Моделирование комплексной стратегии генерирующей компании для обеспечения резервов в условиях развития рыночных отношений

Энергетические системы традиционно управлялись как естественные монополии вертикально интегрированными компаниями под контролем государства. Обычно, в системе был один поставщик услуг, получавший фиксированный тариф от потребителей. С 1982 года, когда Чили изменила структуру своей энергетики, дерегулирование отрасли началось по всему миру. Экономической мотивацией реструктуризации энергетической индустрии изначально было увеличение эффективности за счет введения конкуренции и понижения стоимости для конечного потребителя.

Для обеспечения конкуренции необходимо разукрупнить энергетический сектор и разделить его на независимые виды бизнеса, такие как генерация, транспорт и распределение и гарантировать открытый доступ к каждому из видов деятельности. Реализация энергетических рынков требует не только создания рынка энергии и мощности, но и ценовых схем компенсации за использование пропускной способности (перегрузки и потери), а также обеспечения надежности и безопасности работы в конкурентной среде. Значимый вклад в развитие этой области науки внесли Арзамасцев Д. А, Адонц Г. Т., Баринов В. А., Баркан Я. Б., Бартоломей П. И., Бердин А. С., Богатырев Л. Л., Бушуев В. В., Валдма М. Х., Веников В. А., Воропай Н. И., Воротницкий В. Э., Гамм А. З., Гераскин О. Т., Гительман Л. Д., Голуб И. И., Горнштейн В. М., Жежеленко И. В., Журавлев В. Г., Идельчик В. И., КитушинВ.Г., Кучеров Ю. Н., Крумм Л. А., Курбацкий В. Г., Манусов В. З., Мызин А. Л., Паламарчук С. И., Портной М. Г., Ратников Б. Е., Розанов В. И., Руденко Ю. Н., Семенов В. А., Совалов С. А., Строев В. А., Суханов О. А., Фазылов Х. Ф., Филиппова Т. А., Фишов А. Г., Чебан В. М., Щербина Ю. В., Эдельман В. И. и многие их коллеги. Однако рынкам резервов и дополнительных системных услуг посвящено не очень много исследований. В частности такие рынки концептуально упоминаются в трудах Б. И. Аюева и П. М. Ерохина. Данная работа призвана частично заполнить этот пробел.

Независимо от модели рынка досбытовая часть энергосистемы в новых условиях состоит из трех компонент:

• первичного (оптового) рынка энергии;

• системы управления транспортом электрической энергии;

• набора дополнительных системных услуг для обеспечения надежной и безопасной работы энергосистемы в целом.

В процессе всемирной реструктуризации энергетики возникло несколько моделей рынка. Эти модели являются продуктами технического, экономического и даже политического развития. Время показало, что некоторые модели рынка являются работоспособными, как например NordPool или PJM, а некоторые имеют непреодолимые трудности, например рынок Калифорнии или рынок Онтарио.

Особенности энергетической системы делают введение рынка достаточно нетривиальной технической задачей. Тот факт, что баланс мощности системы должен соблюдаться в любой момент времени, вкупе с взаимодействием всех элементов системы, лишь добавляет трудностей в достижение поставленной цели. Несмотря на то, что в реструктуризированной энергосистеме генерация выделена в отдельный конкурентный бизнес, передача электроэнергии остается естественной монополией. С рыночной точки зрения транспортная система должна быть сведена к точкам поставки и потребления проданной и купленной, энергии. К сожалению, реальные потоки энергии в транзитной системе обусловлены физическими законами и ограничиваются пропускной способностью данной транзитной системы. Когда для обеспечения заданной поставки пропускная способность линии меньше требуемого значения, возникает состояние перегрузки. Это, в свою очередь, затормаживает свободное распространение энергии как товара, предсказанное экономической теорией, и ухудшает показатели конкурентности. При наличии перегрузок наиболее дешевая генерация не может использоваться, вместо нее для обеспечения потребностей потребителей может задействоваться более дорогая генерация. Следствием перегрузок являются маржинальные ценыстоимость энергии всегда не меньше стоимости генерации в данном узле. Разница в стоимости энергии между узлами сети без учета потерь называется стоимостью перегрузки транспортной сети. Способ, которым урегулируется проблема перегруженности транспортной сети, оказывает непосредственное влияние на эффективность рынка генерации. Таким образом, целью архитекторов рынка является получение такого механизма распределения пропускной способности, при котором конкуренция между генерирующими компаниями проявляется в явном виде.

