Алгоритм системы поддержки принятия решений о повышении эффективности регионального энергетического комплекса

Энергетика является одной из важнейших отраслей экономики РФ и оказывает влияние на качество жизни людей и развитие промышленности. В соответствии с Указом Президента РФ от 07.07.2011 № 899 одними из приоритетных направлений развития науки, техники и технологий в России являются энергосбережение, энергоэффективность и ядерная энергетика. Всё это подтверждает важность организации мероприятий, направленных на повышение эффективной деятельности энергопредприятий.

Для повышения эффективности работы энергопроизводств необходимо совершенствование структур и методов системного управления. Поэтому актуальной является разработка алгоритма системы поддержки принятия решений (СППР) для анализа и формирования математически обоснованных решений управления энергетическим комплексом. Разработка алгоритма СППР проводилась для Самарской энергосистемы, состоящей из крупнейших энергетических предприятий Самарской области, входящих в состав ПАО «Т Плюс».

Анализ структуры энергетической системы Самарской области

Исследована структура данной энергосистемы. В настоящее время в состав энергосистемы входят семь теплоэлектроцентралей. Установленная электрическая мощность энергосистемы составляет– 2867,9 МВт, установленная тепловая мощность – 11366,13 Гкал/ч.

В качестве элементов сложного развивающегося объекта – энергосистемы – примем энергопредприятия (ТЭЦ), входящие в ее состав.

Таким образом, специфика энергосистемы Самарской области, состоящей только из ТЭЦ, осуществляющих совместную выработку тепловой и электрической энергии, обуславливает особенности ее работы и накладывает ограничения на ее деятельность. Раздельная выработка тепловой и электрической энергии на ТЭЦ является экономически неэффективной, например, при переводе ТЭЦ в конденсационный режим работы КПД снижается до значений 10–15 %. Кроме этого, объемы производства энергии энергосистемой определяются нуждами потребителей в реальном времени, так как невозможно складировать и запасать энергию [1–4].

Рисунок 1. Структура энергосистемы Самарской области

На рисунке 1 представлена структурная модель взаимодействия энергосистемы с внешней средой. При производстве энергии используются следующие ресурсы R_i : информационные, капитальные, трудовые, топливные, водные, материальные и энергетические, поступающие в блок распределения и управления соответствующим ресурсом БР и У R_i

Энергосистема производит тепловую Y_t ( t ) энергию в виде производственного пара и горячей воды и электроэнергию Y_e ( t ), вырабатываемую на базе выработки тепловой энергии. Основными потребителями тепловой и электрической энергии, отпускаемой энергосистемой, являются жилищно-коммунальное хозяйство и промышленные предприятия Самарской области [5]. Избыток произведенной электроэнергии может продаваться соседним регионам на Федеральном оптовом рынке электрической энергии и мощности (ФОРЭМ), а ее недостаток – восполняться покупкой на ФОРЭМе электроэнергии.

Построение архитектуры алгоритма системы поддержки СППР

Для повышения эффективности деятельности энергетического производства был сконструирован алгоритм работы СППР, детально представленный на рисунке 2. Данный алгоритм создает единое информационное пространство, работая на двух иерархических уровнях:

– оптимизации работы энергетического оборудования на уровне i -го энергетического пред-приятия;

– выработке организационно-экономических управляющих решений для всей энергосистемы.

При построении структуры алгоритма были реализованы принципы системного подхода к исследованию сложных систем для решения задач ресурсосбережения. В сконструированном алгоритме объединены экономическое, технологическое, информационное, организационное управление разными видами ресурсов на оперативном и стратегическом уровне.

Построенный алгоритм позволяет провести комплексный анализ функционирования энергосистемы, исследовать внутренние и внешние связи между входными и выходными ресурсами, оценить эффективность деятельности энергосистемы, сконструировать системы управления энергообъектом и сформировать альтернативные варианты для оптимального управления его деятельностью.

Реализация алгоритма СППР будет происходить в результате реализации следующих 6 этапов. Рассмотрим этапы, входящие в алгоритм, более подробно.

