CC BY
4
УДК 621.311:621.316
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-155-160
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ГЕНЕРИРУЮЩИХ МОЩНОСТЕЙ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
И.Н. Паскарь, Ф.С. Непша
В статье представлен алгоритм применения техноценоза при планировании развития генерирующих мощностей региональной энергосистемы. Выделены особенности применения моделей развития энергосистем. Для анализа применялись данные установленной мощности агрегатов электрических станций области, а также плановые вводы в эксплуатацию или выводы в ремонт агрегатов новых и существующих электрических станций. Результаты анализа позволили выявить особенности развития энергосистемы Кузбасса. Установлено, что для устойчивого и надежного функционирования необходимо добавить «хвост» - электростанции малой мощности, которые были бы установлены возле потребителей.
Ключевые слова: техноценоз, ранговое распределение, энергосистема, оптимизация, устойчивость, энергоэффективность.
Согласно [1] одними из основных проблем в социально-экономическом развитии страны являются: существенное различие уровня социально-экономического развития внутри регионов, что отражается в отставании уровня жизни населения сельских территорий от уровня жизни жителей городов; наличие инфраструктурных ограничений федерального значения на опорной транспортной сети и в сфере энергетики; неудовлетворительное состояние окружающей среды в большинстве регионов. Эти проблемы ставят приоритетные цели и задачи, которые нашли отражение в Стратегии научно-технического развития Российской Федерации [2]. При этом в ближайшие 10 лет необходимо подготовить и обеспечить переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям, к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике [3, 4, 5].
В связи с развитием технологий распределенной энергетики все более актуальной является задача планирования развития энергосистем. При этом важно понимать, что распределенная энергетика должна дополнять большую энергетику и обеспечивать повышение надежности и энергоэффективности функционирования энергосистемы. Крупнейшие аварии, произошедшие в энергосистеме за последнее время, принесли огромный ущерб компаниям, населению. К примеру, масштабная авария, произошедшая 26 января 2014 ода на двухцепной воздушной линии ВЛ 10 кВ Беловская - Ново-Ленинская. В результате аварии были остановлены 7 угольных предприятий и эвакуации более 1000 человек персонала [7]. 4 апреля 2015 года произошла пожар на трансформаторе АТ-2 ПС 220 кВ Ускатская из-за чего были обесточены 9 подстанций 110 кВ, 7 подстанций 35 кВ, 2 угольные шахты. Внедрение объектов распределенной генерации позволит обеспечить более высокий уровень надежности за счет размещения объектов генерации вблизи потребителей с поддержкой изолированного режима работы при возникновении системных аварий.
Схемы и программы развития электроэнергетики (СиПРЭ) субъекта РФ являются основой при разработке схем выдачи мощности электростанций региона, электрификации и энергообеспечения удаленных территорий и так далее, а также является по сути единственным стратегическим документом, которые определяет внедрение и развитие возобновляемых источников энергии [6]. Существующие модели несовершенны, не в полной мере учитывают особенностей развития территорий, необходимости всех участников процесса генерация-распределение-потребление.
Можно выделить основные тенденции в разработке моделей развития энергосистем.
Во-первых, это применение многопараметрических и многокритериальных моделей, в которых учитываются не только технологические аспекты, но и учитываются связи между участниками процесса. При моделировании учитываются параметры и характеристики всех участников процесса: генерирующих компаний, энергосбытовых организаций, сетевых компаний, а также потребителей электрической энергии и мощности. [8]
Во-вторых, в моделирования развития региональных энергосистем помимо электросетевых организаций участвуют и представители общественных организаций, органы власти, местный бизнес. Местные участники оказывают существенное влияние на режимы работы распределительных систем. Это происходит благодаря активному развитию микрогридов и возможности регулирования режимов потребления [8]. Для гармоничного развития энергосистем необходимо вовлечение в процесс формирования СИПРЭ всех заинтересованных сторон при объединении усилий министерств и департаментов субъектов России.
