Бизнесиеноз «Региональные и локальные изолированные энергосистемы России»
В. К. Лозенко, доктор техн. наук, профессор,
Московский энергетический институт (ТУ)
А. Н. Брусницын, гл. специалист, brusnitsynan@mail.ru
ООО «Газпром энергохолдинг»
Вопрос надёжного и качественного энергообеспечения районов Крайнего Севера и Дальнего Востока является весьма актуальным. В настоящее время около 70 % территории России с постоянно проживающим населением в 10 млн. человек, где расположено 70 городов, более 360 посёлков городского типа и около 1400 мелких населённых пунктов, получает электроэнергию от изолированных энергосистем (ИЭС).
Для обеспечения таких регионов электроэнергией помимо десятка крупных и средних электростанций (ГРЭС, ТЭЦ мощностью более 30 МВт) используются десятки электростанций малой энергетики (мощностью до 30 МВт) на базе традиционных и возобновляемых источников энергии, а также, согласно [1], 49,5 тыс. дизель-генераторных установок суммарной установленной мощностью около 17 тыс. МВт и с выработкой электроэнергии около 50 млрд. кВтч в год.
ГОСТ 21027—75 "Системы энергетические" под изолированной энергосистемой понимает энергосистему, не имеющую электрических связей для параллельной работы с другими энергосистемами.
К технически изолированным региональным энергосистемам относятся энергосистемы Северного, Западного и Центрального районов Республики Саха (Якутия), Камчатского Края, Сахалинской области, Чукотского автономного округа, Магаданской области, полуострова Таймыр. При этом в настоящем исследовании в качестве нижней границы установленной мощности ИЭС примем Руст = 2,0 МВт, полагая, что в любом посёлке (селе), имеющем автономное энергоснабжение, потребителями электроэнергии будут население, предприятия инфраструктуры и бюджетные организации. Отметим также, что в этих регионах наряду с крупными изолированными энергосистемами имеется большое количество автономных энергоузлов малой мощности, которые, в свою очередь, будем относить к ИЭС.
Рассмотрим наиболее репрезентативные региональные изолированные энергосистемы.
Республика Саха (Якутия). В настоящее время ИЭС занимает первое место в России по площади обслуживания (территория Республики составляет 1/5 часть России), а также по количеству генерирующих источников и протяжённости ЛЭП всех классов напряжения (свыше 20 тыс. км — половина длины экватора). Республика условно разделена на четыре автономных энергорайона, не связанных между собой электрическими сетями: Центральный, Южный, Западный и Северный.
На 1 января 2009 г. установленная электрическая мощность энергообъектов, входящих в энергосистему Республики Саха (Якутия), составляла 1513,6 МВт, тепловая — 1698,6 Гкал/ч. Объекты расположены в сложнейших природно-климатических условиях: почти вся Республика лежит в зоне вечной мерзлоты, а амплитуда колебаний температуры наружного воздуха превышает 100 "С (зимой температура опускается до -60 °С, а летом повышается до +40 °С).
Энергетика Якутии представлена гидрогенерацией (Вилюйская ГЭС), паротурбинной (Якутская ГРЭС, Якутская ТЭЦ и др.) и дизельной генерацией (около 170 локальных дизельных электростанций (ДЭС). Дизельная генерация используется, в основном, в северных районах на территории 2,2 млн. кв. км (2/3 территории Республики) с населением 150 тыс. человек. Такую территорию невозможно охватить линиями электропередачи, а отсутствие крупных населённых пунктов и промышленных потребителей делает нецелесообразным строительство источников генерации большой установленной мощности, вследствие чего энергообеспечение этих районов, в основном, носит социальный характер. Все ДЭС, как правило, изолированные и работают на свои распределительные электросети, охватывающие территорию отдельного посёлка или села.
Камчатский край. ИЭС охватывает полуостров Камчатка и Командорские острова с территорией 472,3 тыс. кв. км. На 01.01.2009 г. суммарная установленная электрическая мощность энергообъектов, входящих в энергосистему Камчатского края, составляла 561,0 МВт. К ним относятся объекты гидрогенерации (каскад Толмачёвских ГЭС), паротурбинной (Камчатские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2), геотермальной (Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская и Мутновская ГеоЭС) и дизельной генерацией (16 локальных дизельных электростанций).
