Разработка методики ранговой оптимизации развития распределенных источников электроэнергии групп потребителей для повышения надежности электроснабжения

На правах рукописи

Абельдаев Айвар Русланович

Разработка методики ранговой оптимизации развития распределенных источников электроэнергии групп потребителей для повышения надежности электроснабжения

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, профессор

Журавлев Валерий Георгиевич

кандидат технических наук,

Трифонов Александр Александрович

Ведущая организация – Министерство промышленности и

природных ресурсов Астраханской области

Защита состоится 20 ноября 2009 г. в аудитории М - 611 в 14 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 « » октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежность электроснабжения потребителей в долгосрочной перспективе зависит от определения объемов электрической энергии и мощности, необходимых для всех групп потребителей, в увязке с прогнозом развития энергосистемы и соответствующим вводом необходимых электрогенерирующих мощностей по всем уровням системы электроснабжения.

В прогнозировании и планировании следует отказываться от одной общей цифры расхода электроэнергии (мощности) по региону. Требуется детализация не столько по видам деятельности (промышленность, транспорт, ЖКХ и другие), сколько по индивидуальным характеристикам юридических и физических лиц. В этом случае необходим перечень и последующий анализ всех потребителей региона и структурно-топологического поведения каждого из них (групп) во времени.

Ввод в эксплуатацию новых электростанций является длительным процессом, и поэтому на первый план выходит задача изначального построения самодостаточной структуры системы электроснабжения и оптимального сочетания крупных электростанций и распределенных источников электрической энергии отдельных (групп) потребителей региона с максимальной эффективностью их совместного функционирования на долгосрочную перспективу при помощи новых научных методов.

Для рассматриваемой Астраханской области проблема обостряется тем, что электростанции, расположенные на ее территории, увеличили выработку электрической энергии до максимального уровня и характеризуются износом основных генерирующих мощностей. Электрические сети и оборудование подстанций значительно изношены. Зависимость области от поставок электрической энергии из других регионов не позволяет стабилизировать энергообеспечение развивающейся региональной экономики. Низкая интенсивность инвестиционного процесса в электроэнергетике вынуждает искать новые подходы к назревшему вводу новых энергомощностей.

В мае 2009 г. комитетом Госдумы по энергетике было отмечено, что «Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года» малую генерацию вообще не учитывает; в этой области нет государственной стратегии и единой научно-технической политики. Президентом РФ по итогам расширенного заседания президиума Госсовета РФ от 02 июля 2009г. Правительству были поставлены задачи по разработке комплекса мер по модернизации мощностей тепловой энергетики путем перевода их в режим когенерации тепловой и электрической энергии и предоставлению предложений по расширению использования малых генерирующих установок и других возможностей малой энергетики с учетом практики их применения и внедрения в субъектах РФ.

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС, устранение последствий которой займет несколько лет, обостряет проблему энергетической самодостаточности регионов и всерьез ставит вопрос о децентрализации электроснабжения удаленных мелких и средних потребителей при помощи распределенных источников электроэнергии.

Проблема актуализируется для Астраханской области, которая по электрообеспечению зависит от крупной ТЭЦ-2, а часть недостающей электроэнергии (около 30%) получает с Волжской ГЭС, где износ основного генерирующего оборудования составляет в среднем 65%.

Таким образом, сегодня для региона остро стоит вопрос выбора оптимальной модели развития распределенных источников электроэнергии для всех уровней системы электроснабжения потребителей, которая позволила бы выстроить оптимальное сочетание крупных электростанций и малой генерации групп потребителей на перспективу до 2020 года.

