Оптимізація графіків виробництва електроенергії гідроелектростанцій в сучасних ринкових умовах функціонування ОЕС України
| dc.contributor.advisor | Яндульський, Олександр Станіславович | |
| dc.contributor.author | Олефір, Дмитро Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2025-11-28T10:55:23Z | |
| dc.date.available | 2025-11-28T10:55:23Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Олефір Д.О. Оптимізація графіків виробництва електроенергії гідроелектростанцій в сучасних ринкових умовах функціонування ОЕС України. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.01 «Енергетичні системи та комплекси». – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Інститут електродинаміки Національної академії наук України, Київ, 2025. Перший розділ присвячений огляду проблем при плануванні виробництва електроенергії гребельними ГЕС в Україні та особливостям їх роботи на ринку електричної енергії України. Показано, що об’єкти гідроенергетики займають відносно невелику частку у балансі потужностей ОЕС України. Проте Дніпровський каскад ГЕС та Дністровський комплексний гідротехнічний вузол відіграють важливу роль в балансуванні режимів роботи ОЕС України, наданні допоміжних послуг з регулювання частоти та потужності, а також локалізації та ліквідації аварійних ситуацій в енергосистемі. Зокрема, гребельні ГЕС в Україні є основними постачальниками допоміжних послуг з відновлення частоти та одним із основних учасників балансуючого ринку. Інтенсивне залучення виробничих потужностей гребельних ГЕС до регулювання частоти та потужності в ОЕС України призводить до значних відхилень фактичних витрат гідроресурсів від планованих. Це, у свою чергу, підвищує ризики порушення водогосподарських обмежень, технічних норм експлуатації водосховищ та екологічних норм водостоку по руслам річок. Крім того, гребельні ГЕС в Україні досить часто отримують аварійні диспетчерські команди на зміну графіків навантаження ГЕС, що, за певинх обставин, призводить до економічних збитків для енергогенеруючої компанії. Тому актуальною є задача планування скоординованої роботи об’єктів гідроенергетики в частині раціонального використання наявних гідроресурсів та оптимізації стратегії участіенергогенеруючої компанії на ринку електричної енергії України з метою максимізації доходів від комерційної діяльності. У розділі виконано аналіз наукових публікацій в частині планування роботи гідротехнічних комплексів. Відзначено, що цілі задач планування графіків виробництва електроенергії ГЕС в значній мірі залежать від чинної моделі ринку електроенергії та ролі гідроенергетики у ринкових відносинах. Якщо виробництво електроенергії об’єктами гідроенергетики оплачується по регульованим тарифам, то задачі планування графіків завантаження ГЕС зводяться до максимізації обсягів відпуску електроенергії для покриття піків (полупіків) електроспоживання в енергосистемі. В таких випадках для планування діяльності ГЕС часто достатньо використання розрахункових систем на основі експертних рішень. Аналіз публікацій показав, що за участі енергогенеруючих компаній (зокрема, гідрогенеруючих) у продажі електричної енергії на конкурентних сегментах ринку змінююються цілі оптимального планування діяльності об’єктів енергетики. Відзначено, що основною метою участі енергогенеруючої компанії у торгах на ринку електроенергії стає максимізація вигоди від продажу електричної енергії за умов дотримання відповідних технологічних обмежень та ефективного використання енергоресурсів. Наведені особливості та загальна схема роботи ПрАТ «Укргідроенерго» на ринку електричної енергії України. Зроблено висновок, що для реалізації системи короткострокового планування діяльності об’єктів гідроенергетики в умовах функціонування лібералізованої моделі ринку електричної енергії України необхідна побудова формалізованого математичного апарату оптимізації за економічними критеріями технологічних процесів на ГЕС із дотриманням всіх технічних вимог та екологічних норм. На основі виконаного аналізу уточнено задачі дисертаційного дослідження, зокрема поставлено задачу побудови уніфікованої математичної та імітаційної моделі опису технологічних процесів на об’єктах гідроенергетики України, а також цільової функції максимізації доходів від продажуелектроенергії, сформованої у канонічній формі для можливості застосування існуючих методів і засобів оптимізації. У другому розділі розглянуто задачі планування балансу гідроресурсів у водосховищах ГЕС Дніпровського каскаду. Виокремлено задачу добового коригування рівня заповнення водосховищ. За результатами розв’язання цієї задачі визначається доступний на добу обсяг гідроресурсів, розподіл якого для виробництва електричної енергії по окремим годинам доби необхідно здійснювати із врахуванням погодинних ринкових цін. Розроблено структуру математичної моделі задачі оптимального за економічними критеріями розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії у гідротехнічному вузлі «Водосховище – ГЕС». Визначено наступні основні структурні рівні побудованої математичної моделі: • рівень гідроагрегатів, де із заданим рівнем деталізації описані технологічні процеси, а також формалізовано складові цільової функції та складові балансів гідроресурсів; • рівень ГЕС із загальною на рівні електростанції системою технічних та режимних обмежень; • рівень водосховища, на якому формалізовані баланси гідроресурсів та визначено систему обмежень для контролю технічних умов експлуатації водосховища та екологічних норм водостоку по руслу ріки. Передбачено, також, структурні рівні каскаду ГЕС та гідрогенеруючої