Вертикальная интеграция генерации и передачи электроэнергии: причины эффективности и графическое представление

Библиографический список

1. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. Л.: Недра, 1989. 304 с.

2. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства / под ред. Д.М. Хзмаляна. М.: Энергия, 1979. 488 с.

3. Волковыский Е.Г., Шустер А.Г. Экономия топлива в ко-

тельных установках. М.: Энергия, 1973. 304 с.

4. Бочкарев В.А., Фролов А.Г., Морозов К.А. Повышение эффективности сжигания азейского угля в котле КВ-ТСВ-20 // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. №8. С.186-192.

УДК 621.31:338.45

ВЕРТИКАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ГЕНЕРАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ:

ПРИЧИНЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ1

© М.Ю. Васильев2

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН,

664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Статья посвящена задаче анализа возможных эффектов от отмены запрета генерирующим компаниям строить и эксплуатировать собственные линии электропередач. Показано, что линии электропередач, вводимые генерирующими компаниями, могут быть более прибыльны, чем аналогичные линии, вводимые специализированными сетевыми компаниями. Явление основано на интернализации внешнего эффекта, когда при строительстве линии генерирующей компанией прибыль от линии и прибыль от увеличения объемов продажи электроэнергии объединяются в рамках одной компании. Дается графическое описание причин этого явления.

Ил. 2. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: электроэнергетика; передача электроэнергии; отделение сетей от генерации; регулирование сетевых компаний; вертикальная интеграция.

VERTICAL INTEGRATION OF POWER GENERATION AND TRANSMISSION: REASONS FOR EFFICIENCY AND GRAPHICAL REPRESENTATION M.Yu. Vasilyev

L.A. Melentiev Energy Systems Institute SB RAS,

130 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.

The article analyzes possible effects caused by the repeal of a ban for generating companies on building and operation of their own power transmission lines. It is shown that the power transmission lines that are put into operation by generating companies can be more profitable than similar power lines operated by specialized network companies. The phenomenon is based on the internalization of the external effect. When the generating company builds a power transmission line the profit from the line and the profit from the increased sales of power are combined within a single company. The reasons of this phenomenon are given a graphic description.

2 figures. 7 sources.

Key words: power industry; electric power transmission; separation of networks from generation; network companies control; vertical integration.

Введение

В результате реформирования электроэнергетики во многих странах произошел переход от вертикально интегрированной структуры отрасли, сочетавшей генерацию, передачу и распределение электроэнергии в рамках одной компании, к дезинтегрированной структуре, где передающие и распределяющие сети отделены от генерации и сбыта электроэнергии. Применение этого принципа можно увидеть в электроэнергетике Великобритании, США, Аргентины, Чили и других стран [1-6]. Принцип вертикальной дезинтеграции применяется и в России.

Однако исследования показывают, что подход к регулированию электроэнергетики, при котором генерирующие компании могут строить и эксплуатировать

собственные ЛЭП, позитивно влияет на рынок, увеличивая объемы передачи и снижая цены для потребителей [7]. Эффект, описанный в [7], является очень важным для оптимизации регулирования электроэнергетики и требует разработки упрощенных моделей и их графического представления для наглядности и более легкого понимания сути явления.

В разделе 1 статьи приведена упрощенная постановка задачи, на основании которой в разделе 2 описаны прибыль и издержки, возникающие при строительстве новых ЛЭП генерирующими и специализированными сетевыми компаниями.

1. Постановка задач и Рассмотрим простую двухузловую ЭЭС, в которой производители электроэнергии подключены к узлу а, а

1 Работа выполнена при поддержке ведущей научной школы НШ-1507.2012.8.

2Васильев Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории реформирования электроэнергети-

ки, тел.: 79021763226, e-mail: vassiliev@ieee.org

Mikhail Vasilyev, Candidate of technical sciences, Scientific Researcher of the Laboratory of Electrical Power Industry Reformation, tel.: 79021763226, e-mail: vassiliev@ieee.org

потребители - к узлу Ь (рис. 1). ЛЭП между узлами принадлежит специализированной сетевой компании (СК). Производители заданы функцией предложения Ра(мд) и краткосрочных переменных издержек (КПИ) Б(шд), а потребители - функцией спроса РЬ(мс), где шд и шс - генерируемая и потребляемая электроэнергия за период времени Т; Ра и РЬ - цены в узлах а и Ь.

Рис. 1. Двухузловая ЭЭС

Сетевая компания устанавливает двухставочный тариф на передачу электроэнергии: ставка, пропорциональная максимальной заявленной мощности потре-бител РМыс, и ставка, пропорциональная объему передаваемой электроэнергии РЭмс. Затраты потребителя3 на оплату услуг сетевой компании за период времени Т составляют

РЭмс  щ Ґ

ыс ^тах с

где С - максимальная заявленная мощность за период Т.

