Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные принципы моделирования и организации электроэнергетических рынков 14
1.1. Трехсекторная концепция и ее недостатки 14
1.1.1. Товарная часть 15
1.1.2. Услуга по передаче 17
1.1.3. Вспомогательные услуги 18
1.1.4. Достоинства и недостатки трехсекторной концепции 19
1.2. Электроэнергетический рынок как социально-техническая система. Централизованное управление на рынке 22
1.2.1. Управление электроэнергетическим рынком 23
1.2.2. Структура модели либерального электроэнергетического рынка 28
1.2.3. Ценообразование и определение объемов поставок на рынке как оптимизационная задача 32
Глава 2. Модели и организационная структура электроэнергетического рынка 35
2.1. Модели рынка 35
2.1.1. Структура моделей временных уровней и подходы к моделированию 35
2.1.2. Товары электроэнергетического рынка 44
2.1.3. Оперативный рынок 48
2.1.4. Краткосрочный рынок 52
2.1.5. Долгосрочный рынок 53
2.2. Организационная структура временных уровней ЭР 55
2.2.1. Долгосрочный рынок 55
2.2.2. Краткосрочный рынок 57
2.2.3. Оперативный рынок 57
2.3. Вопросы обеспечения надежности и развития ЭЭС 58
2.3.1. Надежность функционирования 58
2.3.2. Развитие передающей системы 61
2.3.3. Развитие генерирующих мощностей и потребления 64
Глава 3. Исследование электроэнергетического рынка в сибири с помощью рассмотренных моделей 65
3.1. Исходные данные 65
3.2. Брокерский алгоритм 67
3.3. Расчет рынка на рассмотренных моделях долгосрочного рынка 69
3.3.1. Модель 1 69
3.3.2. Модель 2 70
3.3.3. Модель 3 71
3.3.4. Модель 4 73
3.3.5. Сопоставление результатов 74
3.4. Расчет режима с усилением линии 8-13 и определение источников инвестиций для такой модернизации 77
Глава 4. Системный оператор и автоматизация его деятельности 80
4.1. Роль и функции системного оператора в условиях либерального электроэнергетического рынка 80
4.1.1. Исходные принципы 80
4.1.2. Функции СО 82
4.1.3. Взаимодействие СО с участниками рынка 90
4.2. Автоматизация работы системного оператора 90
4.2.1. Блок текущего функционирования 91
4.2.2. Блок развития 92
Заключение 96
Литература
- Достоинства и недостатки трехсекторной концепции
- Структура моделей временных уровней и подходы к моделированию
- Расчет рынка на рассмотренных моделях долгосрочного рынка
- Взаимодействие СО с участниками рынка
Введение к работе
Актуальность. В последние десятилетия в мировой электроэнергетике происходят процессы, которые в корне меняют сложившиеся представления об отрасли и открывают новые возможности для повышения эффективности, надежности и экономичности [1]. Наиболее важные из этих процессов: глобализация и либерализация.
Процесс глобализации для электроэнергетики имеет два значения: техническое и экономическое. Технически глобализация выражается в постоянном развитии электрических сетей, что увеличивает возможности для передачи электроэнергии на большие расстояния. С экономической (и политической) точки зрения, национальные границы становятся все более прозрачными для различных товаров, в том числе электроэнергии и энергоносителей.
Либерализация заключается в постепенном-сокращении вмешательства государства в отношения между участниками процесса производства, передачи и потребления электроэнергии и дальнейшем функционировании значительной части этого процесса в рамках механизма общественной координации (в терминах [2]). К достоинствам такой формы организации электроэнергетики можно отнести более высокую эффективность функционирования и гибкость развития, которые появляются благодаря передаче права принятия решений лицам и организациям, несущим материальную ответственность за эти решения. При этом сложная задача согласования действий и критериев функционирования субъектов, характерная для регулируемых систем, автоматически решается через механизм общественной координации, функционирующий на основе ценовых сигналов, отражающих затраты на производство благ и их ценность для потребителей.
Начиная с 1982 года, когда были сделаны первые шаги по либерализации электроэнергетики Чили, многие страны встали на путь реструктуризации и дерегулирования электроэнергетики. В 1987 году этому примеру по следовала Новая Зеландия, в 1989 - Англия и Уэльс, в 1991 - Норвегия, в 1992 - Аргентина, в 1996 - Швеция. В 1999 году к этой тенденции подключились также страны Евросоюза.