компанії. Формалізовано цільову функцію максимізації доходу генеруючої компанії від виробництва та продажу на ринку електроенергії відповідно до агрегованого планового графіку навантажень ГЕС. Досліджено особливості врахування балансу гідроресурсів у каскаді ГЕС. Визначено основну систему обмежень рівня гідрогенеруючої компанії. Розділ містить всі формальні складові базової лінійної математичної моделі функціонування гідротехнічного вузла «Водосховище – ГЕС». Оскільки для процедури оптимізації використовуються методи лінійної оптимізації, то формалізована математична модель дозволяєотримати глобальний максимум цільової функції доходу від продажу електроенергії на РДН. У третьому розділі досліджено проблему виникнення множини розв’язків в окремих групах годин із однаковими ринковими цінами в лінійній моделі функціонування гідротехнічного вузла «Водосховище – ГЕС». Визначено і формалізовано ознаки існування такої множини розв’язків. Для вирішення проблеми запропоновано виконувати додатковий крок оптимізації за неціновим критерієм, а саме – вирівнювання графіка навантаження ГЕС у години з однаковими ринковими цінами. Формалізовано нелінійну функцію мінімізації різниці обсягів відпуску електроенергії в години з однаковими ринковими цінами. Оскільки нелінійна цільова функція визначає один розв’язок із множини однаково оптимальних рішень, то додатковий крок оптимізації забезпечує розв’язок задачі у точці глобального екстремуму. Розроблено методику двокрокового розв’язку задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії на ГЕС. Визначено цільову функцію із поданням нецінового критерія у формі штрафної функції. Обґрунтовано, що нелінійна штрафна функція так само дозволяє отримати глобальний екстремум для задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії на ГЕС. Розроблено та досліджено функції вартості втрат електроенергії в генераторах ГЕС. Доведено, що лінійна функція вартості втрат не впливає на результати розв’язання задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії на ГЕС. Розроблено квадратичну функцію вартості втрат електроенергії в генераторах ГЕС, яка використовується в якості штрафної функції та створює ефект вирівнювання графіка навантаження ГЕС за однакових ринкових цін та при незначних коливаннях ринкових цін. При цьому ефективно реалізується неціновий критерій оптимізації та усувається проблема множини розв’язків для групи годин із однаковими ринковими цінами. Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням, виконаним із застосуванням розробленої імітаційної моделі для розв’язку задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії наГЕС. Розроблено архітектуру засобів розв’язання задачі планування добового графіка навантаження ГЕС з метою формування пропозиції щодо продажу електроенергії в сегменті ринку «на добу наперед». Експериментально підтверджено стохастичний характер розв’язків для групи годин із однаковими ринковими цінами в лінійній моделі задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії на ГЕС. Експериментально підтверджено отримання глобального екстремуму при застосуванні додаткової нелінійної цільової функції з неціновим критерієм та аналогічної їй штрафної функції. Досліджено розв’язки задачі оптимального розподілу наявних гідроресурсів для виробництва електроенергії на ГЕС при застосуванні квадратичної функції вартості втрат електроенергії в генераторах ГЕС. Експериментально підтверджено ефект вирівнювання графіків навантаження агрегатів ГЕС для годин із однаковими ринковими цінами. Визначено перспективи подальшого розвитку розроблених математичних моделей. За результатами досліджень отримано авторське свідоцтво на комп’ютерну програму, результати дослідної експлуатації якої засвідчили її практичну значимість та підтвердили можливості використання для виконання досліджень щодо планування участі ПрАТ «Укргідроенерго» на ринку «на добу наперед» та розподілу добових обсягів витрат гідроресурсів водосховищ на виробництво електричної енергії ГЕС. За результатами дослідної експлуатації було сформовано подальші напрямки їх розвитку та удосконалення, зокрема в частині формування пропозиції на балансуючому ринку. Результати роботи використано в навчальному процесі, зокрема в навчально-науковому Інституті енергозбереження та енергоменеджменту КПІ ім. Ігоря Сікорського. Опис розроблених засобів та протоколи їх дослідної експлуатації та документи, що підтверджують практичну значимість роботи наведено у Додатку А та Додатку Б дисертаційної роботи. | |
| dc.description.abstractother | Olefir D.O. Optimization of Electricity Production Schedules of Hydropower Plants under Modern Market Conditions of the IPS of Ukraine. – Qualification Scientific Work in manuscript form. Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in Specialty 05.14.01 "Power Systems and Complexes". – Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The first chapter is devoted to reviewing the challenges in planning electricity production of dam-based hydropower plants in Ukraine and the specific features of their operation within the electricity market of Ukraine. It is shown that hydropower facilities occupy a relatively small share in the power balance of the IPS of Ukraine. However, the Dnipro HPP cascade and the Dniester hydropower complex play a crucial role in balancing the operating modes of Ukraine’s IPS, in providing ancillary services for power and frequency control, as well as in the localization and elimination of emergency situations in the power system. In particular, dam-based HPPs in Ukraine are the main providers