«ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ ...»

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский университет

«Высшая школа экономики»

На правах рукописи

Сальникова Евгения Александровна

ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ

В ЭНЕРГЕТИКЕ

Специальность: 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами – промышленность) Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук

Научный руководитель:

доцент, д.э.н. Волкова Ирина Олеговна Санкт-Петербург – Оглавление ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

КОНЦЕПЦИИ «АКТИВНОГО» ПОТРЕБИТЕЛЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ...... Анализ специфики условий участия потребителей в современном 1.1.

рынке электроэнергии

Теоретические основы поведения потребителей

1.2.

1.2.1. Экономическая теория поведения потребителя

1.2.2. Теория управления социально-экономическими системами......... 1.2.2.1. Теория активных систем

1.2.2.2. Теория управления организационными системами

Обзор существующих подходов к моделированию поведения 1.3.

потребителей в электроэнергетике

1.3.1. Типы потребителей в энергосистеме

Выводы по Главе 1

ГЛАВА 2 ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ «АКТИВНОГО»

ПОТРЕБИТЕЛЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Разработка основных положений концепции «активного»

2.1.

потребителя в интеллектуальной энергосистеме

Разработка методики обоснования стратегии «активного»

2.2.

потребителя, включающая формирование графика энергопотребления и режима загрузки собственной генерации

Анализ существующих моделей поведения потребителей в 2.2.1.

энергетике

Формирование модели принятия решений «активного»

2.2.2.

потребителя

Разработка классификации задач по управлению режимами 2.2.3.

энергопотребления и собственной генерации потребителей............ Формирование системы решений задачи по управлению 2.2.4.

режимами энергопотребления и собственной генерации потребителей 2.2.4.1. Задача выбора режима работы собственной генерации..... 2.2.4.2. Задача выбора профиля нагрузки потребителя

2.2.4.3. Методика обоснования стратегии «активного» потребителя, включающая формирование графика энергопотребления и режима загрузки собственной генерации

Выводы по Главе 2

ГЛАВА3. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ,

НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ «АКТИВНОГО»

ПОТРЕБИТЕЛЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Разработка классификации «активных» потребителей с точки 3.1.

зрения степени вовлеченности потребителей в цепочку создания ценности и уровня потенциала участия в программах управления спросом

Разработка системы механизмов реализации и стимулирования 3.2.

активного поведения потребителя в России

Интеграция собственной генерации

3.2.1.

Механизм стимулирования разгрузки

3.2.2.

Механизм встречного планирования

3.2.3.

Механизмы управления спросом

3.2.4.

Оценка результативности реализации концепции «активного»

3.3.

потребителя

Выводы по Главе 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Актуальность темы исследования.

Изменение технологического базиса энергетики – формирование интеллектуальных энергетическим систем приводит к децентрализации принятия экономических решений, существенным изменениям в управлении отраслью и правилах взаимодействия экономических последнего времени выступавших только в роли потребителей услуг кардинального изменения экономического поведения соответствующих агентов рынка с «пассивного» на «активное»: изменяются функции и роль агентов-потребителей услуг в энергосистеме, происходит трансформация потребителя от стороны, принимающей диктуемые энергосистемой условия взаимодействия, к роли «заказчика» услуг – активного потребителя. Новые роли проявляются в действиях по управлению спросом и в предоставлении дополнительных системных способностью конкурировать с генерацией.

Изменение роли агентов-потребителей диктует необходимость пересмотра подходов к управлению в отрасли: переориентация от Supply Chain Management – концепции, ориентированной на управление издержками компаний-производителей, – к Demand Chain Management – концепции, основанной на непосредственном вовлечении потребителя в процесс создания ценности. В электроэнергетике основой для клиентоориентированной модели рынка электрической энергии, базирующейся на интеграции активного потребителя в систему организационно-экономических отношений в отрасли.

В настоящее время методологическое обеспечение процесса «активизации» потребителя в условия российской модели рынка электроэнергии и мощности разработано недостаточно: требуется проведение дополнительных исследований в части формировании отраслевой системы Demand Chain Management Management – Demand Side Management (ключевой составляющей которой является Demand Response), включающей механизмы стимулирования потребителей к активному поведению на рынке, а также выявление основных факторов, влияющих на их поведение, в целях создания инструментов, которые позволят потребителям формировать стратегию своего поведения на рынке.

Состояние научной разработанности проблемы Переход к интеллектуальной энергетике, основой которой является клиентоориентированность, обусловил необходимость изучения теоретических и методологических подходов к смене роли потребителя на рынке электроэнергии и формированию методов реализации его активного поведения.

Зарубежные [Loughran, Kulick, 2004; Davito, Tai, Uhlaner, 2010;

Bhattacharyya, 2011; Bilton, Ramsey, Leach, Devine-Wright, Kirschen, 2008] и отечественные ученые [В.В. Бушуев, 2011-2013; Ф.В. Веселов, 2011; И.О. Волкова, 2010-2013; Н.И. Воропай, В.В. Дорофеев, А.А.

Макаров, 2009-2013; В.В. Глухов, 2012; Б.Б. Кобец, 2010-2011;

В.Р. Окороков, 2010-2012; Л.Д. Хабачев, 2012] в своих исследованиях обращают внимание на необходимость вовлечения потребителей электроэнергии в цепочку создания ценности и формировании новой отраслевой структуры на базе реализации ее нового функционального свойства – клиентоориентированности.

«Активизация» потребителя в отрасли через его включение в процесс создания ценности на основе системы методов и механизмов Demand Chain Management, появившегося в 90-х г. и получившего свое развитие в целом ряде работ [Vollman, Cordon, Raabe, 1995; Juttner, Christopher, Baker, 2008;

Смирнова, 2008; О.А. Третьяк, 2008, 2013], трансформировалась в отраслевую систему механизмов «активизации» потребителей - Demand Side Management [ERPI, 2008; IEA, 2003; McKinsey, 2010; Bhattacharyya, 2011; Grubb, 2008; Devine-Wright, 2004; KEMA, 2011].

Важным аспектом при формировании механизмов Demand Side Management поведения. Исследования ряда американских [S. Pullins, 2012; A. Faruqui, R. Hledik, S.George, J. Bode, P. Mangasarian, I. Rohmund, G.Wikler, D.Ghosh, S. Yoshida, 2009, 2011] и отечественных [В.Н. Бурков, М.В.

Губко, Д.А. Новиков, 2012] ученых показывают, что поведение потребителей определяется не только ценой на электроэнергию, но и степенью удовлетворенности графиком потребления. Подходы к оценке степени удовлетворенности потребителей ведущие исследователи базируют на работах основоположников теории потребительского выбора [И. Бентам, 1789; Г.Г. Госсен, 1927; К. Менгер, 1871;

рационального ведения потребителей и принципа максимизации полезности.

соответствии со строгими ограничениями, формируемыми принятой в государстве моделью рынка, жестко определяющей роли и правила поведения всех игроков рынка.

Задачи выбора стратегий активного поведения потребителей уходят корнями в управление его поведением в энергосистеме. Эти проблемы изучались в различные периоды времени как отечественными, так и зарубежными учеными. Результаты исследований советских и Михайлов, 1986; Гребенюк Г.Г., Соловьев М.М., 2004] сводятся, в основном, к управлению поведением потребителя с целью сглаживания графика нагрузки энергосистемы, что в недостаточной степени отражает использования собственной генерации и не ориентированы на рынок электрической энергии. Зарубежные исследователи [Juan M. LujanoRojas, Claudio Monteiro, Rodolfo Dufo-Lopez, Jose L. Bernal-Agustn, 2012], развивая достижения предшественников с учетом специфики сформированных рынков электрической энергии, предлагают за основу модели потребительского поведения принять максимизацию функции разницы денежного эквивалента выгодности графика потребления и затрат на энергоснабжение.

Вместе с тем теория и методология управления поведением потребителя требуют существенной доработки в условиях перехода к развитию интеллектуальной электроэнергетики, так как новый технологический базис существенно изменяет возможности вовлечения потребителя в отраслевую цепочку создания стоимости. В этой связи формирование системы условий и требований, необходимых для реализации экономического поведения «активного» потребителя в энергосистеме, разработка модели принятия решений «активным»

потребителем и разработка механизмов реализации указанной концепции представляют собой актуальную научную проблему, имеющую существенное значение для развития электроэнергетики страны.

Целью диссертационного исследования является разработка методов и механизмов реализации концепции «активного» потребителя в России в рамках перехода к интеллектуальной энергетике.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

Уточнить определение «активного» потребителя, определить его задачи, роль и функции в энергосистеме, отличия от традиционного понимания потребителя в энергосистеме, сформировать систему энергосистеме, с учетом специфики российской энергетики.

Разработать основные положения методики обоснования стратегии «активного» потребителя, включающей формирование графика энергопотребления и режима загрузки собственной генерации.

Выявить и систематизировать факторы, оказывающие влияние на изменение поведения «активного» потребителя, и сформировать классификационные признаки «активных» потребителей с точки зрения степени вовлеченности потребителей в цепочку создания ценности и уровня потенциала их участия в программах управления спросом.

реализации и стимулирования активного поведения потребителя в России, основанный на системе механизмов Demand Response и принципах мотивационного управления, направленный на создание экономических стимулов, во-первых, позволяющих интегрировать в энергосистему собственную генерацию потребителя, а, во-вторых, формирование желаемого поведения потребителей.

электроэнергетической системе.

Предмет исследования: система организационно-экономических отношений потребителя в интеллектуальной энергетической системе.

составляют работы отечественных и зарубежных авторов в области концепции интеллектуальной энергетики, инструменты теории маркетинга взаимоотношений и теории поведения потребителей, моделирования работы активных систем, механизмов управления организационными системами, методов управления спросом в энергетике, нормативно-правовые акты Российской Федерации в области функционирования оптового и розничных рынков электроэнергии и мощности.

