Разработка модели энерго-стоимостного распределения и ее применение в электрических сетях : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

Конечная стоимость электрической энергии (ЭЭ) в Российской Федерации содержит в себе как регулируемые, так и рыночные составляющие, и складывается из четырех компонент [1-6]:
– – – –
Стоимость генерации электроэнергии.
Стоимость услуг по передаче ЭЭ (сетевая составляющая). Сбытовая надбавка.
Инфраструктурная надбавка.
Первая компонента определяется на основе рыночных механизмов. Электроэнергия вырабатывается и продается на оптовом и розничном рынках электроэнергии в соответствии с правилами этих рынков [3-6]. Структура и принципы работы оптового и розничного рынков электроэнергии описаны во множестве публикаций. В среднем доля данной составляющей в конечной стоимости ЭЭ находится на уровне 50%, но она варьируется, главным образом, в зависимости от уровня тарифного напряжения потребителей.
Вторая составляющая связана с услугами на транспорт и распределение ЭЭ (сетевая составляющая). Передачу электроэнергии от электрических станций, до потребителей осуществляют различные электросетевые организации, имеющие в своем распоряжении объекты электросетевого хозяйства. За данные услуги эти компании получают оплату, которая идет на обслуживание и развитие сетевой инфраструктуры (строительство новых ЛЭП и ПС), а также на покрытие потерь ЭЭ. В связи с тем, что электросетевые организации осуществляют свою деятельность в условиях отсутствия конкуренции, данный вид деятельности является регулируемым [4]. Тарифы на передачу электроэнергии (ТПЭ) устанавливаются уполномоченными регулирующими органами (РО) государственной власти в области формирования тарифов. На территории каждого субъекта РФ РО определяет тарифы на передачу электроэнергии на основании «котлового» принципа тарифообразования.
Единые (котловые) тарифы для населения и приравненных к нему категорий потребителей существенно ниже, чем для юридических лиц в связи с, так называемым, «перекрестным субсидированием», когда за счет промышленности снижаются тарифы на ЭЭ для населения.
6
Затраты на транспорт и распределение ЭЭ могут достигать 75 % от конечной стоимости ЭЭ для потребителей, расположенных на уровне 0,4 кВ. Усредненная по всем классам напряжения доля сетевой составляющей в конечной стоимости ЭЭ находится на уровне 45%. Таким образом, выработка и передача ЭЭ составляет примерно 95 % конечной цены электроэнергии.
Сбытовая надбавка представляет собой стоимость услуг организаций, которые покупают электрическую энергию у производителей, оплачивают ее транспортировку, а затем продают потребителям. Средний размер сбытовой надбавки составляет порядка 4 % от общей стоимости электроэнергии.
Функционирование единой энергосистемы страны, а также рынков электроэнергии было бы невозможным без инфраструктурных организаций, поэтому в цену каждого продаваемого в стране кВт∙ч включена плата за услуги ОАО “Системный оператор Единой энергетической системы”, ОАО “Администратор торговой системы” и ОАО “Центр финансовых расчетов”. Размер платы регулируется Федеральной антимонопольной службой РФ (ФАС) и НП “Совет Рынка”. Размер данной составляющей в цене на электрическую энергию находится в пределах 1%.
Указанные процентные соотношения различных составляющих конечной стоимости ЭЭ носят приблизительный характер и могут существенно варьироваться для различных субъектов РФ [7].
Данная работа нацелена на анализ второй компоненты конечной стоимости ЭЭ, связанной с транспортом и распределением ЭЭ электросетевыми организациями на основе регулируемых тарифов на передачу. Следует отметить, что работа не ставит перед собой задачи в области экономических аспектов формирования ТПЭ, таких как определение затратной базы сетевых компаний и показателей их экономической деятельности, участвующих в формировании ТПЭ. Данные параметры берутся автором в качестве исходных данных с целью последующей их связи с техническими параметрами процесса передачи ЭЭ.
В России свою деятельность осуществляет одна из крупнейших в мире электросетевых компаний – ПАО «Россети». Под управлением компании находится 2,3 млн. километров линий электропередачи, 507 тыс. подстанций трансформаторной мощностью более 792 тыс. МВА.

