ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ В ПЕРИОДЫ ПИКОВЫХ ЦЕН

Паниковская Т.Ю.

Доцент, к.т.н., кафедра автоматизированных электрических систем

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ В ПЕРИОДЫ ПИКОВЫХ ЦЕН

Аннотация

В статье предлагается методика оценки ущерба от ограничения нагрузки на стороне потребителей в периоды максимальных нагрузок энергосистемы. Показано, что широкий диапазон изменения цен на электрическую энергию между часами минимальных и максимальных нагрузок стимулирует потребителей к ограничению или перераспределению нагрузки по времени.

Ключевые слова: удельный ущерб, управление потреблением, график нагрузки, ограничение электропотребления.

Key words: specific damage, Demand Side Management, schedule load, limitation of power consumption.

Прогнозируемый рост электропотребления во многих странах требует реконструкции существующих или строительства новых источников генерации и сетевых комплексов, что приводит к отвлечению значительных финансовых ресурсов, имеет длительные сроки окупаемости и, в конечном итоге, приводит к росту издержек, связанных с эксплуатацией и техническим обслуживанием объектов. Оптимальным решением проблемы снижения энергопотребления в часы максимальных нагрузок является широкое внедрение и развитие программ управления спросом (Demand Side Management) [1, 2], которые:

• способствуют выравниванию общесистемного графика нагрузок, за счет: снижения электропотребления в период максимальных нагрузок, пропорционального снижения потребления на суточном интервале, снижения электропотребления за счет переноса нагрузки на часы минимальных нагрузок;
• стимулируют потребителей к внедрению интеллектуальных систем учета и управления потреблением;
• способствуют повышению системной надежности и устойчивости;
• предоставляют финансовые и экологические обоснованные решения для повышения надежности и качества поставок ЭЭ, охраны окружающей среды;
• приводят к снижению потерь ЭЭ в энергосистеме за счет оптимизации электрических режимов.

Традиционно управление потреблением (DSM) включает мероприятия (рис. 1), направленные на:

• повышение энергетической эффективности – Energy efficiency;
• управление спросом – Demand response.

Рис.1. Классификация программ управления потреблением

Управление спросом определяется как комплекс мер, нацеленных на корректировку графика нагрузки конечными потребителями в ответ на изменение стоимости электроэнергии в течение времени, либо благодаря компенсационным выплатам, разработанным для стимулирования к снижению потребления во время пиков нагрузки или в случае возникновения угрозы функционирования энергосистемы.

При анализе возможности потребителя регулировать нагрузку в течение суток, прежде всего, следует рассмотреть классификацию потребителей с точки зрения их участия в рынках электроэнергии и мощности. Участниками оптового рынка являются генерирующие компании, крупные станции, потребители и энергосбытовые организации. В рамках розничных рынков реализуется ЭЭ, приобретенная на оптовом рынке, а также электроэнергия генерирующих компаний, не являющихся участниками оптового рынка. Цены на оптовом рынке ЭЭ и мощности России (сектор «рынок на сутки вперед» (РСВ)) формируются на основе реальных заявленных объемов выработки и потребления, изменяются каждый час и доводятся до сведения участников до реализации фактического режима [3]. Нерегулируемые цены на розничных рынках для потребителей 3-6 ценовых категорий также изменяются на часовых интервалах в течение суток [4, 5]. Следовательно, потребители могут в краткосрочной перспективе откорректировать свою нагрузку, снизив физические объемы потребления в объемах, существенных для формирования цен на рынке. При оперативном планировании режима работы энергосистемы наиболее значимыми для потребителя являются оценка и учет ущерба от резкого увеличения цен на ЭЭ при сохранении запланированного или снижении электропотребления.

