OPTYMALIZACJA JAKO ELEMENT SMART GRID

OPTYMALIZACJA JAKO ELEMENT SMART GRID Auorzy: Błażej Olek, Michał Wierzbowski ( Rynek Energii nr /203) Słowa kluczowe: zarządzanie, sieć dysrybucyjna, smar grid, opymalizacja, rynek energii, rynek bilansujący, lokalny obszar bilansowania Sreszczenie. Wprowadzenie na szeroką skalę ineligennych sieci elekroenergeycznych wymaga szeregu działań przygoowawczych zarówno w dziedzinie usawodawswa, jak i echniki. Arykuł przedsawia zagadnienia opymalizacji pracy sieci dysrybucyjnych z generacją rozproszoną przy zasosowaniu podejścia sysemowego. Jednym z podsawowych założeń jes spójność proponowanych rozwiązań z obowiązującymi zasadami funkcjonowania rynku energii, akimi jak unbundling i TPA. Arykuł wprowadza również propozycję rozwiązania problemu mocy biernej w sieciach rozdzielczych poprzez wprowadzenie Regulacyjnych Usług Sysemowych.. WPROWADZENIE Rozwój rozproszonych źródeł energii oraz urządzeń z grupy smar meers niesie ze sobą nowe możliwości usprawnienia pracy sysemów elekroenergeycznych. Wymaga o jednak zmian w echnicznej infrasrukurze sieciowej akich jak umożliwienie dwukierunkowego przypływu mocy, czy zmian w planowaniu pracy i zarządzania siecią. W przyszłości należy spodziewać się rosnącego udziału OSD w bilansowaniu produkcji i zaporzebowania energii. Ten kierunek rozwoju łączy się z nieuniknionym wprowadzeniem nowych narzędzi akich jak lokalne obszary bilansowania [9]. Proces bilansowania czyli planowania i zarządzania ineligenną siecią składa się z rzech eapów. Pierwszym jes monioring paramerów energii elekrycznej poprzez zasosowanie wielofunkcyjnych urządzeń pomiarowych, kóre za pośrednicwem akich mediów jak Inerne przekazują dane o sanie sieci i poszczególnych jednosek. Drugim eapem jes opymalizacja planu pracy sieci [3], polegająca na wyznaczeniu, w oparciu o orzymane dane, opymalnego rozdziału obciążeń przy jednoczesnym zachowaniu paramerów echnicznych [6]. Osani krok o serowanie siecią w oparciu o orzymane wyniki. Prezenowany arykuł poświęcony jes eapowi drugiemu. Dyskusje na ema zarządzania pracą mikrosieci można odnaleźć w lieraurze. Jednakże wszyskie napokane przez auorów rozwiązania doyczyły małych sieci należących do jednego właściciela, a zaem sieci w kórych nie obowiązywały zasady działania rynku energii, a przepisy prawne były uproszczone [],[2].Wprowadzenie opymalizacji w obszar ogólnie dosępnych sieci dysrybucyjnych wiąże się z porzebą przesrzegania obowiązujących zasad funkcjonowania rynku energii elekrycznej, akich jak unbundling zapewniający rozdzielność produkcji i obrou energią od jej przesyłu oraz Third Pary Access czyli dosęp do rynku sron rzecich [7]. Proponowane w arykule rozwiązanie bazuje na założeniu, że rynki energii elekrycznej funkcjonujące na różnych poziomach muszą być ze sobą spójne, ponieważ działają zgodnie z ymi samymi regulacjami prawnymi. Obecnie w Polsce, rynek bilansujący jes prowadzony wyłącznie przez operaora sysemu przesyłowego (OSP), kóry na podsawie prognozy zapo-

rzebowania oraz składanych przez wywórców ofer, przygoowuje plan pracy sysemu w okresach godzinnych (Plan Koordynacyjny Dobowy PKD). Nasępnie, plan jes uszczegóławiany w okresach 5-min. jako Bieżący Plan Koordynacyjny Dobowy (BPKD). Rozliczenia powykonawcze nasępują poprzez porównanie ilości energii w Umowach Sprzedaży Energii (USE) z energią rzeczywiście pobraną z sysemu lub wyprodukowaną [6]. 2. LOKALNY OPERATOR BILANSUJĄCY Europejski sysem elekroenergeyczny składa się ze srukur poziomych sieci przesyłowe, zamknięe oraz pionowych sieci dysrybucyjne, działające jako oware sieci promieniowe (Rys. ). W chwili obecnej za bilansowanie zużycia i produkcji energii odpowiedzialny jes w całości OSP. Do akiego założenia dososowany jes akże obecny model sieci przesyłowej jak i dysrybucyjnej. Zakłada on przepływ mocy od góry, czyli od dużych jednosek JWCD energeyki wielkoskalowej w dół do odbiorcy końcowego. W obliczu zmian koncepcji działania sysemu elekroenergeycznego i coraz większej peneracji rozproszonych źródeł energii, kóre są przyłączane na końcówkach sysemu, okazuje się, że obecny model zarządzania siecią saje się coraz bardziej problemayczny z punku widzenia działania sysemu elekroenergeycznego [9] Rozwiązaniem jes wprowadzenie nowych Lokalnych Operaorów Bilansujących. Ze względu na zadania jakie mają wykonywać można dodakowo podzielić ich na Operaora Koordynującego Sieci (OKS), działającego w obszarze sieci SN, oraz Operaora Obszaru Węzłowego (OOW), działającego w obszarze lokalnych sieci NN [5]. Obaj operaorzy muszą być podmioami prawnymi posiadającymi koncesję na przesył energii i zarządzanie siecią. Zakłada się, że podobnie jak w przypadku OSP, obaj operaorzy odpowiedzialni są za przygoowywanie PKD (zgodnie z zasadami rynku dnia nasępnego). Rys.. Hierarchiczny sysem rynkowy dla generacji rozproszonej

Działanie proponowanych logicznych operaorów wymaga sworzenia odpowiednich relacji prawnych czyli sworzenia ram legislacyjnych funkcjonowania akywnie zarządzanych sieci dysrybucyjnych. Konieczne jes określenie relacji pomiędzy nowymi podmioami oraz ymi, kóre od dawna funkcjonują na ogólnie pojęym rynku energii. Niezbędne jes również oszacowanie możliwych do osiągnięcia zysków i koniecznych do poniesienia koszów, czyli określenie relacji ekonomicznych. Kwesie e są dyskuowane w innych arykułach [4]. W przedsawionym rozwiązaniu zasosowany zosał funkcjonujący obecnie w Polsce rynek bilansujący dnia nasępnego opary na modelu miedzianej płyy. Każda jednoska oferuje odrębne ceny dla różnych rybów pracy (poziomów mocy generowanej) oraz osobno dla mocy czynnej i biernej. Zredukowano liczbę pasm oferowych do 2. Ceny są płacone wywórcy zgodnie z sysemem pay as bid, czyli każdy generaor ma płacone za produkcję zgodnie z ceną swojej ofery. Cena energii zakupionej z sieci zmienia się w ciągu doby zgodnie z założonym profilem. 2.. Operaor obszaru węzłowego Celem działań OOW jes bilansowanie produkcji i zużycia energii elekrycznej poprzez rozdział obciążeń mocą czynną i bierną. Większość rozproszonych źródeł energii wyposażona jes w inwerory pozwalające na swobodne kszałowanie paramerów jakości. To pozwala na wprowadzenie w obszar niskich napięć dodakowych jakościowych Regulacyjnych Usług Sysemowych (RUS) umożliwiających lokalnemu operaorowi na redukcję asymerii napięć w węzłach oraz miygację wyższych harmonicznych. W niniejszym arykule przedsawione zosały zagadnienia rozdziału obciążeń mocą czynną i bierną zaś zagadnienia jakości energii elekrycznej są celem dalszych badań. Rys. 2. Sieć esowa niskiego napięcia Na porzeby badań zamodelowana zosała sieć niskich napięć (w oparciu o sieci esowe CIGRE) składająca się z 5 generaorów, zasobnika energii elekrycznej oraz 5 grup odbiorów złożonych łącznie z 23 odbiorców komunalno-byowych (Rys. 2.). Zaporzebowanie odbiorów na energię zmienia się w ciągu

doby zgodnie z rzeczywise profilami dobowego obciążenia, orzymanymi dzięki uprzejmości Polskiego Towarzyswa Przesyłu i Rozdziału Energii Elekrycznej (PTPiREE). Elemenami serowalnymi sieci są generaory oraz zasobnik (w horyzoncie 24h). Ceny jednosek zgłaszane są do OOW w posacie dwóch pasm oferowych dla każdej godziny doby. f = 2 2 ( P c( P )) + ( PSj csj( PSj )) + PES ces + ( Q k( S) ) 24 i= j= i= =... + ( Q k ( Q )) + Q k j= Sj Sj Sj ES ES +... gdzie: P, P ES, P Sj moc czynna w godzinie [kwh-h], c, c Sj, c ES cena mocy czynnej w godzinie [ /kwh-h], Q, Q Sj, Q ES moc bierna w godzinie [kvarh-h], k, k, k ES cena mocy biernej w godzinie [ /kvarh-h] Użya w opymalizacji funkcja celu jes funkcją koszów pracy jednosek wywórczych, zakupu energii z sieci zewnęrznej, zakupu RUS kompensacji mocy biernej oraz pracy zasobnika energii. Składa się z dwóch części odpowiednio dla rozdziału obciążeń mocą czynną i bierną. Ograniczeniami funkcji są znamionowe moce czynne i bierne jednosek wywórczych, napięcia węzłowe oraz możliwości przesyłowe linii i ransformaora. 2.2.Operaor koordynacyjny sieci Operaor Koordynacyjny Sieci (OKS) o drugi z proponowanych lokalnych operaorów sieciowych odpowiedzialny za koordynowanie pracy OOW, oraz zarządzanie wydzielonym obszarem sieci SN. Większość zakłóceń w sieci SN jes przenoszona z sieci nn, w związku z czym założono, że jakościowe RUS będą dokonywane na poziomie sieci nn przez operaora OOW, podczas gdy operaor sieci SN będzie dokonywał zakupów usług regulacji mocy biernej. Podsawowym zadaniem OKS jes dokonanie ekonomicznego rozdziału obciążeń w sieci SN z punku widzenia zarządzania generacją mocy czynnej i biernej, z uwzględnieniem przepływów mocy i sra z nimi związanych. Wszyskie e czynności muszą być wykonane z przesrzeganiem określonych prawem i sandardami echnicznymi paramerów pracy sieci j. przede wszyskim z przesrzeganiem określonego poziomu napięcia a akże z uwzględnieniem isniejących ograniczeń sieciowych czyli przepusowości połączeń sieciowych a akże w przypadku sieci SN jednokierunkowości przepływu mocy. Dla isniejących, sarych sieci SN projekowanych na jednokierunkowy przepływ mocy, przepływ odwrony może być groźny dla poprawnego działania zabezpieczeń, a akże prowadzić do zmiany charakeru linii z indukcyjnego na pojemnościowy co jes niebezpieczne z punku widzenia sabilności pracy sysemu [8],[9]. Aby sprawdzić możliwości sosowania przyjęej koncepcji sworzono odpowiedni model opymalizacyjny pozwalający na wyznaczenie PKD dla jednosek przyłączonych do sieci SN z jednoczesnym

