Оптимизация сценариев развития и размещения генерирующих мощностей и требований к пропускной способности межсистемных связей ЭЭС

Page 1

Page 2

Оптимизация сценариев
развития и размещения
генерирующих мощностей
и требований к пропускной
способности межсистемных
связей ЭЭС

УДК 620.9:621.311

Изложены

постановка

задачи

оптимизации

вариантов

развития

генерирующих

мощностей

межсистемных

связей

электроэнергетической

системы

(

ЭЭС

математическая

модель

для

решения

задачи

иллюстративный

пример

исследо

ваний

сценариев

перспективного

развития

Единой

энергосистемы

России

энергоснабжение

Труфанов

д.т.н., ведущий научный

сотрудник, заведующий

лабораторией развития

электроэнергетических

систем ИСЭМ СО РАН

Ханаев

к.т.н., ведущий

специалист ИСЭМ

СО РАН

Ключевые

слова

электроэнергетическая

система, электростанция,

линия электропередачи,

развитие, математическая

модель, оптимизация

ыбор оптимальных сце-

нариев развития ЭЭС

включает в себя реше-

ние задачи определения

рациональной структуры генери-

рующих мощностей и требований

к пропускной способности меж-

системных электрических связей

на перспективу 10–20 лет.

Задача решается при опреде-

ленных внешних условиях разви-

тия: перспективной потребности

в электроэнергии, ограничениях

объемов использования топли-

ва, возможностях энергомаши-

ностроения и энергетического

строительства. Спецификой за-

дач развития национальных ЭЭС

является необходимость их рас-

смотрения как технологически

единого объекта, независимо

от организационной структуры

и форм собственности. Результа-

ты решения задачи используются

при проектировании региональ-

ных ЭЭС и для определения пер-

спективной потребности в обору-

довании.

Обоснование развития ЭЭС

связано с существенными труд-

ностями также и из-за необхо-

димости учета: требований на-

дежности

функционирования

системы, сильных внешних свя-

зей, неопределенности будущих

условий, риска возможных экс-

тремальных условий и других

факторов.

Ведущей тенденцией совер-

шенствования математических

моделей (см. обзор в [1]) для ре-

шения рассматриваемой задачи

являлось стремление к более

точному описанию режимов ра-

боты генерирующего оборудова-

ния с целью учета технических

ограничений и, соответственно,

к приемлемой точности оцен-

ки затрат на функционирова-

ние и развитие ЭЭС. В [2] был

впервые предложен метод «по-

зонной» оптимизации, исполь-

зование которого позволило

разработать в дальнейшем мо-

дели развития ЭЭС, в основном

удовлетворяющие

указанным

требованиям. Одной из таких

моделей является оптимизаци-

онная математическая модель

СОЮЗ [3–5].

Наиболее существенное от-

личие ее от других моделей раз-

вития ЭЭС заключается в более

точном описании режимов рабо-

ты генерирующего оборудования

и межсистемных перетоков мощ-

Page 3

ности и электроэнергии за счет

моделирования покрытия множе-

ства представительных суточных

графиков электрической нагрузки

ЭЭС в едином календарном вре-

мени. Это позволило более обо-

снованно определять требования

к пропускным способностям меж-

системных электрических связей,

учесть основные составляющие

системного эффекта от интегра-

ции ЭЭС.

Электроэнергетическая сис-

тема в модели СОЮЗ пред-

ставлена многоузловой сетью,

узлами которой являются тер-

риториальные ЭЭС, а межузло-

вые связи отображают совокуп-

ность конкретных межузловых

ЛЭП. Электростанции в узлах

описываются множеством групп

однотипных агрегатов, имеющих

близкие технико-экономические

показатели.

Фиксированной частью описа-

ния процесса развития являются:

исходная структура генерирую-

щих мощностей, принятые объ-

емы демонтажа и технического

перевооружения генерирующего

оборудования, задельное строи-

тельство.

Модель включает в себя бло-

ки балансов мощности узлов, ба-

лансов зон суточных графиков

нагрузки по узлам, перетоков по

меж узловым связям, а также бло-

ки, описывающие функциониро-

вание и развитие разных типов

генерирующего оборудования.

Минимизируемый

функцио-

нал — суммарные приведенные

затраты на развитие и функци-

онирование ЭЭС, включающие

переменные и постоянные теку-

щие издержки, капиталовложения

в новые электростанции и меж-

системные ЛЭП.

Балансы мощности узлов фор-

мируются для часа совмещенного

максимума нагрузки ЭЭС в целом

и часов максимумов нагрузки уз-

лов. В модели описывается эф-

фект от несовпадения времени

прохождения максимумов нагруз-

ки в энергоузлах, имеется возмож-

ность минимизации необходимого

суммарного аварийного резерва

мощности за счет развития меж-

системных связей и его оптималь-

ного размещения.

Потребность в электроэнергии

в каждом узле задается с учетом

ее неравномерности в сезонном,

недельном и суточном разрезах

через набор суточных графиков

нагрузки. Типовой набор графиков

включает зимние и летние выход-

ные и рабочие сутки.

Годовой баланс энергии энер-

гоузлов в модели описывается

совокупностью балансов зон

представительных

суточных

графиков электрической нагруз-

ки с переходом к годовым пока-

зателям в функционале модели

через коэффициенты «эквива-

лентного числа суток в году».

При моделировании суточного

режима используется принцип

«позонной оптимизации» в соот-

ветствии с разбиением суточно-

го графика нагрузки на горизон-

тальные зоны, соответствующие

приростам нагрузки в разные

часы суток. Для учета кален-

дарного времени суток, где это

необходимо, используются пе-

ременные почасовой нагрузки.

Такое описание режима работы

ЭЭС позволяет оптимизировать

в модели синхронный во вре-

мени режим работы генерирую-

щего оборудования всех узлов

и электрических связей между

ними.

Для разных типов генерирую-

щего оборудования учитываются

специфические ограничения ре-

жимов их работы: возможность

пусков-остановов, технический

минимум нагрузки для КЭС, мак-

симальная базисная нагрузка

и возможность выработки элек-

троэнергии по сезонам года для

ГЭС, режимы загрузки ТЭЦ по

теплофикационному циклу и др.

Для аккумулирующих электро-

станций (ГАЭС) режим заряда

описывается переменными по-

часовой загрузки. Учитываются

ограничения на загрузку ГАЭС

в турбинном режиме, соотноше-

ния величин генерируемой и ак-

кумулируемой электроэнергии,

ограничения на объем верхнего

водохранилища.

Использование ЛЭП в балан-

сах зон графиков нагрузки и ба-

лансах мощности ограничивает-

ся их пропускной способностью

с учетом ее наращивания.

Для всех электростанций вво-

дятся также интервальные огра-

ничения по годовому расходу то-

плива разных видов и на развитие

отдельных видов генерирующего

оборудования, исходя из местных

условий или возможностей поста-

вок энергетического оборудова-

ния.

Со времени появления модели

СОЮЗ накоплен большой опыт

ее использования для решения

различных практических задач

развития ЕЭЭС СССР, а затем

и России и ее регионов. Наряду

с традиционным использованием

модели для оценки и выбора ра-

циональных вариантов развития

ЭЭС на перспективу, проводились

некоторые специфические иссле-

дования: анализ средств обеспе-

чения маневренности ЕЭЭС [6],

оценка эффективности мероприя-

тий по повышению энергетической

безопасности страны [7], много-

критериальный анализ вариантов

развития ЕЭЭС [8], оценка эффек-

тивности интеграции ЭЭС в ЕЭЭС

России и составляющих межси-

стемного эффекта [9], эффектив-

ности потребителей-регуляторов

и энергосбережения [10] и др.

Приведем в качестве приме-

ра использования модели СОЮЗ

некоторые результаты исследо-

ваний для ЕЭС России на пер-

спективу до 2030 г. [11]. Рассма-

тривались несколько уровней

потребления

электроэнергии

в перспективе (рисунок 1). В ка-

честве основного принимался

«базовый» сценарий электро-

потребления, соответствующий

утверж ден ной «Генеральной схе-

ме размещения энергетических

объектов до 2030 года». Средне-

годовой темп роста потребления

электроэнергии в этом сценарии

составляет порядка 2,2%, элек-

тропотребление в границах ЕЭС

в 2030 году — 1490 млрд кВт·ч.

Рассматривался также мини-

мальный сценарий с уровнем

потребления в 2030 году —

1150 млрд кВт·ч (вариант «мин»).

Для базового сценария элек-

тропотребления, кроме заданного

«базисного» варианта развития

ЕЭС (вариант «баз»), рассматри-

вались также варианты с оптими-

зацией генерации ЕЭС (вариант

№

5 (62) 2020

Page 4

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

«оптбаз») и вариант «исэм», учи-

тывающий возможные задержки

вводов на АЭС, значительный

рост мощностей малых ГТУ-ТЭЦ

на базе существующих котельных

и распределенной генерации.

Расчетные значения вводов

генерирующих мощностей по

ЕЭС до 2030 года приведены на

рисунке 1. В базовом варианте

суммарные вводы мощностей на

электростанциях ЕЭС к 2030 году

составили 170 млн кВт, в мини-

мальном варианте 93 млн кВт.

Структура мощностей по ти-

пам электростанций видна из

этого рисунка. Наибольшие раз-

личия в структуре по вариантам

приходятся на конденсационные

электростанции. Вариант «исэм»

качественно отличается от других

вариантов значительным ростом

вводов на ТЭЦ за счет ГТУ-ТЭЦ

на газовых котельных и более низ-

ким уровнем АЭС.

Проведенный анализ энерге-

тических режимов энергосистем

в этих вариантах показывает, что

прогнозируемая структура гене-

рирующих мощностей в целом

обеспечивает покрытие суточных

графиков электрической нагрузки,

включая провалы в часы мини-

мума. Маневренных возможно-

стей электростанций достаточно

для покрытия переменной части

нагрузки. Для атомных электро-

станций и КЭС на угле обеспечи-

вается базисный режим работы.

В европейских ОЭС требования

к маневренности оборудования

максимальны — в час минимума

зимних рабочих суток требуется

максимальная разгрузка КЭС на

газе.

ВЫВОДЫ

Опыт использования методи-

ческого аппарата для решения

Рис

. 1.

Вводы

генерирующих

мощностей

ЕЭС

2030

году

млн

кВт

задач развития ЭЭС, разра-

ботанного в Институте систем

энергетики им. Л.А. Мелентье-

ва, свидетельствует, что его ис-

пользование может существенно

повысить обоснованность при-

нимаемых решений по развитию

ЭЭС в России.

Работа выполнена в рамках про-

ектов государственного задания

III.17.4.1 Программы фундамен -

тальных исследований СО РАН, рег.

номер АААА-А17-117030310433-6.

ЛИТЕРАТУРА
1. Системные исследования в энергетике: Ретроспек-

тива научных направлений СЭИ-ИСЭМ. Отв. ред.

Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2010. 686 с.

2. Шарыгин В.С. Линейная математическая модель по

выбору структуры энергосистемы с улучшенным

учетом режима // Экономика и мат. методы, 1973, т. 9,

вып. 1. С. 122–130.

3. Беляев Л.С., Войцеховская Г.В., Савельев В.А. и др.

Системный подход при управлении развитием элек-

троэнергетики. Новосибирск: Наука, 1980. 239 с.

4. Воропай Н.И., Труфанов В.В. Математическое моде-

лирование развития электроэнергетических систем

в современных условиях // Электричество, 2000,

№ 10. С. 6–12.

5. Арбатский Г.М., Беляев Л.С., Такайшвили В.Р. и др.

Программно-информационный комплекс для оп-

тимизации структуры ЕЭЭС // Вопросы построения

АИСУ развитием ЭЭС. Вып. 2. Структура и принципы

построения I очереди АИСУ. Иркутск: СЭИ СО РАН,

1975. С. 67–95.

6. Ханаев В.А. Пути повышения маневренности Еди-

ной электроэнергетической системы СССР. Новоси-

бирск: Наука, 1991. 136 с.

7. Бушуев В.В., Воропай Н.И., Мастепанов А.М. и др.

Энергетическая безопасность России. Новосибирск:

Наука: Сиб. изд. фирма РАН, 1998. 301 с.

8. Воропай Н.И., Иванова Е.Ю., Труфанов В.В. Метод

многокритериального анализа решений для задач

анализа вариантов развития ЭЭС // Известия РАН.

Энергетика, 1998, № 6. С. 32–38.

9. Воропай Н.И., Труфанов В.В., Селифанов В.В., Шеве-

лева Г.И. К анализу эффективности Единой электро-

энергетической системы России // Электричество,

2000, № 5. С. 2–9.

10. Ханаев В.В. О комплексной оптимизации развития

электроэнергетической системы и потребителей

энергии // Системные исследования в энергетике.

Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып. 29, Ир-

кутск: ИСЭМ СО РАН, 1999. С. 66–73.

11. Воропай Н.И., Подковальников С.В., Труфанов В.В.

и др. Обоснование развития электроэнергетических

систем: Методология, модели, методы, их использо-

вание. Отв. ред. Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука,

2015. 448 с.

Оригинал статьи: Оптимизация сценариев развития и размещения генерирующих мощностей и требований к пропускной способности межсистемных связей ЭЭС

Ключевые слова: электроэнергетическая система, электростанция, линия электропередачи, развитие, математическая модель, оптимизация

Читать онлайн

Изложены постановка задачи оптимизации вариантов развития генерирующих мощностей и межсистемных связей электроэнергетической системы, математическая модель для решения задачи, иллюстративный пример исследований сценариев перспективного развития Единой энергосистемы России.