CC BY
22TECHNICAL SCIENCES
FORECASTING THE DEVELOPMENT OF LOCAL ENERGY ENERGY SYSTEM ENERGY CONSUMPTION BASED ON TECHNOLOGICAL APPROACH
Denysiuk S.
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Institute of Energy Saving and Energy Management KPI them. Igor Sikorsky
Derevianko D.
Ph.D., Senior Lecturer,
Institute of Energy Saving and Energy Management KPI them. Igor Sikorsky
Vasylenko V.
Assistant,
Institute of Energy Saving and Energy Management KPI them. Igor Sikorsky
Bespala N. Master student,
Institute of Energy Saving and Energy Management KPI them. Igor Sikorsky
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Денисюк С.П.
д.т.н., профессор,
Институт энергосбережения и энергоменеджмента КПИ им. Игоря Сикорского
Деревянко Д.Г. к.т.н., старший преподаватель,
Институт энергосбережения и энергоменеджмента КПИ им. Игоря Сикорского
Василенко В.И. ассистент,
Институт энергосбережения и энергоменеджмента КПИ им. Игоря Сикорского
Беспалая Н.Г. магистрант,
Институт энергосбережения и энергоменеджмента КПИ им. Игоря Сикорского
Abstract
The article analyzes the features of regional programs in the cities of Kiev and Moscow, and in Kiev and Belgorod regions, which address the development of local energy systems. A comparative description of some regional programs for the development of local energy systems is presented. The analysis of regional programs was carried out with the purpose of analyzing key indicators and ways of developing local energy systems, analyzing the characteristics of these programs.
Also, the method of forecasting energy consumption for solving problems of optimal control of energy consumption using the techno-cenological approach is considered.
For the local energy system, a basic set of energy consumption ranks is formalized, their functional responsibilities are defined and mathematical descriptions of the use of the technocenological approach are given.
Аннотация
В статье проанализированы особенности региональных программ в городах Киева и Москвы, и в Киевской и Белгородской областях, в которых рассмотрены вопросы развития локальных энергетических систем. Представлена сравнительная характеристика некоторых региональных программ по развитию локальных энергетических систем. Проведен анализ региональных программ с целью анализа ключевых показателей и путей развития локальных энергетических систем, анализ особенностей этих программ.
Также, рассмотрена методика прогнозирования энергетического потребления для решения задач оптимального управления электропотребления с помощью техноценологического подхода.
Для локальной энергетической системы формализовано базовую совокупность рангов энергопотребления, определены их функциональные обязанности и приведены математические описания использования техноценологического подхода.
Keywords: energy efficiency, energy system, Smart Grid, local energy systems, DSO, technocenosis, rank analysis.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, энергетическая система, Smart Grid, локальные энергетические системы, DSO, техноценоз, ранговый анализ.
Вступление
Одним из важных факторов развития энергетических систем считают наличие и полномасштабную реализацию программ энергосбережения, то
есть ряда мероприятий, которые позволяют повысить энергетическую эффективность производства и потребления энергии [1-3].
Локальная энергетическая система (ЛЭС) - это тип систем для передачи энергии в места потребления, или в непосредственной близости от них, с максимальным использованием возобновляемых (альтернативных) и местных ресурсов энергии [1].
Действенными способами модернизации ЛЭС и повышение энергоэффективности является развитие системы с точки зрения развития: из возобновляемых источников, изменения конфигурации и модернизации систем снабжения энергии, изменения техники и технологий генерации.
Модернизация и инновационное развитие энергетических систем с использованием новейших технологических решений и систем должны начинаться с инфраструктуры - в первую очередь именно эти преобразования должны стать катализатором дальнейшего развития всей энергетики.
Одной из концепций является Smart Grid, что можно определить, как быстро растущий комплекс технологий, технологических процессов, приложений, с помощью которых создаются электронные коммуникации нового поколения. Внедрение концепции Smart Grid является полностью интегрированной, саморегулирующейся и само возобновляемой электроэнергетической системой, имеющей сетевую топологию и включает в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все типы потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в режиме реального времени [4].
