WYKORZYSTANIE OPISU ZMIENNOŚCI OBCIĄŻENIA W MODELOWANIU BILANSU ENERGII DLA SEKCJI WYTWARZANIE I ZAOPATRYWANIE W ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ

Transkrypt

1 WYKORZYSTNIE OPISU ZMIENNOŚCI OBCIĄŻENI W MODELOWNIU BILNSU ENERGII DL SEKCJI WYTWRZNIE I ZOPTRYWNIE W ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ utozy: Mateusz Szydłowski, Janusz Sowiński ("Rynek Enegii" luty 2017) Słowa kluczowe: enegia elektyczna, bilans enegii, zmienność obciążeń Steszczenie. W sekcji bilansu enegii Wytwazanie i zaopatywanie w enegię elektyczną wielkościami wyjściowymi są enegia elektyczna i dodatkowo ciepło podukowane w elektowniach i elektociepłowniach, natomiast wielkościami wejściowymi nośniki enegii piewotnej i pochodnej. W onich latach, obok tadycyjnych nośników enegii piewotnej w postaci węgla kamiennego enegetycznego i bunatnego oaz gazu ziemnego, w bilansie pojawiły się nowe nośniki (głównie związane z OZE) takie jak: enegia wiatu, biogaz, paliwa odpadowe stałe oślinne i zwiezęce oaz odpady pzemysłowe i komunalne. W modelowaniu zużycie nośników w powyższej pzemianie, taktowanych jako zmienne endogeniczne, celowe jest wykozystanie podukcji enegii elektycznej jako zmiennej egzogenicznej. Zmienną egzogeniczną można wpowadzić w postaci scenaiusza, ale ównież można podać ją jako wynik pognozy szeegu chonologicznego. Nowoczesne metody pognostyczne (sieci neuonowe, logika ozmyta) potzebują szeegów chonologicznych o dużej liczności póbki. W atykule zostanie pzedstawiony sposób wykozystania opisu zmienności obciążenia w systemie elektoenegetycznym w pzygotowaniu powyższej zmiennej. Zapoponowana metodyka umożliwia pognozę w intewałach miesięcznych. 1. WSTĘP Dostępne publikacje GUS [5] zawieają ystyki o zużyciu paliw i nośników enegii w zakesie wytwazania i zaopatywania w enegię elektyczną w latach Powyższa baza danych umożliwia wykonanie pognozy zużycia podstawowych nośników enegii w zakesie podukcji enegii elektycznej, a na tej podstawie analizę mixu enegetycznego. Nowoczesne metody pognostyczne (sztuczne sieci neuonowe, algoytmy ewolucyjne, logika ozmyta) wymagają licznych zbioów, zazwyczaj, aby pzepowadzić poces uczenia, a następnie weyfikowania pzyjętego modelu. W celu multiplikacji póbki ystycznej w atykule zapoponowano wykozystanie opisu zmienności obciążeń w systemie elektoenegetycznym, a konketniej zmienności śedniej miesięcznej pacy dobowej. Podejście takie zachowuje popawność danych, nie zabuzając watości infomacyjnych pocesu. Zaletą podejścia jest niewątpliwie ozbudowa danych i możliwość analizowania ównież wielkości miesięcznego zużycia enegii elektycznej, zachowując popawność jej bilansowania ocznego.

2 2. DNE STTYSTYCZNE Dane ystyczne w publikacji [5] w zakesie wytwazania i zaopatywania w enegię elektyczną pzygotowane są pzez Główny Uząd Statystyczny, Depatament Enegetyki Ministestwa Enegii oaz gencję Rynku Enegii S.. Twozą one bazę danych o zużyciu nośników enegii wykozystywanych w zakesie powyższej sekcji na pzestzeni lat Każdemu z nośników enegii pzypoządkowane są dane pzedstawiające zużycie globalne lub saldo wymiany, uzysk z pzemian lub odzysk, zużycie na wsad pzemian oaz zużycie bezpośednie. Baza danych obejmuje paliwa i nośniki zagegowane w dwóch gupach: nośniki enegii piewotnej (węgiel kamienny enegetyczny i koksowy, węgiel bunatny, gaz ziemny wysokometanowy, gaz ziemny zaazotowany, tof i dewno, enegia wody i wiatu, biogaz, paliwa odpadowe stałe oślinne i zwiezęce, odpady pzemysłowe stałe i ciekłe, odpady komunalne, paliwa ciekłe z biomasy) oaz nośniki enegii pochodnej (koks i półkoks, gaz ciekły, benzyny silnikowe, olej napędowy I, oleje napędowe pozostałe, lekki olej opałowy, ciężki olej opałowy, półpodukty z pzeobu opy naftowej, podukty nieenegetyczne, gaz koksowniczy, gaz wielkopiecowy, enegia elektyczna, ciepło). Pzykładowe dane ystyczne dla jednego nośnika (enegii elektycznej) pzedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Enegia elektyczna w latach w sekcji Wytwazanie i zaopatywanie w enegią elektyczną [5] Enegia elektyczna w [TJ] Rok Zużycie globalne lub saldo wymiany Uzysk z pzemian lub odzysk Zużycie na wsad pzemian Zużycie bezpośednie

