ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

КОСТЮКОВСЬКИЙ БОРИС АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 622.311

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПРОГНОЗУВАННЯ РОЗВИТКУ СТРУКТУРИ ГЕНЕРУЮЧИХ ПОТУЖНОСТЕЙ ОБ‘ЄДНАНИХ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ В УМОВАХ РИНКОВОГО РЕГУЛЮВАННЯ ДІЯЛЬНОСТІ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ

Спеціальність 05.14.01 - Енергетичні системи та комплекси

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті загальної енергетики НАН України, м. Київ

Науковий керівник | академік НАН України, доктор технічних наук, професор

КУЛИК Михайло Миколайович,

Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ,

директор Інституту

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ДЕНИСЮК Сергій Петрович

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, професор

СУЛЕЙМАНОВ Віктор Миколайович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” МОН України, м. Київ,

вик. обов’язки завідувача кафедри електричних мереж та систем

Захист відбудеться 20.11.2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел.: 417-01-42

З дисертацією можна ознайомитись в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою: 04070, м. Київ -70, вул. Покровська, 11

Автореферат розісланий 12.10.2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.П. Мельничук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення ефективного розвитку електроенергетики потребує вирішення цілого ряду складних наукових задач, серед яких центральне місце займає задача прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей Об‘єднаних електроенергетичних систем (ОЕС).

Проблемами її вирішення займалися такі відомі вченні, як Мєлєнт‘єв Л.А., Хрущов В.М., Руденко Ю.Н., Бєляєв Л.С., Кулик М.М., , Зорін В.В., Банін В.Д., Wohlgemuth N., Messner S., Schrattenholzer L., Kulshreshtha M., Parikh J.K. та інші.

На сьогодні добре розроблені теоретичні та методичні питання прогнозування та обґрунтування рішень з розвитку електроенергетики для монопольних моделей регулювання діяльності в електроенергетиці, створена низка методів та засобів їх проведення. Для ринкових моделей регулювання діяльності в електроенергетиці на сьогодні ще немає сталих та визнаних теоретичних і методичних засад розробки прогнозів розвитку структури генеруючих потужностей, методів та засобів їх формування.

Тому створення ефективних методів та засобів прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей для умов ринкового регулювання діяльності є актуальною задачею, особливо для України, що обумовлено прийнятими рішеннями стосовно поглиблення ринкового реформування діяльності в електроенергетиці країни.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика та розділи цієї роботи входили до складу науково–дослідних робіт (НДР), які були виконані в Інституті загальної енергетики Національної академії наук України, зокрема у фундаментальній НДР „Розроблення теоретичних та методичних основ і засобів прогнозування довгострокового розвитку паливно–енергетичного комплексу України в умовах ринкових та екологічних обмежень” (ДР№0104U006763), в якій здобувач був відповідальним виконавцем.

Здобувач був науковим керівником роботи „Розробка енергоефективного комплексу технологій з модернізації та розвитку генеруючих потужностей енергосистеми України для забезпечення її маневровості, економічності та екологічної сприйнятності” (ДР №0103U006501), яка виконувалась в межах державної науково–технічної програми "Новітні технології розвитку паливно–енергетичного комплексу” та в ряді робіт при науково–технічному супроводі державної програми „Комплексна програма будівництва вітрових електростанцій”.

При розробці Енергетичної стратегії України на період до 2030 року здобувач приймав участь в розробці розділів, присвячених проблемам розвитку електроенергетики, нетрадиційних та поновлюваних джерел енергії і екологізації паливно–енергетичного комплексу країни.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка методів та засобів прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей та визначення з їх застосуванням найбільш доцільних напрямів розвитку генеруючих потужностей ОЕС України в довгостроковій перспективі в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці на основі методів математичного моделювання та обробки експертних оцінок.

Об’єкт дослідження – Об‘єднана електроенергетична система.

Предмет дослідження – структура генеруючих потужностей ОЕС, напрями розвитку генеруючих потужностей, перспективні режими роботи технологій виробництва електроенергії.

Методи дослідження. Складність ОЕС визначає необхідність використання для прогнозування розвитку структури її генеруючих потужностей комплексу методів прогнозування – методів математичного моделювання та обробки експертних оцінок.

У процесі реалізації означеної мети було сформульовано й розв’язано такі задачі дослідження:

1. Створення теоретичних та методичних засад прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці.

2. Створення системи математичних моделей для прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей та програмно–інформаційних засобів її реалізації на ЕОМ.

3. Розробка загальних принципів побудови оптимізаційних моделей для формування та оцінки варіантів розвитку структури генеруючих потужностей в умовах ринкового регулювання, методів опису в моделях окремих елементів ОЕС, її зовнішніх та внутрішніх зв‘язків, процесів її функціонування та розвитку, побудова базової оптимізаційної моделі формування варіантів розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС.

