.В. Моделирование и оценка эффективности экономического механизма внедрения возобновляемых источников энергии: "зеленые сертификаты" // Известия РАН. Энергетика. - 2007. - № 2. - С. 17-25.
17. Marchenko O.V. Modeling of a green certifícate market // Renewable Energy. -2008. - Vol. 33. - No.8. - P. 976-990.
18. Марченко О.В. Системные исследования эффективности возобновляемых источников энергии // Теплоэнергетика. - 2010. - № 11. - С.12-17.
