WPŁYW DWUKIERUNKOWEJ TRANSMISJI DANYCH NA WYGŁADZANIE KRZYWEJ POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ

Transkrypt

1 WPŁYW DWUKIERUNKOWEJ TRANSMISJI DANYCH NA WYGŁADZANIE KRZYWEJ POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Autor: Dariusz Bober ( Rynek Energii nr 2/2007) Słowa kluczowe: elektroniczna wymiana informacji, rynek energii elektrycznej, operatywność technologii XML, sterowanie w systemach hierarchicznych Streszczenie. Przedstawiono nowatorskie podejście do jakości obsługi klienta systemu elektroenergetycznego. Wymiana informacji elektronicznej w obszarze krańcowym dystrybutor-konsument energii pozwala na uzyskanie dodatkowej wiedzy o profilu konsumenta, zaś dwukierunkowość wymiany informacji stanowi potencjalne narzędzie oddziaływania na jego zachowanie. Konsument dobrze poinformowany będzie aktywnym uczestnikiem rynku energii elektrycznej, zaś odpowiednia informacja przesłana drogą elektroniczną moŝe zachęcić odbiorcę do zachowania się zbieŝnie z oczekiwaniami nadawcy informacji - dystrybutora energii elektrycznej. Taka własność dwukierunkowej transmisji danych, w oparciu o odpowiednio duŝą grupą odbiorców energii elektrycznej, pozwala na wprowadzanie mechanizmów sterujących krzywą popytu na energię elektryczną. PowyŜsze stwierdzenie jest wprawdzie dość śmiało postawioną tezą, ale obserwując dynamikę rozwoju rozwiązań teleinformatycznych naleŝy przypuszczać, Ŝe teza ta jest do obronienia. W artykule autor skupia się na logice wymiany informacji oraz mechanizmach wspomagania podejmowania decyzji w oparciu o aktualnie zgromadzoną informację o stanie sieci elektroenergetycznej. 1. WSTĘP Polska gospodarka energią elektryczną jest w przededniu wprowadzenia nowej jakości usług dystrybucji energii elektrycznej. Uwolnienie rynku energii elektrycznej dla odbiorców indywidualnych pozwoli tym ostatnim na wybór dowolnego dostawcy energii. Trudno jednak jest mówić o swobodnym wyborze, bez odpowiedniego dostępu do informacji o aktualnych ofertach sprzedawców energii, bez moŝliwości bieŝącego śledzenia sytuacji rynkowej. Taką funkcję informacyjną bez wątpienia moŝe spełnić Internet. Przeglądając najnowsze osiągnięcia w przetwarzaniu danych dla ich prezentacji w sieci, wydaje się być słuszne, Ŝe na potrzeby rynku energii elektrycznej w Polsce najodpowiedniejszą formą publikacji danych o rynku będzie uŝycie technologii XML (ang. extensible Markup Language). Technologia ta oprócz moŝliwości prezentowania danych w postaci stron WWW (XHTML), pozwala przede wszystkim na wtórne przetwarzanie danych zamieszczonych w sieci. Zatem dane publikowane w języku XML mogą być przetwarzane przez przygotowane do tego automaty, np. programy śledzące sytuację rynkową i wspomagające decyzję klienta indywidualnego. Technologia XML sprawdza się równieŝ jako format plików elektronicznej wymiany danych EDI (ang. Electronic Data Interchange) na poziomie operacyjnym [2, 7, 8, 14]. Informacja wymieniana elektroniczne szybciej dotrze do klienta, a dodatkowo będzie mogła być przetworzona po stronie klienta automatycznie z moŝliwością przesłania informacji zwrotnej o skutkach zadziałania automatu. Uzyskuje się w ten sposób pętlę sprzęŝenia zwrotnego, a tym samym moŝliwość implementacji algorytmów sterowania zuŝyciem energii elektrycznej po stronie odbiorcy. 2. PROGNOZOWANIE POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Stosowany obecnie system pomiaru średniego zuŝycia za okres, z uwagi na dynamiczny charakter zmian ceny sprzedaŝy energii odbiorcy końcowemu, jest nie do przyjęcia w warunkach rynkowych. Dotychczas ustalane taryfy sprawdzają się w rozliczeniach średnio okresowych, gdzie sumarycznie grupa odbiorców gwarantowała pokrycie kosztów produkcji i