7
Имущественный комплекс ПАО «Россети» включает в себя 35 дочерних и зависимых обществ, в том числе 15 межрегиональных и одну магистральную сетевую компанию.
Магистральной сетевой компанией является ПАО «Федеральная сетевая компания Единой Энергетической Системы» (ФСК ЕЭС). Она осуществляет передачу ЭЭ по Единой национальной (общероссийской) электрической сети (ЕНЭС).
На следующем уровне находятся межрегиональные сетевые компании (МРСК), осуществляющие передачу и распределение ЭЭ по регионам РФ. В состав МРСК входят, так называемые, распределительные сетевые компании (РСК), действующие в пределах одного субъекта РФ. Так же в каждом субъекте РФ свою деятельность осуществляет большое количество территориальных сетевых организаций (ТСО). В данной работе все указанные сетевые организации обобщены термином «электросетевые организации» (ЭСО). В отношении высоковольтных ЭСО традиционно применяется термин «транспорт ЭЭ», а в отношении ЭСО средних и низких классов напряжения используется понятие «распределение ЭЭ». В рамках настоящей работы эти два понятия объединены термином «передача ЭЭ», который нашел широкое применение в нормативной документации. Основную выручку ЭСО получают от реализации услуг по передаче ЭЭ, дополнительные доходы связаны с технологическим присоединением (ТП) новых потребителей.
Обзор зарубежной литературы показал большое разнообразие в подходах стран к формированию тарифов на передачу и ТП на основе различных технических показателей. Наиболее общие черты связаны с дифференциацией тарифов на передачу по уровням напряжения, с раздельной оплатой энергии и мощности, с оплатой потерь ЭЭ [8, 9]. Дополнительными оплачиваемыми показателями в различных странах могут быть реактивная энергия (мощность), географическая удаленность потребителей, время суток или сезонов года, форма графика нагрузки, показатели надежности и качества электроснабжения. Схема оплаты услуг на передачу ЭЭ в России в целом соответствует мировым тенденциям, но имеет достаточно простую систему оплачиваемых показателей. Она определяется уровнем напряжения, значениями активной электроэнергии, максимальной мощности и потерь ЭЭ. Отчетные потери ЭЭ являются единственным

8
оплачиваемым показателем, на который ЭСО может оказывать влияние. Показатели надежности и качества электроснабжения, отсутствующие в тарифной системе для ЭСО не устраивают многих промышленных потребителей. Кроме того, высокие ТПЭ стимулируют их к снижению зависимости от централизованных систем электроснабжения путем внедрения собственной генерации. Последнее приводит к снижению потребляемой из сети ЭЭ и к увеличению ТПЭ для оставшихся потребителей. Аналогичным образом ЭСО мало заинтересованы и не принимают участия в повышении технической и экономической эффективности передачи электроэнергии в связи с отсутствием экономических стимулов в тарифной системе. Исходя из существующей ситуации, назревает потребность совершенствования системы оплаты услуг на передачу ЭЭ и ТП для стимулирования потребителей и ЭСО к повышению эффективности передачи ЭЭ на взаимовыгодных условиях.
Для этого необходима разработка технико-экономической модели, которая связывает технологические параметры процесса передачи ЭЭ с финансово-экономическими показателями. В качестве технологической подсистемы модели было решено использовать модель энергораспределения (ЭР), которая позволяет рассчитать распределение потоков и потерь ЭЭ для каждого элемента схемы сети, опираясь на измерения ЭЭ. Модель ЭР ранее была рассмотрена в работах кафедры АЭС УГТУ-УПИ (ныне УрФУ) [10-12]. Потоки и потери ЭЭ являются главными коммерческими показателями, определяющими стоимость услуг на передачу ЭЭ.
Разрабатываемая технико-экономическая модель передачи ЭЭ связывает основные технологические параметры ЭСО, то есть потоки и потери ЭЭ, со стоимостью их передачи. В основе подхода лежит методика распределения полной стоимости услуг на передачу, то есть необходимой валовой выручки (НВВ) ЭСО, между узлами потребления в соответствии с распределением потоков ЭЭ в электрической сети.
Научной основой этого послужили работы Института систем энергетики имени Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) (Гамм А.З., Голуб И.И., Войтов О.Н. и др.) по адресному и апостериорному анализу режимов потокораспределения [13- 15].
Подход позволяет представить процесс передачи ЭЭ в виде двух взаимосвязанных транспортно-балансовых задач на графе электрической