Цель работы. Разработка практической методики определения оптимальной концепции построения структуры распределенных источников электроэнергии отдельных (групп) потребителей в долгосрочной перспективе на основе рангового анализа для повышения надежности системы электроснабжения.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Проведен анализ размещения и мощностей существующих электрических станций региона, включая автономные и возобновляемые источники электроэнергии.
2. Предложена система статистических показателей и произведена обработка их для обобщенных сведений по региональным потребителям электрической энергии.
3. Доказана возможность практического применения ценологического подхода к анализу региональных источников электроэнергии.
4. Дана комплексная оценка текущему состоянию электрогенерирующих мощностей региона и определены наиболее проблематичные сектора в нем.
5. Разработаны алгоритм, методика и математические модели ценологической оценки планируемых мероприятий по развитию распределенных источников электроэнергии и определения оптимальной концепции построения региональных электрических станций на долгосрочную перспективу.
6. Выполнен анализ структурно-топологического поведения групп и конечных потребителей электрической энергии за период 2001 – 2006 гг. и в перспективе до 2020 года.
7. Составлен прогноз величины годового регионального электропотребления в 2020 г. с учетом планируемых мероприятий и возможных сложнопрогнозируемых изменений социально-экономического развития Астраханской области при помощи генетического алгоритма, проведена верификация полученных значений.
8. Разработан вариант оптимизации областной энергосистемы, повышающий эффективность ее функционирования и обеспечивающий надежное электроснабжение групп потребителей.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы математической статистики, ценологическая теория, генетический алгоритм. Моделированием структуры источников электрической энергии по выбранному признаку (величине номинальной электрической мощности) выявлялись математические зависимости и на их основе определялись ключевые параметры. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, реализованных при помощи существующих программных пакетов, которые были существенно скорректированы для решения поставленных в диссертации задач.

Выводы и предложения основываются на анализе статистических данных по крупным электростанциям и автономным источникам электрической энергии номинальной мощностью от 60 кВт и выше, состоящих на балансе крупных и средних предприятий Астраханской области, за период 2005 – 2006 годы и по годовому электропотреблению региона, групп потребителей и отдельных предприятий Астраханской области за период 1999 – 2006 годы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведен анализ структурно-топологического поведения групп и конечных потребителей электрической энергии Астраханской области за период 2001 – 2006 гг. и в перспективе до 2020 г.
2. Выполнен прогноз величины годового регионального электропотребления в долгосрочной перспективе при помощи генетического алгоритма с учетом планируемых мероприятий и возможных изменений социально-экономического развития Астраханской области.
3. Обоснована эффективность сочетания централизованной и распределенной энергетики, приводящего к увеличению уровня энергобезопасности региона.
4. Предложен скорректированный сценарий ввода новых крупных и модернизации существующих источников электрической энергии на территории Астраханской области с учетом изменения динамики развития региона и влияния глобального экономического кризиса.
5. Предложен вариант ранговой оптимизации распределенных источников электрической энергии отдельных (групп) потребителей региона, повышающий эффективность функционирования системы электроснабжения в долгосрочной перспективе и приводящий ее к своему оптимальному состоянию на основе принципа единого производства электрической и тепловой энергии.
6. Разработана универсальная методика повышения эффективности функционирования системы электрогенерирующих мощностей региона на основе анализа параметрических распределений множества распределенных источников электроэнергии отдельных (групп) потребителей и многовариантной проработки на стадии принятия концепции развития электрогенерирующих мощностей региона в долгосрочной перспективе.

Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные моменты докладывались автором на заседании кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 2007, 2008, 2009 годах и обсуждались на следующих конференциях:

1. VII международная научно-методическая конференция «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании НИТЭ - 2006» (г. Астрахань, АГТУ, 26 – 29 сентября 2006 г).
2. Научно-техническая конференция «Электрификация: история, настоящее, будущее» (г. Москва, МЭИ, 28 февраля – 2 марта 2007 г).
3. ХIV Международная научно-практическая конференция – семинар «Электрохозяйство потребителей в новых условиях функционирования энергетики» (г. Москва, МЭИ, 17–19 ноября 2008 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна – в издании, включённом в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура и работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста с 16 таблицами и 46 иллюстрациями. Список использованной литературы включает 110 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 7 приложений. Приложения представлены на 29 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность задачи изначального построения оптимальной и самодостаточной структуры энергосистемы региона с максимальной эффективностью на долгосрочную перспективу при помощи новых научных методов, формулируются цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрено текущее состояние и наиболее проблемные зоны системы электроснабжения Астраханской области.

Показано, что блок региональных источников электроэнергии формируется из генерации на Астраханской ГРЭС (100 МВт), Астраханской ТЭЦ-2 (380 МВт), ТЭЦ-Северная (24 МВт), дизельных станций (общее количество - 422, суммарная мощность - 47 089,4 кВт, что составляет 8,5% от общей мощности в регионе, средняя единичная мощность 111,6 кВт) и сальдо перетоков электроэнергии с энергосистемами других регионов.

Для оценки потенциала электропотребления региона использован макроиндикатор технического анализа - индекс жизнеспособности (ЖСП) конкретного выделенного ценоза (Астраханской области) по отношению к включающему его ценозу, системно более высокого уровня. В результате анализа индексов ЖСП за период 2000 – 2007 гг. и составления уравнений их линейных трендов сделан вывод, что электроэнергия является лимитирующим ресурсом для Астраханской области и регион должен развивать генерирующие мощности в своих границах.

