WYSTARCZALNOŚĆ GENERACJI W LOKALNYCH SYSTEMACH DYSTRYBUCYJNYCH

POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 94 Electrcal Engneerng 2018 Agneszka MAĆKOWIAK * DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.94.0002 WYSTARCZALNOŚĆ GENERACJI W LOKALNYCH SYSTEMACH DYSTRYBUCYJNYCH Coraz wększa ntegracja źródeł rozproszonych w sec elektroenergetycznej powoduje koneczność uwzględnena wystarczalnośc generacj na danym obszarze. Zagadnene to jest bardzo stotne ze względu na rosnącą lczbę klastrów energ w Polsce. Artykuł ten formułuje problem wystarczalnośc generacj przy pomocy wskaźnków nezawodnoścowych, takch jak LOLP lub EENS. Wskaźnk te określają prawdopodobeństwo nepokryca zapotrzebowana oraz oczekwaną welkość nedostarczonej energ zostały szczegółowo opsane w tym artykule. W celu analzy wystarczalnośc generacj, przykładowy lokalny system elektroenergetyczny, zawerający generację rozproszoną został zamodelowany w programe DIgSILENT PowerFactory. Wystarczalność generacj wyznaczona została za pomocą symulacyjnej metody Monte Carlo. Artykuł przedstawa wpływ generacj rozproszonej na wystarczalność generacj nezawodność całego badanego systemu elektroenergetycznego w zależnośc od stopna wykorzystana źródeł rozproszonych. SŁOWA KLUCZOWE: wystarczalność generacj, nezawodność, generacja rozproszona, klastry energ. 1. WPROWADZENIE Rosnąca lczba klastrów energ zwązanych z nm odnawalnych źródeł energ powoduje koneczność rozpatrywana systemu elektroenergetycznego w bardzej rozproszony sposób, borąc pod uwagę lokalnych odborców wytwórców energ, a odchodząc od całoścowego, systemowego ujęca sec elektroenergetycznej. Idea powstawana klastrów energ ma lczne zalety, take jak kształtowane energetyk obywatelskej zwększane śwadomośc odborców w zakrese wytwarzana dostaw energ. Jednak dla operatorów systemów dystrybucyjnych, zwększająca sę lczba źródeł rozproszonych o małej mocy stanow zagrożene stablnej pracy sec elektroenergetycznej, a jednocześne bezpeczeństwa energetycznego, poneważ operatorzy ne są w stane przewdzeć lośc energ wytworzonej w źródłach odnawalnych o stochastycznym charakterze generacj. Sytuacja taka powoduje koneczność rozpatrywana bezpeczeństwa energetycz- * Poltechnka Poznańska

18 Agneszka Maćkowak nego, w tym nezawodnośc dostaw energ na szczeblu lokalnym. Ważnym elementem nezawodnośc jest wystarczalność generacj, która dotychczas rozpatrywana była tylko na pozome krajowym, obejmując jedyne elektrowne systemowe. W artykule zaproponowano możlwość oceny wystarczalnośc generacj na pozome lokalnych systemów dystrybucyjnych, obejmujących rozproszone źródła energ, o charakterze zblżonym do klastrów energ. 2. WYSTARCZALNOŚĆ GENERACJI Wystarczalność generacj jest kluczowym elementem nezawodnośc systemów elektroenergetycznych. Nezawodność określana jest jako zdolność systemu elektroenergetycznego do zapewnana zaslana odborców energą o odpowednej jakośc [7]. Wystarczalność natomast określa sę jako zdolność systemu do pokrywana zapotrzebowana na energę moc u odborców w określonym przedzale czasu, dla stanów ustalonych systemu elektroenergetycznego [7]. Nezawodność systemu elektroenergetycznego tradycyjne ocena sę dla trzech pozomów herarch, przedstawonych w tabel 1. Tabela 1. Herarcha oceny nezawodnośc systemu elektroenergetycznego [7]. Pozom herarchczny Pozom perwszy HL I Pozom drug HL II Pozom trzec HL III Obekty Źródła wytwórcze główne elektrowne systemowe Sec przesyłowe Sec dystrybucyjne Stosowana metoda oceny Ocena wystarczalnośc generacj zdolnośc elektrown do pokrywana zapotrzebowana Ocena nezawodnośc wytwarzana dostaw do poszczególnych węzłów sec przesyłowej Ocena nezawodnośc wytwarzana dostaw do odborców Ocena wystarczalnośc systemu, bazująca na modelach generacj oraz obcążena, przedstawa prawdopodobeństwo, że wartość mocy generowanej będze mnejsza nż wartość mocy obcążena, co zostało schematyczne przedstawone na rysunku 1. Przeprowadzene analzy wystarczalnośc wymaga przypsana każdemu generatorow w systeme pewnej lczby probablstycznych stanów, które określają prawdopodobeństwo ch pracy z poszczególnym mocam. Koneczne jest równeż przypsane profl obcążeń wszystkm odborcom, które będą określały obcążene całego systemu.

