Методи та засоби визначення показників ефективності функціонування і розвитку електричних станцій в умовах ринку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут загальної енергетики

УДК 338.242:338.516:621.31

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи та засоби визначення показників ефективності функціонування і розвитку електричних станцій в умовах ринку

Спеціальність 05.14.01 - Енергетичні системи та комплекси

Шульженко Сергій Валентинович

Київ 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний стан функціонування електроенергетичного комплексу характеризується широким впровадженням ринкових принципів регулювання його діяльності. Юридична та господарська незалежність основних учасників ринку електроенергії суттєво ускладнює розробку планів з розвитку електроенергетичного комплексу в цілому не тільки на довгострокову, але навіть на середньострокову перспективу. Тому вивчення особливостей формування рішень із здійснення поточної та планування майбутньої діяльності кожним учасником ринку і, особливо, виробниками є важливою науковою задачею.

Важливою проблемою при формуванні планів з розвитку електроенергетичного комплексу є невизначеність майбутніх умов його функціонування, що в граничному випадку може призвести до реалізації помилкових дій, невиправданих матеріальних та фінансових витрат. Ця особливість набуває ще більшої ваги в ринкових умовах, що зумовлює значну актуальність розроблення нових та вдосконалення існуючих методів її вирішення, і перш за все, для окремого виробника електроенергії.

Розробка теоретичних засад, методів та засобів оцінки ефективності функціонування і розвитку систем генерації електроенергії, а також окремих технологій здійснювалась завдяки діяльності багатьох вчених, зокрема суттєвий вклад внесли Хрущов В.М., Цукерник Л.В., Макаров А.А., Кулик М.М., Костюковський Б.А., Schrattenholzer L., Amann M., Awerbuch S., Swisher J., Redlinger R., Goldemberg J., Masters G. та інші. Проте в попередніх дослідженнях основна увага приділялась або фізико-технічним особливостям роботи електростанцій, що притаманно вітчизняним вченим, або головним чином економічним оцінкам ефективності функціонування електростанцій, що є звичайним для науковців країн з розвиненою ринковою економікою. Така ситуація не дозволяє комплексно оцінювати ефективність роботи електростанцій, що обумовлює актуальність розробки відповідних нових та вдосконалення існуючих методів, які поєднують переваги цих підходів. Вирішенню цієї наукової задачі присвячена тема дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика та розділи цієї роботи входили до складу науково-дослідних робіт, які були виконані в Інституті загальної енергетики (ІЗЕ) Національної академії наук (НАН) України.

За фундаментальними науково-дослідними роботами (НДР) отримані результати увійшли до НДР за темами “Розроблення теоретичних та методологічних основ і засобів прогнозування довгострокового розвитку паливно-енергетичного комплексу України в умовах ринкових та екологічних обмежень” (2006 р., ДР №0104U006763), “Дослідження методів та засобів прогнозування перспективного розвитку енергетики за умов лібералізації енергетичних ринків” (2009 р., ДР №0107U000246).

Результати використано при науково-технічному супроводі державної програми “Комплексна програма будівництва вітрових електростанцій” та увійшли до прикладних НДР за темами: “Оцінка впливу вітрових електростанцій в складі Об'єднаної енергосистеми України на собівартість електричної енергії” (2004 р., ДР №0104U006334), “Дослідження використання механізмів Кіотського протоколу для реалізації спільних проектів з розвитку вітроенергетики” (2005 р., ДР №0105U006432), “Дослідження перспектив використання вітроенергетичних потужностей в регіональному розподілі виробництва та споживання електроенергії” (2003 р., ДР №0103U006501), в яких здобувач був відповідальним виконавцем.

При розробці Енергетичної стратегії України на період до 2030 року здобувач приймав участь в роботах за темою “Розробка проекту енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу” (2002 р., ДР №0102U006305) та в інших дослідженнях, які виконував ІЗЕ НАН України за цією тематикою. В них здобувач приймав участь у формуванні прогнозних сценаріїв розвитку структури генеруючих потужностей Об'єднаної енергосистеми (ОЕС) України, розділів, присвячених питанням розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії та екологізації паливно-енергетичного комплексу країни.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка нових і вдосконалення існуючих математичних методів визначення показників ефективності функціонування і розвитку електричних станцій, що працюють в ринкових умовах, з урахуванням режимних особливостей їх роботи, невизначеності майбутніх умов їх функціонування та особливостей взаємодії електростанцій між собою в межах електроенергетичної системи, а також створення відповідних програмно-інформаційних засобів розрахунку цих показників. Для досягнення цієї мети в роботі сформульовано та вирішено такі завдання:

- відбір та структуризація за фізичним та економічним змістом всіх суттєвих факторів, від яких залежить фізико-технічна та техніко-економічна ефективність функціонування електростанцій як окремих виробничих об'єктів;

- виявлення режимних особливостей функціонування існуючих та перспективних електростанцій в межах електроенергетичної системи;

- розробка синтезованого методу оцінки функціонування електростанцій в умовах ринку з використанням як базового методу імітаційного моделювання роботи електростанції протягом її життєвого циклу;

- розробка методів врахування невизначеності майбутніх умов функціонування і розвитку електричних станцій як окремих об'єктів, а також у складі об'єднаної енергосистеми в умовах ринку;

- вдосконалення існуючих методів визначення ефективності розвитку електростанцій за умов їх спільної роботи у складі електроенергетичної системи;

- створення програмно-інформаційних засобів реалізації синтезованого методу оцінки функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку.

