M ariusz R O G U LSK I, Eugeniusz TO CZY ŁO W SK I Politechnika W arszaw ska
A L G O R Y T M PO PR A W Y DO K ŁA D N O ŚC I
Z IN T EG R O W A N EG O B ILA N SO W A N IA ENERG II I REZER W
Streszczenie. W artykule przedstaw iono algorytm popraw y dokładności zinte
grow anego bilansow ania ilościow ego energii i rezerw m ocy z uw zględnieniem rezerw przesyłow ych w system ie elektroenergetycznym . M odel bilansow ania energii i rezerw uw zględnia rozpływ y m ocy dla planow anego zapotrzebow ania odbiorców a także sytuacje rozpływ ów m ocy przy zm iennym w ykorzystaniu rezerw m ocy przez odbiorców . Zaproponow any algorytm popraw y um ożliw ia skuteczne i szybkie rozw iązyw anie przedstaw ionego problem u.
PR ECISIO N IM PR O V M E N T A L G O R ITH M A PPLIED TO JO IN T DISPA TC H OF E LE C TR IC PO W E R AND R E G U L A T IO N RESER VES
Sum m ary. In this paper is presented a prccission im provm ent algorithm applied to jo in t dispatch o f electric pow er, regulation reserves and transm ission reserves in the transm ission netw ork. The balancing model considers pow er flows for the planned loads under m ultiple scenarios o f usage o f regulation reserves. The proposed algorithm provides efficient and fast solutions for the balancing problem .
1. W prow adzenie
Energia elektryczna je s t podstaw ow ym tow arem na rynku energii. O prócz niej w system ie elektroenergetycznym (SE) istnieją inne towary i usługi potrzebne do jego sprawnego i bezpiecznego działania. Jednym z tow arów są regulacyjne usługi system ow e i w chodzące w ich skład system owe rezerw y mocy. S łużą one m.in.
zapew nieniu bezpieczeństw a pracy SE oraz zabezpieczeniu odbiorców przed nieprzew idyw alnością rzeczyw istego zapotrzebow ania na energię. Dzięki istnieniu rezerw m ocy m ożliw a je s t zm iana generacji podczas bilansow ania SE w czasie rzeczyw istym w sytuacjach zm niejszonego oraz zw iększonego zapotrzebow ania odbiorców w stosunku do prognozy zapotrzebow ania poprzez w ykorzystanie odpowiednio: rezerw y dolnej i górnej. A by um ożliw ić przesył liniami przesyłow ym i mocy pochodzącej z rezerw należy zarezerw ow ać część przepustowości linii przesy
łowych. Zarezerw ow ana część pasm będzie nazyw ana rezei"wą przesyłow ą.
72 M. Rogulski. E. Toczyłowski
Istotnym problem em jest w łaściw e bilansow anie tow arów na etapie planow ania, tak aby było ono zgodne z m echanizm am i rynkowym i. Zintegrow ane bilansow anie energii i rezerw regulacyjnych w ym aga zastosow ania złożonego modelu zawierającego ograniczenia przesyłowe oraz specyfikę rozpływ u m ocy w sieci przesyłowej.
W iele informacji o funkcjonowaniu m echanizm ów rynkow ych m ożna znaleźć w [4], Prezentowana jest tam problem atyka projektow ania optym alnych m echaniz
m ów rynkow ych w systemach, w których konkuruje ze sobą w iele autonom icznych jednostek. Opracowany model rynkowy uw zględnia obrót w ielu tow arów przy różnorodnych ograniczeniach zasobowych. Przedstaw iono m ożliw ość zastosow ania opracowanej metodologii do poprawy konkurencyjności i decentralizacji rynku energii elektrycznej.
N iniejsza praca dotyczy modelu zintegrow anego bilansow ania ilościowego energii i rezerw regulacyjnych, z uw zględnieniem rezerw przesyłow ych w SE.
Przedstaw iony model uwzględnia: w zajem ne pow iązanie energii i rezerw mocy, ograniczoną ilość zasobów w systemie, specyfikę rozpływ ów m ocy, m ożliwość dostarczenia energii i kombinacji rezerw, bezpieczeństw o systemu. Sform ułowany model jest rozszerzeniem klasycznego m odelu OPF [1], Zaproponow any algorytm popraw y um ożliwia skuteczne i szybkie rozw iązyw anie przedstaw ionego problem u.