2 przesyłu energii elektrycznej. Statyczność grup odbiorców pozwala na odpowiednio trafne prognozowanie zapotrzebowania na energię elektryczną w oparciu o dane historyczne [1, 12]. Przy duŝej zmienności cen w czasie konieczne jest dokonywanie częstszych odczytów stanów liczników u odbiorcy indywidualnego, np. co 5 min [11], a zatem naleŝy sądzić, Ŝe zostanie zaimplementowana infrastruktura techniczna do transmisji danych. Otwarcie rynku wywoła migracje odbiorców do nowych dystrybutorów, a tym samym struktura grup, dla których dystrybutor prognozuje zapotrzebowanie na energię elektryczną ulegnie zmianom. NaleŜy sądzić, Ŝe nie pozostanie to bez wpływu na trafność prognoz zapotrzebowania, a tym samym kosztów funkcjonowania dystrybutora i końcową cenę, po jakiej odbiorca zakupi energię. Zatem zarówno w interesie odbiorcy, który jest zainteresowany jak najniŝszą ceną zakupu energii elektrycznej, jaki i dostawcy energii elektrycznej, który aby zapewnić tę cenę musi obniŝyć koszty własne -jest opracowanie metod jak najtrafniejszego prognozowania zuŝycia energii elektrycznej. Patrząc na to zagadnienie z punktu widzenia dystrybutora, który prognozuje zapotrzebowanie dla grupy swoich klientów jako zbioru indywidualnych odbiorców o duŝej nieokreśloności swego zachowania (człowiek - zjawisko niedeterministyczne), tenŝe dystrybutor zainteresowany będzie moŝliwością wpływu na zachowanie się odbiorcy. Odbiorca natomiast, moŝe być zainteresowany taką organizacją własnej konsumpcji energii elektrycznej, aby w efekcie zapłacić najniŝszą cenę, z uwzględnieniem pewnego dyskomfortu zmiany własnych przyzwyczajeń. 3. ELEKTRONICZNA TRANSMISJA DANYCH Elektroniczna transmisja danych jest nieuniknionym procesem w realizacji digitalizacji świata biznesu. Odbiorca końcowy jako uczestnik rynku energii elektrycznej będzie wkrótce oczekiwał (od 1 lipca 2007) takiej właśnie formy obsługi przez zakład energetyczny lub pośrednika w obrocie energią. Wprowadzenie elektronicznej obsługi klienta pozwoli jemu samemu na wybór (zmianę) wielokrotnie w jednym okresie rozliczeniowym kilku dostawców energii. Obowiązujące w Polsce Rozporządzenie Ministra Finansów o fakturach elektronicznych [10] pozwala wysunąć mniemanie, Ŝe uciąŝliwość obsługi wielu dokumentów (faktur) zostanie zminimalizowana poprzez wprowadzenie elementów konsolidacji płatności za dostarczoną energię. Obsługa dokumentów finansowych jest tylko jednym z moŝliwych do zoptymalizowania procesów logistycznych przedsiębiorstwa energetycznego. DuŜo istotniejszy moŝe okazać się wpływ odpowiednio wcześnie dostarczonej informacji do konsumenta na jego decyzję o zuŝyciu energii. Elementy wywierania takiego wpływu występowały juŝ wcześniej: znak przekreślonej Ŝarówki na ekranie telewizora, informacje prasowe, ogłoszenia radiowe, współcześnie informacje na stronach WWW. Właściwym jednak dla stosowanego medium przesyłu wymienionych tu metod komunikacji jest ich duŝa bezwładność oraz ograniczony dostęp do konsumenta. Konsument, aby otrzymać tego typu komunikat, musi sięgnąć po nośnik: włączyć telewizor, otworzyć gazetę, czy wejść na stronę WWW przedsiębiorstwa. Dodatkowym minusem tradycyjnych metod wywierania wpływu na zachowania odbiorcy jest niska operatywność tych metod, aby komunikat przyniósł efekt w postaci zbieŝnego z intencją zamieszczającego komunikat zachowania się konsumenta (włączenie/wyłączenie odbiornika energii elektrycznej) jest konieczne, aby konsument miał moŝliwość fizycznego wykonania

