Прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії на основі моделей міжпродуктового балансу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

СТОГНІЙ ОЛЕКСІЙ ВАДИМОВИЧ

УДК 621.311:338.5

ПРОГНОЗУВАННЯ ОБСЯГІВ ВИРОБНИЦТВА ТА СПОЖИВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ОСНОВІ МОДЕЛЕЙ МІЖПРОДУКТОВОГО БАЛАНСУ

Спеціальність 05.14.01 - енергетичні системи та комплекси

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ -2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті загальної енергетики НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат економічних наук

ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ Володимир Костянтинович,

Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

член-кореспондент НАН України

РЕЗЦОВ Віктор Федорович

Інститут відновлювальної енергетики НАН України, м. Київ

заступник директора з наукової роботи

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ДЕНИСЮК Сергій Петрович

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, кафедра автоматизації енергосистем, м. Київ.

Захист відбудеться 03.07. 2007 року о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел.417-01-42.

З дисертацією можна ознайомитись в Інституті загальної енергетики НАН України.

Автореферат розісланий 01 червня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.П. Мельничук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії є невід'ємною складовою загальносистемного аналізу в енергетиці, що визначає перспективні напрями, темпи і пропорції розвитку Об'єднаної електроенергетичної системи (ОЕС) України шляхом оптимізації розподілу паливно-енергетичних та матеріальних ресурсів при відповідній структурі та обсягах використання генеруючих потужностей і мереж з урахуванням перспектив зниження питомих витрат паливно-енергетичних, матеріальних і трудових ресурсів, впровадження енергозберігаючих технологій та обладнання, зменшення техногенного навантаження на довкілля, інтеграції ОЕС України до європейської тощо.

Загальносистемне прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії ускладнюється в ринкових умовах, за яких до традиційно проблемних питань, обумовлених високою розмірністю, інформаційною невизначеністю та складністю ОЕС України, наявним перехресним субсидуванням тощо, додаються суто ринкові проблеми, пов'язані з коливаннями цін і тарифів, комерційною таємницею, які у сукупності висувають нові вимоги до розробки моделей прогнозування обсягів виробництва і споживання електроенергії з урахуванням відповідних їм ринкових цін.

Проблематикою системного аналізу, моделювання та прогнозування в електроенергетиці займались відомі вчені, зокрема Д.А. Арзамасцев, А.З. Гамм, А.А. Макаров, І.Р. Юхновський, Л.А. Мелентьєв, М.М. Кулик, Б.З. Піріашвілі, F. Aune, R. Golombek, S. Kittelsen, K. Rosendahl та інші. Наразі вирішено комплекс питань, пов'язаних з забезпеченням оперативного функціонування ОЕС України в умовах оптового ринку електроенергії, сформульовано задачі довгострокового прогнозування, розроблено Енергетичну стратегію України до 2030 року.

Побудова балансово-оптимізаційної моделі (БОМ) ОЕС України, орієнтованої на розрахунки перспективних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін в умовах розвитку ринкових відносин є нагальною необхідністю. Зокрема задача дослідження впливу техніко-економічних показників (питомих витрат палива на генеруючих станціях, технологічних витрат в мережах, рівня залучених інвестицій, коефіцієнта еластичності у функціях споживання тощо) на рівень обсягів виробництва, розподілу та споживання електричної енергії, а також відповідних цін є вагомою складовою цієї проблеми. Тому дана дисертаційна робота є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика та розділи дисертаційної роботи є частинами науково-дослідних робіт (НДР), які були виконані в Інституті загальної енергетики Національної Академії наук України, а саме: фундаментальної НДР “Розробка методології, математичних моделей економічного регулювання та формування системи тарифів на електричну енергію на стадіях її виробництва і транспортування в умовах України” (2004 р., ДР№0205U004257), пошукової НДР “Розробка методології, математичних моделей та програмних засобів формування диференційованого двоставочного тарифу на електроенергію” (2001 р., ДР№0202U000589), пошукової НДР “Наукові основи державного регулювання природних монополій, функціонуючих в умовах різних моделей ринків енергоносіїв” (2001 р., ДР№0202U000588).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення балансово-оптимізаційної моделі ОЕС України, розробка програмно-інформаційних засобів та прогнозування обсягів виробництва і споживання, відповідних їм рівноважних цін в ОЕС України на основі моделей міжпродуктового балансу.

Об'єкт дослідження - Об'єднана електроенергетична система України на всіх технологічних ланках виробництва, передачі, розподілу та споживання електричної енергії.

Предмет дослідження - структура та складові генерації, передачі, розподілу і споживання електричної енергії, відповідні обсяги та рівноважні ціни.

Методи дослідження. Складність ОЕС України визначає необхідність використання системного підходу, методів економіко-математичного моделювання, лінійного програмування, міжпродуктового балансу для моделювання ОЕС України, методів математичної статистики, екстраполяції та експертних оцінок для визначення перспективних значень техніко-економічних показників.

Відповідно до визначеної вище мети дослідження основну увагу в роботі приділено вирішенню наступних задач:

- визначенню сукупності факторів, що впливають на прогнозні обсяги виробництва та споживання електричної енергії та відповідні їм рівноважні ціни;

- побудові БОМ ОЕС України з використанням функцій попиту, орієнтованої на розрахунки перспективних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін;

- дослідженню тенденцій впливу техніко-економічних параметрів на рівень обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідні їм рівноважні ціни за допомогою БОМ ОЕС України;

- формуванню вихідних даних для довгострокового прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін;

- розробці методу та програмного забезпечення з визначення перспективних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін;

- довгостроковому прогнозуванню обсягів виробництва та споживання електричної енергії на основі БОМ ОЕС України.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Обґрунтовано доцільність використання поняття технологічного способу Канторовича_Купманса для формування продуктових та ресурсної системи рівнянь БОМ ОЕС України, що дозволяє вперше реалізувати системний підхід до одночасних розрахунків обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін на всіх технологічних ланках електроенергетичної системи.

