СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТОКАМИ

Полезная модель относится к системам управления и может применяться, в частности, в электроэнергетике для максимизации маржинальной прибыли компании при исполнении обязательств по поставкам через производство и через покупку/продажу на конкурентном секторе рынка электроэнергии.
Известна система управления в области электроэнергетики (см. ЕР 1720125, Пауэр Менеджмент Лтд., G06Q 30/00, опубл. 08.11.2006), содержащая, по крайней мере, один блок хранения данных, аналитический блок, а также канал связи для передачи на него данных от блока хранения данных, причем аналитический блок выполнен с возможностью обработки полученной информации и генерации текущих отчетов о состоянии объекта анализа. К недостаткам известного решения следует отнести то, что указанная система позволяет лишь производить мониторинг показателей энергосистемы (в том числе потоков электроэнергии), а возможность прогнозирования и планирования в ней не предусмотрена. Это в свою очередь не позволяет использовать полученные при помощи известной системы результаты при планировании производства электроэнергии и прогнозировании рентабельности производства электроэнергии.
Целью настоящей полезной модели является создание эффективной системы управления потоками электроэнергии, которая характеризовалась бы более широкими функциональными возможностями по сравнению с известным аналогом и наряду с мониторингом объемов поставки электроэнергии позволяла бы производить планирование поставок с последующей оптимизацией обязательств по поставке электроэнергии с максимизацией маржинальной прибыли компании.
Указанная цель достигается в системе управления энергопотоками, которая содержит блок динамического моделирования покупок/продаж электроэнергии и связанный с ним в двустороннем режиме управляющий блок, причем первый вход блока динамического моделирования связан с выходом системы энергоблоков, второй вход блока динамического моделирования связан с выходом блока хранения данных цен и тарифов, а управляющий блок имеет возможность передачи данных для управления мощностями на систему энергоблоков.
Предлагаемая структура системы позволяет осуществлять не только текущий мониторинг поставок электроэнергии, но также на основе текущего состояния энергоблоков, заложенных нормативов, планируемых работ по вводу-выводу мощностей, изменению уровня износа, данных о расходах топлива, текущих ценах на топливо и энергию, а также экспертных оценок цен на топливо и энергию в будущих периодах, а также других внешних условий и ограничений моделировать состояние (размеры) мощностей в будущем и получать оценочные планы производства электроэнергии, которые далее могут быть использованы, в частности, для составления оптимальных планов закупок и продаж электроэнергии на рынке и планов производства, прогнозирования технологической эффективности предприятия. Ключевым элементом структуры системы является наличие обратной связи между управляющим блоком и блоком динамического моделирования, что позволяет решать в системе различные оптимизационные задачи, производя при необходимости корректировку указанных внешних условий, ограничений. Наличие связей между блоком моделирования и системой энергоблоков, а также блоком хранения данных позволяет вводить в блок моделирования различные виды данных, влияющих на текущее и будущее функционирование предприятия, объемы и рентабельность производства. Связь управляющего блока с системой энергоблоков обеспечивает передачу итоговых результатов моделирования для дальнейшего использования в управлении и планировании работ в системе энергоблоков.
Предпочтительно, второй выход системы энергоблоков связан со входом в блок внешних систем управления, выходы которого связаны с блоком динамического моделирования и управляющим блоком. Связь блока моделирования и управляющего блока с внешними системами управления позволяет решать задачу оптимизации энергопотоков с дополнительными условиями, относящимися к финансовой или административной деятельности предприятия, что наряду с расширением функциональных возможностей системы повышает в конечном итоге эффективность управления предприятием в целом.
Полезная модель поясняется далее более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображена принципиальная схема реализации полезной модели.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - блок динамического моделирования покупок/продаж, 2 - управляющий блок, 3 - блок хранения данных цен и тарифов, 4 - система энергоблоков, 5 - блок внешних системы управления.