В-третьих, создание условий для модернизации региональных энергосистем. Поиск оптимального решения выполняется с использованием имитационного моделирования и оценки технологических, экономических, экологических характеристик планируемого к вводу генерирующего объекта. Федеральные и региональные власти заинтересованы в том, чтобы привлечь частных инвесторов к реконструкции
и строительству новых объектов в энергетике, их задачами является создание инвестиционной привлекательности [8]. Актуально рассматривать новые методы по оптимизации развития региональных энергосистем, которые позволят обеспечить эффективное развитие региона.
Методология. При анализе необходимости внедрения объектов распределенной генерации в регионе первым шагом стоит анализ действующих источников электроэнергии. В работах [9-12] для этих целей применяют техноценологический подход. В качестве особей техноценоза в этих работах выбраны электростанции. В этой работе особями будут агрегаты электрических станций, что будет более точно описывать ситуацию, так как они могут работать отдельно друг от друга, выходить из ценоза (из-за ремонта, аварийных ситуаций). На рис. 1 приведен алгоритм, по которому будет проведен анализ.
Построение и аппроксимация ранговых
распределенийтехноценоза \
^ Конец ^
Рис. 1. Алгоритм исследования объекта Сначала проанализируем объект на соответствие отличительным черт техноценоза (табл. 1) [9].
Таблица 1
Результаты оценки соответствия объекта «агрегаты электрических станций» _определению «техноценоз»_
Отличительная черта Соответствие
количество элементов ценоза практически бесконечно, каждая особь представляет собой структурную единицу ценоза нахождение в ЕЭС
в техноценозе выделяется единая инфраструктура: социально-экономические, информационные, энергетические связи нахождение в ЕЭС
в техноценозе четко определяется единая цель функционирования в данном случае надежное и качественное электроснабжение потребителей
границы ценоза не определены, не четки, что влечет ограничение в пространстве и времени границ; агрегаты могут выводиться в ремонт
невозможность собрать единую документацию, так как ежедневно происходит изменение объектов и границ ценоза частые ремонты, модернизация
техноценозу свойственно постоянное развитие модернизация структуры объектов ценоза
наличие слабых связей - электрических, информационных, технологических нахождение в ЕЭС
Таким образом, проанализировав объект «агрегаты электрических станций», делаем первичный вывод, что это техноценоз.
Далее строится ранговое Н-распределение, которое описывается следующим математическим выражением:
—
- (г) = — (1)
гр
где Р - характеристический показатель, определяющий степень крутизны кривой, г - ранг объекта, величина установленной мощности наиболее крупного объекта.
Характеристический показатель согласно [9] является наилучшим в диапазоне состояний техноценоза, описываемого ранговидовыми распределениями с 0,5 < р < 1,5.
Статистическое распределение можно называеть нормальным, если зависимость его среднего и дисперсии от объема выборки несущественна. Распределение вероятностей, которое в одномерном случае задается функцией плотности распределения, выражается следующим уравнением:
1
/ (X) = —= е а (2)
<7^1 2л
где параметр д - математическое ожидание, медиана и мода распределения, а параметр с - стандартное отклонение (с2 - дисперсия) распределения; х^ - мощность особи.
Затем проводится анализ полученных результатов проверкой гипотезы о несоответствии генеральной совокупности нормальному распределению по критерию Пирсона (3) и проверка гипотезы о нормальном распределении методом спрямленных диаграмм:
X =
(п]-пр]У
ПР1
(3)
Если точки не лежат вокруг какой-либо одной прямой, то выполняется проверка взаимосвязанных данных с помощью коэффициента конкордации, который определяется для совокупности ранговых распределений и показывает степень взаимосвязанности техноценоза:
где т - число групп, которые ранжируются, п - число переменных, 7} =
(4)
- показатель свя-
занных рангов в ранжировании, 5 = :
, Д;, - ранг /'-фактора у '-единицы.
Затем считается выборочный коэффициент линейной корреляции, который определяется для пары ранговых распределений и характеризует степень взаимосвязанности (5).
(5)
Д =
112-п1
•100
После проводится апроксимация. Каждое распределение в графической форме представляет собой совокупность точек, получаемых по эмпирическим данным:
(Х1, У1); (Х2, У2); ■■■; (х, у);...; (х„, у„), (6)
где / - формальный индекс; п - общее количество точек.