2. Zintegrowane bilansowanie energii i rezerw
W przypadku rynku lokalnego lub rynku „m iedzianej płyty” jednoczesne bilansow anie energii i rezerw polega na tym , iż w ażne jest jedy nie obszarow e pokrycie zapotrzebow ania na rezerwy. Operator system u (OS) określa obszary SE (zwykle jest to jed en obszar obejmujący cały SE), na których od jed no stek w ytw órczych musi zostać zakupiona określona ilość rezerw m ocy. W ym agana je st tylko gotowość wprow adzenia m ocy z rezerw do system u, natom iast pom ijana je st kwestia m ożliw ości jej fizycznego dostarczenia do odbiorców przez sieć przesyłow ą.
W przypadku rynku regionalnego odbiorcy lub OS określają zapotrzebow anie na rezerw y w węzłach sieci. R olą OS jest zapew nienie w SE w arunków niezbędnych do dostarczenia towarów do węzłów. W dalszej części pracy w łaśnie na tym podejściu skupiam y naszą uwagę.
Przedstawiam y model, który uw zględnia rozpływ y m ocy dla planow anego zapotrzebow ania odbiorców, a także uw zględnia sytuacje rozpływ ów m ocy przy zm iennym wykorzystaniu rezerw mocy przez odbiorców. Sform ułow any m odel bierze pod uw agę rozpływy „ekstrem alne” zarów no, jeśli chodzi o zm niejszenie zapotrzebow ania, ja k i o zwiększenie tak, aby w yznaczone rozpływ y nom inalne i „ekstrem alne” nie naruszały żadnych ograniczeń.
Jako przypadków rozpływów „ekstrem alnych” niestety nie m ożna w ykorzystać sytuacji jednoczesnego m aksym alnie zw iększonego oraz m aksym alnie zm niejszonego odbioru energii w ram ach rezerw (górnej i dolnej) przez odbiorców . M aksym alny lub m inim alny przepływ m ocy daną linią przesyłow ą m oże wystąpić dla zróżnicowanej kom binacji maksym alnie zmniejszonych i m aksym alnie zw iększonych odbiorów m ocy z rezerw u odbiorców. Tym sam ym rozpływ y „ekstrem alne” na pewno
uw zględnia m odel zaw ierający wszystkie m ożliw e kom binacje m aksym alnego w ykorzystania rezerw górnych i dolnych przez odbiorców . Pojedynczą kom binację m aksym alnego w ykorzystania rezerw' przez odbiorców nazyw am y scenariuszem . Scenariusze oznaczam y jako: / , / e F ° , gdzie F ° to zbiór w szystkich scenariuszy.
W określonym scenariuszu zapotrzebow anie na energię w w ęźle odbiorczym je st param etrem . Jest ono równe: zapotrzebow aniu nom inalnem u plus w artość w ym aganej rezerw y górnej lub m inus wym agana wartość rezerw y dolnej, zależnie od typu w ykorzystyw anej rezerwy. Scenariusz, w którym zakładam y zerow e w ykorzy
stanie rezerw przez odbiorców nazyw am y scenariuszem nominalnym. Przez scenariusz ekstrem alny rozum iem y scenariusz, który pow oduje m aksym alny przepływ (co do wartości bezw zględnej) przez co najmniej je d n ą linię przesyłową.
M odel zintegrow anego bilansow ania ilościowego energii i rezerw regulacyj
nych z uw zględnieniem rezerw' przesyłow ych w oparciu o w ariant DC problem u OPF m ożna zapisać w postaci następującego zadania program ow ania liniowego (model RES_SC):
m i n £ ( Z a f K ai p '') + K ? aeiV / €f°
j \ P L - p i + D fa = 0, A=1
( p R/ ) + K * - ( P *-y) (1)
V a e N , V f e F ° (2)
p i - P o ^ pT Vo e 77, V / € F° (3)
^3 1 IA 6 * Vn e IV, V / e F° (4)
Pa{ = V aVhYah{0'a - 0 fb ) V ( « / ) S £ , V / 6jP 0 (5) 2 > A ' = o
a=\
V / € F ° (6)
p r: ^ p{: ^ p7x- pT Ma e N (V)
0 < p Ra- < p™xR- V a e N (8)
0 < p*+ < /7"mS+ Vo e N (9)
- S ah<P/h < S ab V(a,b) e £ , V / e F° (10) Zm ienne: p fa - m oc w prow adzana do SE w węźle a w s c e n a riu s z u / P/b - moc przepływ ająca linią przesyłow ą m iędzy węzłami a i b w scenariuszu f p k„ - w ykorzystyw ana rezerw a typu k ( k e { R + ,R -} , gdzie R+ to rezerw a górna, R - to rezerwa dolna) w w ęźle a, 6 {a - przesunięcie fazow e w węźle a w scenariuszu/ liczo
ne w zględem węzła odniesienia.