3 tej operacji (moŝe w okresie obowiązywania komunikatu przebywać poza miejscem zamieszkania). Proponowana tu metoda elektronicznego przesyłania informacji operacyjnej jest praktycznie pozbawiona wad metod konwencjonalnych. Informacja elektroniczna dociera do konsumenta w czasie zdecydowanie krótszym, oraz posiada właściwość operatywności, tj. przetworzenia w dalszym procesie automatycznego sterowania zachowaniem się urządzeń odbiorczych w gospodarstwie domowym konsumenta. Skrócenie czasu przetwarzania informacji w obszarze dystrybutor - konsument energii elektrycznej pozwoli równieŝ na zmniejszenie czasów próbkowania stopnia zbieŝności efektu komunikatu z intencją treści komunikatu. MoŜna wysyłać komunikaty o treści wy skalowanej na mniejsze skoki w zmianie poziomu popytu na moc, z jednoczesnym skróceniem czasu Ŝywotności tej informacji, co w metodach konwencjonalnych nie jest moŝliwe. Bezsensowne jest umieszczanie w prasie ogłoszenia, Ŝe z uwagi na akcję promocyjną przez najbliŝszą godzinę cena energii elektrycznej spadnie o 30 %", gdyŝ komunikat ten zostanie odebrany przez odbiorcę zbyt późno, gdy juŝ promocja nie obowiązuje. Informacja elektroniczna moŝe zawierać w swej strukturze dane o czasie jej Ŝywotności, i dotrzeć do konsumenta szybciej (niemal natychmiast), zaś po upływie tego czasu dezaktywować się. To czy konsument w tym czasie skorzysta z tej informacji i załączy dodatkowy odbiornik (np. planowane juŝ wcześniej pranie) to juŝ zaleŝy od jego woli, lub nastaw automatu (komputera) zaprogramowanego zgodnie z wolą konsumenta. Algorytmy sterowania duŝą rozproszoną grupą konsumentów pozwalają na wypracowanie zmiany popytu na energię elektryczną zbieŝnie z intencją dystrybutora energii - w duŝej grupie odbiorców, znajdzie się część, która zachowa się w sposób zbieŝny. Tym samym dystrybutor otrzymuje narzędzie sterowania" popytem na energię elektryczną. RozwaŜając poniŝszy przykład naleŝy oczekiwać, Ŝe krzywa popytu, z zachowaniem dobra odbiorcy (art. 9c Ust. 2. Prawo energetyczne [17]), moŝe być dostrajana do krzywej prognozowanej, w granicach bezpiecznego marginesu zmian. 4. HIERARCHICZNA STRUKTURA SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ Do celów weryfikacji przydatności wiedzy o zachowaniu się węzłów podległych, na komunikat sterujący wysłany drogą elektroniczną zamodelowano poniŝszą hierarchię opisującą hipotetyczny podział na dzielnice jednego z miast polskich. Do badań wykorzystano informacje o rzeczywistym zuŝyciu energii przez odbiorców, oraz dane prognozowane prze spółkę dystrybucyjną. Badania przeprowadzono na jednodniowym horyzoncie czasowym. Przedstawiony podział regionu na poszczególne dzielnice: północną, południową wschodnią zachodnią i centralną jest czysto hipotetyczny i ma na celu jedynie zobrazowanie sposobu podejmowania decyzji na poziomie wybranego węzła systemu hierarchicznego, na podstawie wiedzy zebranej o węzłach podległych. W badaniach autor dysponuje jedynie informacją zagregowaną na poziomie węzła reprezentującego spółkę total. Na wynik ten składa się suma zuŝycia energii elektrycznej we wszystkich węzłach podległych. Z uwagi na brak dostępu do rzeczywistej struktury węzłów podległych przyjmuje się losowy podział zuŝycia na hipotetyczne węzły podległe (dzielnice). Wprowadzone uproszczenie modelu nie dyskwalifikuje algorytmów przygotowanych do wsparcia podejmowania decyzji o wysyłaniu komunikatów sterujących, algorytmów częściowej automatyzacji procesu wygładzania krzywej popytu na energię elektryczną.

