Планирање дистрибутивних мрежа са дистрибуираном производњом Ненад Марковић (Author) Факултет техничких наука, Чачак, Електротехничко и рачунарско инжењерство, Електроенергетика, школска 2013/2014. година e-mail shone1990srb@gmail.com Ментор рада: проф. др Владица Мијаиловић Апстракт У оквиру рада су описанe и практично приказане методе за планирање дистрибутивних мрежа. Начин правног уређења, методе којима је одређена снага прикључења ФН система. Описан је практичан пример прикључења ФН система у Шведској у НН мрежи. Приказани су и резултати мерења који су добијени већ унапред дефинисаним прорачунима. Новост је коришћење Њутн-Рапсоновг модела за прорачун токова снага у дистрибутивној мрежи. Након прорачуна се може одредити колика вршна снага може да се прикључи на дистрибутивну мрежу. Врло је важна улога оператера дистрибутивног система. Важна ставка је промена релејне заштите. Закључено је да ако се дозволи кршење напонских ограничења у појединим случајевима, вршна снага ФН система се вишетруко појачава. Такође, коришћењем пробабилистичких метода је избегнуто скуп ојачавање мреже што олакшава посао оператерима дистрибутивног система. Кључне речи Вршна снага ФН система, планирање дустрибутивне мреже, прорачун токова снага. 1 УВОД Како се у свету све више забрањује употреба нуклеарног горива, све већи простор се оставља за примену обновљивих извора енергије. Пројектовање и имплементација ФН система мора бити и економски оправдана, а на месту прикључења мора доћи до побољшања напонских прилика. Због интеграције дистрибуиране производње, мора се променити начин планирања дистрибубних мрежа. Ако је приступ планирања детерминистички, напонска ограничења се морају поштовати у 100% случајева, појачавање мреже је обавезно и вршна снага ФН система је мања. Ако је приступ планирања пробабилистички, користи се итеративна метода за прорачун и користи се функција нормалне расподеле. Дозвољава се кршење напонских ограничења у неком временском опсегу. Због тога се може прикључити већа инјектирана снага и оператер дистрибутивног система има мање проблема. Процес пројектовања прати и примена препорука које проистичу из законских обавеза и инжењерске праксе. Циљ што бољег пројектовањаје минимизација трошкова и максимизација профита. 2 ДИСТРИБУИРАНИ ИЗВОРИ ЕНЕРГИЈЕ Енергија ветра постаје све популарнија у Свету. Инсталисана снага ветроелектрана достиже 282,3 MW. Инсталисана снага је 2011. године покрила 3% светске потражње. Енергија Сунца добија огормну популарност и бележи се пораст инсталисане снаге сваке године. Постоје ФН електране и соларне електране са концентрирајућим огледалима (CSP). ФН системи почивају на принципу фотоелектричног ефекта. У том процесу се енергија Сунчевог зрачења претвара у електричну енергију. Код CSP електрана топлота се претвара у механичку, а затим и у електричну енергију. CSP електране се називају и STE (solar thermal electricity) електране. Слика 1: Општа шема фотонапонске електране
3 ПЛАНИРАЊЕ ДИСТРИБУТИВНЕ МРЕЖЕ У ЕРИ ПАМЕТНИХ МРЕЖА Укупна инсталисана снага дистрибуираних извора је у сталном порасту врло је важан елемент у паметним мрежама. Али још увек постоје техничке, правне и друге баријере приликом интеграције DG (дистрибуираниx генераторa). Проблеми који се јављају приликом прикључења DG-а на мрежу су : - Како наћи оптималну локацију; - Колика ће бити инсталисана снага; Планирање и пројектовање дистрибутивних мрежа се дели у три фазе: - Стратешко или дугорочно планирање које подразумева велике инвестиције у мрежи у блиској или даљој будућности ; - Краткорочно планирање које подразумева инвестиције средње или мале вредности у мрежи у блиској будућности ; - Пројектовање - у смислу пројектовања сваког дела мреже (пројектовање водова и њихове трасе, избор каблова и њихових траса, правилан избор трансформатора, избор релејне заштите и помоћ при пројектовању SCADA система за надзор и управљање мрежом); Проблеми са којима се пројектанти мрежа сусрећу приликом дугорочног планирања су : - Лоше постављени захтеви који нису добро сагледани са становишта практичне реализације ; - Игнорисање или занемаривање напонских ограничења; - Игнорисање питања поузданости мреже; - Погрешан избор пресека каблова и њихових траса ; - Погрешан приступ проблематици који не гарантује оптималан рад мреже ; Алгиритми који се користе као решења приликом планирања мрежа баве се порастом потрошње а не дистрибуираном производњом. Оптимизационе методе сe деле на методе са математичким програмирањем и хеуристичке методе. Математичко програмирање налази оптимално решење постављањем проблема помоћу математике и те методе укључују методе линеарног програмирања, нелинеарног програмирања. Мана ових метода је да коначно решење зависи од почетне поставке која је апроксимација. Термин хеуристички се користи за описивање техника које користе корак по корак (step by step) начин за решавање помоћу генеричких алгоритама, процене и избора могућих алтернатива. Многи начини су хибриди и велика су помоћ за решавање проблема приликом планирања мрежа. Хеуристички методи су