Wystarczalność generacj w lokalnych systemach dystrybucyjnych 19 Rys. 1. Schemat oceny wystarczalnośc generacj [1] Na podstawe określonego prawdopodobeństwa wyznaczane są wskaźnk wystarczalnośc, z których najczęścej stosowane są następujące [7]: LOLP (ang. Loss of Load Probablty) prawdopodobeństwo nepokryca zapotrzebowana, LOLE (ang. Loss of Load Expectaton) oczekwany czas nepokryca zapotrzebowana, EENS (ang. Expected Energy Not Suppled) oczekwana energa nedostarczona. Wskaźnk LOLP określa bezpośredno prawdopodobeństwa zastnena sytuacj, w której zapotrzebowane przekroczy zdolność wytwórczą systemu defnowany jest według wzoru [1, 6, 7]: LOLP p ( G L 0) (1) gdze: p prawdopodobeństwo, G zdolność wytwórcza, L obcążene, rozpatrywany stan systemu. Wskaźnk ten określa jedyne prawdopodobeństwo wystąpena nedoboru, ne określa natomast welkośc defcytu mocy. Bardzej adekwatnym do oceny wystarczalnośc jest wskaźnk LOLE, który przedstawa lczbę dn lub godzn w roku, w których wystąp defcyt mocy wytwórczych defnowany jest następująco [7]: LOLE t p ( Pd ) (2) gdze: t czas, w którym obcążene jest wększe nż moc dyspozycyjna w stane, p (P d ) prawdopodobeństwo ubytku mocy w systeme. Najbardzej kompleksowym jest wskaźnk EENS, który przedstawa przewdywaną lość energ, która ne zostane dostarczona do odborców w danym okrese czasu. EENS, tak jak wskaźnk LOLE przedstawa prawdopodobeństwo