Для потребителя (при возникновении необходимости разгрузки оборудования) можно выделить два следующих основных аспекта:

• технологический, направленный на изменение или останов производственного цикла, управление собственными источниками генерации или использование различного рода накопителей энергии;
• экономический, приводящий к разгрузке дорогих малоэффективных мощностей в пиковые периоды, и, соответственно, уменьшающий плату за максимальную мощность и электроэнергию для потребителя.

Некоторые потребители уже сегодня снижают свое потребление в часы максимальных нагрузок, однако, индивидуальный эффект отдельных субъектов пока недостаточен для снижения пиковых цен. Реальные графики снижения электропотребления в пиковые часы приведены на рис. 2.

                                       а)                                                                                           б)

Рис.2. Снижение нагрузки потребителей в часы пиковых нагрузок:

а) ОАО «Сибнефтепровод»; б) ОАО «Российские железные дороги»

С позиции потребителя целесообразно определить следующие очереди ограничений:

• первую очередь составляют наименее важные для технологического процесса, а также вспомогательные нагрузки;
• вторую – нагрузки, отключаемые с наименьшим ущербом для предприятия;
• третью – нагрузки, допустимые для отключения без останова основного производства;
• четвертую – частичное или полное прекращение процесса производства, которым соответствует максимальный ущерб от снижения потребления.

Ограничения электрической нагрузки для потребителей можно разделить на разгрузку по внешней и внутренней инициативам. К первой группе относятся: аварийные (внезапные), ограничения с предупреждением потребителей в течение суток и плановые (при проведении плановых ремонтов основного оборудования, предотвращения и ликвидации аварий, для увеличения пропускной способности связей ЭЭС и др.) [6]. Ко второй группе можно отнести способность потребителя планово ограничивать объемы потребления на определенное время: несколько часов в сутки, в месяц, квартал или в год.

Удельный ущерб от ограничения электропотребления характеризуется следующими составляющими:

• • • • недовыработкой или несвоевременной выработкой продукции и снижением прибыли предприятия;
      • недоиспользованием основных производственных фондов предприятия, непроизводительными затратами различных видов энергии;
      • простоем и нерациональным использованием рабочей силы во время ограничения нагрузки, расстройством технологического процесса, браком и порчей сырья и готовой продукции;
      • снижением конкурентоспособности предприятия;
      • штрафами от нарушения графика поставки продукции и др.

Основная задача потребителя при принятии решения об ограничении электропотребления в часы максимальных нагрузок является оценка удельного ущерба от повышения цен на ЭЭ в пиковые часы и определение оптимального ограничения нагрузки как функции цены электроэнергии. Графически зависимость ограничения мощности нагрузок можно представить в виде прямой, приведенной на рис. 3, а. Тогда ущерб потребителя от ограничения электрической нагрузки предприятия на текущем расчетном интервале  можно записать в виде:

(1)

где  – функция удельного ущерба предприятия от ограничения электропотребления на расчетном интервале;

 – глубина ограничения нагрузки;  – текущая цена электроэнергии на рынке.

Оптимальное для данной цены ограничение нагрузки определяется исходя из критерия минимального ущерба (1)

.

(2)

При линейной характеристике удельного ущерба  критериальное уравнение преобразуется к виду

(3)

где – постоянные коэффициенты для функции удельного ущерба.

Оптимальная мощность ограничения и полный ущерб определяются выражениями

	(4)
	(5)

Ограничение нагрузки целесообразно, если выполняются следующие условия  и , то есть удельный ущерб  от ограничения должен быть меньше цены ЭЭ.

Реально функция удельного ущерба является кусочно-линейной и наиболее часто представляется в виде трех или большего количества участков, каждый из которых представляет текущую очередь отключений (рис. 3, б)

(6)

где  – соответственно максимальные значения целесообразных ограничений нагрузки на первом, втором и третьем интервалах.

Для определения оптимальных ограничений для функции (6) формируется выражение, аналогичное критериальному уравнению (4), но при этом ось ограничений разбивается на несколько интервалов. Для любого количества  участков кусочно-линейной характеристики оптимальное ограничение можно определить по выражению

.

