Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния системы электроснабжения Астраханской области 10
1.1 Текущее состояние, проблемные зоны и основные тенденции развития генерирующего сектора российской электроэнергетики 10
1.2 Становление региональной энергосистемы и особенности функционирования электрических станций Астраханской области 16
1.3 Особенности динамики электропотребления области и электрические связи с энергосистемами других регионов 26
1.4 Оценка потенциала электропотребления региона до 2020 года 33
Выводы по главе 41
ГЛАВА 2. Методология практического применения ценологического подхода к анализу распределенных источников электроэнергии групп потребителей 44
2.1 Понятийный аппарат практической методологии ценологического подхода 44
2.2 Математический аппарат практического применения рангового анализа и устойчивость//-распределений 47
2.3 Алгоритм реализации практической методики ценологической оценки 54
2.4 Реализация практической методики ценологической оценки в компьютерной среде 60
Выводы по главе 73
ГЛАВА 3. Практическое применение ценологического подхода к анализу источников электроэнергии потребителей региона 74
3.1 Результаты рангового анализа текущего состояния региональных источников электроэнергии
3.2 Основные предполагаемые сценарии ввода новых крупных и модернизации существующих электростанций региона в период до 2020 года 82
3.3 Результаты рангового анализа состояния региональных источников электроэнергии к 2020 году в соответствии со сценариями «Устойчивое развитие» или «Инерционный» 88
3.4 Результаты рангового анализа состояния региональных источников электроэнергии к 2020 году в соответствии со сценарием «Нефтегазовый прорыв» 96
Выводы по главе 104
ГЛАВА 4. Оптимизация структуры построения распределенных источников электроэнергии групп потребителей на долгосрочную перспективу 105
4.1 Скорректированный сценарий развития электрогенерирующих мощностей на территории области и определение величины регионального электропотребления в 2020 года на основе структурно топологической динамики и генетического алгоритма 105
4.2 Основные направления оптимизационных мероприятий 118
4.3 Результаты рангового анализа состояния региональных источников электроэнергии к 2020 году после процедуры оптимизации 123
4.4 Универсальная методика ценологическои оценки планируемых многовариантных мероприятий по развитию распределенных источников электроэнергии групп потребителей региона в долгосрочной перспективе и определения наиболее оптимальной концепции построения региональной энергосистемы 130
Выводы по главе 135
Заключение 136
Список использованных источников
- Становление региональной энергосистемы и особенности функционирования электрических станций Астраханской области
- Математический аппарат практического применения рангового анализа и устойчивость//-распределений
- Основные предполагаемые сценарии ввода новых крупных и модернизации существующих электростанций региона в период до 2020 года
- Основные направления оптимизационных мероприятий
Введение к работе
Актуальность темы. Надежность электроснабжения потребителей в долгосрочной перспективе зависит от определения объемов электрической энергии и мощности, необходимых для всех групп потребителей, в увязке с прогнозом развития энергосистемы и соответствующим вводом необходимых электроге-нерирующих мощностей по всем уровням системы электроснабжения.
В прогнозировании и планировании следует отказываться от одной общей цифры расхода электроэнергии (мощности) по региону. Требуется детализация не столько по видам деятельности (промышленность, транспорт, ЖКХ и другие), сколько по индивидуальным характеристикам юридических и физических лиц. В этом случае необходим перечень и последующий анализ всех потребителей региона и структурно-топологического поведения каждого из них (групп) во времени.
Ввод в эксплуятяттою нршлх электоостянций является длительным ппоцес-сом, и поэтому на первый план выходит задача изначального построения самодостаточной структуры системы электроснабжения и оптимального сочетания крупных электростанций и распределенных источников электрической энергии отдельных (групп) потребителей региона с максимальной эффективностью их совместного функционирования на долгосрочную перспективу при помощи новых научных методов.
Для рассматриваемой Астраханской области проблема обостряется тем, что электростанции, расположенные на ее территории, увеличили выработку электрической энергии до максимального уровня и характеризуются износом основных генерирующих мощностей. Электрические сети и оборудование подстанций значительно изношены. Зависимость области от поставок электрической энергии из других регионов не позволяет стабилизировать энергообеспечение развивающейся региональной экономики. Низкая интенсивность инвестиционного процесса в электроэнергетике вынуждает искать новые подходы к назревшему вводу новых энергомощностей.
В мае 2009 г. комитетом Госдумы по энергетике было отмечено, что «Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года» малую генерацию вообще не учитывает; в этой области нет государственной стратегии и единой научно-технической политики. Президентом РФ по итогам расширенного заседания президиума Госсовета РФ от 02 июля 2009г. Правительству были поставлены задачи по разработке комплекса мер по модернизации мощностей тепловой энергетики путем перевода их в режим когенерации тепловой и электрической энергии и предоставлению предложений по расширению использования малых генерирующих установок и других возможностей малой энергетики с учетом практики их применения и внедрения в субъектах РФ.
Авария на Саяно-Шушенской ГЭС, устранение последствий которой займет несколько лет, обостряет проблему энергетической самодостаточности регионов и всерьез ставит вопрос о децентрализации электроснабжения удаленных мелких и средних потребителей при помощи распределенных источников электроэнергии.
Проблема актуализируется для Астраханской области, которая по электрообеспечению зависит от крупной ТЭЦ-2, а часть недостающей электроэнергии (около 30%) получает с Волжской ГЭС, где износ основного генерирующего оборудования составляет в среднем 65%.
Таким образом, сегодня для региона остро стоит вопрос выбора оптимальной модели развития распределенных источников электроэнергии для всех уровней системы электроснабжения потребителей, которая позволила бы выстроить оптимальное сочетание крупных электростанций и малой генерации групп потребителей на перспективу до 2020 года.
Цель работы. Разработка практической методики определения оптимальной концепции построения структуры распределенных источников электроэнергии отдельных (групп) потребителей в долгосрочной перспективе на основе рангового анализа для повышения надежности системы электроснабжения.
И оппхплтлтоим е* плптчо tiauunii irariLin г*отіАич **тютгі/ьтнигр tanauu*
Проведен анализ размещения и мощностей существующих электрических станций региона, включая автономные и возобновляемые источники электроэнергии.
Предложена система статистических показателей и произведена обработка их для обобщенных сведений по региональным потребителям электрической энергии.
Доказана возможность практического применения ценологического подхода к анализу региональных источников электроэнергии.
Дана комплексная оценка текущему состоянию электрогенерирующих мощностей региона и определены наиболее проблематичные сектора в нем.
Разработаны алгоритм, методика и математические модели ценологиче-ской оценки планируемых мероприятий по развитию распределенных источников электроэнергии и определения оптимальной концепции построения региональных электрических станций на долгосрочную перспективу.
Выполнен анализ структурно-топологического поведения групп и конечных потребителей электрической энергии за период 2001 - 2006 гг. и в перспективе до 2020 года.
Составлен прогноз величины годового регионального электропотребления в 2020 г. с учетом планируемых мероприятий и возможных сложнопрогнозируемых изменений социально-экономического развития Астраханской области при помощи генетического алгоритма, проведена верификация полученных значений.
Разработан вариант оптимизации областной энергосистемы, повышающий эффективность ее функционирования и обеспечивающий надежное электроснабжение групп потребителей.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы математической статистики, ценологическая теория, генетический алгоритм. Моделированием структуры источников электрической энергии по выбранному признаку (величине номинальной электрической мощности) выявлялись математические зависимости и на их основе определялись ключевые параметры. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, реализованных при помощи существующих программных
пакетов, которые были существенно скорректированы для решения поставленных в диссертации задач.
Выводы и предложения основываются на анализе статистических данных по крупным электростанциям и автономным источникам электрической энергии номинальной мощностью от 60 кВт и выше, состоящих на балансе крупных и средних предприятий Астраханской области, за период 2005 - 2006 годы и по годовому электропотреблению региона, групп потребителей и отдельных предприятий Астраханской области за период 1999 - 2006 годы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Проведен анализ структурно-топологического поведения групп и конечных потребителей электрической энергии Астраханской области за период 2001 - 2006 гг. и в перспективе до 2020 г.
Выполнен прогноз величины годового регионального элекгропотребления в
руемых мероприятий и возможных изменений социально-экономического развития Астраханской области.
Обоснована эффективность сочетания централизованной и распределенной энергетики, приводящего к увеличению уровня энергобезопасности региона.
Предложен скорректированный сценарий ввода новых крупных и модернизации существующих источников электрической энергии на территории Астраханской области с учетом изменения динамики развития региона и влияния глобального экономического кризиса.
Предложен вариант ранговой оптимизации распределенных источников электрической энергии отдельных (групп) потребителей региона, повышающий эффективность функционирования системы электроснабжения в долгосрочной перспективе и приводящий ее к своему оптимальному состоянию на основе принципа единого производства электрической и тепловой энергии.
Разработана универсальная методика повышения эффективности функционирования системы электрогенерирующих мощностей региона на основе анализа параметрических распределений множества распределенных источников электроэнергии отдельных (групп) потребителей и многовариантной проработки на стадии принятия концепции развития электрогенерирующих мощностей региона в долгосрочной перспективе.
Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:
Создана имитационная модель структуры множества электростанций потребителей региона для оценки текущего состояния электрогенерирующих мощностей и дальнейшей многовариантной проработки их целенаправленной трансформации. Подобные модели могут быть созданы для любого региона страны.
Разработаны направления повышения эффективности системы электроснабжения Астраханской области для всех групп потребителей.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные моменты докладывались автором на заседании кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 2007, 2008, 2009 годах и обсуждались на следующих конференциях:
VII международная научно-методическая конференция «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании НИТЭ - 2006» (г. Астрахань, АГТУ, 26 - 29 сентября 2006 г).
Научно-техническая конференция «Электрификация: история, настоящее, будущее» (г. Москва, МЭИ, 28 февраля - 2 марта 2007 г).
XTV Международная научно-практическая конференция - семинар «Электрохозяйство потребителей в новых условиях функционирования энергетики» (г. Москва, МЭИ, 17-19 ноября 2008 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна - в издании, включённом в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура и работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста с 16 таблицами и 46 иллюстрациями. Список использованной литературы включает ПО наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 7 приложений. Приложения представлены на 29 страницах.
Становление региональной энергосистемы и особенности функционирования электрических станций Астраханской области
Производственные мощности большинства функционирующих ТЭЦ не соответствуют структуре потребления. Изначально городские ТЭЦ проектировали на большие тепловые нагрузки, они были загружены по теплу на 80 — 90%, а электроэнергия производилась как продукт комбинированной выработки. За последние десять лет тепловая нагрузка промышленных предприятий в значительной мере утеряна, загрузка ТЭЦ по теплу снизилась до 40%, следовательно, тепло на ТЭЦ стало дорогим. Потребители строят, и это общая и правильная тенденция, свои источники тепловой энергии - котельные и автономные тепловые установки, что еще больше разгружает ТЭЦ. Потребности же регионов в электроэнергии возрастают, что приводит к увеличению электрической загрузки станций. Налицо явное несоответствие проектных и реальных режимов работы ТЭЦ, ведущее к дисбалансу процесса производства энергии. С учетом прогрессирующей низкой тепловой загрузки подобная ситуация резко снижает эффективность функционирования основных региональных и городских ТЭЦ и ГРЭС.
Один из самых важных показателей эффективности работы - удельный расход топлива - по всем электростанциям страны в среднем за последние 15 лет колебался в пределах 330-340 грамм условного топлива на выработку 1 кВтч. На типичной европейской электростанции данный показатель составляет 220-250 г и менее до 200 г. Это приводит к избыточному расходу топлива в объеме 35-45 млн. т нефтяного эквивалента в год. Снизить повышенный удельный расход топлива (и тем самым увеличить эффективность функционирования электростанций) может только массовая модернизация генерирующих установок тепловых электростанций - не ввод одной - двух новых, а именно массовая замена доминирующих в России устаревших энергоблоков с паросиловым циклом, КПД которых не превышает 30%, на современные высокоэффективные газотурбинные установки (ГТУ) (с коэффициентом использования топлива 75-90%) и возобновляемые источники энергии.
Логика развития электроэнергетики советской индустриализации была связана с сооружением ряда электростанций федерального значения — гигантов, поставляющих электроэнергию «на всю страну». Электрические связи между крупными районами энергопотребления обеспечивались ЛЭП вплоть до 500 (750) кВ, а величина перетоков ограничивалась их пропускной способностью.
Однако и эта идея на практике не была до конца реализована. В целом в стране существует до 60 относительно замкнутых энергозон, перетоки электроэнергии (мощности) между которыми существенно ограничены [15, 31, 85, 101]. Единство энергосистемы России, таким образом, на поверку является в достаточной степени условным. Это означает существенное ограничение на получение недостающей электроэнергии (мощности) энергодефицитным регионом извне.
В Российской Федерации в секторе функционирующих электростанций наблюдается нарушение соотношения «крупное - среднее - мелкое». Экономические расчеты заставляют задуматься о переходе к региональным мини-ТЭЦ на базе городских и сельских котельных, которые представляют собой функционально независимые источники электроэнергии мощностью от нескольких до 10 - 20 МВт. Такие котельные окупаются в течение 2-3 лет, а себестоимость их тепловой и электрической энергии существенно ниже тарифов [8-10, 17].
Строительство новой крупной электростанции в условия складывающейся экологической обстановки требует выноса ее за пределы города. Это, в свою очередь, требует перестройки существующих систем электроснабжения и теплоснабжения с затратами (характерный пример — Калининградская ТЭЦ-2 [41]), превышающими затраты на строительство распределенных децентрализованных малых электростанций. Для крупных электростанций итоговая стоимость постройки, обслуживание, а также потери при передаче энергии приводят к увеличению тарифа в 4 - 5 раз, по сравнению с себестоимостью произведённой энергии. Напротив, малые теплоэлектростанции дают возможность максималь 15 но приблизить энергопроизводителя к потребителю, тем самым снизить стоимость энергии. Таким образом, с развитием малой энергетики напрямую связана как энергетическая безопасность страны, так и экономическая эффективность региональной энергетики.
В зарубежных странах с развитой энергосистемой уже наметился процесс децентрализации источников энергии. Так, Дания, которая эксплуатирует более ПО электростанций средней мощностью 3 МВт и имеет большую плотность населения, вся уставлена ветроустановками, что обеспечивает энергосбережение, экологию и электробезопасность страны. В США мощность некрупных электростанций будет покрывать к 2010 году не менее 25% потребности страны в электроэнергии.
Нарушение соотношения мощностей электростанций при выстраивании структуры энергосистемы региона и отсутствие должного внимания к современным научным прикладным методикам и подходам порождают энергетические противоречия и аварии. Вспомним Приморье [40, 85], где дисгармоничное выстраивание электрических станций несколько лет подряд приводило к нарушению нормальной жизни региона. Или Калининградскую область, где через 10 лет построена ТЭЦ-2, которую предусматривают довести до мощности 900 МВт. ТЭЦ-2 Калининграда резко нарушает ценологическое соотношение мощностей и породила проблемы с передачей и тепловой энергии, что, в конечном счете, снизит экономическую эффективность работы станции [41].
Реализуемая реформа электроэнергетики не привела к качественному увеличению резерва электрогенерирующих мощностей, к снижению энергодефицита. Независимые генерирующие компании прямым образом заинтересованы в максимальном извлечении коммерческой прибыли, которое можно достичь за счет снижения собственных издержек. Для них это означает вывод из эксплуатации менее эффективных турбогенераторов, что приведет к снижению резервов доступных электрогенерирующих мощностей региона.
Математический аппарат практического применения рангового анализа и устойчивость//-распределений
В основе методики построения ранговых кривых заложен математический аппарат, который представляет систему знаний из различных направлений современной математики и философии, и принадлежит области гиперболических негауссовых бесконечно делимых распределений, характеризующихся значительной величиной асимметрии распределения, приводящей к "бесконечно большой" дисперсии. Применим не сложный математический аппарат, а достаточный для построения //-кривых и проведения последующего анализа [25, 67]. Рассматривая теоретические основы //-распределений, необходимо отметить статистическую подтверждённость теории техноценозов и критериев оценки. Обработано более 1000 выборок и генеральных совокупностей, охватывающих свыше 2,5 млн. единиц различного оборудования (техники). Возможность Н-анализа проверена для большинства отраслей экономики и ряда регионов, для самого различного оборудования, машин, приборов, агрегатов, комплектующих, сооружений, единиц поставки материалов и лекарств. Устойчивость структуры как некоторая закономерность проявляется для любых ценозов [25, 26, 52, 53-55].
Закономерности, замеченной в технике в 1971 г. [53] на примере повторяемости электрических машин, дано объяснение, опирающееся на логарифмический ряд Р.Фишера [108], который показал (1943) применимость гиперболической модели для исследования структуры ценозов (соотношения редко и часто встречающихся видов), доказав устойчивость структуры рассматриваемого семейства вне зависимости от времени и пространства.
Подтверждающая статистика обширна и опирается на факт, что разнообразие есть измеримая характеристика популяции. По Williams [ПО] отношение количества видов к числу особей, численность которых одинакова для всей выделенной группы видов (касты), выражается равенством:
Оно описывает плотность распределения числа видов, представленных х особями при минимальной численности хо (х0 х оо— непрерывная величина). Появление новых особей пропорционально уже существующим dx/dt-Лх, x(t) = х (Я — параметр интенсивности); а время существования вида, распределённое в общем случае случайным образом по показательному закону, p(t)= {pi - параметр). Распределение р(х) для экспоненты x{f) имеет вид (4), где а=///Я. Наиболее часто гиперболические распределения связывают с Цип-фом [109], который, в пределе, каждую особь относит к какому-либо виду, объ 50 единяя особи одного вида в группы (популяции). Наибольшей по численности популяции присваивается первый ранг г\=\, вероятность которой Л(1), и далее по убывающей А(г) выстраивая все популяции, число которых оказывается равным числу видов S. Вероятность появления ранга 1/S - не информативна без дальнейшей параметризации. Поэтому в первом законе Ципфа речь идёт о вероятности:
Второй закон Ципфа «количество—частота» объединяет популяции одной численности і (виды, представленные одинаковым количеством особей) в группу кєК, названную кастой, и утверждает, что между значениями z=l,2, ... и частотой (вероятностью) появления группы (касты) есть зависимость, отражаемая кривой (гиперболической), диапазон параметров которой сохраняются. Небольшое отличие коэффициентов, отвечающих за наклон кривой (вогнутость гиперболы), в логарифмическом масштабе даёт на графике прямую (за исключением нескольких начальных точек).
Использования для практических целей в электрооборудовании и электроснабжении в 70-х годах [56] ципфовских формул из-за неудовлетворительного количественного подтверждения позволило сделать вывод: модели, основанные на частотах и на логарифмическом представлении, трудно используемы. Произошел отказ от логарифмических формулировок.
Яблонский [106], имея в виду уравнение (4), пишет, что характеристический показатель сс=1,5 характерен для распределения Парето при описании распределения доходов. Феллер [56] показал, что известное в астрономии распределение Хольцмарка для интенсивности гравитационного поля звёздных систем имеет вид устойчивого негауссова распределения с характеристическим пока 51 зателем а-1,5. В результате был сделан вывод об устойчивости явления разнообразия для самых различных ценозов.
Другое ключевое понятие для теории //-распределений, - понятие безграничной делимости восходит к Б. де Финетти (1929). После введения этого понятия стал возможным новый более простой подход к теории устойчивых распределений. Первые чисто аналитические выводы общей формулы были даны в 1937 г. независимо Феллером и Хинчиным. Классическая центральная предельная теорема получила развитие в новой постановке, когда от случайных величин уже не требовалось существования ни дисперсий, ни математического ожидания. Изучение однородных во времени случайных процессов без последствия привело А.Н. Колмогорова (1930) к созданию теории безгранично делимых законов распределения. Оказалось, что класс безгранично делимых случайных величин намного шире класса предельных законов для сумм независимых случайных величин, сходящихся к нормальному закону Гаусса.
Таким образом, основу математической стороны ценологических представлений составляют работы академиков Колмогорова, Хинчина, Гнеденко [19,56].
Если использовать параллели и не углубляться в отличия, которые для дальнейшего рассмотрения не существенны, то первый закон Ципфа есть ран-говидовое гиперболическое //-распределение, а второй закон Ципфа - видовое гиперболическое //-распределение.
С видовым //-распределением тесно связано //-распределение ценоза по рассматриваемому параметру особей. При подобном описании параметров ценоз становится неделимым объектом, который рассматривают по какому-либо одному параметру в ряду других объектов этого семейства.
Ранговое распределение по параметру даёт возможность говорить об оптимальности, эффективности ценоза в целом. Следующий шаг не во вне, а внутрь - исследование структуры изделий по повторяемости видовым и ранговидовым распределениями.
Отличием гиперболического //-распределения по параметру, отражающего ценологические свойства, является обязательное наличие длинного «хвоста». Именно его наличие и наличие единичных крупных быстро спадающих выбросов и ведут к теоретическому отсутствию математического ожидания (среднего) и теоретически бесконечной дисперсии (возможность сколь угодно большой ошибки при решении задачи в точке).
Проведенные исследования позволили сделать вывод, что для всех ценозов существуют видовое, ранговидовое и ранговое по параметру //-распределения.
Экспериментально обнаружены и статистически подтверждены, но теоретически еще пока не доказаны многие моменты теории, в том числе и полоса оптимальных значений состояния техноценоза, выраженный в диапазоне характеристического показателя 0,5 /J 1,5.
Анализ работ [25, 77] показывает, что параметрический показатель, начиная с определенного количества видов, является практически постоянной величиной. Это свидетельствует о том, что, начиная с определенного числа особей ценоза (по результатам нашего расчёта с S=35), параметры структуры системы являются постоянными и не изменяются при увеличении числа особей. Это установившееся значение /?уст характеризует степень сложности и разнообразия системы и используется при прогнозировании электропотребления техноценоза. Существуют разные точки зрения на возможность существования некоторого «идеального» //-распределения. Жилин Б.В. [19] связывает его с минимумом энтропии. Гнатюк В.И. [25] сформулировал закон оптимального построения техноценоза, основывая его на универсальных законах термодинамики. Закон представлен системой уравнений:
Основные предполагаемые сценарии ввода новых крупных и модернизации существующих электростанций региона в период до 2020 года
В этом сценарии за счет активизации повышения энергоэффективности даже при вводе новых мощностей по графику сценария «Инерционный» (рисунок ЗЛО) удается добиться полной (93-103% в 2016-2020 гг.) самообеспеченности области электроэнергией. Основная проблема, с которой придется столкнуться при реализации этого сценария, связана со значительными усилиями, необходимыми для проведения «агрессивной» политики повышения энергоэффективности. При строительстве новых ТЭЦ по графику сценария «Инерционный» область оказывается способна обеспечить экономический рост сценария «Нефтегазовый прорыв». В соответствии со сценариями планируемый ввод новых и модернизация существующих региональных электрических станций выглядит следующим образом (таблица 3.1).
В связи с почти 100% изношенностью основного генерирующего оборудования АГРЭС планируется полностью вывести ее из эксплуатации и оснастить данную станцию новыми блоками парогазовых турбин.
Одной из прикладных задач ценологического подхода является оценка планируемых мероприятий при составлении различных многовариантных концепций развития региона. Подвергнем ранговому анализу все три сценария развития региона: «нефтегазовый прорыв», «инерционный», и «устойчивое развитие» (последние два сценария совпадают в части ввода электрогенерирующих мощностей, что позволяет провести фактически только два анализа). 3.3 Результаты рангового анализа состояния региональных источников электроэнергии к 2020 году в соответствии со сценариями «Устойчивое развитие» или «Инерционный»
Определение уровня развития малых и резервных источников энергии на территории региона к 2020 году с достаточной точностью представляется довольно сложной задачей. В различных концепциях [48, 81] даются весьма расплывчатые прогнозы развития данного сегмента электроэнергетики.
В проводимых исследованиях сектор малых генерирующих источников остается без изменений, однако заведомо предполагается его развитие. Тем самым предоставляется возможным определение основных тенденций развития данного сектора к 2020 году.
В соответствии с планами «Устойчивое развитие» или «Инерционный» в 2020 году состояние электрогенерирующих мощностей на территории региона будет следующим (таблица 3.3).
В результате рангового анализа состояния электрогенерирующих мощностей региона по сценариям «Устойчивое развитие» или «Инерционный» построено параметрическое ранговое распределение (рисунок 3.11).
В данном распределении ранг №1 также остается за АТЭЦ-2 (электрическая мощность станции составляет 480МВт). По сравнению с прежним состоя 89 ниєм (рисунок 3.1) в новом состоянии уделено внимание наиболее проблемной зоне - от 24 МВт до 500 кВт (ввод новых мини-ТЭЦ по 10 МВт каждая). Однако здесь продолжает наблюдается несбалансированность региональной энергосистемы.