Param etry: D fa - zapotrzebow anie na energię w węźle a w scenariuszu f Va - napięcie w w ęźle a, Yab - adm itancja linii przesyłowej łączącej w ęzły a i b, p™x — m aksym alna ilość m ocy oferow anej w węźle a , ( p ™ R~) - m aksym alna ilość rezerwy górnej (dolnej) oferowanej w węźle a, s a - w artość 1 na pozycji a oznacza indeks w ęzła odniesienia, w szystkie pozostałe elem enty równe zero, S ab - przepustow ość linii przesyłow ej łączącej a i b, N - zbiór węzłów.
74 M. Rogulski. E. Toczyłowski
Funkcja celu (1) m inim alizuje koszt bilansow ania system u, czyli zakupu wym aganej ilości energii i rezerw mocy. Składa się ze składników: K a( p fa ) - koszt zakupu energii w w ęźle a w scenariuszu/ ; X / £F«a / = U K -T (K Ra ~) - koszt zakupu rezerw y górnej (dolnej) w w ęźle a.
O graniczenie (2) w yznacza bilans węzła dla energii w scenariuszu f W ykorzystanie rezerw od w ytw órców m oże zm ieniać się w raz ze zm ianą scenariusza, więc konieczny je st zakup takiej ilości rezerw, aby m ożliw e było jej dostarczenie niezależnie od konfiguracji zapotrzebow ań odbiorców. Dlatego wprow adzono ograniczenia (3) i (4), które określają ilość zakupionych rezerw (górnej i dolnej) w węźle a jak o w artość m aksym alną spośród w szystkich scenariuszy. Ograniczenie (5) określa przepływ m ocy linią przesyłow ą w f -tym scenariuszu. O graniczenie (6) ustaw ia przesunięcie fazow e w w ybranym węźle na w artość zero. O graniczenie (7) określa zależność m iędzy ilością mocy wprowadzanej do SE w węźle a , przyjętym i w artościam i rezerw i d o stępną m ocą m aksym alną w w ęźle a. O graniczenia (8) i (9) określają dostępną ilość rezerw y dolnej i górnej w węźle a. O graniczenie (10) to ograniczenie na przepustow ość linii przesyłowych.
Rozwiązując proponow any model otrzym amy rozpływ y nom inalne, przyjęte oferty na energię i rezerw y, rozpływ y dla poszczególnych scenariuszy oraz wartości rezerw przesyłow ych dla poszczególnych linii.
Model RJES_SC uw zględniający w szystkie scenariusze daje pew ność, że w SE będzie istnieć fizyczna m ożliw ość dostarczenia dodatkowej energii w ram ach rezerwy górnej lub zm niejszenie generacji w ram ach rezerw y dolnej. Przyjm ując do scenariuszy kom binacje m aksym alnego w ykorzystania rezerw górnych i dolnych otrzym am y 2r m ożliw ych scenariuszy, gdzie r je st liczbą w ęzłów , w których w ystępuje zapotrzebow anie odbiorców na rezerwy. Przy dużej wartości r problem jest trudny do rozwiązania. A by m óc zastosow ać opisywany m odel w praktyce, konieczna je st redukcja zbioru scenariuszy.
W ramach prow adzonych badań sfonnułow ano kilka heurystycznych algorytm ów redukcji zbioru scenariuszy. Ich szczegółowy opis m ożna znaleźć w [2, 3]. W dalszej części zostanie przedstaw iony heurystyczny algorytm popraw y.
