Актуальность проблемы. На современном уровне научно-технического прогресса развития всех отраслей народного хозяйства потребление электроэнергии является одним из главных показателей развития производительных сил. Нет сейчас таких отраслей промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытового сектора и других, в которых не использовалась бы электроэнергия. Приоритетность электрической энергии определяется комплексом ее положительных качеств и свойств, таких как универсальность преобразования и использования, легкость в управлении технологическими процессами, транспортируемость практически в любые точки региона, гигиеничность, и т. п. Электроэнергия является основой механизации и автоматизации производственных процессов, повышения производительности труда и роста благосостояния населения [1,2].
Распад СССР, становление Кыргызстана как суверенного государства, коренные изменения его социально-политического устройства, экономического и геополитического положения, зависимость от импорта энергоносителей, обусловили необходимость пересмотра стратегии и тактики развития топливно-энергетического комплекса и в первую очередьэлектроэнергетики, так как электроэнергия является на данном этапе единственным энергоносителем, способным полностью удовлетворить потребности Республики. Особенно велика роль гидроэнергетики, работающей на практически неистощаемых водных ресурсах и способной за относительно короткий срок возместить вложенные в ее строительство средства. Только за счет развития гидроэнергетики возможно замещение дорогостоящих импортных энергоносителей — газа и топочного мазута, дальнейшее развитие производительных сил Республики, внедрение прогрессивных технологических процессов, развитие новых электроемких производств, увеличение продукции на сельскохозяйственных предприятиях, более широкое внедрение электроэнергии в коммунально-бытовой сектор для отопления зданий, получения горячей воды, приготовления пищи и т. п. Широкое применение электроэнергии на производственно-бытовые нужды выгодно как с экономической, так и с экологической точек зрения.
Несмотря на ежегодно увеличивающееся потребление электроэнергии на душу населения, оно в Республике значительно ниже, чем в других странах СНГ. В связи с этим Президент Республики издал указ «О приоритетном развитии энергетического комплекса Республики Кыргызстан», в котором предлагается считать государственную энергетическую политику одним из основных приоритетных направлений экономического развития страны.
Наряду с развитием энергетических отраслей не менее важным резервом является политика энергосбережения за счет повышения эффективности использования топлива и энергии по сравнению с наращиванием их добычи и производства. Расчеты показывают, что резервы экономии могут составлять почти 30% от общих объемов потребления.
В Кыргызстане в настоящее время построены и действуют такие I крупные объекты электроэнергетики, как Токтогульская и Курпсайская гидроэлектростанции, Бишкекская теплоэлектроцентраль. Создана энергетическая система, охватывающая своим влиянием практически все уголки Республики. Выдача мощности производится по высоковольтным линиям электропередачи напряжениям 500, 220,110 и 35 кВ и другим более низкого напряжения. Эксплуатация таких объектов, оснащенных сложным и дорогостоящим оборудованием, требует опытного, хорошо подготовленного персонала, качество работы и опытность которого во многом определяют бесперебойность и надежность энергоснабжения [3]. Рост электропотребления в перспективе потребует развития генерирующих мощностей. I.
Одним из важных направлений развития электроэнергетики Кыргызстана в настоящее время является развитие основной электрической сети электроэнергетических систем (ЭЭС). Перспективы реструктуризации электроэнергетики и формирования рынков электроэнергии, для функционирования которых необходимы развитые электрические сети, недостаток инвестирования в строительство новых генерирующих мощностей, формирование межгосударственных электрических связей, приводят к тому, что все большую актуальность приобретают вопросы комплексного развития генерации и основной сети ЭЭС. При этом, в условиях усложнения структуры энергосистем, увеличения протяженности электрических связей и дальности транспорта электроэнергии, особое внимание при управлении развитием ЭЭС должно уделяться анализу условий их перспективного функционирования.
В настоящее время ведется реализация различных проектов, средствами ОАО «НЭСК (Национальная электрическая сеть Кыргызстана)» и ОАО «Электрические станции», и в то же время проводится работа с международными финансовыми организациями и правительствами ряда стран по поиску дополнительных инвестиций. I.
На данном этапе ОАО «Электрические станции» в рамках проекта Всемирного Банка по реконструкции ТЭЦ г. Бишкек продолжается реализация второй фазы проекта, предусматривается частичная реконструкция электрооборудования Ат-Башинской ГЭС за счет заемных средств Швейцарского Правительства, идет процесс поиска инвестора для завершения строительства Камбаратинской ГЭС-2 и строительства Камбаратинской ГЭС-1 [4].