4 Zarówno w prezentowanym tu modelu teoretycznym jak i w rzeczywistym systemie elektroenergetycznym, wybrany węzeł rozwiązuje problem za pomocą wiedzy o podległych mu węzłach. Wprowadza się pojęcie zwrotu, przez zwrot rozumiana jest ilość energii moŝliwa do wysterowania w wyniku otrzymania przez odbiorcę komunikatu elektronicznego. Zastosowanie się odbiorcy do treści komunikatu i zaoszczędzona lub dodatkowo zuŝyta (w zaleŝności od treści wiadomości sterującej) energia ponad tę, którą odbiorca konsumuje w sytuacji bez sterowania jest wielkością zwrotu. Zwrot wyznaczamy ze wzoru gdzie: P u - moc zuŝywana przez odbiorców, P(edi) -moc zuŝywana przez odbiorców po otrzymaniu komunikatu EDI. Niedeterministyczność zachowania się odbiorcy końcowego pozwala na jeszcze jedno uproszczenie wprowadzone w tym modelu. Mianowicie, to czy dane urządzenie w danej chwili będzie podatne na sterowanie komunikatem elektronicznym, zaleŝy od stanu, w jakim się znajduje (nie moŝna wyłączyć urządzenia juŝ wyłączonego) oraz od woli odbiorcy (wcale nie musi dostosować się do treści komunikatu). Zatem przyjmuje się na obecnym etapie badań, Ŝe zwrot jest tu funkcją losową i na potrzeby weryfikacji algorytmów sterujących, w sposób losowy wyznaczana jest suma zwrotu na poziomie wybranych dzielnic. Przykładowe zestawienie generowanych wielkości przedstawione zostało w tabeli 1.

5 5. AUTOMATYZACJA PROCESU WYGŁADZANIA KRZYWEJ POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNA Jako funkcję celu przyjęto minimalizację pola wykreślonego przez róŝnicę krzywych prognozowanego zuŝycia energii elektrycznej P pr i zuŝycia rzeczywistego P u. MoŜna ją opisać wzorem Minimalizację pola wykreślonego przez krzywe prognozy P pr i zuŝycia P u uzyskuje się poprzez wysłanie komunikatu EDI do wybranych węzłów podległych (wybranych dzielnic). NaleŜy jednak tak dobrać dzielnice, aby suma zwrotów moŝliwie jak najpełniej zniwelowała wartość błędu prognozy. Zrozumiałe jest, Ŝe wysłanie komunikatu do wszystkich odbiorców (wszystkich węzłów podległych) moŝe w przypadku zastosowania się wszystkich zgodnie z treścią komunikatu, dać w efekcie zwrot przekraczający wartość błędu prognozy. Dojdzie do przesterowania, którego efektem moŝe być nawet zwielokrotnienie strat przekraczających straty błędu prognozy (tabela 1). Z uwagi na niepewność zachowania się odbiorców, a tym samym rozbieŝność pomiędzy wartością oczekiwaną zwrotu a zwrotem uzyskanym z węzła wskazane jest etapowe podejście do problemu sterowania węzłami. Oznacza to, Ŝe w chwili t 0, w której węzeł nadrzędny rozpoczyna rozwiązywanie problemu (odnotowuje błąd prognozy i rozpoczyna jego niwelowanie), nie jest wskazane, aby jednym komunikatem EDI potraktować wszystkie węzły podrzędne. Węzeł nadrzędny winien, w oparciu o wiedzę o węzłach podrzędnych: wartościach poboru mocy P ui (t 0 ) przez poszczególne węzły, oraz wartości dostępnych zwrotów w węzłach p zwrot i(t 0 ), dokonać sterowania wybranego węzła i, następnie sprawdzić jak zmienia się wartość funkcji celu S, następnie wybrać kolejny węzeł do wysterowania oraz sprawdzić zmianę wartość funkcji celu S. Przy czym wybór poszczególnych węzłów powinien przebiegać tak aby uzyskany zwrot total, równy sumie zwrotów z wysterowanych węzłów, moŝliwie optymalnie niwelował wartość błędu prognozy w węźle nadrzędnym.