2. Вдосконалено модель міжпродуктового балансу (МПБ) шляхом введення спеціально сформованої технологічної матриці екзогенних ресурсів та використання двоїстого представлення моделі, яка набула цінових властивостей, для розрахунків цін виробництва, рівноважних цін на всіх технологічних ланках функціонування ОЕС України.

3. Розроблено структуровану адміністративно та за способами генерації БОМ ОЕС України, що вперше дозволяє одночасно отримувати обсяги завантаження виробничих потужностей генерації, передачі і розподілу електричної енергії та відповідні їм рівноважні ціни окремо за способами генерації у кожній енергогенеруючій компанії, за класами напруги в розподільних мережах, оптову ціну та середньозважені ціни на всіх технологічних ланках функціонування ОЕС України.

4. Запропоновано застосування функцій попиту з постійними коефіцієнтами еластичності, що описують залежність кінцевих обсягів споживання від цін споживання електричної енергії, які використовуються для знаходження рівноважних цін, відповідних обсягам виробництва, передачі, розподілу та споживання електричної енергії.

5. На основі моделі міжпродуктового балансу розроблено метод довгострокового прогнозування, який, на відміну від раніше відомих, дозволяє оптимізувати енергетичний баланс електроенергетичної системи та одночасно отримувати значення прогнозних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонована в дисертаційній роботі модель увійшла до складу створеного в ІЗЕ НАН України програмно-інформаційного комплексу (ПІК) “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА”, який використовується для економіко-математичного моделювання та довгострокового прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін ОЕС України. Результати дослідження знайшли впровадження у “Методиці (порядку) визначення обсягів передачі електричної енергії магістральними та міждержавними мережами і витрат на її передачу” НЕК “Укренерго” та трьох науково-дослідних роботах відділу економічного та нормативно-правового регулювання в енергетиці ІЗЕ НАН України.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертації, отримані здобувачем особисто. У роботах, що опубліковані в співавторстві, автору належать: [2] - висвітлено основних аспектів ціно-, та тарифоутворення в електроенергетиці України; [4] - розглянуто проблему тарифної політики як основу інвестиційної привабливості відновлювальних джерел енергії (ВДЕ) та проаналізовано методи стимулювання впровадження ВДЕ на прикладі іноземних країн та проблеми реалізації їх в Україні; показано шляхи та перспективи міжнародної торгівлі квотами та проектно-орієнтованими механізмами спільного впровадження та чистого розвитку в рамках Кіотського протоколу для України; [5] _ представлено модель прогнозування рівноважних цін на основі модифікованих моделей міжпродуктового балансу за умов вільного ринкового середовища в електроенергетиці, запропоновано використання функції з постійною еластичністю, що найбільш адекватно описують попит на електричну енергію в Україні; [7] - досліджено вплив технологічних коефіцієнтів втрат та питомих витрат палива на обсяги генерації, передачі, розподілу електричної енергії та відповідних їм цін за допомогою БОМ ОЕС України, що формується на основі моделі міжпродуктового балансу; [9] - представлено алгоритм довгострокового прогнозування на базі БОМ ОЕС України, удосконалено існуючу модель МПБ та адаптовано її для розрахунків прогнозних обсягів та відповідних їм цін на електричну енергію; [10] - проведено дослідження впливу еластичності попиту на обсяги генерації, передачі, розподілу, споживання електричної енергії та відповідні їм ціни, знайдено умови цінової рівноваги між цінами попиту та виробництва.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та її окремі результати доповідались на другій науково-практичній конференції “Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика”, 26-29.03.2004; на четвертому, п'ятому, шостому енергоекологічих конгресах “Енергетика. Екологія. Людина”, 31.03-02.04.2004, 31.03-02.04 2005, 14.-17.03.2006 та засіданнях наукових семінарів Інституту загальної енергетики НАН України (м. Київ, 2004-2006 рр.).

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць: 8 статей у фахових наукових виданнях (із них 4 написані самостійно), 2 статті в інших виданнях, 4 доповіді в матеріалах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 130 найменувань на 15 сторінках, п'яти додатків на 13 сторінках. Обсяг дисертації - 130 сторінок основного тексту. Дисертація містить 19 ілюстрацій, вісім з яких займають повну сторінку, та 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів; зазначено особистий внесок здобувача у наукових працях, вказано публікації, наведено відомості про апробацію результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи на основі аналізу функціонування ОЕС України та аналізу Енергетичної стратегії України на період до 2030 року, Проекту Концепції енергетичної безпеки України до 2030 року, проекту концепції державної енергетичної політики України на період до 2020 року Українського центру економічних і політичних досліджень імені Олександра Разумкова, Національної енергетичної програми виділено головні фактори, що впливають на прогнозні обсяги виробництва та споживання електричної енергії. На обсяги споживання впливають темпи економічного зростання, що характеризуються зростанням валового внутрішнього продукту, структурою споживання електричної енергії, рівнем технологічних втрат електроенергії та рівнем енергозбереження. Обсяги генерації обумовлені обсягами споживання електричної енергії. Вони забезпечують покриття власних потреб і можливість експортних поставок електричної енергії. Обсяги генерації значною мірою залежать від режиму роботи ОЕС України, покриття її графіку навантаження, що в свою чергу обумовлює структуру генеруючих потужностей. Остання зумовлена зовнішніми та внутрішніми факторами, економічним та екологічним критеріями оптимальності функціонування ОЕС України.