Самое общее деление рынков на классы включает два компонента: централизованный рынок и децентрализованный рынок. Централизованный рынок-такой рынок, в котором контракты на поставку энергии и управление системой осуществляется в нескольких пунктах сосредоточения управления, например, в системном операторе и операторе рынка. Децентрализованный рынок-такой рынок, в котором соглашения о поставке энергии заключаются непосредственно между участниками, а единый центр служит для подачи уведомлений и наблюдения за работой рынка.

В централизованном рынке перегрузки неявным образом включены в маржинальную узловую стоимость энергии на этапе клиринга рынка. Такие цены являются эффективными для торговли электрической энергией, поскольку они учитывают все системные характеристики. С другой стороны, в децентрализованной системе рынка управление перегрузками является отдельной статьей расходов, не связанной с клирингом (процессом определения узловых цен и объемов производства и потребления, выставления счетов и денежных расчетов) энергетического рынка. В смешанной системе управления кроме централизованного управления допустимы двусторонние соглашения. Независимо от модели рынка все его участники должны нести часть бремени обеспечения управления перегрузками. Поскольку стоимость управления никогда заранее не известна, участники рынка вынуждены принимать на себя риски нестабильности цены за энергию. Альтернативным способом хеджирования рисков, связанных со стоимостью перегрузок, являются финансовые права на передачу (ФПП). Они являются чисто финансовым инструментом, основанным на разнице в цене между точками поставки и изъятия для заданного количества энергии. В настоящее время такая схема хеджирования применяется в некоторых рынках, например в Новой Зеландии, PJM и в Нью-Йорке.

С момента введения конкурентных отношений остро стоит вопрос о минимизации возможностей манипуляции ценами, т. е. применения рыночной силы участниками рынка. Благодаря наличию ограничений, связанных с пропускной способностью транспортной сети, энергия генерации не может свободно передаваться в любые узлы системы, отсюда возникают локальные очаги применения рыночной силы. В отличие от любого другого типа рынка, уникальные характеристики энергетического рынка способствуют применению рыночной силы. Например, тогда как в обычном рынке усиления рыночной силы можно добиться уменьшением производства определенного вида товаров, то в энергетическом рынке усиление воздействия может достигаться за счет увеличения производства, благодаря полной взаимозаменяемости генерации по всей системе. Кроме того, как справедливо указано в [1], традиционные эталоны измерения рыночной силы, такие как индексы концентрированное&trade-, не работают в случае энергетического рынка, т.к. обыкновенные классические индексы не учитывают расположения поставщика, сетевые взаимодействия и изменяющиеся условия в сети.

Актуальность темы

Проведение реформ в электроэнергетике требует изменений в методах управления функционированием и развитием электроэнергетической системы как большой единой технической системой.

Развитие рыночных взаимоотношений предполагает создание конкуренции между участниками, в результате чего поставщики и покупатели будут бороться между собой за возможность продавать и покупать электроэнергию и системные услуги. Это позволит оператору системы планировать деятельность по управлению системой и обеспечению её надежности, опираясь на экономическое стимулирование, а не на административный ресурс. В целях развития ЕЭС, повышения инвестиционной привлекательности отрасли, всем участникам рынка необходимо получать ясные рыночные сигналы. Процесс стратегического планирования должен опираться на прозрачные алгоритмы. Всем участникам процесса производства, транспорта, распределения и потребления электрической энергии необходимо иметь чёткое представление о механизмах принятия тех или иных решений. Это требует пересмотра существующих технологий планирования работы ЕЭС, так как появляются новые задачи и изменяются требования к уже имеющимся.