Операторы системы распределения (DSO) - организации, привлекающие наибольшие объемы инвестиций в реализацию проектов Smart Grid, в основном демонстрационные. С ростом уровней внедрения возобновляемых и распределенных
энергетических ресурсов, электромобилей и активного участия в спросе, DSO играть все более важную роль в содействии эффективному функционированию розничных рынков, предоставляя конечным пользователям энергии возможность выбрать лучшие энергетические контракты и позволить розничным компаниям предлагать варианты услуг, которые отвечают нуждам потребителей [5,6].
Smart Grid, позволяют DSO контролировать электроэнергию, которая протекает в сетях. На основе собранных данных DSO смогут адаптироваться к меняющимся условиям, автоматически изменяя конфигурацию сети и контролируя подключен спрос и распределенную генерацию. Smart Grid также создают новые возможности для клиентов и поставщиков услуг.
Также с точки зрения DSO наиболее важны [57]:
- однозначная идентификация объектов в пределах рассматриваемой сети; для этого необходимо использовать общую систему идентификации объектов, включая все сетки, участвующих в разумной сети;
- классификация объектов, используемых в сетке;
- уникальная схема обозначения значительно уменьшает планирования и эксплуатационные расходы
- анализ неисправностей на нескольких сетях, идентификация оборудования, подверженного неисправностей
- идентификация и распределение сообщений о состоянии в сетях связи (например. SCADA, протоколы учета.
Детальное описание принципов приведены в табл. 1.
Таблица 1.
Руководящие принципы для развития DSO.
Поддерживает безопасность и надежность сетки Обеспечивает энергетический переход, облегчает переход потребителей к низкоуглеродистой будущего по самой низкой цене Определяет наиболее экономичные решения для потребителей энергии
Безопасно развивает и эксплуатирует активную систему распределения, включая сети, спрос, генерацию. Создает равные условия для новых и существующих гибких технологий, провайдеров и решений и доступа к широкому спектру потоков доходов. Способствует проектированию рынков сочетают местные, региональные, национальные и международные решения, являются лучшими для клиентов.
Принимает во внимание двусторонние энергетические потоки и большую прерывистость поставки. Интегрирует все типы генерации и готовит и облегчает поглощение электростанций. Позволяет новым локальным рынкам осуществлять одноранговую торговлю, дает всем участникам, независимо от того, могут ли они быть покупателями, агрегаторами, традиционные игроки или третьи стороны, равный доступ к энергетическому рынку, не ставя под угрозу устойчивость сети или безопасность поставок
Координирует обмен информацией между DSO и операторами системы передачи, чтобы сбалансировать всю систему. Оптимизирует решение относительно инвестиций в сеть, используя альтернативные гибкие решения.
Обеспечивает, использует и координирует услуги гибкости, чтобы сбалансировать локальную сеть.
Преимуществом внедрения концепции Smart Grid, по развитию региональной энергетической системы, выступают такие показатели [5,7]:
- уменьшение затрат на интеграцию возобновляемых источников по сравнению с обычными инвестициями;
- обеспечение новых стимулов для клиентов, путем активного управления потреблением электроэнергии.
- уменьшение частоты отключений и затрат на их избежать;
- эффективно использовать существующую инфраструктуру для производства, транспортировки и потребления электроэнергии, что приводит к уменьшению потребности в новых линиях;
- оптимизация использования энергетических ресурсов и увеличение общей экономии энергии.
Также внедрение технологии Smart Grid означает фундаментальную реорганизацию электроэнергетической отрасли по:
- обеспечению бесперебойной работы электрической сети в условиях роста нагрузки;
- сокращению потерь электроэнергии за счет внедрения систем «интеллектуального» учета с возможностью оценки качества электроэнергии и ограничения нагрузки.
Переход к DSO означает взаимодействие с политиками и регуляторов для определения новых ролей и функций DSO. Они должны развиваться, становясь все более активными менеджерами сети. Для этого DSO потребует большего инструментария и адаптированной законодательной и регуля-торной базы, в свою очередь влияет на развитие энергетической системы. Регулирующие органы и политики должны способствовать предполагаемому и стабильному возвращению инвестиций, насколько это позволяют национальные условия, стимулируя более качественное обслуживание с помощью значимых и достижимых целей и результатов для DSO. Для инноваций финансовые стимулы должны поощрять DSO к принятию и внедрению новых технологий и подходов, минимизируя
финансовые риски. Поддержка научных исследований и разработок, которая ориентирована на технологические инновации, позволит DSO выполнять свою роль как нейтральный посредник рынка и предоставлять услуги по разумной сети.