6 Zatem problem sterowania zuŝyciem energii elektrycznej w wybranym węźle systemu hierarchicznego sprowadza się do wyboru optymalnej grupy odbiorców podległych temu węzłowi, celem uzyskania z ich wysterowania minimalnego błędu prognozy. Jest to problem decyzyjny (wybór optymalnego rozwiązania z grupy moŝliwych rozwiązań), którego rozwiązanie, dzięki etapowemu podejściu w sekwencyjnym sterowaniu węzłami podległymi, moŝe być wsparte przez metody programowania dynamicznego [9]. W publikacji [6] została przedstawiona próba rozwiązania problemu minimalizacji błędu prognozy dla wybranej godziny z dziennego przebiegu krzywej prognozy popytu i zuŝycia energii elektrycznej. Na rys. 2 i 3 przedstawiono wyniki z testowania algorytmu dla pełnego horyzontu czasowego i danych otrzymanych od przedsiębiorstwa. Sterowanie podejmowane przez algorytm zmierza do minimalizacji pola kreślonego przez krzywe P pr i P u Z wykresu przedstawionego na rys.3 wynika, Ŝe algorytm podejmuje właściwe sterowanie oraz, Ŝe uzyskiwana przez niego wartość pola jest mniejsza od wartości pola uzyskanego z danych historycznych. Ten proces dąŝenia krzywej zuŝycia energii sterowanej przez komunikaty EDI do krzywej prognozowanej nazwany został przez autora procesem wygładzania krzywej popytu. 6. PODSUMOWANIE Zaprezentowane w artykule zagadnienia traktują o moŝliwości sterowania zuŝyciem energii elektrycznej w strukturze systemu hierarchicznego, z wykorzystaniem do tego celu sprzęŝenia zwrotnego, jakie moŝliwe jest do zaimplementowania poprzez opracowanie komunikatów elektronicznych i przesyłanie ich do odbiorców energii (węzłów podrzędnych) a następnie odczyt zmian zachowania się urządzeń po stronie odbiorcy przez system dystrybutora (węzeł nadrzędny). Wykazano moŝliwość opracowania algorytmów wspomagających proces sterowania z wykorzystaniem wiedzy o zachowaniu się węzłów podrzędnych. Przedstawiono równieŝ wynik (rys. 3) uzyskany przez przykładowy algorytm [6] sterowania w systemie hierarchicznym [5]. Do opracowania pozostaje najtrudniejsza kwestia, mianowicie opracowanie i implementacja metod komunikacji elektronicznej z węzłami biorącymi udział w sterowaniu. To zagadnienie jest jednak przedmiotem dalszych badań autora. NaleŜy równieŝ zastanowić się nad urządzeniami wykonawczymi, czyli inteligentnymi urządzeniami odbiorczymi, które będą w stanie zareagować na komunikat otrzymany drogą elektroniczną. To zagadnienie jednak w dobie tak dynamicznie rozwijającego się przemysłu elektronicznego (inteligentne domy, lodówki komunikujące się przez Internet, itp.) autor uznaje za rozwiązywalne.