20 Agneszka Maćkowak wystąpena nedoboru, ale równeż welkość defcytów mocy. Wskaźnk ten defnowany jest następująco [7]: EENS A p ( P ) (3) gdze: ΔA lość nedostarczonej energ, p (P d ) prawdopodobeństwo ubytku mocy w systeme. 3. KONCEPCJA WPROWADZENIA KLASTRÓW ENERGII W POLSCE Przykładowym systemam lokalnym mogą być klastry energ. Klaster energ stanowć ma porozumene dotyczące wytwarzana równoważena zapotrzebowana, dystrybucj lub obrotu energą z odnawalnych źródeł energ lub z nnych źródeł lub palw, w ramach sec dystrybucyjnej o napęcu znamonowym nższym nż 110 kv, na obszarze dzałana tego klastra neprzekraczającym granc jednego powatu lub 5 gmn [5]. Powstawane klastrów energ ma na celu tworzyć w Polsce energetykę obywatelską, poprzez umożlwane poszczególnym odborcom wyboru sposobu wytwarzana dostawy energ elektrycznej, ale równeż pownno zmnejszyć koszty energ zwązane z dystrybucją. Teoretyczne jest to możlwe poprzez zmnejszene dystansu, na który przesyłana jest energa, a jednocześne zmnejszene strat energ podczas przesyłu dystrybucj. Dystrybucja energ elektrycznej na terene klastra może odbywać sę w oparcu o współpracę z operatorem stnejącej sec dystrybucyjnej, w oparcu o własną nfrastrukturę dystrybucyjną lub w połączenu powyższych możlwośc. Klastry energ mogą być oparte na różnych źródłach rozproszonych, takch jak małe elektrowne wodne, bogazowne rolncze, elektrowne watrowe lub elektrowne fotowoltaczne. Przykładowe parametry klastrów przedstawonych w [5] zostały opsane w tabel 2. Przedstawone waranty zakładają, że odborcy energ w klastrze rozlczan są według taryfy G11, a średne roczne zapotrzebowane na energę wynos 1806 kwh/odborcę/rok. Zaproponowane rozwązana przedstawają zarówna źródła o stablnym, jak nestablnym charakterze pracy, a ch lokalzacja jest slne zależna od warunków geografcznych na danym obszarze. Przedstawone waranty klastrów energ stanową jedyne modele, które mogą być wykorzystywane przy analzach energetycznych oraz ekonomcznych. Modele te pownny zostać dostosowane do rzeczywstych fragmentów sec w celu analzy konkretnego przypadku. d

Wystarczalność generacj w lokalnych systemach dystrybucyjnych 21 Tabela 2. Parametry analzowanych warantów systemów dystrybucyjnych [5]. Warant Wytwórcy Łączna moc zanstalowana źródeł [kw] Lczba odborców I Elektrowne wodne (3 szt.) 820 1000 II Bogazowna rolncza 300 1000 III Elektrowna watrowa 1000 1000 IV Elektrowna fotowoltaczna 1000 1000 V Elektrowna fotowoltaczna (500 kw) + elektrowna watrowa 1500 1000 (1000 kw) VI Elektrowna fotowoltaczna (1000 kw) + elektrowna watrowa (1000 kw) + elektrowna bogazowa (600 kw) 2600 5000 4. OCENA WYSTARCZALNOŚCI GENERACJI DLA LOKALNYCH SYSTEMÓW DYSTRYBUCYJNYCH Ze względu na eskalację źródeł rozproszonych w Polsce tendencje do tworzena klastrów opartych na energ odnawalnej, które mogą w przyszłośc dążyć do częścowego lub nawet całkowtego samoblansowana, proponowana jest ocena wystarczalnośc generacj dla systemów lokalnych. W programe DIgSILENT PowerFactory zaprojektowana została przykładowa seć odwzorowująca wybrany model klastra energ. Analzowany model przedstawony został jako warant III w tabel 2 zakłada zanstalowane elektrown watrowej o mocy 1 MW. W badanym klastrze znajdować sę będze 1000 odborców w taryfe G11, charakteryzujących sę rocznym zużycem równym 1806 kwh/odborcę, zgodne z założenam przedstawonym powyżej. Analzowana seć została przedstawona na rysunku 2. Poszczególnym odborom analzowanej sec przypsana została lczba odborców oraz profl obcążena dla taryfy G11, zgodne ze standardowym proflem obcążena w tej taryfe jednego z polskch operatorów sec dystrybucyjnej [9]. Przy ocene wystarczalnośc zamplementowany został standardowy profl obcążeń dla całego roku 2017, natomast na rysunku 3. przedstawone zostały przykładowe przebeg obcążeń dla dwóch wybranych dn w roku dla całego systemu złożonego z 1000 odborców.