За результатами проведеного аналізу робіт А.А. Макарова, Л.А. Мелентьєва, В.А. Венікова враховано принципові особливості та відмінності довгострокових прогнозів від прогнозів на більш короткий термін. Зокрема, для підвищення достовірності прогнозу запропоновано перейти до розгляду укрупненої вихідної інформації та подовжених інтервалів між періодами, що розглядаються. Враховано, що при дослідженнях перспектив оптимального розвитку електроенергетики істотно змінюється зміст поняття “оптимізація”. Тому має сенс формулювання задачі не стільки пошуку найкращого розв'язку при фіксованих умовах, скільки формулювання та коректного вибору стратегії розвитку електроенергетики, найбільш ефективної в усьому діапазоні припустимих змін цих умов, де традиційна оптимізація стає допоміжним знаряддям пошуку розв'язків для множини умов (гіпотез) розвитку електроенергетики. Показано, що фіксована система цін не може бути надійною базою для порівняння варіантів, які передбачають різні темпи розвитку та структуру такого багатовекторного сектору національної економіки як електроенергетичний.

З метою підвищення точності та надійності прогнозування запропоновано використовувати перспективні значення цін та комбіновані методи цінового регулювання об'єктів ОЕС України.

Проведено аналіз методів економічного регулювання, який показав, що в сучасних умовах України методи стимулюючого регулювання не конкурентні регулюванню за методом норми прибутку на вкладений капітал через невизначеність даних, за якими встановлюється граничний рівень цін із врахуванням інфляції, ефективності діяльності компаній та впливу інших зовнішніх факторів.

Для науково-технічного прогнозування електричного навантаження можуть застосовуватись методи нормативних розрахунків, математичної статистики, порівняння або аналогій, експертних оцінок та моделювання. За результатами аналізу їх практичного застосування запропоновано в задачах прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін застосувати метод математичного моделювання з використанням решти методів як допоміжних при формуванні вихідної інформації математичної моделі.

Проведено аналіз існуючих підходів до тарифоутворення в рамках задачі системного визначення обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін. Окремо відмічено досягнення у напрямку вдосконалення системи тарифоутворення таких дослідників, як: В.В. Михайлов В.Й. Едельман, А.К. Шидловський, О.В. Кириленко, Р.Д. Арвеладзе, В.Л. Оганезов, І.В. Недін, В.Г. Дерзський, А.В. Праховник, В.А. Волконський, А.І. Кузовкин, В.І. Денисов, Г.М. Єрохин, В.І. Ісаєв, Є.В. Яркин, О.В. Мозенков. Роботи зазначених дослідників віднесено до калькуляційних методів розрахунку витрат всіх технологічних стадій за елементами енергосистеми.

На основі аналізу робіт Д.А. Арзамасцева, А.З. Гамма, А.А. Макарова, Л.А. Мелентьєва, В.С. Немчинова, K. Edwards виділено другий напрям визначення обсягів виробництва і споживання електроенергії та відповідних їм цін, що спирається на концепцію системного аналізу та моделювання великих систем, якою безперечно є ОЕС України. Він полягає у створенні укрупнених моделей електроенергетики чи енергетичних ринків з необхідною деталізацією їх підсистем. Показано, що моделі з використанням МПБ В.В. Леонтьєва, що представлені в роботах І.Р. Юхновського, М.В. Михалевича, R. Golombek, R. Aune, А. Sverre, відрізняються розширеними можливостями відносно відомих калькуляційних підходів В.В. Михайлова, В.Й. Едельмана, В.Г. Дерзського - дозволяють отримувати одночасно прогнозні обсяги виробництва і споживання електричної енергії та відповідні їм ціни.

Таким чином, найбільш доцільним напрямом розв'язання задачі прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін в ОЕС України є метод прогнозування на основі моделей МПБ.

Другий розділ присвячено побудові БОМ ОЕС України з використанням функцій попиту, що орієнтована на розрахунки перспективних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін. БОМ ОЕС України формується на основі класичної моделі В.В. Леонтьєва або моделі МПБ. Ця модель описує виробничі зв'язки різних галузей та виробництв за допомогою матриці прямих витрат i-го номенклатурного продукту на виробництво j-го продукту . Продуктова матриця ( - одинична матриця) моделі МПБ пов'язує вектор валових випусків продуктів з вектором кінцевих обсягів споживання продуктів :

. (1)

В моделі МПБ кожному стовпчику матриці відповідає випуск лише одного продукту. Для ОЕС України характерне комплексне виробництво, в якому випускаються і споживаються, крім основного _ електроенергії, - додаткові продукти _ теплова енергія ТЕЦ, незначний відпуск тепла ТЕС, АЕС. Також при моделюванні ОЕС України необхідно врахувати структурно-технологічні зв'язки між об'єктами електроенергетичної системи. Це зумовило перехід до побудови БОМ ОЕС України на основі поняття технологічного способу, вперше застосованого Канторовичем і Купмансом.

Запропоновано визначення технологічного способу як модельної конструкції - вектора-стовпця, елементи якого визначають обсяги виробництва, та споживання в технологічному процесі. Елемент характеризує споживання i-го продукту на виробництво j-го продукту. За фізичним змістом коефіцієнти є технологічними витратами продуктів в процесі їх перетворення у технологічному способі. Додатні елементи технологічної матриці характеризують виробництво продукту, від'ємні - витрати. Рядок матриці, в якому кількість технологічних коефіцієнтів випуску більше одиниці, відповідає продукту, що виробляється кількома технологічними способами. Стовпці матриці , що складаються лише з мінус одиниці та плюс одиниці, є фіктивними технологічними способами, що відображають напрямки потоків енергетичних продуктів, тобто продуктово-технологічні взаємозв'язки елементів енергосистеми. В загальному випадку модель МПБ має вигляд:

(2)

(3)

(4)

де та - продуктові матриці випуску та витрат основних та додаткових продуктів відповідно; - ресурсна матриця витрат екзогенних ресурсів; - вектор обсягів кінцевого споживання додаткових продуктів; - вектор обсягів споживання екзогенних ресурсів; - індекс додаткових продуктів - індекс ресурсів; - кількість продуктів; та - кількості технологічних способів, що використовуються при виробництві основних та додаткових продуктів відповідно; _ кількість ресурсів; = {xj} - вектор інтенсивностей використання технологічних способів. Інтенсивність використання технологічного способу - це обсяг основного продукту, що випускається у технологічному способі.

Задачу визначення перспективних обсягів виробництва і споживання електричної та теплової енергії формалізовано у вигляді оптимізаційної задачі знаходження вектора інтенсивностей використання технологічних способів =, що мінімізує сумарну собівартість виробництва при обмеженнях на інтенсивності технологічних способів та заданому обсягу кінцевих продуктів . Тобто

, (5)

, (6)

де - вектор собівартостей технологічних способів.

Задачу (2-6) розв'язано методом лінійного програмування. Виробництво продукту здійснюється в загальному випадку кількома технологічними способами з відомими оптимальними інтенсивностями , що є її принциповою відмінністю від класичної леонтьєвської моделі.

З метою визначення рівноважних цін виконано перехід до агрегованої моделі МПБ, у якій різні технологічні способи виробництва або транспортування одного й того ж основного продукту агрегуються в один агрегований спосіб з матриць та розв'язку оптимізаційної моделі, за формулами:

, (7)

, (8)

, (9)

де - матриця агрегування розміром елементи якої є

. (10)

У формулі (10) - множина індексів технологічних способів, в яких випускається основний продукт i.

Вектор цін виробництва основних продуктів має вигляд:

, (11)

де _ обернена агрегована транспонована продуктова матриця основних продуктів та - агрегована транспонована продуктова матриця додаткових продуктів; - агрегована транспонована ресурсна матриця витрат екзогенних ресурсів; - вектор цін виробництва основних продуктів; - вектор цін виробництва додаткових продуктів; - вектор цін та оцінок екзогенних ресурсів.

Розроблена БОМ ОЕС України у векторно-матричній формі отримала вигляд:

, (12)

, (13)

, (14)

, (15)

, (16)

, (17)

, (18)

, (19)

(20)

, (21)

де _ вектор функцій попиту.

Запропоновано застосування нелінійних функцій попиту вигляду , де - масштабуючий коефіцієнт, - еластичність попиту на електричну енергію для моделювання попиту на електричну енергію в ОЕС України в ринкових умовах. Серед проаналізованих факторів цінової еластичності на електричну енергію найбільш вагомими є фактори замінності, необхідності, часу, питомої ваги в споживанні. Зокрема найбільш впливовим для населення визнано фактор питомої ваги в доході споживача.

Виходячи з поняття рівноважної ціни, як ціни на конкурентному ринку, при якій ціна попиту і пропозиції рівні, запропоновано рівність (21) досягати шляхом варіювання прибутку та зменшенням собівартісних складових підприємств ОЕС України.

Для балансово-оптимізаційній моделі ОЕС України прийнято наступні припущення:

- генерацію представлено на рівні генеруючих компаній ТЕС, ТЕЦ, АЕС, ГЕС, ГАЕС, ВЕС та інших відновлювальних джерел генерації електричної енергії;

- передачу представлено агрегованою системоутворюючою мережею 750-220 кВ та агрегованою мережею енергопостачальних компаній 110 (154) - 0,38 кВ;

- споживання диференційовано за чотирма класами напруги (110 (154), 35, 10 (6), 0,38 кВ) та функціями споживання, що відрізняються одна від іншої значеннями цін споживання та коефіцієнтами еластичності;

- топологію мереж враховано шляхом використання коефіцієнтів витрат в мережах на всіх технологічних стадіях функціонування ОЕС України та використанням фіктивних технологічних способів з метою моделювання варіантності потокорозподілу електричної енергії у системоутворюючій та розподільних мережах;

- показники операційних витрат в ресурсній матриці перераховано відносно обсягів електричної енергії, що відповідають звітному періоду отриманої статистичної інформації 2005 року (річні баланси енергокомпаній, річні звіти про фінансові результати, річні звіти про рух грошових коштів, річні звіти про власний капітал НКРЕ, відомча форма звітності 1Б-ТВЕ Мінпаливенерго України (структура балансу);

- показники вартості основних фондів розділено на звітні - балансова вартість основних фондів як базис нарахування прибутку та інвестиційні - сучасна вартість технологій як базис для нарахувань інвестиційної складової;

- протягом п'яти років прогнозування (крок прогнозування) вище зазначені параметри не змінюються.

Таким чином, запропоновано БОМ ОЕС України для прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії з нелінійними правими частинами у вигляді функцій попиту з постійними коефіцієнтами еластичності шляхом модифікації моделі МПБ, що дає можливість моделювання функціонування ОЕС України в конкурентних ринкових умовах.