3 3. OPIS PRZEBIEGU ZMIENNOŚCI ŚREDNIEJ MIESIĘCZNEJ PRCY DOBOWEJ Główną pzyczyną zjawiska zwanego zmiennością obciążenia jest ytm życia ludności, zależny od pó oku, tadycji i zwyczajów oaz chaakteu wykonywanej pacy kształtującej ytm dnia oboczego i świątecznego, uwydatniające się w opisie zmienności dobowej. Na obciążenie systemu wpływają zaówno czynniki niepzypadkowe, jak i losowe. Głównymi czynnikami niepzypadkowymi są: położenie geogaficzne ozpatywanego obszau i związane z nim klimat, zmiany kąta padania pomieni słonecznych, zmiany momentów wschodu i zachodu słońca oaz cechy systemu elektoenegetycznego, takie jak stuktua odbioów, dynamika ozwoju gospodaczego, ustawowa długość dnia pacy oaz system zmian oboczych obowiązujący w danym kaju [3, 6]. Do czynników losowych zaliczyć można zmiany tempeatuy, opady, zachmuzenie, pędkość wiatu, awaie uządzeń odbioczych, zmiany stuktuy odbioów itp. Śedni oczny stopień obciążenia m to podstawowy wskaźnik ocznej zmienności obciążeń: P m = gdzie: - paca oczna, P s - oczne obciążenie śednie, P - oczne obciążenie szczytowe, T - czas twania oku (8760 h). T s - czas użytkowania mocy szczytowej. T s s (1) P T P T W pacach [3, 6] wykazano, że szeeg wielkości chaakteyzujących oczną zmienność obciążeń można apoksymować pzebiegami cosinusoidalnymi w pzypadku zmienności ycznej (ozumianej jako zmienność oczyszczoną z pzyostów ocznych). Dynamiczne funkcje obciążenia systemu uwzględniają pzyosty oczne. Odbioców, dla któych występują zaówno zmiany ilościowe, jak i stuktualne, chaakteyzują pzyosty pacy i obciążenia, zdefiniowane następująco: - względny oczny pzyost enegii: - względny oczny pzyost mocy: 1 (2) 1 P S 1 (3) P 1

4 gdzie:, -1 paca oczna odpowiednio w oku i -1, P, P -1 szczytowe obciążenie w oku i -1. Uwzględniając ównania (2) i (3) okeślono, np. w [4, 7], związki pomiędzy wielkościami ycznymi i dynamicznymi: - oczną enegię yczną: - oczny szczyt yczny: P 1 0, 54 P 2 1 S - yczną śednią pacę dobową i-tego miesiąca: d s i d s i i 1 12 (6) (4) (5) Miaą zmienności watości dynamicznych śednich miesięcznych pac dobowych jest iloaz ich watości minimalnej i maksymalnej: ' d s7 = (7) d s 12 śedni oczny stopień obciążenia można ogólnie wyazić ównaniem m ' f ( ) (8) 0,73 m 0,72 0,71 0,7 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 ' 0,64 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 Rys. 1. Zależność śedniego ocznego stopnia obciążenia w funkcji stopnia zmienności śedniej miesięcznej pacy dobowej [6]