В диссертационном исследовании использовались такие общенаучные методы исследования как системный подход, анализ и синтез, экономико-математическое моделирование, оптимизация.

Диссертация по своему содержанию соответствует специальности 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами (промышленность)), в части пунктов:

1.1.1. Разработка новых и адаптация существующих методов, механизмов и инструментов функционирования экономики, организации и управления хозяйственными образованиями в промышленности.

1.1.20. Состояние и перспективы развития отраслей топливноэнергетического, машиностроительного, металлургического комплексов.

1.1.24. Тарифная политика в отраслях топливно-энергетического комплекса. Методологические и методические подходы к решению проблем в области экономики, организации и управления отраслями и предприятиями металлургического комплекса.

Информационной базой диссертационного исследования является отчетность коммерческой (ОАО «АТС», НП «Совет рынка») и технологической (ОАО «Системный оператор ЕЭС») инфраструктуры рынка электроэнергии, а также данные энергосбытовых компаний и крупных потребителей электроэнергии, материалы зарубежных и российских научных институтов, в том числе материалы проектов, реализованных с участием автора: «Разработка отдельных положений концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью», «Разработка проекта концепции модернизации системы тарифного (ценового) регулирования в России, определению места и роли органов регулирования», «Разработка предложений по обеспечению баланса интересов поставщиков и потребителей электрической энергии (мощности) в рамках развития Тюменской энергосистемы до 2020 года».

Научная новизна исследования состоит в обобщении и развитии теоретических и методических положений концепции «активного»

потребителя для российской электроэнергетики, а также в решении новой для экономической науки задачи по развитию методов активного поведения потребителей на электроэнергетическом рынке, заключающихся в создании инструментария обоснования стратегии «активного» потребителя. Автором предложена методика, которая позволяет описать экономические интересы потребителя в энергетике с учетом появления у него новых технологических возможностей и новых минимизации затрат на энергоснабжение потребителя с учетом его степени удовлетворенности графиком потребления.

Наиболее существенные научные результаты:

1. Сформулирована система условий и требований, необходимых для реализации экономического поведения «активного» потребителя в электроэнергетики.

2. Разработана методика обоснования стратегии «активного»

энергопотребления и режима загрузки собственной генерации на потребителем, отличающейся от существующих учетом степени его удовлетворенности выбранным графиком энергопотребления.

потребителей с точки зрения степени вовлеченности потребителей в цепочку создания ценности и уровня потенциала их участия в программах управления спросом, исходя из традиционных для энергетики характеристик потребителей и вновь выявленных «активного» потребителя.

4. Разработан подход к формированию системы механизмов реализации и стимулирования активного поведения потребителя в России, основанный на системе механизмов Demand Response и принципах мотивационного управления, направленный на создание экономических стимулов, во-первых, позволяющих интегрировать в энергосистему собственную генерацию потребителя, а, во-вторых, построить гибкую систему тарифов, потребителей.

Теоретическая значимость заключается в развитии теории управления активными системами и теории поведения потребителей в части формирования основных положений концепции «активного»

потребителя в электроэнергетике, обоснования моделей и стратегий его активного поведения на рынке.

Практическая значимость состоит в том, что предложенная в диссертационной работе методика позволяет потребителям формировать график работы его электроприборов (оборудования) и собственной генерации исходя из критерия минимизации затрат на энергоснабжение с учетом уровня удовлетворенности ими выбранным графиком, а органам регулирования и крупным участникам рынка электроэнергии – оценивать отклик потребителей (Demand Response) на тарифные механизмы управления спросом.

Разработки автора, представленные в диссертационной работе, электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС)» (2011 г.).

Кроме того, материалы диссертационной работы используются в рамках курса «Регулирование международных сетевых энергетических рынков» (для студентов 2-го курса магистратуры, факультет мировой экономики и мировой политики) Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».

Обоснованность научных положений содержащихся в диссертации, подтверждается соответствием исследования основным положениям теории поведения потребителей, теории управления активными системами, обоснованным применением научных принципов и системных методов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных и научно-практических конференциях и получили одобрение научной общественности.

Апробация результатов Основные положения и результаты, представленные в работе, докладывались и обсуждались автором на научной конференции молодых ученых «Реформы в России и проблемы управления»

(Государственный университет управления, 2011г.), II Российском экономическом конгрессе (Суздаль, 2013), XVIII Международной научно-практической конференции «Интеграция экономики с систему мирохозяйственных связей (Санкт-Петербург, 2013), а также на научных семинарах НИУ ВШЭ, а также на научных семинарах НИУ ВШЭ.

Результаты исследования использованы при разработке и реализации «Концепции интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью», разработанной в 2011 г. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ электроэнергетики».

Публикации По теме диссертации автором опубликовано 9 статей, в т.ч. 5 - в изданиях из перечня ВАК РФ. Объем принадлежащих лично автору опубликованных материалов составил 1,8 п.л.

Диссертация содержит 3 главы,155 страниц, включает 26 таблиц, 19 рисунков, содержит 1 приложение, 140 библиографических источников.

Глава 1. Теоретические и методические основы концепции «активного» потребителя в энергетике Анализ специфики условий участия потребителей в Либерализация рынков электрической энергии, формирование конкурентного оптового рынка электроэнергии, а затем и развитие конкуренции на розничном рынке ставит задачу по формированию электроэнергии путем повышения активности потребителей [13].

Следует отметить, что в настоящее время потребитель на рынке электрической энергии крайне ограничен в своих действиях в части выбора условий потребления электрической энергии: если потребитель подключен к единой энергосистеме – он обязан оплачивать содержание резервных мощностей, инвестиционные проекты, как традиционной генерации, так и возобновляемых источников энергии, сетевых компаний и т.д. Указанная особенность ограниченности выбора потребителя на рынке объясняется специфическими чертами рынка электрической энергии:

1. Технологическое единство и совпадение во времени процессов генерации, передачи, распределения и потребления энергии.

2. Невозможность в больших объемах экономичным образом складировать (аккумулировать) электрическую энергию.

3. Одновременность протекания процессов производства, передачи электрической энергии вызывает жесткую зависимость режима и 4. Параллельная работа всех электростанций энергосистемы на совмещенный график нагрузки энергосистемы.

5. Обеспечение надежного энергоснабжения потребителей при невозможности складирования энергии и необходимости строгого соответствия режима производства режиму потребления энергии требует создания в электроэнергетике резервных генерирующих мощностей (а не запасов готовой продукции, как в других отраслях), резервных ЛЭП, создания запасов воды в водохранилищах ГЭС и ГАЭС и запасов топлива на ТЭС.

6. Динамичность энергетических процессов, проявляющаяся в высокой скорости их протекания и в изменении нагрузки и мощности генерации во времени, обуславливает необходимость автоматизации управления технологическими процессами в электроэнергетике и синхронное управление всеми объектами энергосистемы [16, 52, 53].

Перечисленные выше требования со стороны генерации, сетевых компаний и государства по содержанию резервных мощностей, оплате дорогостоящих и не всегда обоснованных инвестиционных программ приводят к ежегодному росту ценовой нагрузки на потребителя, что крайне обостряет недовольство потребителей отсутствием возможности выбирать условия потребления электрической энергии. Уже сейчас крупные промышленные потребители (в первую очередь – нефтяные компании, алюминиевые заводы) ищут возможности отказаться или снизить потребление от единой энергосистемы [17]. В свою очередь уход крупных потребителей из энергосистемы будет способствовать ускоренной эскалации цен на электрическую энергию для остальных потребителей.

Концепция интеллектуальной энергетики Последние десятилетия в России и за рубежом характеризуются бурным развитием технологий, экономики и общества, в которых происходят кардинальные изменения, влияющие, в том числе, и на деятельность энергетической отрасли, среди которых можно выделить [8, 12, 27, 28, 89]:

1) Развитие технологий:

электроэнергии, измерительные устройства и приборы, - развитие технологий и повышение доступности малой генерации (в том числе нетрадиционной энергетики), развитие собственной генерации у потребителей;

состояние элементов системы в режиме реального времени и принимают решение на основе собираемых параметрах о 2) Изменение требований и возможностей потребителей: развитие самостоятельно определять условия и порядок взаимодействия 3) Снижение надежности энергоснабжения в силу высокого износа оборудования, как генерирующих объектов, так и в Существуют два возможных пути дальнейшего развития и решения перечисленных проблем:

решение проблем традиционным способом: наращивание новых мощностей и объектов, модернизация оборудования с использованием существующих технологий.

Данный вариант развития приведет к дальнейшему росту цен на электроэнергию, техническому отставанию от других стран (поскольку не ставится задача развитие и интеграция новых технологий), и, как следствие, к снижению конкурентоспособности страны.

развитие и интеграцию перечисленных технологий в управления, мотивацию активного поведения потребителя, Для решения перечисленных проблем и с целью развития и интеграции современных технологий в электроэнергетику ряд зарубежных стран (в первую очередь США и страны Европейского Союза), а также Россия приняли решение о переходе к инновационному преобразованию отрасли на основе новой концепции, получившей название Smart Grid [9,70,94,113,140].

В основу концепции Smart Grid положены следующие ключевые принципы: развитие и интеграция интеллектуальных технологий в электроэнергетику, интеграция в энергосистему распределенной генерации, развитие «интеллектуального» управления энергосистемой, информационных технологий нового поколения, мотивация активного поведения потребителя [10, 26, 25, 27, 28, 42, 39, 49, 76, 80, 126, 128, 133]. Принципиальные отличия традиционного подхода к развитию энергосистемы и инновационного подхода на базе концепции Smart Grid представлены в таблице 2.