Ранговое параметрическое распределение техноценоза по сценариям «Устойчивое развитие» или «Инерционный»: абсцисса - ранг объекта; ордината - номинальная электрическая мощность, кВт
Изменилось процентное соотношение мощностей станций - у АТЭЦ-2 этот показатель снижается с 69,7% до 53,4% от суммарной электрической мощности региона. Общая мощность двух самых крупных станций АТЭЦ-2 и ТЭЦ Газ 90 прома снижается с 88,1% до 75,6%. Однако данное перераспределение мощностей, а также появление новых станций в регионе не увеличивает существенно уровень энергобезопасности региона.
В результате проверки методом спрямленных диаграмм был получен график (рисунок 3.13), из которого видно, что точки не лежат вблизи какой-либо прямой - гипотеза о нормальном распределении генеральной совокупности отвергается.
Проверка данных объекта исследования по критерию Пирсона и методом спрямленных диаграмм показала, что объект исследования является техноцено-зом, что позволяет в дальнейшем при обработке статистических данных использовать методологию рангового анализа. a)
Проверка гипотезы о несоответствии распределения нормальному закону по сценариям «Устойчивое развитие» или «Инерционный»: абсцисса -электрическая мощность, кВт; ордината - квантили
Ранговое параметрическое распределение техноценоза по сценариям «Устойчивое развитие» или «Инерционный»: абсцисса - ранг объекта; ордината - электрическая мощность, кВт; точки - эмпирические данные; сплошная черная линия - аппроксимирующая кривая
В результате процедуры аппроксимации по нелинейному методу наименьших квадратов получена матрица:
В результате оценивания по истинной ошибке есть основания признать более корректным нелинейный метод наименьших квадратов.
Необходимо еще раз обратить внимание на полученные графики аппроксимирующих кривых (рисунки 3.14 и 3.15). При более детальном изучении рисунке 3.15 заметна большая погрешность в наиболее существенном диапазоне мощностей региона. Аппроксимирующая кривая не охватывает самые важные данные, полученные эмпирическим путем: особи техноценоза с рангами №1, №2 и №3 (три самые крупные электростанции региона) не учитываются аппроксимирующей кривой.
С другой стороны, параметр аналитической зависимость W0 должен определяться числовым значением ранжируемого параметра особи с рангом №1.
В данном анализе - это номинальная электрическая мощность наиболее крупной электростанции региона АТЭЦ-2 после модернизации, которая составляет 480 МВт (480000 кВт). Полученное в результате аппроксимации по нелинейному методу наименьших квадратов значение W0 составляет 78890 кВт. Полученное в расчетах по этому же методу значение параметра /7=1,418 входит в диапазон устойчивых состояний техноценоза (0,5 /? 1,5), что свидетельствует об оптимальном соотношении генерирующих источников в регионе.
Объективно в регионе к 2020 году при развитии по сценарию «Устойчивое развитие» или «Инерционный» будет наблюдаться нарушение ценологического соотношения электрогенерирующих мощностей.
Таким образом, наиболее корректная аппроксимация была произведена при помощи метода наименьших модулей. Итоговые параметры аппроксимирующей зависимости:
Параметр распределения /? снижается со значения 2,27 (текущее состояние) до 1,994. Судя по этому параметру, эффективность энергосистемы возрастает, однако не достигает оптимального состояния (значение параметра /? не входит в диапазон 0,5 /? 1,5).
Для формулирования общих выводов по состоянию техноценоза в 2020 году в соответствии с планами «Устойчивое развитие» или «Инерционный» на полученных графиках с аппроксимирующей кривой отображается полоса оп 95 тимальных состояний техноценоза (для /?=1,5 и /М),5 соответственно). График выглядит следующим образом (рисунок 3.16).
Основные направления оптимизационных мероприятий
Как было показано автором в предыдущих работах [3-6, 20,39] на территории Астраханской области наиболее эффективным альтернативными источниками энергии будут устройства, преобразующие солнечную энергию и энергию ветра. Проекты развития на территории региона солнечных батарей и коллекторов, а также ветрогенераторов вполне вписываются в предлагаемый вариант развития и являются выигрышными с экологической точки зрения. Предполагается, что как раз за счет внедрения новых альтернативных установок (солнечные батареи и ветрогенераторы) и резервных традиционных источников энергии (дизель-генераторные установки), вся аппроксимирующая кривая войдет в полосу оптимального состояния.