Концепция Smart Grid и DSO соответствует цели программ развития регинальных энергетических систем. Опыт разработки региональных программ развития энергетики заслуживает отдельного внимания, ведь от них во многом зависит продвижение проектов по использованию возобновляемой энергетики, привлечения новых технологий и внедрения многих мероприятий по энергосбережению на региональном и местном уровнях.
Повышение эффективности и надежности функционирования коммунальной энергетики региона планируется осуществить путем модернизации теплогенерирующего оборудования, привлечение в энергетический оборот вторичных возобновляемых источников энергии, внедрения современных энергоэффективных технологий и оборудования на принципах устойчивого развития. Привлечение в энергобаланс вторичных возобновляемых энергоресурсов рассматривается как один из инструментов повышения энергонезависимости региона.
Уменьшение энергоемкости продукции и услуг программами предполагается достичь за счет внедрения современных технологий, оборудования и оборудования, а также уменьшение потерь энергоресурсов. Для развития ЛЭС необходимо сопоставления похожих внедрённых мероприятиях региональных целевых экономических программ энергоэффективности, таких как в городах Киев и Москва, а именно Планов мероприятий на 20162020 гг. и Киевской и Белгородской областях в настоящее время действуют областные комплексные программы энергоэффективности и энергосбережения на 2018-2025 гг. [13,14]. Внедрении мероприятия в регионах проанализированы в таблицах 2 и 3, в городах Киев и Москва, и в Киевской и Белгородской областях [10-14].
Таблица 2.
Сопоставление внедренных мероприятий, направленных на развитие ЛЭС в Киеве и Москве,
Название региона Похожие мероприятия, которые описаны в региональных программах городов Киева и Москвы Мероприятия, которые применяются только выделенного региона
г. Киев Техническое развитие, модернизация и строительство электрических сетей и оборудования Возмещение части суммы кредита, привлеченного объединением совладельцев многоквартирных домов на внедрение энергоэффективных мероприятий
Мероприятия по снижению и / или недопущению сверхурочных расходов электроэнергии Внедрение АСКУЭ для потребителей-юридических лиц
Внедрение и развитие автоматизированных систем диспетчерского технологического управления Внедрение АСКУЭ на границе балансовой принадлежности сетей
г. Москва Модернизация газовых электростанций Построение изолированных вводов в индивидуальные жилые здания.
Модернизация централизованно отапливаемых зданий сферы услуг Повышение энергоэффективности железнодорожного транспорта
Модернизация систем горячего водоснабжения сферы услуг Повышение энергоэффективности метрополитена
Модернизация систем освещения в жилых зданиях Перевод автобусов на гибридные аналоги
Модернизация котельных Перевод легковых автомобилей на гибридные аналоги
Таблица 3.
Сопоставление внедренных мероприятий, направленных на развитие ЛЭС __в Киевской и Белгородской областях._
Название региона Похожие мероприятия, которые описаны в региональных программах Киевской и Белгородской областях Мероприятия, которые применяются только выделенного региона
Киевская область Техническое развитие, модернизация та строительство электрических сетей та оборудования Модернизация программно-технических средств автоматизации оперативно-диспетчерского управления - оперативно информационного комплекса, системы телеизмерений, телесигнализации на диспетчерских центрах Компании - в сетях 110-35кВ и 10-6-0 , 4кв.
Замена тепловых сетей за новыми технологиями Оптимизация схем нормальных режимов эксплуатации электрических сетей.
Замена двигателей в системах водоснабжения Снижение времени эксплуатации неоптимальных схем распределения и поставки электроэнергии, за счет сокращения продолжительности выполнения ремонтных и аварийно-восстановительных работ.