Таблица 1 - Существующие оценки развития энергетики Централизованное управление; Мультиагентное диспетчирование (наличие не одного объекта управления, а Принцип управления Неразвитость информационно- энергосистемы и самостоятельное принятие решений о параметрах их работы) коммуникационных технологий управление режимами работы генерации, сетей;

рынка электроэнергии). взаимосвязи и взаимодействия между всеми элементами энергосистемы);

Развитие энергосистемы на базе Развитие энергосистемы за счет интеграции распределенной генерации (включая Генераторы Сетевые компании Преимущественно пассивные Появление активных потребителей:

Потребители отношения потребителей и 1) Диктуют условия работы энергосистеме: платит только за те услуги, которые энергосистемы: принимают нужны ему (отказ от масштабного строительства генерирующей мощности энергосистемой (содержит резервы 2) Конкурируют с генерацией (преимущественно в пиковых режимах работы) за неэффективную генерацию, - управления своим энергопотреблением (используя накопители оплачивает перекрестное электроэнергии, используя потенциал по переносу нагрузки на другое время);

субсидирование и т.д.) - управления режимом работы собственной генерацией (в том числе за счет Обновление оборудования на Снижение конечных цен для потребителя, обновление оборудование с Государство основе существующих технологий, применением новых технологий, повышение надежности, безопасности, строительство новых мощностей и энергоснабжения, снижение выбросов, развитие новых технологий.

Согласно исследованиям Н. Кондратьева, в развитии экономики наблюдается некая цикличность - 40-60 летние волны деловой инноваций, Й. Шумпетер, который связал выявленные циклы с изменением технологического уклада, происходящего вследствие инновационного развития (Таблица 1)[1,30].

Таблица 2 – Соотнесение циклов Кондратьева и технологических укладов 1 цикл с 1803 до 1841-43 гг. текстильные фабрики, промышленное 2 цикл с 1844-51 до 1890-96 гг. угледобыча и черная металлургия, 3 цикл с 1891-96 до 1945-47 гг. тяжелое машиностроение, 4 цикл с 1945-47 до 1981-83 гг. производство автомобилей и других 5 цикл с 1981-83 до ~2018 г. развитие электроники, робототехники, 6 цикл с ~2018 до ~ 2060 (прогноз) конвергенция нано-, био-, Технологическая волна, по аналогии с циклом жизни продукта, имеет разные стадии:

технологической волны доминируют различные силы (рисунок 1) [47].

Рисунок 1 – Доминирующие на различных этапах технологической волны роли Первому этапу – рождению новой технологической волны – соответствует подъем в прикладной науке: активную роль при этом играют ученые и инженеры, которые адаптируют и приспосабливают новые достижения научной мысли для практического применения. На предприниматели-инноваторы, которые осуществляют активную бизнес-пробацию новой технологии. На этапе зрелости происходит стандартизация и масштабирование технологии, что приводит к ее массовому использованию, лидирующую роль при этом играет крупный бизнес. Этап затухания является одновременно подготовительным к рождению нового технологического уклада. На данном этапе особенно важны дополнительные стимулы для перехода к новой волне, что обусловливает необходимость государственной поддержи в части формирования необходимых условий и стимулов для нового витка инновационного развития.

Переход к новой парадигме инновационного развития отрасли на базе концепции Smart Grid означает изменение технологического уклада, а значит, развитие отрасли ближайшие несколько десятилетий будет проходить в соответствии с этапами, характеристика которых представлена выше. На базе указанных этапов развития сформирована дорожная карта реализации концепции интеллектуальной энергетики, представленная на рисунке 2 [39].

В настоящее время Россия находится на 1 этапе – этапе формирования концепции развития отрасли. Под руководством Федеральной сетевой компании в 2011 г. разработана «Концепция развития интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС)», в которой определены основные принципы развития отрасли. Однако требуется более тщательная методологическая проработка отдельных положений, в число которых входят и вопросы «активизации» потребителя.

В международной практике под концепцией интеллектуальной энергетической системы (Smart Grid) (далее – ИЭС) понимается система взглядов на электроэнергетику, которая отражает:

ключевые требования к энергетической системе;

характеристики энергетической системы, позволяющие реализовать указанные требования;

основные элементы базиса для реализации указанных В рамках развиваемой за рубежом концепции Smart Grid разнообразие требований сводится к группе ключевых требований (ценностей) новой электроэнергетики, сформулированных как:

доступность, надежность, экономичность, эффективность, экологичность и безопасность.

Рисунок 2 – Дорожная карта реализации концепции Ключевые требования, предъявляемые к энергетической системе и отражающие мнение всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, компаний, производителей оборудования и др.), различаются для разных стран.

Среди основных в настоящее время выделяются: доступность электроэнергии для потребителей, надежность энергоснабжения, эффективность использования ресурсов и технологий, экономичность (оптимизация тарифов для потребителя), гибкость (в части реакции на изменения требований потребителей), экологичность (снижение негативного воздействия на окружающую среду), безопасность, клиентоориентированность.

Таким образом, одним из базовых подходов концепции Smart Grid, необходимых для реализации ключевых ценностей указанной концепции, является клиентоориентированность, которая заключается в том, что потребитель приобретает свойство активного участника рынка электроэнергии и самостоятельно формирует требования к объему получаемой электроэнергии, качеству и характеру ее потребительских свойств и энергетических услуг [14, 20, 21, 24, 27, 28].

приобрели актуальность в 80-х гг. ХХ века в период формирования и становления теории маркетинга взаимоотношений. На первом этапе возникла концепция управления цепочкой поставок (supply-chain management - DCM) [116], модели цепочки создания ценности [121] и использование указанных концепций в логистике. Указанные модели базируются, в первую очередь, на экономии издержек. Новый виток развития указанная теория получила в связи с развитием управленческих технологий в интегрированных системах (JIT, TQM) и интеграцией в систему управления компанией новых информационных технологий и систем (ERP, CRM) [43,48].

В качестве альтернативного направления в середине 90-х гг. ХХ века начинает развиваться подход «управление цепочками спроса»

(demand-chain management)[135]. В отличие от предыдущей концепции, отличающейся невниманием к потребителям и концентрирующейся на управлении издержками, новая концепция, наоборот, ориентируется на интересы потребителя в качестве отправной точки для координации. В модели DCM процессы координации рассматриваются вдоль цепочки создания ценности. При этом клиент становится непосредственным участником цепочки создания ценности [43,48].

«Активизация» потребителя в отрасли через его включение в процесс создания ценности на основе системы методов и механизмов Demand Chain Management трансформировалась в отраслевую систему механизмов «активизации» потребителей - Demand Side Management, которая представляет собой набор мероприятий, направленных на изменение поведения потребителей, направленных на:

- повышение энергоэффективности (общее снижение уровня - управление спросом (выравнивание графика нагрузки путем сглаживания пиков, смещения нагрузки в области более низкого потребления, стимулирования спроса в провалах графика энергосистемы);

электроэнергии, в том числе за счет формирования локальных систем энергоснабжения (например, на уровне городов), включающие в себя горизонтальный уровень взаимодействия между потребителями.

В настоящее время указанное свойство «активного» участника рынка электроэнергии для потребителя в конструкции российского рынка электроэнергии может быть реализовано ограниченно, что обусловлено, в первую очередь, технологическими особенностями, как самой энергосистемы, так и потребителя, а также сложившейся системой организационно-экономических отношений на рынке.

Изменение экономического поведения агентов-потребителей с энергосистеме через появление новых возможностей: действия по управлению спросом и предоставление дополнительных системных услуг по регулированию нагрузки, что наделяет потребителя способностью конкурировать с генерацией. Интеграция такого потребителя в систему организационно-экономических отношений на рынках электроэнергии требует проведения дополнительных исследований в части методологического обеспечения процесса его активизации. Решение данной проблемы требует разработки концепции «активного» потребителя, для чего, в свою очередь, требуется изучение теоретических основ потребительского поведения. При этом поскольку принимаемые агентами-потребителями решения опираются на цены на электрическую энергию и затраты на энергоснабжение – в рамках теоретических основ следует рассматривать только экономическое поведение потребителей.

математических моделей, отражающих экономические интересы потребителей, что требует более детального изучения исследований по математическому представлению интересов потребителей.

Теоретические основы поведения потребителей диссертационном исследовании и рассматриваются как агенты, выбирающие перечень, объем и качество потребляемых товаров и услуг.

Для разработки методов и механизмов реализации концепции активного потребителя в энергетике необходимо рассмотреть различные подходы к моделям описания поведения потребителей, характеристики их интересов.

Поведение потребителей изучается различными науками исходя из решения различных задач: в классической экономической теории – с точки зрения выбора потребителями наилучшего товарного набора согласно его полезности и в соответствии с имеющимися бюджетными удовлетворять потребности потребителя, в теории управления – с точки зрения воздействия (т.е. выбора механизма управления) на потребителя, который рассматривается как управляемая активная система (что означает наличие у него собственных интересов и предпочтений:

информации), в поведенческой экономике – с точки зрения влияния социальных и психологических факторов на экономическое поведение потребителей.

Поскольку в рамках диссертационного исследования проводится анализ экономического поведения потребителей, психологические и социальные факторы не рассматриваются. То есть интерес представляют только экономическая теория поведения потребителей и теория управления.

1.2.1. Экономическая теория поведения потребителя Микроэкономические основы потребительского поведения базируются на принципе максимизации полезности.

Термин «полезность» (способность товара/блага удовлетворять потребность) был введён английским философом И. Бентамом [93, 97, 136]. Он считал, что в своем поведении люди опираются на принцип, заключающийся в стремлении избежать страданий и увеличивать удовольствие. При этом каждый человек руководствуется своими личными вкусами и предпочтениями, то есть полезность носит субъективный, личностный характер.

потребителя сравнивать, соизмерять полезности различных благ и их наборов. Указанный принцип предполагает, что:

Потребители знают свои предпочтения и ранжируют их;

Ранжирование предпочтений может быть представлено некоторой функцией полезности;

Поведение потребителя является рациональным, и он всегда будет выбирать наиболее предпочтительный набор благ из множества допустимых альтернатив.