Анализ проблем электрогенерирующего сектора региона показал, что в виду существующего и прогрессирующего энергодефицита в области и общей тенденцией повышенного износа основных фондов областной энергетики можно с большой вероятностью утверждать, что надежность электроснабжения потребителей региона в скором времени будет стремительно снижаться.

Формулируется вывод о том, что сделать Астраханскую область самодостаточной и исключить энергодефицит возможно только за счет ввода новых генерирующих мощностей на территории региона и повышения эффективности уже функционирующих электростанций с учетом новых тенденций развития вторичных энергоресурсов.

Вторая глава описывает методологию практического применения ценологического подхода к анализу региональной системы электроснабжения.

В первой части главы формулируется понятийный аппарат и основные требования для выделения техноценоза, которые непосредственно следуют из его определения. Доказывается, что объект исследования (источники электроэнергии Астраханской области) есть слабо связанное и слабо взаимодействующее практически бесконечное (счетное) множество изделий (целостность), выделяемых как техноценоз, адекватно не описываемое системой показателей, тождественно не равное другому техноценозу при совпадении показателей и необратимо развивающееся (эволюционирующее).

Таким образом, имеется возможность практического применения ценологического подхода к анализу региональных источников электроэнергии как техноценозам. Преимущества применяемого подхода заключаются в исследовании технических систем как целостности, которая характеризуется устойчивыми параметрами. При таком анализе используется математический аппарат негауссовых гиперболических Н-распределений.

В работе используется параметрическое Н-распределение. При подобном описании ценоз становится комплексным объектом, который рассматривают по какому-либо одному параметру в ряду других объектов этого семейства.

Ранговое параметрическое Н-распределение W(r) формируется следующим образом. Пусть i=1,2,3,... - возможная численность ценоза (i - ряд, соответствующий натуральному ряду чисел, всегда дискретная величина). Каждой особи ценоза ставится в соответствие определенный ранг - r. W0 – фактическое (экспериментальное) значение первой точки (r = 1):

W(r)=W0 /r.

(1)

Показано, что параметрический показатель, начиная с определенного количества видов, является практически постоянной величиной. Это свидетельствует о том, что, начиная с определенного числа особей ценоза (по результатам наших исследований с S=35), параметры структуры системы являются постоянными и практически не изменяются при дальнейшем увеличении числа особей. Это установившееся значение уст характеризует степень сложности и разнообразия системы и используется при прогнозировании электропотребления техноценоза.

Дается вывод, что при помощи применения критериев ценологической теории возможно определение такого состояние техноценоза, к которому необходимо стремиться для повышения уровня эффективности системы в целом - так называемое рациональное макропланирование, которое охватывает большой промежуток времени.

Многолетний опыт исследования техноценозов показывает, что оптимальной является такая конфигурация системы, которая аналитически описывается аппроксимирующим выражением рангового распределения:

W(r)=W0 /r, где параметр находится в диапазоне .

(2)

В соответствии с этим определяется совокупность возможных оптимальных состояний системы, которая графически отображается в виде полосы распределений на графике рангового распределения.

Во второй части главы представлена реализация практической методики ценологической оценки в компьютерной среде при помощи пакетов Microsoft Office Excel и Mathcad.

Третья глава описывает результаты практического применения ценологического подхода к анализу региональных источников электроэнергии.

В первой части главы дается ценологическая оценка текущего состояния региональных электростанций. В результате рангового анализа построено параметрическое распределение (рис.1).

Рис.1. Ранговое параметрическое распределение

текущего состояния техноценоза

На графике отчетливо видно, что текущее состояние региональных источников электроэнергии характеризуется крайне выраженной несбалансированностью: самая крупная электростанция АТЭЦ-2 вырабатывает 69,7% всей электрической мощности региона. Суммарная мощность двух наиболее крупных электрических станций региона (АТЭЦ-2 и АГРЭС) составляет 88,1% от всех электрогенерирующих мощностей региона. Существующее распределение мощностей свидетельствует о низком уровне энергобезопасности области - любая аварийная ситуация и последующий вывод из состава какой-либо крупной электростанции приведет к серьезным перебоям в электроснабжении региона.

В результате процедуры аппроксимации по методу наименьших модулей получена аналитическая зависимость:

.

(3)