Передмова

Дисципліна “Оптимізація режимів електроенергетичних систем” (ОРЕС) є однією з завершальних для студентів маґістрів та спеціалістів спеціальності “Електричні системи та мережі”, вивчення яких завершує підготовку спеціаліста-енергетика.
Увазі читача пропонується навчальний посібник, в якому відповідно до програми Міністерства освіти і науки України викладені основні характеристики електростанцій, загальні відомості про електроенергетичні системи та їхні режими, розглянуті питання оптимального розподілу навантажень між електростанціями, методи одно- та багатокритеріальної оптимізації режимів електричних мереж та енергосистем загалом.
Вивчення вказаних вище дисциплін ґрунтується передусім на таких предметах, як “Електричні мережі та системи” й “Електрична частина станцій та підстанцій” тощо.
У навчальному посібнику враховано досвід читання лекцій та проведення практичних і лабораторних занять з цих дисциплін, набутий авторами та іншими викладачами кафедри “Електричні системи та мережі” Національного університету “Львівська політехніка”.
Автори свідомі того, що далеко не всі аспекти проблеми оптимізації електроенергетичних систем висвітлені досконало і в повному обсязі.
Просимо надсилати свої зауваження та пропозиції на адресу:
79013 м. Львів, вул. С. Бандери, 12, кафедра електричних систем та мереж.
Всі зауваження та пропозиції щодо поліпшення змісту посібника автори сприймуть з вдячністю і постараються їх врахувати у наступних перевиданнях посібника.

Вступ

Енергетика будь-якої країни є тією галуззю промисловості, від розвитку якої залежить благополуччя держави загалом. Успішний її розвиток свідчить і про загальний рівень держави, і про її місце у світовому співтоваристві.
За останні роки в електроенергетичній галузі України здійснено істотні реформи, які спрямовані на впровадження ринкових стосунків в енергетиці та наближенні її структури до структури енергетики деяких зарубіжних країн.
Після розпаду СРСР, коли Україна стала незалежною державою, структура енергетики нашої країни загалом була такою. Забезпечення споживачів електроенергією здійснювалось від 8 регіональних енергосистем (Львів-, Вінниця-, Київ-, Одеса-, Дніпро-, Донбас-, Харків- та Крименерго), до складу яких входили всі енергетичні підприємства (окрім атомних електростанцій), розміщених на відповідних територіях. Енергосистеми забезпечували працездатність всього енергетичного обладнання, його ремонт, обслуговування, реновацію, модернізацію, будівництво нових енергетичних об’єктів тощо. І найголовніше – оперативне управління режимами енергосистем, всіх електростанцій, зокрема й атомних, що розміщені на
території, яку обслуговувала ця енергосистема, працюючи паралельно з іншими енергосистемами України. Так, наприклад, енергосистема “Львівенерго” займалась виробництвом, передаванням та розподілом електричної та теплової енергій у Львівській, Рівненській, Волинській, Закарпатській та Ів.-Франківській областях. Аналогічно працювали інші енергосистеми на відповідних територіях.
Управління режимами всіх енергосистем країни здійснювали в Національному диспетчерському центрі (НДЦ) України (м. Київ), який забезпечував оптимальні перетоки енергії між окремими енергосистемами, керував роботою атомних і потужних теплових та гідравлічних електростанцій, прийманням та передаванням електроенергії за межі країни тощо.
У 1995 році енергетичну галузь країни було істотно реформовано, у результаті чого було створено чотири генеруючі компанії теплових станцій – ТЕС (Захід-, Центр-, Дніпро- та Донбасенерго); дві генеруючі компанії гідравлічних та гідроакумулюючих електростанцій – ГЕС (ГАЕС) (Дніпрогідро- та Дністрогідроенерго); Національна атомна енергетична компанія (НАЕК) “Енергоатом”, до складу якої увійшли п’ять атомних електростанцій – АЕС (Чорнобильська, Рівненська, Хмельницька, Південноукраїнська та Запорізька);
вісім регіональних диспетчерських центрів (РДЦ) – за кількістю енергосистем, що функціонували раніше (основні органи управління яких залишились на місцях колишніх енергосистем – здебільшого змінились тільки назви); вісім магістральних електричних мереж
(МЕМ) і 27 енергопостачальних компаній (ЕПК) – за кількістю областей в Україні – 25, а також міста Київ і Севастополь (енергопостачальні компанії почали називати – обленерго). Національний диспетчерський центр реорганізовано у Національну енергетичну
компанію (НЕК) “Укренерго” та державне підприємство (ДП) “Енергоринок” у складі НЕК “Укренерго”.