Потребительский выбор — это выбор, максимизирующий функцию полезности рационального потребителя в условиях ограниченности ресурсов [84,98,103,104,107,130, 134].

Следует отметить, что существует два подхода к оценке полезности:

Кардиналистский подход У. Ст. Джевонс, К. Менгер, Л. Вальрас [87, 88, 101, 108, 137] независимо друг от друга и практически одновременно предложили количественную теорию полезности. В основе этой теории лежит предположение о возможности соизмерения полезности различных благ.

Кардиналисты при вычислении предельной полезности ввели условную единицу — ютиль, с помощью которой определяется степень удовлетворения потребности [96].

Ф. Эджуорт, В. Парето, И. Фишер [77, 82, 87, 88, 119, 120] предложили альтернативную порядковую теорию полезности.

Указанный подход не требует точного количественного измерения полезности. При этом проводится сопоставление и сравнение различных потребительских наборов с точки зрения их предпочтительности для данного потребителя. Исходным инструментом анализа потребительских предпочтений являются кривые безразличия. В 30-х годах ХХ века эта теория приобрела завершённую форму благодаря работам Р. Аллена и Дж. Хикса [87, 88, 92].

Теория, основанная на предпочтениях, стала общепринятой и наиболее распространённой.

Таким образом, ключевым положением теории полезности является то, что потребитель осуществляет свой выбор исходя из максимизации полезности.

1.2.2. Теория управления социально-экономическими системами Теория активных систем (далее – ТАС), зародившаяся в 1960-е гг.

в СССР, – область кибернетики, раздел теории управления социальноэкономическими системами, занимающаяся изучением свойств особенностью указанных систем является проявление участниками системы свойств активности, заключающихся в наличии собственных интересов и предпочтений, самостоятельном (свободном) выборе действий и искажении информации. Таким образом, предметом ТАС является учет свойства активности при решении задача управления на базе системного подхода при применении методов и использовании операций и теории игр.

Центральное место в ТАС занимает модель, реализующая идею активного поведения в социальных, экономических и человекомашинных системах. Основным методом исследования указанной теории являются математической (теоретико-игровое) и имитационное моделирование [4].

В общем случае задача управления любой, как активной, так и пассивной системой, описывается следующим образом:

– переменная, характеризующая состояние системы;

3. для состояния системы в текущий момент времени характерна U - множество допустимых управляющих воздействий;

G : U A - модель управляемой системы;

4. функционал (; y) на множестве U A определяет эффективность 6. Задача для управляющего органа заключается в выборе из допустимого множества такого управления, которое максимизирует его эффективность при известной реакции системы на управляющее воздействие.

Различия в управлении активными и пассивными системами заключаются в следующем:

для пассивных систем (например, субъекты системы представляют собой технические средства) зависимость объекта управления от управляющего воздействия y G( ) является моделью функционирования системы. То есть для любой пассивной системы с точки зрения управления характерен детерминизм: отсутствие у объекта управления свободы выбора своего состояния, собственных целей, возможности прогнозировать поведение управляющего для активных систем (в которых субъекты системы или хотя бы один субъект приобретают свойство активности:

наличие собственных интересов и предпочтений, свободу выбора и т.д.) появляется новое требование к модели системы G() : учет проявления активности у объектов являющимися наилучшими с точки зрения предпочтений управляющих воздействий, а управляющие воздействия, в Поэтому при наличии у управляющего субъекта модели активной системы задача управления заключается в : A U : то есть выборе допустимого управления, максимизирующего его эффективность.

Модель активной системы задается следующими параметрами:

1. Состав – совокупность участников: субъектов и объектов, которые являются элементами активной системы;

2. Структура – совокупность связей между участниками управляющих и др.);

3. Число периодов функционирования – наличие/отсутствие динамики при выборе стратегий участниками активной системы в течение рассматриваемого периода времени (однократный или многократный выбор);

функции, отражающие интересы (функции полезности, выигрыша, предпочтения) или предпочтения (бинарные, нечеткие, метризованные и др). Предполагается, что участники системы не образуют коалиции, тогда под их рациональным поведением понимается выбор состояний (стратегий), максимизирующих их целевые функции.

участников активной системы – состояния (стратегии), учитывающие индивидуальные и общие ограничения, внутренними (применяемые технологии) факторами.

информацию и формируют стратегию поведения.

существенных внешних и внутренних по отношению к системе параметрах, которой обладают участники при функционирования активной системы (в широком смысле) совокупность законов, правил и процедур взаимодействия участников системы. Механизм управления (в узком смысле) представляет собой совокупность правил принятия решений участниками активной системы при заданных ее составе, структуре и т.д.

При составлении базовой модели рассматривается активная система, состоящая из одного управляющего субъекта (центра) и n управляемых субъектов (активных элементов). Рассматриваемая система является детерминированной, поскольку ее участники функционируют в условиях полной информированности. Структура такой активной системы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структура двухуровневой активной системы веерного Рассматриваемая модель является базовой, поскольку с одной стороны с точки зрения структуры и описания (исследования) она является простейшей, поскольку в ней не учитываются усложняющие (неопределенность) (указанные факторы учитываются в расширениях базовой модели), а с другой – с ее использованием можно выявить основные закономерности управления активными системами, чтобы затем использовать их при переходе к анализу более сложных систем.

Для конкретизации постановки задачи управления в активной системе необходимо сформировать предпочтения и модели поведения ее участников.

Предпочтения участников активной системы управляющего субъекта (центра) рассматривается следующая модель взаимодействия активного элемента с обстановкой (в которую могут входить другие активные элементы, управляющие субъекты и прочие объекты и субъекты):

Активный элемент обладает возможностью выбирать допустимых результатов деятельности.

В силу влияния обстановки (внешней среды, действий других активных элементов и т.д.) возможно несовпадение В ТАС предполагается, что активный элемент может сравнивать различные результаты деятельности, то есть обладает предпочтениями.

Осуществляя выбор своего действия, активный элемент основывается на своих предпочтениях, а также на влиянии выбираемого действия на результат деятельности, то есть на некотором законе изменения результата деятельности. Выбор активного элемента осуществляется в соответствии с правилом индивидуального рационального выбора, формирующего множество наиболее предпочтительных с точки зрения активного элемента действий.

При определении способов задания предпочтений активного единственный результат деятельности, то есть закон изменения результата деятельности носит детерминированный характер.

способами:

Каждому результату деятельности соответствует некоторая ценность или полезность, выраженная действительным числом. Для управляющего субъекта (центра) также существует функция полезности, позволяющая сравнивать предпочтительность различных действий и управлений.

Предпочтения элементов задаются на множестве их действий.

Функция отражает «полезность» действия активного элемента, а не результата деятельности.

Рациональным считается выбор активным элементом действий, максимизирующих его целевую функцию и (в детерминированном случае) приводящих к результатам деятельности, имеющим максимальную полезность.

Модели поведения участников Помимо определения активных элементов, и рационального индивидуального выбора по отдельности, необходимо сформировать возможности их взаимодействия. При создании таких моделей применяется теория игр. Индивидуальное рациональное поведение участника предполагает, что активный элемент выбирает свои действия исходя из необходимости максимизировать значение своей целевой функции. Однако если в системе участниками являются несколько элементов, то они могут взаимно влиять друг на друга – возникает игра.

Игра - любое взаимодействие игроков (участников некоторой системы), в котором полезность (выигрыш, значение целевой функции и т.д.) каждого игрока зависит как от его собственного действия (стратегии), так и от действий других игроков. Каждый игрок стремится к выбору стратегии, максимизирующей свою целевую функцию (гипотеза рационального поведения). При наличии нескольких игроков индивидуальная рациональная стратегия зависит от стратегий других игроков. Решение игры (равновесие) - набор таких рациональных стратегий.

В теории игр существуют следующие основные концепции равновесия:

1. Максиминное равновесие Активный элемент при выборе стратегии исходит из предположения, что в результате игры реализуется наихудшая гарантированное значение целевой функции.

изменение своей стратегии не выгодно ни одному из игроков при условии, что другие не меняют своих стратегий. Следует отметить, что равновесие Нэша предполагает отсутствие коалиций игроков (бесколиационные игры).

3. Равновесие в доминантных стратегиях Доминантная стратегия каждого элемента не зависит от внешней обстановки (включая поведение/стратегии других игроков). Указанный вид равновесия существует не во всех 4. Парето-оптимальные ситуации Вектор стратегий называется парето-оптимальным, если не выигрывают не меньше и хотя бы один игрок выигрывает считается выбор игроками равновесных стратегий (при соблюдении принципа индивидуального рационального выбора).

Общая постановка задачи управления активными системами 2. Целевая функция i-го активного элемента f i ( y, ) задает его 3. Множество решений игры активного элемента P( ) множество равновесных стратегий активного элемента при максимума целевой функции. При многоэлементной – Множество решений игры отражает предположения центра субъектов (активных элементов) при заданном управлении.

4. Интересы активной системы в целом индентифицируются с интересами управляющего субъекта-центра, на позиции которого находится исследователь совершаемых операций.

5. Исследователь операций формулирует предполагаемые стратегии активных элементов из множества решений игры. Существуют два «предельных» подхода:

метод максимального гарантированного результата гипотеза благожелательности: центр предполагает 6. Задача управления активной системой заключается в Следует отметить, что центр в рассматриваемой задаче обладает правилом первого хода и назначает свою стратегию, которая зависит от стратегий активных элементов ( y). Зависимость ( y) называется механизмом управления в узком смысле.

Кроме того, рассматривается два частных случая задачи управления:

задача стимулирования: центру необходимо выбрать механизм стимулирования ( y), ставящий в соответствие вознаграждения, получаемые от управляющего субъекта, имеющий максимальную эффективность. Исследуются влияния параметров активной системы и ограничения механизма стимулирования на множество решений игры возможных сообщений активного элемента и механизма планирования, ставящего в соответствие сообщениям элементов центру о неизвестных ему существенных параметрах системы назначаемый АЭ вектор планов.