В случае реализации, показанном на чертеже, первый вход в блок динамического моделирования покупок/продаж 1 связан с выходом из системы энергоблоков 4, второй вход в блок 1 связан с выходом блока хранения данных 3, третий вход в блок 1 связан с первым
выходом блока управления 2, первый вход в который связан с выходом из блока моделирования 1. При этом второй выход из блока управления 2 связан со входом в систему энергоблоков 4, которая помимо связанного с блоком 1 выхода может иметь также второй выход, связанный со входом в блок внешних систем управления 5. Блок внешних систем 5 может быть также связан своим первым выходом с блоком динамического моделирования 1, а вторым - с управляющим блоком 2. Следует отметить, что здесь и далее под связью между блоками понимается возможность передавать посредством указанной связи данные от одного блока к другому, связанному с ним, напрямую либо через какое-то промежуточное звено. Все связи между блоками могут быть реализованы на практике посредством каналов связи известного типа, уместных в том или ином конкретном варианте осуществления полезной модели, включая каналы проводной, беспроводной и/или радиосвязи с использованием любых уместных протоколов, известных из уровня техники (например, TCP/IP и пр.).
i
В предпочтительных случаях осуществления полезной модели первый вход в блок 1 моделирования предназначен для ввода текущих показателей деятельности энергоблоков (размер установленных мощностей, размер рабочих мощностей, утвержденные планы ремонтов, показатели потребления топлива), второй вход в блок 1 предназначен для ввода необходимых данных о текущих ценах на топливо и энергию, для ввода экспертных оценок цен на топливо и энергию в будущих периодах. С блока 5 внешних систем управления на блок 1 моделирования могут передаваться условия и ограничения, накладываемые оптимальными решениями внешних задач управления, напрямую не относящихся к регулированию энергопотоков, таких, например, как оценка функции затрат для поддержания надежности системы, затраты на развитие до требуемого уровня необходимых компетенции, размер установленных мощностей, планы ремонтов, сальдо денежных потоков и плановые параметры ключевых показателей результативности процессов. С блока управления 2 на блок моделирования 1 могут передаваться условия и ограничения моделирования, а также данные о возможных управленческих решениях. Блок 1 моделирования на основании всей полученной информации предпочтительно производит моделирование зависимости выработки электроэнергии по каждому энергоблоку от времени V(t) в предшествующие периоды и с учетом этой зависимости решает задачу максимизации прибыли от реализации электроэнергии в заданных условиях, которая имеет следующий вид:
Tarif
где P - тариф на электроэнергию (например, в рублях за единицу мощности);
V - объем выработки (например, в кВт);
Р - цена продажи на свободном рынке электроэнергии - например Федеральном Оптовом Рынке Электроэнергии и Мощностей (РСВ - в рублях за кВт);
- объем покупки на РСВ (кВт);
- цена покупки на РСВ (в рублях за кВт);
Т - топливная составляющая (т.е. стоимость удельных затрат на топливо при производстве электроэнергии);
R - расходы энергии на собственные нужды (в денежном эквиваленте по действующим тарифам);
РД - рынок (численное множество) прямых потребителей предприятия;
уст
i
i
V - установившийся объем выработки электроэнергии всеми блоками на заданный момент времени (определяется на основе полученной перед этим зависимости V(t) для каждого i-го энергоблока с дальнейшим суммированием значений V(t) по всем i);
ЧДП - чистый денежный поток предприятия (вводится как граничное условие из блока 5 внешних систем или блока 2 управления);
уд
уд
min
max
Т , T  - граничные условия для удельных затрат на топливо к единице мощности (вводятся на основе экспертных оценок из блока 3 хранения либо корректируются из блока управления 2 либо задаются в блоке внешних систем управления 5).
Первые два слагаемых максимизируемой целевой функции представляют собой доходную часть от реализации произведенной продукции прямым потребителям (первое слагаемое) по действующим тарифам, а также продажи на свободном рынке (второе слагаемое). Третье, четвертое и пятое представляют собой расходную часть - расходы на закупку электроэнергии на свободном рынке (третье слагаемое), удельные топливные затраты (четвертое слагаемое) и расход на собственные нужды.
Первое граничное условие накладывается на объем выработки - она должна быть больше нуля, но не может превышать максимально установленную величину. Второе граничное условие определяет, что величина расходов не должна превышать чистый денежный поток предприятия (условие безубыточности).