9
сети: распределении потоков электрической энергии и потоков стоимости. Потоки стоимости рассчитываются для всех элементов схемы в соответствии с направлениями и значениями потоков ЭЭ. Модель дает оценку полной и удельной стоимости передачи ЭЭ каждому потребителю на основе фактической загрузки элементов сети, используемых в процессе его электроснабжения с учетом создаваемых им потерь ЭЭ, и она была названа модель «энерго-стоимостного распределения» (ЭСР).
В рамках разрабатываемой технико-экономической модели ЭСР возможно совершенствование существующей системы тарифообразования в области передачи ЭЭ и ТП начиная от применения надбавок и скидок и заканчивая кардинальным изменением подхода и внедрения индивидуальных (дифференцированных) тарифов на передачу ЭЭ и ТП. В действующих условиях тарифные методы влияния на режимы работы потребителей ЭЭ являются основными. Предлагаемые подходы вписываются в существующую систему формирования ТПЭ и ТП без ее существенного усложнения. В рамках проблемы ТП предлагается дифференцировать тарифы в разных узлах сети для привлечения новой нагрузки (потребителей) низкими тарифами в узлы с недогруженным оборудованием и наименьшими относительными приростами потерь. Выравнивание относительных приростов потерь в узлах нагрузки снижает нагрузочные потери ЭСО, что способствует снижению ТПЭ.
Модель ЭСР позволит осуществлять последовательную гармонизацию отношений ЭСО и потребителей путем совершенствования экономических схем их взаимодействия. На начальных этапах необходимо создавать стимулы для ЭСО и потребителей к улучшению отдельных локальных показателей процесса передачи ЭЭ за счет введения надбавок/скидок (повышающих/ понижающих коэффициентов) к ТПЭ. В настоящей работе это сделано на примере коэффициента формы графика нагрузки, коэффициента полной мощности и прироста энергопотребления. По мере развития экономических механизмов и коммуникационной инфраструктуры возможен переход на тарифные схемы, предусматривающие дифференциацию ТПЭ в зависимости от сезонов года и часов суток, удаленности потребителей и других технических показателей деятельности ЭСО. Это будет иметь системный эффект и приближать стоимость услуг на передачу и ТП к фактическим затратам ЭСО.

10
Следует отметить, что работа не ставит перед собой задач в области изменения экономических аспектов формирования затратной базы ЭСО и показателей их экономической деятельности. НВВ, утверждаемая РО для ЭСО, берется в качестве исходных данных для последующей связи со схемно-режимными параметрами в рамках модели ЭСР. Повышения экономической эффективности передачи ЭЭ можно добиться за счет минимизации затрат на компенсацию потерь и затрат на содержание сети, причем последняя составляющая более весомая. В современных экономических условиях целесообразно создавать стимулы для потребителей по более рациональной загрузке электросетевого оборудования не только с позиции потерь ЭЭ, но и из стремления минимизировать объем слабо используемого оборудования. Эта задача может решаться, прежде всего, в долгосрочной перспективе за счет дифференциации тарифов на ТП для разных узлов сети.
Степень разработанности темы исследования
Основу технической подсистемы ЭСР образует модель энергораспределения, разработанная на кафедре «Автоматизированные электрические системы» УГТУ-УПИ (ныне УрФУ). Задача ЭР базируется на методических основах теории оценивания состояния (ОС) и позволяет произвести расчет сбалансированных потоков и потерь ЭЭ в схеме сети, с достоверизацией измерений и локализацией коммерческих потерь ЭЭ [10- 12]. Результаты расчета ЭР используются для дальнейшего апостериорного анализа в рамках экономической подсистемы. Методической основой такого анализа являются работы А.З. Гамма, И.И. Голуб, О.Н. Войтова, Ю.А. Бровякова, Ю.А. Гришина, В.М. Соболевского, и многих других зарубежных авторов [13-15].
В научной литературе широко освещены экономические аспекты формирования ТПЭ, такие как определение структуры затратной базы сетевых организаций и показателей их экономической деятельности, участвующих в формировании ТПЭ [16-34].
Связь между техническими и экономическими параметрами процесса транспорта и распределения ЭЭ в электрических сетях исследовалась в работах отечественных ученых А.З. Гамма, И.И. Голуб, О.Н. Войтова, Ю.А. Гришина, В.М. Соболевского А.Г., а также в работах иностранных специалистов J.Bialek, Y.M. Park, J. B. Park, M.V.F. Pareira, D.A. Lima, A.P.

11
Feltrin, G. Strbac, D. Kirschen, S. Ahmed, K.L. Lo, M.Y. Hassan и др. [13, 15, 35-46].
Цель работы
Целью работы является разработка модели, которая связывает технические параметры процесса передачи ЭЭ со стоимостью ее передачи в схеме сети, и использование модели для повышения технической и экономической эффективности данного процесса. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
-обзор и анализ существующих систем оплаты услуг на передачу электроэнергии в РФ и странах Европы;
-постановка и апробация задачи ЭСР, то есть задачи распределения стоимости услуг на передачу электроэнергии между элементами схемы на основе апостериорного анализа режима ЭР;
– разработка на основе модели ЭСР системы надбавок и скидок к ТПЭ для потребителей за снижение потерь ЭЭ в сети;
– разработка методики дифференциации тарифов на ТП, стимулирующей присоединение новой нагрузки в конкретные узлы схемы на основе интересов сетевой организации.
Объектами исследования являются магистральные и распределительные сети и методы повышения технической и экономической эффективности их работы за счет совершенствования системы тарифов.
Научная новизна:
1. Показана потребность совершенствования системы тарифов на передачу и ТП с использованием технико-экономической модели для стимулирования потребителей и ЭСО к повышению эффективности работы сетей.
2. Разработана модель ЭСР, позволяющая распределять стоимость содержания и стоимость потерь ЭЭ в схеме сети на основе апостериорного анализа энергораспределения. Модель позволяет оценить полную и удельную стоимость передачи ЭЭ до любого узла схемы сети;
3. Предложена методика улучшения технических параметров электропередачи за счет надбавок/скидок к ТПЭ с использованием модели ЭСР;
4. Предложена методика стимулирования потребителей к присоединению новой нагрузки на подстанции с недогруженным

