Post on 05-Mar-2021
1
EidgenössischeTechnische Hochschule
Zürich
Ecole polytechnique fédérale de ZurichPolitecnico federale di Zurigo
Swiss Federal Institute of Technology Zurich
Prof. Dr. Rainer Bacher, ETH Zürich, ETL J34, CH 8092 Zürich, Switzerland
Elektrische Energieübertragung
Modelle, Planung und Betrieb elektrischerEnergiesysteme und -prozesse
Stichworte: Steuerung, Simulation, Leittechnik,Mathematische Algorithmen und Modelle,
Informationsmodellierung und –management,Strommarkt – ökonomische Aspekte,
Energieemissionen – ökologische Aspekte,Neue Formen der elektrischen Energieübertragung
2
Wichtigste Schweizer Hochspannungsleitungen
Quelle: Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke (VSE), http://www.strom.ch/
Grössere Schweizerische Kraftwerke (Hydraulisch, Nuklear)
Quelle: Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke (VSE), http://www.strom.ch/
3
Die Höchstspannungsleitungen in Deutschland
Quelle: VDE, Deutschland http://www.vde.de, http://www.vdew.de
4
Schema eines Hochdruck-Hydro-Kraftwerkes
Quelle: Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke (VSE), http://www.strom.ch/
Stausee im Alpenraum
Quelle: Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke (VSE), http://www.strom.ch/
5
Schema eines Fluss-Laufkraftwerkes
Quelle: Verband Schweizerischer Elektrizitätswerke (VSE), http://www.strom.ch/
6
Deregulierung der elektrischen Energieübertragung: Einsatzvon Technik unter ökonomischen und ökologischen Aspekten
Prof. Dr. Rainer Bacher, ETH Zürich ETH; 22.11.96; Nr. 12
S trom a ls tr a nsp or tie r te W a r e
KW
LastKW
Last
0
KW
LastKW
Last
100
100
100100
Netz
Netz
Verkauf/Kaufmöglich mit Netz
TechnischeRealisierung
Prof. Dr. Rainer Bacher, ETH Zürich ETH; 22.11.96; Nr. 22
S trom a ls W a r e im M a rk t
KW
KW
KW
Last
Last
Last
Last
KW
KW
KW
Last
Last
Last
Last
M a r k tve r ha lte n te c hn isc he s V e r ha lte n
7
Mathematik / Optimierung / Simulation als wichtigesHilfsmittel zur Beherrschung der Technik !
May 14, 1997 PICA’97, R. Bacher Page 4
Solution approach:Solution approach: Lagrangian Lagrangianand KKTand KKT-Optimality Conditions-Optimality Conditions
May 14, 1997 PICA’97, R. Bacher Page 25
685: 685: LagrangeLagrange, f, , f, log(Max. log(Max. MismMism.).)
8
Software Engineering / Informationstechnik / TechnischeInfomatik: Unterstützende Techniken der Energietechnik derZukunft
May 14, 1997 PICA’97, R. Bacher Page 7
SpecificationSpecification - Adaptation - - Adaptation -Problem Problem solutionsolution
Domain problem solver (C)
generates variable parts of
Symbolic domain specification (A)
Symbolic domain codegeneration program (B)
Numeric problem solution
Domain problem data
Maple
C++
Data
is input to
influences access to
is input to
computes iteratively
Hard-coded domainpartsconstitute parts of
May 14, 1997 PICA’97, R. Bacher Page 23
Concrete ... AbstractConcrete ... AbstractDetailed ... IndependentDetailed ... Independent
Independent
Detailed
Concrete Abstract
Domain
Implementation
Architecturalstyles
Frameworks
Object designpatterns
Kits
Domain modelsApplication
9
ElectroNet: Austausch von Information / Daten zwischenElektrischen Energiesystemen (EU Projekt, ESPRIT IV, No.22297)
Fig 1 - The grouping of ElectroNet schemas
Connectivity and state resources
connectivity_ schema
zooming schema
state and versioning_schema
controller_schema
activity_schema
administrative_object_ schema
activity and administrative resources
property resources
simple_property_schema
matrix_property_schema
grouped_property_schema
dependant_property_schema
unit_of_measure_schema
high_level_entity_framework_ schema
Generic resources
schematics and location resources
schematic_drawing_schema
location_schema
curve_component_schema
appearance_schema
classification_schema
property_rules__schema
Fig 2.1 - High Level Entity Framework schema
activity_schema.activity
thing
(ABS) object classification_schema.
