Elektrische Energieübertragung - ETH Zpeople.ee.ethz.ch/~bacher/ · 1999. 3. 25. · 100 Bild1:...

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)


3

Die Höchstspannungsleitungen in Deutschland

Quelle: VDE, Deutschland http://www.vde.de, http://www.vdew.de

4

Schema eines Hochdruck-Hydro-Kraftwerkes


Stausee im Alpenraum


5

Schema eines Fluss-Laufkraftwerkes


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


685: 685: LagrangeLagrange, f, , f, log(Max. log(Max. MismMism.).)

8

Software Engineering / Informationstechnik / TechnischeInfomatik: Unterstützende Techniken der Energietechnik derZukunft


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


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


Verlustoptimierungeines 685-Knoten Netzes

Nach PF Nach OPF Verbesserung Anz.MW MW % Iter.

1393.68 1243.78 10.75 23


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

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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

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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.

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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

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