Помимо эффективности исследуется насколько выгодно представлена в таблице 3.

классификаций № Классификационный Состав активной системы Структура активной элемент может быть подчинен показателей № Классификационный функционирования Число периодов функционирования Целевые функции (предпочтения участников активной системы) Допустимые множества Информированность участников:

информированности внутренняя (относительно параметров тип неопределенности: самой активной системы): относительно целевых функций, допустимых множеств вид неопределенности: известно множество возможных значений неопределенного параметра);

№ Классификационный принципы поведения гарантированного результата;

использование ожидаемых полезностей;

рассмотренная выше базовая модель активной системы является:

многоэлементной с несвязанными АЭ, двухуровневой с унитарным контролем, статической, со стандартным порядком функционирования, скалярными предпочтениями АЭ, детерминированной с симметричной информированностью участников активной системой.

описывается любое расширение базовой модели.

Более детально в ТАС рассматриваются:

Результатом развития ТАС является разработка организационных механизмов, моделей и методов и применение их при решении широкого круга задач управления в экономике [4].

1.2.2.2. Теория управления организационными системами Теория управления организационными системами (далее – ТУОС) представляет собой не только развитие ТАС, но и интеграцию таких направлений исследований, как теория иерархических игр, Mechanism Design (включающий теорию агентских отношений, теорию контрактов). В отличие от ТАС, являющейся теорией модели активного поведения, ТУОС является скорее теорией предмета активного поведения, поскольку включает в себя как модели и методы исследования операций, дискретной математики и т.д., так и собственные наработки в сфере управленческого консультирования, прикладных результатов экономики, психологии, менеджмента.

Ключевой задачей ТУОС является разработка эффективных механизмов организационного управления, как учитывающих в явном виде, так и игнорирующих целенаправленность управляемых субъектов.

Объектом исследований ТУОС являются организационные системы, предметом исследований – механизмы управления, а основным методом исследования – математическое моделирование [4].

Положения ТАС касательно описания базовой модели активной системы, классификационных признаков расширенных моделей в ТУОС остаются неизменными. На описанной выше базе более углубленно рассматриваются различные методы моделирования, механизмы управления и задачи управления (таблица 4) [2, 34].

Таблица 4 - Основания системы классификаций механизмов управления организационными системами № Классификационный Метод моделирования № Классификационный Функции управления Задачи управления:

Противозатратные механизмы индивидуальные результаты Механизмы согласия Масштаб реальных систем Страна Таким образом, потребитель в энергетической системе является активным элементом, а, значит, стремится к выбору таких своих состояний (стратегий поведения), являющимися наилучшими с точки зрения предпочтений. При этом рациональным считается выбор активным элементом действий, максимизирующих его целевую функцию и приводящих к результатам деятельности, имеющим максимальную полезность.

Обзор существующих подходов к моделированию поведения 1.3.

Задачи управления поведением потребителя в энергосистеме ставились в различные периоды времени как отечественными, так и зарубежными учеными. Следует отметить, что в литературе [15, 31,32], употребляются различные термины, характеризующие потребителей. В таблице 5, приведена сравнительная характеристика указанных типов потребителей.

Таблица 5 – Сравнительная характеристика различных типов потребителей Понятие «потребитель-регулятор» было введено в период СССР, к такому виду относились крупные промышленные потребители, которые проектировались специально для работы в режиме, согласованном с графиком располагаемой мощности энергосистемы, и технологический процесс которых, позволял гибко регулировать свою нагрузку в оперативном режиме. В качестве таких потребителей рассматривались: производство ферросплавов, производство карбида кремния, цементные заводы, добыча нефти, холодильные установки, производство водорода и электролиз воды, электромобили крупные промышленные потребители, которые проектировались специально для работы в режиме, согласованном с графиком располагаемой мощности энергосистемы, и технологический процесс которых, позволял гибко регулировать свою нагрузку в оперативном режиме. [31,32] системного Условия загрузки Существует такая Отсутствует Существует такая 1. Изменение функций и роли агентов-потребителей на рынке электрической энергии, происходящее под влиянием изменения технологического базиса отрасли требует методологического обеспечения процесса интеграции их в систему организационноэкономических отношений с учетом появления у них нового свойства – «активности».

2. При осуществлении выбора действий на рынке потребители электрической энергии руководствуются принципом максимизации полезности и принимают решения о режимах энергопотребления, основывающиеся на ценах на электрическую энергию и затратах на энергоснабжение.

3. Адаптация потребителей в условиях изменения их роли во взаимоотношениях в энергосистеме становится возможной при создании математических моделей, отражающих экономические интересы потребителей.

4. Потребитель в энергетической системе является активным элементом, а, значит, стремится к выбору таких своих состояний (стратегий поведения), являющимися наилучшими с точки зрения его предпочтений. При этом рациональным считается выбор активным элементом действий, максимизирующих его целевую функцию и приводящих к результатам деятельности, имеющим максимальную полезность.

Глава 2 Формирование концепции «активного» потребителя в Разработка основных положений концепции «активного»

2.1.

потребителя в интеллектуальной энергосистеме партнёра субъектов электроэнергетики в части обеспечения надежной работы энергосистемы, приобретает статус «активного» и становится одним из основных элементов в энергосистеме. Под «активностью»

понимается возможность исходя из своих потребностей оптимизировать график загрузки своих мощностей как с целью минимизации затрат на электроэнергию, так и с целью получения дохода от продажи электроэнергии и мощности.

«Активный» потребитель – участник электроэнергетического маневрированию своим энергопотреблением и готовностью к участию в программах по управлению спросом, который самостоятельно формирует требования к объему получаемой электроэнергии, качеству и характеру ее потребительских свойств и энергетических услуг.

систематизированы основные характеристики «активного» потребителя, к которым относятся:

а. Наличие технологических установок (вся совокупность или - собственная генерация (распределенная генерация);

- маневрирование энергопотреблением (снижение или степени ее загрузки, а также объема собственного - управление режимом накопления электроэнергии:

потребителя, автором определены функции «активного» потребителя в электроэнергетической системе:

управление собственным энергопотреблением в соответствии с необходимостью выполнения своих производственных планов по выпуску продукции или обеспечению энергией домохозяйства, оптимизируя свои затраты на покупку электроэнергии с внешних определение степени своего участия в предоставлении дополнительных услуг, заключающихся в предоставлении управляемых активных и реактивных нагрузок (мощностей) для управления со стороны определение условий загрузки собственной мощности при ее наличии), для формирования заявки на участие в покупке/продаже электроэнергии на оптовом и Реализация перечисленных функций в конечном счете приводит к выбору потребителем стратегии энергоснабжения:

покупка электроэнергии из энергосистемы;

покупка электроэнергии от других потребителей.

Автором был проведен анализ потенциала реализации функций «активного» потребителя на примере различных отраслей народного хозяйства, которые были выбраны исходя из различных характеристик возможность переноса нагрузки на другое время и т.д.), и наличия собственной генерации (как технологическая возможность наличия (доступность)). Исходя из анализа технологического базиса потребителей рассматриваемых отраслей в текущих условиях и на сформулированы стратегии поведения потребителей. Результаты проведенного анализа приведены на рисунках 4-7.

Рисунок 4 – Анализ потенциала «активного» потребителя на примере домохозяйства Рисунок 5 – Анализ потенциала «активного» потребителя на примере промышленного потребителя Рисунок 6 – Анализ потенциала «активного» потребителя на примере сельскохозяйственного потребителя Рисунок 7 – Анализ потенциала «активного» потребителя на примере железнодорожного транспорта и Таким образом, из представленных выше рисунков можно сделать вывод о том, что в текущих условиях реализация функций «активного» потребителя в различных отраслях народного хозяйства ограничена, что связано, в первую очередь, с доступностью технологий накопления электроэнергии и распределенной генерации, а также с конструкцией рынка электроэнергии: отсутствием рынка системных услуг, оказываемых потребителем по снижению нагрузки, отсутствием возможности выдачи в сеть электроэнергии от собственной генерации.

Кроме того, следует отметить, что для ряда отраслей (таких как, железнодорожный транспорт, строительство), по мнению автора, потенциал реализации функции активного потребителя отсутствует как в текущих условиях, так и на перспективу, что обусловлено особенностями технологического процесса указанных отраслей.

интеллектуальной энергетической системы, отражающими значимость появления «активного» потребителя являются [27, 28]:

- мотивация активного поведения конечного потребителя Заключается в обеспечении возможности самостоятельного изменения потребителями объема и функциональных свойств (уровня надежности, качества и т.п.) получаемой электроэнергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов поставок электроэнергии, надежности, качестве и др.

Данный механизм реализуется за счет установления на стороне потребителя специальных систем автоматизации, реагирующих в период пиковых нагрузок в энергосистеме на повышение цен путем спланированного сброса нагрузки за счет снижения энергопотребления или отключения заранее спланированного перечня устройств. Указанная система может применяться как для крупных промышленных потребителей, так и для домохозяйств. Может предусматриваться как ручное регулирование отключения энергопотребляющих установок, так потребителям оптимизировать свои затраты на энергоснабжение, а с другой энергетическим компаниям минимизировать капитальные вложения и эксплуатационные затраты (в том числе путем снижения загрузки неэффективных пиковых электростанций).

- интеграция распределенной генерации (в т.ч. собственной Предполагается усовершенствование процедур технологического аккумулирования электроэнергии) в энергосистему, кроме того, осуществляется переход к созданию «микросетей» (microgrid - англ.) на стороне потребителей. Увеличение объемов распределенной генерации сопровождается возникновением дополнительных рисков, связанных с их более мобильной природой и менее стабильными характеристиками, что может привести к снижению надежности. Для нивелирования коммуникации, более интенсивное информационное обеспечение, внедрение «интеллектуального» контроля.

Кроме того, реализация концепции Smart Grid предполагает для потребителей, имеющих собственную генерацию, возможность в часы пиковых нагрузок продажи электроэнергии на рынок. Для этого необходимо обеспечить предоставление потребителям информации о ценах, состоянии энергосистемы.

- обеспечение доступа «активных» потребителей к рынкам Необходимо предусмотреть изменения в архитектуре рынка электроэнергии с целью обеспечения возможности для «активных»

потребителей реализовывать их функции.

реализуется через механизмы управления энергопотреблением (Demand Side Management), взаимодействия и результатов для потребителей, электроэнергетических представлена новая структура для классификации указанных параметров как попытка объединить различную терминологию и определения, найденные в литературе[67,110].

Management в первую очередь классифицируются в соответствии с продолжительностью воздействия на поведение потребителя:

- Долгосрочная перспектива: механизмы повышения энергоэффективности (Energy efficiency);

- Краткосрочная перспектива: механизмы управления спросом (Demand response и Load Management). [38, 23] Кроме того, указанные механизмы могут быть разделены на статическое и динамическое реагирование. В широком смысле это определяет тип реагирования:

Статические действия (такие как повышение энергоэффективности и стандартов) – такие, которые могут быть выполнены в любой момент и не являются реакцией на специфические сигналы рынка или запросы системного оператора. Типично продолжительность таких действий является долгосрочной, например, установленные энергоэффективные устройства будут экономить энергопотребление на протяжении всего их срока службы.

Динамические действия – действия, осуществляемые в ответ на изменения, происходящие на рынке или на заданную систему условий. Они осуществляются в ответ на краткосрочные требования и их влияние не распространяется вне их продолжительности (хотя потребителей может дать совокупное изменение потребительского поведения в части энергопотребления и развития рынка).

Рисунок 8 – Механизмы управления энергопотреблением классифицированы далее по уровню участия конечного потребителя:

активное или пассивное участие. Примером статических действий при пассивном участии потребителей является регулирование, например, через установление минимальных стандартов для электрических устройств. Эта область управления спросом является наиболее развитой на сегодняшний момент. Активное участие потребителей, наоборот, обеспечивается выбором, осуществляемым потребителями, например, выбор и приобретение энергоэффективного оборудования. Значительная часть политики и программа действий сосредоточена на этом аспекте стимулировать энергоэффективное потребление.

Для динамических действий пассивная реакция потребителей инициируется другими участниками, а не конечным потребителем (например, системным оператором или поставщиками и т.д.). Наиболее часто это является запланированными или законтрактованными энергосистемы, балансированию или требуются при авариях в сетях.

Для реализации этого по-прежнему требуется согласие потребителей, но потребители не решают когда и как осуществить указанный вид действий. Основной проблемой для такого вида действий является необходимость набора и удерживания участников со стороны спроса, а также обеспечения их мотивации и способности участвовать в программе. В отличие от этого, активные действия осуществляются непосредственно потребителем, например, смещение энергопотребления в ответ на высокие цены, сложившиеся на рынке. Потребитель в данном случае реагирует непосредственно на информацию, поступающую с рынка, и принимает решение об изменении модели своего поведения в электроэнергетическом рынке, обеспечивающих такие действия: от ценообразования, основанного на времени использования (по зонам суток) до участия в торгах на управление энергопотреблением. Барьером для реализации такого рода действия в настоящее время является концентрирование большинства электроэнергетических рынков на стороне предложения, вопросах доступа и отсутствии информации для участников со стороны спроса, что делает их участие сложным и нерентабельным [110].

На основе сформулированных автором функций и характеристик «активного» потребителя, а также анализа современного технического состояния энергосистемы и модели рынка электрической энергии, автором выявлен и систематизирован ряд требований к развитию энергосистемы, которые представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Препятствия и риски реализации концепции «активного» потребителя и способы противодействия им Препятствия и риски Способы противодействия Технологические Неразвитость систем Реализация технологической возможности учета и измерений, а управления оборудованием потребителей также информационно- (оснащение управляющими элементами для коммуникационных удаленного управления режимами работы Технологическая Разработка технологий и методов интеграции сложность интеграции распределенной генерации (в том числе ВИЭ) в собственной генерации энергосистему без потери устойчивости и энергосистему Экономические Препятствия и риски Способы противодействия Создание стимулов у Переход от административного к мотивационному активному поведению Разработка программ управления спросом:

Организационные Необходимость Формирование новых пакетов договоров по координации действий представлению интересов участников в части мелких потребителей продажи объема потенциального снижения нагрузки В рамках исследования на основе систематизации условий и требований, необходимых для реализации экономического поведения «активного» потребителя в энергосистеме, с учетом специфики российской энергетики были предложены основные положения концепция «активного» потребителя, которые представлены в виде логической схемы (рисунок 9):

1. «Активный» потребитель является одним из основных элементов в энергосистеме в концепции развития отрасли, получившей название «Интеллектуальной электроэнергетической системы России».

2. «Активный» потребитель – участник электроэнергетического рынка, обладающий технологической возможностью по маневрированию своим энергопотреблением и готовностью к участию в программах по управлению спросом. Основными характеристиками «активного»

потребителя являются:

а. Наличие технологических установок (вся совокупность или отдельные единицы):

изменению (перенесению) нагрузки;

- собственная генерация (распределенная генерация);

- накопители электроэнергии.

б. Осуществление деятельности по управлению спросом, перенесение нагрузки во времени) с целью предоставления системной услуги, оплачиваемой рынком, или исходя из минимизации затрат на электроэнергию;

- управление собственной генерацией: определение степени ее загрузки, а также объема собственного потребления от нее и объема электроэнергии, поставляемый на рынок;

- управление режимом накопления электроэнергии:

- потребление накопленной электроэнергии;

- продажа накопленной электроэнергии на рынок.

3. Функциями «активного» потребителя в электроэнергетической системе являются:

производственных планов по выпуску продукции или обеспечению энергией домохозяйства, оптимизируя свои затраты на покупку электроэнергии с внешних рынков;

- определение степени своего участия в предоставлении дополнительных услуг, заключающихся в предоставлении управляемых активных и реактивных нагрузок (мощностей) для управления со стороны системного оператора;

- определение условий загрузки собственной мощности (при ее наличии), для формирования заявки на участие в покупке/продаже электроэнергии на оптовом и розничном интеллектуальной энергетической системы является мотивация «активного» поведения конечного потребителя, под которой понимается обеспечение возможности самостоятельного изменения надежности, качества и т.п.) получаемой электроэнергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов поставок электроэнергии, надежности, качестве и др.

5. Концепция «активного» потребителя в энергосистеме реализуется через систему механизмов «активизации» потребителей (Demand Side Management), включающей в себя программы управления спросом (Demand Response) и энергоэффективности.

6. Реализация концепции активного потребителя предъявляет ряд требований к развитию энергосистемы: технологические, экономические и организационные требования.

Рисунок 9 – Логическая схема концепции «активного» потребителя Разработка методики обоснования стратегии «активного»

2.2.

потребителя, включающая формирование графика энергопотребления и режима загрузки собственной генерации Реализация функций «активного» потребителя требует создания системы внешних условий для его функционирования и инструментов, которые позволят потребителям реализовывать свои возможности. В соответствии с выявленными в главе 2.1. характеристиками и функциями «активного» потребителя автором определены следующие требования, предъявляемые, к таким инструментам:

электроприборов и оборудования потребителя исходя из прогнозируемых ценовых сигналов, а также с учетом c) обеспечение формирования работы собственной генерации домохозяйства/предприятия или выдача электроэнергии в Для решения поставленной в рамках исследования задачи требуется разработать модель принятия решений «активного»

потребителя, которая необходима для отражения его экономических интересов на временном промежутке, соответствующем оперативной деятельности, на основе которой будет формулироваться и решаться задача формирования режимов работы электроприборов и оборудования потребителя, а также определения условий загрузки собственной генерации.

2.2.1. Анализ существующих моделей поведения потребителей в Рассмотрим более подробно задачи, которые ставились перед управлением поведением потребителей, и подходы к их решению, предлагаемые различными авторами.

Россия, дореформенный период развития электроэнергетики В 1980-е годы основной задачей управления поведением неравномерности графика нагрузки энергосистемы путем привлечения потребителей к регулированию потребления электроэнергии в целях снижения суммарных народохозяйственных затрат. Возможность участия в регулировании нагрузки рассматривалась только для крупных промышленных потребителей (потребителей-регуляторов), технологический процесс которых позволял гибко регулировать свою нагрузку в оперативном режиме.

действующих и проектируемых предприятий выделялись следующие:

1. Оптимизация режимов электропотребления, учитывающая специфику тарифообразования на электроэнергию:

- Оптимизация режима электропотребления действующего предприятия, выпускающего один или несколько видов дифференцированном по зонам суток, дням недели и сезонам года (например, тариф с основной платой за участие технологических установок и заданном суточном выпуске продукции и с учетом ограничения по допустимой величине требуемой для сохранения устойчивого технологического режима работы предприятия.

- Оптимизация числа установок и режимов их работы при проектировании нового предприятия, выпускающего один вид продукции по критерию минимизации затрат на выпуск 2. Оптимизация режимов электропотребления по критерию минимума расхода энергетических ресурсов (электроэнергия и прочие энергоносители).

То есть нахождение производительности в каждой зоне графика нагрузки энергосистемы для каждой технологической установки потребителя по критерию минимального суммарного расхода энергетических ресурсов при заданных ограничениях допустимого колебания суточного плана выпуска продукции.

3. Оптимизация режимов электропотребления при ограничениях по потребляемой электрической мощности и электроэнергии, возникающих при дефиците мощности в энергосистеме, а также при ограничениях по пропускной способности электрических сетей:

электроэнергии) в условиях возникновения дефицита в энергосистеме между различными предприятиями или обеспечивающее минимальный народнохозяйственный ущерб от снижения потребляемой мощности.

Автором монографии [32] предлагалось решать задачи 1 и методами нелинейного программирования (например, комплекс-метод), задачу 3 – методом Лагранжа. Возможность применения этих методов основана на том, что авторы не рассматривают возможность отключения электроустановок, а разрешают только непрерывное изменение режима, что переводит задачу из области комбинаторной в область нелинейной оптимизации.

В предлагаемом советскими учеными подходе к управлению энергопотреблением следует отметить следующие недостатки:

1. У потребителей-регуляторов отсутствует собственная генерация;

электропотребления невозможно отключение технологических установок, а возможно только менять их мощность, что сильно упрощает задачу, делая ее некомбинаторной;

3. Целевая функция включает в себя нелинейные функции ущербов предприятия от изменения режима электропотребления, исходные данные для которых в настоящее время найти не представляется возможным;

4. Единственным условием приемлемости графика потребления для потребителя является выполнение плана по выпуску продукции, то есть предложенные модели специфичны и могут применяться, как уже было сказано выше, только для промышленных предприятий.

5. Не полностью отражает интересы потребителя при моделировании его поведения (т.к. не все графики потребления, позволяющие выполнять план, равнозначны).

В 2000-е гг. в [18] также рассматривалась задача управления поведением потребителя с целью сглаживания графика нагрузки энергосистемы, способствующего достижению максимальной экономической эффективности энергоблоков, снижению вредных выбросов в атмосферу и прочим целям. Если в перечисленных выше задачах предполагалось изменение режимов работы самого предприятия для достижения эффекта снижения затрат или снижения расхода энергоресурсов, то в данной статье предлагается методика расчета тарифа на электроэнергию, учитывающая поведение потребителей и стимулирующая различные группы потребителей распределять собственные нагрузки в течение суток таким образом, чтобы в энергосистеме фактическая нагрузка стремилась к величине, соответствующей максимальной экономической эффективности – точке излома энергетической характеристики, а среднее значение тарифа для неизменными. Разработанная методика учитывает, во-первых, энергетические характеристики генерирующего оборудования, и, вовторых, вид суточного графика нагрузки потребителей.

На основании энергетических характеристик генерирующего оборудования определяются интервалы времени высокого, среднего и низкого уровня тарифов для энергосистемы в целом:

характеристики), определяется верхняя граница мощности для всей энергосистемы, превышение которой должно караться штрафами, т.е. максимально дорогими тарифами.

На основании средних значений мощности энергоблоков, расположенных между минимальным технологическим определяется вторая граница – соответствующая переходу Рассчитанные интервалы мощности адаптируются для каждого типа потребителей исходя из доли в общем графике нагрузки, т.е. чем большую долю мощности потребляет потребитель в интервале, тем выше для него будет граница перехода к более высокому тарифу. В рассматриваемом подходе также предполагается, что в интервале дорогого тарифа в случае, если потребляемая мощность ниже установленной для тарификации границы мощности, то для потребителя применяются более низкие уровни тарифов.

Величина тарифов для каждого сформированного интервала определяется исходя из:

среднего тарифа, рассчитанного исходя из стоимости электроэнергии для энергосистемы в целом, то есть исходя из затрат на потребленное всеми энергоблоками топливо (при учете только затрат на топливо) коэффициентов соотношения тарифов для разных зон, нагрузок энергосистемы при сохранении среднего тарифа Предлагаемый авторами [18] метод расчета тарифов с учетом потребительского поведения отражает технологические особенности различных режимов работы генерации, учитывает особенности режимов работы потребителей, решает задачу стимулирования потребителей к выравниванию суточного графика нагрузок энергосистемы при сохранении среднего тарифа неизменным. Однако указанный подход в большей степени учитывает интересы генерации и регулятора, поскольку отражает технологические особенности различных режимов работы генерации, и учитывает только обобщенный вид графика нагрузки потребителя без проведения оценки приемлемости изменения его конфигурации. Кроме того, применение указанного подхода в настоящее время не представляется возможным, в силу перехода к функционирования рынка электроэнергии и мощности не применяется диспетчерское управление энергосистемой исходя из энергетических характеристик работы оборудования и используются более сложные потребителей.

Новый интерес к управлению энергопотреблением возник с развитием концепции Smart Grid, частью которой, как уже было сказано выше, является «активизация» потребителей.

Россия, после реформирования электроэнергетики оперативного горизонта планирования (условно, до одного года) в Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН разработана общая экономико-математическая модель (далее – Модель активного потребителя). В соответствии с Моделью «активный» потребитель минимизирует функцию операционных затрат, учитывающих:

- цену на покупаемую с рынка электроэнергию (с учетом стимулы от участия в программах по управлению спросом, например, накопленное потребление при кумулятивной зависимости цены от потребляемого с начала отчетного периода объема электроэнергии);

- профиль энергопотребления;

энергопотребления от желаемого профиля (потребности в - цену на передаваемую в сеть электроэнергию от собственной - объем собственной генерации, передаваемой в сеть;

- себестоимость производства электроэнергии от собственной экономические факторы, влияющие на поведение «активного»

потребителя, и помогает оценить порядки величин этих факторов в финансовом выражении и может быть использована для описания его поведения при разработке как механизмов мотивации потребителя к участию в регулировании, так и механизмов управления спросом [3].

Зарубежные исследования В международных исследованиях изучение проблем управления спросом в настоящее время является очень актуальной темой. Следует отметить, что в отличие от советских ученых, зарубежными авторами в основном рассматриваются математические модели, отражающие интересы бытовых потребителей (домохозяйств) [59, 60, 66, 102, 115].

В [102] предлагается математическая модель, учитывающая следующие основные параметры: денежный эквивалент выгодности графика потребления, стоимость покупки электроэнергии из сети, а также выгоду, получаемую от продажи электроэнергии от собственной генерации. По итогам проводимой оптимизации по критерию минимизации затрат на энергопотребление формируется график нагрузки каждого электроприбора потребителя (с учетом заданных характеристик работы, таких как продолжительность работы). Авторы предлагают генетический алгоритм приближенного решения задачи планирования потребления и собственной генерации на сутки вперед с возможностью оперативного перепланирования и апробируют этот алгоритма на примере домохозяйства, расположенного в г. Сарагоса (Испания).

В [59] рассматривается аналогичная задача по формированию оптимального профиля энергопотребления, но в отличие от денежного эквивалента выгодности, используемого в [102], в модели используется предлагается решать задачу с использованием алгоритма выпуклого программирования. Результаты апробируются на условных данных для компании Illinois Power Company (США) за период январь 2007-декабрь 2009 с учетом индексов инфляции.

Помимо задачи формирования оптимального графика нагрузки оборудования в [115] добавляется задача эффективного распределения электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, расположенным у потребителя, электроприборов. В отличие от [102] и [59] авторами [115] не рассматривается приемлемость графика для потребителя с точки зрения уровня удовлетворенности потребителя. Авторы предлагают решать оптимизационную задачу с использованием метаэвристического алгоритма и апробируют предложенный алгоритм на условных данных.

В отличие от [102], [115] и [59] в [60] авторами рассматривается объединение нескольких потребителей, генерирующий источник является общим. Ключевой особенностью предлагаемого подхода энергопотребления других потребителей, что приводит к наличию игрового поведения среди участников. Авторами рассматривается две задачи в целом для всего объединения потребителей: во-первых, минимизация коэффициента неравномерности графика нагрузки, и, вовторых, минимизация затрат на электроэнергию. Поскольку обе задачи являются взаимосвязанными, авторами рассматривается задача минимизации затрат на электроэнергию и предлагается алгоритм решения с использованием теории игр, т.е. по итогам ее решения определяется профиль энергопотребления каждого участника, при котором достигается равновесие Нэша. Результаты апробируются на условных данных.

В [66] также рассматривается задача минимизации затрат на энергопотребления для всего MicroGrid – объединения нескольких домохозяйств. В отличие от [115] не предполагается взаимодействие энергопотребления. Авторами предложен последовательный алгоритм оптимизации энергопотребления. На первом этапе решается задача, аналогичная рассмотренным в [102], [115] и [59]: определяется график энергопотребления для электроприборов каждого отдельного домохозяйства независимо от режима работы других домохозяйств исходя из минимизации затрат на энергопотребление с учетом коэффициентов приемлемости, отражающих уровень удовлетворения потребителя от заданного графика энергопотребления, а также штрафов за прерывание работы электроприборов. На втором этапе осуществляется управление распределенной генерацией (которая в отличие от [102], [115] и [59] является общей для всего MicroGrid) при этом решается задача максимизация использования распределенной генерации и минимизации затрат на энергопотребления для всего MicroGrid. На третьем этапе осуществляется управление работой накопителя электроэнергии исходя из технических характеристик самого устройства, а также внешних параметров, определенных на первых двух этапах: энергопотребление и объема выработки ветрогенерацией. Перечисленные задачи авторы предлагают решать с использованием метаэвристического алгоритма. Результаты апробируются на условных данных.

рассматриваемых в международной литературе при моделировании:

1) Формирование оптимальной стратегии управления нагрузкой для отдельного домохозяйства на основании математической модели, которая технически будет реализована в Smart-счетчиках, позволяющей потребителю принять решение о формировании графика нагрузки своих электроприборов;

агрегированных затрат или агрегированного энергопотребления MicroGrid (всей совокупности домохозяйств) путем организации взаимодействия между потребителями или управления общим электрической энергии.

По результатам изучения литературы можно классифицировать математические модели на основании их характерных особенностей следующим образом:

1. Оптимизируемый показатель 1.1. Затраты на энергоснабжение [59, 66, 102, 115] 1.2. Коэффициент неравномерности графика нагрузки (без снижения суммарного энергопотребления за рассматриваемый период) 2. По уровню агрегации 2.1. Оптимизация на уровне домохозяйства [59, 66, 102, 115].