spełnieniem wszyskich opisanych wymagań i ograniczeń. Opymalizacja dokonywana jes w oparciu o maemayczne modele sieci. Dla operaora OKS jes o sieć o napięciu 5 kv. Modele sieci są opare o rzeczywise paramery infrasrukury sieciowej, co pozwala na uwzględnienie wspomnianych ograniczeń echnicznych, akich jak: maksymalna obciążalność linii czy maksymalne dopuszczalne zmiany napięcia w węzłach. Przyjęa w obecnej fazie badań sieć esowa jes pokazana na Rys 3. Zasilana jes ona z sieci WN za pośrednicwem ransformaora o mocy 60 MVA. Całkowie maksymalne obciążenie sieci odbiorami nieserowalnymi o 27,9 MW. Dodakowo sieć zawiera 5 magazynów energii o łącznej mocy 5 MW, co oznacza że maksymalne obciążenie sieci może okresowo wzrosnąć do 32,9 MW. Zaporzebowanie na moc jes różne w każdej godzinie doby i zmienia się zgodnie z profilami zaporzebowania udosępnionymi dzięki uprzejmości PTPiREE. Sieć posiada 5 węzłów. W sieci znajduje się 7 generaorów o łącznej mocy 2 MW. Najdłuższy ciąg liniowy w modelowanej sieci ma 6 km długości. W przypadku zasilania sieci bez udziału źródeł energii, przekroczone są maksymalne dopuszczalne prądy obciążenia linii, a w węzłach napięcie spada poniżej warości dopuszczalnych. Proponowany model sieci SN umożliwia obliczenia rozpływowe w obszarze zarówno mocy czynnej i biernej z uwzględnieniem sra sieciowych. Założono pełną serowalność źródeł oraz zasobników. Zmiennymi podlegającymi opymalizacji (w horyzoncie 24h) są moce czynne i bierne jednosek. Oznacza o, że esowany model generuje 576 zmiennych. Ilość ograniczeń wynosi 2208. Rys. 3. Sieć esowa średniego napięcia

Funkcja celu określa kosz funkcjonowania danej sieci w oparciu o koszy generacji mocy czynnej, koszy dodakowych usług akich jak zakup mocy biernej oraz koszy pracy zasobnika energii (ES). Jednoski za swoją pracę rozliczają się w oparciu o rynek bilansujący porównując swoje pozycje konrakowe z rzeczywisymi planami pracy. OKS dokonuje opymalizacji pracy źródeł w sieci w oparciu o nasępującą funkcję celu odzwierciedlającą kosz pracy sieci: f =... + 24 = ( j= (( P EX c EX + Q P c ( P EX k ) + Q EX ) + ( i= k ( Q P c ))) ( P ) + Q k ( Q )) +... gdzie: c EX,c (P ), c (P ), jednoskowa cena mocy czynnej w godzinie [zł/kwh-h], k EX, k E- Sj(Q ), k (Q ), jednoskowa cena mocy biernej w godzinie [zł/kvarh-h], P EX, P, P moc czynna w godzinie [kwh-h], Q EX, Q, Q moc bierna w godzinie [kvarh-h] 3. OPTYMALIZACJA WĘZŁOWA - SYMULACJA Wynikiem pracy OOW są PKD wyznaczane w oparciu o ofery pasmowe zgłoszone przez uczesników lokalnego rynku bilansującego oraz plan zakupu wolumenów mocy biernej na porzeby kompensacji LOB. Rys.4. Rozdział obciążeń w lokalnej sieci niskiego napięcia PKD

Rys. 5. Zaakcepowane ceny mocy czynnej poszczególnych jednosek w ciągu doby 4. OPTYMALIZACJA KOORDYNACYJNA - SYMULACJA Poniżej zosały zaprezenowane wyniki proponowanej koncepcji zarządzania pracą sieci dysrybucyjnej przez OKS. Z uwagi na objęość danych w arykule znalazły się plany PKD dla jednosek wywórczych oraz zasobników dla mocy czynnej i dobowy wykres cen dla mocy czynnej dla wszyskich wspomnianych jednosek. Znak - oznacza generację, zaś warości dodanie oznaczają pobór energii z sieci czyli w przypadku zasobników energii ładowanie. W przypadku wykresu cen, ceny ujemne oznaczają cenę zakupu energii przez zasobnik. Czyli ładowanie zasobnika oznacza pomniejszenie funkcji celu, zaem zmniejszenie całkowiego koszu operacyjnego sieci. 5. PODSUMOWANIE Rozwój energeyki rozproszonej wymaga od sekora energeycznego sysemowego podejścia do zarządzania sieciami dysrybucyjnymi. Coraz większą rolę w bilansowaniu generacji i zużycia energii odgrywać będą operaorzy sieci dysrybucyjnych zwłaszcza na poziomie bilansowania lokalnego. W arykule zosała przedsawiona koncepcja dwueapowej opymalizacji sieci dysrybucyjnej niskich i średnich napięć dokonywanej przez dwóch logicznych operaorów sieciowych. Opymalizacja musi być wprowadzona w obszar lokalnego rynku bilansującego działającego zgodnie z zasadami unbundling i TPA. Charakerysyka sieci dysrybucyjnych oraz rozwój rozproszonych źródeł energii pozwala akże na wprowadzenie nowych usług regulacyjnych z zakresu jakości energii elekrycznej.

Rys. 6. Rozdział obciążeń w lokalnej sieci średniego napięcia PKD

Rys. 7. Zaakcepowane ceny mocy czynnej poszczególnych jednosek w ciągu doby LITERATURA [] DER Laboraory, Laboraorium generacji rozproszonej sieci europejskiej DER-Laboraory, Insyu Elekroenergeyki Poliechnika Łódzka, 20 [2] Gburczyk P., Wasiak I., Mieński R., Pawełek R.: Energy Managemen Sysem as a Mean for he Inegraion of Disribued Energy Sources wih Low Volage Nework. h Inernaional Conference, Elecric Power Qualiy and Uilisaion, Lisbon, 7-9 Ocober 20 [3] Mielczarski W.: Sieci ineligenne dla generacji rozproszonej. hp://wyborcza.pl/myodnawialni/,7398,02989,sieci_ineligenne_dla_generacji_rozproszone j.hml, 6.2.20r. [4] Mielczarski W.: Sieci ineligenne. Długa droga przed nami. Energy Newsleers nr 3, 2.2.202, hp://www.cire.pl/pokaz-pdf-%252fpliki%252f2%252fsieciinelig_dlugadroga.pdf [5] Mielczarski W., Olek. B., Wierzbowski M.: Marke rules in opimizaion of disribued generaion. European Energy Marke 202, Florence, 0- maj 202 [6] Olek B., Wierzbowski M.: Opymalizacja pracy odnawialnych źródeł energii w sieci z lokalną generacją rozproszoną. Konferencja Naukowo-Techniczna OPE'2 Opymalizacja w Elekroenergeyce Konsancin-Jeziorna, 4 października 202 r. [7] Siewierski T., Mielczarski W.: Rynek mocy. CIRE, www.cire.pl, czerwiec 20 [8] Syczyński Z.: Analysis of Energy Flow in Elecrical Neworks wih Srong Dispersed Generaion., Repor of OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITY MAGDEBURG - Faculy of Elecrical Engineering and Informaion Technology, Magdeburg, Germany, 2008 [9] Wrocławski M.: Lokalne obszary bilansowania. Energia Elekryczna, Wydawnicwo Polskiego Towarzyswa Przesyłu i Rozdziału Energii Elekrycznej, 0/202

OPTIMIZATION AS PART OF SMART GRID Key words: nework operaion managemen, smar grid, opimizaion, balancing marke, local balancing area Summary. The large-scale implemenaion of smar grids on he naional or inernaional level, requires series of preparaion in he field of legislaion and echnology. The paper presens complex approach o he opimizaion of disribuion nework wih disribued generaion. The major aim is o ensure compaibiliy of presened soluion wih valid marke rules such as unbundling and he TPA (Third Pary Access). The paper inroduces also concep of new ancillary services in he field of local balancing marke e.g. reacive power balancing. Błażej Olek, dokoran w dyscyplinie Elekroechnika w Insyucie Elekroenergeyki na Wydziale Elekroechniki, Elekroniki, Informayki i Auomayki Poliechniki Łódzkiej, ul. Sefanowskiego 8/22, 90-924 Łódź. E-mail: blazej.olek@p.lodz.pl Michał Wierzbowski, dokoran w dyscyplinie Elekroechnika w Insyucie Elekroenergeyki na Wydziale Elekroechniki, Elekroniki, Informayki i Auomayki Poliechniki Łódzkiej, ul. Sefanowskiego 8/22, 90-924 Łódź. E-mail: michal.wierzbowski@p.lodz.pl