На современном этапе развития, когда меняются сложившиеся представления об отрасли, а ценность и применимость уже накопленного опыта порой ставится под сомнение, первым логичным шагом в деле организации либеральных отношений было бы использование опыта других отраслей, где такие отношения уже сложились. Действительно, старейшие товарные и фондовые биржи насчитывают более сотни лет и являются кладезем бесценного опыта рыночных отношений. Однако для прямого применения этого опыта в электроэнергетике, да и в некоторых других отраслях, есть определенные препятствия, которые заключаются в технологических и экономических особенностях товаров.
Так, при всем многообразии товаров и рынков, существующих в мире, в основе функционирования любого из них лежит фундаментальный принцип экономики - цена формируется на основании соотношения спроса и предложения, которые в свою очередь определяются ценностью данного товара для потребителей и затратами на его производство. Однако, чтобы определить цену товара через прямое сопоставление спроса и предложения, товар должен быть стандартным, то есть все его свойства кроме цены должны быть одинаковы. И если физические характеристики электроэнергии в полной мере могут быть обеспечены на технологическом уровне, то предположить, что вся электроэнергия находится в одном месте, можно лишь для относительно концентрированной электрической сети с большими пропускными способностями линий. Иными словами, такой подход вполне пригоден для организации региональных электроэнергетических рынков (ЭР) в относительно концентрированных электроэнергетических системах (ЭЭС), где сеть обеспечивает реализацию любых возможных интересов и сделок. В ЭЭС большой протяженности со значительными объемами производства, передачи и потребления энергии, сопоставимыми с пропускной способностью сети, ущерб от пренебрежения транспортной задачей может достигать значительных величин, и будет возрастать при увеличении масштабов рынка (протяженности сети и оборота). Такая чувствительность эффективности отрасли к транспортной задаче характерна не только для рынков электроэнергии, но и для рынков многих других товаров, на конечную цену которых существенное влияние оказывает транспортная составляющая.
Собственно транспортная задача в электроэнергетике специфична. В частности, при передаче расходуется часть передаваемого товара (потери), актуальны ограничения на передачу, затраты на доставку зависят от наличия встречных или попутных перетоков и т.д., что нехарактерно для других товаров. Важным фактором является также то, что передача электроэнергии содержит признаки естественной монополии, и в. промышленных масштабах осуществляется только одним способом - через электрическую сеть. В таких условиях орган, регулирующий тарифы на передачу, имеет большое влияние на рынок, а, следовательно, на эффективность отрасли в целом, а с учетом места электроэнергетики в экономике индустриальных стран и на другие отрасли.
Другой важнейшей особенностью электроэнергии является ее многогранность. При близком рассмотрении в некоторый момент времени оказывается, что электроэнергия - это целый комплекс взаимосвязанных товаров и услуг. Сюда относится собственно активная и реактивная мощность, различные виды резервов для обеспечения надежности, услуги по регулированию частоты и напряжения и т.д. Все эти товары и услуги, существующие в электрической сети, являются, по сути, различными формами одного и того же явления - электроэнергии. Все они производятся, как правило, на одном и том же оборудовании и передаются по одним и тем же сетям, конкурируя между собой за производственные и транспортные ресурсы. Для потребителей же все эти товары вновь являются различными аспектами электроэнергии (надежность энергоснабжения, качество электроэнергии) и, таким образом, дополняют друг друга. Эти взаимосвязи также необходимо учитывать для обеспечения эффективной работы рынка.
Особое место в списке особенностей электроэнергии как товара занимает непосредственная зависимость качества электроэнергии (соответствие стандартам и нормативам) от ее количества. В соответствии с законами физики каждый участник, изменяя величину генерации или потребления, может влиять на качество электроэнергии (частоту и напряжение) у ближайших соседей или даже во всей ЭЭС. Чтобы поддерживать работоспособность электроэнергетической системы и качество электроэнергии, необходимо целенаправленное поддержание баланса в системе в каждый момент времени.
Все эти факторы выдвигают новые требования к моделям ценообразования и определения объемов поставок на оптовом электроэнергетическом рынке1, его организационным структурам и информационному обеспечению функционирования дерегулированных ЭЭС. Для удовлетворения требованиям эффективности и стабильности функционирования и гибкости развития необходим глубокий и всесторонний анализ процессов, происходящих в де-регулированной электроэнергетике как на техническом, так и на экономическом уровне, изучение существующих моделей, а при необходимости и синтез новых принципов и подходов к моделированию рынка электроэнергии.