of ancillary frequency restoration services and among the key participants in the balancing market. Intensive involvement of hydropower plants in power and frequency control in the IPS of Ukraine leads to significant deviations between actual and planned water resource expenditures. This, in turn, increases the risks of violating water management constraints, technical operation standards of reservoirs, and ecological flow requirements of rivers. Furthermore, dam-based HPPs in Ukraine often receive emergency dispatch commands to adjust their load schedules, which, under certain conditions, results in economic losses for the generating company. Therefore, the task of coordinated planning of hydropower facilities aimed at rational use of available water resources and optimization of the company’s participation strategy in the Ukrainian electricity market to maximize commercial revenues is of high relevance. In this chapter, an analysis of scientific publications on the planning of hydropower complex operations is presented. It was noted that the objectives of scheduling hydropower generation largely depend on the existing electricity market model and the role of hydropower within market relations. If electricity production by hydropower facilities is remunerated according to regulated tariffs, the scheduling tasks for hydropower plants are primarily aimed at maximizing electricity output to cover peak (or semi-peak) loads in the power system. In such cases, planning activities of HPPs are often sufficiently supported by calculation systems based on expert decisions. The review of publications showed that the participation of generating companies, including hydropower producers, in selling electricity on competitive market segments changes the objectives of optimal planning for power facility operations. It is emphasized that the main goal of a generating company’s participation in electricity market trading is to maximize the income from electricity sales while meeting relevant technological constraints and ensuring efficient use of energy resources. The specific features and general scheme of PJSC "Ukrhydroenergo" operations on the Ukrainian electricity market are provided. The conclusion is drawn that the implementation of a short-term planning system for hydropower facilities under the liberalized electricity market model of Ukraine requires the development of a formalized mathematical optimization model. This model must be based on economic criteria of technological processes at HPPs, while adhering to all technical requirements and environmental standards. Based on the analysis, the research tasks of the dissertation were specified. In particular, the task was set to develop a unified mathematical and simulation-based model for describing technological processes at Ukrainian hydropower facilities, as well as a target function for maximizing electricity sales revenues, formulated in canonical form to enable the application of existing optimization methods and tools. The second chapter addresses the problems of planning the water resource balance in the reservoirs of the Dnipro cascade hydropower plants. A specific task of daily adjustment of reservoir filling levels is highlighted. The solution of this task determines the daily available volume of water resources, the distribution of which for electricity generation across individual hours of the day must be carried out with consideration of hourly market prices. A mathematical model structure was developed for the economically optimal allocation of available water resources for electricity production within the hydrotechnical unit «Reservoir – HPP». The following main structural levels of the constructed mathematical model were identified: • Hydropower unit level: where technological processes are described with a given level of detail, and the components of the objective function as well as the elements of water balance are formalized; • HPP level: which includes the general system of technical and operational constraints at the power plant level; • Reservoir level: where water balance equations are formalized, and the system of constraints for monitoring technical operating conditions of the reservoir and environmental flow requirements in the riverbed is defined. Additionally, structural levels of the HPP cascade and the hydropower company were considered. The objective function of maximizing the generating company’s income from electricity production and sales on the electricity market, in line with the aggregated planned HPP load schedule, was formalized. The peculiarities of accounting for water balance within the HPP cascade were analyzed. The main system of constraints at the hydropower company level was determined. As a result, the chapter includes all formal components of a basic linear mathematical model for the functioning of the «Reservoir – HPP» hydrotechnical unit. Since linear optimization methods are applied for the optimization procedure, the formalized mathematical model makes it possible to obtain the global maximum of the income objective function from electricity sales on the Day-Ahead Market (DAM). In the third chapter, the problem of multiple solutions arising in specific groups of hours with identical market prices in the linear model of the functioning of the «Reservoir – HPP» hydrotechnical unit is investigated. The conditions for the existence of such a set of solutions were identified and formalized. To address this problem, an additional optimization step based on a non-price