(7)

 

 

 

Рис. 3.  Характеристики ограничения нагрузки:

а) линейная характеристика; б) кусочно-линейная характеристика

Удельные ущербы хорошо аппроксимируются степенной функцией вида [6]:

(8)

где – относительная  глубина ограничения нагрузки.

В точке минимального ущерба

(9)

Отсюда в точке экстремума

(10)

  при этом удельный и полный ущербы для рассматриваемого часового интервала  соответственно равны

	(11)
.	(12)

Результаты тестовых расчетов

При проведении тестовых расчетов удельный ущерб моделировался кусочно-линейной (5) и степенной функциями (8), значения коэффициентов были приняты по данным [6] для нагрузки промышленного назначения (машиностроение, металлургия, химическая промышленность).

Моделирование удельного ущерба кусочно-линейной функцией позволило определить целесообразные значения ограничений в зависимости от текущей цены сектора РСВ оптового рынка ЭЭ и мощности (рис. 4, 5).

На рис.6 приведены оптимальные значения ограничения нагрузки для аппроксимации удельного ущерба степенной зависимостью, приняты следующие значения коэффициентов удельного ущерба (отн.ед.): . На рис. 7 приведены зависимости полного ущерба  (отн. ед.) от установленных конкурентных цен   и глубины ограничения нагрузки , определены области, для которых целесообразно проводить разгрузку оборудования. При росте  характеристики ущерба смещаются в сторону увеличения , определяя предельную цену , при которой единственным правильным решением для потребителя является его полное отключение.

Рис. 4. Моделирование ограничения нагрузки кусочно-линейной функцией

с параметрами: 

Рис. 5. Ограничение нагрузки во времени в течение суток

(для кусочно-линейной зависимости )

Рис. 6. Ограничение нагрузки во времени в течение суток

(для степенной функции )

Рис. 7. Зависимости полного ущерба (о.е.) для различных рыночных цен  и глубины ограничения нагрузки 

Выводы

При увеличении цен на ЭЭ в пиковые часы замещение малоэффективной дорогой генерации снижением нагрузки со стороны потребителя может принести положительный эффект для рынка в целом. Ограничение мощности со стороны потребителя приводит к уменьшению дохода потребителя, но может быть скомпенсировано сокращением издержек (платежей за максимальную мощность и ЭЭ) и, в конечном итоге, может привести к увеличению суммарной прибыли.

Моделирование характеристик удельного ущерба потребителя в зависимости от текущей цены электроэнергии на секторе РСВ различными функциями позволяет определить оптимальные значения ограничений.

Разработка и внедрение программ, стимулирующих потребителей ЭЭ к снижению спроса в пиковые часы, позволят более полно задействовать существующие генерирующие мощности, снизить неравномерность суточного графика нагрузки, получить общесистемный энергосберегающий эффект. Следовательно, потребительский сектор должен играть более активную регулирующую роль в функционировании оптового и розничных рынков электроэнергии и мощности.

Литература

1. Згруровець О.В., Костенко Г.П. Эффективные методы управления потреблением электрической энергии  // Проблеми загальноi енергетики. Киев. №16 – 2007 г.
2. Постановление Правительства РФ от 31 августа 2006 года № 529 «О совершенствовании порядка функционирования оптового рынка электрической энергии (мощности)» // Российская газета. № 4160 – 2006 г.
3. Постановление Правительства РФ от 31 августа 2006 года № 530 «Правила функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики» // Российская газета. № 4160 – 2006 г.
4. Business-gazeta.ru. Фадеева Е. Энергетики предлагают шесть ценовых меню для расчетов за электроэнергию / Режим доступа: http://www.business-gazeta.ru/article/52287/10.01.2012.
5. Непомнящий В.А. Экономические проблемы повышения надежности электроснабжения / В.А. Непомнящий – Ташкент: Изд-во Фан, 1985. – 200 с.