3. A lgorytm popraw y
Pierw szym krokiem algorytm u poprawy je st w yznaczenie początkow ego podzbioru scenariuszy F T (np. w w yniku zastosow ania dowolnego z algorytm ów przedstaw ionych w [2, 3] lub w w yniku przyjęcia tylko trzech scenariuszy:
nom inalnego, m aksym alnego w ykorzystania rezerw górnych oraz dolnych). N astępnie wykonyw anych je st szereg iteracji, aż do osiągnięcia w arunku stopu.
W pojedynczej iteracji dla aktualnie w yznaczonego podzbioru scenariuszy je st rozw iązyw ane zadanie RES_SC. W wyniku rozwiązania są wyznaczane przyjęte ilości energii i rezerw w w ęzłach wytwórczych. Następnie dla każdego przekroju sieci (oznaczanego jak o E r , przekrojem sieci m oże być pojedyncza linia przesyłow a) jest rozw iązyw ane pom ocnicze zadanie M AX_FLOW , w którym dla przyjętych ofert na energię i rezerw y je st m aksym alizow ana bezw zględna wartość przepływ u m ocy przez przekrój sieci. Na podstaw ie rozwiązania dla kolejnych węzłów', w których odbiorcy
w ym agają dostarczenia rezerw , je st ustalany typ w ykorzystyw anej rezerw y zgodnie z regułą: jeśli w yznaczony odbiór d„ w węźle a je st m niejszy niż zapotrzebow anie nom inalne, to przyjm ow ane je st w ykorzystanie rezerwy dolnej, w przeciw nym przypadku przyjm ow ane jest w ykorzystanie rezerw y górnej. Dla każdego przekroju sieci pow staje w ten sposób jed en scenariusz. Jeśli utw orzony scenariusz nie w ystępuje w zbiorze F T, to je st on do niego dodaw any. O trzym yw ane scenariusze nie m uszą być scenariuszam i ekstremalnymi.
W arunkiem stopu je st sytuacja, w której w wyniku rozw iązania pom ocniczych zadań M A X _FLO W nie udało się uzyskać ani jednego scenariusza, który nie w ystępow ałby wcześniej w zbiorze F T.
Pom ocniczy m odel M A X _FLO W w ygląda następująco:
Zm ienne: p a - m oc w prow adzana do SE w węźle a, d a - m oc odbierana z SE w węźle a, Pab - m oc przepływ ająca linią przesyłow ą m iędzy węzłam i a i b, 0a - przesunięcie fazow e w w ęźle a.
Param etry: D° - zapotrzebow anie nom inalne w węźle a, R~ (R ~) - zakres wymaganej rezerw y dolnej (górnej) w węźle odbiorczym a, p° - dostępna ilość m ocy w węźle w ytw órczym a, p*~ ( p f +) - dostępna ilość rezerw y dolnej (górnej) w węźle wytw órczym a. Znaczenie param etrów Va, Yab, sa, S ab, N je s t zgodne z podanym przy opisie m odelu RES SC. W artości param etrów p°a, p*~,p** poch od zą z rozw iązania zadania RES_SC.
Dla każdego przekroju sieci podzadanie M A X _FLO W je st rozw iązyw ane dwukrotnie - raz z funkcją celu m aksy m alizu jącą raz z funkcją celu m inim alizującą przepływ m ocy przez przekrój sieci. Pow odem tego je st fakt, iż nie je st znany kierunek przepływ u m ocy, a więc zm ienne Pab m ogą przyjm ow ać w artości ujem ne oznaczające przepływ m ocy z węzła b do węzła a. M aksym alizując wartość przepływu m aksym alizujem y przepływ z a do b, natom iast m inim alizując - m aksym alizujem y przepływ z b do a. Scenariusz je st tw orzony dla rozw iązania, dla którego uzyskano w iększą w artość bezw zględną przepływu.
max X Po>, min Y , pab (U)
(o ,6) e £ r
Y , Pa b -P a + d a = 0> V<2 € N (12)
P* = V ,V J * ( 6 a - 9 > ) V(a,b) € E (1 3 )
(1 4 )
V a e N V a e N V(ć?,6) e E
(1 5 ) (1 6 ) (1 7 )
76 M. R ogulski. E. Toczyłowski
4. Eksperyment}' obliczeniowe
W celu przetestow ania algorytm u wygenerowano kilka topologii sieci charakteryzujących się różną liczbą wierzchołków oraz linii przesyłow ych.
