WPŁYW DWUKIERUNKOWEJ TRANSMISJI DANYCH NA WYGŁADZANIE KRZYWEJ POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Dariusz Bober Słowa kluczowe: elektroniczna wymiana informacji, Rynek Energii Elektrycznej, operatywność technologii XML w rozwiązaniach rozproszonych, sterowanie w systemach hierarchicznych Streszczenie. Przedstawione zostało nowatorskie podejście do jakości obsługi klienta końcowego 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 może zachęcić odbiorcę do zachowania się zbieżnie z oczekiwaniami nadawcy informacji dystrybutora energii elektrycznej. Taka własność dwukierunkowej transmisji danych, w oparciu o odpowiednio dużą grupą odbiorców energii elektrycznej pozwala na wprowadzanie mechanizmów sterujących krzywą popytu na energię elektryczną. Powyższe stwierdzenie jest wprawdzie dość śmiało postawioną tezą, ale obserwując dynamikę rozwoju rozwiązań teleinformatycznych, należy przypuszczać, że 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 stoi w przededniu wprowadzenia nowej jakości usług dystrybucji energii elektrycznej. Uwolnienie rynku energii elektrycznej na 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 możliwości bieżącego śledzenia sytuacji rynkowej. Taką funkcję informacyjną bez wątpienia może spełnić Internet. Przeglądając najnowsze osiągnięcia w przetwarzaniu danych dla ich prezentacji w sieci, wydaje się być słuszne, że na potrzeby rynku energii elektrycznej w Polsce najodpowiedniejszą formą publikacji danych o rynku będzie użycie technologii XML (ang. extensible Markup Language). Technologia ta oprócz możliwości 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 również 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 możliwością przesłania informacji zwrotnej o skutkach zadziałania automatu. Uzyskuje się w ten sposób pętlę sprzężenia zwrotnego, a tym samym możliwość implementacji algorytmów sterowania zużyciem energii elektrycznej po stronie odbiorcy. 3. PROGNOZOWANIE POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Stosowany obecnie system pomiaru średniego zużycia za okres, z uwagi na dynamiczny charakter zmian ceny sprzedaży 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 przesyłu energii elektrycznej. Statyczność grup odbiorców pozwala na odpowiednio trafne prognozowanie zapotrzebowania na energię elektryczną w oparciu o dane historyczne [1, 12]. Przy dużej zmienności cen w czasie konieczne jest dokonywanie częstszych odczytów stanów liczników u odbiorcy indywidualnego, np. co 5 min [11], a zatem należy sądzić, że 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. Należy sądzić, że nie pozostanie to bez znaczenia, na trafność prognoz zapotrzebowania, a tym samym kosztów funkcjonowania dystrybutora i końcowej ceny, po jakiej odbiorca zakupi energię. Zatem zarówno w interesie odbiorcy, który jest zainteresowany jak najniższą ceną zakupu energii
elektrycznej, jaki i dostawcy energii elektrycznej, który aby zapewnić tą cenę musi obniżyć koszty własne jest opracowanie metod jak najtrafniejszego prognozowania zużycia energii elektrycznej. Patrząc na to zagadnienie z punktu widzenia dystrybutora, który prognozuje zapotrzebowanie dla grupy swoich klientów jako zbioru indywidualnych odbiorców o dużej nieokreśloności swego zachowania (człowiek zjawisko niedeterministyczne), tenże dystrybutor zainteresowany będzie możliwością wpływu na zachowanie się odbiorcy. Odbiorca natomiast, może być zainteresowany taką organizacją własnej konsumpcji energii elektrycznej, aby w efekcie zapłacić najniższą cenę, z uwzględnieniem pewnego dyskomfortu zmiany własnych przyzwyczajeń. 2. ELEKTRONICZNA TRANSMISJA DANYCH Elektroniczna transmisja danych jest nieuniknionym w realizacji procesem digitalizacji świata biznesu. Odbiorca końcowy jako uczestnik (od 1 lipiec 2007) będzie wkrótce oczekiwał 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. Obowiązująca w Polsce Rozporządzenie Ministra Finansów o fakturach elektronicznych [10] pozwala wysunąć mniemanie, że uciążliwość obsługi wielu dokumentów faktur zostanie zminimalizowana poprzez wprowadzenie elementów konsolidacji płatności za dostarczoną energię. Obsługa dokumentów finansowych jest tylko jednym z możliwych do zoptymalizowania procesów logistycznych przedsiębiorstwa energetycznego. Z punktu widzenia tematu tego referatu dużo istotniejszy może okazać się wpływ odpowiednio wcześnie dostarczonej informacji do konsumenta na jego decyzję o zużyciu energii. Elementy wywierania takiego wpływu występowały już wcześniej: znak przekreślonej żarówki na ekranie telewizora, informacje prasowe, ogłoszenia radiowe, współcześnie informacje na stronach WWW. Właściwym jednak dla stosowanego medium przesyłu wymienionych tu metod komunikacji jest ich duża 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 zbieżnego z intencją zamieszczającego komunikat zachowania się konsumenta (włączenie/wyłączenie odbiornika energii elektrycznej) jest konieczne, aby konsument miał możliwość fizycznie wykonania tej operacji (może 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 również na zmniejszenie czasów próbkowania stopnia zbieżności efektu komunikatu z intencją treści komunikatu. Można wysyłać komunikaty o treści wyskalowanej na mniejsze skoki w zmianie poziomu popytu na moc, z jednoczesny skróceniem czasu żywotności tej informacji, co w metodach konwencjonalnych nie jest możliwe. Bezsensowne jest umieszczanie w prasie ogłoszenia, że z uwagi na akcję promocyjną przez najbliższą godzinę cena energii elektrycznej spadnie o 30 %, gdyż komunikat ten zostanie odebrany przez odbiorcę zbyt późno, gdy już promocja nie obowiązuje. Informacja elektroniczna może zawierać w swej strukturze dane o czasie jej żywotności, 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 już wcześniej pranie) to już zależy od jego woli, lub nastaw automatu (komputera) zaprogramowanego zgodnie z wolą konsumenta. Algorytmy sterowania dużą, rozproszoną grupą konsumentów pozwalają na wypracowanie zmiany popytu na energię elektryczną zbieżnie z intencją dystrybutora energii w dużej grupie odbiorców, znajdzie się część, która zachowa się w sposób zbieżny. Tym samym dystrybutor otrzymuje narzędzie sterowania popytem na energię elektryczną. Rozważając poniższy przykład należy oczekiwać, że krzywa popytu, z zachowaniem dobra odbiorcy (art. 9c Ust. 2. Prawo energetyczne [17]), może być dostrajana do krzywej prognozowanej, w granicach bezpiecznego marginesu zmian.
4. HIERARCHICZNA STRUKTURA SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ OPIS BADANEGO MODELU Do celów weryfikacji przydatności wiedzy o zachowaniu się węzłów podległych, na komunikat sterujący wysłany drogą elektroniczną zamodelowano poniższą hierarchię opisującą hipotetyczny podział na dzielnice jednego z miast polskich. Do badań wykorzystano informacje o rzeczywistym zużyciu 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 hacelu 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 ten wynik total składa się suma zużycia energii elektrycznej we wszystkich węzłach podległych. Z uwagi na brak dostępu do rzeczywistej struktury węzłów podległych przyjmuje się losowy podział zużycia 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. Zarówno w prezentowanym tu modelu teoretycznym jak i w rzeczywistym systemie elektroenergetycznym, wybrany węzeł rozwiązuje problem za pomocą wiedzy o podległych mu węzłach. Pn Dystrybutor W Dystrybutor Węzeł nadrzędny Centrum Z Pn Centrum Z W Węzły podrzędne Pd Rys. 1. Hierarchiczność systemu. Podział obszaru zarządzanego przez badany węzeł (dystrybutora), na hipotetyczne węzły podrzędne (dzielnice) Wprowadza się pojęcie zwrotu, przez zwrot rozumiana jest ilość energii możliwa do wysterowania w wyniku otrzymania przez odbiorcę komunikatu elektronicznego. Zastosowanie się odbiorcy to treści komunikatu i zaoszczędzona lub dodatkowo zużyta (w zależności od treści wiadomości sterującej) energia ponad tą którą odbiorca konsumuje w sytuacji bez sterowania jest wielkością zwrotu. Zwrot wyznaczamy wzorem P P P(edi), zwrot u gdzie: P u moc zużywana przez odbiorców, P(edi) - moc zużywana 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, zależy od stanu, w jakim się znajduje (nie można wyłączyć urządzenia już wyłączonego) oraz od woli odbiorcy (wcale nie musi dostosować się do treści komunikatu). Zatem przyjmuje się na obecnym etapie badań, że 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.
Tabela 1 Zestawienie informacji jakimi w chwili t dysponował węzeł nadrzędny, celem podjęcia decyzji o ograniczeniu zużycia energii elektrycznej przez węzły podrzędne Miasto Moc prognozowana P pr, MW Moc dostarczona P do, MW P= P pr - P do MW 408,86 419,34-10,48 P zwrot P P(edi) Dzielnice MW Wschód 72,96 5,93 Zachód 115,23 7,96 Północ 78,53 2,22 Południe 106,68 0,48 Centrum 45,94 2,31 419,34 18,9 5. AUTOMATYZACJA PROCESU WYGŁADZANIA KRZYWEJ POPYTU NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Przyjmując jako funkcję celu minimalizację pola wykreślonego przez różnicę krzywych prognozowanego zużycia energii elektrycznej P pr a zużycia rzeczywistego P u, poprzez sterowanie zużyciem energii elektrycznej z wykorzystaniem komunikatów EDI - P(edi). Zatem funkcje celu można opisać wzorem: S P pr P P u zwrot Minimalizację pola wykreślonego przez krzywe prognozy P pr i zużycia P u uzyskuje się poprzez wysłanie komunikatu EDI do wybranych węzłów podległych (wybranych dzielnic). Należy jednak tak dobrać dzielnice, aby suma zwrotów możliwie jak najpełniej zniwelowała wartość błędu prognozy. Zrozumiałe jest, że wysłanie komunikatu do wszystkich odbiorców (wszystkich węzłów podległych) może w przypadku zastosowania się wszystkich zgodnie z treścią komunikatu, dać w efekcie zwrot przekraczający wartość błędu prognozy. u Dojdzie do przesterowania, którego efektem może być nawet zwielokrotnienie strat przekraczających straty błędu prognozy (patrz suma uzysku Tabela 1). Z uwagi na niepewność zachowania się odbiorców, a tym samym rozbieżność pomiędzy wartością oczekiwaną zwrotu a zwrotem uzyskanym z węzła wskazane jest etapowe podejście do problemu sterowania węzłami. Oznacza to, że 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, możliwie optymalnie niwelował wartość błędu prognozy w węźle nadrzędnym. Zatem problem sterowania zużyciem energii elektrycznej w wybranym węźle systemu hierarchicznego sprowadza się do wyboru optymalnej grupy węzłów podległych temu węzłowi, celem uzyskania z ich wysterowania minimalnego błędu prognozy. Jest to problem decyzyjny (wybór optymalnego rozwiązania z grupy możliwych rozwiązań), którego rozwiązanie, dzięki etapowemu podejściu w sekwencyjnym sterowaniu węzłami podległymi, może 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 zużycia energii elektrycznej. Poniżej (rys. 2 i 3) przedstawiono wyniki z testowania algorytmu dla pełnego horyzontu czasowego i danych otrzymanych od wspomnianego przedsiębiorstwa.
Rys. 2. Graf stanów, sterowań i wartości funkcji zwrotu z problemu podejmowania decyzji o graniczeniu zużycia energii elektrycznej w wybranym węźle (mieście), zarządzającym pięcioma węzłami podległymi (dzielnicami)
Rys 3. Wynik wygładzania krzywej popytu poprzez stymulowanie zachowania się odbiorców energii elektrycznej komunikatami EDI Sterowanie podejmowane przez algorytm zmierza do minimalizacji pola kreślonego przez krzywe P pr i P u. Z wykresu przedstawionego na rys.3 wynika, że algorytm podejmuje właściwe sterowanie oraz, że uzyskiwania przez niego wartość pola jest mniejsza od wartości pola uzyskanego z danych historycznych. Ten proces dążenia krzywej zużycia energii sterowanej przez komunikaty EDI do krzywej prognozowanej nazwany został przez autora procesem wygładzania krzywej popytu. 6. PODSUMOWANIE Zaprezentowane w artykule zagadnienia traktują o możliwości sterowania zużyciem energii elektrycznej w strukturze systemu hierarchicznego, z wykorzystaniem do tego celu sprzężenia zwrotnego, jakie możliwe 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 możliwość opracowania algorytmów wspomagających proces sterowania z wykorzystaniem wiedzy o zachowaniu się węzłów podrzędnych. Przedstawiono również 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. Należy również 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. LITERATURA [1] Arabas J., Adamowicz L.: Prognozowanie zapotrzebowania a Rynek Energii. www.cire.pl [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, (2003) p.377-388. [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, (2003) p. 275-280,
[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, (2005) [5] Bober D.: Conceptual Model of Informatic System of Control for The Electrical Industry, International Workshop Control and Information Technology, Ostrava, Czech Republic, (2005), p. 151-154, [6] Bober D.: Programowe wspomaganie podejmowania decyzji w systemach hierarchicznych, Varia Informatica - Algorytmy i Programy. PTI, Lublin 2006, p. 97-104. ISBN 978-83-922646-4-4 [7] Bober D.: Projekt podsystemu informatycznego w zabezpieczeniach systemów energetycznych, Współczesne Technologie Informatyczne, inżynieria oprogramowania, systemy baz danych, Mikom, Warszawa, (2005) p. 127-131, [8] Bober D.: XML In Business tasks realisation. Annales Informatica UMCS, Lublin, (2004) p. 357-367, [9] Chiang C.: Elementy dynamicznej optymalizacji. Elipsa, Warszawa 2002. [10] Elektroniczna faktura. http://www.e-faktury.com/ministerstwo-finanswow.php [11] Gawin R.: Opomiarowanie odbiorców a liberalizacja rynku energii elektrycznej, Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki nr 6, Warszawa, (2005), [12] Gładyś H., Malta R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym, WTN, Warszawa (1999) [13] http://www.cire.pl/ge/ceny/index.php [14] Muryjas P., Bober D.: ebxdi technologia EDI za rozsądne pieniądze, Wdrażanie i eksploatacja systemów informatycznych, PTI, Lublin, (2002) p. 85-95, [15] Popko A., Popko E., Letnik K.: Teleinformatyczny System Informacji Zintegrowanej. Rynek Energii październik 2005 [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_20060302.pdf [18] Topolski J., Begier P.: Poszukiwanie nowych rozwiązań modelu ryku energii elektrycznej. Wokół Energetyki, vol. 8, Termedia, (2005), p. 31-33, 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 few reasons for the 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 les than a quarter energy consumption metering, and in consequence, 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 it self, 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 questions about sense of research being taken by author. Dariusz Bober, mgr inż. doktorant w Instytucie Informatyki Politechniki Lubelskiej