Заданные функции спроса и предложения соответствуют каждая своему узлу. Для обеспечения их сопоставимости скорректируем функцию спроса потребителей на объем затрат на оплату услуг сетевой

4

компании

РЬщС) = Рь

На основании Рсь(ис) и Ра(ид) рассчитываются объемы и цены рынка через оптимизацию:

тах | рьс^ )Фнс Ра

о о

где разность между ид и ис отражает потери электроэнергии

Aw = wg - wc.

Пропускная способность линии a-b ограничена:

wg — wab max.

новой ЛЭП между узлами а и Ь. Все эти варианты характеризуются функцией Са,{м,- тах), где тах - пропускная способность новой ЛЭП, Са, - среднегодовые издержки на строительство и эксплуатацию этой ЛЭП. Будем считать функцию Са/(ш/ тах) монотонновозрастающей, а Са,/м/ тах монотонно-убывающей. Это значит, что чем больше пропускная способность новой ЛЭП, тем дороже сама линия, но тем дешевле передача по ней единицы электроэнергии.

После того как новая ЛЭП введена в эксплуатацию, узловые цены5 определяются из (1)-(4) с учетом

w ab max wab max + wi max,

где шаЬтах - пропускная способность между узлами а и Ь после ввода в эксплуатацию новой лЭп. Здесь и далее индексом обозначаются параметры после ввода в эксплуатацию новых ЛЭП.

Теперь в предположении отсутствия монополии на передачу рассмотрим риски, прибыльность и оптимальные пропускные способности новых ЛЭП, вводимых компаниями, независимыми от существующей сетевой компании (СК): независимыми сетевыми (НСК) и генерирующими (ГК) компаниями. Также предполагаем, что тарифы новых ЛЭП не регулируются и вместо установленного тарифа они получают выручку от разницы Ра и РЬ.

2. Прибыль и риски ввода и эксплуатации новой ЛЭП Прибыль от реализации инвестиционного проекта определяется как дополнительная выручка компании в целом от реализации проекта за вычетом издержек на проект.

А. Независимая сетевая компания

Годовая выручка НСК6 от ЛЭП i составляет7

L INC i Pb wci P a w g

где Ра, РЬ - цены в узлах а и Ь соответственно после ввода ЛЭП в эксплуатацию; мд/, мс, - электроэнергия, переданная в ЛЭП / и полученная из нее соответственно.

Годовая прибыль НСК от ЛЭП / рассчитывается

как

Ьыс/ = L тс / - Са/.

Можно рассматривать множество вариантов

Предполагается, что услуги сетевой компании оплачивают только потребители электроэнергии.

4 Ставка тарифа сетевой компании, пропорциональная заявленной мощности потребителя, на краткосрочных рынках рассматривается как уже понесенные потребителем издержки и соответственно не учитывается в функциях спроса. Однако для потребителя, осуществляющего долгосрочное планирование деятельности, эти затраты зависят от принимаемых им решений и, следовательно, должны учитываться в функциях спроса на электроэнергию. Поскольку при постоянном графике нагрузки потребителя Мтах с пропорциональна Мс, то выражение (1) правомерно. Случаи, когда график нагрузки меняется при изменении объема потребления, требуют отдельного рассмотрения.

Б. Генерирующая компания Дополнительную годовую выручку ГК от ЛЭП / можно определить как разницу между выручкой без этой ЛЭП8, когда компания вынуждена продавать всю вырабатываемую электроэнергию в узле а

Здесь и далее под узловыми ценами подразумевается Ра и РЬ. РсЬ не рассматривается.

6 Под независимой сетевой компанией подразумевается специализированная сетевая компания, не связанная с существующей в данном регионе сетевой компанией через владение (нет общих владельцев, держателей акций и т.д.).

7 Предполагаем, что независимая сетевая компания владеет только одной ЛЭП в данном районе.

8 Предполагаем, что генерирующая компания владеет только одной электростанцией.

^вс - Ра Ид ,

и выручкой с ЛЭП І, когда часть электроэнергии может быть продана в узле Ь

^ всі — Р Ь И сі + Р а

Прибыль ГК от ЛЭП определяется как

всі — L всі - ^вс - саі - ДБі

где ДБ - дополнительные издержки на генерацию,

ДБ — Б

с. НСК к. ГК.

Разность прибыли ГК и НСК от ЛЭП і составляет

Д1 і — Івс і - 1/ыс і — Ра И д - Ра Ид - ДБ.