ОАО «НЭСК» в формировании развития электрических сетей 220 -500 кВ Кыргызстана исходит из необходимости сохранения существующих электрических связей с энергосистемой Узбекистана для обеспечения экспортных возможностей Кыргызстана, параллельной работы энергосистемы в составе ОЭС Центральной Азии, оказания взаимной помощи в аварийных ситуациях, формирования магистральных сетей Юга страны, позволяющих обеспечивать выдачу мощности и распределение энергии. Проблемы энергоснабжения страны на ближайшую перспективу и полной выдачи мощности ГЭС могут быть решены строительством новой ПС 500/220 кВ Датка в районе г. Жалал-Абад с подключением ее к существующей BJI 500 кВ и сети 220 кВ, увязав их схемы выдачи в единую электрическую систему на уровне 220 — 500 кВ. Создание единого центра электроснабжения Юга со строительством ПС 500 кВ Датка и развитием сетей 220 кВ подтверждается расчетами, выполненными фирмой «ФИХТНЕР» в проекте модернизации региональной системы передачи электроэнергии в Республиках Центральной Азии [5].
Задачам, связанным с применением математических методов для анализа развития ЭЭС, посвящено значительное число работ российских и зарубежных ученых.
Основные принципы моделирования развития сложных ЭЭС сформулированы в работах Л. А. Мелентьева, JI.C. Беляева, Н. И. Воропая, В. А. Ханаева, И. М. Волькенау, А. Н. Зейлигера, Л. Д. Хабачева, Г. В. Войцеховской, В. Р. Окорокова, В. В. Труфанова, H.A. Абраменковой, Т. Б. Заславской, Д. Н. Ефимова, H.A. Мурашко, Р. Салливана и многих других. Среди работ, посвященных вопросам управления развитием электрической сети в России и за рубежом следует отметить работы таких ученых как З. П. Кришан, И. Б. Моцкус, О. Г. Паэгле, О. Н. Цалагова, А. Марлен, Ж. К. Доду, Л. Сальвадери.
Однако требуется комплексное долгосрочное обоснование развития электроэнергетики Кыргызстана с учетом ее специфики, связанной с большой долей ГЭС, режимы работы которых определяются не только потребностями в электроэнергии, но и приточностью водохранилищ, другими водопользователями. Исходя из этого, наиболее сложным является описание условий перспективного функционирования ЭЭС (законов естественного потокораспределения и ограничений на загрузку ЛЭП по условиям устойчивости ЭЭС), оказывающих существенное влияние на выбор наилучшего варианта развития ЭЭС. Учет этих условий требует использования детальных моделей электрических режимов и переходных процессов, что значительно усложняет исходную задачу.
Недостаточность методической базы и эффективного инструментария для решения задач обоснования развития сложных ЭЭС со специфическими режимами работы приводит к тому, что на практике некоторые вопросы решаются на основе опыта и интуиции проектировщиков. Такая технология решения задачи может стать причиной выбора нерациональной стратегии развития ЭЭС и, как следствие, необоснованных экономических затрат и ущербов у потребителей.
Целями данной работы являются разработка общей технологии 1 исследований и алгоритмических связей между действующими математическими моделями обоснования развития ЭЭС и анализа режимов их функционирования, а также обоснование развития ЭЭС Кыргызстана на перспективу с использованием взаимосвязанных моделей на двух уровнях. При этом учитывается неоднородность структуры ЭЭС, а также агрегирование — дезагрегирование моделей.
Основой представляемой двухуровневой технологии являются методы преобразования моделей нижнего уровня, основывающихся на уравнениях узловых напряжений, к моделям верхнего уровня на базе потоковых моделей. Алгоритмы преобразования моделей должны осуществлять агрегирование снизу вверх и дезагрегирование сверху вниз. В соответствии с поставленными целями в диссертации решены следующие основные задачи: • Сформулированы методические основы двухуровневой технологии обоснования развития ЭЭС со специфическими режимами работы на базе использования моделей обоснования развития генерирующих мощностей и пропускных способностей межсистемных связей на верхнем уровне, моделей определения допустимости электрических режимов и устойчивости ЭЭС на нижнем уровне, и разработки методов и алгоритмов взаимосвязи моделей обоих уровней;
• Разработаны и исследованы методы и алгоритмы агрегирования модели нижнего уровня на базе уравнений узловых напряжений к потоковой модели верхнего уровня и дезагрегирования потоковой модели к модели нижнего уровня;
• Выполнены исследования и сформулированы рекомендации по обоснованию развития ЭЭС Кыргызстана на перспективу до 2020 года с использованием разработанной двухуровневой технологии и поддерживающих ее программных средств.
Методы исследования: методология системного подхода к решению рассматриваемых в работе задач, математические модели и методы обоснования развития ЭЭС, методы математического моделирования установившихся режимов и электромеханических переходных процессов ЭЭС, методы агрегирования-дезагрегирования моделей.
На защиту выносятся следующие, представляющие научную новизну результаты:
• Двухуровневая технология обоснования развития ЭЭС со специфическими режимами функционирования;
• Методы и алгоритмы агрегирования-дезагрегирования моделей, обеспечивающие формализованные взаимосвязи между моделями двух уровней;
• Результаты по обоснованию развития ЭЭС Кыргызстана до 2020 года с использованием разработанной технологии.
Достоверность результатов работы. В проводимых исследованиях в качестве расчетной схемы замещения ЭЭС Кыргызстана принята расчетная схема, используемая ОАО «Национальной электрической сети ЭЭС Кыргызстана». Исходные режимы зимнего максимума и летнего минимума нагрузок соответствуют данным контрольных замеров. Полученные результаты расчетов режимов совпадают с расчетами Центрального диспетчерского управления ЭЭС Кыргызстана.
Практическая ценность работы: Применение предлагаемой технологии будет способствовать повышению эффективности и надежности электроснабжения потребителей Кыргызстана. Разработанная технология обоснования развития ЭЭС со специфическими режимами функционирование может иметь более широкое практическое применение для ЭЭС, обладающих другими специфическими свойствами, требующими детального анализа допустимости режимов и устойчивости системы.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, 2 отчетах о научно-исследовательских работах Южного отделения Национальной академии наук Кыргызстана, 1 эссе в сборнике «Золотой фонд Кыргызской Республики» (Бишкек, 2007 г.), докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 2006, 2007 и 2008 гг.), на Международной научно-технической конференции «Энергетика — проблемы и перспективы», посвященной 50-летию энергетического факультета и кафедры «Электроэнергетика» в КГТУ им. И. Раззакова (Бишкек, 2007 г.), на Всероссийской конференции «Повышение эффективности развития и функционирования энергетики в условиях Сибири» (Иркутск, 2008 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения, списка литературы и приложений.
Первая глава посвящена обоснованию и дальнейшей структуризации сформулированных во введении задач работы. Приведен обзор методических подходов, математических методов и моделей обоснования развития сложных ЭЭС, проанализированы системы моделирования и прогнозирования развития энергосистем и электрических сетей в России и за рубежом, специфика и место задач развития генерирующих мощностей и основной электрической сети в общей структуре задач управления развитием ЭЭС, раскрыты их достоинства и недостатки. На этой основе показана актуальность развития методического подхода к решению задачи обоснования развития ЭЭС со специфическими режимами функционирования. В качестве первоочередных направлений развития методического подхода обоснована необходимость разработки общей технологии исследований и алгоритмических связей между действующими математическими моделями обоснования развития ЭЭС и анализа режимов их функционирования.
Во второй главе рассматриваются методические основы предлагаемой автором двухуровневой технологии, математические модели и алгоритмы для обоснования развития ЭЭС специфической структуры (с большой долей ГЭС). Излагаются этапы предлагаемой технологии и кратко характеризуется их содержание. Даются характеристики используемых программных средств и описывается структура организации их взаимодействия. Устанавливается место в этой структуре разработанных автором программных средств. Далее описывается разработанный автором метод и алгоритм агрегирования-дезагрегирования моделей на основе уравнений узловых напряжений к потоковым моделям.
В третьей главе приводятся результаты исследований развития ЭЭС Кыргызстана с использованием разработанной технологии. Дается описание исследуемой ЭЭС. Излагаются принципы и подходы к формированию исходных условий для исследований. Приводятся результаты агрегирования модели ЭЭС Кыргызстана на основе структурного анализа. Рассмотрены основные результаты исследования развития генерирующих мощностей и электрической сети ЭЭС Кыргызстана. Даны результаты исследования особенностей функционирования будущей ЭЭС Кыргызстана. На основе выполненных исследований сформированы рекомендации по развитию ЭЭС Республики.
В Заключении даны основные результаты, полученные в диссертации и выносимые на защиту.
3.7. Выводы по главе 3.
Результаты использования технологии обоснования развития ЭЭС применительно к ЭЭС Кыргызстана позволяет сделать следующие выводы:
1. С использованием разработанной технологии обоснования развития ЭЭС с большой долей ГЭС, основанной на двухуровневом моделировании объекта исследований, выполнен прогноз развития ЭЭС Кыргызстана до 2020 г. Результаты прогноза подтвердили эффективность разработанного двухуровневого подхода.
2. Исследования показали, что для работоспособности схемы ЭЭС Кыргызстана на уровне 2020 г. более тяжелые условия имеют место для сценария среднемноголетней водности рек при интенсивном развитии экономики страны. При этом требуется усиление основной электрической сети в основном в ЭЭС Юга путем строительства около десяти дополнительных ЛЭП 500 и 220 кВ.
3. Выполненный анализ результатов расчета пропускной способности сечения между северной и южной частями ЭЭС Кыргызстана методом утяжеления установившегося режима в исходной схеме дают практически то же значение, что и разработанная программа СТРУКТУРА, отличающееся в пределах 5%, что указывает на приемлемую точность определения пропускной способности на основе структурного анализа.
4. Результаты выполненного прогноза развития ЭЭС Кыргызстана в основном совпадают с результатами ранее выполненных исследований, что подтверждает адекватность и обоснованность разработанной технологии исследований развития ЭЭС со специфической структурой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основные теоретические, методические и практические результаты работы следующие:
1. Выполнен анализ существующих моделей, обзор методических подходов и методов решения задачи обоснования развития сложных ЭЭС в России и за рубежом. Основные недостатки существующих моделей развития ЭЭС следующие. В большинстве моделей не учитываются условия функционирования ЭЭС (ограничения на загрузку ЛЭП по условиям допустимости режимов и устойчивости). В тех моделях, где предусмотрен приближенный учет электрических режимов ЭЭС, имеются существенные ограничения на размерность решаемой задачи, поэтому для решения практических задач с большим числом переменных их применение затруднено. Кроме этого, используемые в существующих моделях развития электрической сети методы учета функционирования ЭЭС могут вносить значительную погрешность в формируемое моделыЬ решение. В результате проведенного анализа в качестве первоочередного направления совершенствования существующего методического обеспечения предпроектных исследований развития ЭЭС обоснована необходимость разработки и применения двухуровневой технологии обоснования развития ЭЭС и анализа режимов их функционирования, а также алгоритмических связей между используемыми математическими моделями.
2. Разработана и реализована общая двухуровневая технология исследований и алгоритмических связей между используемыми математическими моделями обоснования развития ЭЭС и анализа режимов их функционирования. Особенно это важно для ЭЭС со специфической структурой, например, с большой долей ГЭС, которые имеют существенные неэнергетические ограничения и специфические режимы работы. Системой подобного типа является ЭЭС Кыргызстана, причем режимы работы ГЭС существенно зависят от водности на реках, ирригации и др. Агрегированная модель ЭЭС рассматривается на верхнем уровне задачи, а более детальные модели — на нижнем.
3. Разработана структура организации программного обеспечения для реализации двухуровневой технологии обоснования развития ЭЭС со специфическими режимами работы на базе использования моделей обоснования развития генерирующих мощностей и пропускных способностей межсистемных связей на верхнем уровне, моделей определения допустимости электрических режимов и устойчивости ЭЭС на нижнем уровне, и разработки методов и алгоритмов взаимосвязи моделей обоих уровней.
4. Разработаны методика и алгоритм преобразования модели нижнего уровня, основывающийся на уравнениях узловых напряжений, к моделям-верхнего уровня на базе потоковых моделей, для обоснования развития ЭЭС. Разработанный алгоритм заполнил недостающее звено взаимосвязей между ПВК, используемыми для обоснования развития ЭЭС.
5. В целях апробации предложенного методического подхода проведена оптимизация развития ЭЭС Кыргызстана на перспективу до 2010 и 2015 — 2020 годов, в результате которой был сформирован наиболее рациональный вариант развития ЭЭС. Технико-экономический анализ и сравнение этого варианта с рекомендациями ОАО «Национальная электрическая сеть' Кыргызстана» по развитию ЭЭС показали, что формируемая на основе предложенной методики группа вариантов при удовлетворении техническим ограничениям обеспечивает меньшую потребность в инвестициях. Поэтому в условиях недостатка инвестиций использование предложенной методики является наиболее эффективным.
6. Выполнен комплекс расчетов режимов (нормальных, утяжеленных, послеаварийных, вынужденных) и переходных процессов при возмущениях в ЭЭС Кыргызстана. Расчеты показали направления необходимой корректировки электрической схемы ЭЭС Кыргызстана путем ввода дополнительных ЛЭП.
7. Результаты выполненных исследований в основном совпадают с имеющимися рекомендациями по развитию ЭЭС Кыргызстана до 2020 г., полученными другими средствами, что подтверждают корректность предлагаемой автором методики и используемых программных средств.
Автор надеется, что разработанные положения будут полезны для решения не только изложенных в работе, но и ряда других практических задач.
