// Журнал «Промышленная Энергетика», 2013 - № 06, стр. 12-15

Ранговый анализ распределенных потребителей электроэнергии Республики Саха (Якутия)

Киушкина В. Р., Антоненков Д. В., кандидаты техн. наук

Технический институт (филиал) ФГАОУ ВПО "Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова", г. Нерюнгри

Рассмотрено применение математического аппарата на основе рангового анализа для моделирования электропотребления улусов (районов) Республики Саха.

Электроэнергетический комплекс Республики Саха - это обладающая техноценологическими свойствами, ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность источников и потребителей электроэнергии, а также транспортно-сетевого хозяйства и системы материально-технического обеспечения. Она реализует устойчивое электроснабжение совместно с внешней энергосистемой или изолированно от нее [1 - 3]. Исходя из указанного, стратегия развития комплекса должна предусматривать сбалансированное развитие всех его подсистем: основного генерирующего, транспортно-сетевого, резервного генерирующего и электротехнического комплексов, а также системы материально-технического обеспечения. Следует отметить, что с точки зрения долгосрочной инвестиционной стратегии ключевое значение имеет правильное определение структуры и параметров генерирующего комплекса, а с точки зрения требований устойчивого развития - правильный выбор и внедрение методологии оптимального управления электротехническим комплексом.

Состояние энергетического комплекса определяется наличием полезных ископаемых (энергоносителей), степенью развития инфраструктуры, экономическим уровнем, географическим положением и климатом. Республика Саха специфична по многим факторам, в частности, площадь обслуживания превышает 3 млн. км, а обособленные энергорайоны при низкой плотности населения (0,3 чел. на 1 км2) различны как по мощности, так и по видам используемого источниками генерации топлива (уголь, газ, дизельное топливо, энергия водного потока) [4].

В условиях ресурсных ограничений и роста электропотребления большое значение приобретает планирование инвестиционных проектов с целью обеспечения недискриминационного и надежного доступа потребителей к электрической энергии. Поэтому требуется как можно более точное прогнозирование потребностей в электроэнергии. Для выработки концепции развития систем электроснабжения важно изучение системных свойств и связей в структурах установленного электрооборудования. При значительном его износе оптимизация технического обслуживания и ремонта позволит повысить надежность электроснабжения. Поэтому необходимо создавать информационно-методическое обеспечение на базе современных научных методов, что предполагает изучение структурного состава потребителей для обоснованного тарифообразования, а также внедрять компьютерные технологии учета электроэнергии как информационную основу контроля энергосбережения.

Проведенные исследования системных свойств комплекса выявили, что структура электропотребления улусов соответствует гиперболическим рангопараметрическим Н-распределениям. При этом использовали статистические данные временных рядов годового электропотребления за период с 1998 по 2011 г. Проверка распределения потребителей по   значению   годового   электропотребленияпоказала, что гипотеза о нормальности распределения здесь неприемлема. Применив для моделирования совокупности предприятий и организаций региона по годовому электропотреблению гиперболическое рангопараметрическое Н-распределение, рассчитали достоверность аппроксимации R², которая в исследуемой выборке в разные годы составила от 0,68 до 0,86 (см. рис. 1).

Результаты децильного анализа структуры годового электропотребления в республике, свидетельствуют о том, что улусы с наибольшим электропотреблением, образующие первый дециль, потребляют 94,4 %. Объем электропотребления улусами второго дециля намного меньше - 2,1 %, третьего - 1,3 %, четвертого - 0,86 %, пятого - 0,56 % и т.д. от общего потребления электрической энергии. Отношение объемов электропотребления улусами первого и последнего децилей составило 9645 (что резко противоречит оптимуму ценологической теории), а отношение объемов электропотребления самым крупным и самым мелким улусами -  31 253.  Следует отметить также, что четыре самых крупных улуса республики потребляют 95 % всего объема электроэнергии.

Рис. 1. Ранговые H-распределения электропотребления, МВт·ч, по годам

За основу статистической меры согласованности приняты средняя сумма рангов электропотребления одним улусом и отклонения от нее. Если выделяются n улусов (район) и m временных точек (лет), то сумма рангов на 1 год равна n(n+1)/2 (как сумма n членов натурального ряда), а общая сумма рангов - mn(n+1)/2. Максимальная сумма квадратов отклонений (основа формулы коэффициента согласованности):

,

где D - отклонение суммы рангов предприятия от средней их суммы для всех объектов.

Если все ранги предприятий при движении по ранговой поверхности совпадают, то W= 1, а если полностью не совпадают, то W= 0 (для улусов коэффициент конкордации составил 0,919). Коэффициент конкордации ранговых распределений электропотребления, как правило, свидетельствует об устойчивости ранговой поверхности в целом, взаимосвязи на системном уровне тенденций развития объектов одного улуса (района) и республики.