Изучению различных аспектов либеральных отношений в электроэнергетике посвящены многочисленные исследования. Для того, чтобы сделать возможным совмещение таких принципов как единая ЭЭС и либеральные отношения, моделирование функционирования ЭР осуществляется на основе концепции, в которой электроэнергетика делится на три сектора: товарный, передающую систему и сектор вспомогательных услуг. В рамках каждого из этих секторов к настоящему времени накоплен уже достаточно большой научный, а в ряде стран и практический опыт. В товарном секторе разработаны принципы функционирования рынков и квазирынков электроэнергии [3 - 9], предложены методы анализа игровых ситуаций при несовершенной конкуренции [10] и исследованы многие другие вопросы. В области передающих систем, которые рассматриваются обычно как монопольный бизнес, развиваются методы ценообразования на услуги по передаче и за использование передающей системы, подходы к оценке экономической эффективности развития [11 - 12 и др.]. В сфере вспомогательных услуг разрабатываются принципы оказания вспомогательных услуг, оптимизация размещения резервов, исследуются возможности применения рыночных механизмов в этой области и т.д. [5 - 6, 13 - 14 и др.]. Целый ряд работ посвящен организации электроэнергетических рынков вообще и особенностям некоторых стран, в частности России [15-17]. Данная концепция лежит в основе ряда предложения по организации российского ЭР [18].
Однако такая трехсекторная концепция не в полной мере отражает взаимосвязи и взаимозависимости на рынке электроэнергии. Так, например, в рынках, функционирующих в протяженных сетях, необходимо изучение возможностей передачи электроэнергии из одной точки в другую и отражение соответствующих ограничений в организационной структуре и ценовом механизме. Направление, исследующее эти взаимосвязи, получило название "управление перегрузками" (англ. - congestion management). В рамках этого направления выполнен целый ряд работ [19 - 22 и др.]. Т. Gedra [22] описал использование модели постоянного тока для вычисления оптимальных узловых цен при управлении перегрузками. F.-R. Graf [21] предложил метод систематического редиспетчирования по критерию минимизации отклонений для снятия перегрузок. Н. Glavitsch и F. Alvarado [20] показали, что применение ценового управления перегрузками эквивалентно оптимизации потоко-распределения, причем такое управление перегрузками может осуществляться без получения предварительной информации о затратах производителей. R.S. Fang и А.К. David [23] предложили двухэтапный процесс диспетчирова-ния, основанный на оптимизации потокораспределения и ценах на то, чтобы заявка не была урезана (англ. willingnesso-payo-avoid-curtailment factors).
Практическое применение разных методов управления перегрузками проанализировано в работе K.L. Lo, Y.S. Yuen, L.A. Snider [24], где рассмотрены подходы, применяемые на рынках в Англии и Уэльсе, Калифорнии и Северном пуле (Норвегия, Швеция, Финляндия).
Появляются также другие направления, не предусмотренные трехсек-торной концепцией электроэнергетики. Есть работы, посвященные исследованию взаимосвязей "электроэнергия - передача - резерв". В [25] предложены принципы комплексного ценообразования на активную и реактивную мощность с учетом сети. В [26] исследуются взаимосвязи между активной и реактивной мощностью и резервами. Данное направление разрабатывается и в ИСЭМ. В работах А.З. Гамма [13, 27] на примере рынка реального времени исследуются принципы моделирования рынков технических услуг и взаимосвязи между спросом и предложением на рынке и уровнем резервирования.
К числу первоочередных задач в данной области, составивших предмет данной диссертационной работы, относятся задачи построения моделей электроэнергетических рынков, учитывающих взаимосвязи между товарным сектором, передающей системой и сектором вспомогательных услуг.
Развитие новых направлений в данной области требует также совершенствования используемых принципов моделирования в направлении более полного учета соответствующих аспектов рынка. Этой проблеме также уделено внимание в данной работе.
Цели и задачи работы. Основными целями данной диссертационной работы являются разработка моделей ценообразования, определения объемов поставок и расчета режимов в ЭЭС при функционировании электроэнергетического рынка, учитывающих взаимосвязи между товарной частью, передающей системой и вспомогательными услугами, исследование электроэнергетического рынка в Сибири с помощью разработанных и существующих моделей и сопоставление результатов.
Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи: 1) исследование применяемой в настоящее время трехсекторной концепции организации и моделирования электроэнергетики в рыночных условиях;
2) выработка принципов управления, позволяющих совместить централизованное управление с либеральным рынком;
3) разработка принципов иерархического моделирования ЭЭС в условиях либеральных электроэнергетических рынков, позволяющих учитывать взаимосвязи между товарным сектором, передающей системой и сектором вспомогательных услуг;
4) разработка и обоснование классификации товаров электроэнергетического рынка, соответствующей рассмотренным принципам моделирования;
5) систематизация используемых и предлагаемых подходов к моделированию ЭЭС в условиях рынков электроэнергии, исследование их эффективности и совместимости с рассмотренными принципами моделирования и между собой;
6) разработка моделей ЭЭС в условиях электроэнергетического рынка;
7) описание организационных структур, подходов к развитию ЭЭС и к обеспечению надежности, соответствующих рассмотренным моделям и принципам моделирования;
8) разработка принципов функционирования системного оператора (СО) как органа, предоставляющего услугу по централизованному управлению.
Методическая база. В качестве методической базы в данной работе используются: теория расчетов установившихся режимов в электрических системах, методы математического моделирования, методы оптимизации, теория систем и др.
Научная новизна. При выполнении диссертационной работы были получены следующие новые результаты:
• разработаны принципы иерархического моделирования ЭЭС в условиях либеральных ЭР, позволяющие учитывать взаимосвязи между товарным сектором, передающей системой и сектором вспомогательных услуг. При этом электроэнергетический рынок рассматривается комплексно как несколько взаимосвязанных рынков разных временных уровней;
• разработаны модели, учитывающие взаимосвязи между товарной частью, передающей системой и вспомогательными услугами, и их вариации для учета изменения свойств участников ЭР на разных временных уровнях;
• предложено два новых подхода к моделированию разных аспектов ЭР, суть которых заключается в учете резерва как товара наряду с активной и реактивной мощностями и в применении дифференциации цен по категориям "продавцы-покупатели";
• предложен механизм учета потерь и дифференциации цен при продаже электроэнергии на долгосрочном контрактном рынке;
• рассмотрен механизм повышения эффективности функционирования и развития ЭЭС и снижения инвестиционных рисков. Механизм основан на открытом децентрализованном развитии генерации и передающей системы на основе ценовых сигналов с учетом изменений цен в системе после ввода нового элемента и последующем централизованном управлении функционированием передающей системы;
• разработаны принципы управления, позволяющие сочетать централизованное управление с либеральным рынком в электроэнергетике. Новизна заключается в применении подхода убеждения на этапе управления общественной подсистемой;
• разработаны принципы функционирования, структура математического обеспечения системного оператора и алгоритмы его взаимодействия с участниками рынка в рамках предложенных принципов моделирования ЭР.
Защищаемые положения:
1) принципы иерархического моделирования ЭЭС в условиях либеральных ЭР, позволяющие учитывать взаимосвязи между товарным сектором, передающей системой и сектором вспомогательных услуг;
2) модели ЭЭС разных временных уровней ЭР;
3) подход к моделированию ЭР, заключающийся в рассмотрении резерва как товара наряду с активной и реактивной мощностями;
4) подход к моделированию электроэнергетического рынка, заключающийся в дифференциации цен по категориям "продавцы-покупатели".
Практическая ценность работы. Использование принципов и положений, разработанных в данной работе, позволит
• повысить эффективность и надежность функционирования в рыночных условиях энергообъединений, имеющих большую географическую протяженность и большие объемы передаваемой энергии,
• снизить трансакционные издержки на электроэнергетическом рынке за счет упрощения организационной структуры рынка и правил участия в нем,
• обеспечить сбалансированное развитие генерации и передающей системы с ростом потребления,
• обеспечить привлечение инвестиций в развитие передающей системы.
Реализация работы. Предложенные в работе модели апробированы на тестовых примерах и на примере долгосрочного электроэнергетического рынка в Сибири.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на конференциях-конкурсах научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 1998, 1999, 2000, 2001 г.г.), международном семинаре "Либерализация и модернизация электроэнергетических систем: проблемы управления и регулирования" (Иркутск, 2-4.08.00), всероссийской конференции с международным участием "Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов" (Благовещенск, 17-19.10.00), научно-практической конференции молодежи посвященной 80-летию плана ГОЭРЛО (Иркутск, 6-7.12.00), всероссийской конференции "Информационные технологии в энергетике" (Иркутск, 2-9.07.01), заседаниях №7 и №9 секции "Специализированные системы энергетики" Ученого Совета ИСЭМ СО РАН.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9-ти публикациях, в том числе в коллективной монографии.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из вве дения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем работы (без приложения и списка литературы) - 97 страниц. Работа содержит 27 рисунков и 24 таблицы.