Указанная система всегда имеет численное решение относительно значений V для каждого i-го энергоблока и вектора  для каждого возможно контрагента на рынке ФОРЭМ. Полученные численные значения для заданного или различных промежутков времени, рассчитанные в блоке 1, далее предпочтительно передаются на управляющий блок 2, который в свою очередь, учитывая информацию, полученную от блока внешних систем управления 5, как то требуемая величина дохода, рентабельность генерирующих мощностей, оптимальные расходы на топливо и иные плановые значения ключевых показателей результативности, производит выборочное изменение некоторых условий и ограничений, что может послужить организацией нового цикла моделирования, либо формирует итоговый пакет данных, включающий величину оптимальной маржинальной прибыли в заданных условиях, прогнозируемые при этой марже значения производимых и закупаемых объемов электроэнергии (в единицах мощности), так и иную информацию (например, расход топлива). Сформированный пакет данных передается далее с блока управления 2 на систему энергоблоков 4, где может быть использован как в текущих целях, так и при планировании производства. Кроме того, по крайней мере часть данных может передаваться на блок внешних систем управления 5 для их использования в решении иных оптимизационных задач (например, разработке планов ремонта, наращивания мощностей, набора и/или повышения квалификации персонала, расчету финансовых и т.п.), а часть - в блок хранения данных цен и тарифов 3.
На практике система энергоблоков 4 может представлять собой расположенный на территории электростанции комплекс энергоблоков, каждый из которых функционирует на характерном для данной станции виде топлива (газ, мазут, ядерное топливо и т.п.). В состав системы 4 может также входить одно или несколько традиционных устройств контроля работы энергоблоков, которые могут помимо прочего включают в себя сервер контроля, к которому посредством проводной или беспроводной связи обеспечен доступ оператора. На указанном сервере может быть установлено известное программное обеспечение, позволяющее собирать и анализировать данные о текущем состоянии и производительности энергоблоков. Текущее состояние энергоблоков может определяться, в частности, процентом износа энергоблоков, величиной производимой мощности в кВт, величиной максимально-возможной производительности (также в кВт) и т.п.
Блок хранения данных цен и тарифов 3 может быть расположен там же, на территории электростанции (либо, как вариант - на удаленной территории управляющей компании) и представлять собой отдельный сервер для хранения данных (снабженный любой известной СУБД), связанный каналами связи с сервером контроля, либо как вариант располагаться на вышеуказанном сервере контроля (на одном из его дисков). В блоке хранения данных 3 могут содержаться текущие цены на топливо для энергоблоков, текущие тарифы на электроэнергию как для конечных потребителей, так и для участников рынка электроэнергии (генерирующих компаний и трейдеров), экспертные оценки цен на топливо и электроэнергию в будущем.
Посредством каналов связи (например, посредством виртуальной частной сети VPN) сервер контроля энергоблоков и блок хранения данных 3 связаны с аппаратным комплексом управляющей компании, который географически может быть значительно удален от электростанции.
Указанный аппаратный комплекс может включать в себя сервер корпоративной информационной базы данных (БД) и архивирования, серверы внешних систем управления, составляющих в совокупности блок внешних систем управления 5, а также сервер управления энергопотоками, на котором на логическом или физическом диске размещен по крайней мере блок 1 моделирования. Управляющий блок 2 может содержаться как на логическом или физическом диске сервера управления, так и на отдельном сервере, входящем в аппаратный комплекс управляющей компании. Как уже отмечалось выше, блок хранения данных 3 также может быть выполнен в виде отдельного сервера в составе аппаратного комплекса управляющей компании.
Сервер корпоративной БД является связующим звеном, посредством которого система энергоблоков (через сервер контроля) связана с блоками моделирования 1 и управления 2, а также блоком внешних систем управления (СУ) 5. Посредством структурированной кабельной сети все элементы аппаратного комплекса управляющей компании связаны между собой, предпочтительно следующим образом: сервер корпоративной БД связан в двустороннем режиме (т.е. с возможностью как отправки, так и получения данных) с сервером управления энергопотоками, а также связан с серверами внешних СУ (блока 5) с возможностью передачи на них данных, и при этом указанные серверы блока 5 связаны с сервером управления энергопотоками (а при наличии дополнительного сервера для управляющего блока - и с этим сервером) с возможностью передачи на этот сервер (серверы) данных внешних СУ.
В рамках настоящее полезной модели в качестве внешних СУ могут использоваться, например, система управления финансовыми потоками (предназначенная для оптимизации
этих потоков в рамках предприятия), мощностями (для оптимизации процессов производства электроэнергии и поддержания необходимого уровня производительности), система управления талантами и компетенциями (оптимизирующая использование человеческих ресурсов на предприятии), система управления надежностью (оптимизация регламентных работ, строительства новых энергоблоков и электростанций), а также системы оптимизации прочих показателей, оказывающих влияние на работу предприятия. Система может работать следующим образом.
