Elektrotehniski vestnik 70(1-2): 5–10, 2003Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija

Racunalniski program za razbremenitev kriticnihprenosnih poti

David Grgic1, Marko Bajec2, Ferdinand Gubina1, Robert Golob1, Marko Sencar3

1Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Trzaska 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija2Fakulteta za racunalnistvo in informatiko, Univerza v Ljubljani, Trzaska 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija3Agencija za energijo RS, Svetozarevska 6, SI-2000 Maribor, SlovenijaE-posta: david.grgic@fe.uni-lj.si

Povzetek. Clanek opisuje program za pomoc pri nacrtovanju ukrepov in evalvacijo razbremenjevanja kriticnihprenosnih poti v slovenskem elektroenergetskem sistemu. Program je bil izdelan v okviru studijske naloge,narocnla ga je bila Agencija za energijo RS. V programu je implementirana metoda razbremenjevanja sprerazporeditvijo proizvodnje delovnih moci. Program je zasnovan modularno iz vec blokov, in sicer lokalne bazepodatkov, uporabniskega vmesnika za vnos in urejanje podatkov ter pregled rezultatov, modul izracuna optimalneprerazporeditve proizvodnje in del za pripravo standardiziranih porocil z rezultati izracuna. V clanku jepredstavljen tudi predviden koncept dela s programom.

Kljucne besede: racunalniski program, razbremenjevanje vodov, pretoki moci, linearno programiranje,deregulacija elektroenergetskega sistema

A Computer-Aided Program for Congestion Management

Extended abstract. After the deregulation of the Slovenianpower system, a countertrade congestion management approachwas proposed. The goal was to prevent transmission line over-loading with active power redispatch. Since this is a mathemat-ically intensive task, the national Energy Agency has purchaseda computer program for congestion management based on theproposed approach.

The computer program is designed modularly (Figure 1). Itconsists of the main module with a graphic user interface andvarious submodules, such as database connection, calculation ofthe 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 modulehas been developed in Borland DelphiTM 5.0 and compiled intothe WindowsTM application (Figure 2).

The mathematic core of the program is located in the blockCM MAT (Figure 1). Here, an optimization algorithm is coded.It calculates optimal redispatch of the active power productionto prevent transmission line overloading. This is the reason whythis module was developed in Matlab and then compiled as astand-alone application. The communication between this blockand the main module (CM) was made via input/output files.

The database (Figure 1) in which the power system param-eters are stored was developed in MS Access. Because of thesensitivity of the data in the database, access to these data issecured with a user login.

Handling with the application usually begins by analyzingthe operating states for the following day. They are the re-sult of electricity trading for the current day. To simplify theuser’s determination of critical operating state, loading of par-ticular transmission lines can be graphically represented (Figure4). In such presentation each line is supplemented with two his-

Prejet 10. maj, 2002Odobren 12. december, 2002

tograms, one for the relative loading before congestion manage-ment and the other after it.

In the initial operating states, where some lines are over-loaded, congestion management is utilized. Figure 3 shows howthese operating states can be selected. Calculating the optimalactive power production redispatch follows this managementscheme and results are returned into the database. There, theycan be viewed in a table format or again represented in a graphicform (Figure 4).

Reports containing results of the congestion managementare prepared (Figure 5) and can be saved for a later use. Theycan be printed and stored as a hard copy, too.

Key words: computer program, power line congestion man-agement, power flows, linear programming, deregulated powersystems

1 Uvod

Uvajanje trga z elektricno energijo v slovensko elektro-gospodarstvo zahteva nove resitve vodenja obratovanjasistema, ki zagotavljajo zanesljivo in kakovostno obra-tovanje elektroenergetskega sistema (EES). Vecina tehresitev spada v sklop sistemskih storitev, med njimi tudirazbremenjevanje kriticnih prenosnih poti. Za sloven-ski EES je bila predlagana resitev s prerazporeditvijoproizvodnje delovne moci [1,2]. Postopek dolocanja op-timalne prerazporeditve, ki odpravi vse preobremenitve vsistemu, kot tudi njena evalvacija in preverjanje resitev,

6 Grgic, Bajec, Gubina, Golob, Sencar

zaradi racunske zahtevnosti kot tudi zaradi velikega ob-sega vhodnih podatkov zahteva uporabo racunalniskopodprtega orodja.