Eksperym enty obliczeniow e były prow adzone na kom puterze z procesorem Pentium 4, 2.8 GHz, 1 GB RAM za pom ocą pakietu CPLEX 9.1.
Rozwiązania uzyskiwane za pom ocą proponowanego algorytm u popraw y będą porów nyw ane z rozwiązaniam i w yznaczonym i za pom o cą m odelu RES_SC ze w szystkim i scenariuszam i (model pełny) oraz z rozwiązaniam i uzyskanym i za pom ocą m odelu obszarowego (z jednym obszarem ). Jako punkt startow y dla algorytm u popraw y je st przyjm ow any zbiór F T zawierający scenariusze: m aksym alnego w ykorzystania rezerw górnych, dolnych oraz scenariusz nom inalny. Jako przekroje sieci przyjm ow ano pojedyncze linie przesyłowe.
R ozw iązanie uzyskane za pom ocą pełnego modelu R E S_3C gw arantuje pełną realizację każdego scenariusza. RozwiązaniA uzyskane za pom ocą proponow anego algorytm u m ogą być rozwiązaniam i przybliżonym i. Ocena działania algorytm u popraw y będzie dokonywana na podstawie: czasu w yznaczania rozwiązania optym alnego ( T [s]), różnicy m iędzy w artością funkcji celu dla m odelu pełnego a w artością funkcji celu dla m odelu ze zredukow anym zbiorem scenariuszy ( GAP [%]), minimalnej skuteczności kierunkowej (p"""), średniej skuteczności kie
runkowej ( p m~) oraz praw dopodobieństw ie, że dostępna generacja w raz z rezerwam i nie będzie w stanie pokryć zapotrzebow ania w określonym scenariuszu (L O L P - loss- of-load probability). Dla proponow anego algorytm u poprawy je st podaw ana liczba scenariuszy uw zględnianych w poszczególnych iteracjach.
Przez skuteczność kierunkową będziem y rozum ieć m ożliw ość zm ian poborów energii przez odbiorców w kierunku odchyleń od punktów nom inalnych określonych przez typy rezerw w ykorzystyw anych przez odbiorców w danym scenariuszu.
Param etry danych testowych są przedstaw ione w tabeli 1.
Tabela 1 Param etry danych testowych________________________
Lp. Liczba węzłów
Liczba linii
Liczba węzłów z wytwórcam i
Liczba w ęzłów z odbiorcam i
1 24 38 10 11
2 25 60 8 12
3 30 72 9 13
W yniki eksperym entów obliczeniow ych są przedstaw ione w tabelach 2-4.
Tabela 2 W yniki dla zestaw u danych nr 1_______________ _________
Model obszarowy Algorytm poprawy Model pełny
d"' fT " LOLP T Iteracja Lba scen. d" d"‘" LOLP GAP T T
0.974023 0.710149 0.15917 0.1 1 2 0.993871 0.83153 0.11914 0.16 0.14 151
— — — — 2 27 0.996329 0.885911 0.09766 0.16 1.62 —
— — — — 3 42 0.997471 0.907926 0,08008 0,11 3.48 —
— — — — 4 48 0.998297 0.93718 0.06348 0,11 5.48 —
— — — — 5 51 0.998297 0.93718 0.06348 0.11 7.59 —
Tabela 3 W yniki dla zestaw u danych nr 2_________________________
Model obszarowy Algorytm poprawy Model pełny
ff" pm" LOLP T Iteracja Lba scen. ff" i T LOLP GAP T T
0.927655 0.558687 0,27319 0.1 1 2 0.901722 0.456943 0.25 0.95 0.14 6778
— — — — 2 53 0.999857 0.879007 0.00586 0,81 2.79 —
— — — — 3 77 0.999902 0.879006 0.00293 0.77 6.59 —
— — — — 4 77 0.999902 0.879006 0.00293 0.77 10.4 —
Tabela 4 W yniki dla zestaw u danych nr 3
Model obszarowy Algorytm poprawy Model pełny
ff" f f ‘" LOLP T Iteracja Lba scen. ff" A"" LOLP GAP T T
0.946993 0.511583 0,39770 0.1 1 2 0.966391 0.522468 0.21069 0.16 0.14 26 433
— — — — 2 69 0.988262 0.642326 0,1189 0.14 4.89 —
— — — — 3 83 0.999386 0.844275 0,01306 0.10 10,2 —
— — — — 4 95 0.999842 0.883181 0.00378 0.09 16,8 —
— — — — 5 99 0.999842 0.883181 0.00378 0.09 23.7 —
Przedstaw ione w yniki pokazują d u żą skuteczność proponow anego algorytm u.