Данные о текущем состоянии генерирующих мощностей (например, значения производимой и максимально-допустимой мощности, а также расход топлива по каждому энергоблоку) фиксируются устройствами контроля работы энергоблоков и передаются далее на сервер контроля, где они записываются в соответствующий массив данных. В результате образуется массив значений производимой мощности в разные периоды времени (т.е. зависимость производимой мощности от времени), расхода топлива от времени.
При запуске блока 1 моделирования покупок/продаж либо циклично через определенный промежуток времени текущие показатели мощности, расхода топлива и указанные архивные данные запрашиваются сервером корпоративной БД на сервере контроля. Одновременно запрашиваются текущие и архивные данные по ценам на топливо и электроэнергию, а также экспертные оценки этих показателей в будущем на сервере хранения данных блока 3. После получения всех запрошенных данных на сервере корпоративной БД они передаются на сервер управления энергопотоками и вводятся в качестве исходных данных для моделирования работы энергоблоков в блоке 1.
уст
i
i
i
Целевой функцией, оптимизируемой в блоке моделирования 1, является величина маржинальной прибыли, рассчитанная в зависимости от величины энергопотоков, производимых и продаваемых конечным потребителям и участникам рынка электроэнергии с одно стороны, и закупаемых на рынке для последующей реализации потребителям с другой стороны. Предпочтительный вид целевой функции и граничные условия для решения оптимизационной задачи, часть которых задается блоком 5 внешних систем, а часть вводится через блок 2 управления, как это было показано ранее, приведены в системе (1). Установившаяся величина выработки (мощности) V, как было указано ранее, определяется для каждого момента времени величиной общей производимой мощности, полученной суммированием значений мощности V(t) по каждому энергоблоку. Для прошлых периодов может быть выбрана, например, авторегрессионная модель зависимости V(t), которая может быть определена численно на базе архивной информации, полученной от системы энергоблоков 4. Экстраполяцией указанной модели могут быть получены оценки V(t) для будущих периодов. После определения оценки мощности V(t) в будущих периодах в
блоке 1 стандартными численными методами может быть решена линейная оптимизационная задача, определенная в системе (1), относительно следующих переменных: объем реализации электроэнергии потребителям, объем реализации электроэнергии на свободном рынке и объем закупаемой электроэнергии.
После формирования зависимостей продаваемых и закупаемых объемов от времени, полученных в результате численного решения системы (1) одним из известных численных методов сформированные данные об энергопотоках передаются из блока моделирования 1 в управляющий блок 2, в котором производится проверка соответствия полученных значений маржинальной прибыли и величин энергопотоков ожидаемым плановым показателям.
В случае соответствия указанных показателей ожидаемым величинам полученные значения энергопотоков, а также иные данные (например, прогнозируемые расходы топлива, исходя из полученной оценки выработки) передаются через сервер корпоративной БД на вход системы энергоблоков 4 (на сервер управления) и производственный процесс на станции в дальнейшем корректируется в рамках полученных значений V(t). Кроме того, полученные оценочные значения мощности и оптимальная величина маржинальной прибыли могут передаваться на блок внешних систем управления 5 для их использования при решении внешних задач управления надежностью, компетенциями, финансовыми потоками и мощностями и т.д.
В случае, если полученные оценочные показатели энергопотоков и величина маржинальной прибыли в целом не удовлетворительны, моделирование может быть произведено снова (по команде управляющего блока 2, передаваемой на блок 1). При этом могут быть изменены различные ограничения, накладываемые на целевую функцию (1) (в частности, изменены границы расхода топлива, величины денежного потока и пр.) В результате нескольких итераций моделирования может быть выбрано оптимальное решение, устраивающее аналитиков по всем или большинству заданных критериев.
В заключение следует отметить, что вышеприведенное описание конкретных случаев реализации полезной модели не является исчерпывающим и не может таким образом рассматриваться, как ограничивающее объем испрашиваемой правовой охраны каким либо образом. Ясно, что вместо указанных параметров, вида и типа передаваемой информации в отдельных случаях реализации могут быть использованы и иные параметры, виды и типы информации. При этом такие примеры не будут выходить за рамки существа полезной модели, которое определяется не передаваемой информацией между блоками, а именно компоновкой системы управления в том виде, как это изложено в прилагаемой формуле полезной модели.