Tako je Agencija za energijo RS narocila izdelavoracunalniskega programa, ki ga bo uporabljala za prever-janje odlocitev upravljavca prenosnega omrezja o razbre-menjevanju kriticnih prenosnih poti in pri razresevanjumorebitnih sporov, ki izvirajo iz zavrnitve dostopa doomrezja. Narocnik je zahteval program s sodobnimuporabniskim vmesnikom, ki bi deloval na platformahMS Windows 98 in MS Windows 2000. Sestavni delprograma je tudi baza podatkov o parametrih omrezja inobratovalnih stanjih slovenskega EES za vsak interval tr-govanja na borzi z elektricno energijo.

2 Zasnova programa

Program je zasnovan modularno (slika 1). Osrednjimodul (CM) je program z graficnim uporabniskim vmes-nikom, ki omogoca iteracijo z drugimi bloki. Sem spadapovezava z bazo podatkov in njeno urejanje, izris raznihgrafov in histogramov, zagon izracuna optimalne preraz-poreditve proizvodnje z namenom razbremenitve sistema,izdelava standardiziranih porocil z rezultati izracunov itd.

Modul CM je razvit v okolju Borland DelphiTM

5.0 (BDTM5.0), za katerega smo se odlocili predvsemzaradi narave problema, ki ne zahteva resitev, podprtihz vecnivojskimi arhitekturami. Program je namrec na-menjen delovanju v lokalnem, enouporabniskem okolju,kjer resitev tipa streznik-odjemalec povsem zadosca. Po-leg omenjenega je pri izbiri razvojnega okolja pripo-moglo tudi dejstvo, da BDTM5.0. omogoca hiter razvojkakovostnega in funkcionalnega uporabniskega vmes-nika.

Matematicno jedro sistema (CM MAT) je razvito vokolju Matlab, ki je zaradi dobre matematicne pod-pore racunskim operacijam primernejse kot BDTM 5.0.Programiranje v okolju Matlab poteka prek preprostegaskriptnega jezika, podprto pa je tudi prevajanje pro-grama v samostojno izvrsno datoteko (EXE). ModulCM MAT je tako popolnoma samostojen, kar dovoljujenjegovo neodvisno uporabo in obenem postavlja locnicomed racunskim delom sistema in uporabniskim vmes-nikom. Komunikacija med racunskim delom CM MATin drugimi deli sistema poteka prek vhodno/izhodnih da-totek tekstovnega tipa.

2.1 Uporabniski vmesnik

Ker je program izdelan za operacijske sistemeWindowsTM 98 in WindowsTM 2000, je graficniuporabniski vmesnik prilagojen konvenciji teh okolij(slika 2). Sestavni del programa je tudi pomoc vstandardizirani obliki teh platform.

Slika 1. Blok shema programaFigure 1. Block diagram of the program

2.2 Baza podatkov

Podatki o parametrih elementov elektroenergetskega sis-tema, kot tudi urni podatki o topologiji omrezja, proizvod-njah in odjemih moci so shranjeni v relacijski bazipodatkov, ki temelji na programskem paketu MS Ac-cess. Izbiro katerekoli zmogljivejse baze podatkovsmo zaradi majhnega obsega podatkov kot tudi zaradienouporabniske narave sistema ocenili za nepotrebno. Si-stem je razvit tako, da omogoca morebiten poznejsi pre-hod na drugo bazo podatkov. Baza podatkov obsega polegdrugega za vsako uro tudi ponudbe proizvajalcev za spre-membe njihovih proizvodenj [1]. V prihodnosti je predv-idena povezava te baze podatkov z glavno bazo podatkovAgencije za energijo RS, v kateri se bodo avtomatsko za-jemali podatki iz elektroenergetskega sistema.

