Долгосрочное планирование расхода электроэнергии на основе прогноза водопотребления города

А.Р. Ексаев
В.М. Задачин
ИВЦ "Поток"

июль 2005 г.

Постановка проблемы

В последние годы на всем постсоветском пространстве для крупных промышленных объектов крайне актуальной становится задача минимизации расхода электроэнергии в процессе производства. К числу предприятий, для которых экономия электроэнергии представляется одним из важнейших факторов выживания и развития, относятся водоснабжающие предприятия крупных городов. В структуре себестоимости чистой воды, отпущенной потребителям, от 30 до 70 процентов, в зависимости от региона и величины населенного пункта, приходится на стоимость электроэнергии, затрачиваемой на перекачку воды насосными станциями. При этом водоканалы, обеспечивая всю городскую инфраструктуру чистой водой и являясь, по сути, структурными элементами системы жизнеобеспечения городов, «зажаты» между двумя противоположными тенденциями: с одной стороны - естественный и неизбежный в рыночных условиях рост тарифов на электрическую энергию, с другой стороны – ограничение роста отпускных тарифов на воду, обусловленное социальной политикой.

Введение свободного оптового рынка электроэнергии открывает для водоканалов реальные возможности существенной экономии средств за счет закупки значительной доли потребляемой энергии по более низким оптовым тарифам. И чем большей будет эта доля, тем существеннее выигрыш в стоимости «брутто». Но правила игры на оптовом рынке диктуют жесткие условия по соблюдению заявленного почасового (!) графика потребления электрической мощности. При этом почасовой график представляется на месяц вперед, корректировка заявленного графика на конкретный день возможна, но не позднее, чем за 2 суток. Выход за допустимые пределы отклонения от графика потребления, - как «вверх», так и «вниз», - штрафуется. Отсюда становится понятно, что эффективно воспользоваться пониженной ставкой «свободного» оптового тарифа можно лишь при условии, что менеджмент предприятия располагает инструментальными средствами для достаточно точного предварительного расчета необходимого почасового количества электроэнергии, причем на значительный (более месяца) период времени.

Поскольку подача воды в город (и, соответственно, режимы работы насосных станций 2-го подъема, на которые приходится львиная доля объемов перекачки) напрямую определяется текущей потребностью в величине водоразбора, налицо непосредственная связь задачи планирования расхода электроэнергии с задачей суточного и часового прогноза городского водопотребления. Таким образом, актуальной оказывается задача внедрения в водоканалах программного комплекса, обеспечивающего оптимальное планирование расхода электроэнергии водопроводными станциями 2-го подъема на основе прогноза водопотребления. О таком комплексе и методике расчета пойдет речь в данной статье.

«CityCom-AnWater»

Предлагаемая методика расчета расхода электроэнергии, необходимого для подачи воды в город, основывается на прогнозе водопотребления города. Программный комплекс «AnWater», предназначенный как для работы в качестве подсистемы, интегрированной в ИГС «CityCom», так и в виде самостоятельной системы, позволяет рассчитывать суточный прогноз водопотребления города с допустимой погрешностью не более 5% и часовой прогноз с допустимой погрешностью не более 3%. Комплекс разработан специалистами ИВЦ «Поток», и к настоящему времени он уже более 10 лет эксплуатируется на предприятиях МГП «Мосводоканал» и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга". Подробное описание комплекса «AnWater» можно найти в Интернет по адресу www.citycom.ru; отметим лишь, что в его основу заложен уникальный алгоритм, позволяющий вести систематический учет и обработку всевозможных факторов социального характера, сильно влияющих на достоверность прогнозируемых значений водопотребления (например, переносы выходных дней, религиозные праздники, значительные события в сетке программ телевещания и т.п.).

Предлагаемая методика расчета расхода электроэнергии, необходимого для подачи воды в город, состоит в следующем:

Шаг 1. Рассчитывается суточный прогноз водопотребления города на требуемый период времени [1,2].

Шаг 2. Принимается предположение: общая суточная подача воды в город примерно равна городскому водопотреблению. Заметим, что данное предположение пренебрегает тем количеством воды, которое останется (или, напротив, будет разобрано) в городских резервуарах чистой воды в течение суток.

Шаг 3. На основе имеющейся суточной статистики подач водопроводных станций 2-го подъема вычисляется доля каждой водопроводной станции в общей подаче воды в город.

Шаг 4. Рассчитывается часовая подача воды в город каждой водопроводной станцией на требуемый период времени путем распределения по часам суточной подачи воды, используя имеющуюся часовую статистику подач водопроводных станций.

Шаг 5. На основе использования Q-H (напорной) и Q-N (мощностной) характеристик насосных агрегатов [3], установленных на водопроводных станциях, определяется набор включаемых в работу насосов и управляющее воздействие (способ регулирования), обеспечивающие необходимую подачу воды по каждой станции при минимальном расходе электроэнергии.

Шаг 6. Вычисляется суммарный расход электроэнергии, необходимый для подачи воды в город.

Заметим, что, помимо блока расчета прогноза водопотребления, данная методика использует еще и блок расчета оптимального режима работы водопроводных станций (шаг 5), при котором обеспечивается заданная подача воды и требуемый напор в выходном коллекторе. Такой блок, как самостоятельная подсистема, также входит в программный комплекс «CityCom-AnWater», упомянутый выше.

Проиллюстрируем работу программного комплекса, реализующего описанную методику. На приведенном ниже рисунке изображен сравнительный график суточного водопотребления г. Москвы на январь 2005 года (прогноз, полученный на шаге 1, и факт). Из графика видно, что существенное (до 4%) отклонение фактического водопотребления от прогнозируемого приходится на период с 03.01.2005 по 06.01.2005, а также на 08.01.2005. Такое отклонение объясняется тем, что в этом году, в отличие от предыдущих лет, указанные дни были выходными. Для повышения точности суточного прогноза необходимо учитывать при расчете этот фактор (так называемые «нерегулярные дни»), а это требует накопления соответствующей статистики.

График ретроспективного суточного прогноза

На следующем рисунке приведен сравнительный (с фактом) график часовой подачи воды станцией СВС г. Москвы на 29.01.2005, полученный расчетным путем на шаге 4 описанной выше методики.

График ретроспективного часового прогноза

Как видно из графика, расчетная почасовая подача воды достаточно близка к фактической, максимальная погрешность приходится на 9 часов утра и составляет около 2%. Вычисление расхода электроэнергии водопроводной станции, необходимого для обеспечения подачи воды по часам суток (шаг 5), является уже делом техники. Как уже отмечалось выше, такой расчет производится на основе известных напорных и мощностных характеристик насосных агрегатов, путем выбора оптимального режима работы водопроводной станции. Данная задача является хорошо формализованной задачей условной оптимизации [4].

Следует заметить, что описанная методика расчета не является оптимальной в полном смысле этого слова, так как на шагах 2-4 были сделаны некоторые допущения, хотя и упрощающие функционал, но зато дающие хороший результат, благодаря использованию имеющихся статистических данных. Более полной оптимизации можно было бы добиться при условии знания паспортных характеристик всех элементов городской водопроводной сети (трубопроводы, задвижки, резервуары, потребители и т.д.), выполнения гидравлического моделирования сети и оптимизации процесса заполнения городских резервуаров чистой воды [4]. Все эти составляющие также представлены в линейке подсистем ИГС «CityCom» (мы писали о них ранее). Однако решение такой комплексной задачи на уровне водоканала крупного города является очень трудоемким и протяженным во времени, поскольку одна только задача паспортизации водопроводных сетей всего города требует нескольких лет кропотливой работы многих людей.

Заключение

Итак, подведем итоги. Несмотря на то, что предлагаемая расчетная модель, с учетом принимаемых в ней допущений, не является оптимальной в строгом смысле, она, тем не менее, позволяет получить приемлемую количественную оценку необходимого почасового расхода электроэнергии на перекачку воды водопроводными станциями города. При этом отдельные «выбросы» погрешности в любом случае неизбежны, поскольку прогноз, какой бы он ни был идеальный с точки зрения расчетной модели, представляет собой лишь реализацию некой вероятности в заданном доверительном интервале. Описанная же методика, реализованная в программном комплексе AnWater, обеспечивает менеджеров, ответственных за формирование заявок на приобретение электроэнергии по «свободным» оптовым тарифам, соответствующей расчетной поддержкой для принятия обоснованных решений. В том числе и по стратегии рыночного поведения, минимизирующей штрафные санкции за неминуемые отклонения от заявленных планов потребления электроэнергии. Но это уже задача из другого раздела математики – теории игр.

Литература:

Бокс Д., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление - М.: Мир, 1974. -вып.1 – 406 с.; вып.2 – 197 с.
Льюис К.Д. Методы прогнозирования экономических показателей - М.: Финансы и статистика, 1986. – 130 с.
Белан А.Е., Хорунжий П.Д. Технико-экономические расчеты водопроводных систем на ЭВМ. - Киев: из-во "Выща школа", 1979. - 192 с.
Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д.. Потокораспределение в инженерных сетях. - М. Стройиздат, 1979. –199 с.