Надежность систем энергетики - Динамическая имитационная модель функционирования ЭЭС

Динамическая имитационная модель функционирования ЭЭС [8, 9] разработана с использованием фактических хронологических рядов приточности воды и средних температур зим. 

Эта модель позволяет выбрать наилучшую из рассматриваемых ниже стратегий планирования поставок топлива для того, чтобы заложить ее в модель оптимизации емкости складов и производительности поставщиков топлива на стадии проектирования ЭЭС.
Динамическая имитационная модель функционирования ЭЭС имитирует многолетний процесс поставок, накопления и срабатывания энергетических ресурсов в ОЭЭС. Модель позволяет для каждого текущего года спланировать поставку топлива, обеспечивающую желаемую надежность, по действительному притоку воды определить фактическую выработку электроэнергии ГЭС и, зная спрос, - небаланс электроэнергии и остаток энергоресурсов для моделирования следующего года.

4. Вычисление значения небаланса, т. е. дефицита или избытка энергоресурсов (энергетический эквивалент):

Задача определения планового уровня поставок топлива формулируется следующим образом: по заданным рядам распределения годовых притоков воды к каждой ГЭС, известным запасам топлива на ТЭС и воды в водохранилищах ГЭС многолетнего регулирования на начало года, а также вероятностно заданному спросу на энергию определить функцию распределения потребности в выработке электроэнергии тепловыми электростанциями. На ее основе, задавшись определенной стратегией планирования, соответствующей желаемой степени надежности обеспечения энергоресурсами, найти плановое значение поставки топлива. При этом должна учитываться ограниченная производительность поставщиков топлива.
Рассмотрим функционирование одноузловой системы; расчетный период - год.
На начало года заданы:
функция распределения спроса Эспр на энергию (электрическую и тепловую) в зависимости от температуры наружного воздуха;
функции распределения пригодности воды к створам ГЭС; запасы энергоресурсов, а именно: воды в водохранилищах и топлива на складах ТЭС(энергетический эквивалент).
Заданными считаются также максимальные возможности поставщиков топлива, максимально допустимые многолетние запасы водыи емкости складов многолетних запасов на ТЭС· (все в пересчете на энергию).
По заданным функциям распределения приточности воды и ее запасам в водохранилищах, а также энергетическим характеристикам ГЭС с помощью имитационной модели функционирования ГЭС (см. § 2.1) можно построить функцию распределения возможной выработки электроэнергии на ГЭС ЭГЭС.
На основе функции распределения спроса и возможной выработки электроэнергии ГЭС с учетом запасов топлива на складах строится функция распределения потребности в топливе для тепловых электростанций (энергетический эквивалент) (рис. 2.3):

В данной постановке все полученные функции распределения случайных величин эквивалентируются нормальным законом.

Рис. 2.3. Функция распределения выработки электроэнергии ТЭС

Используя функцию распределения F(ЭТЭС), можно определить плановую потребность в топливе в пересчете на электроэнергию.
В модели рассматривается ряд стратегий определения плановой потребности в топливе, а именно:

1. соответствующей желаемой степени надежности обеспечения спроса энергоресурсами Нэ в рассматриваемом году:

1. соответствующей максимальным возможностям поставщиков топлива:

Следует отметить, что для систем с большой долей ГЭС, например для ОЭЭС Сибири, где ГЭС составляют около половины всей установленной мощности, может оказаться, что при планировании поставок топлива на уровне, минимально необходимом для обеспечения желаемой надежности, будет относительно велика вероятность переполнения емкостей многолетних запасов топлива. В этих условиях, видимо, следует все же исходить из необходимости обеспечения высокой надежности снабжения электроэнергией потребителей.
Для сравнения эффективности различных стратегий планирования поставок топлива производится расчет эксплуатационных затрат, точнее, переменной составляющей, зависящей от объема поставок топлива.
Эксплуатационные затраты можно рассчитывать, исходя из двух разных предположений.
1. Поставленным считается тот объем топлива, который был запланирован в начале текущего года.
В этом случае эксплуатационные затраты учитывают затраты на топливо Ht и ущербы от недоотпуска электроэнергии Уе:

Таблица 2.8

где Эсл - избытки энергоресурсов (излишки топлива) системы в t-м году.