Рис. 2. Динамика первой точки, МВт·ч, и рангового коэффициента во времени.

Приведенные доводы подтверждают правильность подхода к потребителям улусов как к республиканскому техноценозу. И соответственно для математического описания исследуемой статистики возможно применение рангового и ценологического анализов.

Как показывают результаты исследования динамики первого рода, ранговый коэффициент немного растет, т. е. первые и последние точки рейтинга движутся в противоположные стороны (см. рис. 2).

Текущее состояние республиканской энергосистемы отражают крайне выраженная ее несбалансированность и недостаточная эффективность работы в целом, которые характеризуют ранговый коэффициент β распределения, выходящий за пределы диапазона [0,5; 1,5].

Проблема обеспечения электрической энергией всех групп потребителей все более обостряется, и поэтому стратегия энергетической безопасности требует рассмотрения новых путей ее эффективной реализации. Возникает вопрос, как оценить правильность, распределения и эффективность использования энергии. Скорость изменения рангов большинства из 35 улусов Республики Саха относительно низка (практически постоянна). Среди них можно выделить улусы как с растущим рейтингом, так и с падающим.

Из рис. 3, где показана структурно-топологическая динамика электропотребления, видно, что в некоторых улусах (Алданском, Ам-гинском, Нюрбинском и др.) весьма существенно изменялись ранг и электропотребление за рассматриваемый промежуток времени, а в таких, как города Якутск и Нерюнгри с прилегающими   территориями,   Мирнинский район и другие - незначительно (динамика их потребления наиболее близка к изменению электропотребления всей республики). В основном улусы более или менее плавно меняются в рейтинге местами, четверка лидеров (Мирнинский район, города Нерюнгри и Якутск с прилегающими территориями, Усть-Янский и Верхоянский районы) остается стабильной (см. рис. 3).

Обработка данных рейтинга показала устойчивость изменения во времени констант рангового Н-распределения: первой точки W и рангового коэффициента р. Динамика последнего свидетельствует об устойчивости структуры электропотребления улусов, несмотря на структурные изменения и общий спад электропотребления.

Таким образом, ценологический анализ дает возможность оценить оптимальность существующей структуры установленных генерирующих и потребляющих мощностей. При определении электроэффективности регионов ранговые Н-распределения по параметру W позволяют выявить место каждого улуса по значению электропотребления и увидеть их траекторию движения. Рейтинг по улусам позволяет не только оценить фактическую электроемкость, но и определить объем энергосбережения путем контроля за потерями и нерациональным расходом электроэнергии. Рейтинговый анализ по объему электропотребления наиболее точно дает оценку роста производства и возможность предотвратить отрицательные последствия, связанные с дефицитом энергии.

Рис. 3. Структурно-топологическая динамика электропотребления улусов Республики Саха.

Установленная мощность большинства изолированных станций, работающих как в группе, образующей локальные электрические сети, так и отдельно, колеблется от 0,1 до 28 МВт, централизованных крупных электростанций - от 120 до 680 МВт. На территории децентрализованной зоны Республики Саха преобладают крупные ДЭС, функционирующие в режиме недоиспользования установленной мощности. Объем электропотребления от крупных энергоисточников составляет до 80 %, при этом 30 % населения остается вне централизованного электроснабжения. Поэтому необходимость в малых электростанциях, в частности, на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электрификации удаленных потребителей существует сегодня и будет востребована в будущем. Стратегия развития электроэнергетического комплекса республики должна включать в себя несколько "векторов" оптимизации. На рассматриваемую перспективу приоритет малой энергетики в ряде северных районов принадлежит жидкому (углеводородному) топливу и новому источнику энергии - интенсификации энергосбережения. Второе направление помимо организационно-технологических мер по экономии энергоресурсов включает использование нетрадиционной энергии (атомной, энергии ветра, солнца, малых рек и др.), если себестоимость производства 1 кВт · ч будет меньше, чем при использовании привозного жидкого топлива.

Список литературы

1. Кудрин Б. И. Введение в технетику. — Томск: ТГУ, 1993.

2. Гнатюк В. И. Закон оптимального построения техноценозов. — Компьютерная версия, перераб. и доп. — М.: Изд-во ТГУ — Центр системных исследований, 2005 - 2009 (http: //gnatukvi.ru/ind.html).

3. Фуфаев В. В. Ценологическое влияние на электро-потребление предприятия. — Абакан: Центр системных исследований, 1999.

4. Киушкина В. Р. Энергоэффективность Республики Саха (Якутия) / Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования". — Томск: ТГУ, 2008.