Известно, что надёжное функционирование ЭЭС невозможно без резервов генерирующих мощностей. В настоящее время при выборе поставщиков резерва Системный оператор ЕЭС опирается на эмпирические значения' количества необходимого резерва и проходит многоступенчатую процедуру, состоящую из предварительного выбора состава включенного оборудования, предоставляющего необходимый резерв по прогнозу на недельном интервале, рынка на сутки вперед, уточняющего потребление и производство и, по остаточному принципу, определяющему поставщиков резерва, и, собственно, саму процедуру задействования резерва по очевидным техническим причинам, но неочевидной экономической эффективности. В этот момент возникает конфликт интересов Системного оператора и участника рынка: последний считает компенсацию за произведенное регулирование неэффективной. При использовании такого подхода не гарантируется оптимальность получаемого решения и максимум функции общественного благосостояния.

В рыночных условиях при одновременном решении задач обеспечения надежности и увеличения экономической эффективности функционирования ЕЭС необходимо учитывать условия увеличения конкуренции, такие как прозрачность и оптимальность принятия решений, влияющие на доходы и расходы участников. Таким образом становится актуальной разработка нового алгоритма одновременного конкурентного отбора поставщиков энергии и поставщиков системных услуг.

В настоящей работе предложена модель одновременной оптимизации рынков энергии и резервов и механизм формирования резерва, базирующийся на данной модели. На основе предложенной модели в работе рассматривается вопрос поиска оптимального уровня участия генерирующей компании в различных видах рынка, определения уровня ценовых заявок на аукционы и цен в двусторонних договорах поставки электрической энергии и резервов.

Развитие ЭЭС производится на основе долгосрочных планов и стратегий. В качестве одного из механизмов их формирования предложено использование системы двусторонних договоров, поскольку данный вид договорных отношений оказывает непосредственное влияние на процедуры долгосрочного планирования. При наличии двусторонних договоров Системный оператор может более точно и мотивированно принимать решения об отклонении или удовлетворении заявок на ремонты и отключения, планировать электрические и энергетические режимы, учитывать иные аспекты работы энергетического комплекса. В работе исследуется исполнение двусторонних договоров. В существующей в нашей стране модели рынка для обеспечения их исполнения поставщик и потребитель вынуждены подавать ценопринимающие заявки в рынок «на сутки вперед». Такой механизм приводит к дискриминации некоторых поставщиков, которые вынуждены одну, а то и все ступени своей ценовой заявки на РСВ тратить на гарантирование исполнения двусторонних договоров. Кроме того, объем двустороннего договора никак не учитывает его исполнимость в данных условиях топологии на конкретный час суток. Отсюда следует, что необходима разработка метода и алгоритма хеджирования рисков участников долгосрочного рынка двусторонних договоров, возникающих при их исполнении.

Все вышесказанное определяет актуальность решения проблемы моделирования комплексной стратегии участия генерирующей компании в обеспечении системной надежности в условиях развития рыночных отношений.

Цель работы: разработка математической модели комплексной стратегии саморегулирования генерирующей компании для обеспечения достаточного резервированияв условиях развития рыночных отношений при ограниченном количестве участников.

При реализации поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Предложена модель обеспечения стабильности в долгосрочной системе планирования энергетического баланса с использованием механизма заключения долгосрочных двусторонних договоров, выявлены риски данного механизма, разработаны способы их хеджирования.

2. Рассмотрен механизм определения поставщиков необходимого резерва мощности посредством процедуры одновременной оптимизации рынка на сутки вперед и рынка резервов.

Научная новизна.

В ходе работы получены следующие новые результаты:

1. Произведен анализ новых рыночных условий и механизмов, влияющих на организацию управления электроэнергетической системой как большой технической системой.

2. Разработана комплексная модель процессов участия генерирующей компании в обеспечении системной надежности и операционной устойчивости посредством участия в различных этапах и видах рынков.

3. Предложены способы и алгоритм обеспечения саморегулирования генерирующих компаний в вопросах предоставления необходимого резерва генерирующих мощностей как альтернатива применению административного воздействия.

4. Представлены и учтены в модели финансовые инструменты, существенным образом влияющие на принимаемые решения в части обеспечения системной надежности.

Практическая ценность. Практическая полезность работы состоит в предложении принципиально нового механизма повышения операционной надежности электроэнергетической системы за счет внедрения саморегулирования на рынке дополнительных системных услуг, обеспечивающего достаточную мотивацию участникам рынка для предоставления необходимого уровня резервирования Системному оператору ЕЭС.