У результаті такої реорганізації передбачалось, що виробники електричної енергії “постачатимуть” її на оптовий ринок, де її закуповуватимуть енергопостачальні компанії та продаватимуть споживачам. Передбачалось, що генеруючі компанії будуть зацікавлені виробляти якомога дешевшу електроенергію (конкурентна боротьба на ринку електроенергії), та продаючи її, отримувати відповідні прибутки.
На РДЦ покладали функції управління режимами передавання та розподілу електроенергії від генеруючих компанійдо енергопостачальних (тобто, значною мірою за ними залишались ті самі функції, які були притаманні енергосистемам).
Передбачалось також, що магістральні мережі займатимуться збиранням інформації про стан високовольтних мереж, координацією та узгодженням питань ремонту, реновації та обслуговування ліній електропередач і підстанцій напругами 220 кВ і вище.
На енергопостачальні компанії (до складу яких відійшли лінії та підстанції напругами 110 (154) кВ і нижче) покладались повністю функції як господарського, так і оперативного управління електричним господарством з питань розподілу та продажу електричної енергії споживачам.
Для забезпечення керованості в енергетичній галузі в межах всієї країни, особливо з погляду цінової політики, було створено Національну комісію з регулювання енергетики (НКРЕ), основна функція якої полягала в узгодженні інтересів виробників, продавців і споживачів
електричної енергії, враховуючи загальнонаціональні інтереси.
Однак трирічний досвід функціонування таких структур в енергетиці засвідчив явну недосконалість виконаної реорганізації, після чого у 1998–1999 рр. було здійснено чергову реорганізацію, внаслідок якої були об’єднані РДЦ і МЕМ в одну структуру, яку назвали – електроенергетичними системами (ЕЕнС). Їх так і залишилось 8 – (Західна (м. Львів), Південнозахідна (м. Вінниця), Дніпровська (м. Запоріжжя), Донбаська (м. Горлівка), Південна
(м. Одеса), Північна (м. Харків), Кримська (м. Сімферополь), Центральна (м. Київ)). ДП “Енергоринок” було виведено зі складу “Укренерго” в окреме державне підприємство, яке підпорядкували безпосередньо Кабінету Міністрів України (КМУ) у 2000 р.
Електроенергетична система, своєю чергою, складається з різних структурних підрозділів (від 3 до 7). Наприклад, до складу Західної ЕЕнС входять: Львівські, Стрийські, Рівненські, Волинські, Ів.-Франківські та Закарпатські магістральні електромережі, а також підстанція (ПС) 750 кВ “Західноукраїнська”. Подібні структурні підрозділи входять і в інші ЕЕнС.
Необхідно відзначити також, що насправді сьогодні структура енергетики країни є значно складнішою. Річ у тому, що частина енергооб’єктів генеруючих та енергопостачальних є державними, а інша – приватними, одні компанії є відкритими акціонерними товариствами, інші – закритими тощо. Так станом на 01.01.2006 р. виведена з експлуатації Чорнобильська АЕС (вважається, що частина її блоків законсервована і в разі потреби АЕС можна знову залучити
до роботи). З державної генеруючої компанії “Донбасенерго” виділилась приватна компанія “Східенерго”; в різних регіонах створились незалежні енергопостачальні компанії, як правило, приватні, відділенням від існуючих обленерго; деякі споживачі уклали прямі угоди на отримання електроенергії безпосередньо від електростанцій, зокрема й від атомних, а не від енергопостачальних компаній (обленерго). Окрім того, якщо більшість генеруючих компаній
(окрім “Східенерго”) та ЕЕнС є державними структурами, то третина ЕПК є приватними тощо. Нагадаємо також, що трохи більше року тому наново відновлено Міністерство вугільної промисловості, яке було структурним підрозділом Мінпаливенерго тощо.
Отже, структуру енергетики України нині не можна вважати усталеною, тим паче що періодично точаться розмови про необхідність (доцільність) приватизувати державні об’єкти, наприклад, генеруючи компанії, з одного боку, а з іншого, про необхідність (доцільність)
повернути у державну власність приватизовані обленерго. Щоправда, йдеться переважно про зміни в адміністративно-управлінському аспектах і практично не стосується оперативного управління енергооб’єктами енергосистем, про яке і йтиметься в цьому посібнику. Тобто, в цьому посібнику поняття енергосистеми (старе) та електроенергетичної системи (нове) власне адекватні з погляду технології виробництва, передавання та розподілу електроенергії, оперативного управління режимами енергетичних підприємств та їх оптимізації.