Точки - результат анализа табулированного рангового распределения техноценоза. Для каждого из распределений имеется свое число. С точки зрения последующей оптимизации техноценоза большое значение имеет аппроксимация эмпирических распределений. Ее задача заключается в подборе аналитической зависимости, наилучшим образом описывающей совокупность точек. Задается задаем в качестве стандартной формы гиперболическое аналитическое выражение вида:
у-/(х)=А (7)
где А и - параметры.
Результаты и обсуждение. По результатам рангового анализа агрегатов электрических станций в Кузбасса было построено параметрическое распределение за 2020 год (рис.2).
лю м
Г)
20 40 60
Ранг объекта
Рис.2. Ранговое параметрическое распределение техноценоза текущего состояния региональных
источников электроэнергии
Анализируя полученное распределение видно, что нет плавного перехода мощностей агрегатов. Подобное состояние является следствием развития мощных генерирующих мощностей страны, а также практически полное игнорирование малых электростанций.
Существующее положение дел региона в генерации электроэнергии приводит к снижению энергобезопасности. Аварийная ситуация на объектах производства электроэнергии или вывод в ремонт может привести к перебоям в электроснабжении региона.
В результате проверки данных на соответствие критериям Н- распределения по критерию Пирсона установлено, что теоретические и эмпирические частоты значимо отличаются:
Х2 = 59,537; х2кр = 12,592
Далее проводим проверку методом спрямленных диаграмм, по результатам которой отвергается гипотеза о нормальном распределении генеральной совокупности. Далее проводится процедуру апроксимации и выводим результаты на график (рис.3).
Далее выполняется аппроксимация ранговых распределений линейным методом наименьших квадратов. Вычисляются коэффициенты линейной регрессии и строим линеаризованный график. Получив значения коэффициентов регрессии, есть возможность восстановить первоначальную зависимость. После процедуры аппроксимации по нелинейному методу получены матрица и аналитическая зависимость (рис.4).
Далее проводится оценивание по истинной ошибке методами наименьших квадратов (МНК) и наименьших модулей (МНМ). По результатам оценки истинной ошибки более корректным является нелинейный метод наименьших квадратов. Наиболее корректным для определения Ш является использование метода наименьших модулей. Получаем следующее уравнение:
W =
448,63
г0,583
400
§ 300
й 200
20
40
Ранг объекта
60
SO
Рис. 3. Результаты аппроксимации действующих источников мощностей.
н 1.5x10"
1x10"
500
И
з
20
40
60
80
Ранг объекта
Рис. 4. Ранговое параметрическое распределение
Параметр входит в диапазон устойчивых состояний техноценоза (0,5 < р < 1,5). Проведем такой же анализ согласно программным документам развития генерирующего комплекса региона. В этих программах не предусматривается строительство новых электростанций, а только модернизация и увеличение мощности существующих.
Согласно СИПРЭ Кемеровской области 2021-2025 Аувеличение мощности на территории Кемеровской области - Кузбасса прогнозируется (с учетом ввода и демонтажа) снижение генерирующих мощностей на электростанциях Кемеровской области - Кузбасса в период до 2025 года на 101 МВт (относительно 2020 года). Скорректируем базу данных для анализа, получаем следующее значение:
411,653
Ш = —--.
Как видно, значение практически не изменилось, генерирующий комплекс не станет более устойчивым.
В апреле 2020 года было подписано соглашение между ПАО «Русгидро» и Администрацией Кузбасса на разработку проекта возведения Крапивинской ГЭС мощностью 300 МВт (три агрегата мощностью по 133 МВт каждый). сПроследим, как изменится ситуация в техноценозе региона с учетом запланированных мероприятий:
432 973 г0,556 '
Сравнив результаты при существующей ситуации, при плановом развитии согласно нормативным документам и при реализации проекта по строительству гидроэлектростанции на территории региона, можно заметить, что показатели устойчивости техноценоза почти не изменились.
Выводы. Существующие планы по изменению энергетического комплекса (демонтаж и ввод в эксплуатацию новых блоков, строительство ГЭС) не дадут желаемого эффекта по повышению энергетической безопасности региона, так как параметр устойчивого состояния техноценоза находится у нижней границы.