Zaradi zaupne narave podatkov je dostop zascitenz geslom. Po prijavi dobi uporabnik moznost pregle-dovanja, urejanja in dodajanja zapisov v bazo podatkov.

2.3 Izracun optimalne prerazporeditve proizvodnje

Matematicni del programa, to je izracuna optimalne pre-razporeditve delovne moci za razbremenitev preobremen-jenih delov prenosnega omrezja, se izvede v moduluCM MAT (slika 1). Zato mora osrednji program CM zaizbrana obratovalna stanja iz podatkovne baze priprav-iti vhodne datoteke za ta program. Modul CM MAT tepodatke prebere, preveri njihovo strukturo in za izbranaobratovalna stanja izvede razbremenjevanje ter rezultatezapise v izhodno datoteko, ki jo lahko nato vnesemo vpodatkovno bazo osrednjega modula CM.

Modul CM MAT je izdelan v razvojnem okolju Mat-lab z uporabo Optimizacijske knjiznice. Program je nato spomocjo knjiznic Matlab Compiler, C/C++ Math Libraryin C/C++ Graphic Library in razvojnega orodja Watcom

Racunalniski program za razbremenitev kriticnih prenosnih poti 7

Slika 2. Uporabniski vmesnik programa Figure 2. User interface

C/C++ preveden v samostojno aplikacijo. Z uporabopreverjenih optimizacijskih algoritmov, ki so del Mat-labove Optimizacijske knjiznice, smo zagotovili hiter inzanesljiv izracun optimalne prerazporeditve delovne mociza razbremenjevanje preobremenitev v elektroenergetskihsistemih.

Modul CM MAT lahko poleg osrednjega programaCM klicejo tudi druge aplikacije, pri cemer je trebaupostevati format vhodno/izhodnih datotek tega pro-grama. S tem smo povecali prilagodljivost programa,saj je lahko matematicni del izracuna razbremenjevanjaprenosnih preobremenitev uporabljen v aplikacijah, kibodo sele razvite.

Metodo razbremenjevanja preobremenitev lahko do-datno izboljsamo z uporabo programa za izracun pretokovmoci [1]. Zato je program CM MAT zasnovan tako, daomogoca klicanje programa za izracun pretokov moci, kije za sedaj se v fazi razvoja. Izmenjava podatkov mednjima poteka prek vhodno/izhodnih datotek.

2.4 Porocila

Program omogoca izdelavo standardiziranih porocil orazbremenjevanju kriticnih prenosnih poti. S tem uporab-nik dobi moznost hitre izdelave porocil, ki jih lahko hraniza poznejso analizo v digitalni obliki ali arhivira v papirniobliki.

3 Uporaba programa

Upravljanje programa poteka prek menijev in gumbov vorodni vrstici. Socasno je lahko odprtih vec oken s pre-gledom razlicnih podatkov in diagramov.

Zamisljen koncept dela s programom je, da uporabniknajprej analizira izbrana obratovalna stanja, npr. za vseintervale trgovanja naslednjega dne. Ker so lahko inter-vali urni, polurni ali krajsi in odslikavajo zasnovo trga zelektricno energijo, nastavimo dolzino intervala oziromastevilo intervalov v enem dnevu v nastavitvah programa.

Pred razbremenjevanjem po izbrani metodi [1] jetreba od proizvajalcev elektricne energije zbrati ponudbeza spremembo proizvodnje delovne moci. Analiza tehponudb je mogoca na dva nacina. Prva moznost je pregledv tabelaricni obliki, kjer so za izbrani casovni interval po-

8 Grgic, Bajec, Gubina, Golob, Sencar

Slika 3. Izbira intervalov za izracunFigure 3. Selection of the time intervals for calculation

dane vse ponudbe vseh proizvajalcev. Se bolj zanimiva paje druga moznost, ko ponudbe analiziramo v graficni ob-liki za vsako posamezno elektrarno, kot prikazuje slika 2v oknu z imenom “Graf ponudb”. Na vrhu okna izberemocasovni interval in elektrarno, v osrednjem delu oknapa se nam izrise skupna ponudba te elektrarne, ki je nasplosno sestavljena iz vec posameznih ponudb. Abscisapodaja spremembo proizvodnje delovne moci, ordinatapa strosek te spremembe. Skupna ponudba ima oblikoodsekovno linearne krivulje, kjer stevilo odsekov ustrezastevilu ponudb posamezne elektrarne. Ce je bilo razbre-menjevanje za opazovan interval ze opravljeno in je bilapredlagana sprememba proizvodnje te elektrarne, je spre-memba oznacena s prekinjeno rdeco crto. Desni del oknazapolnjujejo stevilski podatki o posameznih ponudbah inparametrih krivulje. Tako v tabeli kot tudi v graficnempregledu ponudb je omogoceno dodajanje novih ponudb.

Ce se izkaze, da bi bilo omrezje za dolocenecasovne intervale preobremenjeno, lahko uporabnikpozene izracun optimalne prerazporeditve proizvodnjedelovne moci za razbremenitev preobremenjenih vodovomrezja. Izbor intervalov za izracun prikazuje slika 3.Rezultate po koncanem izracunu lahko vnesemo v bazopodatkov, kjer so na voljo za nadaljnjo analizo oziromaizdelavo porocil.

Ogled rezultatov razbremenjevanja kot tudi pomocuporabniku pri odkrivanju preobremenitev je uporabnikuolajsana s pomocjo graficnega prikaza preobremenjenihvej omrezja (slika 4). Za vse vode z vklopljenim prika-zom v nastavitvah se izriseta dva histograma. Ta dvahistograma sta v okvircku, ki je normiran na nazivnoprenosno zmogljivost voda. Levi histogram prikazujeobremenitev voda pred razbremenjevanjem, desni pa ponjem. Ce je vod preobremenjen, je histogram obar-van rdece, njegova visina pa posledicno presega velikostokvircka. Na konkretnem zgledu (slika 4) vidimo, daje pred razbremenjevanjem preobremenjen 400 kV vod

Divaca-Bericevo in da je bilo razbremenjevanje uspesno,saj so po njem vsi pretoki moci v slovenskem EES nizjiod njihovih nazivnih vrednosti.

Program omogoca avtomatsko izdelavo nekaj stan-dardiziranih tipov porocil. Najbolj preprost in hkratitudi najbolj pregleden primer porocila prikazuje slika5. Na zacetku izberemo casovne intervale, za katerezelimo izdelati porocila. Ce za dolocen interval razbre-menjevanje ni bilo potrebno, se nam v porocilu to samozabelezi. V primerih, ko je razbremenjevanje uspesnoopravljeno, so za vse preobremenjene vode v sistemuizpisani pretok navidezne moci pred razbremenjevanjem,maksimalen dovoljen pretok in pretok moci po razbre-menjevanju. Temu sledi seznam vseh elektrarn, ki so ssvojimi ponudbami sodelovale pri razbremenjevanju, z in-formacijo o proizvodnji delovne moci pred razbremenje-vanjem, angazirano spremembo proizvodnje, proizvodnjodelovne moci po razbremenjevanju in s tem povezanimistroski. Stroski spremembe proizvodenj delovnih moci sona koncu sesteti za vse elektrarne. V primeru neuspesnegarazbremenjevanja so v porocilu navedeni samo preobre-menjeni vodi skupaj s pretoki navideznih moci in nji-hovimi maksimalnimi dopustnimi obremenitvami.

4 Sklep

Clanek predstavlja racunalniski program za nacrtovanjeukrepov pri razbremenjevanju preobremenjenih prenos-nih poti po metodi prerazporeditve proizvodnje delovnemoci. Program je namenjen pomoci upravljavcu prenos-nega omrezja pri vodenju elektroenergetskega sistema kottudi preverjanju in evalvaciji njegovih ukrepov s straniregulatorja. Regulator, to je Agencija za energijo RS, jebil narocnik programa.

Program je izdelan za MS Windows platformo inzdruzuje preprosto uporabo, preglednost, in ucinkovitostrazbremenjevanja po izbranem postopku.

5 Literatura

[1] D. Grgic, F. Gubina, R. Golob, “Razbremenjevanjekriticnih prenosnih poti v pogojih trga z elektricno en-ergijo”, Elektrotehniski vestnik, Letnik 68, St. 2-3, 2001.

[2] Studijska naloga “Izdelava racunalnisko podprtega orodjaza dolocanje prepustnosti omrezij (transfer capability) ternacrtovanje ukrepov za razbremenitev kriticnih prenosnihpoti (congestion management)”, izvajalec Fakulteta za ele-ktrotehniko Univerze v Ljubljani, narocnik Ministrstvo zagospodarske dejavnosti, 1999.

[3] “Matlab Optimization Toolbox User’s Guide”, MathWorks,Inc.; version 2, January 1999.

[4] Vladimir Batagelj: Optimizacijske metode (skripta vpripravi), oktober 1998.

[5] Energetski zakon, Uradni list Republike Slovenije st. 79/99,Ob. 3757, 30.9.1999.

Racunalniski program za razbremenitev kriticnih prenosnih poti 9

Slika 4. Algoritem izboljsane metode z uporabo izracuna pretokov mociFigure 4. Improved algorithm with load flow calculation

Slika 5. Algoritem izboljsane metode z uporabo izracuna pretokov mociFigure 5. Improved algorithm with load flow calculation

David Grgic je diplomiral leta 1995, magistriral leta 1998 indoktoriral leta 2001 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze vLjubljani. Od leta 1995 je zaposlen na Fakulteti za elektroteh-niko, Katedra za elektroenergetske sisteme in naprave. Vodi vajepri predmetu Obratovanje in nacrtovanje EES. Njegovo razisko-valno delo je povezano z obratovanjem elektroenergetskih siste-mov.

Marko Bajec je predavatelj na Fakulteti za racunalnistvo in in-formatiko Univerze v Ljubljani. Diplomiral je iz racunalnistvaleta 1996. Isto leto se je vpisal na podiplomski studijracunalnistva. Magistriral je leta 1998, doktoriral pa leta2001. V okviru Katedre za informatiko se ukvarja z razvo-jnimi tehnologijami in razvojem ter prenovitvijo informacij-skih sistemov. Marko Bajec je clan drustva Slovenska infor-matika, zdruzenja AIS (Association for Information Systems)in clan programskega odbora posvetovanja Dnevi slovenske in-formatike.

Ferdinand Gubina se je rodil 16. maja 1939 v Sloveniji.Diplomiral je leta 1963, magistriral leta 1969 in doktoriral leta1972 na Fakulteti za elektrotehniko. Od leta 1963 je bil vodjaoddelka za obratovanje EES na Elektroinstitutu Milan Vidmar.Leta 1970 je eno leto raziskoval in pouceval na Ohio State Uni-versity v ZDA. Od leta 1988 je redni profesor na Fakulteti zaelektrotehniko. Podrocje njegovega dela je obratovanje in vo-denje elektroenergetskih sistemov.

Robert Golob se je rodil 23 januarja 1967 v Novi Gorici. NaFakulteti za elektrotehniko je diplomiral leta 1989, magistriralleta 1992 in doktoriral leta 1994. Po doktoratu je eno leto prebilna podoktorskem izpopolnjevanju na Georgia Tech v ZDA. Povrnitvi se je zaposlil na Fakulteti za elektrotehniko kot docentza podrocje energetskih pretvornikov in proizvodnje elektricneenergije. Leta 1999 je opravljal funkcijo drzavnega sekretarja zaenergetiko.

Marko Sencar se je rodil 20. avgusta 1963 v Mariboru, kjer jeleta 1987 diplomiral in leta 1992 magistriral na Tehniski fakul-teti. Deloval je na podrocju varnostnih in razpolozljivostnihanaliz v vecjih elektroenergetskih sistemih v Sloveniji in Svici.Po vrnitvi je bil na pristojnem ministrstvu vkljucen v pripravoin uvedbo trga z elektricno energijo v Sloveniji. Od leta 2001 jepomocnik direktorja Agencije za energijo.