5 Ze zbiou zbadanych kzywych egesji wybano w zależność logaytmiczną o współczynniku deteminacji R 2 =0,7543 i śednim błędzie dopasowania MPE=1,19% [6]. Uzyskano zależność postaci Watość yczna m ' 0, 243 ln( ) 0, 767 (9) ' = d s 7 d s 12 ' (10) Zależność śedniego ocznego ycznego stopnia obciążenia w funkcji ycznego stopnia zmienności śedniej miesięcznej pacy dobowej można wyazić ównaniem m ' f ( ) (11) 0,72 m 0,71 0,7 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 ' 0,63 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 Rys. 2. Zależność śedniego ocznego ycznego stopnia obciążenia w funkcji ycznego stopnia zmienności śedniej miesięcznej pacy dobowej [6] Ze zbiou zbadanych kzywych egesji wybano w zależność liniową o współczynniku deteminacji R 2 =0,8114 i śednim błędzie dopasowania MPE=1,04% [6]. Uzyskano zależność postaci m ' 0, 3193( ) 0, 4427 (12) Model zmienności śednich miesięcznych pac dobowych pzyjęto w postaci W modelu pzyjęto i 2 d si 1 b a cos2i 1 (13) b (14) , 54

6 Oznaczając cos i cos i 1,i 1, 2,..., 12 oaz pzyjmując uposzczoną definicję stopnia ównomieności śednich miesięcznych pac dobowych to oszacowanie współczynnika a wynosi (15) ' d s 7 b a cos7 = (16) d s 12 b a cos12 a b 1 ' cos ' 12 cos 7 (17) Bioąc pod uwagę (12) oaz (4) i (5) watość stopnia ównomieności można wyznaczyć z zależności ' we wzoze (17) lub ' ' 0, 4427 (18) 0, 3193 m 1 S 2 m 0, , 54 0, 3193 (19) W fomule (19) jedyną niewiadomą jest śedni oczny stopień obciążenia m, któego histoyczne watości dla systemu elektoenegetycznego są podstawowymi danymi ystycznymi (Tabela 2). Tabela 2. Maksymalne zapotzebowanie mocy i śedni oczny stopień obciążenia w KSE (opacowanie na podstawie [1]) Lata Maksymalne zapotzebowanie MW mocy Śedni oczny stopień obciążenia - 0,729 0,732 0,719 0,709 0,675 0,671 0,671 0,715 0,679 0,716 0,670 0,707

7 4. NLIZ WYNIKÓW Wykozystując dane ystyczne dotyczące Uzysku enegii elektycznej z pzemian lub odzysk wyznaczono śednie miesięczne pace dobowe, a na ich podstawie miesięczne watości uzysku enegii elektycznej. Na ys. 3 i 4 pzedstawiono pzykładowe ezultaty dla śednich miesięcznych pac dobowych w dwóch wybanych latach 2005 i 2014, a na ys. 5 i 6, dla tych samych lat, miesięczne watości uzysku enegii elektycznej i poównano je z danymi ystycznymi podukcji ogółem enegii elektycznej (dane ystyczne zamieszczone w [1]). W oku 2005 zanotowano wzost zaówno maksymalnego zapotzebowania mocy, jak i uzysku z pzemian, natomiast w oku 2014 wzosło maksymalne zapotzebowanie mocy, ale obniżył się uzysk z pzemian. GWh 440,0 420,0 400,0 380,0 360,0 340,0 320,0 300, Miesiąc Statyczny Dynamiczny Rys.3. Watości yczne i dynamiczne śednich miesięcznych pac dobowych w oku 2005 GWh 480,0 460,0 440,0 420,0 400,0 380,0 360,0 340,0 320,0 300, Miesiąc Statyczny Dynamiczny Rys.4. Watości yczne i dynamiczne śednich miesięcznych pac dobowych w oku 2014

8 GWh Uzysk z pzemian (oszacowanie z modelu) Miesiąc Podukcja ogółem (dane ystyczne) Rys.5. Miesięczne watości uzysku enegii elektycznej i podukcji ogółem enegii elektycznej w oku GWh Uzysk z pzemian (oszacowanie z modelu) Miesiąc Podukcja ogółem (dane ystyczne) Rys.6. Miesięczne watości uzysku enegii elektycznej i podukcji ogółem enegii elektycznej w oku 2014 Uzyskano dużą dokładność metody wyznaczania miesięcznej śedniej pacy dobowej, bo wykozystanie tych wielkości do okeślenia ocznego uzysku enegii elektycznej daje śedni błąd MPE ówny 0,038%. 7. PODSUMOWNIE Opis zmienności obciążeń w systemie elektoenegetycznym jest zagadnieniem podejmowanym w licznych publikacjach, np. w [2,4,7]. Guntowne badania, któych wynikiem była aktualizacja chaakteystyk i zależności dla KSE, opisano w [3, 6]. Obecnie możliwości związane z pozyskiwaniem danych diametalnie się zmieniły dzięki ealizacji pomiaów wielu zmiennych w czasie zeczywistym, możliwościom ich pzechowywania w ozbudowanych bazach danych i łatwego dostępu w celach ealizacji analiz ystycznych. Mimo postępu w tym zakesie wiele syntetycznych wskaźników ułatwia dokonywanie ocen i pzekojowych analiz. Natomiast w sytuacjach oganiczonych możliwości pozyskania niektóych danych, bazując na aktualnych chaakteystykach, możliwe jest odtwozenie oszacowania ich watości. naliza Rys. 3 i 4 wskazuje na wykozystanie sezonowości podukcji, a zaazem zużycia enegii elektycznej w oszacowaniu śednich miesięcznych pac dobowych. Iloczyn liczby dni

9 w miesiącu i śedniej miesięcznej pacy doby daje oszacowanie miesięcznej watości uzysku enegii elektycznej z pzemiany Wytwazanie i zaopatywanie w enegię elektyczną. Poównanie miesięcznych watości uzysku enegii elektycznej i podukcji ogółem enegii elektycznej (Rys. 5 i 6) pozwala zaobsewować pewne pawidłowości w pzebiegach skoelowanych ze sobą wielkości. Badzo mała watość błędu MPE w bilansowaniu ocznego uzysku enegii elektycznej na podstawie watości miesięcznych potwiedza pawidłowość zapoponowanej metody ozbudowy póbek danych ystycznych. LITERTUR [1] RE S, Statystyka elektoenegetyki polskiej, , Waszawa [2] Bieliński W.: Stuktua amplitudowo-fazowa pofili obciążenia systemów elektoenegetycznych wybanych kajów, Rynek Enegii, 2009, II (IV), [3] Dobzańska I., Dąsal K., Łyp J., Popławski T., Sowiński J.: Pognozowanie w elektoenegetyce. Zagadnienia wybane. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa [4] Góa S., Kopecki K., Maecki J., Pochyluk R.: Zbió zadań z gospodaki elektoenegetycznej, PWN, Waszawa, 1976 [5] GUS, Gospodaka Paliwowo-Enegetyczna, , Waszawa [6] Popławski T. (ed), Dąsal K, Łyp J., Sowiński J.: Wybane zagadnienia pognozowania długoteminowego w systemach elektoenegetycznych, Wydawnictwo PCz, Częstochowa, 2011 [7] Paca zbioowa, naliza i pognoza obciążeń elektoenegetycznych, WNT Waszawa, 1971 USE OF LOD VOLTILITY DESCRIPTION IN MODELLING OF ENERGY BLNCE IN THE SECTION ELECTRICITY SUPPLY Key wods: electicity, enegy balance, load volatility Summay. Electicity and also heat poduced in powe plants and CHP plants ae the output quantities in the balance section called "electicity supply", while the input quantities ae pimay and seconday enegy caies. In ecent yeas, thee ae newe enegy caies in the enegy balance (mostly elated to RES) such as wind enegy, biogas, solid vegetable and animal waste fuels, and industial and municipal wastes, in addition to conventional pimay enegy caies such as had coal, lignite and natual gas. In modelling the consumption of enegy caies, teated as endogenous vaiables, it is advisable to use electicity geneation as exogenous vaiable. It is possible to use electicity geneation in the fom of the scenaio as well as the esult of the timeseies foecast. numbe of moden foecasting methods (neual netwoks, fuzzy logic) needs a timeseies of a lage sample size. This aticle will explain how to use the desciption of load volatility in the powe system in the pepaation of the above vaiable. The poposed methodology povides the estimates in the monthly intevals. Mateusz Szydłowski, mg inż., student studiów doktoanckich na Wydziale Elektycznym Politechniki Częstochowskiej. mati16@poczta.onet.pl Janusz Sowiński, d hab. inż., pof. nadzw. Politechniki Częstochowskiej i UTP w Bydgoszczy. jansow@el.pcz.czest.pl