Введение к работе
Актуальность работы. Для электроэнергетических систем (ЭЭС) восточных регионов Российской Федерации характерными являются значительные доли генерирующих мощностей гидроэлектростанций (ГЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), что обеспечивает существенную экономию органического топлива. Долгосрочное планирование режимов работы таких систем и оперативное управление ими являются достаточно сложными задачами, что связано как со случайным характером притока воды в водохранилища ГЭС, так и с необходимостью учета влияния тепловых нагрузок ТЭЦ на их расходы топлива, идущие на выработку электроэнергии.
Задачи оптимизации длительных режимов работы ЭЭС актуальны как при централизованном управлении, так и в условиях рынка электроэнергии. В последнее время в энергосистеме Сибири участились случаи, когда на рынке «на сутки вперед» устанавливалась нулевая цена электроэнергии, что свидетельствует, в частности, о неоптимальной загрузке ГЭС в сезонном и годовом разрезе.
Особенно сложной задачей является задача оптимизации длительных режимов работы электроэнергетических систем, включающих ТЭЦ и ГЭС с водохранилищами многолетнего регулирования, что обусловлено, в частности, необходимостью рассмотрения расчетного периода большой продолжительности (несколько лет) при неизвестных уровнях воды в водохранилищах в конце этого периода и необходимостью рассматривать изменение электрических мощностей ТЭЦ в широком диапазоне - от минимально- до максимально-возможных с учетом их зависимости от тепловых нагрузок станций.
Вопросам оптимизации режимов работы энергосистем, включающих тепловые электрические станции (ТЭС) и ГЭС, посвящено достаточно большое число работ как российских (советских), так и иностранных ученых (В. М. Горштейн, Л. С. Беляев, Е. В. Цветков, В. И. Обрезков, Ю. П. Сыров, Л. А. Крумм, Ш. С. Чурквеидзе, В. А. Савельев, Н.А. Мурашко, A.M. Клер, Н. П. Де-канова, L.F. Amaro da Silva, P.R. Sales, R.E. Devis, M. V. F. Pereiro и др.).
Поскольку ТЭЦ играют существенную роль во многих ЭЭС РФ, то важное значение имеет создание математических моделей ТЭЦ, пригодных для решения задач оптимизации режимов энергосистем. При этом необходимо разработать как эффективную форму таких моделей, так и эффективный метод их построения.
В настоящее время выполнено достаточно много работ по созданию математических моделей теплоэнергетических установок и ТЭС. Это работы Л. С. Попырина, Г. Б. Левенталя, Л. С. Хрилева, А. А. Палагина, Г. В. Ноздренко, В. И. Самусева, А. М. Клера, М. El-Masri и др. В основном они посвящены по-
строению подробных математических моделей, использование которых для решения задач оптимизации режимов ЭЭС практически невозможно.
На основе анализа работ, посвященных оптимизации режимов работы энергосистем, включающих ТЭС и ГЭС, математическому моделированию ТЭЦ, и отмечая значительные научные результаты, полученные авторами этих работ, следует отметить ряд не до конца решенных проблем.
-
В большинстве рассмотренных работ по оптимизации длительных режимов ЭЭС, включающих ГЭС и ТЭС, с учетом случайного характера естественных притоков ищется единственная траектория изменения оптимизируемых параметров во времени, что не соответствует реальной практике управления режимами и ухудшает получаемое решение за счет снижения числа степеней свободы при оптимизации. Свободными от указанного недостатка являются постановки задач оптимизации режимов ЭЭС, основанные на использовании сценарных деревьев (деревья условий функционирования). Однако такие постановки применялись в основном при оптимизации краткосрочных и среднесрочных режимов.
-
Не разработан достаточно обоснованный способ определения оптимальных запасов воды для ГЭС с водохранилищами многолетнего регулирования в конце расчетного периода.
-
Не предложены достаточно эффективные методы увязки оптимизационных задач с разной продолжительностью расчетных периодов.
-
При решении задач оптимизации ЭЭС с ГЭС и ТЭЦ не было создано эффективного (с одной стороны достаточно точного, а с другой достаточно простого) подхода к моделированию ТЭЦ.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методического подхода, математических моделей и методов для оптимизации длительных режимов работы ЭЭС, включающих ТЭЦ и ГЭС с водохранилищами многолетнего регулирования, и включает следующие основные задачи.
-
Постановка задачи оптимизации длительных режимов ЭЭС с ГЭС с водохранилищами многолетнего регулирования и ТЭЦ с учетом неопределенности исходной информации (в первую очередь притоков воды) на основе сценарных деревьев.
-
Разработка метода определения математического ожидания запасов воды в водохранилищах ГЭС в конце расчетного периода задачи оптимизации длительных режимов ЭЭС на основе условия стационарности (равенства оптимальных запасов воды в водохранилищах ГЭС в начале периода последействия, следующего непосредственно за расчетным периодом, и математического ожидания этих запасов в конце периода последействия).
-
Разработка метода увязки задач оптимизации режимов ЭЭС с ТЭЦ и ГЭС с различной продолжительностью расчетного периода на основе принципов динамического программирования.
-
Разработка нового эффективного подхода к построению энергетических характеристик ТЭЦ, основанного на использовании энергетических балансов оборудования, связанного тепловыми потоками, и решении задач оптимизации режимов работы ТЭЦ в характерных режимах.
-
Создание комплексной модели оптимизации длительных режимов ЭЭС, выполнение с ее использованием оптимизационных расчетов достаточно сложной энергосистемы.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.
-
Подход к оптимизации длительных режимов ЭЭС, включающих ТЭЦ и ГЭС с водохранилищами многолетнего регулирования, основанный на использовании сценарных деревьев.
-
Метод увязки задач оптимизации режимов работы ЭЭС с ТЭЦ и ГЭС с различной продолжительностью расчетного периода на основе принципов динамического программирования.
-
Методика построения энергетических характеристик ТЭЦ, пригодных для решения задач оптимизации длительных режимов ЭЭС.
-
Результаты оптимизационных технико-экономических исследований энергосистемы, иллюстрирующих эффективность предложенных методических разработок.
Разработанные в рамках данной диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ с использованием созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса «Системы машинного построения программ» (СМПП-ПК) для персональных компьютеров.
Практическая ценность данной работы заключается в следующем.
Разработанные методы и программы позволяют построить математическую модель ЭЭС, сформулировать задачу оптимизации режима работы ЭЭС и получить ее решение. При этом гарантируется соблюдение технологических ограничений на работу оборудования электрических станций, удовлетворение потребителей электрической и тепловой энергией, и достигается минимум математического ожидания топливных издержек за расчетный период и оптимальное значение математического ожидания запасов воды в водохранилищах ГЭС в конце расчетного периода.
Разработанная методика и получаемые с ее помощью результаты могут использоваться для годового планирования и внутригодовои корректировки режимов работы ЭЭС, планирования и перспективного развития ЭЭС.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2004, 2005, 2008 - 2010); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2007, 2009, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов». - Благовещенск, 2008, 2011; на объединенном симпозиуме «Энергетика России в XXI веке - Энергетическая кооперация в Азии (АЕС-2010)» (Иркутск, 2010); на международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, 2011); на XVIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них три статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106-ти наименований и одного приложения. Общий объём диссертационной работы 156 страниц, из них 118 страниц основного текста, 25 таблиц и 55 рисунков.