22 Agneszka Maćkowak Rys. 2. Seć analzowana pod kątem wystarczalnośc Rys. 3. Standardowy profl obcążeń taryfy G11 dla dwóch wybranych dn roku 2017

Wystarczalność generacj w lokalnych systemach dystrybucyjnych 23 Aby ocenć prawdopodobeństwo nepokryca zapotrzebowana na energę w rozpatrywanym systeme koneczne jest przedstawene stochastycznych model generacj. Seć zewnętrzna, przedstawająca połączene z operatorem systemu dystrybucyjnego, zamodelowana jest za pomocą generatora synchroncznego. Model stochastyczny generatora zakłada 3 stany pracy praca z pełną wydajnoścą (występująca z najwększym prawdopodobeństwem), praca z ogranczoną wydajnoścą oraz postój [11]. Charakter pracy zewnętrznej sec dystrybucyjnej jest analogczny do pracy zamodelowanego generatora. Zaprojektowany model odwzorowuje możlwe zakłócena w sec. W celu stworzena stochastycznego modelu generacj turbny watrowej wykorzystany został model trzech bloków zastępczych, opsany w [10]. Zamplementowane zostały średne wartośc prawdopodobeństwa pracy turbny z określoną wydajnoścą, które przedstawa tabela 3. Odpowedne zamodelowane elektrown watrowej umożlwa wykorzystane rozkładu Webulla jako stochastycznego modelu watru, opsanego szczegółowo w [4] a także krzywej mocy przykładowej turbny watrowej przedstawonej na rysunku 4 [3]. Tabela 3. Prawdopodobeństwo pracy turbny watrowej z określoną wydajnoścą [10]. Wydajność [%] Prawdopodobeństwo [%] 100,00 4,33 79,66 25,06 14,64 56,78 0,00 13,84 1,2 1 Moc [MW] 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 Prędkość watru [m/s] Rys. 4. Krzywa mocy turbny watrowej [3] Do oceny wystarczalnośc wykorzystana jest probablstyczna metoda Monte Carlo zamplementowana w programe DIgSILENT PowerFactory. W tym celu generowany jest losowy stan systemu, dla którego oblczana jest welkość ne-

24 Agneszka Maćkowak pokrytegoo zapotrzebowana DNS (ang. Demand Not Suppled). Oprogramowa- PRNG ne PowerFactory wykorzystuje pseudo-losowy generator lczb (ang. Pseudo Random Number Generator) do generowana stanów systemu elektro- Po energetycznego. Proces ten powtarzany jest dla określonej lczby teracj. zakończenu symulacj dla welu stanów losowych, oblczane są wskaźnk wy- Carlo starczalnośc, take jak LOLP oraz EENS. Zastosowane metody Monte pozwala wyznaczać wskaźnk wystarczalnośc w następujący sposób [2]: DNS P P (4) L N DNS LOLP 100 % (5) N DNS EENS (6) N gdze: DNS welkość nepokrytego zapotrzebowana, P L moc obcążena, P G moc wytwarzana, N DNS lczba teracj, dla których DNS > 0, N całkowmożna na ta lczba teracj. Wynk symulacj otrzymane z metody Monte Carlo przedstawć wykrese punktowym, przedstawającym stany systemu w poszczególnych tera- przed- cjach. Przykładowy wykres dla analzowanej sec dla 100 000 teracj, stawony został na rysunku 5. Zagęszczenee wynków w poszczególnych pa- wystą- smach wartośc mocy śwadczy o zwększonym prawdopodobeństwe pena stanu o danych parametrach. G Rys. 5. Wykres teracj metody Monte Carlo dla wartośc mocy generowanej poberanej, przy mocy dostarczanej z sec dystybucyjnej równej 1,50 MW Na podstawe pasm, w których poszczególne wartośc mocy występują w znacznym zagęszczenu możlwe jest wyznaczene prawdopodobeństwa wy-