Целеполагание и выбор методов исследования . На первом этапе алгоритма исследуются вопросы целеполагания, определяются методы исследования и производится структурный анализ энергосистемы и отдельных энергопредприятий. Кроме этого, выбираются модели и основные параметры, характеризующие работу объекта, для дальнейшего анализа.

Эффективность функционирования отдельной ТЭЦ характеризуется следующими основными показателями: удельным расходом топлива на производство тепловой энергии, электрической энергии, КПД котельных агрегатов, коэффициентом использования топлива, расходом электроэнергии на собственные нужды.

На уровне энергосистемы основными ресурсами, оказывающими влияние на производство энергии, являются капитальные К ( t ), трудовые L ( t ) и топливные В ( t ) ресурсы.

Сбор и ана^и^ статистических данных ф^нкционировани^ объекта . На уровне энергетических предприятий при реализации второго этапа алгоритма происходят сбор и первичная обработка значений параметров системы контрольно-измерительных приборов (КИП), сравнение их с оптимальными, расчет и анализ технико-экономических показателей (ТЭП) работы оборудования в реальном времени и формирование отчетов и режимных карт.

Работа энергетического оборудования характеризуется более чем 50 показателями, из которых были выделены 8 основных [6].

• 1.    Удельный расход топлива, G_monё .

• 2.    Удельный расход электроэнергии на тягу и д^уТье Э .д .

• 3.    Температурауходящих газов, t .

• 4.    Отклонение от оптимального значения разряжения в топке котла, A P n .

• 5.    Содержание оксидов азота в продуктах сго-Равия,, V NO x n .

• 6.    Содержание оксидов углерода в продуктах сгорания, V CO x n .

• 7.    Содержание диоксидов углерода в продуктах сгорания, V_{CO n} .

8-КПД П „ “

Полученные от каждого предприятия данные направляются на уровень энергосистемы.

На уровне энергосистемы на основе методов статистического анализа проводится качественный и количественный анализ входных и выходных параметров деятельности энергосистемы в целом: капитальных К ( t ), трудовых L ( t ) и топливных В ( t ) ресурсов и производства тепловой Y_t ( t ) и электрической Y_e ( t ) энергии; а также анализ технико-экономических показателей функционирования, в частности текущих производительностей ресурсов - фондоотдачи Y/K , производительности труда Y/L и топливоотдачи Y/B . Кроме этого, исследуется устойчивость системы и эффективность использования ресурсов по фазовым портретам энергосистемы в пространстве состояний, характеризующих эффективность ее работы.

^атематическое моде^ирование^ иденти-фикаци^ и оценка качества моде^ей. На уровне отдельных ТЭЦ при выполнении данного этапа оценивается и сравнивается эффективность работы основного оборудования – котлов. Поскольку их работа характеризуется большим количеством различных параметров, были сформированы обобщенные критерии экономичности, экологичности, технологичности работы оборудования и глобальный критерий эффективности, объединяющий предыдущие. В качестве входных параметров использовались ТЭП, проанализированные в работе [7]. Для определения критериев эффективности использовался метод многокритериального оценивания DЕА или «Анализ среды функционирования», позволяющий провести сравнительную оценку котлов.

На уровне энергосистемы при выполнении данного этапа алгоритма проводятся построение математических моделей, описывающих деятельность энергосистемы и взаимосвязи между производством энергии и использованием основных ресурсов, идентификация построенных моделей и оценка их качества. Если качество построенных моделей неудовлетворительно, то в математическую модель вводится дополнительная информация и влияющие на производственную деятельность факторы.

В качестве математических моделей, описывающих взаимосвязи между объемом затрачиваемых ресурсов и производством энергии, были приняты двухфакторные (1) и трехфакторные (2) степенные производственные функции типа Кобба – Дугласа [5; 8]։

Y (t) = AK (t )а L (t )", (1)

Y (t) = AK (t )a L (t )" B (t )Y,            (2)

где A – масштабный коэффициент; α, β и γ – коэффициенты эластичности (3), характеризующие эффективность использования капитальных, трудовых и топливных ресурсов в производственных процессах соответственно.

K dY _ d(LnY)

Y dK ~ d(LnK) ’

L dY d(LnY) --=---------;

Y aL d( LnL )

= B dY ₌ 5( LnY ) ^Y Y aB d(LnB ) ■

Идентификация проводилась с помощью метода наименьших квадратов на основе статистических данных деятельности энергосистемы.

^оде^ьное исс^едование свойств объекта и оценка ^ффективности е^о ф^нкционировани^^ На уровне отдельных энергетических производств проводится анализ критериев эффективности работы основного оборудования, в результате которого формируется комплексная оценка работы основного оборудования с учетом всех выбранных частных показателей эффективности.

На уровне энергосистемы на основе построенных и идентифицированных моделей исследуются ее свойства и осуществляется оценка эффективности ее функционирования.

Для оценки эффективности деятельности энергосистемы были разработаны дифференциальные и интегральные критерии эффективности.

Для исследования эффективности использования каждого вида ресурсов рассматривались предельные производительности капитальных дY/9K, трудовых d YJ 9L и топливных d Y(9B ресурсов. Была проведена оценка влияния на деятельность энергосистемы фактора изменения масштаба производства M и фактора совершенствования энергетических процессов R . Исследовалось влияние относительных вкладов капитальных W_k и трудовых W_L ресурсов на производство энергии. Кроме этого, было исследовано поведение производственно-технологических процессов в энергосистеме в плоскости параметров капитальных К и трудовых L ресурсов [9; 10].

Построение систем ^прав^ени^ и имитационное моде^ирование . Для каждого предприятия на данном этапе строится алгоритм распределения нагрузки между котельными агрегатами на основе данных, полученных в результате многокритериального оценивания, что позволяет принимать математически обоснованные решения при выборе наиболее оптимальных режимов работы и использовать имеющееся оборудование максимально эффективно.

На уровне энергосистемы данный этап алгоритма представляет собой имитационное моделирование производственно-экономических процессов в энергосистеме на основе ранее построенных и идентифицированных моделей. В имитационной модели исследовалось влияние инвестирования в обновление капитальных ресурсов на эффективность производства энергии.

Формирование инвестиций происходит за счет доли прибыли в виде выпуска продукции за предыдущий финансовый год с помощью управляющей величины ^. В зависимости от величины ^ на следующий год определяются

K ( t ) = K ₍ t — _1} +v Y s ₍ t — _1} . (4)

Построение про^но^ов и по^^чение рекомендаций по ^прав^ению. При выполнении заключительного этапа алгоритма определяется экономическая эффективность мероприятий по изменению распределения нагрузки в котельной в соответствии с критериями эффективности, формируются рекомендации по управлению для лиц, принимающих решения, в частности, фор- мируются направления, в первую очередь нуждающиеся в улучшении и ремонте.

На уровне энергосистемы в целом проводится двухступенчатое построение прогнозов поведения энергосистемы как с учетом изменения финансирования основных фондов, так и без учета управляющих воздействий. Для получения прогнозных значений основных ресурсов использованы адаптивные методы прогнозирования. Далее по математической модели производственной функции (2) определяются прогнозные значения производства энергии. Имитационная модель (4) позволяет определить сценарий поведения энергосистемы с учетом управляющих воздействий, величина капитальных ресурсов определялась для различных значений ^.

С учетом построенных прогнозов функционирования системы на этом этапе формируются рекомендации по управлению энергосистемой для лиц, принимающих решения.

Выводы

• 1.    Предложен алгоритм СППР, который позволяет на базе методов системного подхода проводить комплексный анализ деятельности энергосистем и оценку энергоэффективности их функционирования на двух уровнях – на общем уровне и на уровне энергетических производств с учетом особенностей совместного производства тепловой и электрической энергии.

• 2.    На уровне энергосистемы исследованы внутренние и внешние связи между ресурсами, сконструированы системы управления функционированием объекта, предложены сценарии поведения и сформированы адаптивные варианты деятельности энергосистемы.

• 3.    На уровне энергетического производства исследованы основные параметры, характеризующие работу котельного оборудования, разработаны обобщенные критерии, позволяющие проводить многокритериальную оценку эффективности основного оборудования, предложен алгоритм распределения нагрузки котельной, повышающий экономичность и технологичность ее работы.

• 4.    Разработанный алгоритм можно использовать для анализа энергоэффективности аналогичных энергосистем других регионов.