12
оборудованием и наименьшими потерями за счет дифференциации тарифов на ТП, учитывающих относительные приросты потерь.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в повышении эффективности процесса передачи ЭЭ путем создания стимулов как для ЭСО, так и для потребителей ЭЭ за счет совершенствования существующих тарифных моделей. Ранее разработанная модель энергораспределения, предназначенная для расчета и анализа энергетических режимов ЭЭС, была дополнена новой подсистемой для расчета и анализа стоимостных показателей передачи ЭЭ. Модель ЭСР имеет хорошие предпосылки использования для анализа ЭСО себестоимости и рентабельности передачи ЭЭ до различных узлов сети, оценки ответственности узлов нагрузки за использование электросетевого оборудования и потери ЭЭ. На основе модели ЭСР может быть выполнено обоснование дифференцированной платы за ТП новых потребителей для гармоничного развития сети.
Методология и методы исследования
Поставленные задачи решались с использованием теоретических основ электротехники, применялись методы расчета и анализа установившихся режимов и энергораспределения. Использовались методы линейной алгебры и теории оценивания состояния. В работе использованы методики формирования тарифов на передачу электрической энергии, методики расчета технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям, методические указания по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую энергию на розничном рынке, а также методические указания по определению размера платы за технологическое присоединение к электрическим сетям. Вычислительные эксперименты выполнялись с помощью следующего программного обеспечения: MathCAD 15, Balance 5, RastrWin 3.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Модель энерго-стоимостного распределения, позволяющая распределять стоимость содержания и стоимость потерь электроэнергии в схеме сети на основе адресного и апостериорного анализа энергораспределения, в основе которой лежат уравнения балансов потоков электроэнергии и потоков стоимости для всех узлов и всех ветвей расчетной схемы.

13
2. Методика формирования системы уравнений для расчета потоков стоимости в схеме сети на основе адресного и апостериорного анализа режима энергораспределения, которая связывает потоки электроэнергии на всех участках электрической сети со стоимостью их передачи.
3. Методики улучшения технических параметров электропередачи за счет надбавок/скидок к тарифам на передачу электроэнергии на основе модели энерго-стоимостного распределения, позволяющие стимулировать сетевые предприятия и потребителей к повышению эффективности передачи электроэнергии.
4. Методика стимулирования потребителей к присоединению новой и перераспределению существующей нагрузки в интересах сетевой компании за счет дифференциации тарифов на ТП на основе модели энерго- стоимостного распределения и принципа равенства относительных приростов потерь, которая позволяет обеспечить снижение потерь электроэнергии и выравнивание загрузки элементов электрической сети.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов теоретического анализа и вычислительных экспериментов, обсуждением положений и результатов работы с зарубежными и российскими специалистами в ходе конференций и других научных мероприятий. Результаты не противоречат выводам, полученными другими авторами.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 7 международных конференциях:
 Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2017», Самара.
 Международная научно-практическая конференция ЭКСИЭ-06 «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», Екатеринбург, 2017.
 11th IEEE International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, CPE-POWERENG 2017, Cadiz, Spain, 2017.

14
 The 26th IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Edinburgh International Conference Centre (EICC), Edinburgh, UK, 2017.
 Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная памяти профессора Данилова Н. И. Екатеринбург, 2017, 2018.
 International Conference on Smart Energy Systems and Technologies, Sevilla, Spain, 2018.
 IEEE 10th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering, ELEKTROENERGETIKA 2019; Stara Lesna; Slovakia; 2019.
Так же они рассматривались на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, г. Екатеринбург, в период с 2018 по 2019 гг.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 5 – в русскоязычных изданиях из перечня Высшей аттестационной комиссии; 4 – в изданиях, индексируемых в международных реферативных базах цитирования Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 128 наименований и 3 приложений. Содержит 189 страниц, 11 рисунков и 12 таблиц.
Диссертация выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского Энергетического Института «Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.