Wystarczalność generacj w lokalnych systemach dystrybucyjnych 25 stąpena poszczególnych stanów systemu, zarówno dla mocy obcążena jak generacj. Wykres przedstawający prawdopodobeństwo wystąpena poszczególnych wartośc mocy dla obcążena jak generacj, przedstawony jest na rysunku 6. Punkt przecęca sę krzywej mocy generowanej poberanej w systeme wyznacza na wykrese wartość wskaźnka prawdopodobeństwa wystąpena defcytu mocy w rozpatrywanym systeme LOLP. Rys. 6. Prawdopodopeństwo otrzymana stanu systemu o danych wartoścach mocy generowanej poberanej, przy mocy dostarczanej z sec dystybucyjnej równej 1,25 MW Dla rozpatrywanego systemu elektroenergetycznego zbadano jak zmeną sę parametry wystarczalnośc dla różnych wartośc mocy dostarczanej z zewnętrznej sec dystrybucyjnej. W rzeczywstych obektach lość mocy dostarczanej do klastrów energ może być technczne ogranczona parametram nfrastruktury rozdzelczej, takm jak przepustowość ln czy obcążalność transformatora. Zależność prawdopodobeństwa wystąpena nedoboru mocy, przedstawonego za pomocą wskaźnka LOLP, od mocy dostarczonej z sec dystrybucyjnej przedstawono na rysunku 7, natomast na rysunku 8 przedstawona jest zależność lośc nedostarczonej energ EENS od mocy dostarczonej z sec zewnętrznej. Na przedstawonych wykresach wdoczne zaznaczona jest granca wystarczalnośc systemu, określająca wartość mocy dostarczonej z sec dystrybucyjnej ponżej której wystarczalność systemu radykalne spada. Dla mocy dostarczonej z sec dystrybucyjnej o wartośc 1,5 MW powyżej rozpatrywaną seć można uznać za wystarczalną. W przypadku dostarczena z sec dystrybucyjnej mocy o wartośc mnejszej lub równej od 1 MW prawdopodobeństwo wystąpena defcytu mocy waha sę w przedzale 98 100%.

26 Agneszka Maćkowak Rys. 7. Zależność wskaźnka LOLP od wartośc mocy dostarczanej z zewnętrznej sec Rys. 8. Zależność wskaźnka EENS od wartośc mocy dostarczanej z zewnętrznej sec Odpowedne projektowane klastra mus uwzględnć, poza przepustowoścą połączena z secą dystrybucyjną, możlwość zmany parametrów pracy elekparametry trown watrowej. Do wcześnejszych analz przyjęte zostały średne dostępnośc elektrown watrowej, oparte na modelu trzech bloków zastępczych pracy turbny watrowej [10]. Rzeczywsty współczynnk wykorzystana mocy turbny watrowej może sę jednak znaczne różnć od modelu statystycznego, w zależnośc od rodzaju, a tym samym sprawnośc zanstalowanej turbny, a także w zależnośc od położena geografcznego źródła warunków wetrznych w wybranej lokalzacj [8]. Średn współczynnk wykorzystana mocy turbn watrowych zanstalowanych w Polsce dla roku 2014 wynosł 24 % [8]. Ko- neczne jest węc wyznaczene zależnośc wystarczalnośc od stopna wykorzyrysunku stana mocy w elektrown watrowej, która została przedstawona na 9.

Wystarczalność generacj w lokalnych systemach dystrybucyjnych 27 Wskaźnk wystarczalnośc są nemal lnowoo zależne od współczynnka wyko- wraz ze rzystana mocy turbny. Zarówno wskaźnk LOLP, jak EENS maleją wzrostem współczynnka wykorzystana mocy. Zmany te są jednak neznaczne, ze względu na stosunkową małą moc zanstalowaną w elektrown watrowej. Rys. 9. Zależność wystarczalnośc od współczynnka wykorzystana mocy elektrown watrowej 5. PODSUMOWANIE Rozwjająca sę koncepcja powstawana klastrów energ w Polsce ma lczne zalety, jednak koneczne jest uwzględnene aspektu nezawodnośc wystar- stablnej czalnośc generacj przy ch projektowanu. Koneczne jest zapewnene współpracy klastrów z secą dystrybucyjną, zwłaszcza gdy zanstalowane źródła mają stochastyczny charakter produkcj energ. Na przykładze modelowanej sec, można stwerdzć, że nedopuszczalne jest autonomczne funkcjonowane klastrów, ze względu na dotklwe nedobory energ elektrycznej powstające w systeme. Wystarczalność generacj w systeme podłączonym do sec dystry- Za- bucyjnej przyłączem o odpowednej przepustowośc jest bardzo wysoka. pewnenee odpowednej współpracy klastra energ z operatorem sec dystrybu- pozom cen energ dla odborców. Zapewnene odpowednch warunków pracy cyjnej warunkuje opłacalność ekonomczną jego eksploatacj oraz odpowedn klastrów wymaga równeż uwzględnena znacznych różnc w proflach zapomoże wy- trzebowana odborców wytwarzana źródeł. W dolnach obcążena stąpć koneczność sprzedawana energ wytworzonej w klastrze do sec dys- watro- trybucyjnej. Zaproponowany model przedstawa jedyne wpływ źródeł wych na wystarczalność w sec. Dla każdego przypadku ndywdualne należa- sę, że łoby rozważyć wpływw klastra na nezawodność systemu. Obecne zakłada klastry zwększą bezpeczeństwo energetyczne, jednak każdy przypadek wyma-

28 Agneszka Maćkowak ga odrębnej analzy z wykorzystanem wskaźnków wystarczalnośc nezawodnośc, aby określć rzeczywste warunk pracy klastra. LITERATURA [1] Cepeda M., Saguan M., Fnon D., Pgnon V., Generaton adequacy and transmsson nterconnecton n regonal electrcty markets, Energy Polcy 37 (2009) 5612-5622. [2] DIgSILENT PowerFactory 2017 User Manual, DIgSILENT GmbH, Germany, marzec 2017. [3] https://en.wnd-turbne-models.com/turbnes/114-enercon-e-58-10.58#datasheet [dostęp 25.01.2018 r. godz. 13:02]. [4] Jąderko A., Kowalewsk M. K., Wyznaczane parametrów watru w energetyce odnawalnej, Przegląd Elektrotechnczny R. 91, nr 1, 148-151. [5] Koncepcja funkcjonowana klastrów energ w Polsce, opracowane na zlecene Skarbu Państwa Mnstra Energ, 2017. [6] Md-Term Adequacy Forecast, Raport ENTSO-E, 2016. [7] Paska J., Nezawodność systemów elektroenergetycznych, Ofcyna Wydawncza Poltechnk Warszawskej, Warszawa 2005. [8] Porównane efektywnośc elektrown watrowych w Polsce Nemczech, Raport Polskej Izby Gospodarczej Energ Odnawalnej Rozproszonej, 2016. [9] Standardowe profle zużyca energ na rok 2017. Instrukcja Ruchu Eksploatacj Sec Dystrybucyjnej, Enea Operator Sp. z o.o. [10] Surma T., Paska J., Modele nezawodnoścowe elektrown watrowych, Elektroenergetyka, nr 4(10)/2011, 34-61. [11] van Casteren J.F.L., Bollen M.H.J., Schmeg M.E., Relablty assessment n electrcal power systems: the Webull-Markov stochastc model. GENERATION ADEQUACY IN LOCAL DISTRIBUTION SYSTEMS Because of hgher ntegraton of dstrbuted generaton n electrcal networks, there s a need to consder generaton adequacy at a gven area. The ssue s very mportant due to the rsng number of energy clusters n Poland. Ths artcle formulates the problem of generaton adequacy usng relablty ndces, such as LOLP and EENS. These ndces descrbe the probablty of loss of load n the network and the expected amount of energy not suppled to customers. In order to analyse generaton adequacy, an exemplary local power system ncludng dstrbuted generaton has been created wth the DIgSILENT PowerFactory software. Generaton adequacy ndces have been calculated usng Monte Carlo smulaton method. The artcle descrbes the mpact of dstrbuted generaton on the system s relablty, dependng on the avalablty of the dstrbuted sources of energy. (Receved: 31.01.2018, revsed: 09.03.2018)