Об'єкт дослідження - особливості функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку як окремих виробничих об'єктів, а також при їх взаємодії між собою в межах електроенергетичної системи.

Предмет дослідження - математичні методи оцінки ефективності функціонування і розвитку електростанцій.

Методи дослідження. У роботі було використано такі методи дослідження: системного аналізу - для визначення та структуризації факторів, що впливають на ефективність функціонування електростанцій, їх режимних особливостей; імітаційного моделювання, стохастичні та математичної статистики - для оцінки ефективності функціонування електростанцій в умовах ринку як окремих виробничих об'єктів; математичного програмування та стохастичні - для оцінки ефективності розвитку електростанцій в умовах ринку в складі електроенергетичної системи.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблений синтезований метод визначення ефективності функціонування електростанцій в умовах ринку, суть якого полягає в детальному врахуванні витрат або споживання матеріальних, фінансових, трудових ресурсів і особливостей їх використання при виробництві електричної енергії. Враховуються як фізико-технічні особливості генерації електроенергії, так і зовнішні чинники, зокрема нормативно-правові умови, ресурсні і екологічні обмеження.

2. Запропоновано використовувати детерміновано-стохастичний метод, суттю якого є забезпечення можливості визначення діапазонів, в яких з наперед заданою ймовірністю знаходяться значення техніко-економічних показників електростанції, що визначені для всього її життєвого циклу.

3. Вдосконалено існуючу модель математичного програмування розвитку структури генеруючих потужностей для оцінки ефективності розвитку електростанцій в складі електроенергетичної системи шляхом застосування детерміновано-стохастичних методів врахування невизначеності майбутніх зовнішніх умов її функціонування, а саме -- рівнів максимальних та мінімальних електричних навантажень, форми характерних графіків електричних навантажень (ГЕН).

4. З використанням детерміновано-стохастичних методів запроваджено новий метод врахування невизначеності режимів експлуатації електростанцій, зокрема, вітрових електростанцій (ВЕС) в існуючій математичній моделі розвитку структури генеруючих потужностей, що є особливо важливим для оцінки здатності електроенергетичної системи в цілому забезпечити режими споживання електричної потужності.

5. З використанням розробленого синтезованого методу та запропонованих вдосконалень створена система математичних моделей і відповідні програмно-інформаційні засоби, які дозволяють комплексно оцінювати ефективність функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку як в складі енергосистеми, так і окремо від неї.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені здобувачем методи та засоби оцінки ефективності функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку були застосовані при розробці проекту Енергетичної стратегії України на період до 2030 року, а також при вирішенні окремих задач розвитку електроенергетики країни -- визначення комплексу енергоефективних технологій з модернізації та розвитку генеруючих потужностей енергосистеми України, дослідження проблем розвитку вітроенергетики в складі Об'єднаної енергосистеми України.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблено синтезований метод визначення ефективності функціонування електростанцій в умовах ринку, який з урахуванням невизначеності вхідної інформації, фізико-технічних і режимних особливостей роботи електростанцій дозволяє розраховувати техніко-економічні показники, що використовуються в ринкових умовах при формуванні та прийнятті рішення стосовно доцільності поточної та майбутньої діяльності підприємства з виробництва електроенергії.

Вдосконалено модель математичного програмування розвитку структури генеруючих потужностей для оцінки ефективності розвитку електростанцій певного типу в складі електроенергетичної системи шляхом застосування детерміновано-стохастичних методів врахування невизначеності майбутніх зовнішніх умов її функціонування, а саме, рівнів максимальних та мінімальних електричних навантажень та форми ГЕН, а також невизначеності майбутніх режимів функціонування електростанцій.

З використанням розроблених методів визначення ефективності функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку розроблені відповідні програмно-інформаційні засоби, що дозволяють автоматизовано виконувати розрахунки.

З опублікованих у співавторстві робіт здобувачем використано лише ті результати, які отримані ним самостійно: [1] - алгоритм оцінки ефективності використання механізмів державної підтримки розвитку вітроенергетики в умовах України; [2] - методика визначення порівняльної ефективності впровадження природоохоронних заходів в тепловій енергетиці України; [3] -програмно-інформаційні засоби визначення собівартості виробництва електроенергії електростанціями різних технологічних типів; [4] - методи визначення собівартості виробництва електроенергії із використанням ВЕС та резервної електростанції, [7] - оцінка екологічного впливу електростанцій на водні ресурси; [5] - розробка принципів та алгоритмів взаємодії між синтезованим методом та моделями математичного програмування розвитку структури генеруючих потужностей ОЕС; [8] - підсистема визначення вартості виробництва електроенергії; [11] - моделі визначення прибутковості виробництва електроенергії та виконання розрахунків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційного дослідження доповідались на:

- міжнародних науково-практичних конференціях “Енергоефективність-2007”, (м. Київ, 2007 р.), “Енергоефективність-2008”, (м. Київ, 2008 р.), “Енергоефективність-2010”, (м. Київ, 2010 р.);

- наукових семінарах ІЗЕ НАН України у 2005 - 2010 рр та науковому семінарі в рамках роботи Секції 7 “Наукові основи прогнозування розвитку енергетики” Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (м. Київ, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 23 наукові праці: 7 статей у фахових наукових виданнях, із них 2 написані самостійно, 4 доповіді в матеріалах конференцій, 12 звітів про НДР.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаних джерел з 115 найменувань на 4 сторінках. Повний обсяг дисертації - 126 сторінок основного тексту. Дисертація містить 7 ілюстрацій та 20 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну та подано відомості про практичну цінність одержаних результатів, відзначено особистий внесок здобувача в наукових публікаціях, вказано де оприлюднені результати досліджень, викладених у дисертації.

У першому розділі розглянуто основні особливості функціонування і розвитку електричних станцій як складової ОЕС, так і як окремих підприємств; проаналізовані вимоги до показників, з використанням яких можливо оцінити ефективність функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку; визначені вимоги до методів та засобів, які мають забезпечити вирішення поставленої наукової задачі.

Проведений аналіз сучасного стану функціонування та напрямів розвитку електроенергетики України дозволяє зробити загальний висновок про дальше розповсюдження ринкових принципів регулювання діяльності в цій галузі. На відміну від монопольної моделі розвитку електроенергетики, яка дозволяла планувати поточну та майбутню діяльність електроенергетики як цілісного вертикально-інтегрованого комплексу, ринкові засади передбачають значний ступінь незалежності окремих підприємств електроенергетики, в тому числі, і електростанцій. Це суттєво ускладнює розробку планів з розвитку як окремих електростанцій, так і електроенергетики в цілому не тільки на довгострокову, але навіть на середньострокову перспективу, оскільки кожен із суб'єктів електроенергетичного ринку формує і реалізує власний алгоритм поведінки, який, до того-ж, може час від часу змінюватись.

За ринкових умов електростанції за своєю економічною суттю перетворились з підприємств, які забезпечували існування та надійне функціонування ОЕС як необхідної інфраструктурної галузі економіки, на незалежні комерційні підприємства, що спричинило підвищення ролі фінансових результатів в якості оцінки успішності їх діяльності та зміни трактування ефективності роботи електростанції. Якщо при монопольній моделі основним показником ефективності служить рівень питомих витрат на виробництво основної продукції при забезпеченні надійності її виробництва в різноманітних (прогнозних) режимах, то для електростанції, що працює за ринковими принципами, цього показника недостатньо. В ринкових умовах регулювання діяльності в електроенергетиці ефективним можна визнати такий стан виробничого об'єкту, зокрема електростанції, який забезпечує його стале функціонування і розвиток в конкурентному середовищі конкретної економіки. Необхідними умовами сталого довготривалого функціонування і розвитку електростанції в ринкових умовах є узгодженість обсягів виробництва основної продукції з можливістю її реалізувати, узгодженість між обсягами необхідної сировини, трудових та технологічних ресурсів та необхідними обсягами виробництва основної продукції. Головною необхідною та достатньою умовою слід визнати можливість отримати такий рівень доходу, який забезпечує безперебійне поточне функціонування виробничого об'єкту, а також забезпечує необхідний рівень інвестицій для підтримки таких темпів оновлення основного технологічного обладнання, який зберігає або поліпшує конкурентні переваги власних виробничих потужностей відносно конкурентних технологій та об'єктів.

Обов'язковою умовою сталого функціонування електростанції в умовах ринку є перевищення доходів над витратами, що зумовлено такими основними чинниками: законодавчо зумовленою необхідністю отримання прибутку; передування в часі видатків по відношенню до доходів вимагає наявності певного обсягу “надлишкових” обігових коштів; на випадок непередбачуваних обставин, наприклад аварій, необхідно мати певний страховий фонд; неможливість забезпечити навіть просте відновлення виробничих потужностей за рахунок амортизаційних нарахувань зумовлює необхідність залучення для здійснення інвестиційної діяльності коштів з прибутку.

Аналіз показав, що значний вплив на поточну та майбутню ефективність функціонування електростанцій має невизначеність зовнішніх умов. На відміну від суто фізико-технічних чинників, що характеризують внутрішні технологічні особливості функціонування електростанції і можуть контролюватися управлінським персоналом, зовнішні фактори для умов ринку, як правило, неусталені в часі і за відсутності монопольного становища об'єкту на ринку електроенергії управлінський персонал не здатен суттєво вплинути на них. На ефективність функціонування і розвитку електростанції мають суттєвий вплив такі головні зовнішні чинники: вартість паливно-енергетичних ресурсів та витратних матеріалів; особливості природоохоронного законодавства; графіки споживання електричної потужності в енергосистемі і умови участі електростанції в їх покритті; поточний та прогнозний попит на електроенергію; особливості оподаткування підприємств та нарахування соціальних виплат працівникам, особливості амортизаційних відрахувань; вартість праці, обладнання та комплектуючих; умови залучення фінансових ресурсів на ринку капіталу.

У другому розділі наведено розгорнутий опис синтезованого методу визначення ефективності функціонування електростанцій як окремого підприємства, а також ефективності розвитку електростанцій в складі ОЕС в умовах ринку.

Основна сутність синтезованого методу визначення ефективності функціонування електростанцій полягає в детальному врахуванні в межах однієї математичної імітаційної моделі фізико-технічних особливостей роботи електростанції і зовнішніх чинників, що впливають на економічну ефективність її основної діяльності протягом життєвого циклу. Для врахування невизначеності режимних фізико-технічних особливостей роботи електростанції запропоновано розділення множини всіх типів електростанцій на три підмножини. Перша підмножина містить традиційні технології генерації електроенергії, потужність яких є прогнозованою та керованою. Друга підмножина містить технології виробництва електроенергії, потужність яких визначається миттєвими значеннями, і є слабо прогнозованою та некерованою навіть протягом нетривалого часу. До таких електростанцій відносяться, наприклад, ВЕС та сонячні фотоелектричні електростанції (СФЕС). До третьої підмножини входять технології, генерація електричної потужності якими є керованою, але обсяг виробництва електроенергії залежить від наявності накопиченого первинного енергоносія. Наприклад, для гідроелектростанцій виробництво електроенергії залежить від водності року.

Для електростанцій першої підмножини, для кожного проміжку часу, що знаходиться в межах її комерційної експлуатації задається один з характерних режимів її роботи (табл. 1), а тривалість роботи електростанцій приймається постійною, або змінюється відповідно до детермінованої функціональної залежності, наприклад, лінійної. Для електростанцій з другої підмножини для кожного сезону задається коефіцієнт використання встановленої потужності (КВВП) і діапазони, в яких знаходиться потужність, що генерується електростанцією. Режими роботи електростанцій з третьої підмножини задаються характерними режимами (аналогічно до табл. 1), а тривалість роботи протягом кожного періоду є випадковою величиною, значення якої знаходиться в заданому діапазоні, який визначається відповідно до можливих змін доступного потенціалу первинного енергоносія.

Таблиця 1. Характерні режими функціонування електростанцій першої підмножини, % від номінальної потужності електростанції

Відповідно до розробленого методу в якості базового показника для визначення ефективності функціонування електростанції в умовах ринку використовується вартість виробництва електроенергії протягом її життєвого циклу, з урахуванням невизначеності режимних особливостей її експлуатації для кожного етапу її комерційної експлуатації:

, (1)

де -- витрати на виробництво електроенергії за життєвий цикл, які вимірюються в грошових одиницях, причому номінальна вартість грошей відповідає першому етапу комерційної експлуатації; -- термін будівництва електростанції з моменту початку вкладення перших інвестицій і до часу її пуску в комерційну експлуатацію; -- етап життєвого циклу; -- термін комерційної експлуатації електростанції; -- термін виводу електростанції з експлуатації; -- значення дисконту; -- умовно-змінні виробничі витрати для відповідного етапу комерційної експлуатації електростанції, які визначаються як функція від режиму роботи електростанції протягом етапу, причому режим () є дискретною випадковою величною з множини всіх доступних для електростанції, що розглядається; -- капіталовкладення в електростанцію без урахування залучених кредитних коштів для відповідного етапу; -- умовно-постійні витрати без урахування сплати відсотків за користування кредитними коштами; -- сума сплати відсотків за користування кредитними коштами для відповідного періоду; -- витрати (зі знаком “-”) або надходження (зі знаком “+”) фінансових ресурсів протягом закриття електростанції.

Крім обсягу умовно-змінних витрат, які залежать від режиму експлуатації електростанції, і які є недетермінованими для життєвого циклу її експлуатації, значення всіх інших екзогенних змінних, що використовуються для розрахунку складових вартості, також є величинами недетермінованими. Для врахування цієї невизначеності запропоновано застосовувати детерміновано-стохастичний підхід з використанням методу Монте-Карло. Суть детерміновано-стохастичного підходу полягає у попередньому, до здійснення розрахунків, визначенні діапазонів всіх незалежних екзогенних змінних, конкретні значення яких визначаються із застосуванням псевдо-випадкової величини, яку отримують з використанням програмних засобів.

З використанням (1) як базової, значення мінімально-необхідного доходу за життєвий цикл (), забезпечення надходження якого є необхідною умовою сталого функціонування електростанції протягом її комерційної експлуатації, визначається як:

(2)

де -- обсяг приватних інвестицій, які залучені для спорудження електростанції (без урахування кредитних коштів); -- рівень прибутковості приватних інвестицій; -- обсяг основної частки (“тіла”) кредиту, що має бути повернуто у відповідний етап; -- ставка корпоративного податку на прибуток.

Для розрахунку собівартості та відпускного тарифу відповідно до синтезованого методу з використанням детерміновано-стохастичного підходу визначається обсяг електроенергії, яку виробляє електростанція протягом її життєвого циклу (, МВт·год):

(3)

де -- випадкова величина, що відповідає часу, протягом якого електростанція генерує потужність (діб/етап); -- обсяг виробленої електроенергії (МВт·год/доба), значення якого є функцією від режиму роботи електростанції.

Із застосуванням формули (1) та визначеним за формулою (3) обсягом виробництва електроенергії розраховується середня () та середньозважена () собівартість виробництва електроенергії за життєвий цикл (грн/МВт·год):

(4)

(5)

ефективність функціонування електричний станція

З використанням (2) визначаються такі показники ефективності функціонування електростанції в умовах ринку (грн/МВт·год): середній за життєвий цикл мінімально-необхідний відпускний тариф на електроенергію (), та середньозважений за життєвий цикл мінімально-необхідний тариф на електроенергію ():

(6)

(7)

Необхідною умовою ефективності впровадження та функціонування електростанції в умовах ринку є менше значення середнього за життєвий цикл відпускного тарифу на електроенергію в порівнянні з існуючим або прогнозованим на час введення в комерційну експлуатацію електростанції середнім тарифом на ринку електроенергії. Достатньою умовою є менше значення середньозваженого за життєвий цикл відпускного тарифу на електроенергію в порівнянні з існуючим або прогнозованим середнім тарифом на ринку.

Для визначення ефективності розвитку електростанції в умовах ринку в складі ОЕС запропоновано використовувати детерміновано-стохастичний метод врахування умов функціонування ОЕС і електростанцій. Для цього вдосконалено оптимізаційну модель розвитку структури генеруючих потужностей. Замість мінімально-необхідного доходу за життєвий цикл () для кожної електростанції, що розглядається, розраховується показник гранично-прийнятного доходу протягом часу її комерційної експлуатації () в складі ОЕС:

(8)

де -- балансова вартість об'єкта станом на останній календарний день періоду ф; -- норма амортизації основних фондів об'єкту, -- обсяг амортизаційних нарахувань становить; -- сума заробітної плати основного виробничого персоналу, який задіяний в процесі виробництва основної продукції; -- норма соціальних нарахувань на заробітну плату; -- постійний обсяг фінансових ресурсів, що витрачається на підтримку основних фондів в працездатному стані, за виключенням заробітної плати основного виробничого персоналу; -- відсоткова ставка за залученими підприємством банківськими кредитами , а -- повернення основної частки (тіла) кредиту; -- обсяг змінних витрат без урахування сплати основної частки залучених банківських кредитів, який визначається з урахуванням -- вартості спожитого палива, -- вартості спожитих непаливних матеріальних ресурсів, -- суми екологічних платежів, -- додаткових витрат на ремонти основних виробничих фондів, які виникають внаслідок використання технології в режимах, що відрізняються від номінального за формулою

.

Розвиток електростанції в складі ОЕС визнається ефективним, якщо вона входить до оптимального плану задачі математичного програмування, з використанням якої моделюється розвиток структури генеруючих потужностей електроенергетичної системи в цілому. Запропоновано для забезпечення коректності формування критерію оптимальності задачі розвитку електростанції в складі інших генеруючих потужностей ОЕС в умовах ринку формулу 8 розділити на дві складові. До першої складової відносяться постійні витрати, що обумовлені існуванням електростанції як такої, питоме значення яких () розраховується по відношенню до електричної потужності електростанції (). До другої складової входять витрати, що виникають внаслідок участі електростанції в покритті ГЕН ОЕС, питоме значення яких () розраховується по відношенню до обсягів виробленої електроенергії. З урахуванням цих складових критерій розвитку електростанції в складі ОЕС формулюється так:

(9)

де -- індекс з множини сезонів; -- індекс з множини характерних діб; -- індекс з множини зон ГЕН; -- індекс з множини типів електростанцій; -- тривалість роботи встановленої потужності , яка використовується з електричним навантаженням . Відповідно до детерміновано-стохастичного методу, який запропонований до використання, значення є випадковою величиною для технологій, що належать до третьої підгрупи електростанцій, а для всіх інших підгруп є величиною детермінованою. Аналогічно -- випадкова величина для електростанцій, що відносяться до другої підгрупи і детермінована для всіх інших.

Основні обмеження цієї задачі:

, (10)

(11)

(12)

де -- електрична потужність, що використовується для покриття потужності зони ГЕН ОЕС (); -- обсяг електроенергії, яку необхідно виробити електростанціями, що працюють в межах ОЕС. Для кожного періоду для має виконуватись обмеження:

(13)

де , -- тривалість та потужність, що відповідають характерному ГЕН ОЕС з мінімальним споживанням електроенергії протягом характерної доби (для сучасних умов України -- це вихідна літня доба), а , -- відповідають ГЕН ОЕС з максимальним споживанням, що зараз характерно для зимової робочої доби. і є випадковими величинами, причому .

У третьому розділі наведено вимоги, структуру та опис програмно-інформаційних засобів визначення ефективності функціонування і розвитку електричних станцій в умовах ринку (рис. 1).

Розроблені програмно-інформаційні засоби вирішують такі головні функціональні задачі: підтримка інформації стосовно зовнішніх ресурсних, техніко-економічних, екологічних та нормативно-правових умов функціонування і розвитку електроенергетичного сектору України в цілому, а також його окремих підсистем; врахування особливостей впровадження, функціонування, виводу з експлуатації або модернізації основних технологій генерації електроенергії (як існуючих, так і перспективних); узгоджена в межах єдиного програмно-інформаційного комплексу реалізація математичних моделей, що використовуються при прогнозуванні; обробка проміжних та остаточних результатів розрахунків та їх представлення в зручному для експертного аналізу вигляді.

Головними вимогами до побудови інформаційного поля визначено такі: повнота, несуперечність, доступність, цілісність, актуальність.

У четвертому розділі наведено результати застосування розробленого синтезованого методу визначення ефективності функціонування електростанцій різних типів в умовах ринку, а також детерміновано-стохастичного методу визначення ефективності розвитку електростанцій в складі ОЕС, що отримані з використанням розроблених програмно-інформаційних засобів. При проведені розрахунків враховано невизначеність необхідних питомих капітальних витрат на будівництво і введення в експлуатацію електростанції, терміну її будівництва і комерційної експлуатації, майбутньої вартості паливно-енергетичних ресурсів, рівнів відшкодувань за викиди шкідливих речовин і парникових газів в повітря, рівня заробітної плати і інших. Виконані розрахунки свідчать, що використання детерміновано-стохастичного підходу за умови незалежності вхідних даних оцінки собівартості та відпускного тарифу на електроенергію електростанціями основних типів з ймовірністю більше, ніж 0,95 розподілені за нормальним законом (рис. 2, табл. 2-4). Це дозволяє з наперед заданою ймовірністю оцінити діапазон, в якому буде знаходитись собівартість та відпускний тариф на електроенергію. Наприклад, для теплової електростанції, що використовує деревну біомасу як паливо, і яка працює протягом життєвого циклу в режимі №1 середнє значення відпускного тарифу дорівнює 146,54 дол.США2009/МВт·год, середньоквадратичне відхилення -- 32,48 дол.США2009/МВт·год. Коефіцієнт кореляції між фактичними даними та теоретичним нормальним розподілом становить 0,964.

Таблиця 2. Собівартість та відпускний тариф (собівартість/тариф) на електроенергію вугільної конденсаційної електростанції (дол.США2009/МВт·год) відповідно до режиму її використання (режими відповідно до табл. 1)

Таблиця 3. Собівартість та відпускний тариф (собівартість/тариф) на електроенергію ВЕС, СФЕС та міні-ГЕС, дол.США2009/МВт·год

Таблиця 4. Собівартість та відпускний тариф (собівартість/тариф) на електроенергію АЕС (дол.США2009/МВт·год) відповідно до режиму її використання (режими відповідно до табл. 1)

Також визначені показники ефективності розвитку ВЕС та СФЕС в межах ОЕС України відповідно за трьома сценаріями їх впровадження: І -- раціональні рівні використання відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), ІІ -- помірний розвиток та ІІІ -- швидкий розвиток ВЕС та СФЕС. Результати розрахунків наведені в табл. 5.

Таблиця 5. Показники розвитку ОЕС України з використанням відновлюваних джерел енергії

Отримані результати свідчать, що помірні та швидкі темпи впровадження ВЕС та СФЕС не призводять до помітного екологічного ефекту в середньостроковій перспективі, а в тривалій перспективі призводить до суттєвого погіршення екологічних показників роботи генеруючих потужностей енергосистеми в цілому. Також важливим висновком є те, що реалізація сценаріїв впровадження ВЕС та СФЕС в ОЕС України веде до зростання відпускного тарифу на електроенергію в порівнянні із сценарієм раціонального їх використання. Це обумовлено суттєвим зменшенням генерації електроенергії АЕС і необхідністю роботи конденсаційних електростанцій в змінних режимах. При аналізі сценаріїв розвитку ВЕС та СФЕС в порівнянні із сценарієм раціонального їх використання доцільно також взяти до уваги такі результати: суттєво більші обсяги необхідних інвестицій в генеруючі потужності ОЕС; суттєво більші обсяги споживання органічного палива для ТЕС. Всі ці фактори свідчать про сумнівність шляху на забезпечення споживачів електроенергію в межах ОЕС із значним використанням електроенергії, що виробляється на ВЕС та СФЕС.

Висновки

В дисертації виконано вирішення актуальної наукової задачі розробки методів та засобів оцінки ефективності функціонування і розвитку електричних станцій в умовах ринку. В розроблених методах враховується як фізико-технічні особливості роботи електростанцій, так і техніко-економічні показники та особливості, зовнішні нормативно-правові умови, а також невизначеність вхідної інформації. У процесі виконання роботи отримано такі наукові та практичні результати:

1. Сучасний стан функціонування електроенергетичного комплексу характеризується широким впровадженням ринкових принципів регулювання його діяльності. Юридична та господарська незалежність основних учасників ринку електроенергії суттєво ускладнює розробку планів з розвитку електроенергетичного комплексу в цілому не тільки на довгострокову, але навіть на середньострокову перспективу. Важливою науковою задачею при вирішені таких задач є розробка методів, що враховують невизначеність майбутніх умов функціонування як окремих електростанцій, так і ОЕС в цілому. Існуючі методи, в основному, спрямовані або на детальне врахування фізико-технічних особливостей роботи електростанцій, або нормативно-правових умов їх діяльності. Це ускладнює їх безпосереднє використання, оскільки в ринкових умовах ці чинники необхідно враховувати комплексно.

2. Використання вперше розробленого синтезованого методу визначення показників ефективності функціонування електростанцій в умовах ринку дозволяє комплексно враховувати фізико-технічні і режимні особливості роботи електростанцій, зовнішні нормативно-правові умови, ресурсні і екологічні обмеження і дозволяє розраховувати техніко-економічні показники, що використовуються в ринкових умовах при формуванні та прийнятті рішень стосовно доцільності поточної та майбутньої діяльності підприємства з виробництва електроенергії.

3. Для врахування невизначеності вхідної інформації, особливо прогнозної, запропоновано використовувати детерміновано-стохастичний метод, застосування якого дозволяє визначити діапазони, в яких з наперед заданою ймовірністю знаходяться значення техніко-економічних показників електростанції, що визначені для всього її життєвого циклу.

4. Вдосконалено існуючу модель математичного програмування розвитку структури генеруючих потужностей для оцінки ефективності розвитку електростанцій у складі електроенергетичної системи шляхом застосування детерміновано-стохастичних методів урахування невизначеності майбутніх зовнішніх умов її функціонування, а саме, рівнів максимальних та мінімальних електричних навантажень та форми ГЕН, а також невизначеності режимів експлуатації електростанцій, зокрема, ВЕС. Це дозволяє більш адекватно оцінити здатність електроенергетичної системи в цілому забезпечити режими споживання електричної потужності.

5. З використанням розроблених методів та запропонованих вдосконалень створена система математичних моделей і відповідні програмно-інформаційні засоби, які дозволяють комплексно оцінювати ефективність функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку.

6. На основі розроблених методів визначення ефективності функціонування і розвитку електростанцій розроблені перспективні структури ОЕС України, що відповідають ринковим умовам регулювання діяльності в електроенергетиці, враховують невизначеність, пов'язану із глобалізацією ринків паливних ресурсів, а також можливе підвищення вимог до екологічності електростанцій. Використання розроблених методів дозволяє підвищити ефективність прогнозування розвитку електроенергетичних систем в умовах ринку, оскільки більш адекватно та детально моделюють процеси прийняття рішень стосовно поточної та майбутньої діяльності як на рівні енергосистеми, так і окремої електростанції.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Аналіз доцільності використання різних механізмів державної підтримки розвитку вітроенергетики в умовах України / Б.А. Костюковський, С.В. Шульженко, Т.П. Нечаєва [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2004. - № 11. - С. 33-38.

2. Проблема зниження викидів забруднювачів у атмосферу в тепловій енергетиці України в контексті інтеграції ОЕС України в UСТЕ / Б.А. Костюковський, О.Л. Радченко, С.В. Шульженко [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2007. - № 15. - С. 26-31.

3. Костюковский Б.А. Прогнозирование развития электроэнергетических систем в условиях рыночного регулирования в электроэнергетике / Б.А. Костюковський, С.В. Шульженко, О.Л. Радченко // Международная научно-практическая конференція “Энергоэффективность-2007”. 15 - 17 октября 2007 г. - К.: Институт газа НАН Украины, 2007. - С. 14 - 15.

4. Економічні аспекти впровадження вітроенергетичних потужностей в енергосистемі України із застосуванням потужностей резервування / Б.А. Костюковський, О.Л. Радченко, С.В. Шульженко [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2007. - № 16. - С. 28-33.

5. Система математических моделей для комплексной оценки перспектив развития топливно-энергетического комплекса / Б.А. Костюковский, С.В. Шульженко, Е.А. Максимец // Международная научно-практическая конференція “Энергоэффективность-2008”. 6 - 8 жовтня 2008 р. - К.: Інститут газу НАН України, 2008. - С. 37-38.

6. Шульженко С.В. Особливості розрахунку вартісних показників у задачах прогнозування розвитку електроенергетичних систем за ринкових умов їх функціонування / С.В. Шульженко // Проблеми загальної енергетики. - 2008. - № 18. - С. 16-20.

7. Фактори екологічного впливу електроенергетичних об'єктів на довкілля / Т.П. Нечаєва, С. В. Шульженко, М.В. Парасюк [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2008. - №18. - С. 54-60.

8. Использование модели жизненного цикла при прогнозировании развития электроэнергетики/ С.В. Шульженко, Б.А. Костюковский, І.Ч. Лещенко [та ін.] // Международная научно-практическая конференція “Энергоэффективность-2008”. 6 - 8 жовтня 2008 р. - К.: Інститут газу НАН України, 2008. - С. 68-69.

9. Шульженко С.В. Показники ефективності функціонування та розвитку електричних станцій в умовах ринку / С.В. Шульженко // Проблеми загальної енергетики. - 2009. - №20. - С. 16-19.

10. Шульженко С.В. Методи та засоби визначення показників ефективності електростанцій, що функціонують в ринкових умовах / С. В. Шульженко, М.В. Парасюк // Международная научно-практическая конференція “Энергоэффективность-2010”. 19 - 21 жовтня 2010 р. - К.: Інститут газу НАН України, 2010. - С. 307-308.

11. Вплив на стан та розвиток електроенергетики впровадження “зеленого тарифу” та нової моделі ринку електроенергії в Україні / Б.А. Костюковський, Т.П. Нечаєва, С.В. Шульженко [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2010. - вип. 3(23). - С. 13-18.

Анотація

Шульженко С.В. Методи та засоби визначення показників ефективності функціонування і розвитку електричних станцій в умовах?ринку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.14.01 -- Енергетичні системи та комплекси. - Інститут загальної енергетики НАН України, Київ, 2011.

Розроблено новий синтезований метод визначення показників ефективності функціонування електростанцій в умовах ринку, суть якого полягає в детальному імітаційному моделюванні витрат або споживанні матеріальних, фінансових, трудових ресурсів і особливостей їх перетворення в електричну енергію. Метод враховує невизначеність вхідної інформації, фізико-технічні і режимні особливості роботи електростанцій. Вдосконалено існуючу модель оптимізації структури генеруючих потужностей шляхом застосування детерміновано-стохастичних методів врахування невизначеності майбутніх рівнів електричних навантажень та форми ГЕН ОЕС, а також невизначеності режимів експлуатації електростанцій. Створена система математичних моделей та розроблені програмно-інформаційні засоби, які дозволяють оцінювати ефективність функціонування і розвитку електростанцій в умовах ринку як в складі енергосистеми, так і окремо. Розраховані перспективні структури генеруючих потужностей ОЕС України, що відповідають ринковим умовам регулювання діяльності в електроенергетиці.

Ключові слова: математична модель, ефективність, електрична станція, Об'єднана енергетична система, прогнозування, невизначеність.

Аннотация

Шульженко С.В. Методы и средства определения показателей эффективности функционирования и развития электрических станций в условиях рынка. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 -- Энергетические системы и комплексы. - Институт общей энергетики НАН Украины, Киев, 2011.

Внедрение рыночных принципов регулирования деятельности в электроэнергетике изменило цели функционирования электрических станций. Из предприятий, основным заданием которых было обеспечение стабильного существования и надежного функционирования электроэнергетической системы они трансформировались в независимые коммерческие предприятия, основной целью которых стало получение финансового дохода, как в текущем периоде, так и в будущем. Такая ситуация объективно повышает роль финансовых показателей, определяющих эффективность, успешность деятельности электростанций.

В рыночных условиях существенно возрастает неопределенность будущих условий роботы электростанции. Основные факторы, которые подвержены значительной неопределенности такие: нормативная база регулирования коммерческой деятельности электростанций, цены на материально-технические и трудовые ресурсы, условия и способы реализации основной продукции, в том числе возможные режимные ограничения на загрузку основного производственного оборудования, уровни обязательных экологических платежей и штрафов, методы начисления амортизационных начислений, расчета дохода и прибыли, социальных платежей. Определение эффективности текущей и будущей деятельности существующих электростанций, целесообразности строительства, ввода в действие и дальнейшего использования новых генерирующих мощностей в таких условиях усложняется, что определяет актуальность совершенствования существующих и разработку новых методов и средств решения этих задач.

Разработан новый синтезированный метод определения показателей эффективности функционирования электростанций в условиях ринка, суть которого состоит в детальном имитационном моделировании затрат или потребления материальных, финансовых, трудовых ресурсов и технологических особенностей их преобразования в электрическую энергию на уровне электрической станции. Метод учитывает неопределенность входной информации, физико-технические и режимные особенности роботы электростанций. Усовершенствована существующая модель математического программирования развития структуры генерирующих мощностей для оценки эффективности развития электростанций в составе электроэнергетической системы путем применения детерминировано-стохастических методов учета неопределенности будущих уровней максимальных и минимальных электрических нагрузок, формы характерных графиков электрических нагрузок, а также неопределенности режимов эксплуатации электростанций, в частности ветровых. Создана система математических моделей, которая позволяет комплексно оценивать эффективность функционирования и развития электростанций в условиях рынка, как в составе энергосистемы, так и отдельно. Разработаны программно-информационные средства реализации созданных методов и системы математических моделей, с использованием которых рассчитаны перспективные структуры генерирующих мощностей Объединенной энергосистемы Украины, соответствующие рыночным условиям регулирования деятельности в электроэнергетике, учитывающие неопределенность, обусловленную глобализацией рынков топливных ресурсов, а также возможным повышением требований к экологичности электростанций.

Разработанные методы позволяют повысить эффективность прогнозирования развития либерализированных электроэнергетических систем, поскольку более адекватно и детально моделируют процессы принятия решений о текущей и будущей деятельности как на уровне энергосистемы, так и отдельной электростанции, которая осуществляет деятельность в рыночных условиях.

Ключевые слова: математическая модель, эффективность, электростанция, Объединенная энергетическая система, прогнозирование, неопределенность.

Annotation

Shulzhenko S. V. Methods and applications for assumption of power plants' functioning and development efficiency in the market conditions. - Manuscript.

Dissertation for a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.14.01 -- Power systems and Complexes. - Institute of General Energy National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2011.

The new synthesis method of power plants' functioning and development efficiency assumption in the market conditions was developed. The method is based on d...