В первой главе приводится описание трехсекторной концепции моделирования электроэнергетики в рыночных условиях и организации рынков электроэнергии, анализируются ее недостатки и предлагается использовать принцип разделения рынка на три временных уровня. Рассматриваются основные принципы сочетания централизованного управления с либеральным рынком. Приводятся принятые в работе допущения и исходные положения, касающиеся особенностей функционирования общественной подсистемы ЭР.
Во второй главе разрабатываются математические модели и организационные структуры для разных временных уровней рынка. Для этого систематизируются и исследуются существующие подходы к моделированию ЭЭС в условиях электроэнергетического рынка. Описываются подходы к обеспечению надежности и развития ЭЭС в рамках предложенных принципов моделирования рынка.
В третей главе производится численное исследование рассмотренных моделей долгосрочного рынка на примере электроэнергетического рынка в Сибири и производится их сопоставление с брокерским алгоритмом, характерным для применения в трехсекторной концепции.
В четвертой главе описаны основные принципы функционирования и алгоритмы работы системного оператора, а также способы его взаимодействия с участниками рынка.
В приложении приводится список применяемых терминов и их значения.
Достоинства и недостатки трехсекторной концепции
К достоинствам трехсекторной концепции следует отнести в первую очередь ее простоту: рынок электроэнергии в концентрированной ЭЭС можно легко и наглядно представить в виде обычного локального товарного рынка, пренебрегая проблемами передачи и перекладывая вопросы поддержания качества и надежности на рынок вспомогательных услуг. Однако условия, необходимые для эффективного функционирования такой формы рынка, - и в первую очередь концентрированная мощная сеть - становятся все более и более редкими: географические размеры рынков и объемы передаваемой мощности растут быстрее, чем возможности передающей системы.
Применение трехсекторной концепции в рамках протяженных сетей со слабыми связями менее эффективно по сравнению с существующими методами централизованной оптимизации работы ЭЭС. Причины этой неэффективности заключаются в неучете взаимосвязей между товарной частью, передающей системой и вспомогательными услугами. Приведем несколько примеров таких взаимосвязей: оптимальные цены на передачу электроэнергии, соответствующие предельным издержкам на передачу, зависят от потерь, то есть от режима, который является следствием заключенных на рынке сделок; сами сделки на рынке (цены и объемы) зависят от назначенных цен на передачу и пропускных способностей сети; объем и размещение резервов зависит от свойств и степени загрузки сети и влияет на допустимую загрузку сети, то есть на заключение сделок.
Безусловно, эти взаимосвязи сохраняются в любых условиях, однако при наличии мощной концентрированной сети ими можно пренебрегать с минимальным ущербом для эффективности. При расширении масштабов рынка значение таких факторов как рост потерь при передаче, возможные перегрузки линий, важность выбора места размещения резерва, учет возможности взаимопомощи резервами будет возрастать. Пренебрежение этими взаимосвязями может приводить к значительным экономическим потерям и эти потери будут тем больше, чем больше географические размеры рынка и масштабы производства.
Разделение товарной части и передачи подразумевает невозможность ценообразования на передачу в соответствии с издержками и ограничениями, что снижает эффективность текущего функционирования ЭЭС и может давать искаженные сигналы для ее развития. Это также делает необходимой последующую корректировку результатов работы рынка и приведение их в соответствие с возможностями сети. Один из предлагаемых вариантов решения этих проблем - локализация - дробление рынков на части по слабым связям, каждая из которых является самостоятельным рынком. Применение этой идеи к ЕЭС России описано в [37]. Однако такой подход не решает проблемы полностью и его легко применять только при наличии действительно слабых связей между частями ЭЭС. Такое дробление не учитывает предельных издержек на передачу, оно затруднено при наличии перегрузки по току одной из линий внутри относительно концентрированной сети, также затруднено его использование в широком спектре ситуаций, когда ограничение имеет периодический характер. Эта проблема касается также организационной структуры, которую необходимо усложнять.
Целый ряд проблем связан с сектором вспомогательных услуг. В рамках трехсекторной концепции невозможна одновременная рыночная оптимизация генерирования энергии и размещения резервов с учетом свойств передающей системы. Услуга по компенсации потерь является, по существу, производством электроэнергии и рассмотрение ее отдельно от товарного рынка может привести к неоптимальным режимам, когда предельные затраты станции, компенсирующей потери, значительно отличаются от затрат остальных станций. Кроме того, экономические издержки, связанные с предоставлением большинства вспомогательных услуг определяются ценами рынка электроэнергии.
