МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОМЕСЯЧНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕГИОНА ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ПРИНЯТИЯ СТРАТЕГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО

На правах рукописи

ПАХОМОВ Андрей Викторович

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОМЕСЯЧНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕГИОНА ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ПРИНЯТИЯ СТРАТЕГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЮ

Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель – доктор технических наук,

профессор КУДРИН Борис Иванович

Официальные оппоненты – доктор технических наук,

ЛЯХОМСКИЙ Александр Валентинович

кандидат технических наук,

ОШУРКОВ Михаил Геннадьевич

Ведущая организация – ОАО «Тюменская энергосбытовая компания»

Защита состоится 22 мая 2009 г. в аудитории М-611 в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан _______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переходный период в электроэнергетике, реструктуризация отрасли народного хозяйства положили начало формирования целевой модели рынка электрической энергии. Проблемы отрасли, такие как дефицит генерирующих мощностей, сетевые ограничения, ветхость оборудования, политизированность ценообразования заставили промышленные предприятия, организации и учреждения уделять большое внимание обеспечению электроэнергии для ведения основного вида деятельности. Ожидаемое на перспективу удвоение стоимости электрической энергии к 2011 году ставит перед потребителями вопросы, как обеспечивать свою потребность в энергоресурсах. Актуальность темы исследования определяется увеличивающимся значением электрической энергии в развитии отраслей экономики. Так в соответствии с генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики до 2020 года электропотребление России в 2005 г. составляло 980 млрд. кВтч в 2010 и 2020 гг. составит соответственно 1197 млрд. кВтч и 1710 млрд. кВтч. При этом изменяется соотношение групп потребителей по величине расхода электрической энергии. Тогда для каждого предприятия актуально определить, сколько электрической энергии ему нужно заказать, учитывая вид его деятельности. Такой прогноз необходимо делать на сутки, месяц, год.

Экономическое развитие и многообразие отраслей хозяйственной деятельности в крупных городах России определяют величину и динамику их электропотребления. Для принятия стратегических решений по развитию инфраструктуры, обеспечивающей надежное и экономичное энергоснабжение предприятий, учреждений и организаций необходимо планировать и изучать распределение ресурса – электроэнергии между характерными группами потребителей. Дефицит электроэнергии в ряде регионов России и, как следствие, ввод ограничений потребителей ставят вопросы за счет каких предприятий и организаций, происходит рост электропотребления, усиливается неравномерность графика нагрузки.

Построение рыночных отношений по принципу выделения нескольких секторов оборота электрической энергии как товара, предопределило первостепенную важность планирования электропотребления для потребителей электрической энергии. Необходимость планирования энергосбытовой деятельности производителей, энергосбытовых организаций и планирование потребления потребителями, как в отдельности, так и в совокупности выходит на первый план при закупках электрической энергии.

Энергоемкость производимой продукции на предприятиях различных отраслей экономики в 2 и более раза превышает аналогичные показатели в развитых странах. Оценка внедряемых программ энергосбережения на предприятиях, организациях, учреждениях требует знания структуры электропотребления по различным направлениям экономической деятельности. Выполнение программ энергосбережения невозможно без понимания субъектного состава потребителей.

Поэтому актуально прогнозирование помесячного расхода электрической энергии групп потребителей региона, опирающееся как на существующие методики прогнозирования (анализ временных рядов, составление регрессионных моделей и др.), так и на новые ценологические представления самоорганизации, что позволит верифицировать результаты прогноза электропотребления региона в целом и дать оценку изменению расхода электроэнергии каждой группы. При этом важно учитывать внутренние и внешние факторы, влияющие на динамику электропотребления. Результаты прогноза дадут возможность принимать научно - обоснованные решения по вопросам электропотребления.

Цель работы.

Разработка методики прогнозирования помесячного расхода электрической энергии сообщества групп потребителей региона для мониторинга баланса электропотребления, оценки результатов энергосбережения и принятия стратегических решений.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Сформирована статистическая выборка потребителей электрической энергии региона, включающая всех потребителей – юридических лиц Москвы.
2. Выполнена классификация потребителей электрической энергии путем выделения групп потребителей по видам их деятельности.
3. Адаптирован математический аппарат вероятностных представлений для анализа непостоянных массивов исследуемых данных.
4. Выполнена проверка статистических моделей, использующих структуру потребителей электрической энергии региона по их групповой принадлежности и величине расхода электрической энергии.
5. Выявлены устойчивые статистические и ценологические зависимости изменения величины расхода электрической энергии группами потребителей.
6. Сформирован алгоритм прогнозирования помесячного расхода электрической энергии различными группами потребителей региона на год вперед по месяцам.
7. Выполнен анализ взаимозависимости электропотребления каждой из исследуемых групп для выдачи рекомендаций потребителю и исполнительной власти.

Методы исследования.

При выполнении работы применялись методы теории вероятностей и математической статистики, ценологическая теория. Моделируя структуру потребителей по выбранному признаку (величине потребляемой электрической энергии), выявлялись математические зависимости и на их основе определялись ключевые параметры. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, реализованных в виде программных средств.

Выводы и предложения основываются на анализе статистических данных о помесячных расходах электрической энергии различными потребителями города Москва за период с января 2004 г. по август 2006 г.

Научная новизна работы:

1. Для целей мониторинга и энергосбережения впервые формализовано выделение объемов помесячного электропотребления потребителей мегаполиса (свыше 70 тыс. потребителей).
2. Доказано, что ранговые распределения групп потребителей региона по величине расхода электроэнергии принадлежат к классу устойчивых негауссовых безгранично делимых распределений.
3. Показано, что устойчивость рангового распределения моделируется гиперболическим Н-распределением, задаваемым характеристическим показателем.
4. Установлено свойство самоорганизации элементов сообщества групп потребителей, выражающееся в сезонном изменении значения характеристического показателя.
5. Разработана методика расчета расхода электроэнергии сообщества групп потребителей региона по месяцам на год вперед на основании выявленных устойчивых статистических и ценологических зависимостей изменения величины расхода электрической энергии групп потребителей.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики по классификации групп, в создании алгоритма выполнения расчета прогноза расхода электроэнергии совокупностью групп потребителей региона по месяцам на год вперед для мониторинга баланса электропотребления, оценки результатов энергосбережения и принятия стратегических решений. Алгоритм расчета описан языком программирования и создан программный продукт. Осуществлена замена прогноза расхода электроэнергии группами потребителей на основании имеющегося статистического временного ряда и экспертных оценок на научно-обоснованную методику выполнения прогноза с учетом свойств самоорганизации потребителей при распределении ресурса - электроэнергии.

Реализация полученных результатов.

Методика прогнозирования помесячного расхода электрической энергии групп потребителей региона используется в ОАО «Нижегородская сбытовая компания» при мониторинге баланса электропотребления и принятии стратегических решений; в работе первого этапа разработки среднесрочного долгосрочного прогноза электропотребления на 2020, 2030, 2050 года для ценологической оптимизации структуры генерирующих мощностей и электрических сетей по России и в региональном разрезе.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались и получили положительную оценку на конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, посвященная 100-летию со дня рождения проф. А.А. Федорова (Москва, МЭИ, 2007 г.); ХII конференция по философии техники и технетике (Москва, МЭИ, ноябрь 2007 г.); XIV международная научно-практическая конференция-семинар «Электрохозяйство потребителей в новых условиях функционирования энергетики», секция электроэнергетика (Москва, МЭИ, ноябрь 2008 г.). Результаты, полученные в работе, докладывались на кафедре ЭПП МЭИ (ТУ) в 2007, 2008 гг.

Публикации. Из 9 публикаций основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста с 12 таблицами и 27 иллюстрациями. Список использованной литературы включает 122 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 7 приложений. Приложения представлены на 61 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблем прогнозирования расхода электроэнергии потребителей и анализа структуры электропотребления по характерным группам потребителей региона для мониторинга баланса электропотребления, оценки результатов энергосбережения и принятия стратегических решений, формулируются цели и задачи исследования.

В первой главе рассматриваются основные тенденции изменения электропотребления по отраслям экономики в России и мире. Рассмотрена региональная структура электропотребления на примере города Москва. Выделена проблематика классификации потребителей по характерным группам и текущее состояние изучения динамики расхода электроэнергии по отдельным группам потребителей регионов. Показана различная динамика расхода электроэнергии отдельных групп потребителей, как рост, так и снижение их электропотребления, на фоне общего прироста расхода электроэнергии региона.

Обосновано, что детализация и классификация потребителей (промышленных предприятий, организаций и учреждений) позволяют выявить существенные изменения баланса расхода электрической энергии различными подотраслями народного хозяйства, изучение которых позволит верифицировать результаты прогнозирования расхода электроэнергии потребителями региона. Знание закономерностей структуры электропотребления региона позволит эффективно проводить мониторинг баланса электропотребления, оценку результатов энергосбережения и принимать стратегические решения.

Вторая глава посвящена анализу и выбору математического аппарата для моделирования динамики расхода электроэнергии потребителями региона и ее ранговой структуры по величине электропотребления.

Исходная статистика работы представляет собой временной ряд из тридцати двух помесячных значений расходов электрической энергии около 70000 потребителей региона. Ввиду нового подхода в выполняемой работе к изучению около 70000 потребителей региона на начальном этапе исследования следует применить классические методы статистического анализа. На основании сделанного предположения о существовании конечного математического ожидания выполнена проверка гипотезы о распределении вероятностей непрерывной случайной величины (величины расхода электроэнергии), описываемого нормальным распределением.

Основным инструментом анализа и прогнозирования электропотребления выступает математическое моделирование. В работе рассмотрены наиболее часто используемые методы при прогнозировании объемов потребления электрической энергии: корреляционно-регрессионный анализ и анализ временных рядов.

Первоначальным этапом в определении функциональной зависимости изменения расхода электроэнергии для каждой из выделенных групп потребителей, учитывая выраженную сезонность данных об электропотреблении, является проведение расчета среднего индекса сезонности методом центрированной скользящей средней:

,

(1)

где Wij – расход электроэнергии i-группой за j-ый период; Iig – индекс сезонности i-группы за g-ый период (g – соответствующий календарный месяц g=1..12); n – число календарных месяцев в исследуемом периоде.

Путем исключения из статистических данных расхода электроэнергии каждой из выделенных групп индексов сезонности

,

(2)

проводится изучение основной тенденции. Далее с помощью метода характеристик прироста для каждой из групп потребителей подбираются кривые роста.

Потребители электрической энергии г. Москва находятся в единых территориально-административных границах, под влиянием социальной и экономической сфер города. Предприятия, учреждения, организации, представленные значениями расходов электрической энергии в исходной выборке, осуществляют различные виды деятельности: промышленное производство; сфера услуг; здравоохранение; образование; жилищно-коммунальное обслуживание и т.д. Исследовав распределение величины расхода электроэнергии региона между группами потребителей, образованными путем классификации потребителей по признаку осуществления одинаковых видов деятельности, и выявив существующие закономерности, выполняется прогноз электропотребления на среднесрочную перспективу.

Для изучения структуры электропотребления региона рассмотрены этапы ценологического рангового Н – анализа. Выполнено моделирование рангового распределения потребителей электроэнергии, групп потребителей по величине расхода электроэнергии гиперболическим ранговым Н-распределением. Гиперболическое ранговое H-распределение по параметру, где в порядке убывания параметра располагают элементы-особи в обычно применяемой записи:

.

(3)

Процедура прогнозирования на основании ценологического моделирования ряда значений электропотребления заключается в исследовании динамики 1-го рода показателей и W1 или 2-го рода – структурно-топологической динамики, т.е. описание моделями динамики электропотребления выделенных групп потребителей с учетом их взаимного влияния.

Исследование зависимостей W1=f(t) и =f(t) (динамики 1-го рода) формализуется поверхностью, описываемой формулой:

,

(4)

где t – временной ряд. Ценологический метод прогнозирования на основании изучения динамики 1-го рода заключается в прогнозировании площади под ранговым Н–распределением, скорректированной во времени конфигурации поверхности.

Для более точного прогнозирования и верификации прогноза по потребителям необходимо использовать структурно-топологическую динамику – динамику второго рода, заключающуюся в отказе от рангового анализа и рассмотрении точек рангового распределения в функции времени как случайных процессов. Высокий коэффициент конкордации (согласованности) позволяет синтезировать структурно-топологическую динамику ранговой поверхности:

(5)