Здесь ид > ид, иначе нет необходимости строить новую ЛЭП9. Ра > Ра, т.к. кривая предложения монотон-но-возрастающая. Следовательно, Ра. ид - Ра' ид > 0. Если на интервале от ид до ид кривая предложения находится не ниже кривой производной краткосрочных переменных издержек на генерацию (а иначе нет смысла в увеличении генерации до и д), то Р а. и д - Ра' ид > ДБ. То есть ЛЭП, введенная и эксплуатирующаяся ГК, всегда более прибыльна, чем такая же ЛЭП, введенная и эксплуатирующаяся НСК.

На рис. 2,а показана ситуация равновесия при отсутствии потерь и ограничений пропускной способности. Пунктирной линией показана заявляемая на рынок характеристика спроса. Разность между Ра и РЬ определяется только установленным тарифом на передачу. Выручка сетевой компании соответствует площади прямоугольника АВЕС.

На рис. 2,Ь показана выручка СК от работающей на пределе пропускной способности ЛЭП между узлами а и Ь, если не введено новых ЛЭП. Эта выручка определяется разностью площадей прямоугольников ОВБР и ОДОР. Часть этой выручки возникает из-за

9 За исключением гипотетической ситуации, когда тарифы существующей ЛЭП очень высоки и новая ЛЭП должна полностью заменить существующую, чтобы сэкономить на затратах на передачу. Однако при снижении тарифов на передачу не происходит увеличения объемов, за счет того что ГК сокращает выработку электроэнергии (сдвигает кривую предложения) для максимизации прибыли. Не оценивая сейчас вероятность такого сценария, отметим, что он не может быть использован НСК из-за риска прямой конкуренции с существующей сетью. А ГК он будет использован, если дает больше прибыли, чем сценарии с увеличением выработки. Т.е. вывод о том, что ЛЭП, построенная ГК, более прибыльна, чем такая же ЛЭП, построенная НСК, верен и в этом случае.

ограничения пропускной способности сети. Выручка ГК соответствует площади прямоугольника ОДОР.

На рис. 2,с показана дополнительная выручка ГК, построившей ЛЭП (новая ЛЭП принимает на себя весь переток). Дополнительная выручка соответствует разности площадей прямоугольников ОВ'БТ' и ОДОР. Если функция предложения совпадает с производной КПИ, то дополнительные затраты ГК соответствуют площади фигуры йОО'й', если не совпадает - то ОИИ’й’ (кривая, соединяющая точки Н и Н' — производная КПИ).

На рис. 2^ показана выручка НСК от новой ЛЭП (новая ЛЭП принимает на себя весь переток). Выручка соответствует разности площадей прямоугольников ОВ’Б’Р’ и ОД’О’Р’.

На рис. 2,е и 2^ заштрихованная область отображает разность между выручкой ГК и НСК от эксплуатации ЛЭП, соответствующую (12). На рис. 2,е область ДД’О’О соответствует предположению, что функция предложения и производная КПИ совпадают. Если функции генерации и передачи разделены, эта выручка поступает к ГК из-за роста соответствующей узловой цены и объемов производства и не учитывается при расчете прибыли НСК от новой ЛЭП. Если функции генерации и передачи объединены в одной компании, то эта выручка получена в пределах одной компании и соответственно учитывается как дополнительная выручка от новой ЛЭП.

На рис. 2Д заштрихованная область ДД’О’И’ИО показывает разность между выручкой ГК и НСК от эксплуатации ЛЭП при предположении, что кривая предложения и производная КПИ не совпадают. Так как издержки строительства и эксплуатации новой ЛЭП одинаковы в обеих ситуациях, можно утверждать, что заштрихованная область на рис. 2,е^ отражает разницу прибыли от строительства и эксплуатации новой ЛЭП, получаемой компанией, строящей эту ЛЭП.

Таким образом, для данной постановки задачи новая ЛЭП, построенная и эксплуатируемая генерирующей компанией, всегда более прибыльна, чем такая же ЛЭП, построенная и эксплуатируемая независимой сетевой компанией в связи с интернализацией выручки и несовпадением функции предложения на электроэнергию с производной краткосрочных переменных издержек производства электроэнергии.

Выводы

1. Теоретически показано, что если характеристика спроса монотонно возрастает и производная краткосрочных предельных издержек генерации не превышает функции предложения, новая ЛЭП между электростанцией и потребителем, построенная и эксплуатирующаяся генерирующей компанией, владеющей этой электростанцией, всегда более прибыльна, чем аналогичная ЛЭП, построенная и эксплуатирующаяся независимой сетевой компанией. Причины -интернализация прибыли и отличие функции предложения от производной краткосрочных переменных издержек производства электроэнергии.

