Проектирование рынков - Надежность и генерирующие мощности

Глава 2-3
Надежность и генерирующие мощности

Проект Эдисона был блестящим применением простой электрической цепи: электрическая компания отправляет электричество по проводу потребителю, затем тут же по другому проводу получает его обратно, потом (что самое интересное) посылает его к потребителю снова.
Дейв Берри

Надежность — главная тема любой дискуссии о ценовых пиках.

Высокие ценовые пики способствуют привлечению новых инвестиций в строительство генерирующих мощностей, необходимых для надежного функционирования энергосистемы. На некоторых рынках важную роль также играют требования к величине установленной мощности. Дефицит установленной мощности — не единственная возможная причина ненадежного функционирования энергосистемы, но, поскольку именно она наиболее тесно связана с работой оптовых рынков, то в части 2 рассматривается только эта причина¹.
Принято противопоставлять два аспекта проблемы надежности. Один из них — оперативная (эксплуатационная) надежность работы энергосистемы, т. е. ее способность противостоять неожиданным возмущениям, а другой — балансовая надежность, т. е. наличие достаточной величины установленной мощности для обеспечения оперативной надежности почти в любой момент времени. В части 2 мы сосредоточим основное внимание на аспекте балансовой надежности и будем считать, что требования оперативной надежности всегда могут быть выполнены, если система имеет достаточные плановые резервы. Требования к величине оперативных резервов, которые должны обеспечивать оперативную надежность, представляют здесь интерес в основном из-за той роли, которую они играют в повышении цен и стимулировании инвестиций, и тем самым влияют на балансовую надежность. На эту роль часто не обращают внимания, потому что в условиях регулируемой электроэнергетики эти требования не увязывались с балансовой надежностью.

Краткое содержание главы 2-3.

Оперативные резервы может закупать непосредственно системный оператор, однако, чтобы обеспечивать достаточные плановые резервы, рынок должен создать соответствующие стимулы. При анализе эффективности рынка в первую очередь следует установить, чем определяется оптимальная величина установленной мощности в энергосистеме. В простой, но полезной модели надежности величина установленной мощности оказывается оптимальной, если продолжительность отключения нагрузки равна величине, полученной в результате деления постоянных затрат пиковой электростанции на величину ущерба от отключения нагрузки (от недопоставки электроэнергии).

2-3.1 Оперативные резервы и аварийные ситуации.

Аварийная ситуация представляет собой возможный или действительный выход из строя элементов энергосистемы. Обычно такая ситуация наступает, когда работающий генерирующий агрегат выходит из строя, нарушая сбалансированность энергосистемы (спрос становится выше предложения). Частота и напряжение в энергосистеме начинают падать. При наличии достаточной величины оперативных резервов, которые позволяют быстро в течение 5—10 мин. заменить вышедший из строя генерирующий агрегат на резервный, системному оператору обычно не приходится отключать часть нагрузки.

¹ Выход из строя элементов магистральных и распределительных сетей, как правило, является более часто встречающейся причиной отключений нагрузки.

2-3.2 Балансовая надежность и оперативная надежность.

Надежность имеет две составляющие. Балансовая надежность является характеристикой энергосистемы, определяемой суммарной установленной мощностью, и она не подвержена краткосрочным изменениям. Оперативная надежность характеризует способность энергосистемы противостоять аварийным ситуациям. Она может изменяться на коротких интервалах времени. Сразу после аварийной ситуации и до момента восполнения оперативных резервов энергосистема находится в гораздо менее надежном состоянии. Хотя оперативная надежность зависит и от производства, и от передачи электроэнергии, здесь мы будем рассматривать только производство.
Система имеет генерирующие мощности, достаточные для обеспечения балансовой надежности, если этих мощностей достаточно, чтобы поддерживать оперативную надежность в системе почти во всех обстоятельствах, за исключением самых чрезвычайных.                                    

2-3.3 Упрощенная модель надежности.

Вышедший из строя генерирующий агрегат можно условно рассматривать как дополнительную нагрузку энергосистемы и суммировать ее с реальной нагрузкой. Если такая «расширенная» нагрузка превышает величину установленной мощности (Lg > К), часть нагрузки приходится отключать. Иногда нагрузку приходится отключать по причинам, не связанным с величиной К. В упрощенной модели надежности принято, что за исключением случаев, не связанных с величиной К, величина отключенной нагрузки точно равна Lg-K или нулю, если эта разность отрицательная.
При этом принимается, что ущерб для потребителей от недопоставки каждого МВт-ч электроэнергии равен некоторой постоянной величине VLL. При таком допущении оптимальная величина установленной мощности есть та величина, при которой продолжительность отключения нагрузки (в относительных единицах) равна частному от деления постоянных затрат пиковой электростанции на величину ущерба от отключения нагрузки VLL.

2-3.4 Основная проблема, связанная с использованием упрощенной модели надежности.

Объем отключенной нагрузки может быть больше разности Lg-K. Например, большая разность Lg-K может привести к каскадной аварии, в результате чего придется сбрасывать нагрузку, значительно превышающую величину L - К. Определение степени расхождения между упрощенной моделью надежности и реальными характеристиками энергосистемы — важная инженерная проблема.

2-3.1 Оперативные резервы и аварийные ситуации

Электроэнергетические системы испытывают частые возмущения, например короткие замыкания, выход из строя генерирующих агрегатов и линий электропередачи. Возможность возникновения таких событий называют аварийными ситуациями (contingencies), и этот термин часто ошибочно используют для обозначения самих событий. Такие события приводят к снижению суммарной величины генерирующей мощности, которая может быть использована для покрытия нагрузки. В этой главе мы ограничимся одним видом возможных возмущений в энергосистеме — вынужденным остановом генерирующего агрегата.
Вынужденный останов генерирующего агрегата приводит к падению частоты и напряжения в энергосистеме. Если это падение оказывается слишком большим и слишком длительным, приходится отключать часть нагрузки, чтобы сбалансировать потребление с уменьшенной выработкой электроэнергии. В первое мгновение после аварийного отключения все остающиеся в энергосистеме генерирующие агрегаты увеличивают свою выработку за счет кинетической энергии вращения турбин, а не за счет дополнительного потребления топлива¹. Когда эта энергия иссякает, скорость вращения турбин падает, а частота и напряжение уменьшаются. Это заставляет потребителей забирать меньше мощности, и энергосистема балансируется на более низком уровне частоты. Данный процесс длится всего несколько секунд. Понижение частоты сразу же обнаруживается датчиками частоты, и те генерирующие агрегаты, у которых есть резерв мощности (обеспечивающие услуги регулировочного и вращающегося резерва), берут на себя дополнительную нагрузку.
Если установленных мощностей вращающегося резерва не хватает, чтобы компенсировать потерю мощности и восстановить частоту энергосистемы за необходимые 5—10 мин., системному оператору приходится отключать часть нагрузки. Таким образом, вращающийся резерв и отключение нагрузки являются взаимозаменяемыми средствами для восстановления частоты в энергосистеме. (Отключение нагрузки в дальнейшем будет обозначать не добровольное, а принудительное отключение потребителей). В какой мере отключение нагрузки может заменять собой услугу вращающегося резерва, будет показано в разд. 2-3.4.

¹ Этот процесс называется первичным регулированием частоты. — Примеч. ред.

Оперативный резерв включает вращающийся резерв и несколько видов резервов более низкого качества. Как правило, вращающиеся резервы с готовностью 10 мин (10-минутные вращающиеся резервы)¹ являются первой линией обороны против возможных аварий. Эти резервы формируются за счет генерирующих агрегатов, загруженных ниже максимального уровня мощности. Поскольку данные агрегаты уже синхронизированы с системой переменного тока (т. е. вращаются), они могут реагировать на команды системного оператора без промедления, но набирают мощность постепенно. Обычно набор мощности этими агрегатами осуществляется с некоторой постоянной скоростью, например 4 МВт в 1 мин.
В таком случае считается, что эти генерирующие агрегаты поставляют 40 МВт 10-минутного вращающегося резерва, потому что могут увеличить свою мощность на эту величину за 10 мин. Другими видами оперативных резервов являются 10-минутные и 30-минутные невращающиеся резервы. Эти виды резерва обеспечивают генерирующие агрегаты, которые не включены, но могут быстро запуститься и набрать необходимую мощность.

  2-3.2 Балансовая и оперативная надежность

Оперативные резервы необходимы, чтобы поддерживать оперативную надежность системы при краткосрочных возмущениях в системе. Плановые резервы необходимы, чтобы поддерживать балансовую надежность энергосистемы в периоды прохождения энергосистемой годового максимума нагрузки. Резервы этих двух видов рассматриваются как основные составляющие надежности энергосистемы со стороны производства (роль системы передачи электроэнергии в обеспечении надежности в части 2 не рассматривается). Хотя оперативная надежность и балансовая надежность — различные концепции, они тесно связаны друг с другом. Система с достаточной в долгосрочном плане величиной установленной мощности может поддерживать необходимую оперативную надежность таким образом, чтобы продолжительность периодов вынужденного отключения нагрузки составляла не более 1 суток за 10 лет. Система, обеспечивающая оперативную надежность непрерывно, кроме интервалов общей продолжительностью 1 сутки за 10 лет, должна иметь достаточную величину установленной мощности².

Определения Оперативная надежность

Способность энергосистемы противостоять внезапным возмущениям, таким как короткие замыкания или внезапный выход из строя элементов энергосистемы (NERC, 1996).

Балансовая надежность

Способность энергосистемы покрывать суммарную нагрузку потребителей и удовлетворять их потребность в электроэнергии в каждый момент времени с учетом плановых и расчетных³ внеплановых выходов из строя элементов энергосистемы (NERC, 1996).
Эти две концепции — не просто различные взгляды на одну и ту же проблему. При проведении неправильной политики по отношению к оперативным резервам энергосистема будет иметь недостаточную оперативную надежность несмотря на достаточную величину установленной мощности. В то же время сравнительно недорого поддерживать достаточную величину оперативных резервов в энергосистеме с достаточной балансовой надежностью и сравнительно дорого обеспечить достаточную балансовую надежность энергосистемы⁴. Балансовая надежность является ключевой экономической проблемой, тогда как обеспечение оперативной надежности — это экономически второстепенная, но технологически сложная проблема.
_ Чтобы сосредоточиться на проблемах инвестиций в генерирующие мощности и балансовой надежности системы, в части 2 принято, что политика по отношению к оперативным резервам всегда эффективна и обеспечивает максимально возможную оперативную надежность (в рамках принятых нормативных требований) при заданной величине установленной мощности в энергосистеме. Существует много вариантов такой политики, но все они должны обеспечивать определенный минимальный уровень оперативных резервов. Упрощенная модель надежности, описанная в следующем разделе, основана на допущении, что отключение нагрузки производится только в том случае, если величина нагрузки превышает величину рабочей генерирующей мощности. В разд. 2-3.4 рассматриваются возможные исключения из этого допущения.

¹ Вращающийся резерв, который может быть полностью нагружен в течение 10 мин. после подачи соответствующей команды. — Примеч. ред.

² Экономические аспекты проблемы надежности обсуждаются в работе (Felder, 2001).

³ В отличие от нерасчетных внеплановых выходов из строя, при которых происходят отключения потребителей. Суммарная ожидаемая длительность нерасчетных внеплановых выходов из строя не должна превышать допустимой длительности отключения потребителей. — Примеч ред.

⁴ Это относится к изолированной энергосистеме. Две соседние энергосистемы, соревнуясь за оперативные резервы друг друга, могут взвинтить цены и сделать обеспечение оперативными резервами очень дорогим.

2-3.3 Упрощенная модель надежности

При анализе проблемы надежности в части 2 будем опираться на упрощенную модель надежности, в которой считаются заданными величина установленной генерирующей мощности К и суммарная мощность генерирующих агрегатов, находящихся в плановом или аварийном ремонте g. Обе эти величины измеряются в мегаваттах. Нагрузка L определяется как спрос в экономическом смысле, т. е. как суммарная мощность, которая потреблялась бы в энергосистеме, если бы она работала в нормальном режиме.
Поскольку в нашей модели принято, что при необходимости оперативные резервы могут быть введены в действие в пределах всей установленной мощности (К), то будет корректно определить эти резервы как ту часть установленной мощности, которая не выведена из работы и не участвует в покрытии нагрузки. Таким образом, оперативные резервы OR = K-g-L.
Поскольку нагрузка рассматривается здесь как спрос в экономическом смысле (см. разд. 1-4.3), она может превышать предложение (т. е. суммарную вырабатываемую мощность). В таком случае имеется непокрытая нагрузка LL и покрытая нагрузка, которые в сумме равны нагрузке L. Непокрытая нагрузка появляется только в случае, если величина OR отрицательна, если же OR — положительная величина, то непокрытая нагрузка равна нулю, т. е. непокрытая нагрузка LL = max (-OR).
В действительности отключение нагрузки может происходить даже при OR > 0, а когда OR имеет отрицательное значение, отключаемая нагрузка может превышать величину LL. Разность между отключаемой и непокрытой нагрузкой возникает как результат аварий в распределительных сетях и каскадных отключений. В упрощенной модели принято, что в таких случаях величина дополнительного отключения нагрузки не связана с величиной оперативных резервов. Тогда увеличение К не влияет на разность между отключаемой и непокрытой нагрузками, и она определяет некоторую постоянную величину дополнительного ущерба от отключений, которая не будет учитываться в данном анализе. Таким образом, в упрощенной модели величина LL включает не всю отключаемую нагрузку, а только ту ее часть, на которую может влиять тот или иной механизм, определяющий величину установленной мощности К. Отсутствие корреляции между величиной дополнительного отключения нагрузки и OR является ключевым допущением упрощенной модели надежности, которое рассматривается ниже в разд. 2-3.4. Используя это допущение, легко определить расчетную величину непокрытой нагрузки, которая, собственно, и представляет интерес для данного анализа.

Введя понятие «расширенной» нагрузки L, равной L+g, можно существенно упростить расчет величины OR, которая в таком случае будет равна К - Lg, т. е. оперативные резервы будут просто равны величине установленной мощности за вычетом «расширенной» нагрузки. Отключение генерирующего агрегата в энергосистеме эквивалентно подключению равной по мощности нагрузки в том же узле.

На рис. 2-3.1 показано, каким образом происходит отключение нагрузки, когда величина «расширенной» нагрузки становится больше величины установленной мощности К. Как правило, это превышение является результатом внезапных вынужденных остановов. Происходят также плановые остановы, необходимые для проведения ремонта генерирующего оборудования. Хотя остановы генерирующего оборудования вносят свою лепту в «расширенную» нагрузку, они не влияют на величину «сброса» нагрузки, так как только реальную нагрузку можно отключить принудительно, когда «расширенная» нагрузка превышает величину установленной мощности. С учетом этого величину остановов генерирующих мощностей g более логично следовало бы располагать в нижней, а не в верхней части графика

Допущение 2-3.1 Нагрузка отключается только до необходимых пределов:
LL = max (Lg - К, 0)

Расчетная величина отключенной нагрузки LL равна величине превышения «расширенной» нагрузки Lg над установленной мощностью К. При этом под расширенной нагрузкой понимается сумма величин спроса в экономическом смысле L и находящейся в плановом или аварийном ремонте генерирующей мощности g. Понятие расчетной величины отключенной нагрузки относится здесь только к той части полной величины отключенной нагрузки, которая зависит от величины Lg - К.
«Расширенная» нагрузка, как и реальная нагрузка, может быть представлена кривой продолжительности нагрузки (рис. 2-3.2). Величина отключенных генерирующих мощностей показана в нижней части этого рисунка пунктирной линией, чтобы подчеркнуть, что они не являются частью непокрытой нагрузки. При этом отражена их корреляция с L1. Пик Lg расположен выше горизонтальной линии, представляющей К, и это приводит к отключению нагрузки. Площадь сектора графика, обозначенного как LL, определяет ожидаемую среднюю годовую величину отключаемой нагрузки, которая измеряется в МВт. Величина Dls на графике представляет продолжительность отключения нагрузки, и ее обычное значение равно 0,03% (0,0003), что соответствует 1 суткам за 10 лет.

Основное утверждение относительно надежности

Из рис. 2-3.2 видно, что при хорошо отлаженной системе обеспечения оперативной надежности балансовая надежность (определяемая достаточной величиной установленной мощности К) является основным фактором обеспечения надежности. Чем больше величина К, тем меньше на графике площадь сектора, определяющая непокрытую нагрузку.

