В.М.Летун. Оптимизация режимов работы энергосистем - основа модели оптового рынка электроэнергии

Математик. Окончил в 1961 году Уральский государственный университет по специальности прикладная математика, кандидат технических наук.


С 1967 года, занимается проблемами оптимизации режимов работы электростанций и энергосистем.
Защитил кандидатскую диссертацию по теме «Методы определения экономичных режимов гидротепловых энергосистем и ТЭС со сложными тепловыми схемами».
Подготовлена докторская диссертация – «Оптимизация режима работы электростанций и энергосистем – основа модели оптового рынка электроэнергии».
Автор более 50 статей.
Разработчик программно-технического комплекса «Многофункциональная математическая модель тепловой электростанции», который в составе проекта , направленного на энергосбережение и повышение энергетической эффективности. Лауреат конкурса Российской ассоциации инновационного развития.




  
   Сложность проектирования моделей оптового рынка электроэнергии во многом определяется особенностью энергетической отрасли, продукт производства которой (электроэнергию) нельзя произвести впрок. Объём производства электроэнергии тесно связан с объёмом её потребления. Электроэнергии производится ровно столько, сколько требует потребитель, поэтому избытка её в принципе быть не может. Эта особенность существенно влияет и определяет структуру оптового рынка электроэнергии. Поэтому при проектировании модели такого оптового рынка возникает далеко непростой вопрос: «Какова должна быть архитектура рыночной модели электроэнергии»? 
    
     Здесь уместно напомнить одну из основных целей перехода на рыночные отношения – повышение экономической эффективности производства электроэнергии. Стало быть, механизм конкуренции, закладываемый в модель оптового рынка электроэнергии, должен с неотвратимой неизбежностью в каждом случае приводить к поставленной цели.
     Электроэнергия – это социально значимый и высоколиквидный продукт, поэтому общество заинтересовано в производстве его с минимально возможными издержками. Это, в свою очередь, улучшит экологическую ситуацию и создаст благоприятные условия для снижения тарифов. Такой подход необходимо рассматривать как важную составляющую общей проблемы энергоэффективности и энергосбережения, реализуемую на этапе производства электроэнергии. Степень эффективности мероприятий по энергосбережению на этом этапе сопоставима с аналогичным показателем на этапе энергопотребления. Это обстоятельство диктует необходимость комплексного подхода к решению проблемы.
     Актуальность решения проблемы энергосбережения резко возросла в связи с переходом энергетики на рельсы рыночной экономики в секторе производства электроэнергии.
     Анализ результатов функционирования существующей модели оптового рынка электроэнергии дает основание утверждать, что предложенный механизм далёк от совершенства. Он не соответствует требованиям обеспечения минимизации затрат на топливо при производстве электроэнергии (это легко показать) и потому в принципе не может быть энергосберегающим. Главная причина неэффективности существующей модели оптового рынка электроэнергии заключается в отсутствии в механизме аукционной покупки-продажи электроэнергии оптимизационной процедуры распределения нагрузки между электростанциями, опирающейся на их энергетические характеристики (характеристики относительных приростов затрат на топливо – ХОПЗ).
     В основе оптового рыка электроэнергии лежит аукцион ценовых заявок. Это обстоятельство делает ценовую заявку ключевой позицией, определяющей эффективную работу оптового рынка электроэнергии. Поэтому исчерпывающее определение и разъяснение существа (а не только формы) ценовой заявки архиважно. В первую очередь, это важно для обеспечения эффективной работы единой энергетической системы.
     Практика работы субъектов рынка, между тем, показывает, что отсутствие каких-либо единых правил формирования ценовых заявок не только по форме, но и по содержанию приводит на деле к поиску некоего эффективного способа их задания, основанного на анализе предшествующих результатов работы на оптовом рынке. Таким образом, лишь опыт и интуиция определяют каждый раз вид ценовой заявки. По существу идёт игра ценовыми заявками. Но никакая игра ни при каких обстоятельствах в принципе не может обеспечить экономически эффективное производство электроэнергии. Налицо несоответствие принятой модели рынка такой специфичной отрасли, как энергетика. А специфика энергетического производства (электроэнергии не может производиться в избытке) не может не накладывать на модель оптового рынка электроэнергии определенного отпечатка.
     Чтобы понять, какое влияние оказывает упомянутая специфика энергетической отрасли на модель оптового рынка электроэнергии, проанализируем механизм использования её ключевого звена – ценовой заявки.
     Существующий подход предполагает подачу всеми субъектами оптового рынка электроэнергии ценовых заявок для участия в аукционе по продаже электроэнергии на предстоящие сутки. Заявки поступают к администратору торговой системы как от покупателей электроэнергии, указывающих требуемые объёмы электроэнергии и собственные возможности по их оплате, так и от поставщиков, указывающих объёмы гарантированной поставки электроэнергии по ценам, сформированным с учётом всех видов затрат. Для поставщика электроэнергии, однако, весьма проблематично предугадать полные затраты на производство электроэнергии для расчёта ожидаемой цены, поскольку неизвестно, каков будет объём произведенной электроэнергии в предстоящие сутки. Поэтому поставщик электроэнергии, стремясь получить максимальную прибыль, пытается спрогнозировать, исходя из опыта и результатов предыдущих суток, наиболее эффективный уровень цен для разных объёмов реализуемой электроэнергии. По заявкам покупателей строится кривая спроса, а по заявкам поставщиков – кривая предложения (рис. 1 презентации).  