2. Предложена графическая интерпретация этого эффекта.

е) f)

Рис. 2. Выручка от передачи электроэнергии между узлами aub

На основании полученных результатов можно предположить, что такое регулирование электроэнергетики, при котором отсутствуют монопольные гарантии для существующих сетевых компаний и генерирующие компании могут строить и эксплуатировать соб-

ственные ЛЭП, наиболее предпочтительно как с точки зрения пропускных способностей сетей, так и с точки зрения цен на электроэнергию у потребителя и объемов передачи электроэнергии.

Библиографический список

1. The British electricity experiment // Edited by J. Surrey, Lon- UK // IEEE Power Engineering Review, June 2001, pp. 3-5.

don: Earthscan Publications Ltd., 1996, p. 320. 3. Lamoureux M. Evaluation of electric utility restructuring in the

2. Lamoureux M. Evolution of electric utility restructuring in the UK // IEEE Power Engineering Review, June 2001, pp. 6-9, 35.

4. Rudnick H. Pioneering electricity reform in South America // IEEE Spectrum, August 1996, pp. 38-44.

5. Hunt S., Shuttleworth G. Unlocking the grid // IEEE Spectrum, July 1996, pp. 20-25.

6. Barkovich B.R., Hawk D.V. Charting a new course in Califor-

nia// IEEE Spectrum, July 1996, pp. 26-31.

7. Васильев М.Ю., Филатов А.Ю. Модели стратегического взаимодействия сетевых и генерирующих компаний на рынке передачи электроэнергии // Журнал Новой экономической ассоциации. 2011. №10. С.54-73.

УДК 621.313

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

© Г.Г. Гоппе1, В.Е. Павлов2

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

На основе исследований с использованием вычислительных экспериментов математических моделей технологических схем трансформаторы - электроприводы - турбомеханизмы - трубопроводные магистрали промышленных установок рассмотрены условия самозапуска электроприводов при возмущениях в электрических сетях.

Ил. 5. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: асинхронный двигатель; самозапуск электроприводов; турбомеханизм; трубопроводная магистраль; напор; производительность.

STUDYING CONDITIONS OF PROCESS PLANT ELECTRIC DRIVE SELF-STARTING UNDER DISTURBANCES IN ELECTRICAL NETWORKS G.G. Goppe, V.E. Pavlov

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article examines the conditions of electric drive self-starting under the disturbances in electrical networks based on the studies using computational experiments of technological scheme mathematical models: transformers - electric drives - turbo mechanisms - pipelines of industrial plants.

5 figures. 3 sources.

Key words: induction motor; self-starting of electric drives; turbo mechanism; pipe line; pressure; performance.

На большинстве промышленных предприятий страны растет износ энергетического и электротехнического оборудования. Известно, что изношенное электрооборудование влияет на рост перебоев в электропитании потребителей и числа аварий в электрических сетях.

Возмущения в электрических сетях и их последствия становятся особенно острой проблемой для предприятий с непрерывным циклом производства. Провалы напряжения приводят к отключению коммутационных аппаратов электроприводов, производственный цикл нарушается, а это приводит к большим экономическим потерям. Число возмущений растет по мере износа электрооборудования, которое достигло в энергетике 60-70%.

В этих условиях предприятия принимают меры по защите от последствий, связанных с возмущениями в электрических сетях. Одним из эффективных мероприятий, в этом направлении, является самозапуск электроприводов ответственных механизмов.

Цель работы состоит в том, чтобы получить дина-

мические математические модели устройств технологической схемы: трансформатор - электропривод -турбомеханизм - трубопроводная магистраль для исследований условий самозапуска с помощью вычислительных экспериментов на математических моделях технологического комплекса при воздействии на него соответствующих возмущений в электрической сети. Результаты этих экспериментов можно использовать при создании схем самозапуска реальных установок. Для этого необходимо рассмотреть сначала модели отдельных устройств, а потом и для комплекса в целом.

Использованный в настоящей работе подход для исследований условий самозапуска отличается от известных по литературным источникам тем, что здесь рассматриваются математические модели устройств технологической схемы: трансформатор -электропривод - турбомеханизм - трубопроводная магистраль. Адекватность реальным процессам для разработанных математических моделей проверена многолетним использованием их не только для усло-

1Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел: (3952) 389095, e-mail: elprivod@istu.edu

Goppe Garry, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 389095, e-mail: elprivod@istu.edu

2Павлов Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 89149306162, e-mail: pvew52@mail.ru

Pavlov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89149306162, e-mail: pvew52@mail.ru