1 Поскольку внеплановые остановы генерирующих мощностей происходят внезапно, эти остановы коррелируют с L и приводят к увеличению пика L. Так как плановые остановы генерирующих мощностей производятся в те периоды года, когда величина L мала, для них характерен второй, широкий пик пунктирной линии на рис. 2-3.1 при низких значениях Lg.

Рис. 2-3.2 Кривая продолжительности «расширенной» нагрузки

Увеличение К уменьшает суммарные потери потребителей, связанные с непокрытой нагрузкой (ущерб от отключения нагрузки), но увеличивает затраты на покрытие нагрузки. Минимизация суммы этих двух величин определяет оптимальное значение К.

Оптимальной будет такая политика в области надежности, которая стимулирует инвестиции только тогда, когда, по крайней мере, в рамках упрощенной модели надежности.
Приведенное здесь утверждение 2-3.1 очень важно, потому что оно дает возможность определить оптимальное равновесие на основе весьма ограниченной информации. Оно справедливо независимо от распределения вероятностей отключения генерирующих мощностей, формы кривой продолжительности нагрузки, а также от суточных колебаний спроса на электроэнергию.

Утверждение 2-3.1 Оптимальная продолжительность отключения нагрузки равна

2-3.4 Основная проблема, связанная с использованием упрощенной модели надежности

Утверждение 2-3.1, определяющее основное свойство энергосистемы с оптимальным уровнем надежности, получено на основе допущения 2-3.1. Это свойство состоит в том, что оптимальная продолжительность расчетного отключения нагрузки равнаи, следовательно, она не зависит от каких-либо иных характеристик системы, кроме этих двух стоимостных параметров. Расчетная величина непокрытой нагрузки LL была определена как положительное значение разности Ι-Κ.
Это утверждение рынок может подвергнуть испытанию. Например, в условиях регулируемой электроэнергетики цена не ограничивает пиковую нагрузку, поэтому кривая продолжительности нагрузки при регулировании цен на электроэнергию часто имеет острый пик. Это означает, что система, в которой отключения нагрузки происходят 5 ч в год, может иметь величину вращающегося резерва менее 4% всего лишь 30 ч в год. Но рынок делает пик кривой продолжительности нагрузки значительно более плоским, поднимая цену, как только резервы оказываются на низком уровне. В таком случае система, в которой отключения нагрузки происходят 5 ч в год, может иметь величину вращающегося резерва менее 4% в течение 300 ч в год.
Не исключено, что рыночная система может обладать значительно меньшей надежностью даже при одинаковой величине LL. В частности, она может оказаться более подверженной каскадным авариям из-за того, что больше времени находится в состоянии с малыми резервами (например, меньше 4%) или из-за большего числа кратковременных отключений нагрузки.
Другой возможной причиной снижения надежности является недостаточно точное управление отключениями нагрузки как по величине, так и по быстроте отключения. В этом случае сброс нагрузки может превышать L-К просто потому, что он не может выполняться достаточно точно. Однако технология такого управления доступна и стоит недорого. Если это так, то любое расхождение между утверждением 2-3.1 и реальной ситуацией можно быстро преодолеть.
Эти соображения не следует рассматривать как аргументы в пользу допущения 2-3.1 или против него. Цель этого обсуждения — показать, что вопрос о правомерности данного допущения заслуживает больше внимания и может рассматриваться с чисто инженерной точки зрения.

Вопрос:                       Основная проблема, связанная с использованием упрощенной модели надежности

Соблюдается ли допущение 2-3.1 с разумной точностью в реальных энергосистемах?
Если это допущение, по сути, неправильно, то концепция ценообразования на основе VOLL, так же, как и несколько близких к ней концепций ценообразования, связанных с формированием более низких цен, теоретически неверны, и ошибка, к которой они приводят, может быть существенной. Пока кривые продолжительности нагрузки близки к своей обычной форме, подобные ошибки, вероятно, не создадут больших проблем. Но если растущая эластичность спроса на электроэнергию в будущем кардинально изменит форму этих кривых, может потребоваться разработка более глубоких теоретических концепций проблемы надежности.