Оптимизация расходов промышленного предприятия на оплату электроэнергии: постановка задачи, алгоритм решения, вычислительный эксперимент

Актуальность исследования. Происходящие качественные изменения в отечественной электроэнергетике соответствуют общемировым тенденциям. В условиях реформирования отрасли некоторые задачи становятся все более актуальными. В связи с тем, что преобразования напрямую сказываются на потребителях электроэнергии, особое значение имеют те задачи, качество решения которых существенным образом влияет на финансово-экономические результаты деятельности потребителей. Одной из них является задача оптимизации энергопотребления, которая, как правило, предполагает разработку и принятие решений по энергосбережению, требующих определенных финансовых вложений. Тем не менее, важно отметить, что даже реализация малозатратных проектов, например, организационного характера, может дать ощутимый эффект. К их числу можно отнести проекты, обеспечивающие снижение издержек на энергоресурсы без снижения уровня энергопотребления.

В настоящее время реальная практика потребления электроэнергии существенным образом влияет на расходы по ее оплате. Исследования в области оптимизации энергопотребления велись и ранее [51, 65, 67, 78, 79, 84], однако единого подхода к решению задачи по снижению издержек на энергоресурсы без снижения энергопотребления, учитывающего изменения в отрасли последних лет, пока не выработано. В связи с этим постановка задачи оптимизации расходов на оплату электроэнергии и разработка эффективного метода ее решения представляются актуальными.

Степень научной разработанности проблемы. В настоящее время существует достаточно обширный список научных трудов по вопросам, связанным с изучением отдельных сторон исследуемой области [27, 31, 33, 35, 41, 42, 43, 53, 54, 63, 71, 77 и др.].

Электроэнергетика, будучи базовой отраслью подавляющего большинства экономических систем, всегда была объектом пристального внимания исследователей. Свидетельством этого являются работы следующих авторов: Б. Е. Ратнико ва, Л. Д. Гительмана, А. А. Макарова, JLA. Мелентьева, А. С. Некрасова, Ю. В. Синяка, Н. И. Суслова, А. И. Татаркина, В. В. Хлебникова, А. В. Хританкова, В. И. Эдельмана, С. Стофта, С. Ханта, Г. Шаттлуорта и многих других.

Вопросы, связанные с оптимизацией энергозатрат, рассматривались Б. П. Борисовым, Г. Я. Вагиным, А. Б. Лоскутовым, В. В. Михайловым, Д. Реем, С. К. Сергеевым и другими.

Экономико-математическому моделированию отдельных аспектов деятельности предприятий посвящены работы таких авторов как К. А. Брагинский, В. Н. Бурков, Ю. В. Косачев, С. М. Гуриев, И. Е. Кричевский, Н. Н. Куницына, Д. А. Новикова, Д. А. Поспелов, И. Г. Поспелов, Т. К. Сиразетдинов, А. А. Шананин и другие.

Однако, несмотря на наличие значительного количества работ по отдельным разделам исследуемой предметной области, необходимо отметить недостаточную изученность поставленной проблемы в целом и на стыках отдельных задач. В условиях либерализации рынков электроэнергии это обусловлено, прежде всего, существенными изменениями, происходящими в отечественной электроэнергетике в последние годы, которые вынуждают потребителей электроэнергии оптимизировать свои расходы на ее оплату. В связи с этим возникла научная и практическая необходимость проведения настоящего диссертационного исследования.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является создание оптимизационной модели расходов предприятия на оплату электроэнергии, разработка и реализация алгоритмов решения задачи оптимизации. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. На основе анализа существующих тенденций в отечественной электроэнергетике осуществить содержательную постановку задачи оптимизации расходов промышленного предприятия на оплату электроэнергии.

2. Разработать экономико-математическую модель расходов на оплату электроэнергии и на ее основе осуществить постановку соответствующей задачи оптимизации.

3. Разработать метод и алгоритмы решения задачи оптимизации расходов на оплату электроэнергии.

4. Разработать инструментарий, реализующий метод и алгоритмы решения поставленной задачи и позволяющий проводить вычислительные эксперименты.

5. В ходе проведения вычислительного эксперимента показать адекватность модели, возможность ее практического применения и положительный эффект от оптимизации расходов на оплату электроэнергии без снижения уровня энергопотребления.

Объектом настоящего исследования являются принципы и механизмы ценообразования на розничных рынках электроэнергии и их учет в деятельности промышленного предприятия.

Предполагается, что предприятие является субъектом розничного рынка электроэнергии и имеет относительно гибкий технологический процесс, позволяющий с заданной периодичностью варьировать режим работы и уровень загрузки оборудования с целью снижения расходов на оплату электроэнергии.

Предметом исследования являются экономико-математические модели расходов промышленного предприятия на оплату электроэнергии, основанные на этих моделях метод и алгоритмы оптимизации таких расходов и компьютерная реализация разработанных алгоритмов.

Теоретической и методологической базой исследования являются работы ученых в области электроэнергетики, экономико-математического моделирования отдельных аспектов деятельности предприятий, теории оптимизационных задач, практического применения систем компьютерной алгебры. В процессе написания работы использовались нормативно-правовые акты федерального и регионального значения, публикации известных экспертов в сфере электроэнергетики.

Основными методами исследования являются методы системного анализа, теории оптимизационных задач, методы экономико-математического моделирования и приемы программирования в системах компьютерной алгебры.

Информационно-эмпирическая база исследования. Информационной базой для определения значений параметров модели послужила ежемесячная статистика по гарантирующим поставщикам и энергоснабжающим организациям ОАО «АТС» за 2007;2008 годы. В частности, в ходе вычислительного эксперимента использовались данные о нерегулируемых ценах на электроэнергию (мощность) для потребителей ОАО «Пермэнергосбыт».

Диссертационная работа выполнена в рамках паспорта научных специальностей ВАК 08.00.13 — Математические и инструментальные методы экономики, п. 1.2. «Теория и методология экономико-математического моделирования, исследование его возможностей и диапазонов применения: теоретические и методологические вопросы отображения социально-экономических процессов и систем в виде математических, информационных и компьютерных моделей», п. 1.4. «Разработка и исследование моделей и математических методов анализа микроэкономических процессов и систем: отраслей народного хозяйства, фирм и предприятий, домашних хозяйств, рынков, механизмов формирования спроса и потребления, способов количественной оценки предпринимательских рисков и обоснования инвестиционных решений», п. 2.1. «Развитие теории, методологии и практики компьютерного эксперимента в социально-экономических исследованиях и задачах управления», п. 2.3. «Разработка систем поддержки принятия решений для рационализации организационных структур и оптимизации управления экономикой на всех уровнях».

Наиболее существенными результатами, имеющими научную новизну и разработанными лично автором, являются:

1. Исследованы и обоснованы основные принципы и механизмы ценообразования на розничных рынках электроэнергии, существенные с точки зрения экономико-математического моделирования расходов на оплату электроэнергии.

2. Создана экономико-математическая модель расходов промышленного предприятия на оплату электроэнергии, учитывающая ключевые изменения, произошедшие в период реформирования отечественной электроэнергетики (формирование новой инфраструктуры отрасли, либерализацию рынков и т. д.).

3. Разработаны метод и алгоритмы решения задачи оптимизации расходов на оплату электроэнергии, подразумевающие ее редукцию к серии задач линейного программирования.

4. Создан инструментарий, реализующий разработанные метод и алгоритмы решения задачи оптимизации расходов на оплату электроэнергии с помощью систем компьютерной алгебры.

5. В ходе вычислительного эксперимента показана адекватность разработанной модели, возможность ее практического применения и положительный эффект от оптимизации расходов на оплату электроэнергии без снижения уровня энергопотребления.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Теоретическая значимость исследования состоит в создании теоретической и методологической основы для математического моделирования процессов, связанных с расчетами за электроэнергию. Кроме того, предложенные алгоритмы решения задачи оптимизации достаточно универсальны и могут использоваться для решения оптимизационных задач этого же класса.

Практическая значимость настоящего исследования состоит в возможности использования его результатов для оптимизации расходов промышленных предприятий на оплату электроэнергии. В частности, модель может применяться потребителями электроэнергии при заключении и исполнении договоров энергоснабжения, а также позволяет определять оптимальные с точки зрения минимизации расходов на оплату электроэнергии часы для пиковых нагрузок, режим работы, уровень загрузки оборудования и т. д. Таким образом, в части компьютерной реализации инструмента исследования разработанная модель имеет прикладной характер. Кроме этого, результаты исследования могут быть использованы при обосновании инвестиционных проектов по строительству производственных мощностей.

Апробация работы. Основные идеи и результаты исследования докладывались и обсуждались на Региональной научно-практической конференции молодых ученых «Экономика и управление: актуальные проблемы и поиск путей решения» (Пермь, 2004 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Современный финансовый рынок РФ» (Пермь, 2006 г.), на Международной конференции «Колмогоровские чтения. Общие проблемы управления и их приложения. Проблемы преподавания математики» (Тамбов, 2007 г.), на научных семинарах Международной лаборатории конструктивных методов исследования динамических моделей под руководством профессора В. П. Максимова (Пермь, 2005;2008 г.).

Результаты исследования апробированы на данных ОАО «Очерский машиностроительный завод». В дальнейшем предложенные в исследовании подходы по оптимизации расходов на оплату электроэнергии планируется использовать при составлении производственных планов, что подтверждается актом о внедрении. Кроме этого, результаты исследования одобрены гарантирующим поставщиком электроэнергии на территории Пермского края (ОАО «Пермэнергосбыт») и в дальнейшем будут использоваться в качестве основы для оказания услуг по оптимизации расходов промышленных предприятий на оплату электроэнергии.

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 8 работах [40, 44−50]. Три работы [44, 47, 48] опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Основное содержание работы без учета приложений изложено на 136 страницах. В работе содержатся 15 таблиц и 91 рисунок. Список использованной литературы включает 85 источников.

Основные выводы и результаты исследования состоят в следующем:

1. В условиях реформирования электроэнергетики перед ее участниками возникают новые или приобретают большую актуальность существовавшие до этого задачи. Одной из таких задач является задача оптимизации расходов на оплату электроэнергии.

2. Результатом исследования данной проблемы стала содержательная детальная постановка задачи оптимизации расходов на оплату электроэнергии, пригодная для математического моделирования.

3. Создание теоретической и методологической базы для моделирования процессов, связанных с расчетами за электроэнергию, послужило основой для разработки экономико-математической модели расходов промышленного предприятия на оплату электроэнергии и постановки соответствующей задачи оптимизации.

4. Использование методов линейной оптимизации при решении поставленной задачи стало возможным благодаря применению разработанных метода и алгоритмов ее решения.

5. Разработанные метод и алгоритмы решения реализованы в системе компьютерной алгебры MAPLE с использованием встроенного пакета решения задач линейной оптимизации.

6. Проведен вычислительный эксперимент на модельных данных, близких к реальным и охватывающих конкретные условия, в которых работают предприятия Пермского края. Результаты эксперимента наглядно продемонстрировали адекватность модели, возможность ее практического применения, положительный эффект от оптимизации расходов на оплату электроэнергии и реализуемость предложенного метода решения задачи оптимизации. Анализ результатов эксперимента показал, что для используемых модельных данных снижение расходов на оплату электроэнергии может достигать 24%.

7. В ходе вычислительного эксперимента показано, что основными факторами, определяющими среднюю стоимость 1 кВт • ч, на которые может влиять потребитель, являются выбранный тариф, система учета электроэнергии, режим работы и профиль нагрузки предприятия.

8. Результаты вычислительного эксперимента показали, что существенный эффект от оптимизации расходов на оплату электроэнергии может быть достигнут на предприятиях, имеющих возможность оперативно корректировать режим работы. К их числу можно отнести, например, производителей строительных материалов, предприятия машиностроительного комплекса, газоперекачивающие станции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.