Белградская область Внедрение частотно-регулированного привода Реконструкция и модернизация электростанций на следующих видах топлива: газ, твердое топливо, мазут
Оснащение приборами учета используемых энергетических ресурсов Реконструкция воздушных линий среднего и низкого напряжения 35-0,38 кВ
Комплексный энергосберегающий капитальный ремонт многоквартирных жилых домов Замена насосной техники в системах водоснабжения
В таблицах 2 и 3 выделяются мероприятия, которые встречаются в региональных программах развития и являются похожими, а также те мероприятия, что применяются только выделенного региона. Стоимость внедряемых мероприятий в городах Киев и Москва составляют 4 511 673 и 50 489 496 млн евро, а в Киевской и Белгородской областях - 8 572 081 и 69 266 583 млн евро. Выделяемые средства отличаются и это зависит как от размера региона, так и от мероприятий.
Среди вопросов прогнозирования развития ЛЭС, которые значительным образом влияют на социально-экономическое положение и находятся в компетенции местных органов власти, следует отнести: развитие энергетической инфраструктуры, оптимизация энергопотребления, в первую очередь, за счет увеличения использования собственных видов энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а в дальнейшем, переход к устойчивому развитию. Ранее вопросами прогнозирования развития ЛЭС занимались Малышев Е. А, а также Солоницын А. Г. [812]. Данный вопрос рассмотрен не полностью и требует доработки.
При прогнозировании энергетического потребления объектами техноценоза ставится задача, где показатели потребления ресурсов объектами выступают в качестве функциональных параметров, по которым строятся кривые рангового распределения. Для решения поставленной задачи требуется проведение предварительных исследований и описательного анализа [9].
Термин техноценоз определяется как сообщество всех изделий, ограниченной в пространстве и
времени; имеет слабые связи и слабые взаимодействия элементов, образующих систему искусственного происхождения, характеризуется неисправностью времени жизни ценоза и особи, невозможностью выделения однозначной системы показателей. Устойчивость технической системы обусловлена действием законов энергетического и информационного отборов по аналогии с живыми системами, где действует закон естественного отбора [10].
Для повышения эффективности прогнозирования развития ЛЭС необходимо [10,11]:
-определение ключевых направлений и формулирование ряда наиболее приоритетных задач ЛЭС;
- обеспечение задач и результатов различных прогнозов;
- организация контроля за выполнением прогнозов, программ и за использованием ресурсов для этих целей;
- создание дополнительного источника доходов для локального бюджета с целью самостоятельного финансирования важнейших для ЛЭС программ развития.
Решение вышеуказанных задач будет способствовать максимального раскрытия потенциала развития ЛЭС. Что предполагает развитие территорий, реализацию инновационных методов развития ЛЭС. Также развитие характеризуется более эффективным использованием ресурсов, увеличением человеческого капитала и повышением роли инноваций.
Дальнейший анализ выполнен для 24 учебных заведений Соломенского района города Киева, как примера ЛЭС. Данные для анализа были взяты с отчетов энергоаудита учебных заведений Соломен-
ского района города Киева. Несколько мелких объектов исключены из рассмотрения из-за неполноты исходных данных.
Ранговый коэффициент конкордации Кен-далла используется с целью определения зависимости между количественными и качественными признаками, характеризующими однородные объекты и ранжированных по одному принципу, для которых можно записать уравнение [15]:
12 ' ^
тг =
т (п - п)
Формула (1) используется для определения коэффициента конкордаци, если нет связных рангов, как и представлено в данном случае.
Коэффициент конкордации показывает согласованность перемещения объектов по ранговой поверхности. Если все ранги при движении по поверхности совпадают, то W = 1, если не совпадают - то W = 0. Таким образом, если 0 < W < 0,5, тогда коэффициент конкордаци не значим, если больше 0,5 - значим.
Полученное значение оценивается значимостью с помощью коэффициента Пирсона умножением данного коэффициента на количество экспертов и на число степеней свободы (т-1). Расчётные данные представлены в табл. 1.
(1)
где - сумма разницы между числом последовательностей и числом инверсий за второй признаком; т - число месяцев потребления электроенер-гии; п - количество учебных заведений.
Таблица 1.
Расчетные коэффициенты конкордации потребления электрической энергии для учебных заведений.
T год W X2
2015 0,846 17,92
2016 0,838 17,949
2017 0,851 17,955
Для изучаемой совокупности данных коэффи- ранговый коэффициент, что характеризирует сту-
циент конкордации значим, что свидетельствует о взаимосвязи исследуемого техноценоз. Проверка двух гипотез показала, что генеральная совокупность данных является ярко выраженным техноце-нозом.
W =
w
■Л .
г
пень крутизны кривой распределения.
Коэффициент в может определяется как табличное значения, так и за формулой, представленной ниже:
(3)
(2)
где г - ранг по параметру; Wn - максимальное значение параметра электропотребления учебного заведения с рангом 24, то есть в первой точке; в -
Полученные результаты расчетов, согласно формул 2 и 3, значения параметров распределения и аналитической зависимости электропотребления объектами техноценоза, отображены в табл. 2.
Таблица 2.
Ранговое распределение электрической энергии
T год Параметры распределения Аналитическая зависимость
Wn ß
2015 775,51 0,884 775,51/ г0884
2016 770,72 0,891 770,72/ г0'891
2017 636,16 1,094 636,16/ г1094
Выделение и описание техноценоза сопровождается формированием базы данных. В рамках этой процедуры в этом исследовании осуществлен сбор информации по исследуемой области, а именно, данных о потреблении учебными заведениями
электроэнергии с историей на глубину 3 лет за период с 2015 по 2017 гг. Совокупность полученных ранговых распределений по параметру электропотребления задает ранговою поверхность, представленную на рис.1.
Рис. 1 -Трехмерная ранговая поверхность объектов техноценоза за период с 2015 по 2017 гг: абсцисса - ранг объекта; ордината - временной интервал (год); аппликата - электропотребления учебных заведений, кВт ч.
Согласно рис. 1 совокупность данных электропотребления не подчиняется нормальному закону распределения и данные являются значимо взаимосвязанными за период с 2015 по 2017гг.
Дальнейшая аппроксимация значений на границах участков дает переменный доверительный интервал распределения. Учитывая принятые допущения относительно экспериментальных точек, выходящих за пределы доверительного интервала, можно сделать следующие выводы. Если точка входит в доверительный интервал, то в пределах гауссова разброса параметров можно судить, что данный объект потребляет электроэнергию нормально
для своего участка разбиения рангового распределения. Если точка находится ниже доверительного интервала, то это, как правило, свидетельствует о нарушении нормального технологического процесса электропотребления на данном объекте. Если точка находится выше интервала, то на соответствующем объекте имеет место аномально большое потребление электроэнергии. Именно на эти объекты в первую очередь должно нацеливаться углубленное энергетическое обследование, показано на рис. 2.
0 10 20 30
г
Рисунок 2. Гауссовой доверительный интервал для объектов техноценоза
Благодаря анализу доверительного интервала можно оценивать в любой момент времени и прогнозировать изменение в будущем динамических свойств как техноценоз в целом, так и его объектов частности.
Выявление аномальных зон, которые не попадают в доверительный интервал, помогает определить объекты техноценоза, которые требуют первоочередного модернизации и внедрения мероприятий по энергосбережению. Благодаря этому мы
можем прогнозировать развитие локальной энергетической системы.
Согласно рис. 2 в доверительный интервал не попадает 11 объектов техноценоза. То есть, для этих 11 учебных заведений необходимо проводить модернизацию и меры, которые способствуют развитию ЛЭС.
Выводы
1. Закрепление на законодательном уровне внедрения концепции - Smart Grid - это эффективный метод модернизации энергетического сектора, реформирования энергетических рынков, улучшение конкурентоспособности энергетической отрасли, создание новых рабочих мест и ускорение экономического роста
2. В работе применяется и адаптируется тех-ноценологичний подхода для прогнозирования развития ЛЭС. Актуализируется определения объемов электроэнергетики и мощности для региона и для каждого муниципального образования как конечного потребителя на основании проведения детального анализа месячных и годовых объектов электроснабжения, а именно для 24 учебных заведений Соломенского района города Киева. На этапе построения эмпирической модели процесса энергопотребления, техноценоз осуществляется как полномасштабная статистическая обработка данных по энергопотреблению, которая включает взаимосвязанные процедуры рангового анализа. Для изучаемой совокупности данных коэффициент конкорда-ции значим, что свидетельствует о взаимосвязи исследуемого техноценоза.