4. Розробка та аналіз прогнозів розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС України з використанням розроблених методів та засобів на довгострокову перспективу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено новий метод прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС на основі синтезу удосконаленого методу оптимізаційних моделей та методів оцінки ефективності інвестиційних рішень. Він передбачає декомпозицію загальної задачі прогнозування на ряд підзадач, використання сценарного підходу та ітераційного алгоритму узгодженого їх вирішення в процесі проведення досліджень. Математичною основою цього методу є спеціально розроблена система математичних моделей, яка створена з використанням різних методів прогнозування для вирішення окремих підзадач, і включає моделі обробки експертних оцінок, оптимізаційні та імітаційні моделі.

2. Удосконалено метод оптимізаційних моделей шляхом відмови від жорсткої структури моделі та створено систему синтезу конкретної моделі безпосередньо в процесі проведення досліджень відповідно до їх цілей, необхідного рівня адекватності та агрегування представлення об‘єктів, процесів та зв’язків ОЕС, умов її функціонування та розвитку при моделюванні, наявної вхідної інформації тощо.

3. Розроблені нові методи моделювання розвитку окремих елементів ОЕС, процесів її функціонування та розвитку. З їх використанням розроблені оптимізаційні моделі формування та оцінки варіантів розвитку структури генеруючих потужностей, що забезпечує:

· безпосереднє урахування при формуванні варіантів розвитку структури генеруючих потужностей впливу механізмів ринкового регулювання, що забезпечується використанням вперше розробленого та теоретично обгрунтованого критерію максимізації цінових пропозицій споживачів та мінімізації цінових пропозицій виробників на ринку електроенергії;

· урахування можливості реконструкції та модернізації існуючих електроенергетичних об‘єктів при моделюванні динаміки розвитку системи;

· безпосереднє урахування впливу на режими роботи ОЕС технологій виробництва електроенергії з важкопрогнозованою потужністю навіть в короткостроковий період часу – вітровими (ВЕС) та сонячними (СЕС) електростанціями;

· підвищення коректності урахування маневрових можливостей технологій за рахунок моделювання режимів роботи ОЕС виключно на базі балансів потужності по зонах графіків електричних та теплових навантажень (ГЕН, ГТН), які розглядаються для характерних діб та сезонів, а також для графіка максимуму електричного навантаження ОЕС;

· для АЕС, ТЕЦ, КЕС, котелень та окремих груп споживачів розроблено новий метод моделювання їх роботи, який передбачає формування наборів типових режимів роботи таких технологій з подальшим їх використанням при покритті ГЕН та ГТН та введенням обмежень, які забезпечують неперевищення встановленої потужності в кожний етап розрахункового періоду сумарної потужності максимальних робочих потужностей при їх роботі в кожному з режимів;

· урахування одночасності роботи ТЕЦ на ринках електроенергії та тепла.

4. З використанням сучасних комп’ютерних технологій розроблено програмно–інформаційний комплекс для прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей, який забезпечує інтерактивну підтримку єдиної цілісної бази даних, автоматизоване формування математичних моделей у форматі, придатному для їх подальшого використання в комп’ютерних розрахунках, виконання комп’ютерних розрахунків по сформованих математичних моделях, аналіз та оформлення отриманих результатів розрахунків в прийнятному для користувача вигляді.

5. Виконано розробку та уточнення сценаріїв розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС країни на період до 2030 року відповідно до базового прогнозу розвитку економіки згідно Енергетичної стратегії України на період до 2030 року.

6. Визначена доцільність подальшого удосконалення механізмів державного регулювання діяльності в електроенергетиці на базі моделі Оптового ринку електроенергії, основаній на довгострокових контрактах з генеруючими компаніями на право їх участі в роботі на цьому ринку.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи та засоби прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС України були застосовані при розробці ряду програм загальнодержавного значення – Комплексної державної програми енергозбереження, Енергетичної стратегії України на період до 2030 року, при підготовці Першого Національного повідомлення зі змін клімату, яке було розроблене згідно зобов‘язань України по виконанню Рамкової конвенції ООН про зміну клімату, а також при вирішенні окремих задач розвитку електроенергетики країни, при виконанні робіт за проектами надання технічної допомоги Україні – Country Study, Climate Change Initiative.

Отримані здобувачем наукові та практичні результати досліджень були відзначені Державною премією України в галузі науки і техніки та премією Національної Академії Наук України імені В.М. Хрущова.

Результати дисертаційної роботи доцільно використовувати при прогнозуванні розвитку структури генеруючих потужностей у довгостроковій перспективі.

Особистий внесок здобувача. З опублікованих у співавторстві робіт здобувачем використано тільки ті результати, які отримані ним самостійно: в [1] – самостійно написані підрозділи 3.1 – 3.3, у [2] – самостійно написані підрозділи 2.2 – 2.3, у [3] – сценарії розвитку енергетики та виконана для них оцінка викидів парникових газів, у [5,6] – загальні положення та принципи побудови та використання автоматизованої системи дослідження перспектив розвитку електроенергетики, у [7, ] – принципи формалізації оптимізаційних моделей розвитку ОЕС, "вибірковий" підхід до побудови моделей, нові принципи урахування динаміки розвитку ОЕС та режимних факторів в оптимізаційних моделях, фізико–технічних особливостей технологій, ресурсних та екологічних обмежень, у [8] – методи урахування екологічних факторів при оптимізації розвитку ОЕС, у [10] – модель розвитку ОЕС з урахуванням впровадження ВЕС, у [11–12] – методичні засади та математичні моделі для прогнозування розвитку ОЕС в умовах впровадження ринкових відносин, у [13] – прогнози розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС України та оцінка, при різних механізмах державної підтримки, перспектив розвитку вітроенергетики, у [14] – модель оптимізації розвитку ОЕС у складі паливно–енергетичного комплексу та підсистема автоматизації її реалізації, в [15] – представницькі сценарії розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС України.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень повідомлялись і обговорювались на міжнародних та національних науково–технічних конференціях, зокрема на міжнародній науково–технічній конференції "Математическое моделирование в энергетике" (м. Київ, 1990 р.), на науково–практичній конференції „Политические, экономические и экологические проблемы энергетической безопасности и транспортировки энергоресурсов в Украине” (м. Київ, 2000 р.), на Міжнародній науково–технічній конференції „Основні положення Енергетичної стратегії України та науково–технічне забезпечення її реалізації” (с. Миколаївка, Україна, 2003 р.), на наукових конференціях та наукових радах Інституту загальної енергетики НАНУ, на семінарі з проблем розвитку енергетики під час проведення днів Міжнародного інституту прикладного системного аналізу в Україні у 2005 році.

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи опубліковано 15 основних наукових праць: 2 монографії, 11 статей у фахових наукових виданнях (із них 1 написана самостійно), препринт та звіт про науково–технічну роботу.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел зі 155 найменувань на 16 сторінках, 2 додатків на 4 сторінках. Обсяг дисертації – 142 сторінки основного тексту. Дисертація містить 10 ілюстрацій та 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета та задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність роботи. Наведені головні результати досліджень.В першому розділі розглянуті особливості та властивості ОЕС як об'єкту управління їх функціонуванням та розвитком, проаналізовано розвиток та сучасний стан методів та засобів прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей, визначені проблеми їх проведення в умовах впровадження ринкових механізмів діяльності в електроенергетиці і сформульовані цілі та задачі досліджень.

Властивості та особливості ОЕС, які розглянуто в роботі, обумовлюють високу складність задачі розробки прогнозів розвитку структури їх генеруючих потужностей, яка є ключовою при визначенні перспектив розвитку електроенергетики. Її складність значно зростає при переході від монопольних моделей регулювання діяльності в цьому секторі економіки до моделей на базі використання ринкових механізмів – оптового ринку електроенергії на базі цінових пропозицій або довгострокових угод з генеруючими компаніями (ОРЕЦП, ОРЕДУ) та моделі вільного доступу до мереж (МВДМ).

Виконаний аналіз цілей та задач прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС, поточного стану методів та засобів проведення відповідних досліджень показав, що насьогодні найбільш розроблені питання прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей для монопольних моделей регулювання діяльності в електроенергетиці. Розробка таких прогнозів базується на використанні методу оптимізаційних або імітаційних моделей, кожний з яких має власні переваги та недоліки, їх аналіз було проведено в роботі.

Для моделей ринкового регулювання на сьогодні ще немає сталого теоретичного підґрунтя прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС, що робить дуже актуальним розробку теоретичних засад, методів та засобів проведення відповідних досліджень.

На основі виконаного аналізу були сформовані цілі та перелік задач досліджень з прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці.

В другому розділі наведені теоретичні та методичні засади прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС, система математичних моделей, що реалізує методологію проведення досліджень, та загальна характеристика комплексу програмно–інформаційних засобів для їх автоматизованого проведення.

Розроблений підхід до прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС базується на таких теоретичних засадах.

Вводиться поняття гранично–прийнятних цін електроенергії для її виробників (споживачів), за якою вони готові продавати (купувати) певний обсяг електроенергії на ринку при певному режимі її виробництва (споживання) та умова, що при цінах, менших за гранично–прийнятні, виробник відмовляється від поставок електроенергії на ринок, а при їх перевищенні для споживачів вони відмовляються від її купівлі.

Урахування наявності на ринку електроенергії інших суб‘єктів господарювання (СГ), які здійснюють її транспортування та розподіл, послуги з диспетчеризації, різноманітні консалтингові послуги, забезпечується за рахунок введення коефіцієнту б, який визначає, наскільки зростає ціна електроенергії на шляху від виробника до споживача, а втрати електроенергії при її транспортуванні та розподілі враховуються введенням коефіцієнта в, який визначається відношенням спожитої електроенергії до виробленої.

З урахуванням означеного умови сталого функціонування ринку електроенергії формалізуються у вигляді:

, | (1)

(2)

де t – індекс етапу розрахункового періоду, t=1чT; Cit – гранично–прийнятна ціна електроенергії для споживача; i – індекс споживача, i=1чI; Ckt – гранично–прийнятна ціна електроенергії для виробника; k – індекс виробника, k=1чK; wkt та wit – відповідно обсяг виробництва та споживання електроенергії.

Якщо ці умови не виконуються, то потенційний попит на електроенергію не буде забезпечено або з економічних причин – невиконання умови (1), або з технічних – невиконання умови (2).

Враховуючи, що вірогідність виконання умов (1) та (2) буде збільшуватись при максимальних гранично–прийнятних цінах споживачів та мінімальних цінах виробників, в якості основного критерію формування структури генеруючих потужностей ОЕС у перспективі при ринкових механізмах регулювання діяльності в електроенергетиці прийнято такий:

. | (3)

Різниця між його складовими визначає „поле” можливого майбутнього компромісу між споживачами та виробниками стосовно цін на електроенергію на стадії укладання контрактів на поставки електроенергії.

Для незалежних інвесторів, тобто тих, які керуються лише економічною доцільністю вкладання коштів, Ckt буде визначатися виключно прийнятною доходністю інвестицій (вкладеного ними капіталу) та термінів їх окупності відносно інших альтернатив з урахуванням фінансових ризиків, які суттєво залежать від моделі регулювання. Вони є найменшими при монопольній моделі регулювання і моделі ОРЕДУ, а найбільшими – при МВДМ та ОРЕЦП. Тому при ліберальних моделях регулювання діяльності в електроенергетиці зростає вірогідність відсутності зацікавленості незалежних інвесторів приймати участь у розвитку генеруючих потужностей ОЕС, що може привести до виникнення дефіциту генеруючих потужностей в енергосистемі або окремих його типів. Причому така ситуація може виникнути навіть при умові проведення державної політики стимулювання розвитку генеруючих потужностей незалежними інвесторами, що обумовлено певною обмеженістю відповідного інструментарію, особливо при глобалізації ринку електроенергії.

Тому необхідно постійно мати можливість, при виникненні загроз надійності енергопостачання, забезпечити введення необхідних потужностей за рахунок розвитку генеруючих компаній (ГК) державної форми власності, які повинні вирішувати ті проблеми надійного та ефективного енергозабезпечення споживачів, які не в змозі вирішити ринок.

Поряд з цим, можуть бути прийняті рішення про розвиток таких компаній для забезпечення електроенергією соціально незахищених верств населення, бюджетного сектору та державних підприємств тощо, за нижчими цінами, ніж можуть запропонувати незалежні інвестори за рівних умов.

Це обумовлюється тим, що механізми визначення гранично–прийнятних цін на виробництво електроенергії у державних ГК можуть суттєво відрізнятися від тих, що застосовують СГ, які в своїй діяльності виходять виключно з критеріїв економічної доцільності, а саме, визначатися, виходячи з окупності інвестицій або відшкодування видатків на виробництво, які є неприйнятними для незалежних інвесторів. Тому гранично–прийнятні ціни виробництва електроенергії у ГК державної власності можуть бути найнижчими, і за рівних умов лише вони потраплять до прогнозу розвитку структури генеруючих потужностей при її оптимізації. Це обумовлює необхідність, у загальному випадку, розробки прогнозу у два етапи.

На першому етапі визначаються доцільні обсяги впровадження генеруючих потужностей для незалежних інвесторів. Якщо вони недостатні для покриття всього попиту на електроенергію, на другому етапі у модель оптимізації структури генеруючих потужностей вводиться можливість покриття незабезпеченої незалежними ГК потреби в електроенергії державними ГК, і виконується розрахунок по формуванню остаточної структури генеруючих потужностей при заданому сценарії зовнішніх умов їх розвитку та взятих з першого етапу потужностях незалежних ГК.

Враховуючи, що наявність повної інформації для використання механізму гранично–прийнятних цін при прогнозуванні розвитку структури генеруючих потужностей є ідеальною ситуацією, в роботі додатково були розроблені алгоритми проведення досліджень при наявності інформації: лише стосовно попиту; про попит та урівноважені ціни на електроенергію; про обсяги обов’язкового до покриття попиту та гранично–прийнятних цін і обсягів потреби інших споживачів.

З урахуванням означеного розроблена узагальнена методика прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей, яка полягає в ітераційному використанні такого алгоритму:

1. Визначення цілей розробки прогнозу та формування сценарію зовнішніх умов розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС.

2. Визначення методів формування оптимізаційних моделей та формалізації окремих елементів ОЕС, її зовнішніх та внутрішніх зв’язків тощо, при її побудові.

3. Підготовка варіантів вхідної інформації для проведення розрахунків.

4. Формування множини прогнозів розвитку структури генеруючих потужностей.

5. Аналіз множини отриманих прогнозів структури генеруючих потужностей відповідно до визначених цілей проведення досліджень.

6. Оформлення результатів дослідження, якщо досягнуті цілі його проведення. Якщо цілі дослідження не досягнуті, то виконується уточнення цілей його проведення, показників сценарію, вхідної інформації, моделі, що використовувалась для розрахунків, і цикл досліджень повторюється.

Для реалізації цієї методики розроблена система математичних моделей, до складу якої входять:

· моделі обробки експертних оцінок, з використанням яких вирішуються задачі розробки сценаріїв перспективних умов формування структури генеруючих потужностей та аналізу результатів багатоваріантних розрахунків;

· оптимізаційні моделі визначення та оцінки варіантів розвитку структури генеруючих потужностей для окремих сценаріїв перспективних умов їх формування;

· розрахункові моделі – імітатори процесів впровадження та експлуатації технологій виробництва електроенергії та визначення їх техніко–економічних та екологічних показників, які базуються на методах оцінки фінансових потоків при аналізі ефективності інвестицій.

Для реалізації системи математичних моделей розроблено програмно–інформаційний комплекс (ПІК), який забезпечує інтерактивну підтримку єдиної цілісної бази даних, автоматизоване формування та реалізацію математичних моделей, аналіз отриманих результатів і оформлення результатів розрахунків в прийнятному для користувача виді.

ПІК розроблено на принципах об’єктно–орієнтованого проектування інформаційно–аналітичних систем, і в ньому реалізується об'єктний підхід до опису предметної області – частини реального світу, яка підлягає вивченню і управлінню, інформація про яку зберігається в базі даних (БД). В якості БД ПІК використовуються реляційні системи управління базами даних, а для реалізації оптимізаційних моделей використовується програмний пакет GPLK.

В третьому розділі наведені узагальнені методи моделювання розвитку структури генеруючих потужностей, особливості та методи формалізації при моделюванні окремих елементів ОЕС, процесів її функціонування та розвитку, а також представлена базова оптимізаційна модель формування варіантів розвитку структури генеруючих потужностей.

В основу побудови системи формування оптимізаційних моделей покладено „вибірковий” принцип їх побудови. Він передбачає використання загальних принципів формалізації при побудові оптимізаційних моделей формування варіантів розвитку ОЕС за рахунок поділу всіх елементів, зв'язків, умов розвитку та функціонування, ресурсних та екологічних обмежень, що описують систему, на групи за принципом наявності однакових фізико–технічних і економічних особливостей, виконанню однакових функцій та інше. Для кожної групи визначається набір можливих методів їх моделювання, а формування конкретної оптимізаційної моделі виконується шляхом вибору узгоджених між собою методів моделювання окремих елементів, зовнішніх та внутрішніх зв’язків ОЕС тощо, відповідно до цілей проведення дослідження та наявної вхідної інформації для їх проведення.

Загальні принципи формалізації при застосуванні цього підходу передбачають представлення ОЕС у виді ряду вузлів виробництва–споживання, в які агреговані всі виробники, споживачі та постачальники продукції (товарів, послуг), що розглядаються в моделі і базуються на введені поняття технології виробництва продукції, до якого зводяться всі інші технології, а саме, транспортування (розподілу), постачання та споживання продукції.

Кожна технологія k виду, k=1чK, в загальному випадку характеризується такими показниками.

Встановленою потужністю технології Хknt в t етап розрахункового періоду, t=1чТ, та її станом відносно попереднього етапу, який позначається індексом n, n=0ч2. Індекс n=0 відповідає технологіям, що існували і в попередній етап, n=1 – введеними в роботу за рахунок нового будівництва к початку етапу t, а n=2 – введеним в роботу за рахунок реконструкції технологій, які працювали в попередній період або були законсервовані.

Потужністю, яка фактично використовується – Ykt. Для кожного моменту часу між встановленою потужністю та тою, що фактично використовується, існує така залежність:

, | (4)

де dk –коефіцієнт готовності.

Технології характеризуються питомими витратами певних ресурсів j, j=1чJ (продукції, товарів та послуг) – bj, питомим виробництвом продукції akj та питомими викидами в довкілля шкідливих речовин у різноманітних агрегатних станах та газів, що викликають парниковий ефект, akp, де p – індекс виду шкідливої речовини або парникового газу, p=1чP, які визначаються відповідно до нормативних (прогнозних) показників технології з урахуванням рівня її завантаження (ця потреба визначається добутком відповідного bkj на Ykt). Розрахунок bkj та akp проводиться з урахуванням коефіцієнтів б та в, які введені в розділі 2.

До характеристик технології також відносяться обсяги інвестицій, необхідних для їх впровадження в роботу, – Ikn та гранично–прийнятні ціни виробництва продукції Ckjt.

Для урахування режимних факторів – нерівномірності споживання електричної та теплової енергії у добовому, тижневому та сезонному розрізі та різних маневрових можливостей електростанцій різних типів, запропоновано підхід на базі використання виключно балансів потужності по зонах графіків електричних та теплових навантажень. Якщо позначити через g індекс сезону, g=1чG, через m індекс характерних діб, для яких розглядаються графіки навантажень, m=1чM, а через l – індекс зони графіка навантажень, l=lчL, то для r вузла, r=1чR, баланс виробництва–споживання записується у такому узагальненому вигляді:

, | (5)

де К1 – відповідає множині технологій, які виробляють j вид продукції, К2 – відповідає множині технологій, які споживають j вид продукції, а К3 – множина технологій транспортування цієї продукції. Коефіцієнт bkr’rj відповідає втратам при транспортуванні.

При прогнозуванні розвитку структури генеруючих потужностей ресурсні обмеження, як правило, задаються для всього розрахункового етапу і у загальному випадку вони формалізуються таким чином:

, | (6)

де Htgml – тривалість l зони відповідного ГЕН, Bjt - значення обмежуючого ресурсу в t етапі розрахункового періоду, - кількість характерних днів у відповідний сезон.

Аналогічно формуються екологічні інтегральні загальносистемні обмеження, але замість коефіцієнту bkj використовується коефіцієнт akp.

При моделюванні забезпечена можливість введення інвестиційних обмежень, які формалізуються таким чином:

, | (7)

де knt – частка від загальної суми інвестицій, яка враховується в етапі t’ при введенні відповідної потужності в етапі t, s – індекс виду інвестиційного ресурсу: бюджетні кошти, пільгові кредити, тощо, skn – частка s-го виду інвестицій в загальних інвестиціях, яка враховувалась при розрахунку ціни на продукцію, що буде вироблятися.

При моделюванні розвитку структури генеруючих потужностей необхідно забезпечити коректне урахування можливості використання генерації на етапі t відносно попередніх етапів.

Можливість при реконструкції (модернізацію можна розглядати як окремий випадок реконструкції) заміни однієї технології іншою визначається на основі виділення найбільш обмежуючого чинника при заміні існуючої технології на нову. По цьому фактору розраховується коефіцієнт заміщення технологією виду k’ існуючої технології виду k – .

З урахуванням цього означена вимога формалізується таким чином:

, | (8)

, | (9)

де Zkt-1, Zkt - змінна, яка враховує можливість реконструкції з запізненням або тимчасову консервацію технологій, і може трактуватися, як „заморожена” потужність k виду технологій на певний час.

Для моделювання технологій виробництва електроенергії, що мають технічні мінімуми навантаження, розроблено метод моделювання їх участі в покритті ГЕН (ГТН) на основі синтезу традиційних підходів, перший з яких базується на урахуванні кількості годин використання встановленої потужності, а другий – на кусочно-лінійній апроксимації можливості довантаження технологій по зонах ГЕН.

Цей підхід передбачає, що участь технології в покритті ГЕН формується як суперпозиція набору її потужності в різних припустимих режимах роботи, які позначимо індексом f, f =fчF.

Кожний режим описується набором коефіцієнтів використання потужності akfl, akfl є [0,1], а зв’язок між встановленою потужністю та тією, що використовується, формалізується таким чином:

. | (10)

При моделюванні технологій виробництва були враховані також фізико-технічні особливості і інших технологій, зокрема, неможливість зупинки атомних електростанцій на вихідні дні, обмеження на гідроресурси для гідроелектростанцій та необхідність „заряду” гідроакумулюючих електростанцій, складна прогнозованість потужності вітроелектростанцій, тощо.

Критерій формування варіантів розвитку структури генеруючих потужностей формалізується згідно з (3).

В розділі наведено базовий варіант оптимізаційної моделі формування варіантів розвитку структури генеруючих потужностей, побудований з використанням означених методів моделювання та формалізації.

В цій моделі враховується динаміка розвитку системи, використовується 16 класів технологій, баланси електроенергії та тепла для трьохзонних ГЕН та ГТН навантажень, екологічні та ресурсні обмеження.

В четвертому розділі наведені результати застосування розроблених методів та засобів на практиці, зокрема, при розробленні Енергетичної стратегії України на період до 2030 року.

З урахуванням нових тенденцій в розвитку світової енергетики (орієнтація на прискорений розвиток атомної енергетики) виконано уточнення показників базового сценарію розвитку генерації ОЕС України (сценарій I), який наведено в Енергетичної стратегії, а також розроблено два нових сценарії розвитку структури генеруючих потужностей (табл. 1).

Сценарій II передбачає використання потужностей АЕС, зафіксованих в проекті стратегії розвитку ядерно–енергетичного комплексу України. Необхідність його розробки була викликана відсутністю в цьому проекті загальних показників розвитку електроенергетики.

Сценарій III планує найбільш інтенсивне використання вугільних енерготехнологій. Ним не передбачається будівництво АЕС на нових майданчиках, яке маловірогідне при регулюванні діяльності в електроенергетиці на базі моделей ОРЕЦП та МВДМ.

Таблиця 1

Показники розвитку структури генеруючих потужностей
для розглянутих сценаріїв

Показник | Сценарій*

I | II | III

2020 | 2030 | 2020 | 2030 | 2020 | 2030

Потужність всього, ГВт, в т.ч.: | 70.6 | 88.5 | 70.5 | 88.3 | 70.5 | 88.5

ТЕС | 37.5 | 46.4 | 42.3 | 53.7 | 44.2 | 58.3

АЕС | 21.9 | 29.5 | 16.9 | 22.0 | 15.4 | 17.5

ГЕС та ГАЕС | 9.6 | 10.5 | 9.6 | 10.5 | 9.2 | 10.5

ВЕС та інші непаливні | 1.6 | 2.1 | 1.6 | 2.1 | 1.6 | 2.1

Виробництво електроенергії всього, млрд. кВт. год., в т.ч. | 307.0 | 420.1 | 307.0 | 420.1 | 307.0 | 420.1

ТЕС | 128.6 | 178.6 | 166.5 | 237.1 | 175.3 | 267.2

АЕС | 159.0 | 219.0 | 123.2 | 163.3 | 112.3 | 129.9

ГЕС та ГАЕС | 16.6 | 18.6 | 16.6 | 18.6 | 16.6 | 19.0

ВЕС та інші непаливні | 2.8 | 3.9 | 0.7 | 1.0 | 2.8 | 3.9

Паливо всього, млн. т у. п., в т.ч.: | 40.6 | 55.6 | 53.1 | 72.0 | 55.7 | 79.8

Вугілля | 33.7 | 49.9 | 45.8 | 64.6 | 47.8 | 72.1

Газ** | 6.7 | 5.5 | 7.0 | 7.2 | 7.7 | 7.5

Мазут | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.2

Питомі витрати на виробництво електроенергії, г у. п. на кВт год. | 347.3 | 342.3 | 350.7 | 334.2 | 349.9 | 328.7

Викиди, млн. т:

SO2 | 0.261 | 0.211 | 0.339 | 0.282 | 0.355 | 0.314

NOx | 0.162 | 0.173 | 0.209 | 0.220 | 0.222 | 0.243

Пил | 0.039 | 0.029 | 0.048 | 0.038 | 0.048 | 0.041

Парникові гази прямої дії | 112.9 | 158.6 | 149.4 | 205.6 | 156.7 | 228.4

Кумулятивні інвестиції, млрд. грн.*** | 242.3 | 499.8 | 219.4 | 448.9 | 214.4 | 371.2

Собівартість відпущеної електроенергії, грн./МВт.год. *** | 163.8 | 173.7 | 174.5 | 179.1 | 179.2 | 182.1

* – сценарій: I – уточнений базовий сценарій Енергетичної стратегії України; II – сценарій проекту розвитку ядерно–паливного комплексу України; III – вугільно–атомний сценарій;

** – включаючи природний газ, біогаз, метан шахтних родовищ, метан зі звалищ;

*** – в цінах 2005 року.

Головні відмінності для різних сценаріїв – масштаби розвитку теплової та атомної енергетики, починають суттєво проявлятися в період за 2015 роком, бо висока ефективність рішень стосовно реконструкції та модернізації теплової енергетики, максимальних масштабів розвитку гідроенергетики країни та термінів подовження роботи енергоблоків АЕС, використання їх майданчиків для нового будівництва обумовлюють доцільність їх реалізації при всіх сценаріях розвитку структури генеруючих потужностей.

З формальної точки зору реалізувати розроблені сценарії можна при різних моделях ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці. Але можливість їх реалізації при регулюванні діяльності в електроенергетиці на базі моделей ОРЕЦП та МВДМ є малоймовірною, бо фінансування будівництва нових АЕС, потужних гідроелектростанцій та вугільних ТЕС не є привабливим для незалежних інвесторів через значні терміни реалізації таких проектів за відсутності гарантій сталого збуту та цін на електроенергію через 6 – 12 років після початку інвестування. Тому реалізація означених сценаріїв при цих моделях регулювання можлива переважно на базі розвитку ГК державної форми власності.

Це обумовлює доцільність трансформація існуючої моделі регулювання діяльності в електроенергетиці країни в модель ОРЕДУ, за якою реальним стає можливість залучення приватних інвесторів в розвиток генерації за рахунок прийняття державою на себе частини фінансових ризиків при будівництві (реконструкції) електростанцій.

ВИСНОВКИ

В дисертації виконано вирішення важливої науково–технічної задачі прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей електроенергетичних систем в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці шляхом створення теоретичних та методичних засад прогнозування, математичних моделей, алгоритмів та програмно–інформаційних засобів, які дозволяють проводити комплексні дослідження перспектив розвитку структури генеруючих потужностей в цих умовах.

У процесі виконання роботи отримано наступні науково–практичні результати:

1. На основі синтезу удосконаленого методу оптимізаційних моделей та методів оцінки ефективності інвестиційних рішень розроблено новий метод прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей, який дозволяє безпосередньо враховувати вплив ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці на формування структури генеруючих потужностей.

2. Удосконалено метод оптимізаційних моделей та створена система синтезу конкретних моделей безпосередньо в процесі проведення досліджень відповідно до цілей їх проведення, доцільного рівня адекватності та агрегування представлення об‘єктів, процесів та зв’язків ОЕС, наявної вхідної інформації тощо.

3. Розроблено нові методи моделювання розвитку окремих елементів ОЕС, процесів її функціонування та розвитку при формуванні варіантів розвитку структури генеруючих потужностей. З їх використанням розроблено базову оптимізаційну модель формування та оцінки варіантів розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС.

4. На базі сучасних комп’ютерних технологій розроблено програмно–інформаційний комплекс для прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці.

5. Виконана розробка та уточнення показників сценаріїв розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС України на період до 2030 року.

6. Визначені доцільні напрями удосконалення механізмів ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці країни.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Оптимизация республиканского топливно–энергетического комплекса и его отраслевых систем / Кулик М.Н., Юфа А.И., Костюковский Б.А. и др. АН Украины. Ин–т проблем энергосбережения. – К.: Наук. думка, 1992 г. – 215 с.

2. Україна на шляху до енергетичної ефективності. / Ковалко М.П., Кулик М.М., Костюковський Б.А. та ін. Науково–практичне видання. – К.: Агентство з раціонального використання енергії та екології, 1997. – 228 с.

3. Raptsoun N., Kaletnik N., Kostenko D., Parasyuk N., Gnedoi N., Ivanenko N., Kostyukovski B., Kulik M., Laskarevski V. Mitigation Analysis for Ukraine: Global Climate Change Mitigation Assessment, Washington, D.C. USA., 1997. – Р. 169–192.

4. Костюковский Б.А. Применение математических моделей для решения задач управления развитием электроэнергетических систем // Оптимизация больших систем энергетики и энергосбережение: Сбор. науч. труд. / АН УССР. Ин–т проблем энергосбережения. – Киев, 1990 г. – С. 10–17.

5. Костюковский Б.А., Ласкаревский В.И., Парасюк Н.В. Комплекс информационных и программных средств для исследования развития ЭЭС // Проблемы энергосбережения: Республ. межведомств. сбор. науч. труд. – Вып.2. – Киев: Наук. думка, 1989 г. – С. 5–7.

6. Костюковский Б.А., Крысанов Д.В., Ласкаревский В.И., Парасюк Н.В. Об автоматизации исследований развития энергетики // Проблемы энергосбережения: Республ. межведомств. сбор. науч. труд. Вып. 3. – Киев.: Наук. думка, 1990 г. – С. 57–59.

7. Костюковский Б.А., Ласкаревский В.И., Парасюк Н.В., Савенков Ю.В. Частично–целочисленная модель развития электроэнергетической системы с учетом региональных особенностей // Системные исследования в энергетике. Сбор. науч. труд. / АН УССР. Ин–т проблем энергосбережения. – Киев, 1988 г. – С. 23–28.

8. Кулик М.Н., Костюковский Б.А., Парасюк Н.В., Крысанова И.Н. Рациональное природопользование при управлении развитием и функционировании электроэнергетических систем // Проблемы энергосбережения: Межведомств. сбор. науч. труд. Вып. 12. – К.: Наук. думка, 1993. – С. –16.

9. Костюковский Б.А., Крысанова И.Н. Моделирование конденсационных электростанций в задачах развития энергосистем //Оптимизация больших систем энергетики и энергосбережение: Сборн. науч. труд. Киев, Ин–т проблем энергосбережения АН УССР, 1990 г. – С. 53–61.

10. Кулик М.М., Костюковський Б.А., Шульженко С.В., Гольденберг І.Я. Перспективи розвитку вітроенергетики в Україні //Проблеми загальної енергетики: Наук. збірник – 2000.– №3. – C. –15.

11. Гольденберг І.Я,, Костюковський Б.А., Біленко М.С., Костюковська Н.Л. Моделі оцінки техніко–економічної ефективності рішень з розвитку структури генеруючих потужностей та їх використання при прогнозуванні її розвитку // Проблеми загальної енергетики: Наук. збірник– 2001.– №4. – С. –11.

12. Костюковський Б.А., Шульженко С.В., Гольденберг І.Я., Власов С.В. Методи та засоби дослідження перспектив розвитку електроенергетики в умовах впровадження ринкових відносин // Проблеми загальної енергетики: Наук. збірник. – 2000. – №2. – С. –13.

13. Шульженко С.В., Костюковський Б.А., Біленко М.С., Нечаєва Т.П. Аналіз доцільності використання різних механізмів державної підтримки розвитку вітроенергетики в умовах України // Проблеми загальної енергетики: Наук. збірник. – 2004. – №11. – C. –38.

14. Кулик М.Н., Юфа А.И., Дунаев В.Н., Богомолец Т.В., Костюковский Б.А. Математические модели и информационно–программная система для задач оптимизации развития топливно–энергетического комплекса республики.– Киев, 1990. – 38 с. (Препринт/ АН УССР, Институт проблем энергосбережения; 90–5).

15. „Розробка основних напрямків розвитку паливно–енергетичного комплексу на підставі уточнених макроекономічних показників соціально–економічного розвитку України з метою урахування в Енергетичній стратегії України до 2030 року та подальшу перспективу”/ Кулик М.М., Костюковський Б.А., Шульженко С.В. та ін. Інститут загальної енергетики. Звіт про науково–технічну роботу. – К.: Об‘єднання енергетичних підприємств “Галузевий резервно–інвестиційний фонд розвитку енергетики” Мінпаливенерго України, 2002 р. – 177 с.

АНОТАЦІЯ

Костюковський Б.А. Методи та засоби прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей Об‘єднаних електроенергетичних систем в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.01 – Енергетичні системи та комплекси. – Інститут загальної енергетики НАН України, Київ 2007.

В роботі розроблені теоретичні та методичні засади прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС в умовах ринкового регулювання діяльності в електроенергетиці, створена система математичних моделей для прогнозування, яка складається з моделей обробки експертних оцінок, оптимізаційних моделей визначення та оцінки варіантів розвитку структури генеруючих потужностей для окремих сценаріїв перспективних умов їх формування та розрахункових моделей – імітаторів процесів впровадження та експлуатації технологій виробництва електроенергії та визначення їх техніко-економічних та екологічних показників.

Виконано удосконалення методу оптимізаційних моделей та розроблені нові методи моделювання окремих елементів, умов та вимог до розвитку ОЕС.

Створено програмно-інформаційний комплекс для прогнозування розвитку структури генеруючих потужностей