У третьому розділі на основі запропонованої БОМ ОЕС України наведено розроблений автором метод балансово-оптимізаційного прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін, а також програмно-інформаційний комплекс “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА” для прогнозних розрахунків функціонування ОЕС України в ринкових умовах.

Позитивною особливістю цього методу є те, що на відміну від раніше відомих, він дозволяє оптимізувати енергетичний баланс електроенергетичної системи та одночасно отримувати прогнозні обсяги виробництва і споживання електричної енергії та відповідні рівноважні ціни за різними технологіями генерації. Ключовими поняттями методу є: продукт, технологічний спосіб, ресурс, інтенсивність технологічного способу.

Програмне забезпечення ПІК “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА” розділено на стандартне і спеціальне. До стандартного віднесено табличний процесор MS Excel, програми обернення матриць, множення матриць, розв'язування систем лінійних рівнянь. Спеціальне програмне забезпечення служить для формування набору вихідних даних, їх діагностики, агрегування, зведення вихідних матриць та розв'язків моделі, необхідних для утворення БОМ ОЕС України.

Структурну схему комплексу наведено на рис. 1. В ПІК “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА” виділено блоки формування набору вихідних даних, оптимізації, агрегації технологічних способів та інтенсивностей, перевірок на недопустимі розв'язки та відсутність нульових значень оптимальних інтенсивностей технологічних способів, зведення ресурсної матриці, блоки визначення цін виробництва та рівноважних цін; блок формування результатів розрахунків.

Рис. 1. Структурна схема ПІК “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА”

Блок формування вихідних даних ПІК “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА” реалізує перетворення інформації існуючої статистичної звітності електроенергетичного сектора країни (статистична звітність річних балансів енергокомпаній, річних звітів про фінансові результати, річних звітів про рух грошових коштів, річних звітів про власний капітал , відомча форма звітності 1Б-ТВЕ Мінпаливенерго України) та прогнозних параметрів у внутрішній формат БОМ ОЕС України. Вихідними даними моделі є: 1) прогнози цін на екзогенні ресурси для об'єктів ОЕС України: паливо, інші матеріальні витрати; 2) прогноз витрат палива на 1 кВт·год або на 1 Гкал для нових технологій генерації електричної та теплової енергії; 3) прогноз технологічних витрат енергії в електричних та теплових мережах і на власні потреби електричних станцій; 4) прогнози обсягів споживання електричної і теплової енергії у народному господарстві як результат прогнозування розвитку економіки країни, складову якої становить енергетика; 5) перспективна структура встановлених потужностей та прогноз вартості спорудження нових генеруючих потужностей, системоутворюючих та розподільних мереж.

Блок оптимізації призначений для визначення оптимальних інтенсивностей технологічних способів БОМ ОЕС України, співвідношення (12_16), при фіксованих значеннях параметрів функцій попиту. Результатом роботи блоку є оптимальні інтенсивності використання технологічних способів, тобто обсяги виробництва, передачі й розподілу електричної енергії.

Блок перевірок здійснює контроль розв'язку на допустимість та наявність нульових елементів за допомогою акумулюючого вектора - агрегованого вектора оптимальних інтенсивностей технологічних способів. Якщо деякий елемент акумулюючого вектора дорівнює нулю, то продуктова і ресурсна матриці перебудовуються з метою вилучення технологічних способів, що використовуються з нульовою інтенсивністю.

Блок агрегації виконує агрегування продуктових та ресурсної матриць згідно з залежностями (7_10). В алгоритмі агрегування використано додаткову інформацію про структуру моделі - індекс-вектор, який є частиною вихідних даних. Елементи індекс-вектора є порядкові номери груп стовпців технологічних способів, що відповідають кожному основному продукту. Сукупність агрегуючих коефіцієнтів є вектор, число елементів якого співпадає з розмірністю індекс-вектора.

Блок зведення ресурсної матриці реалізує перерахунок її коефіцієнтів шляхом ділення на відповідні агреговані інтенсивності використання технологічних способів.

Блок розрахунку цін виробництва виконує варіантні розрахунки цін за формулою (20) при зростаючих значеннях коефіцієнта економічної ефективності як ціноутворюючого фактора.

Блок формування рівноважних цін забезпечує виконання співвідношення (21) у випадку неспівпадання цін споживання, обчислених за функціями споживання, та цін виробництва шляхом варіювання значень собівартості та прибутку об'єктів ОЕС України.

Блок формування результатів розрахунків відповідає за розміщення обсягів виробництва, передачі, розподілу, кінцевого споживання та відповідних їм цін виробництва, а також рівноважних цін та умов, за яких вони були визначені, в об'єктах робочих аркушів табличного процесора.

В четвертому розділі проведено прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії й відповідних їм рівноважних цін до 2030 року, досліджено вплив техніко-економічних параметрів на зазначені обсяги та ціни.

В роботі проведені дослідження впливу на обсяги виробництва та споживання електричної енергії й рівноважні ціни

- зміни питомих витрат органічного палива на ТЕС ОЕС України 5-ти генеруючих компаній,

- величин оцінки вартості основних фондів та коефіцієнта економічної ефективності на вкладений капітал,

- рівня технологічних витрат в розподільних мережах,

- рівня обмежень на інтенсивності використання технологічних способів,

- цін на органічне паливо та підвищення ефективності його використання.

Прогноз виробництва та споживання електроенергії виконано на основі перспективних даних Енергетичної стратегії до 2030 року щодо структури генеруючих потужностей та попиту на електричну енергію.

