Под балансовой надежностью будем понимать обеспеченность спроса на электрическую (и тепловую) энергию в ЭЭС энергоресурсами (топливом для ТЭС и водой для ГЭС) и генерирующей мощностью, или, иначе говоря, надежность баланса энергии и мощности. При этом нужно иметь в виду, что как спрос на энергию и мощность, так и возможности системы для его удовлетворения являются вероятностно-определенными.
Как уже отмечалось выше, в спросе на энергию (электрическую и тепловую), т. е. в расходной части баланса, основную его часть, определяемую промышленными предприятиями, можно считать детерминированной и соответствующей их планам, а оставшаяся часть, в которую входит и коммунальнобытовая нагрузка, имеет большую случайную составляющую, определяемую, в частности, колебаниями температуры наружного воздуха (средней температурой отопительного сезона).
В приходной части баланса: по энергии случайными величинами являются возможная выработка электроэнергии на ГЭС, определяемая притоком воды в водохранилища, а также качество топлива; по мощности - располагаемая мощность генерирующих агрегатов системы, обусловленная аварийными простоями последних.
Рис. 1.1. Функции распределения спроса и выработки электроэнергии в ЭЭС
При соразмерном развитии потребителей электроэнергии и ЭЭС и оптимальном планировании работы последней функция распределения спроса F^cnp) (рис. 1.1) должна лишь в очень малой зоне а -б накладываться на функцию распределения возможной выработки электроэнергии ЭЭС ί'(3Σ), зависящую от плана поставок топлива и прогноза гидроресурсов. В этой зоне спрос может превысить возможности выработки электроэнергии, что приведет к необходимости введения ограничений электропотребления. Из рис. 1.1 следует также, что в зоне б—в всегда наблюдается избыток энергоресурсов.
При отставании вводов мощности на ТЭС или в периоды многолетнего маловодья может оказаться, что даже при плане поставки топлива, обеспечивающем максимально возможную выработку электроэнергии на ТЭС, зона а-б будет велика. То же самое может быть и при ограниченных возможностях поставки топлива. В этих условиях для обеспечения нормальной работы потребителей должны быть введены плановые ограничения потребления ими электроэнергии при соответствующем снижении их планов выпуска продукции.
Очевидно, что средняя потребность топлива в пересчете на электроэнергию примерно равна разности математических ожиданий спроса на энергию и выработки ГЭС. Максимальная потребность будет определяться максимальным (с заданной вероятностью) спросом и минимальным (тоже с заданной вероятностью) притоком воды к ГЭС при отсутствии многолетних запасов энергоресурсов на ТЭС и ГЭС. Если возможность поставщиков топлива не меньше максимальной в ней потребности, то и не будет необходимости в создании многолетних запасов топлива.
При ограниченной возможности поставки топлива становится необходимым создание его многолетних запасов. Поэтому возникает задача определения оптимальных производительности поставщиков топлива и емкостей складов топлива на ТЭС с учетом водохранилищ многолетнего регулирования.
Возможно решение этой задачи на основе нормирования продолжительности (и интенсивности) расчетной серии маловодных лет в сочетании с холодными зимами. Однако серьезное обоснование такой расчетной серии вряд ли возможно. Поэтому необходима разработка имитационной модели для исследования процесса функционирования ЭЭС с использованием фактических хронологических рядов приточности воды и средних температур зим. Модель должна позволить для каждого текущего года спланировать поставку топлива, обеспечивающую желаемую надежность, и определить, какова будет действительная надежность, а также остаток энергоресурсов для моделирования следующего года. При переполнении складов, очевидно, должна быть предусмотрена возможность отказа от части запланированного топлива с соответствующей компенсацией расходов поставщика.
Варьируя производительностью поставщиков топлива и емкостью складов, можно найти их оптимальные значения по критерию минимума затрат, учитывающие развитие топливной базы для увеличения производительности поставщиков топлива, добычу и склады топлива, а также ущерб у потребителей из-за неудовлетворения спроса на электроэнергию, обусловленного недостатком энергоресурсов.