постали много популарни због тога што врше апроксимацију решења које је најсличније општем решењу. Мана математичких метода је задавање иницијалне вредности, док је мана хеуристичких метода немогућност проналаска оптималног решења. Модел планирања који користи стохастички излаз дистрибуираног извора је пример статичког планирања. То је двостепени хеуристички метод који комбинује два начина претраге да нађе опште оптимално решење. Прво се изведе Large Neighborhood Search који користи стохастичке алгоритме да би истражио огроман простор решења. Затим се изведе Guided local search који је доста бржи да би се нашао општи оптимум. На овакав начин се у једној мрежи могу пронаћи све могуће тачке прикључења. Као решење за динамичко планирање дистрибутивних мрежа са DG су алгоритми засновани на псеудо - динамичком програмирању. Генерчким алгоритмом се одреди оптимална вредност инвестиције на крају периода планирања, док се у трећој или четвртој фази планирања пореди производња из DG и захтевана потрошња. Генерички алогритми су добри у проналажењу општих решења, али лоши у проналажењу оптималних решења.због тога се у планирању користе хибридни генерчки алгоритми који укључују и оптималне токове снага (optimal power flow - OPF). Предложени модели развијају мрежу тако да DSO не одлучује о локацији DG. Модели могу да пронађу све могуће тачке прикључења DG и то је од велике помоћи приликом дугорочног планирања дистрибутивних мрежа. Методе подразумевају програмирање са сагледаним физичким и практичним ограничењима мреже. Могуће је одредити напонска ограничења, термичка ограничења, оптималне трасе каблова, оптималне пресеке каблова итд. Ако је у специјалним условима дозвољено кршење ограничења, може се одредити за коју вредност ће ограничење бити прекршено и са коликом вероватноћом.
4 УТИЦАЈ ПРАВНЕ РЕГУЛАТИВЕ НА ДИСТРИБУТИВНЕ МРЕЖЕ СА ДИСТРИБУИРАНОМ ПРОИЗВОДЊОМ Приликом планирања дистрибутивних мрежа у Европи, DSO одлучује да ли ће да ојача мрежу или да прикључи дистрибуирани извор, према чл. 14/7, директиве 2003/54/EC. Како проценити предности дистрибуиране производње за различите играче на тржишту (DSO, произвођачи, потрошачи ) зависи од правне регулативе. Неколико играча је укључено у интеграцију дистрибуираних извора на мрежу (DSO, пројектанти дистрибуираног извора и правно лице које уређује односе). Да би се проблем интеграције DG у мрежу добро сагледао мора се извршити техно - економска анализа. Правни оквири дефинишу како се одређују капитални трошкови (CAPEX) и погонски трошкови (OPEX). У правним оквирима се морају одредити: сви приходи, мрежне тарифе, подстицај за изградњу додатних капацитета и погонски услови у којима мрежа ради. Правни прописи могу имати велики утицај на приходе оператора дистрибутивног системa, трошкове произвођачa, поузданост мреже и њен степен искоришћења. 5 ДЕТЕРМИНИСТИЧКИ И ПРОБАБИЛИСТИЧКИ МЕТОД ЗА ИНТЕГРАЦИЈУ ФН СИСТЕМА НА ДИСТРИБУТИВНУ МРЕЖУ ФН системи мале снаге се обично прикључују на НН мрежу (напонски ниво < 1 kv). У НН мрежи је тенденција пораста инсталираних ФН система висока, тако да се сваки DSO ослања на безбедне и једноставне смернице (упутства, техничке препоруке) да би интегрисао ФН систем у мрежу. Због променљиве производње све смернице за прикључење се заснивају на најгорем могућем сценарију који подразумева да се напонска ограничења неће прекршити при највећој производњи и најмањој потрошњи. Као најважнија ставка се сматрају напонска ограничења. Дистрибуирани извори се могу прикључивати на мрежу докле год она може да прихвати њихову пуну снагу. У супротном, мора се вршити ојачавање мреже које је дуготрајно и веома скупо. Оваква чињеница се сматра претераном зато што дистрибуирани извори имају интермитентну производњу (ФН системи, ветроелектране) и не могу да испоруче своју инсталисану снагу 24/7. У том случају, ојачање мреже би било непотребно и неисплативо зато што би се погрешно проценила вредност снаге коју ће произвести дистрибуирани извори. Напонска ограничења са детерминистичким приступом морају бити задовољена у 100% случајева, док у стварности није такo, ограничења се краткотрајно крше и то је дозвољено. Да је приступ детерминистички онда би се вршила беспотребна ојачања мреже, јер се на самом почетку мрежа сматра јако слабом. Због тога, у прорачуне се уводи пробабилистичка методологија за процену поузданих вредности напона. Коришћење оваквих метода је од велике помоћи DSO- у. Излазна решења нису само вредности снага већ и приказ слабих чворова који утичу на вредности снага. Узима се у обзир варијабилна производња дистрибуираних извора и пробабилистички критеријуми планирања. Пробабилистички приступ захтева дефинисање пробабилистичких вредности оптерећења и производње из ФН система да би се одредила пробабилистичка ограничења напона приликом одређивања капацитета чвора. Линеарном моделу мреже са детерминистичким приступом се додају пробабилистичка напонска ограничења. Капацитет чвора се одређује у односу на вршну снагу ФН система пошто се излазна снага ФН панела дефинише вршном снагом (Watt peak - Wp).
Предложени метод може да одреди вршну снагу ФН система у НН мрежи, као и слабе чворове који постављају ограничења према пробабилистичким варијацијама напона. Алгоритам прорачуна је приказан на следећој слици. Слика 2: Алгоритам прорачуна вршне снаге ФН система пробабилистичким приступом Њутн - Рапсонова метода прорачуна токова снага се користи при потврди симулације, уместо линеарног прорачуна токова снага. Њутн - Рапсонов метод захтева иницијалне вредности да би започео прорачун, капацитет чвора се одређује итеративном методом. Вршна снага ФН система се благо повећава до појаве вероватноће кршења напонских ограничења. Ова вероватноћа се представља максималним бројем сати у којима је кршење напонских ограничења дозвољено (Hlim). Резултати добијени предложеном методом су иницајлне вредности од којих крећу итерације. Слика 3: Алгоритам прорачуна вршне снаге ФН система НР методом са пробабилистичким приступом
6 ПРАКТИЧАН ПРИМЕР ИНТЕГРАЦИЈЕ ФН СИСТЕМА У ДИСТРУБУТИВНУ МРЕЖУ У случају прикључења ФН електарана мале снаге није потребно ојачавати мрежу. Према томе сваки сценарио мора поштовати следећа 2 захтева: 1. Укупна инсталисана снага након прикључења последње ФН електране не сме прећи ограничења у смислу назначене снаге доводног трансформатора. Забрањен је рад трансформатора у преоптерећењу. 2. Снага коју постојеће ФН електране инјектирају у мрежу је у оквирима испуњења напонских ограничења дефинисаних правилима. Детерминистички приступ захтева да се напонска ограничења никада не смеју прекршити, што значи, да најгори могући случај дефинише капацитет (снагу) чвора да се не би прекршило напонско ограничење у износу од 0,1 r.j. Описаном детерминистичком методом је одређена вршна снага чија је вредност врло ниска. Пробабилистичким приступом су добијене много веће вредности снага због дозволе кршења напонских ограничења. Додатна потврда је метода прорачуна помоћу Њутн-Рапсонове методе прорачуна токова снага. Дозвољено време кршења напонских ограничења износи 8 часова недељно (5%) што је дефинисано законском регулативом. Коришћењем ове методе прорачуна оператер дистрибутивне мреже може боље сагледати проблематику интеграције обновљивих извора енергије тако да испуни све захтеве који се од њега очекују. 7 ЗАКЉУЧАК Модел планирања НН мреже је приказан прикључењем ФН система. Уочено је да локације и снаге претходно инсталисаних ФН система имају утицај на капацитет сваког чвора у мрежи. Методе је могуће користити у практичном раду. Додатна потврда прорачуна је коришћење Њутн - Рапсоновог метода токова снага. Модел НН мреже је користио пробабилистичка ограничења напона. Извршено је поређење трошкова планирања мреже са пробабилистичким ограничењима и детерминистичким ограничењима. Закључено је да се пробабилистичким приступом остварују велике уштеде. Ове предности произилазе из оперативне способности мреже, оптерећења мреже, њене старости и стандарда које захтева DSO. У овом раду је приказано како законска регулатива утиче на оператера диструбутивне мреже. Методе мрежног планирања морају да испуне законске оквире који се стално мењају. Корисно је анализирати који се економски подстицаји дају оператеру дистрибутивне мреже да стимулише прикључење дистрибуираних извора енергије. Аутор се посебно захваљује свом брату на корисним сугестијама, које су допринеле изради мастер рада. ЛИТЕРАТУРА [1] Master thesis, Optimisation of a photovoltaic power plant, Anne-Cecile Bonhomme, KTH, Stockholm, Sweden, 2010. [2] Licencate thesis, Electricity distribution network planning considering distributed generation, Yalin Huang, KTH, Stockholm, Sweden, February 2014. [3]Svensk Energi, Anslutning av mikroproduk til konsumtionsanlaggningar MIKRO, volume 50. Swedenenergy, 2011.