Электропотреблением

На этапе формирования и развития рыночных отношений в электроэнергетике особая роль отводится стимулированию субъектов рынка вообще и конкретных потребителей в частности, при решении ими задач рационального управления нагрузкой и энергосбережением. Известно, что объективно существуют интересы ЭЭС и интересы потребителей (рис. 1.3).

Электроэнергетическая система может влиять на режимы электропотребления отдельных потребителей изменением тарифов за надёжность электроснабжения, но возможности эти ограничены.

Цель, которая при этом преследуется, – побудить потребителя, в первую очередь, крупного промышленного, выполнять регулирование максимума графика нагрузки (своего и ЭЭС) и электропотребления не только в своих интересах, но и в интересах ЭЭС.

Необходимость такого регулирования связана с выравниванием графика нагрузки и определяется уменьшением затрат ЭЭС в условиях возможных дефицитов энергии и мощности, а также при прохождении суточных и сезонных максимумов. Разработка и исследование механизмов стимулирования связаны с задачами управления поведением активных элементов (АЭ) производственных систем.

Под АЭ (как отмечалось выше) понимаются периодически работающие электроприёмники потребителя, сдвиг работы которых во времени не влияет (или оказывает минимально возможное влияние) на ход технологического процесса производства при возмущениях, возникающих со стороны ЭЭС.

Рисунок 1.3 – Совместимость целей в задачах управления

электропотреблением

Это специальные потребители-регуляторы и объекты, отключение которых может сопровождаться экономическими потерями. Изучение особенностей функционирования АЭ потребителей требует прогноза поведения их при различного рода управляющих воздействиях со стороны ЭЭС.

Очевидно, что неблагоприятное воздействие ЭЭС может быть в той или иной степени нейтрализовано путём учёта структурной, нагрузочной и временной избыточности производственных систем и особенностей АЭ.

Решение такой задачи необходимо для обеспечения экономически оптимальных условий работы потребителей и ЭЭС, выполнения договорных условий между ними, поддержания минимальных параметров функционирования в аварийных условиях, сохранения живучести и определения величины платы за надёжность электроснабжения.

Если потребитель из-за собственных интересов или нежелания управлять нагрузкой отклоняется от требуемого ЭЭС режима электропотребления, то ЭЭС должна иметь право применять определённые санкции (штрафы), уменьшающие величину ожидаемой прибыли потребителя. Однако если ЭЭС не будет в той или иной степени учитывать интересы потребителя, то, отстаивая свои собственные интересы, он может предпринять действия, противоположные интересам системы. Прежде всего они могут проявляться в искажении информации о своих возможностях по регулированию нагрузки и потребностях в электроэнергии и мощности.

Известно, что недооценка необходимости согласования интересов сторон часто оборачивалась неудачами при реализации намеченных мероприятий и планов как по управлению нагрузкой, так и по энергосбережению.

Постановка рассматриваемой задачи может быть произведена в терминах теории контрактов, предметом исследования которой является построение взаимосогласованных моделей обязательств между заказчиком и исполнителем, продавцом и покупателем.

При этом потребитель обязуется выполнять требования ЭЭС по управлению нагрузкой, а ЭЭС по результатам действий потребителя выплачивает ему вознаграждение в виде снижения тарифных ставок. Такая зависимость определяется функцией или механизмом стимулирования, который может быть выработан на примере предварительно согласованных условий.

Электроэнергетическая система на множестве Nдопустимых в аварийных ситуациях режимов определяет функцию(механизм) стимулированияs(у)и сообщает ее потребителю, имеющему в своём составе АЭ.

Потребитель выбирает действиеу*, сопровождающееся изменением электропотребления в множестве Т возможных режимов функционирования с учётом особенностей технологического процесса.

Механизм функционирования производственной системы потребителя электроэнергии представляет собой набор критериев, функций, правил, положений, регламентирующих ее работу с учётом состава и особенностей АЭ.

При этом должно быть чётко оговорено, что потребитель должен приложить некоторые усилия по выбору целевой функции (стратегии своего поведения) f (у) и состоянияP(у*), являющегося допустимым как по условиям, предложенным ЭЭС, так и по условиям, связанным с функционированием своего технологического оборудования в разных режимах электроснабжения.

Состояние, выбираемое потребителем из условия s(у)действием у, сопровождается затратами С(у), которые при нулевом его действии С(0)=0 и являются возрастающей функцией в зависимости от объёма переналадки технологического процесса и возможного изменения выпуска продукции.

В зависимости от результатов деятельности потребителя в рассматриваемых условиях ЭЭС получает «доход» Н(у), который определяется возможностью работы в наиболее рациональном режиме при сложившихся внешних условиях. Он в общем случае является возрастающей функцией, и Н(у)= 0,если потребитель не предпринимает никаких действий по управлению нагрузкой.

При выполнении потребителем условий договора с ЭЭС он тоже получает «доход» от результатов его деятельности. В зависимости от условий, предложенных ЭЭС, он определяется параметрами s(у).

Стимулирование действий потребителя по управлению нагрузкой заключается в различии тарифных ставок за потребляемую электроэнергию и (или) мощность в зависимости от параметров надёжности электроснабжения – частоты, длительности и глубины ограничений (отключений) нагрузки.

Задание функции стимулирования должно однозначно определять условия договора (контракта) между ЭЭС и потребителем.

В рассматриваемых условиях целевая функция ЭЭС является разностью «дохода» ЭЭС и затрат из-за снижения тарифных ставок:

Ф(у)= Н(у) – s(у). (1.1)

Целевая функция потребителя представляет собой разность его доходов от снижения тарифных ставок и затрат на управление режимами электропотребления:

f(у) = s(у) – С(у). (1.2)

Функция стимулирования неотрицательна, поскольку отрицательное стимулирование может рассматриваться как штраф, и ограничена сверху, так как фонд стимулирования (возможности стимулирования) ЭЭС ограничен.

При такой постановке задачи цели ЭЭС и потребителя заключаются в максимизации своих целевых функций (1.1) и (1.2).

Однако целевая функция ЭЭС зависит от действия у*, выбираемого потребителем, а оно, в свою очередь, определяется заданной ЭЭС системой стимулирования.

На этом основании при выработке договорных условий устанавливается следующий порядок взаимодействия субъектов рыночных отношений:

- ЭЭС сообщает потребителю s(у);

- потребитель, знаяs(у),выбирает действие у*, максимизирующее (1.2);

- определяются значения целевых функций ЭЭС и потребителя путём проведения расчётов С(у) и Н(у).

На момент заключения договора и принятия решения о характере управления нагрузкой ЭЭС имеет информацию о (1.1) и (1.2), а потребитель знает ещё и о выбранном ЭЭС по отношению к нему управлению s(у).

Таким образом, формируется задача стимулирования:

Н(у*) – s(у*) ® max, 0 ³ у ³ С;

s(у*) – С(у*) ³ s(у) – С(у), "у ³ 0; s(у*) – С(у*) ³ U, (1.3)

где С – максимально возможные затраты потребителя на снижение нагрузки, которые может компенсировать ЭЭС;

U – «доход», который потребитель может получить при отказе от участия в программе ЭЭС по управлению электропотреблением.

В этом случае несмотря на то, что объем электропотребления, величина максимума нагрузки и соответствующие платы могут быть изменены, тариф, устанавливаемый ЭЭС с учётом надёжности электроснабжения, будет максимальным.

Если ЭЭС не будет использовать стимулирования и выберет s(у)= 0, то в силу (1.3) потребитель выберет действие у = 0, минимизирующее его дополнительные затраты, то есть он предпочтёт не производить никаких действий по управлению нагрузкой.

Максимальное действие ЭЭС у_max, которое может побудить выбрать потребителя, определится как разность

С(у_max) = C – U .(1.4)

Очевидно, что ЭЭС может побудить потребителя выбрать любое действие у < у_max, используя систему стимулирования

С(у) + U, у = у

s(у) = 0 £ у£ у_max . (1.5)

0, у ¹ у

На основании (1.1), подставив (1.5) в (1.3), получим

Ф(у) = Н(у) – С(у) – U, 0 £ у £ у_max. (1.6)

Если стимулирование не производится, ЭЭС использует систему (7.5), выбирая у, максимизирующий (1.4).

Рассмотрим условный упрощенный пример.

Предположим:

- затраты потребителя на управление нагрузкой при выборе действия у определяются степенной функцией С(у) = у²;

- «доход» ЭЭС от этих действий потребителя Н(у) = у;

- предельно возможные затраты потребителя на переналадку технологического процесса зададим в условных единицах С = 4;

- «доход» потребителя в случае отказа от участия в программе управления нагрузкой U = 0.

Тогда из условия (7.4) получаем у_max= 2, а из (1.5):

у², у = у

s(у) = 0 £ у£ 2. (1.7)

0, у ¹ у

В соответствии с (1.6)

Ф(у) = у – у². (1.8)

Максимум целевой функции ЭЭС получаем дифференцированием (1.8).

Он достигается при у = у* = 1/2 Î [0,2].

Целевая функция потребителя (7.2) представляется теперь как

у² – у, у = у = 1/2 0, у = 1/2

f(у) = s(у) – С(у) = = (1.9)

0 – у², у ¹ у= 1/2 – у², у ¹ 1/2

Максимум целевой функции потребителя (1.9) достигается в двух точках: у = 0 и у = 1/2.

В соответствии с принципом благожелательности из двух действий, одинаково выгодных для потребителя, он выбирает то, которое является наилучшим для ЭЭС, то есть – у* = 1/2.

Система стимулирования для рассматриваемого примера имеет вид

1/4, у = 1/2;

s(у) = (1.10)

0, у ¹ 1/2.

Анализ полученной функции стимулирования (1.7) или для конкретных условий (3.10) показывает, что:

- с ростом дохода ЭЭС растут затраты на стимулирование;

- ЭЭС становится выгодно побуждать потребителя выбирать большие действия в пределах у_max;

- с ростом затрат потребителя уменьшаются возможности управления нагрузкой;

- увеличение фонда стимулирования не всегда может приводить к увеличению эффективности механизма стимулирования.

В заключение отметим, что процессы функционирования ЭЭС и потребителей подвержены воздействию большого числа случайных и неопределённых факторов. Последствия таких воздействий могут выходить и за рамки договорных условий. Обстоятельства могут оказаться чрезвычайно неблагоприятными, и защитой от них могут быть только механизмы страхования.