Таким образом, в результате завершения имитационного процесса можно проследить динамику функционирования ЭЭС во времени и оценить эффективность различных стратегий планирования поставок топлива.
Пример 2.2. Рассмотрим ОЭЭС Сибири. В качестве исходных данных использованы БФР приточности воды к створам сибирских ГЭС (см. табл. 2.1), а также фактическая приточность воды за 1981 - 1987 гг. (табл. 2.8). Полагая, что выработка электроэнергии ГЭС ОЭЭС Сибири составляет 50% выработки электроэнергии всей системы, спрос на электроэнергию принят равным 190 млрд. кВт-ч. Емкость складов многолетних запасов топлива при ТЭС (в энергетическом эквиваленте) задана равной 10 млрд. кВт-ч из условий 95%-ной годовой потребности в топливе, а максимальные возможности поставщиков - 100 млрд. кВт-ч, т. е. 105%-ной потребности. Запасы многолетнего регулирования на начало года берутся исходя из средних условий, т. е. 50% накопления, в водохранилищах 13,5 млрд. кВт-ч, на ТЭС 5 млрд. кВт-ч. Известно, что максимально допустимые многолетние запасы воды в водохранилищах ГЭС ОЭЭС Сибири в энергетическом эквиваленте составляют 27 млрд. кВт-ч. При расчете учитывается корреляционная связь притоков воды внутри и между каскадами (см. табл. 2.2).

Рис. 2.4. Случайные величины отклонения спроса на электроэнергию

Расчеты проводились на удвоенном (по отношению к периоду 1981-1987 гг.) интервале времени в 14 лет. На рис. 2.4 представлены принятые отклонения спроса на энергию от среднего значения, обусловленные колебаниями температур наружного воздуха отопительного сезона².
Результаты расчетов по динамической имитационной модели функционирования ЭЭС для различных стратегий планирования поставок топлива при использовании БФР приточности воды представлены в табл. 2.9. В табл. 2.10 показаны результаты расчетов для первой стратегии планирования поставок топлива при различных уровнях надежности обеспечения энергоресурсами с учетом эксплуатационных затрат, посчитанных при характерных для ОЭЭС Сибири параметрах, а именно при замыкающих затратах на топливо 10 руб/т условного топлива, удельном ущербе от недоотпуска электроэнергии с предварительным уведомлением потребителей 0,3 руб/(кВт-ч), и удельном расходе топлива 0,3 кг/(кВт-ч). В табл. 2.11 приведены более подробные результаты расчетов по годам на интервале в 7 лет для первой стратегии планирования поставок топлива при уровнях надежности обеспечения энергоресурсами 0,98 и 0,95.
В заключение рассмотрим динамику изменения запасов топлива в пределах года в системе с преобладанием тепловых электростанций. Предположим, что поставки топлива распределены равномерно в течение года, а их суммарный объем выбран с высокой степенью надежности энергообеспечения.

Примечание. Обозначения в таблице: m — математическое ожидание спроса; о — среднеквадратическое отклонение спроса.

На рис. 2.5, а показаны изменения запаса топлива на тепловых станциях, а также спроса на электроэнергию Эспр без учета его неопределенности при равномерной поставке топлива в течение года Эпост. Здесь виден запас топлива в начале года, обусловленный сезонной неравномерностью спроса. При учете случайного характера спроса суммарный объем топлива должен превышать его значение, соответствующее детерминированной постановке задачи. 

Примечание. Обозначения в таблице те же, что и в табл. 2.9.

При этом соответственно увеличатся месячные поставки топлива (рис. 2.5, б) и в среднем запасы топлива будут больше, чем в случае, показанном на рис. 2.5, а, что приведет к некоторому дополнительному запасу в конце года, т. е. к образованию так называемого многолетнего запаса топлива АЭТЭС. 

Рис. 2.5. Изменение спроса на электроэнергию и запаса топлива на складе

Составляющие баланса электроэнергии за год, млрд. кВт·ч

Уровень надежности обеспечения энергоресурсами 0,95

Очевидно, что в следующем году поставка топлива может быть уменьшена на величину образовавшегося многолетнего запаса (рис. 2.5, б). При этом запас в конце этого года в среднем будет равен запасу в конце предшествовавшего года, т. е. многолетний запас топлива в среднем будет сохранен. Таким образом, планирование поставок топлива с высокой надежностью энергообеспечения создает необходимые запасы топлива для компенсации сезонной и многолетней неравномерности спроса на энергию.