Более эффективные решения этой задачи возможны на основе долгосрочных прогнозов зимних температур и притоков воды к ГЭС. Период, охватываемый прогнозами, должен составить 10-20 лет и начинаться с временного уровня, для которого решается задача управления развитием. Использование прогнозов позволит учесть влияние многолетних циклов солнечной активности на природные процессы, определяющие спрос на тепло и приток воды в водохранилища ГЭС.
В условиях функционирования для надежного обеспечения ЭЭС энергоресурсами с учетом ограниченной производительности поставщиков топлива и возможности наступления последовательного ряда лет с повышенным спросом на энергию (холодные зимы) и малым притоком воды необходимо планировать поставки топлива на очередной год с высокой степенью надежности. Очевидно, что план поставки топлива должен быть распределен по отдельным видам с привязкой к конкретным типам станций.
Многолетние запасы энергоресурсов целесообразно создавать в водохранилищах многолетнего регулирования ГЭС. Работа ГЭС с соответственно большими напорами повысит выработку электроэнергии на них, в то время как теплота сгорания при длительном хранении топлива снижается. Поэтому годичное планирование режимов работы ЭЭС по активной мощности должно вестись по критерию минимума расхода топлива при максимальном заполнении емкостей многолетнего регулирования ГЭС с учетом вероятностного характера спроса на энергию и притока воды в водохранилища.
Оценка балансовой надежности по генерирующей мощности при управлении развитием необходима для выбора установленной мощности электростанций и пропускных способностей межсистемных связей. Здесь должны учитываться суточные графики нагрузки зимних и летних рабочих дней, случайные отклонения нагрузки от этих графиков, аварийные и плановые простои генерирующих агрегатов, разрывы мощности, ограничения по продолжительности работы гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) и гидроэлектростанций с суточным регулированием, а также ограничения по пропускной способности межсистемных связей.
Балансовая надежность по мощности оценивается по математическому ожиданию недоотпуска электроэнергии вследствие дефицита мощности.
В электроэнергетических системах с ГЭС суточного или годичного и многолетнего регулирования в маловодные сутки или годы вследствие недостатка воды возможен дефицит энергии в пиковой части графика нагрузки.
Рис. 1.2. Схема ЕЭЭС бывшего СССР
Этот дефицит энергоресурсов может компенсироваться только выработкой электроэнергии на тепловых электростанциях, для чего их мощность должна быть соответственно увеличена. Поэтому в таких ЭЭС предварительно выбирается установленная мощность ТЭС по балансу мощности для зимнего и летнего рабочих дней маловодного года. Здесь мощность ГЭС определяется вписыванием их суточной выработки в график нагрузки, т. е. так называемой ’’гарантированной мощностью”, а располагаемая мощность агрегатов ТЭС определяется с учетом математического ожидания их аварийного простоя. Найденная таким образом мощность ТЭС и принимается в качестве исходной для оценки балансовой надежности по генерирующей мощности.
Очевидно также, что при оценке балансовой надежности по мощности генерирующие агрегаты, а иногда и станции должны учитываться их располагаемой мощностью, которая может существенно отличаться от установленной, например, при непроектном топливе, отсутствии у теплофикационных агрегатов тепловой нагрузки, сниженном напоре воды на ГЭС и т. п.
В качестве расчетной для Единой электроэнергетической системы бывшего СССР на перспективном уровне (примерно двухтысячного года ) можно принять 12-узловую схему, конфигурация которой показана на рис. 1.2. В ней за основу принято деление ЕЭЭС по объединенным электроэнергетическим системам. Исключение сделано для системы Западно-Сибирского нефтегазового комплекса, обозначенной на схеме ОЭЭС ’’Север”. Пропускные способности межсистемных связей в этой схеме определяются балансовыми потоками мощности.
При управлении функционированием из общего резерва мощности должна быть выделена его ремонтная составляющая,
необходимая для проведения плановых ремонтов - капитальных и текущих. Здесь следует стремиться к выравниванию надежности по генерирующей мощности для всего рассматриваемого периода (года). Кроме того, в циклах краткосрочного и оперативного управления должно определяться оптимальное значение включенного резерва мощности.