Дополнительные проблемы трехсекторной концепции моделирования электроэнергетики проявляются при рассмотрении вопросов развития ЭЭС. В [38] авторы утверждают, что существующая концепция не обеспечивает сбалансированного развития объектов энергетики и потребления. Наряду с прочими причинами это связано с тем, что цена на электроэнергию не дает сигналов о приближающихся ограничениях до тех пор, пока эти ограничения не вступят в силу, что вытекает из отсутствия связи между ценами на электроэнергию и резервы.
Помимо названных выше,, существующая концепция имеет еще ряд недостатков, которые более подробно будут описаны далее. К таким недостаткам относятся тенденции к неэффективному (избыточному) развитию основ ной сети, обеспечению избыточного уровня надежности и некоторые другие. Таким образом, учет взаимосвязей между товарной частью, передающей системой и вспомогательными услугами в моделях ЭЭС в условиях ЭР позволит решить ряд актуальных проблем, в том числе повысить эффективность и обеспечить сбалансированное развитие электроэнергетики. Поскольку трехсекторная концепция не учитывает такого рода взаимосвязи, то для эффективного решения этих проблем требуется новая концепция моделирования и организации ЭР.
Структура моделей временных уровней и подходы к моделированию
Двойственная структура ЭР определяет, что модели рынка каждого уровня состоят из двух соответствующих частей: технической и экономической. Техническая часть состоит из уравнений, описывающих физические процессы в элементах электрической системы, а экономическая часть описывает экономические свойства участников и правила рынка. Отличия разных „ моделей ЭР зависят фактически от того, исходя из каких предположений и насколько точно они описывают свойства элементов и связей в этих двух частях. Далее приводится систематизация основных подходов, применяемых в практике моделирования, и исследование области их применения и применимости в рамках предложенных принципов моделирования. Также предложено два новых подхода к моделированию разных аспектов ЭР.
Техническая часть
В принципе, технические факторы могут не учитываться при определении цен и объемов поставок на рынке, однако такие модели имеют ряд недостатков. Так, в процессе работы такого рынка поставки возможно не смогут быть реализованы из-за ограничений на потоки мощности, токи в ветвях и напряжения в узлах. Вероятность такого события будет повышаться при большой протяженности сети и значительных объемах передачи, а также при наличии региональных факторов, влияющих на затраты производства электроэнергии и ее ценность (напр. гидроресурсы). В случае, если эти ограниче ния нельзя устранить техническими способами, необходимо вносить поправки в первоначальные результаты [20], для чего предложены различные алгоритмы (напримерД21]). Эти алгоритмы определяют экономическую эффективность (неэффективность) модели, которая в общем случае ниже, чем при совместном учете технических и экономических факторов. Кроме того, зачастую эти алгоритмы основаны на интуитивных представлениях разработчика (необходимость, справедливость), а не на строгих обоснованных критериях. При таком учете технических факторов возрастает неопределенность на рынке и риски убытков от редиспетчирования.
В модели рынка, не учитывающей технические факторы, также невозможно учесть потери в сети. Для их компенсации вводятся дополнительные модели и механизмы, не связанные с моделями рынка, что также снижает экономическую эффективность. Их функционирование осуществляется за счет дополнительных платежей, что усложняет тарифную систему и делает ее менее прозрачной. Существует также разновидность этого подхода, когда основная сеть предварительно разбивается на более мелкие подсистемы по критическим сечениям. В этом случае можно учитывать ограничения по пропускной способности, однако, перегрузки по току в линиях и потери не учитываются и связанные с этим недостатки сохраняются.
С целью избавиться от этих недостатков в модель необходимо ввести техническую часть, с той или иной точностью описывающую физические законы и режимные ограничения при передаче. Технические модели могут иметь следующие особенности: 1. Статическая или динамическая модель.
В отличие от статической, динамическая модель учитывает временные изменения технических свойств системы: изменение конфигурации сети, пуски и остановы генерирующего оборудования и его динамические свойства. Для учета динамических свойств оборудования в модель необходимо ввести ограничения на скорость изменения соответствующих параметров где Wj и wi+1 - значения параметра в момент времени і и i+l, соответственно, wmax - максимально возможное изменение параметра за указанный промежуток.
2. Одноузловая система и сеть реальной конфигурации.
Одноузловая система рассматривает электрическую сеть в виде ее од-ноузлового эквивалента. При этом невозможно точно учитывать перегрузки линий, потери учитываются приближенно. В отличие от одноузловой системы модель, описывающая реальную конфигурацию сети, может учитывать ограничения на токи, потоки мощности и напряжения и любые другие технические параметры. Возможны также промежуточные варианты, при которых основная сеть описывается полностью, а некоторые районы сводятся к эквивалентным одноузловым системам.