У представлених функціях споживання 2005 та 2030 років на рис. 2, 3 відповідно враховано посилення тенденцій наближення цін на електричну енергію до цін у розвинених західноєвропейських країнах, оскільки передбачається, що з 2010 року відбуватиметься істотна лібералізація ринку електроенергії згідно з Концепцією функціонування та розвитку оптового ринку електричної енергії України та нормами Європейського права стосовно електроенергетики. В результаті чого розвиток ОРЕ передбачатиме поступовий перехід від моделі “єдиного покупця” до конкурентного ринку, що включатиме: ринок прямих товарних поставок електроенергії, балансуючий ринок електричної енергії, ринок допоміжних послуг.

Рис. 2. Функції споживання електроенергії у 2005 році

Згідно з результатами багатоваріантних розрахунків прогнозних обсягів виробництва та споживання електричної енергії (табл. 1) та рівноважних цін на базі БОМ ОЕС України, виробництво електроенергії до 2030 року за базовим сценарієм зросте у 2,27 рази порівняно з 2005 роком. Результати розрахунків доповнили та деталізували значення згаданих обсягів електричної енергії за технологічними способами, представленими в Енергетичній стратегії України до 2030 року.

Проведено серію параметричних розрахунків впливу змін питомих витрат органічного палива на ТЕС 5-ти генеруючи компаній ОЕС України на ціни виробництва електроенергії. Оцінено вплив вартості основних фондів та значень коефіцієнту економічної ефективності на вкладений капітал на рівноважні ціни.

В результаті параметричних досліджень варіювання обмежень на коефіцієнти використання встановлених потужностей електричних станцій, а також пропускної здатності ліній, отримано умови за яких розв'язки задачі оптимізації та відповідні їм ціни виробництва будуть співпадати з цінами та обсягами електричної енергії, розрахованими за функціями споживання, що є умовою цінової рівноваги.

Рис. 3. Функції споживання електроенергії у 2030 році

Проаналізовано вплив інвестицій на потенціал енергозбереження ОЕС України при реалізації проектів модернізації та реконструкції ТЕС в короткостроковій перспективі до 2010 року. Розрахунки показали, що без додаткових інвестицій у вугледобувну галузь за рахунок зниження втрат при збагаченні вугілля і підвищення ефективності використання палива, можливо забезпечити надходження вугілля на електростанції на 2-6 млн. т у.п. У випадку виконання Розпорядження Кабінету Міністрів України від 27 липня 2006 р. № 436-р Про затвердження плану заходів на 2006-2010 роки щодо реалізації Енергетичної стратегії України на період 2030 року по фінансуванню капіталовкладень на 2006-2010 рік в теплову енергетику у розмірі 16,7 млрд. грн. ціни виробництва електричної енергії ТЕС в середньому необхідно підняти до 10% порівняно з середньозваженою теплової генерації 2006 року. Середньозважена ціна генерації ТЕС при таких міркуваннях повинна бути на рівні 0,06 USD/кВт•год. при коефіцієнті економічної ефективності до 8%.

Оцінено ефект зменшення технологічних витрат електричної енергії при її транспонування електричними мережами. Згідно з прогнозними даними Енергетичної стратегії технологічні витрати передбачаються на рівні 8,2 % у 2030 році, що у 1,8 рази менше від рівня технологічних витрат 2005 року. За результатами розрахунків при зменшенні технологічних витрат у розподільних мережах на 15% від існуючого рівня середньозважені ціни виробництва зменшуються в середньому на 1,4%.

Таблиця 1

Прогноз обсягів виробництва у 2030 році

І - оптимістичний, ІІ - базовий, ІІІ - песимістичний сценарії

Базовий розрахунок цін виробництва електроенергії виконано при наступних значеннях коефіцієнтів витрат: 3% в системоутворюючій мережі НЕК “Укренерго”, 2,6% - в розподільних мережах напругою 110(154) кВ, 4,4% - в мережах 35 кВ, 6,2% - в мережах 10(6) кВ, 10,8% - в мережах 0,38 кВ. При збереженні обсягів кінцевого споживання найменш ефективні електричні станції за умов конкуренції зменшують обсяги генерації.

ВИСНОВКИ

В роботі виконано теоретичне узагальнення та отримано нове вирішення важливої наукової техніко-економічної задачі системного моделювання та прогнозування обсягів виробництва і споживання електричної енергії в ОЕС України, розроблено удосконалену балансово-оптимізаційну модель (БОМ) ОЕС України, та на її основі довгостроковий прогноз завантаження виробничих потужностей енергосистеми, обсягів передачі, розподілу, споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін. У процесі виконання роботи отримано наступні науково-практичні результати.

1. Визначено сукупність головних факторів, що впливають на прогнозні обсяги виробництва і споживання електричної енергії та відповідні їм рівноважні ціни з урахуванням поточних і перспективних значень попиту на електричну енергію згідно з макроекономічними показниками зростання національної економіки.

2. Розроблено структуровану за способами генерації, передачі та розподілу електричної енергії БОМ ОЕС України, адаптовану для прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії. Обґрунтовано доцільність використання поняття технологічного способу Канторовича_Купманса для побудови цієї моделі.

3. Проведено модифікацію та розширення моделі міжпродуктового балансу системою рівнянь з екзогенними ресурсами та формування розширеного МПБ з вихідних даних та розв'язків БОМ ОЕС України шляхом оптимального агрегування технологічних способів.