Достоверность результатов работы. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, результатов и рекомендаций подтверждается расчетными экспериментами.

Апробация работы. Полученные результаты исследования и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

• Пятая научно-практическая конференция с международным участием «Функционирование и развитие рынков электроэнергии, тепловой энергии и газа», Киев, Украина, 2007 г.;

• Пятая международная научно-практическая конференция «Хортица — 2007», Запорожье, Украина, 2007 г.;

• Международная научно-практическая конференция «Энергетические рынки: Информационные технологии и системы измерений-2008», Феодосия, Украина, 2008 г.;

• Шестая научно-практическая конференция с международным участием «Функционирование и развитие рынков электроэнергии, тепловой энергии и газа», Киев, Украина, 2008 г.;

• 2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Cambridge, United Kingdom, 2008 r.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ [2−11], в том числе 1 работа в реферируемых изданиях ВАК [11].

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Объем работы составляет 134 страницы основного текста, 26 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 70 наименований.

5.8. Выводы по главе 5.

1. Показано, что применение предлагаемой в работе модели, снижает затраты потребителей на энергию и поддержание системной надежности на 5−30%.

2. Подтверждено, что предлагаемая модель не уступает существующей технологии конкурентного отбора поставщиков резерва в части обеспечения надежности и превосходит ее в части финансовых расчетов.

3. Подтверждена предложенная в четвертой главе гипотеза о стратегии составления заявки на предоставление резерва, позволяющая получать максимально возможную прибыль всеми участниками рынка без опасения коррекции со стороны конкурентов.

4. Продемонстрировано, что предлагаемый алгоритм эффективно применим к моделям большой размерности.

Заключение

.

Реформирование энергетики России обусловлено либерализацией экономики и необходимостью расширенного воспроизводства основных энергетических фондов страны, состояние и эффективность которых оказались несоответствующими уровню развития мировых технологий и неконкурентоспособными. Начавшееся создание конкурентного рынка системных услуг и соответствующей ему инфраструктуры привело к необходимости пересмотра принципов определения стратегий генерирующих компаний. Появились вторичные финансовые инструменты, которые необходимо учитывать Системному оператору при обеспечении баланса интересов участников рынка, не нарушая условий системной надежности и качества электроснабжения.

Можно выделить основные результаты и выводы, способствующие совершенствованию системы проведения аукционов по отбору конкурентных поставщиков энергии и резервов, а также улучшающие создание стратегии поведения генерирующих компаний в новых рынках, полученные в диссертационной работе.

1. Произведен анализ четырех основных моделей, применяемых для создания рынков. Сформулированы их сильные и слабые стороны и возможность применения на практике.

2. Продемонстрирована процедура определения оптимальной работы, системы с точки зрения оператора данной системы. Выделены и описаны принципы, которые необходимо учитывать при моделировании оптимальной стратегии генерирующей компании, желающей участвовать в рынке постоянно и стабильно.

3. Обоснована возможность применения сторонних солверов, предназначенных для решения математических задач в произвольных постановках. Для проведения расчетов совершенно не обязательно придля определения стратегии генерирующей компании разрабатывать собственное программное обеспечение, реализующее все алгоритмы численных методов поиска оптимума. Для решения таких задач достаточно создать оболочку для внесения и актуализации переменных расчетных параметров, связи с расчетным модулем и отображения результатов в той форме, в которой это необходимо для конкретного потребителя представляемого отчета.

4. Представлена равновесная модель для анализа неидеальной конкуренции в интегрированном рынке энергии и вращающегося резерва, делающая моделирование и анализ рыночной силы в энергетических рынках более реалистичными.

5. Выведено общее выражение альтернативной стоимости между энергией и вращающимися резервами.

6. Введено и учтено в модели появление вторичных финансовых продуктов.

7. Введено понятие коэффициента хеджирования позиции и показаны варианты его использования.

8. Экспериментально показана жизнеспособность, реализуемость и адекватность предлагаемой модели и способа (алгоритма) ее решения.