3. Потери и потоки реактивной мощности учитываются или игнорируют ся. Существует большое количество моделей с той или иной точностью учитывающих эти факторы (например, [22, 40 - 42]).
Чем выше требования к точности обработки информации, тем точнее и полнее должна быть техническая часть модели. Так, область возможного применения одноузловой статической модели постоянного тока - долгосрочный рынок в концентрированной сети с небольшими объемами производства и передачи энергии. Для работы краткосрочного и, тем более, оперативного рынка необходима модель, учитывающая динамические ограничения, конфигурацию сети, потери и потоки реактивной мощности, и способная давать всю необходимую информацию участникам ЭР и системному оператору.
Расчет рынка на рассмотренных моделях долгосрочного рынка
Мощности всех остальных производителей и потребителей остаются постоянными. При достижении балансирующим узлом верхнего предела по генерации балансирующим становится следующий самый дешевый из незагруженных и т.д.
Для учета перегрузок на линии 8-13 перераспределим мощность с самой дорогой станции той части подсистемы, с которой осуществляется передача на самую дешевую в другой части. Поскольку потребность в узле 13 превышает сумму мощности станции 6 и линии 8-13, потребление в узле 13 ограничено 162,5 МВт. Результаты расчетов показаны в табл. 3.4. Для данного и всех последующих расчетов использовались встроенные алгоритмы оптимизации электронной таблицы Excel.
Рассчитаем надбавку к цене рынка (uplift). Эта надбавка предназначена для возмещения затрат на компенсацию потерь в сети, управление перегрузками и компенсацию упущенной выгоды от недополученной (недоотпущен-ной) энергии. Принимая последнюю составляющую равной нулю и пренебрегая всеми издержками кроме затрат производителей энергии получим Uplift = —=- = 1,3 коп./кВт.ч. ІЄІ Цена для потребителей составит CL = С + Uplift = 10,5 коп./кВт.ч. CL превышает заявленные цены потребителей 9, 14 и 15, что заставит их отказаться от покупки. В результате изменятся мощности генерации, потери и надбавка к цене. Окончательные величины потребления и генерации приведены в последней колонке табл. 3.4. Надбавка к цене составит 1,6 коп./кВт.ч, а цена потребления CL = 10,8 коп./кВт.ч. Суммарный экономический эффект (Z BA) равен 266,8 тыс. руб./ч. или 2337 млн. руб./год.
На основе приведенных исходных данных рассчитаем режим долгосрочного рынка без учета резервов (К = {Р}), потерь и потоков реактивной мощности, а также ограничений на передаваемую мощность. Модель задана выражениями (2.20), (2.38), (2.39). Результаты расчета приведены в табл. 3.5. Целевая функция равна 427,4 тыс. руб./ч, что эквивалентно экономическому эффекту 3744 млн. руб./год.
Из сопоставления таблиц 3.4 и 3.5 видно, что расчет упрощенной модели долгосрочного рынка без учета резервов, потерь, потоков реактивной мощности и ограничений на передаваемую мощность эквивалентен применению брокерского алгоритма. Отличие между данной моделью и брокерским алгоритмом заключается в том, что затраты на компенсацию потерь и управ ление перегрузками могут возмещаться не за счет надбавки к единой цене покупки, а за счет разницы между заявленными ценами покупки и продажи.
Учет потерь и перегрузок осуществляется способом, описанным выше. Окончательно целевая функция (Z j) равна 363,8 тыс. руб./ч., что эквивалентно экономическому эффекту 3187 млн. руб./год.
Рассчитаем режим долгосрочного рынка с учетом потерь при передаче. Для этого заменим уравнения потокораспределения (2.38)-(2.39) на (2.13)-(2.14). Результаты расчета приведены в таблицах 3.6 и 3.7. Суммарный эффект составляет 406,7 тыс. руб./ч. или 3563 млн. руб. в год. В последней колонке указаны мощности генерации и потребления с учетом ликвидации перегрузки на линии 8-13. После применения алгоритма управления перегрузками суммарная чистая выгода (Z 2) составит 387,2 тыс. руб./ч. или 3392 млн. руб./год.
Введем в предыдущий расчет ограничения на передаваемую по сети мощность (2.40). Результаты расчета приведены в таблицах 3.8 и 3.9. Видно, что учет ограничения на линии 8-13 привел к сокращению перетока по этой линии и росту цены в узле 13, однако не привел к загрузке дорогой станции 6. Суммарный экономический эффект (Z 3) составляет 392,8 тыс. руб./ч. или 3441 млн. руб./год.