В.М.Летун.Рисунки к статье " Оптимизация режимов работы энергосистем - основа модели оптового рынка электроэнергии"


     Желание покупателей электроэнергии приобрести бóльший объём электроэнергии по более низкой цене остается неудовлетворённым. Необеспеченный спрос части субъектов рынка может быть реализован на свободном рынке.
     Объём Wп является предельным при продаже-покупке электроэнергии на взаимовыгодных условиях, и ему соответствует цена Цп. Таким образом, точка пересечения кривой спроса и кривой предложения соответствует предельной по объёму продажи (покупки) электроэнергии и цене на взаимовыгодных условиях.
     Эта нехитрая схема аукциона, реализующая приоритетную покупку дешевой электроэнергии и, тем самым, минимизирующая затраты на покупку электроэнергии, определяет соответствующую загрузку электростанций по активной мощности. Из этого, однако, не следует, что затраты на производство электроэнергии при такой загрузке будут минимальными. Скорее всего, при таком подходе они никогда не будут минимальными, а степень отклонения (по затратам) полученного режима от оптимального будет во многом определяться заданными ценами в ценовых заявках субъектов оптового рынка.
     В подобном подходе надежды на «невидимую руку» рынка совершенно беспочвенны. Надо хорошо представлять себе, что «невидимая рука», о которой говорили отцы рыночной экономики, это вовсе не какой-то мистический пассаж в модели рынка, а тонкий экономический инструмент, призванный сделать модель максимально эффективной.
     В описанной схеме модели отсутствует такой инструмент, поэтому она изначально запрограммирована на заведомо неэффективное решение с точки зрения затрат при производстве электроэнергии несмотря на некий рыночный антураж. Во главу угла, по существу, ставится конкуренция цен на электроэнергию, которая, в свою очередь, порождает массу негативных явлений (игра с ценовыми заявками, коррупция и т.п.), которые усугубляют неэффективное функционирование энергетики.
     По существу произошла замена задачи минимизации затрат на производство электроэнергии задачей минимизации затрат на покупку электроэнергии.
     Можно воспользоваться рекомендацией РАО «ЕЭС России». В пункте 12.3 приказа РАО «ЕЭС России» № 52 от 24.01.2006г. «О подготовке к запуску нового оптового рынка электроэнергии (мощности) переходного периода (далее НОРЭМ) с 1 апреля 2006 г.», рекомендуется «считать целесообразной подачу конкурентных ценовых заявок на продажу электроэнергии на основе предельных переменных затрат». По общепринятому определению [1,2] предельные переменные затраты или маржинальные затраты это первая производная по мощности от функции затрат на производство электроэнергии или, что то же, характеристика относительных приростов затрат.
     Воспользуемся этой рекомендацией и зададим в качестве ценовых заявок маржинальные затраты (ХОПЗ), тогда решение, полученное в этом случае, будет заметно ближе к оптимальному в части затрат на производство электроэнергии. Но в этом случае возникает вопрос со смысловой интерпретацией точки пересечения (если она будет) кривой спроса и кривой предложения, так как маржинальные затраты, строго говоря, не есть цена произведенной электроэнергии. Продавать электроэнергию в данной ситуации по цене Цп крайне невыгодно для поставщика, ибо маржинальные затраты всегда меньше реальной цены на электроэнергию.
     В этой ситуации напрашивается естественный выход – вести расчёт цен на электроэнергию постфактум, зная объём и график загрузки каждого поставщика электроэнергии и их актуальные энергетические характеристики.
     Если посмотреть на проблему более строго, то необходимо изменить архитектуру модели оптового рынка электроэнергии с включением в неё полнокровной системы оптимизации режима загрузки электростанций по критерию минимизации затрат на сжигаемое топливо при производстве электроэнергии. Это и есть «невидимая рука», которая сделает модель эффективной, и это единственно возможный путь сокращения издержек на производство электроэнергии, по максимизации прибыли в целом по единой энергосистеме, по созданию объективных предпосылок для снижения тарифов на электроэнергию.
     За основу модели оптового рынка целесообразно взять хорошо в прошлом проработанную иерархическую систему оптимизации режимов работы энергосистем с привязкой к ней системы взаиморасчётов за проданную (купленную) электроэнергию. При таком подходе автоматически решается проблема оптимального производства электроэнергии в указанном выше смысле. Предметом конкуренции становятся экономические характеристики субъектов рынка, которые во многом (если не в основном) определяются использованием высокотехнологичного оборудования, высокой культурой технической эксплуатации этого оборудования и, наконец, оптимальным управлением режимом его загрузки. Субъекты рынка, обладающие такими качествами, будут иметь конкурентное преимущество, которое, в конечном счете, обеспечит им производство электроэнергии в большом объёме и с наименьшими издержками. И в этом гвоздь вопроса.
     Теперь скажем несколько слов об общих принципах организации системы взаиморасчётов. Оптимизация режимов на верхних уровнях иерархии сводится к определению объёмов межсистемных перетоков активной мощности. Каждый из перетоков может быть вызван либо дефицитом мощности в соседней энергосистеме, либо замещением «дорогой» электроэнергии, либо тем и другим.
     Взаиморасчеты при ликвидации дефицита мощности в соседней энергосистеме. Это классический случай торговых взаимоотношений двух сторон поставщик – потребитель, поэтому в такой ситуации все расчёты за поставленную электроэнергию осуществляются по тарифу, в котором учтены все виды затрат на произведенную электроэнергию.
     Взаиморасчеты при замещении «дорогой» электроэнергии. Это вполне реальный вариант установления торговых отношений между двумя самодостаточными энергосистемами, выгодных при определенных условиях для каждой из сторон.
     Слово дорогой взято в кавычки по той простой причине, что оно выражает не общепринятый смысл – достаточно большие средние за определенный период затраты на производство 1 МВт∙ч электроэнергии по топливной составляющей, а нечто иное. Это иное можно сформулировать следующим образом: под понятием дорогая электроэнергия подразумевается большой по величине в рассматриваемый момент времени прирост затрат на топливо при увеличении выработки электроэнергии на 1 МВт∙ч. В этом смысле статус электростанции (энергосистемы) – «дорогая» или «дешевая» – может меняться в зависимости от ситуации. Количественную сторону этих приростов затрат отражает характеристика относительных приростов затрат (ХОПЗ).
     Таким образом, если две соседние энергосистемы А и В, имеющие эквивалентные ХОПЗ (см. рис. 2 презентации), при покрытии нагрузки потребления вышли на относительные приросты eА и eВ , то у них есть реальная возможность осуществить взаимовыгодную торговую сделку: энергосистема А может заместить свою дорогую мощность в объёме DР (МВт), соответствующей мощностью, купленной в энергосистеме В.
     Объём  DР  рассчитывается таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

 

                              eА ( РАпотр - DР ) = eВ ( РВпотр + DР )  =  eц .                                           (1)

 