Отже, сучасна енергетична система розвинутої країни являє собою складну кібернетичну систему, яка належить до класу великих систем, тобто ця система містить не тільки величезну кількість різноманітних елементів з багатоконтурними зворотними зв’язками, а й має низку специфічних ознак: ієрархічність побудови, необхідність розв’язання різноманітних оптимізаційних задач з різними ступенями деталізації та спрощень, обов’язкова участь людини у розв’язанні багатьох завдань тощо. Оскільки велика система має нові, складніші властивості порівняно з її окремими компонентами, то розв’язування оптимізаційних задач у такій системі пов’язане зі значними труднощами. Тут необхідно враховувати великі територіальні масштаби системи, необхідність розгляду як довготривалих, так і короткочасних періодів її роботи, складність та не лінійність взаємозв’язків між окремими її компонентами, труднощі в отри-
манні достовірної інформації тощо.
Загалом слово “оптимізація” може мати як дуже глибокий зміст, так і може не мати ніякого конкретного змісту, коли його вживають як еквівалент слова “кращий”. “Оптимальний” об’єкт чи процес означає, що вони є кращі за інші за певними ознаками (критеріями), тобто поняття оптимальності є відносним – порівнюються між собою за тими чи іншими показниками певні об’єкти чи процеси. І тут дуже важливим є вибір таких критеріїв (їх числових значень), які б могли показати наскільки (або в скільки разів) один процес (об’єкт) кращий за інші.
Зрештою метою розв’язання таких завдань є забезпечення найбільшої народногосподарської ефективності для країни загалом або досягнення найкращих показників в окремих часткових випадках. Тим паче, що, на превеликий жаль, енергоємність нашого валового внутрішнього продукту (ВВП) набагато більша (0,89 к.у.п./дол), ніж у розвинутих країнах – від 0,34 к.у.п./дол (середньосвітовий показник) до 0,20 к.у.п./дол для Австрії чи Данії (тут к.у.п. – кілограм умовного палива).
Отже, стосовно енергетичних завдань – це зменшення витрат палива до можливо допустимої межі на виробництво необхідної кількості електроенергії, зменшення до мінімуму втрат активної потужності в електричних мережах під час передавання її до споживачів, забезпечення нормованої якості електроенергії тощо.
Загалом показників (критеріїв) оптимальності є багато, деякі з них не можна характеризувати суто кількісними значеннями (наприклад, вплив на екологію енергетичних установок, вплив високих та надвисоких напруг на здоров’я людей тощо). У таких випадках приходиться користуватись деякими загальними якісними характеристиками, рекомендаціями спеціалістів-експертів тощо.
Оптимізація режимів роботи енергосистем – виробництва, передавання та розподілу електроенергії розпочалася з появою енергоустановок, а з розвитком та розширенням енергосистем потреба в оптимізації режимів ставала щораз нагальнішою. Для цього розробляли та вдосконалювали методи оптимізації, їх алгоритмічну та програмну реалізацію. Одним із широковідомих є метод Лагранжа (так званий варіаційний метод), що дає змогу відшукати умовний (відносний) екстремум неперервної функції. Тобто, шукається мінімум чи максимум функції за виконання додаткових умов у вигляді рівностей. Нині для розв’язання все складніших оптимізаційних задач використовують математичні методи, що ґрунтуються на
лінійному та нелінійному, динамічному та стохастичному програмуванні, причому їх застосування в своїй основі містить так званий системний підхід. Тобто, розглядаються у комплексі всі частини та функції енергосистем в їх гармонійному поєднанні, часткові інтереси підпорядковуються загальним.
Поява сучасних швидкодійних електронних обчислювальних машин, практично не обмежених за пам’яттю та швидкодією, дає змогу ефективно розв’язувати будь-які оптимізаційні завдання
сучасної енергетики та здійснювати оптимізацію режимів енергосистем у темпі перебігу процесів під загальним керівництвом спеціально навченої людини-диспетчера. Це також дало змогу створювати ефективні автоматизовані системи керування як окремими
об’єктами енергетики, так і об’єднаннями енергосистем загалом у масштабах всієї країни.
Окремі аспекти цих проблем і будуть висвітлені надалі.