Энергосистема Камчатского края состоит из Центрального изолированного энергоузла (образованного девятью энергообъектами), Озерновского изолированного энергоузла (два энергообъекта) и 11 автономных энергоузлов, охватывающих, как правило, территорию отдельного посёлка или села (преимущественно на базе дизельных электростанций).
Сахалинская область занимает 87,1 тыс. кв. км (0,5 % территории Российской Федерации), численность населения — около 511 тыс. человек. На 01.01.2009 г. суммарная установленная электрическая мощность энергообъектов, входящих в энергосистему области, составляла 859 МВт (без учёта мощностей, обеспечивающих электроэнергией проекты "Сахалин-1" и "Сахалин-2").
Сахалинская энергосистема состоит из трёх изолированных энергорайонов, собственно острова Сахалин (Центральный, обеспечивающий электроснабжение южной и центральной частей острова, Охинский - север острова и Новиковский - юго-восточная часть острова), а также автономных энергоузлов Курильских островов.
Региональные и локальные изолированные энергосистемы России как производители электроэнергии представляют собой большую искусственную систему различной природы, детальное и системное исследование которой является сложной задачей. Для исследования подобных систем различной природы в последние десятилетия активно используются ценологические методы, апробированные при изучении закономерностей больших биологических систем. Основоположником использования ценологических методов для исследования больших искусственных технических систем (техноценозов) является проф. Кудрин Б. И. [2].
В развитие понятия «техноценоз» проф. Лозенко В. К. ввёл понятие «бизнесценоз» [3], которое было определено как совокупность ограниченных в пространстве (организация, регион, страна, группы стран, мир) и времени слабовзаимодействующих между собой (опосредованно взаимодействующих через рынок) бизнес-структур, каждая из которых состоит из людей, корпоративной культуры, организационной структуры, документационной системы, инфраструктуры и производственной среды.
Отличительным признаком любого био-, техно- или бизнесценоза является то, что структура образующих его элементов по повторяемости видов устойчива и определяется гиперболическим H-распределением, описываемым (в идеальном случае) выражением:
где r - порядковый номер (ранг) вида {r = 1, 2, ..., rk), при этом виды строго упорядочены по числу одинаковых особей (первый номер соответствует виду с наибольшим числом особей, а последний — виду с наименьшим числом особей); Ur — число особей вида r; β и B — константы рангового распределения, имеющие ограничения.
Описание бизнесценоза "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" выполнено на примере энергосистем Республики Саха (Якутия), Камчатского края и Сахалинской области как наиболее репрезентативных. На основе годовых отчётов региональных субъектов электроэнергетики создана систематизированная база данных по видам и особям данного бизнесценоза (представлена в табл. 1). В качестве классификационного признака рассматриваемого бизнесценоза принята установленная мощность Руст единичной изолированной энергосистемы (автономного энергоузла), МВт. В табл. 1 показано, сколько ИЭС соответствующей мощности Ц имеется в рассматриваемом бизнесценозе; всего авторам удалось идентифицировать установленную мощность 482 единичных изолированных энергосистем.
1. База данных ИЭС
|
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
|
|
Руст Ui |
2246 1 |
680 1 |
490 2 |
312 2 |
225 1 |
120 1 |
96 1 |
80 1 |
56 2 |
28 4 |
12 32 |
8,5 5 |
8,3 6 |
8,1 4 |
7,9 3 |
7,7 2 |
7,5 5 |
7,3 4 |
7,1 3 |
6,9 5 |
6,7 3 |
6,5 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
№ |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
36 |
37 |
38 |
39 |
40 |
41 |
42 |
43 |
44 |
|
|
Руст Ui |
6,4 4 |
6.3 1 |
6.2 1 |
6,1 3 |
6 8 |
5,9 2 |
5,8 3 |
5,7 3 |
5,6 3 |
5,5 1 |
5,4 2 |
5,3 3 |
5,2 2 |
5,1 3 |
5 4 |
4,9 4 |
4,8 1 |
4,7 3 |
4,6 3 |
4,5 5 |
4,4 5 |
4,3 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
№ |
45 |
46 |
47 |
48 |
49 |
50 |
51 |
52 |
53 |
54 |
55 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
66 |
|
|
Руст Ui |
4,2 3 |
4,1 5 |
4 6 |
3,9 4 |
3,8 3 |
3,7 4 |
3,6 4 |
3,5 8 |
3,4 8 |
3,3 5 |
3,2 8 |
3,1 13 |
3 12 |
2,9 13 |
2,8 11 |
2,7 11 |
2,6 12 |
2,5 6 |
2,4 12 |
2,3 15 |
2,2 40 |
2 121 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В действительности количество изолированных энергосистем существенно больше. Так, многие промышленные предприятия различных отраслей народного хозяйства имеют в своём распоряжении автономные источники энергообеспечения. Например, в Сахалинской области проекты "Сахалин-1" и "Сахалин-2" имеют собственную автономную генерацию, не связанную ни с одной изолированной энергосистемой Сахалинской области, а население удалённых изолированных энергорайонов, как правило, имеет собственные локальные источники энергообеспечения.
Однако авторы считают полученную выборку по установленной мощности ИЭС достаточно репрезентативной. Во-первых, учтены практически все самые крупные по установленной мощности изолированные энергосистемы (представители так называемой "ноевой" касты), поскольку информация по ним доступна в официальных источниках соответствующих генерирующих компаний. Это позволит сформировать ценоз с максимально возможным количеством различных видов с редко встречающимися осо-бями. Во-вторых, неучтённые в этом ценозе изолированные энергосистемы относятся к видам с максимальным количеством особей (представители касты "саранчёвой"), поскольку достаточно сложно определить количество "домашних" дизельных электростанций, а также паро- и газотурбинных электростанций малой мощности, мини-ГЭС и ветровых электростанций. Их отсутствие в этом ценозе не изменяет его структуру, поскольку виды, которые они могли бы пополнить, представлены в достаточной мере.
В соответствии с процедурами рангового анализа, в -выделенном ценозе один вид от другого должен отличаться существенно. В качестве основного классификационного признака ценоза авторами была выбрана установленная мощность изолированной энергосистемы. Если устанавливать различия одного вида от другого на основании равномерной шкалы, то не будет выполняться требование "существенного различия" между видами. Поэтому, применительно к рассматриваемому ценозу, авторы предлагают, следуя рекомендациям [4], ввести для рангового распределения неравномерную шкалу так, чтобы средняя установленная мощность изолированной энергосистемы в каждом следующем ранге Z для всего ценоза бы в K раз больше (К > 1), чем средняя установленная мощность изолированной энергосистемы предыдущего ранга (Z - 1).
Для проведения исследований ценоза "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" авторами предложено установить для коэффициента К следующие значения 1,15 <К< 1,35. Введённые ограничения, по нашему мнению, удовлетворяют требованию "существенного отличия" одного вида от другого. Если средняя установленная мощность изолированных энергосистем рангов Z и Z - 1 различаются менее чем на 15 %, то говорить об их существенном отличии не приходится, так как такое различие находится на уровне организации (технологии обслуживания) энергосистемы (в зависимости от клиентов рынка её электроэнергии). Если же средние установленные мощности ИЭС рангов Z и Z - 1 различаются более чем на 35 %, то в этом случае в один вид попадут энергосистемы с существенно различными техническими характеристиками и составом их энергооборудования.
В
рассматриваемом ценозе установленная мощность изолированных энергосистем лежит
в пределах от 
= 2 МВт до 
= 2246 МВт. Для усреднённых
величин установленных мощностей первого, второго и i-го
рангов получим
Для параметрически-интервального распределения ценоза "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" можно определить количество рангов Z в зависимости от принятых значений интервальных коэффициентов К, определивших темп увеличения средней установленной мощности изолированных энергосистем при переходе от одного ранга к следующему. Установленная мощность изолированных энергосистем на границах 1 -го и 2-го рангов, 2-го и 3-го рангов и, соответственно, Zн (Z+1) рангов имеют следующий вид:
Учитывая,
что 
, получим
откуда
Конкретные значения Z находят путём решения уравнения (4) для различных значений К. Чем меньше значение К, тем большим количеством видов будет представлен ценоз "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России". В частности, для значений К, равных 1,15; 1,25 и 1,35, количество видов будет равно 50, 31 и 23 соответственно.
При построении табулированного распределения должно выполняться обязательное условие - чем меньше численность вида в ценозе, тем выше его основной видообразующий параметр. Виду, имеющему максимальную численность изолированных энергосистем, присваивается ранг № 1. Для всех остальных видов с убывающей численностью устанавливаются последовательно соответствующие по номерам ранги, вплоть до последнего вида самой малой численности.
Чтобы иметь возможность сравнивать реальные распределения установленных мощностей ценоза "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" с идеальным, рассчитаем соответствующее идеальное Н-распределение. Для определения конкретных значений числа изолированных энергосистем Ur для каждого ранга при идеальном распределении для различных значений К и β необходимо знать значения константы рангового распределения В. При известном общем числе изолированных энергосистем U с учётом выражения (1) можно записать:
Фактическое (♦) и идеальное (■) распределение объектов ценоза «Региональные и локальные изолированные энергосистемы России»
В частности, для β=1,0 из (5) получим:
B= U/(1 + 1/2+1/3+...+1/Z). (6)
При известных значениях U, В, К и β расчёт конкретных значений количества ИЭС для каждого ранга при идеальном распределении не составляет труда.
В табл. 2 приведена табулированная информация о числе рангов и количестве изолированных энергосистем (идеальном Uидеал и фактическом) каждого ранга рассматриваемого ценоза для К= 1,25. На рисунке представлены фактические параметрически-интервальные распределения ценоза "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" и теоретические гиперболические H-распределения для β = 1,0 и K=1,25.
Видно, что фактическое распределение количества ИЭС в рассматриваемом ценозе с достаточно высокой степенью точности может быть описано гиперболической кривой.
2. Ранговое распределение
изолированных энергосистем.
|
Ранг |
Uидеал |
Uфакт |
|
|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 |
120 60 40 30 24 20 17 15 13 12 11 10 9 9 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 |
188 72 44 35 38 31 20 17 15 0 0 4 0 0 2 0 1 1 1 0 0 1 2 0 2 0 1 0 0 0 1 |
2,0 2,5 3,1 3,9 4,9 6,1 7,6 9,5 11,9 14,9 18,6 23,3 29,1 36,4 45,5 56,8 71,1 88,8 111,0 138,8 173,5 216,8 271,1 338,8 423,5 529,4 661,7 827,2 1034,0 1292,5 1615,6 |
2,5 3,1 3,9 4.9 6,1 7,6 9,5 11,9 14,9 18,6 23,3 29,1 36,4 45,5 56,8 71,1 88,8 111,0 138,8 173,5 216,8 271,1 338,8 423,5 529,4 661,7 827,2 1034,0 1292,5 1615,6 2246.5 |
Таким образом, впервые с использованием методов ценологической теории описан ценоз "Региональные и локальные изолированные энергосистемы России" - упорядоченное представление количества ИЭС в зависимости от их установленной мощности (классификационного параметра) и построено распределение для этого количества ИЭС. Установлено, что распределение количества ИЭС в этом ценозе с достаточно высокой степенью точности может быть аппроксимировано гиперболической кривой, что свидетельствует о его высокой устойчивости.
Авторы считают, что в среднесрочной перспективе (15-25 лет) структура рангового распределения рассматриваемого ценоза в целом сохранится, но будет подвержена существенным технологическим изменениям с увеличением доли установленных мощностей на базе инновационных энерготехнологий (с использованием возобновляемых источников энергии, парогазовых установок, а также технологий замещения дизельного топлива на водородное).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дизельвые электростанции / К. К. Ильковский, Н. М. Парников, И. Я. Редько и др.; Под ред. А. П. Ливийского. Хабаровск: Издательский дом "Приамурские ведомости", 2003. 160 с.
2. Кудрин Б. И. Применение понятий биологии для описания и прогнозирования больших систем, формирующихся технологически / Электрификация металлургических предприятий Сибири. Выл. 3. Томск: ТГУ, 1976. С. 107.
3. Лозенко В. К. Эволюционные законы бизнесценозов // Общая и прикладная пенология. 2007. № 5. С. 39-44.
4. Лозенко В. К., Муборакшоева Д. Т. Ценологический подход к исследованию рынка деловой авиации // Электрика. 2009. № 9. С. 41-45.