Однако это касается маломощных станций. Что же касается крупных электростанций, то этот сектор в силу экономических условий будет развиваться только за счет традиционных электростанции. Как видно из сравнения текущего состояния энергосистемы региона и ее состояния по скорректированному сценарию после процедуры оптимизации к 2020 году региональные электроге-нерирующие мощности должны быть подвергнуты серьезному изменению. Эффективность работы системы однозначно возрастет, и она войдет в свое оптимальное состояние.
Универсальная методика ценологической оценки планируемых многовариантных мероприятий по развитию распределенных источников электроэнергии групп потребителей региона в долгосрочной перспективе и определения наиболее оптимальной концепции построения региональной энергосистемы
Универсальность ценологического подхода [54-58, 95] и сформулированного на его основе закона оптимального построения техноценозов [25] позволяют применять их во многих сферах человеческой деятельности. Ценологиче-ский подход позволяет решать реальные практические задачи, которые традиционными подходами решить не представляется возможным. Особое место в прикладных задачах занимает ценологическая оценка планируемых мероприятий при составлении различных многовариантных концепций развития региона и формулирование рекомендаций по оптимизации объекта исследования для повышения уровня энергоэффективности с учетом возможных внутренних и внешних изменений.
Закон оптимального состояния техноценоза и ранговый анализ с параметрической и номенклатурной процедурами оптимизации помогают разработать общую методику, позволяющую при принятии стратегических решений в рамках долгосрочной научно-технический политики вырабатывать ограничивающие и стимулирующие требования и мероприятия, выполнение которых приведет объект исследования к своему оптимальному состоянию.
Разработанная и апробированная на Астраханском регионе универсальная методика ценологическои оценки планируемых многовариантных мероприятий по развитию источников электроэнергии региона в долгосрочной перспективе и определению наиболее оптимальной концепции построения региональной энергетики осуществляется в три этапа:
На информационном этапе происходит аналитическое выделение объекта исследования - техноценоза. Далее по специальным анкетам производится, сбор информации о состоянии объекта исследования (энергосистема региона) и значениях исследуемых параметров его особей (номинальная электрическая мощность всех электрических станций). Данный этап позволяет составить развернутую картину источников электроэнергии региона и подготовить базу данных для дальнейшего ценологического анализа.
На аналитическом этапе производится обработка созданной базы данных (рисунок 4.11) и преобразование ее в наиболее удобную для дальнейшей обработки при помощи пакета Mathcad (рисунок 4.12).
Происходит проверка данных базы на соответствие их критериям Н-распределения соответствующими методами - необходимо убедиться, что совокупность эмпирических данных не подчиняются нормальному закону и к ним можно применить методологию рангового анализа (рисунок 4.13).
При помощи компьютерных программ строятся ранговые параметрические Я-распределения и определяются значения параметров аналитической аппроксимирующей кривой (рисунок 4.14). Особое внимание уделяется значению характеристического показателя fi и соответствие его диапазону оптимальных значений состояния техноценоза 0,5 р , 1,5. !»
В любом регионе существуют определенные уже принятые и объективно необходимые решения относительно ввода новых электрических станций, которые необходимо проанализировать и учитывать в ходе дальнейшего выполнения работы. Для ценологической оценки планируемых мероприятий направленной трансформации объекта исследования необходимо смоделировать ситуацию успешной реализации этих изменений и провести построение ранговых параметрических //-распределений. Далее определяется характеристический показатель р для каждого варианта возможных сценариев развития, после чего делаются соответствующие выводы.
На этапе оптимизации с учетом объективных факторов развития объекта исследования формулируются основные положения оптимизационных мероприятий, происходит их верификация. В результате определяется то состояние объекта исследования, к которому необходимо стремиться для повышения уровня эффективности системы в целом - так называемое рациональное макропланирование, которое охватывает большой промежуток времени.
Анализ полученных результатов позволят выработать вариант концепции построения электростанций в регионе, который, с одной стороны, основан на фундаментальных положениях ценологического подхода и законе оптимального построения техноценозов, а с другой - учитывает сложившиеся реалии региона. Модернизация существующих и строительство новых электрических станций согласно предложенной оптимизации должны сбалансировать электрическую мощность энергосистемы и позволить удовлетворить потребность области в электрической энергии. А развитие малой и нетрадиционной энергетики позволит повысить надежность электроснабжения потребителей, улучшит эффективность использования природного газа на территории области, снизит протяженность электрических сетей и технологический расход электроэнергии на ее транспортировку.