7

8 LITERATURA [1] Arabas J., Adamowicz L.: Prognozowanie zapotrzebowania a rynek energii, [2] Bober D., Łagód G., Suchorab Z.: Using New Technologies of Computing in Sustainable Development. In: Environmental Engineering Studies, Polish Research on the Way to the EU, Plenum/Kluwer, N.York, [3] Bober D., Muryjas P.: Aspects of XML Technology in ebusiness Transactions. 4th International Conference of PHD Students, Engineering Sciences I, University of Miskolc, Hungary [4] Bober D., Muryjas P.: The Security of Electronic Data Exchange in XML Technology. 3rd International Conference of Computing Technologies in Economy, Science and Education, Svitaz, Ukraine, [5] Bober D.: Conceptual Model of Informatic System of Control for the Electrical Industry. International Workshop Control and Information Technology, Ostrava, Czech Republic, [6] Bober D.: Programowe wspomaganie podejmowania decyzji w systemach hierarchicznych. Varia Informatica - algorytmy i programy. PTI, Lublin [7] Bober D.: Projekt podsystemu informatycznego w zabezpieczeniach systemów energetycznych, Współczesne technologie informatyczne, inŝynieria oprogramowania, systemy baz danych. Mikom, Warszawa, 2005.

9 [8] Bober D.: XML In Business Tasks Realisation. Annales Informatica UMCS, Lublin, [9] Chiang C: Elementy dynamicznej optymalizacji. Elipsa, Warszawa [10] Elektroniczna faktura, [11] Gawin R.: Opomiarowanie odbiorców a liberalizacja rynku energii elektrycznej. Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki nr 6, Warszawa, [12] Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym. WTN, Warszawa [13] [14] Muryjas P., Bober D.: ebxdi - technologia EDI za rozsądne pieniądze. WdraŜanie i eksploatacja systemów informatycznych, PTI, Lublin, [15] Popko A., Popko E., Lennik K.: Teleinformatyczny system informacji zintegrowanej. Rynek Energii nr 5, [16] Prawo energetyczne, Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. z późniejszymi zmianami. Stan prawny na 13 stycznia 2006 r. [17] Prawo energetyczne, ftp://cire.pl/pliki/prawo/pe_stan_na_ pdf. [18] Sroczan E.: Integracja urządzeń pomiarowych i bazy danych w systemie zarządzania energią. Rynek Energii 2005, nr 1. [19] Topolski J., Begier P.: Poszukiwanie nowych rozwiązań modelu ryku energii elektrycznej. Wokół Energetyki, vol. 8, Termedia, THE INFLUENCE OF BIDIRECTIONAL DATA INTERCHANGE ON THE CURVE OF ELECTRIC ENERGY DEMAND SMOOTHING Key words: electronic data interchange, electric energy market, interoperability of XML Summary. There are a few reasons for research in the presented field of implementation of interoperability for end-users of electro-industry system area. The first one is predicted in connection with the necessity of real energy consumption account. In [8], it is stated one-hour to less than a quarter energy consumption metering, and in conseąuence, there is necessity of implementing technical solution for electronic data collecting from each household installed measure units. The second one is created by the energy market itself, because we can tell about equality of access to the market if each of its participants has access to the information about its condition too. The information flow is the clue for the market success. The interoperability of XML technology allows to implement some methods of multidimensional and dispersive hierarchical energy consumption control. An example of results presented on image 3 gives positive answer for ąuestions about sense of research being taken by author. Dariusz Bober, mgr inŝ. doktorant w Instytucie Informatyki Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 38A, Lublin. E mail: dariusz.bober@lubella.pl