     Продажа электроэнергии энергосистеме А в объёме DР (МВт∙ч) позволит, во-первых, максимально снизить суммарные затраты на производство электроэнергии и, во-вторых, при определенном уровне продажной цены сделать торговую сделку выгодной для каждой из сторон. В качестве такой цены целесообразно выбрать относительный прирост затрат eц или какое-нибудь близкое к нему значение.
     Очевидно, что если в такой ситуации осуществлять продажу электроэнергии по цене, включающей все виды затрат и потому существенно большей чем eц, то покупающей стороне выгоднее будет производить этот объём электроэнергии DР, используя свои генерирующие мощности.
     И, наконец, если одна из соседних энергосистем не только дефицитная, но ещё и «дорогая», то расчёт с ней за поставленную электроэнергию из соседних энергосистем будет осуществляться по двум тарифам: за покрытый дефицит электроэнергии – по одному тарифу, за замещённую дорогую электроэнергию – по другому тарифу.
     Таким образом, на уровне энергосистемы (уровень РДУ) в иерархической системе процесса оптимизации режимов определятся структурированные по тарифам межсистемные перетоки активной мощности. Располагая прогнозом нагрузки потребления, энергетическими характеристиками электростанций, можно оптимизировать распределение активной мощности между электростанциями с учётом сетевого фактора и межсистемных перетоков мощности в следующей последовательности:
     при нарушении баланса генерации и потребления в некоторых интервалах времени выбирается состав работающего оборудования;
     оптимизируется режим загрузки электростанций энергосистемы;
     предварительные графики нагрузки передаются на электростанции энергосистемы для уточнения состава работающего оборудования и, в случае его изменения, соответствующего перерасчета энергетических характеристик ХОПЗ электростанций;
     в соответствии с новыми ХОПЗ в РДУ повторно оптимизируется режим загрузки электростанций энергосистемы для уточнения их графиков нагрузки.
     В конце процесса оптимизации по каждой энергосистеме определится необходимый объём информации для проведения коммерческих расчётов: тарифы за межсистемные перетоки мощности, почасовая себестоимость производства электроэнергии для каждой электростанции энергосистемы по топливной составляющей, почасовые объёмы производства электроэнергии и т.п. Используя эти данные в купе с утверждёнными условно-постоянными затратами для каждой электростанции, можно рассчитать тарифы на электроэнергию в целом для региона, который находится в сфере обслуживания энергосистемы. Для этого на уровне энергосистем должны существовать соответствующие трейдерские службы.

     Выводы:

     1. Переход от конкуренции цен на электроэнергию к конкуренции технологий, конкуренции владения культурой технического обслуживания оборудования, конкуренции в оптимальном управлении загрузкой электростанций и энергосистем, которая найдет свое выражение в ХОПЗ, обеспечит максимальное сокращение издержек на производство электроэнергии.

     2. Реализация такого подхода повысит надежность работы единой энергетической системы за счет следующих факторов:
     исключения из технологических функций системного оператора при оптимальном управлении режимом работы энергосистем различных коммерческих наслоений, отвлекающих от решения производственных задач;
     распределенного по уровням диспетчерского управления технологических задач (например, выбор состава оборудования) по принципу наступления события и учета места их возникновения.

     3. Система становится в высокой степени контролируемой. Показатели ХОПЗ (эквивалент ценовых заявок), подаваемые электростанциями на уровень РДУ, могут быть легко проверены аналитическими службами РДУ.

     4. Система оказывает стимулирующее влияние на внедрение новых технологий, на повышение культуры технического обслуживания оборудования, на развитие принципов оптимального управления режимами загрузки основного оборудования электростанций и в целом энергетических систем.

     5. Повышается ответственность системного оператора (РДУ) по бесперебойному снабжению электроэнергией потребителей региона.

     6. Высокий уровень и объективность производственно-экономической информации в результате функционирования такой системы дают богатую пищу для эффективного выбора вектора развития энергетических систем.



Список литературы:

1. Стивен Стофт. Экономика энергосистем. Введение в проектирование рынков электроэнергии.: Пер. с англ. – М.: Мир, 2006.
2. Марков М.В. Микроэкономика.- СПб.: Издательский Дом «Нева», 2003.









Comments