class_of_thing
STRINGname_id
1
(ABS) association
connectivity_schema.physical_object
simple_property_schema.property
schematic_drawing_schema.schematic_drawing
location_schema.location
administrative_object_schema.administrative_object
controller_schema.control_variable
1
Fig 4.1 - Connectivity schema
t_type
role
type_of_terminal
role_of_terminal
possessing possession_of_terminal_by_
functional_unit
from_side
connection_of_functional_unit_terminal
functional_unit_terminal
possessed
flow
flow_direction
system_area
network
possessing
to_side
to_side
possession_of_terminal_by_equipment
connection_of_equipment_terminal
from_side
equipment_terminal
possessed
physical_object
equipment
functional_unit
allocation_of_functional_unit_to_equipment
allocating
allocated
partwhole
(ABS) composition_of_physical_object
assembly_of_physical_object
collection_of_physical_object
1
classification_of_physical_object
classifier
classified
classification_schema.class_of_physical_object
high_level_entity_framework_schema.object
1
(INV) of_terminal
10
Elektrischer Strommarkt: Modell Poolbasierter Strommärkte
2SWLPLHUHQ�PLW�]ZHL7HLOQHKPHUQ
Leistung$
/ Lei
stun
g
Last
Kostenkurve
MCP
Biddingkurve
)XQNWLRQ�GHU(QHUJLHE|UVH
è(LQJDEH�HUVWHV�$QJHERW�HUVWH�.RRUGLQDWLRQ�.RUUHNWXU�XQG�]ZHLWHV�$QJHERW�]ZHLWH�.RRUGLQDWLRQ�$XVI�KUXQJ
10:00 12:00 13:00 15:00
è � � � �
Nachfrage
Leistung
$ / L
eist
ung
Angebot
MCP
Leistung
$ / L
eist
ung
Lasten
Generatoren
MCP
5HVXOWDWH
❚ )�U�LGHQWLVFKH�.RVWHQNXUYHQ�JLOW�GHU�QLFKWVWUDWHJLVFKH�7HLOQHKPHUHU]LHKOW�LPPHU�HLQHQ�K|KHUHQ�*HZLQQ�DOV�GHU�VWUDWHJLVFKH�
❚ 6XPPH�DOOHU�3URILWH�LVW�QXU�GDQQPD[LPDO��ZHQQ�DOOH�7HLOQHKPHU�LKUHZDKUHQ�.RVWHQ�ELHWHQ�'�K��HV�ZLUG�GHU�%UDQFKH�3URILWHQW]RJHQ�
❚ (V�LVW�QXU�HLQH�8PYHUWHLOXQJ�GHV3URILWHV�P|JOLFK�
11
Elektrischer Strommarkt: Organisationsformen
California (Quelle: PICA’97 Tutorial: Dr. Alex Papalexopoulos)
Norway (Quelle: PICA’97 Tutorial: Dr. Nils Flatabo)Systemoperator
Marketoperator
Market participants(generators)Stage/cycle
Calculationof T/D tariffsYearly
Price forecastingMonthly/weekly w.v. calculation/
Risk analysis
Load forecastand price area
definitionSpot market
clearing
Preliminary schedulesand spot bids
Merit orderprice list Final schedules
and regulating bidsOverview onschedules
and reserves
Deviationfrom plan
Secondarycontrol
AccountingInvoicing
Spotstage
Preoperational
stage
Daily
Operationalstage
Postoperational
stage
3
California Market StructureGG11 GG22
SupplySupplyAggregator #2Aggregator #2GGGG
UtilityUtilityDistribution Co.Distribution Co.
UtilityUtilityDistribution Co.Distribution Co.
• Energy required to meet theresidual loads not served bybilateral contracts
• Supply and demand bidding
• Economic generation dispatch
• Visible market clearing price forbid-in generation
GGGG
Power ExchangePower ExchangeGeneration MarketGeneration Market
GG
Independent System OperatorIndependent System Operator
•• Day-Ahead Planning/IntegrationDay-Ahead Planning/Integration•• Non-Discriminatory AccessNon-Discriminatory Access•• Real-Time Energy Balancing Real-Time Energy Balancing •• Mandatory Protocols Mandatory Protocols •• Iterative Process Iterative Process •• Ancillary Services Ancillary Services •• Settlements Settlements •• Regional Grid Control & Dispatch Regional Grid Control & Dispatch •• Similar to Air Traffic ControllerSimilar to Air Traffic Controller
SupplySupplyAggregator #1Aggregator #1
GG22GG11 GG33
Ancillary ServiceAncillary ServiceMarketMarket
CCCCCCCC CC CC CC
UtilityUtilityRetailerRetailer
Bid-in GenerationBid-in Generation
Bilateral ContractsBilateral Contracts
Non-Utility RetailerNon-Utility RetailerNon-UtilityNon-Utility
RetailerRetailerUtilityUtility
RetailerRetailer
12
Energiesystem-Applikationen auf dem Internet-WWW
13
Modernes Software-Engineering angewendet aufApplikationen im Gebiet der elektrischen Energiesysteme
May 14, 1997 Tutorial PICA’97, R. Bacher Page 1
Example for power applicationsExample for power applicationsdevelopment: Optimizationdevelopment: Optimization
Originalproblem
Modifiedproblem
Lagrangian
May 14, 1997 Tutorial PICA’97, R. Bacher Page 14
One solution method: NewtonOne solution method: Newtonapplied to Lagrangianapplied to Lagrangian
Main iterativestep
Hessianof Lagr.
Jacobian ofequ. constr.
14
„Unlimited Point“ - Algorithmus zur Optimierung ElektrischerNetze
27.11.97 G. Tognola Seite 7
Transformierte KKT-Bedingungen:Lösung mit Newton-Raphson
( )
{ } 0z
0zxh
0xg
0xhxgxx x
=
=+=
=++∂∂
)(
)(
)()()(
22
2
2
rs
r
TsT
diag ˆˆ
ˆˆ
ˆ
ˆˆF ˆ
Transformierte KKT-Bedingungen
Lösung mitNewton-Raphson
27.11.97 G. Tognola Seite 14
Verlustoptimierungeines 685-Knoten Netzes
Nach PF Nach OPF Verbesserung Anz.MW MW % Iter.
1393.68 1243.78 10.75 23
27.11.97 G. Tognola Seite 9
Software-Entwicklung desOPF-Algorithmus
Muster fürF(x), g(x), h(x)
Jacobi TeilmatrizenRHS Teilvektoren
Unterroutinen
NetzdatenKonfiguration
Reihenfolgealler Variablen
Jacobimatrixrechte Seite
NR
Lösung
Maple Fortran Daten
Algebraisch/Symbolisch Numerisch
15
Optimierung von Energiesystemen mit FACTS (Flexible ACTransmission Systems)
FACTS (Flexible AC Transmission Systems) sind leistungselektronische Systeme, dieeingesetzt werden können, um die Übertragungskapazität des Netzes zu erhöhen, und um eineflexible und direkte Kontrolle der Übertragungsnetze zu erzielen.
Ziel dieses Projekts ist der Einsatz von FACTS Geräten in Modellnetzen und die Bewertungder Effizienz bei der:
• Erhöhung der Übertragungskapazitäten• Regelung des Wirkleistungsflusses• Verminderung von Energieverlusten
16
Einsatzplanung hydraulischer Kraftwerke unter stochastischenBedingungen
Im folgenden, stark vereinfachten Beispiel wird die mittelfristigeEinsatzplanung eines Pumpspeicher-Kraftwerks für 6 Zeitperioden dargestellt.Wegen den stochastischen Eingabedaten ergibt sich eine Schar vonSpeicherabsenkkurven, welche die verschiedenen Entscheide darstellen (Bild 1).Der finanzielle Ertrag ist eine diskrete Zufallsvariable, deren Verteilung durcheine entsprechende Quantisierung durch ein Histogramm dargestellt wird (Bild2). Bereits in diesem Beispiel für nur 6 Zeitintervalle, ist ein starker Einfluss derStochastik feststellbar.
0 1 2 3 4 5 60
25
50
75
100
Bild1: Speicherabsenkkurven der verschiedenen Szenarien. Der Speicherinhaltist in % auf seinen maximalen Inhalt bezogen.
60 80 100 120 1400
0.03
0.06
60 80 100 120 1400
0.2
0.4
Bild2: Ertragsverteilung in % bezogen auf den Erwartungswert und das darausabgeleitete Histogramm
17
Systemtechnische Evaluation unterschiedlicher Marktmodelleeines offenen Strommarktes
Die Elektrizitätsversorgung unterliegt weltweit einem Wandel, wie die bereitserfolgten strukturellen Veränderungen in Europa, Südamerika und Australiensowie die in Diskussion stehenden Schritte in den USA und in Europa zeigen.
Unter Voraussetzung von bilateralen Strom- und Energieaustauschgeschäftendurch ein von einem Netzbetreiber betriebenes Übertragungsnetz werden fürgegebene Last- und Erzeugungszustände die Abgaben für die Nutzung vonStromkreisen und für die verursachten Verluste bestimmt.
18
Neuronale Netze zur Lastmodellierung in Verteilnetzen
Der Lösungsansatz dieses Projekts zur Bestimmung einesLastbestimmungsmodell beruht auf kurzzeitigen Messungen zu verschiedenenJahreszeiten (Stichproben) und einer geeigneten Simulation, welche statistischesWissen über jahreszeitliche Veränderungen verschiedener Lastkomponentenausnützt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Trennung der Last in einzelneKomponenten: die zeitlich invariante Haushaltgrundkurve (HHGK), die Boiler-und Heizlast sowie die saisonal stark schwankende Lichtlast.
Ziel dieses Projekts ist die Umsetzung des Lastbestimmungsmodels in Formeiner möglichst einfachen, bedienerfreundlichen Software, welche als neuesWerkzeug für die effiziente Planung und den wirtschaftlichen Betrieb vonNiederspannungsnetzen in der Praxis eingesetzt werden kann.
I0 = 1
I2
In
I1
.
.
.
w0
w1
wn
w2 S
Ii : Eingangsaktivitäten
wi : Synaptische Stärken (Gewichte)
: Totale Erregung = wi * Ii
S : Aktivierungszustand S = f ( )
f : Aktivierungsfunktion
Das künstliche Neuron
I0
Input
Hidden Layer 1
Hidden Layer 2
Output
I1 I2 I3 In
...
Sk
Sj
wij
wjk
wkl
Oi
...
...
Das Multilayerperceptron
- Automatisierung der Identifikation und Trennung der verschiedenen Lastkomponenten
=> Automatische Identifikation der Haushaltgrundkurve=> Automatische Identifikation der Haushaltgrundkurve
Ziele der künstlichen neuronalen Netze
0
200
400
600
800
1000
1200
1400Bandlast Haushalte Boiler Gewerbe
Trennung der verschiedenen Lastkomponenten