Для данной модели были рассчитаны цены в узлах для дальнейшего сопоставления с брокерским алгоритмом. Следует отметить, что при заданных исходных данных для данного примера невозможно точно указать цены в узлах, кроме узлов 4 и 13. Для всех остальных узлов цена может колебаться в некотором диапазоне, не оказывая влияния на нагрузку, генерацию и потокораспределение. Одна из границ этого диапазона определяется собственными свойствами узла (заявленная цена спроса или предложения).
Взаимодействие СО с участниками рынка
СО несет целый ряд функций, осуществление которых связано с ог ромным количеством процедур обработки информации, вычислений, оптимизаций и т.д. Качественное осуществление этих функций невозможно без использования мощных вычислительных средств - компьютеров и программных комплексов. Программный комплекс, объединяющий в себе средства получения, обработки, рассылки информации и автоматического управления ресурсами в рамках либерального электроэнергетического рынка, назовем КОМплекс Автоматизации Работы СО (КОМАР).
Основная цель комплекса - повышение эффективности текущего функционирования и развития электроэнергетического рынка с учетом возможных ущербов от нарушения технических условий функционирования ЭЭС.
Основным элементом в структуре КОМАР является блок текущего функционирования (БТФ), который наряду с блоком развития (БР) и аварийным блоком (АБ) обеспечивает осуществление всех функций СО.
Блок текущего функционирования
БТФ является основным модулем КОМАР и обеспечивает координирование работы участников рынка в процессе нормального функционирования ЭЭС. В соответствии с предложенным в данной работе принципом моделирования рынка электроэнергии в БТФ входят три основных блока: долгосрочный, краткосрочный и блок реального времени. Взаимодействие этих блоков между собой, с участниками рынка и вспомогательными блоками показано на рис. 4.1. В табл. 4.1 показан порядок функционирования долгосрочного комбинированного рынка с двусторонней и пуловой схемой функционирования.
После окончания действия долгосрочного блока за некоторое время до момента физической реализации начинает действовать краткосрочный блок, который использует долгосрочные графики в качестве исходной информации. Порядок работы этого блока и его взаимодействие с участниками краткосрочного рынка показаны в табл. 4.2. После окончания действия кратко срочного блока управление рыночной системой переходит к блоку реального времени, который обрабатывает данные телеизмерений и управляет текущим функционированием ЭЭС по предварительно оговоренным алгоритмам. Порядок работы этого блока и его взаимодействие с участниками оперативного рынка показаны в табл. 4.3.
БР предназначен для выполнения функции информационного сопровождения развития передающей системы и участников ЭЭС. Для получения такой информации БР использует исходные данные и модели ценообразования из БТФ. БР может работать в двух режимах: (1) обработка внешних заявок от инвесторов на оценку тех или иных проектов и (2) в режиме автоматического поиска наиболее эффективных проектов. Второй из названных режимов мо жет работать только для проектов, связанных с развитием передающей системы. Возможен комбинированный режим, когда БР самостоятельно перебирает и анализирует варианты развития сети и предоставляет информацию о проектах, касающихся генерации и потребления.
В результате проведенных исследований были получены следующие основные результаты:
1. Разработаны принципы иерархического моделирования ЭЭС в условиях либерального электроэнергетического рынка, позволяющие учитывать взаимосвязи между товарным сектором, передающей системой и сектором вспомогательных услуг. При этом электроэнергетический рынок рассматривается комплексно как несколько взаимосвязанных рынков разных временных уровней.
2. Предложено два новых подхода к моделированию ЭР, заключающиеся в учете резерва как товара наряду с активной и реактивной мощностью и в дифференциации цен по категориям "продавцы-покупатели".
3. Разработана классификация товаров и математические модели ЭЭС разных временных уровней ЭР. Модели учитывают взаимосвязи между уровнями, обусловленные функционированием в одной электрической системе и возможностью перехода участников с уровня на уровень.
4. Предложен механизм учета потерь и дифференциации цен при продаже электроэнергии на долгосрочном контрактном рынке.
5. Предложен механизм повышения эффективности функционирования и развития ЭЭС и снижения инвестиционных рисков. Механизм основан на открытом децентрализованном развитии генерации и передающей системы на основе ценовых сигналов с учетом изменений цен в системе после ввода нового элемента и последующем централизованном управлении функционированием передающей системы.
6. Разработаны принципы управления функционированием либерального электроэнергетического рынка как общественно-технической системой. Новизна заключается в применении подхода убеждения на этапе управления общественной подсистемой ЭР.