2.2. Оптимизация на уровне Microgrid a. С учетом возможного взаимодействия потребителей [60];

b. Без учета возможного взаимодействия потребителей [66].

3. Учитываются ли потери потребителя 3.1. Оптимизация без учета приемлемости изменения графика нагрузки для потребителя [115];

3.2. С учетом уровня удовлетворенности потребителя [59, 66, 102].

особенности рассмотренных задач:

1. Горизонт планирования: на сутки вперед;

2. Взаимодействие между потребителями на уровне MicroGrid предполагается только в модели [60];

3. Учет в модели оптимизации загрузки собственной генерации:

учитывается в моделях [66, 102, 115].

электроэнергии: учитывается в моделях [66, 115].

(характеризуется длительным непрерывным периодом зарядки – электропотребления) [59, 60, 102].

6. Конфигурация графика цены: допустимы произвольные почасовые (интервальные) графики цены [66, 102] и с применением гибкого ступенчатого тарифа [59], зонный тариф [60, 115], потребителя: денежный эквивалент выгодности для пользователя графика потребления [102, 66], готовность ожидания выполнения задачи (начала работы электроприбора) [59].

Всеми авторами одинаково признается сложность решения задачи, связанная с большим числом возможных комбинаций, в связи с чем предлагается использовать следующие методы оптимизации при решении представленных выше задач:

- Эвристические [102] и метаэвристические алгоритмы, в том числе, метод роя частиц (particle swarm) [115, 66] и Метод Qобучения [66];

- Алгоритмы выпуклого программирования (метод внутренних точек) [60, 59];

Разработанные модели апробируются в большинстве случаев на смоделированных системах (домохозяйство, объединение домохозяйств в MicroGrid) и только в одном случае [102] на реальных данных домохозяйства, расположенного в Испании. Полученные результаты свидетельствуют о снижении суммарных затрат на энергоснабжение во всех случаях применения предлагаемых авторами моделей. Процент снижения затрат зависит от конфигурации модели, наличия или отсутствия в модели собственной генерации, накопителя электроэнергии и составляет от 8 до 25%.

Таким образом, в настоящее время неизвестна модель управления потреблением и генерацией активного потребителя, которая подходила бы для описания как домохозяйств, так и для промышленных потребителей, позволяла учесть потери потребителя в случае различных графиков нагрузки, включала в себя управление собственной генерацией, и, в то же время, была вычислительно достаточно простой для того, чтобы лечь в основу поведения агентов-потребителей в рамках мультиагентной системы моделирования энергосистемы в рамках решения задачи управления спросом путем тарифного регулирования.

2.2.2. Формирование модели принятия решений «активного»

За основу при разработке модели принятия решений «активного»

потребителя принята модель, разработанная Институтом проблем управления РАН [3], которая была детализирована и адаптирована к описанию поведения активного потребителя в интересах решения задачи управления спросом следующим образом.

Разобьем промежуток времени, для которого осуществляется планирование, на T периодов (для определенности на 24 периода по энергопотребляющего оборудования.

Работа типичной единицы оборудования моделируется графиком нагрузки, определяющим мощность, потребляемую оборудованием в каждый из 24-х плановых периодов.

Матрица An всех возможных графиков нагрузки для оборудования n 1, N формируется на каждый час последующих суток. Матрица содержит T столбцов (количество часов в периоде планирования), t 1, T, и R строк (количество режимов работы (комбинаций графиков работы).

При этом для унификации всех матриц принято, что количество строк имеющихся: r 1, R, R max Rn, где Rn - количество режимов работы n-ой единицы оборудования. Появление нулей в строке означает, что оборудование должно быть выключено в соответствующие часы, единиц – что потребление включено в соответствующие часы. При этом для несуществующих режимов работы – соответствующие строк матрицы энергопотребляющего оборудования (кВт), Пример матрицы Аn для кондиционера приведен в таблице 7:

- возможна как непрерывная работа в течение заданного времени, так и прерывистая работа с заданным интервалом;

- параметры работы: порядковый номер оборудования n = 22.

Здесь и далее в качестве примера используются данные о параметрах работы оборудования из [102].

Таблица 7 – Пример (транспонированной) матрицы графиков нагрузки кондиционера Возможные графики нагрузки r, …, Rn соответствующий строке (режиму работы) r 1, R и столбцу t 1, T, A n (a n ). Тогда если для оборудования n потребитель выбрал график загрузки r, то суммарное потребление в момент времени t запишется как Vt a zn t Pnпотр, где z ( z1,..., z N ) - вектор переменных, энергопотребляющего оборудования, n 1, N, z n 1, Rn.

эквивалент выгодности для пользователя графика потребления r 1, R оборудования есть режим, соответствующий его полному отключению, то логично считать для него этот параметр равным нулю, и тогда для электрооборудование n в режиме r по сравнению с ситуацией оборудования (если строки матрицы An целиком состоят из 0) условно считаем, что это эквивалентно тому, что оборудование выключено в Денежный эквивалент выгодности определяет ценность для потребителя использования n-ой единицы оборудования в заданном режиме в период планирования и, в общем случае, определяется, как максимальная цена на электроэнергию, которую потребитель готов В исходной модели [1] аналогичные функции выполняли т.н. «потери из-за отклонения потребления от потребности». Здесь терминология несколько изменена для удобства сравнения результатов с другими моделями.

заплатить за использование n-ой единицы оборудования в течение периода планирования в режиме r.

Пусть дано множество возможных цен на электроэнергию c из i элементов и вероятностное распределение данного множества по времени P : c, t p. Тогда денежный эквивалент в момент времени t есть математическое ожидание цены в данный момент t по распределению P:

c i - i-й элемент множества С.

Представляя режим работы r как совокупность временных периодов t, получим:

где: j – временной промежуток r.

эквивалента выгодности является сложной социально-экономической задачей по выявлению предпочтений потребителей. В экономической теории эквивалентом этого является количественная оценка полезности [51]. Денежные оценки выгодности того или графика потребления имеют исключительно индивидуальный, субъективный характер: для одного потребителя, не работающего и проводящего основное время дома, безразлично, в какое время смотреть телевизор (денежный работающего потребителя ценность имеет просмотр телевизора за 1- часа до сна (денежный эквивалент выгодности в течение дня будет нулевым, и только за два часа до сна будет иметь положительное значение). Предполагается, что только конкретный потребитель может дать оценку денежного эквивалента выгодности электропотребления для конкретного типа электрооборудования.

В диссертации предлагается два возможных способа определения денежного эквивалента выгодности:

Для укрупненной оценки на практике предлагается использовать следующий подход: все технически реализуемые графики нагрузки делятся на допустимые для потребителя и недопустимые. Недопустимые графики исключаются из матрицы An всех возможных графиков нагрузки для оборудования n 1, N, а всем допустимым графикам назначается одинаковая полезность.

на основе данных, получаемых посредством онлайн-систем интеллектуального учета и измерения выгодности необходимо оснащение потребителя «умными счетчиками», которые подключаются к каждому энергопотребляющему прибору, фиксируют информацию о временном интервале (предполагается почасовая дискретность), объемах потребления электроэнергии и цене на электроэнергию на рынке, и передают указанные информационные сигналы в информационный центр, расположенный также на стороне потребителя.

В информационном центре агрегируется информация об объемах потребления по каждому из энергопотребляющих приборов (p) в заданный интервал времени по различным ценам электроэнергии (с).

Для расчета денежного эквивалента выгодности необходимы данные о ценах на электроэнергию (c) и об объеме потребления (p) в заданный интервал времени t по указанной цене, а также о временном периоде, за который указанные данные собраны (общее количество часов в течение периода сбора информации, например, за месяц - T):

времени p, p, p... p P - объем потребления электроэнергии (мощности) по цене сi в заданный интервал времени t. Указанное распределение цены на потребляемую электроэнергию сi задается в табличном виде ( c C, p P ; причем оба множества заданы) (пример приведен в таблице 8).

Также нам известен максимально возможный объем потребления электроэнергии за час, определяемый как номинальная мощность рассматриваемом периоде сбора информации T (в месяце) – то есть случай, когда электроприбор был включен в рассматриваемый час в рассматриваемый интервал времени. Тогда наиболее вероятная (выгодная) цена есть математическое ожидание рассматриваемых цен на потребляемую электроэнергию, т.е. денежный эквивалент выгодности есть:

Таблица 8 – Пример распределения цены на потребляемую электроэнергию Предположим далее, что потребитель обладает M источниками собственной генерации – солнечной и/или ветряной установкой, дизельным или газовым электрическим генератором. С учетом возможности различных режимов работы генераторов для каждого генератора можно построить зависимость себестоимости генерации единицы электроэнергии cm ( g mt ) от выдаваемой в каждый момент времени мощности g mt. Точка на графике соответствует минимальной себестоимости, с которой возможна выдача требуемой мощности на данной энергетической установке.

Примеры соответствующих графиков для солнечной установки и дизель-генератора представлены на рисунке 10.

Средняя удельная себестоимость руб./кВт.ч.* Средняя удельная себестоимость руб./кВт.ч.* * Средняя себестоимость выработки 1 кВт.ч.

Рисунок 10 – Примеры графиков зависимости себестоимости от объема выработки электроэнергии для дизель-генератора и Если обозначить через g mt мощность генерации установки m 1, M, t 1, T, то g t g mt – это полный объем генерации в период ( g I ( g tI ) ) и объемом электроэнергии g tE ( g E ( g tE ) ), выдаваемым в сеть, а C (t ) cm (t, g mt ) – затраты на производство «активным» потребителем объема электроэнергии g в период времени t. Для упрощения расчетов в рамках диссертационного исследования затраты на пуск/остановку генерирующих мощностей считаются нулевыми.