Co praw da nie udało się w yznaczyć rozw iązania um ożliw iającego realizację każdego scenariusza, ale skuteczność średnia i m inim alna są bardzo w ysokie, znacznie wyższe niż te uzyskane dla m odelu uproszczonego. Popraw ę skuteczności w idać głów nie dla skuteczności m inim alnej. A by był spełniony w arunek stopu, zazw yczaj istnieje potrzeba w ykonania kilku iteracji algorytmu.
Czas oczekiw ania na rozw iązanie w yznaczane przez algorytm popraw y jest dłuższy niż dla m odelu obszarow ego ale znacznie krótszy niż dla m odelu pełnego. Na rozwiązanie trzeba czekać kilkadziesiąt sekund, co je st w artością do zaakceptow ania.
Czas rozw iązyw ania m odelu pełnego bardzo szybko rośnie w raz ze w zrostem liczby węzłów z zapotrzebow aniem na rezerwy. Dla 11 w ynosi kilka m inut, dla 12 węzłów prawie 2 godziny, dla 13 i więcej w ęzłów - w ielokrotnie dłużej.
5. Podsum ow anie
W artykule został przedstaw iony algorytm popraw y dokładności zintegro
wanego bilansow ania energii i rezerw m ocy w SE z uw zględnieniem rezerw przesyłowych. Do zintegrow anego bilansow ania służy m odel w yboru ofert na energię i rezerw^' m ocy um ożliw iający dostarczenie od w ytw órców do odbiorców energii nominalnej oraz energii z rezerw mocy. Jest on rozszerzeniem standardow ego m odelu
78 M. Rogulski. E. Toczyłow ski
problem u ekonom icznego rozdziału obciążeń w wersji DC. Przedstaw iony m odel jest trudny do rozw iązania, poniew aż uw zględnia w szystkie kom binacje w ykorzystania rezerw mocy przez odbiorców. Zaproponow any algorytm popraw y służy uproszczeniu przedstaw ionego m odelu, oferując przy tym d użą szybkość i skuteczność w yznacza
nych rozwiązań. Jego w ydajność została przetestow ana na kilku różnych topologiach sieci.
Praca naukowa finan sow ana ze środków na naukę w roku 2006 ja k o p ro jekt badawczy.
LITERATU RA
1. Dom m el H. W ., Tinney W. F.: Optim al Pow er Flow Solutions. IEEE Transactions on Pow er A pparatus and Systems, Vol. PAS-87, O ctober 1968.
2. Rogulski M.: The Problem o f Lines Pow er Flow Changes Caused by Using Reserves. IW CIT, Ostrava 2005.
3. Rogulski M., Toczyłowski E.: Zapewnienie w arunków bezpieczeństw a w syste
m ie elektroenergetycznym przez łączne bilansow anie rezerw regulacyjnych i przesyłowych. Konferencja „O ptym alizacja w Elektroenergetyce”, Jachranka 2005.
4. Toczyłowski E.: Optym alizacja procesów rynkow ych przy ograniczeniach.
A kadem icka Oficyna W ydawnicza „Exit”, 2003.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Tadeusz Puchałka A bstract
In this paper the precission im provm ent algorithm applied to jo in t dispatch o f electric power, regulation reserves and transm ission reserves in the transm ission netw ork is developed. To joint dispatch is used the model o f choosing bids for energy and reserves w hich considers pow er flows for the planned loads under m ultiple scenarios o f usage o f regulation reserves. The balancing problem is based on a DC- OPF problem form ulation w ith netw ork constraints and is difficult to be solved. The proposed precission im provm ent algorithm serves reducing the dim ensionality o f this m odel and offers efficient and fast solutions. W orking o f this algorithm is illustrated by results o f num erical experiments.