4. Розглянуто основні фактори цінової еластичності на електричну енергію і встановлено, що серед виділених факторів (фактори замінності і необхідності, часу, питомої ваги в споживанні) найбільш впливовим для споживачів електричної енергії є фактор питомої ваги в доході сукупного споживача. Визначено тип функції попиту у вигляді степеневої функції з постійною еластичністю, що найбільш адекватно описує попит на електричну енергію в Україні з урахуванням досвіду застосування цих функцій на європейських енергоринках. Зроблено висновок, що еластичність для електричної енергії знаходиться в діапазоні 0,15-0,25 залежно від класу напруги споживачів.

5. Запропоновано системний підхід до визначення обсягів електричної енергії та відповідних їм цін на всіх технологічних ланках ОЕС України, знайдено техніко-економічні параметри її функціонування, при яких має місце рівновага між попитом і пропозицією на електричну енергію за умов задоволення потреб в інвестиціях електрогенеруючих компаній, енергопостачальних компаній та НЕК “Укренерго”. Отримано поточні та прогнозні значення рівноважних цін.

6. Виконано багатоваріантні розрахунки прогнозних обсягів виробництва та споживання електричної енергії та рівноважних цін на базі БОМ ОЕС України, результати яких деталізували значення зазначених обсягів електричної енергії за технологічними способами, що були представлені в Енергетичній стратегії України до 2030 року. Досліджено вплив сукупності факторів на прогнозований рівень рівноважних цін електричної енергії. Визначено найбільш конкурентноздатні технології в структурі генерації ОЕС України. Показано, що при зменшенні на один відсоток питомих витрат палива на п'яти, згідно з моделлю, електрогенеруючих компаніях Мінпаливенерго України, рівноважна ціна електричної енергії на ТЕС зменшується на 0,23%; оптова ціна електроенергії, роздрібні ціни електроенергії та середньозважені ціни електроенергії по розподільних мережах за різними класами напруги - зменшуються на 0,09%.

7. Розроблено алгоритм та програмне забезпечення з визначення перспективних обсягів виробництва і споживання електричної енергії та відповідних їм рівноважних цін. За допомогою програмно-інформаційного комплексу “ПРОГНОЗ-РІВНОВАГА” виконано довгострокові прогнозні розрахунки завантаження виробничих потужностей Об'єднаної енергосистеми України, обсягів передачі, розподілу і споживання електричної енергії та відповідних рівноважних цін. Розрахунки виконано в припущенні, що починаючи з 2010 року відбуватиметься істотна лібералізація ринку електроенергії, генеруючими компаніями буде здійснюватися пряме постачання електричної енергії споживачам, ціни на електричну енергію будуть на рівні цін розвинених західноєвропейських країн. Враховано вплив впровадження енергозберігаючих технологій на рівень цін на електричну енергію.

8. Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень та практичних розробок впроваджено у “Методиці (порядку) визначення обсягів передачі електричної енергії магістральними та міждержавними мережами і витрат на її передачу” НЕК “Укренерго” та трьох науково-дослідних роботах відділу економічного та нормативно-правового регулювання в енергетиці ІЗЕ НАН України.

список опублікованих АВТОРОМ праць за темою дисертації

1. Стогній О.В. Економічні аспекти енергетичної безпеки країни // Стратегія економічного розвитку України. - 2002. - № 5(12), С. 101-109.

2. Буравльов Є.П., Стогній В.С., Стогній О.В. Про напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу України // Українознавство. - 2003. - № 4(9). - С. 62-71.

3. Стогній О.В. Розрахунок нормативних цін на теплову та електричну енергію // Проблеми загальної енергетики. - 2003. - № 9.- С. 37-44.

4. Добровольський В.К., Стогній О.В. Проблеми тарифоутворення екологічно чистих відновлювальних джерел енергії // Энергетика и электрификация. - 2004. - № 3. - С. 43-48.

5. Добровольський В.К., Стогній О.В. Нормативні ціни в електроенергетиці та їх залежність від рівня втрат в розподільних мережах та питомих витрат палива // Технічна електродинаміка. - 2004. - № 6. - С. 69-78.

6. Стогній О.В. Аналіз методів цінового регулювання в електроенергетиці // Проблеми загальної енергетики. - 2004. - № 10. - С. 36-44.

7. Добровольський В.К., Стогній О.В. Нормативні ціни як основа техніко-економічних оцінок в електроенергетиці // Енергоінформ. - 2004. - № 42 (276). - С. 4-5.

8. Стогній О.В. Проблеми довгострокової тарифної політики щодо екологічно чистих відновлювальних джерел енергії // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2004. - Спеціальний випуск. - С. 54-58.

9. Добровольський В.К., Стогній О.В. Прогнозування рівноважних цін в електроенергетиці на основі модифікованої моделі міжпродуктового балансу // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2005.- Спеціальний випуск. - С. 33-37.

10. Добровольський В.К., Стогній О.В. Еластичність попиту на електричну енергію в балансово-оптимізаційній моделі електроенергетики // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2006. - Спеціальний випуск. - С. 59-65.

електричний енергія розподіл генерація

анотаціЯ

Стогній О.В. Прогнозування обсягів виробництва та споживання електричної енергії на основі моделей міжпродуктового балансу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.14.01 "Енергетичні системи та комплекси". - Інститут загальної енергетики НАН України, Київ, 2007.

Запропоновано балансово-оптимізаційну модель Об'єднаної електроенергетичної системи України, що відрізняється від існуючих структурованістю за способами виробництва, передачі та розподілу електричної енергії, побудовою на основі поняття технологічного способу Канторовича-Купманса та використанням функцій попиту в правих частинах системи рівнянь балансу. Удосконалено модель міжпродуктового балансу, що описує ОЕС України, шляхом додавання до її ресурсної частини підсистеми рівнянь для екзогенних ресурсів та введенням технологічних способів, в яких виробляється декілька продуктів (електрична та теплова енергія). Міжпродуктова модель формується з вихідних даних та оптимального розв'язку балансово-оптимізаційної моделі. Двоїста форма міжпродуктової моделі використовується як засіб розрахунку рівноважних цін на електричну енергію. Розроблені моделі та алгоритми покладено в основу програмно-інформаційного комплексу, призначеного для прогнозних розрахунків обсягів генерації, передачі та розподілу електричної енергії та розрахунку рівноважних цін. Виконано практичні розрахунки обсягів та відповідних рівноважних цін.

Ключові слова: електроенергетична система, оптимізація, прогнозування, міжпродуктовий баланс, рівноважні ціни.

анНотациЯ

Стогний А.В. Прогнозирование объемов производства и потребления электрической энергии на основе моделей межпродуктового баланса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 "Энергетические системы и комплексы". - Институт общей энергетики НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению таких важных научно-технических задач как прогнозирование объемов производства и потребления электрической энергии в Объединенной электроэнергетической системе (ОЭС) Украины в рыночных условиях на долгосрочную перспективу, исследование влияния технико-экономических параметров объектов энергосистемы на объемы производства и потребления электрической энергии, а также соответствующие им равновесные цены.

На основе анализа методов нормативных расчетов, математической статистики, сравнения и аналогий, экспертных оценок и математического моделирования, показано, что наиболее эффективным для определения прогнозных объемов производства и потребления электрической энергии и исследования влияния технико-экономических параметров на выше упомянутые объемы и соответствующие им равновесные цены является метод математического моделирования. Остальные рассмотренные методы целесообразно использовать как вспомогательные для формирования исходной информации модели.

Разработана балансово-оптимизационная модель ОЭС Украины путем усовершенствования известной модели В.В. Леонтьева “затраты-выпуск”. Представленная модель отличается от существующих: формированием продуктовой матрицы на основе модельного понятия технологического способа Купманса-Канторовича; введением системы уравнений для экзогенных ресурсов, потребляемых в ОЭС Украины (органическое и ядерное топливо, операционные затраты, производственные фонды); структурой матрицы системы уравнений, позволяющей отобразить потокораспределение электроэнергии между сетью НЭК “Укрэнерго” и областными распределительными компаниями ОЭС Украины; введением в правые части уравнений баланса электрической энергии степенных функций потребления с постоянными эластичностями. В качестве критерия оптимальности принят минимум себестоимости генерации, передачи, распределения электроэнергии в ОЭС Украины. Межпродуктовая модель формируется из исходных данных и оптимального решения балансово-оптимизационной модели и служит для определения равновесных цен.

На основе разработанной балансово-оптимизационной модели ОЭС Украины автором предложен программно-информационный комплекс “ПРОГНОЗ-РАВНОВЕСИЕ”, позитивным отличием которого от ранее существующих является возможность прогнозных расчетов объемов производства_потребления электрической энергии при различных технологиях генерации, функциях потребления и равновесных цен при функционировании ОЭС Украины в рыночных условиях.

На основе программно-информационного комплекса выполнены многовариантные расчеты прогнозных объемов производства и потребления электрической энергии и равновесных цен, результаты которых дополнили и детализировали значения упомянутых объемов электрической энергии по технологическим способам, которые были представлены в Энергетической стратегии Украины до 2030 года. Исследовано влияние технико-экономических факторов на прогнозный уровень равновесных цен электрической энергии. В частности показано, что при уменьшении на один процент удельного расхода топлива на пяти электрогенерирующих компаниях Министерства топлива и энергетики Украины, равновесная цена электрической энергии ТЭС уменьшится на 0,23%, оптовая цена электроэнергии, розничные цены электроэнергии и средневзвешенные цены по распределительным сетям различных классов напряжения уменьшатся на 0,09%.

Результаты проведенных исследований и практических разработок внедрены в “Методике (порядке) определения объемов передачи электрической энергии магистральными и межгосударственными сетями и потерь на ее передачу НЕК “Укрэнерго”.

Ключевые слова: электроэнергетическая система, оптимизация, прогнозирование, межпродуктовый баланс, равновесные цены.

SUMMARY

Stogniy O.V. Forecasting of Electricity Production and Consumption Volumes on the Basis of Interproduct Balance Models. - Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree of Technical Sciences, Specialty 05.14.01 - Power systems and complexes. - Institute of General Energy of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

The balance and optimization model for the Integrated Power System of Ukraine is proposed that differs from the known ones with structuring over the power generating companies, and over all of the stages of production, transmission and distribution, with building on the basis of the concept of the production activity by Kantorovich-Koopmans, and with using the demand functions in the right hand sides. The interproduct balance model describing the power sector is improved through the expansion the model by adding to it the resource system of equations for exogenous resources, and introducing the production activities that output multiple products (electricity and heat). The interproduct model is derived from the source data and optimal solution of the balance and optimization model. The interproduct model is used as a means, using its dual form, a vector and matrix operator, to calculate equilibrium prices for electricity. The models and algorithms developed are laid into the basis of the information and programming complex aimed to the forecasting calculations of volumes of the power generation, transmission and distribution, and calculation of the equilibrium prices. The practical calculations of volumes and adequate equilibrium prices were accomplished.

Key words: power sector, optimization, forecasting, interproduct model, equilibrium prices.

Размещено на Allbest.ru

...