3. Процедура оптимизации системы состоит в совместной работе с табулированных и графическим делениями и сравнительно идеальной кривой с реальной, после чего нужно внедрить меры на повышение энергетической эффективности объектов в системе, чтобы точки реальной кривой стремились лечь на идеальную кривую.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Обновление Энергетической стратегии Украины на период до 2030 г. [Электронный ресурс]: URL http://mpe.kmu.gov.ua/fuel/control/ uk / publish / article? Artid = 222035 (дата обращения 07.05.2019).
2. Солоницын А. Г. Локальные электроэнергетические системы с широким использованием возобновляемых источников: дис. канд. техн. наук: 05.09.03 / Солоницын Александр Геннадьевич -Владивосток, 2006. - С. 247.
3. Перечень основных нормативно-правовых актов регулирования вопросов энергоэффективности и энергосбережения [Электронный ресурс]: URL http://mpe.kmu.gov.ua/minugol/control/uk/ doccatalog / list? CurrDir = 208607 (дата обращения 07.05.2019).
4. Мазурова О.В. Роль новых технологий в снижении энергоемкости промышленности // Промышленная энергетика. 2011. № 11. С. 2-7.
5. Романова А.В. Условия и факторы структурной модернизации региональной промышленной системы // Экономика региона. 2011. № 2 (26). С. 40-49.
6. SMART GRID [Электронный ресурс]: URL http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm (дата обращения 07.05.2019).
7. DSO приоритеты для стандартов SMART GRID [Электронный ресурс]: URL https://www.edsoforsmartgrids.eu/wp-content/uploads/public/DSO-Priorities-Smart-Gird-Standardisation.pdf (дата обращения 07.05.2019).
8. Роли DSO в содействии участия потребителей на рынке [Электронный ресурс]: URL https ://www.ceer. eu/documents/104400/-/-/cf3 3cb12-82bf-afc0-9b02-09afc46b0526 (дата обращения 07.05.2019).
9. Моделирование перехода DSO с использованием модели архитектуры Smart Grid [Электронный ресурс]: URL http://www.energynetworks.org/assets/files/Modelling -DSO-Transition-Using-
SGAM_Issue2.1_PublicDomain.pdf (дата обращения 07.05.2019).
10. План мероприятий на 2016-2018 гг. По реализации Стратегии развития города Киева до 2025 г.. [Электронный ресурс]: URL https://old.kyivcity.gov.ua/files/2016/12/2/Plan-Strategy-2025.pdf (дата обращения 07.05.2019).
11. Обновление Энергетической стратегии Украины на период до 2030 г.. [Электронный ресурс]: URL http://mpe.kmu.gov.ua/fuel/control/ uk / publish / article? Artid = 222035 (дата обращения 07.05.2019).
12. ПРОГРАММА энергосбережения (повышение энергоэффективности) Киевской области на 2017 - 2020 годы [Электронный ресурс]: URL http://koda.gov.ua/wp-
content/uploads/2017/04/Proekt_Programi_3149.pdf (дата обращения 07.05.2019).
13. Проект совместного осуществления «Модернизация системы распределительных электросетей ОАО« АЭС Киевоблэнерго ». [Электронный ресурс]: URL http://www.seia.gov.ua/seia/doccatalog/document?id= 137441 (дата обращения 07.05.2019).
14. ПАСПОРТ национальной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» [Электронный ресурс]: URL http://docs.cntd.ru/document/432818115 (дата обращения 07.05.2019).
15. Кудрин Б.И. Введение в технетику. Томск: ТГУ, 1993. С. 552
16. Малышев Е.А. Методы прогнозирования и планирования в энергетической отрасли // Социально-экономические и общие науки. // Вестник 2012. №6 (65). С. 178-181.
17. Гнатюк В.И., Лагуткин О.Е. Ранговые анализ техноценоз. Калининград: БНЦ РАЕН -КВИ ФПС РФ, 2000. 86 с.