Для достижения высокой устойчивости (живучести) системы электроснабжения региона, необходимо, добавить «хвост» в Н-распределение, то есть небольших по мощности электростанций. Эти станции можно установить недалеко от непосредственного потребителя и, таким образом, повысить надежность электроснабжения самого потребителя, снизить стоимость электрической энергии. Это могло бы позволить добиться устойчивого Н-распределения, также повысить надежность и качество электроснабжения в энергосистеме.
Список литературы
1. Стратегия пространственного развития Российской Федерации на период до 2025 года: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.02.2019 г. №207-р / Российская Федерация. Правительство. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
158
2. Стратегия научно-технического развития Российской Федерации: Указ Президента Российской Федерации от 01.12.2016г. №642 / Российская Федерация/ Президент. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
3. Об утверждении Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики на период до 2035 года: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 12.06.2017 г. № 1209-р / Российская Федерация. Правительство. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
4. Энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 г. № 1523-р / Российская Федерация. Правительство. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
5. Об утверждении схемы и программы развития единой энергетической системы России на 2020-2026 годы: Приказ Минэнерго России от 30.06.2020 №508 / Российская Федерация. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
6. Об утверждении схемы и программы развития электроэнергетики Кемеровской области на период 2021-2026 годы: Указ Губернатора Кемеровской области-Кузбасса от 30.04.2020 года № 58-рг / Кемеровская область-Кузбасс. [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 09.03.2021).
7. Захаров С.А. Технический аудит сетей внешнего электроснабжения угольных шахт кемеровской области / С.А. Захаров, В.А. Воронин // Вестник КузГТУ. 2017. №1. C. 83-89.
8. Hunter K., Sreepathi S., DeCarolis J.F.. Modeling for Insight Using Tools for Energy Model Optimization and Analysis (TEMOA // Energy Economics, 40, pp. 339-349, DOI: 10.1016/j.eneco.2013.07.014
9. Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов // «Ценологические исследования». Выпуск 29. М., 2005.
10. Абельдаев А.Р. Разработка методики ранговой оптимизации развития распределенных источников электроэнергии групп потребителей для повышения надежности электроснабжения: спец. 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» дис. канд. техн. наук / Абельдаев Айвар Русланович; МИЭ. Москва, 2009. 225 с.
11. Грозных В.А. Разработка методики повышения надежности электроснабжения отдаленных поселений за счет ветроэнергетики (на примере Астраханской области): спец. 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» дис. канд. техн. наук: Грозных Вадим Алексеевич; МЭИ. Москва, 2011. 340 с.
12. Кучин П.Г. Концепция развития регионального комплекса электроснабжения потребителей (на примере Белгородской области): спец. 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» дис. канд. техн. наук: Кучин Павел Геннадьевич; МЭИ. Москва, 2011. 150 с.
Непша Федор Сергеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, nepshafs@gmail.com, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева,
Паскарь Иван Николаевич, аспирант, paskar-ivan@mail. ru, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева
APPLICATION OF THE TECHNOCENOLOGICAL APPROACH FOR PLANNING THE DEVELOPMENT OF GENERATING CAPACITIES OF THE REGIONAL ENERGY SYSTEM
I.N. Paskar, F.S. Nepsha
The article presents an algorithm for applying technocenosis in planning the development of generating capacities of the regional energy system. The features of the application of models for the development of power systems are highlighted. For the analysis, data on the installed capacity of the units of the electric power stations of the region, as well as planned commissioning or commissioning of new and existing electric power plants were used. The results of the analysis revealed the peculiarities of the development of the Kuzbass power system. It is established that for stable and reliable functioning, it is necessary to add a "tail" - low-power power plants that would be installed near consumers.
Key words: technocenosis, rank distribution, energy system, optimization, sustainability, energy efficiency.
Fedor Sergeevich Nepsha, candidate of technical sciences, senior researcher, nepshafs@gmail. com, Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev,
Paskar Ivan Nikolaevich, postgraduate, paskar-ivan@mail.ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev
