Transkripcija

1 Elektrotehniški vestnik 70(1-2): 5 10, 2003 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija Računalniški program za razbremenitev kritičnih prenosnih poti David Grgič 1, Marko Bajec 2, Ferdinand Gubina 1, Robert Golob 1,MarkoSenčar 3 1 Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Tržaška 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija 2 Fakulteta za računalništvo in informatiko, Univerza v Ljubljani, Tržaška 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija 3 Agencija za energijo RS, Svetozarevska 6, SI-2000 Maribor, Slovenija E-pošta: david.grgic@fe.uni-lj.si Povzetek. Članek opisuje program za pomoč prinačrtovanju ukrepov in evalvacijo razbremenjevanja kritičnih prenosnih poti v slovenskem elektroenergetskem sistemu. Program je bil izdelan v okviru študijske naloge, naročnla ga je bila Agencija za energijo RS. V programu je implementirana metoda razbremenjevanja s prerazporeditvijo proizvodnje delovnih moči. Program je zasnovan modularno iz več blokov, in sicer lokalne baze podatkov, uporabniškega vmesnika za vnos in urejanje podatkov ter pregled rezultatov, modul izračuna optimalne prerazporeditve proizvodnje in del za pripravo standardiziranih poročil z rezultati izračuna. V članku je predstavljen tudi predviden koncept dela s programom. Ključne besede: računalniški program, razbremenjevanje vodov, pretoki moči, linearno programiranje, deregulacija elektroenergetskega sistema A Computer-Aided Program for Congestion Management Extended abstract. After the deregulation of the Slovenian power system, a countertrade congestion management approach was proposed. The goal was to prevent transmission line overloading with active power redispatch. Since this is a mathematically intensive task, the national Energy Agency has purchased a computer program for congestion management based on the proposed approach. The computer program is designed modularly (Figure 1). It consists of the main module with a graphic user interface and various submodules, such as database connection, calculation of the optimal active power production redispatch, report building, etc. The main module with the graphic user interface (CM) serves also as a connection with all others blocks. This module has been developed in Borland Delphi TM 5.0 and compiled into the Windows TM application (Figure 2). The mathematic core of the program is located in the block CM MAT (Figure 1). Here, an optimization algorithm is coded. It calculates optimal redispatch of the active power production to prevent transmission line overloading. This is the reason why this module was developed in Matlab and then compiled as a stand-alone application. The communication between this block and the main module (CM) was made via input/output files. The database (Figure 1) in which the power system parameters are stored was developed in MS Access. Because of the sensitivity of the data in the database, access to these data is secured with a user login. Handling with the application usually begins by analyzing the operating states for the following day. They are the result of electricity trading for the current day. To simplify the user s determination of critical operating state, loading of particular transmission lines can be graphically represented (Figure 4). In such presentation each line is supplemented with two his- Prejet 10. maj, 2002 Odobren 12. december, 2002 tograms, one for the relative loading before congestion management and the other after it. In the initial operating states, where some lines are overloaded, congestion management is utilized. Figure 3 shows how these operating states can be selected. Calculating the optimal active power production redispatch follows this management scheme and results are returned into the database. There, they can be viewed in a table format or again represented in a graphic form (Figure 4). Reports containing results of the congestion management are prepared (Figure 5) and can be saved for a later use. They can be printed and stored as a hard copy, too. Key words: computer program, power line congestion management, power flows, linear programming, deregulated power systems 1 Uvod Uvajanje trga z električno energijo v slovensko elektrogospodarstvo zahteva nove rešitve vodenja obratovanja sistema, ki zagotavljajo zanesljivo in kakovostno obratovanje elektroenergetskega sistema (EES). Večina teh rešitev spada v sklop sistemskih storitev, med njimi tudi razbremenjevanje kritičnih prenosnih poti. Za slovenski EES je bila predlagana rešitev s prerazporeditvijo proizvodnje delovne moči [1,2]. Postopek določanja optimalne prerazporeditve, ki odpravi vse preobremenitve v sistemu, kot tudi njena evalvacija in preverjanje rešitev,

2 6 Grgič, Bajec, Gubina, Golob, Senčar zaradi računske zahtevnosti kot tudi zaradi velikega obsega vhodnih podatkov zahteva uporabo računalniško podprtega orodja. Tako je Agencija za energijo RS naročila izdelavo računalniškega programa, ki ga bo uporabljala za preverjanje odločitev upravljavca prenosnega omrežja o razbremenjevanju kritičnih prenosnih poti in pri razreševanju morebitnih sporov, ki izvirajo iz zavrnitve dostopa do omrežja. Naročnik je zahteval program s sodobnim uporabniškim vmesnikom, ki bi deloval na platformah MS Windows 98 in MS Windows Sestavni del programa je tudi baza podatkov o parametrih omrežja in obratovalnih stanjih slovenskega EES za vsak interval trgovanja na borzi z električno energijo. 2 Zasnova programa Program je zasnovan modularno (slika 1). Osrednji modul (CM) je program z grafičnim uporabniškim vmesnikom, ki omogoča iteracijo z drugimi bloki. Sem spada povezava z bazo podatkov in njeno urejanje, izris raznih grafov in histogramov, zagon izračuna optimalne prerazporeditve proizvodnje z namenom razbremenitve sistema, izdelava standardiziranih poročil z rezultati izračunov itd. Modul CM je razvit v okolju Borland Delphi TM 5.0 (BD TM 5.0), za katerega smo se odločili predvsem zaradi narave problema, ki ne zahteva rešitev, podprtih zvečnivojskimi arhitekturami. Program je namreč namenjen delovanju v lokalnem, enouporabniškem okolju, kjer rešitev tipa strežnik-odjemalec povsem zadošča. Poleg omenjenega je pri izbiri razvojnega okolja pripomoglo tudi dejstvo, da BD TM 5.0. omogoča hiter razvoj kakovostnega in funkcionalnega uporabniškega vmesnika. Matematično jedro sistema (CM MAT) je razvito v okolju Matlab, ki je zaradi dobre matematične podpore računskim operacijam primernejše kot BD TM 5.0. Programiranje v okolju Matlab poteka prek preprostega skriptnega jezika, podprto pa je tudi prevajanje programa v samostojno izvršno datoteko (EXE). Modul CM MAT je tako popolnoma samostojen, kar dovoljuje njegovo neodvisno uporabo in obenem postavlja ločnico med računskim delom sistema in uporabniškim vmesnikom. Komunikacija med računskim delom CM MAT in drugimi deli sistema poteka prek vhodno/izhodnih datotek tekstovnega tipa. 2.1 Uporabniški vmesnik Ker je program izdelan za operacijske sisteme Windows TM 98 in Windows TM 2000, je grafični uporabniški vmesnik prilagojen konvenciji teh okolij (slika 2). Sestavni del programa je tudi pomoč v standardizirani obliki teh platform. Slika 1. Blok shema programa Figure 1. Block diagram of the program 2.2 Baza podatkov Podatki o parametrih elementov elektroenergetskega sistema, kot tudi urni podatki o topologiji omrežja, proizvodnjah in odjemih moči so shranjeni v relacijski bazi podatkov, ki temelji na programskem paketu MS Access. Izbiro katerekoli zmogljivejše baze podatkov smo zaradi majhnega obsega podatkov kot tudi zaradi enouporabniške narave sistema ocenili za nepotrebno. Sistem je razvit tako, da omogoča morebiten poznejši prehod na drugo bazo podatkov. Baza podatkov obsega poleg drugega za vsako uro tudi ponudbe proizvajalcev za spremembe njihovih proizvodenj [1]. V prihodnosti je predvidena povezava te baze podatkov z glavno bazo podatkov Agencije za energijo RS, v kateri se bodo avtomatsko zajemali podatki iz elektroenergetskega sistema. Zaradi zaupne narave podatkov je dostop zaščiten z geslom. Po prijavi dobi uporabnik možnost pregledovanja, urejanja in dodajanja zapisov v bazo podatkov. 2.3 Izračun optimalne prerazporeditve proizvodnje Matematični del programa, to je izračuna optimalne prerazporeditve delovne moči za razbremenitev preobremenjenih delov prenosnega omrežja, se izvede v modulu CM MAT (slika 1). Zato mora osrednji program CM za izbrana obratovalna stanja iz podatkovne baze pripraviti vhodne datoteke za ta program. Modul CM MAT te podatke prebere, preveri njihovo strukturo in za izbrana obratovalna stanja izvede razbremenjevanje ter rezultate zapiše v izhodno datoteko, ki jo lahko nato vnesemo v podatkovno bazo osrednjega modula CM. Modul CM MAT je izdelan v razvojnem okolju Matlab z uporabo Optimizacijske knjižnice. Program je nato s pomočjo knjižnic Matlab Compiler, C/C++ Math Library in C/C++ Graphic Library in razvojnega orodja Watcom

3 Računalniški program za razbremenitev kritičnih prenosnih poti 7 Slika 2. Uporabniški vmesnik programa Figure 2. User interface C/C++ preveden v samostojno aplikacijo. Z uporabo preverjenih optimizacijskih algoritmov, ki so del Matlabove Optimizacijske knjižnice, smo zagotovili hiter in zanesljiv izračun optimalne prerazporeditve delovne moči za razbremenjevanje preobremenitev v elektroenergetskih sistemih. Modul CM MAT lahko poleg osrednjega programa CM kličejo tudi druge aplikacije, pri čemer je treba upoštevati format vhodno/izhodnih datotek tega programa. S tem smo povečali prilagodljivost programa, saj je lahko matematični del izračuna razbremenjevanja prenosnih preobremenitev uporabljen v aplikacijah, ki bodo šele razvite. Metodo razbremenjevanja preobremenitev lahko dodatno izboljšamo z uporabo programa za izračun pretokov moči [1]. Zato je program CM MAT zasnovan tako, da omogoča klicanje programa za izračun pretokov moči, ki je za sedaj še v fazi razvoja. Izmenjava podatkov med njima poteka prek vhodno/izhodnih datotek. 2.4 Poročila Program omogoča izdelavo standardiziranih poročil o razbremenjevanju kritičnih prenosnih poti. S tem uporabnik dobi možnost hitre izdelave poročil, ki jih lahko hrani za poznejšo analizo v digitalni obliki ali arhivira v papirni obliki. 3 Uporaba programa Upravljanje programa poteka prek menijev in gumbov v orodni vrstici. Sočasno je lahko odprtih več oken s pregledom različnih podatkov in diagramov. Zamišljen koncept dela s programom je, da uporabnik najprej analizira izbrana obratovalna stanja, npr. za vse intervale trgovanja naslednjega dne. Ker so lahko intervali urni, polurni ali krajši in odslikavajo zasnovo trga z električno energijo, nastavimo dolžino intervala oziroma število intervalov v enem dnevu v nastavitvah programa. Pred razbremenjevanjem po izbrani metodi [1] je treba od proizvajalcev električne energije zbrati ponudbe za spremembo proizvodnje delovne moči. Analiza teh ponudb je mogoča na dva načina. Prva možnost je pregled v tabelarični obliki, kjer so za izbrani časovni interval po-

4 8 Grgič, Bajec, Gubina, Golob, Senčar Slika 3. Izbira intervalov za izračun Figure 3. Selection of the time intervals for calculation dane vse ponudbe vseh proizvajalcev. Še bolj zanimiva pa je druga možnost, ko ponudbe analiziramo v grafični obliki za vsako posamezno elektrarno, kot prikazuje slika 2 v oknu z imenom Graf ponudb. Na vrhu okna izberemo časovni interval in elektrarno, v osrednjem delu okna pa se nam izriše skupna ponudba te elektrarne, ki je na splošno sestavljena iz več posameznih ponudb. Abscisa podaja spremembo proizvodnje delovne moči, ordinata pa strošek te spremembe. Skupna ponudba ima obliko odsekovno linearne krivulje, kjer število odsekov ustreza številu ponudb posamezne elektrarne. Če je bilo razbremenjevanje za opazovan interval že opravljeno in je bila predlagana sprememba proizvodnje te elektrarne, je sprememba označena s prekinjeno rdečo črto. Desni del okna zapolnjujejo številski podatki o posameznih ponudbah in parametrih krivulje. Tako v tabeli kot tudi v grafičnem pregledu ponudb je omogočeno dodajanje novih ponudb. Če se izkaže, da bi bilo omrežje za določene časovne intervale preobremenjeno, lahko uporabnik požene izračun optimalne prerazporeditve proizvodnje delovne moči za razbremenitev preobremenjenih vodov omrežja. Izbor intervalov za izračun prikazuje slika 3. Rezultate po končanem izračunu lahko vnesemo v bazo podatkov, kjer so na voljo za nadaljnjo analizo oziroma izdelavo poročil. Ogled rezultatov razbremenjevanja kot tudi pomoč uporabniku pri odkrivanju preobremenitev je uporabniku olajšana s pomočjo grafičnega prikaza preobremenjenih vej omrežja (slika 4). Za vse vode z vklopljenim prikazom v nastavitvah se izrišeta dva histograma. Ta dva histograma sta v okvirčku, ki je normiran na nazivno prenosno zmogljivost voda. Levi histogram prikazuje obremenitev voda pred razbremenjevanjem, desni pa po njem. Če je vod preobremenjen, je histogram obarvan rdeče, njegova višina pa posledično presega velikost okvirčka. Na konkretnem zgledu (slika 4) vidimo, da je pred razbremenjevanjem preobremenjen 400 kv vod Divača-Beričevo in da je bilo razbremenjevanje uspešno, saj so po njem vsi pretoki moči v slovenskem EES nižji od njihovih nazivnih vrednosti. Program omogoča avtomatsko izdelavo nekaj standardiziranih tipov poročil. Najbolj preprost in hkrati tudi najbolj pregleden primer poročila prikazuje slika 5. Na začetku izberemo časovne intervale, za katere želimo izdelati poročila. Če za določen interval razbremenjevanje ni bilo potrebno, se nam v poročilu to samo zabeleži. V primerih, ko je razbremenjevanje uspešno opravljeno, so za vse preobremenjene vode v sistemu izpisani pretok navidezne moči pred razbremenjevanjem, maksimalen dovoljen pretok in pretok moči po razbremenjevanju. Temu sledi seznam vseh elektrarn, ki so s svojimi ponudbami sodelovale pri razbremenjevanju, z informacijo o proizvodnji delovne moči pred razbremenjevanjem, angažirano spremembo proizvodnje, proizvodnjo delovne moči po razbremenjevanju in s tem povezanimi stroški. Stroški spremembe proizvodenj delovnih moči so na koncu sešteti za vse elektrarne. V primeru neuspešnega razbremenjevanja so v poročilu navedeni samo preobremenjeni vodi skupaj s pretoki navideznih moči in njihovimi maksimalnimi dopustnimi obremenitvami. 4 Sklep Članek predstavlja računalniški program za načrtovanje ukrepov pri razbremenjevanju preobremenjenih prenosnih poti po metodi prerazporeditve proizvodnje delovne moči. Program je namenjen pomoči upravljavcu prenosnega omrežja pri vodenju elektroenergetskega sistema kot tudi preverjanju in evalvaciji njegovih ukrepov s strani regulatorja. Regulator, to je Agencija za energijo RS, je bil naročnik programa. Program je izdelan za MS Windows platformo in združuje preprosto uporabo, preglednost, in učinkovitost razbremenjevanja po izbranem postopku. 5 Literatura [1] D. Grgič, F. Gubina, R. Golob, Razbremenjevanje kritičnih prenosnih poti v pogojih trga z električno energijo, Elektrotehniški vestnik, Letnik 68, Št. 2-3, [2] Študijska naloga Izdelava računalniško podprtega orodja za določanje prepustnosti omrežij (transfer capability) ter načrtovanje ukrepov za razbremenitev kritičnih prenosnih poti (congestion management), izvajalec Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, naročnik Ministrstvo za gospodarske dejavnosti, [3] Matlab Optimization Toolbox User s Guide, MathWorks, Inc.; version 2, January [4] Vladimir Batagelj: Optimizacijske metode (skripta v pripravi), oktober [5] Energetski zakon, Uradni list Republike Slovenije št. 79/99, Ob. 3757,

5 Rac unalnis ki program za razbremenitev kritic nih prenosnih poti Slika 4. Algoritem izboljs ane metode z uporabo izrac una pretokov moc i Figure 4. Improved algorithm with load flow calculation Slika 5. Algoritem izboljs ane metode z uporabo izrac una pretokov moc i Figure 5. Improved algorithm with load flow calculation 9

6 David Grgič je diplomiral leta 1995, magistriral leta 1998 in doktoriral leta 2001 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Od leta 1995 je zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko, Katedra za elektroenergetske sisteme in naprave. Vodi vaje pri predmetu Obratovanje in načrtovanje EES. Njegovo raziskovalno delo je povezano z obratovanjem elektroenergetskih sistemov. Marko Bajec je predavatelj na Fakulteti za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani. Diplomiral je iz računalništva leta Isto leto se je vpisal na podiplomski študij računalništva. Magistriral je leta 1998, doktoriral pa leta V okviru Katedre za informatiko se ukvarja z razvojnimi tehnologijami in razvojem ter prenovitvijo informacijskih sistemov. Marko Bajec je član društva Slovenska informatika, združenja AIS (Association for Information Systems) in član programskega odbora posvetovanja Dnevi slovenske informatike. Robert Golob se je rodil 23 januarja 1967 v Novi Gorici. Na Fakulteti za elektrotehniko je diplomiral leta 1989, magistriral leta 1992 in doktoriral leta Po doktoratu je eno leto prebil na podoktorskem izpopolnjevanju na Georgia Tech v ZDA. Po vrnitvi se je zaposlil na Fakulteti za elektrotehniko kot docent za področje energetskih pretvornikov in proizvodnje električne energije. Leta 1999 je opravljal funkcijo državnega sekretarja za energetiko. Marko Senčar se je rodil 20. avgusta 1963 v Mariboru, kjer je leta 1987 diplomiral in leta 1992 magistriral na Tehniški fakulteti. Deloval je na področju varnostnih in razpoložljivostnih analiz v večjih elektroenergetskih sistemih v Sloveniji in Švici. Po vrnitvi je bil na pristojnem ministrstvu vključen v pripravo in uvedbo trga z električno energijo v Sloveniji. Od leta 2001 je pomočnik direktorja Agencije za energijo. Ferdinand Gubina se je rodil 16. maja 1939 v Sloveniji. Diplomiral je leta 1963, magistriral leta 1969 in doktoriral leta 1972 na Fakulteti za elektrotehniko. Od leta 1963 je bil vodja oddelka za obratovanje EES na Elektroinštitutu Milan Vidmar. Leta 1970 je eno leto raziskoval in poučeval na Ohio State University v ZDA. Od leta 1988 je redni profesor na Fakulteti za elektrotehniko. Področje njegovega dela je obratovanje in vodenje elektroenergetskih sistemov.