criterion was proposed, namely, the leveling of the HPP load schedule for hours with identical market prices. A nonlinear function was formalized for minimizing the difference in electricity output volumes during hours with identical market prices. Since a nonlinear objective function determines a single solution out of a set of equally optimal solutions, the additional optimization step ensures that the task is solved at the point of a global extremum. A two-step methodology was developed for solving the problem of optimal allocation of available water resources for electricity generation at HPPs. The objective function with the inclusion of the non-price criterion was represented in the form of a penalty function. It was substantiated that the nonlinear penalty function likewise makes it possible to obtain the global extremum for the problem of optimal allocation of water resources for electricity generation at HPPs. The functions of the cost of electricity losses in hydroelectric power plants have been developed and investigated. It has been proven that the linear function of the cost of losses does not affect the results of solving the problem of optimal allocation of available hydro resources for electricity production at hydroelectric power plants. The quadratic function of the cost of electricity losses in hydroelectric power plants has been developed, which is used as a penalty function and creates the effect of leveling the hydroelectric power plant load schedule at the same market prices and with minor fluctuations in market prices. At the same time, the non-price optimization criterion is effectively implemented and the problem of the set of optimal solutions for a group of hours with the same market prices is eliminated. The fourth chapter is devoted to experimental studies carried out using the developed simulation model for solving the problem of optimal allocation of available water resources for electricity generation at HPPs. The architecture of the tools for solving the task of day-ahead load schedule planning for HPPs was developed to support bidding in the Day-Ahead Market (DAM). The stochastic nature of solutions for groups of hours with identical market prices in the linear model of water resource allocation was experimentally confirmed. The achievement of the global extremum was experimentally validated when applying an additional nonlinear objective function with a non-price criterion and its equivalent penalty function. Solutions to the problem of optimal distribution of available hydro resources for electricity production at hydroelectric power plants using the quadratic function of the cost of electricity losses in hydroelectric power plant generators were investigated. The effect of equalizing the load schedules of hydroelectric power plant units for hours with the same market prices has been experimentally confirmed. The dissertation outlines prospects for further development of the proposed mathematical models. Based on the results of the research, a certificate of authorship for a computer program was obtained, the trial operation of which confirmed its practical significance and applicability for supporting planning tasks regarding PJSC “Ukrhydroenergo”’s participation in the Day-Ahead Market and the distribution of daily water resource volumes for electricity generation at HPPs. The trial operation results determined further directions for development and improvement, particularly in forming bids (proposals) in the balancing market. The research outcomes were also integrated into the educational process, including the preparation of teaching materials at the Institute of Energy Saving and Energy Management of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. The description of the developed tools, trial operation protocols, and documents confirming the practical significance of the research are provided in Appendices A and B of the dissertation. | |
| dc.format.extent | 202 с. | |
| dc.identifier.citation | Олефір, Д. О. Оптимізація графіків виробництва електроенергії гідроелектростанцій в сучасних ринкових умовах функціонування ОЕС України : дис. … канд. техн. наук : 05.14.01 Енергетичні системи та комплекси / Олефір Дмитро Олександрович. – Київ, 2025. – 202 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/77432 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | гідротехнічний вузол | |
| dc.subject | гідроелектростанція | |
| dc.subject | баланс гідроресурсів | |
| dc.subject | оптимізація | |
| dc.subject | ринок електричної енергії | |
| dc.subject | ринок «на добу наперед» | |
| dc.subject | планування виробництва електроенергії на ГЕС | |
| dc.subject | технологічні обмеження | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | методи оптимізації | |
| dc.subject | hydrotechnical unit | |
| dc.subject | hydropower plant (HPP) | |
| dc.subject | water resource balance | |
| dc.subject | optimization | |
| dc.subject | electricity market | |
| dc.subject | Day-Ahead Market | |
| dc.subject | HPP production planning | |
| dc.subject | technological constraints | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | optimization methods | |
| dc.subject.udc | 621.311 | |
| dc.title | Оптимізація графіків виробництва електроенергії гідроелектростанцій в сучасних ринкових умовах функціонування ОЕС України | |
| dc.title.alternative | Optimization of Electricity Production Schedules of Hydropower Plants under Modern Market Conditions of the IPS of Ukraine | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: