ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ & ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ & ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ναβροζίδου Χριστίνα του Νικολάου Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογής για την εξομοίωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας» Επιβλέπων Παναγής Ν. Βοβός Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Δεκέμβριος 2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών [Ναβροζίδου Χριστίνα] [2017] Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από την Χριστίνα Ναβροζίδου, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οποιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον/ην ίδιο/α, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κτλ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογής για την εξομοίωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ναβροζίδου Χριστίνα του Νικολάου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Παναγής Ν. Βοβός Λέκτορας Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια 3

4 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάπτυξη εφαρμογής για την εξομοίωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας» Φοιτήτρια: Ναβροζίδου Χριστίνα Επιβλέπων: Δρ. Παναγής Ν. Βοβός Περίληψη Η απελευθέρωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως εξηγείται στο Κεφάλαιο 1, οδήγησε στην εισαγωγή των δημοπρασιών στη βιομηχανία ηλεκτρισμού. Αυτό γιατί υπάρχει η ανάγκη εύρεσης ενός τρόπου ώστε να κατανέμεται το φορτίο στους παραγωγούς και παράλληλα να κοστολογείται η ενέργεια που αυτοί παρέχουν στο δίκτυο. Μεταξύ των διάφορων δημοπρασιών που χρησιμοποιούνται ξεχωρίζει η Pay-as-Bit ως προς την ευελιξία που προσφέρει στον διαχειριστή του συστήματος για την αγορά μεμονωμένων ποσοτήτων ενέργειας στην πιο συμφέρουσα τιμή. Σύμφωνα με αυτή οι παραγωγοί πληρώνονται με την τιμή που πρόσφεραν, ανεξάρτητα αν κάποιος άλλος παραγωγός πέτυχε υψηλότερη τιμή. Η εφαρμογή που αναπτύχθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία εξομοιώνει μια αγορά ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργεί με τη συγκεκριμένη δημοπρασία για να χρησιμοποιηθεί μελλοντικά για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας ο τρόπος με τον οποίο κατανέμεται το φορτίο στους παραγωγούς είναι αποτέλεσμα της βέλτιστης κατανομής φορτίου. Το μαθηματικό μοντέλο της μεθόδου και ο τρόπος που αυτή λειτουργεί παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 2. Η μέθοδος αυτή λαμβάνει υπόψη πέρα από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος και τις οικονομικές παραμέτρους με τις οποίες αυτό λειτουργεί, δηλαδή το κόστος λειτουργίας των γεννητριών. Έτσι, στην εικονική αγορά που δημιουργεί η εφαρμογή ο διαχειριστής δίνει εντολή για εκκαθάριση και αυτή γίνεται με τη βοήθεια της βέλτιστης κατανομής φορτίου λαμβάνοντας υπ όψιν τις προσφορές που υποβάλουν οι παραγωγοί ως χρήστες. Αυτή η δυνατότητα δίνεται από τη πλατφόρμα MATPOWER σε περιβάλλον MATLAB με συγκεκριμένες εντολές που χρησιμοποιούνται από την εφαρμογή. Ο διαχειριστής και οι χρήστες εισάγουν τα δεδομένα τους μέσω διαδικτύου στη φόρμα διεπαφής της εφαρμογής. Η εικονική αγορά προϋποθέτει μια εφαρμογή ικανή να καλύψει όλες τις τεχικοοικονομικές απαιτήσεις του συστήματος. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν πολλά υποσυστήματα που συμβάλουν στη λειτουργικότητα της εφαρμογής. Τα υποσυστήματα αυτά παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 4. Eπιλέχθηκε ένα δίκτυο μεσαίου μεγέθους, κατάλληλα παραμετροποιημένο όπως φαίνεται στο Κεφάλαιο 5, για να δοκιμαστεί η αγορά σε διάφορα σενάρια λειτουργίας. Τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 6 και αποδεικνύουν τελικά τη σωστή λειτουργία της εικονικής αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. 5

6 Abstract The liberalization of the electric power market led to the introduction of auctions as it is explained in Chapter 1. That is the result of the need to find a way so that the load is allocated to the producers and the cost is calculated. Among many auctions that are used, Pay-as-Bit stands out because of the flexibility that it offers to the administrator of the system for the purchase of units of energy at the best price. According to this, the producers are paid in accordance with the price they offered even if another producer achieved a higher price. The application that was developed in the current dissertation simulates an electric power market operating with the particular auction in order to be used later for educational purposes. In a system of electric power, the way the load is allocated to the producers is the result of the optimal power flow. The mathematical model for this method and the way it operates are presented in Chapter 2. Not only, it takes into account the technical characteristics of the system but also the financial aspects with which it works. For example, it considers the operational cost of the generators. Thus, this application creates a virtual market that clearing takes place with the aid of optimal power flow based on the bids that are submitted by the users as producers. This possibility is given by MATPOWER, a platform developed in MATLAB, as explained in Chapter 3, with particular commands used by the application. The system operator and the users import their data via internet using the application interface. The right function of the virtual market requires an application capable of covering all the demands that arise. For this reason many subsystems were developed, each one contributing to functionality of the application. These subsystems are presented in details in Chapter 4. A network of intermediate size, suitably modeled as presented in Chapter 5, was used for testing purposes. The results of these tests are presented in Chapter 6, which prove the correct operation of the virtual energy market. 6

7 Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Δρ. Παναγή Ν. Βοβό, επιβλέποντα καθηγητή της παρούσας διπλωματικής εργασίας, για την υποστήριξη και καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια επνόνησής της! Επίσης, θέλω να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στην οικογένειά μου και στους φίλους μου για την κατανόηση και την υπομονή που έδειξαν όλο αυτόν τον καιρό! 7

8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Πίνακας Περιεχομένων... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας Δημοπρασίες στη Βιομηχανία Ηλεκτρισμού Pay-as-Bid Δημοπρασία Εισαγωγή Pay-as-Bid στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου Εισαγωγή Μαθηματικό Μοντέλο AC Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου (ACOPF) DC Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου (DCOPF) ΚΕΦΑΛΑΙΟ Matpower ΚΕΦΑΛΑΙΟ Υποσυστήματα για την Εξομοίωση της Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Εισαγωγή Υποσυστήματα Διεπαφής Χρηστών και Διαχειριστή με την Αγορά Εισαγωγή Ονόματος και Κωδικού Εισαγωγή Συνάρτησης Προσφοράς Χρήστη Εισαγωγή Μηνύματος

9 4.2.4 Υποβολή Δεδομένων Υποσυστήματα Χρήστη Υποσύστημα Ασφάλειας Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς Υποσύστημα Μηνυμάτων Υποσύστημα Ανάδρασης Υποσυστήματα Διαχειριστή Υποσύστημα Ανάδρασης Υποσύστημα Ασφάλειας Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς Υποσύστημα Εκκαθάρισης Υποσύστημα Μηνυμάτων Υποσύστημα Φόρτωσης Νέου Σεναρίου Υποσύστημα Δημιουργίας Σεναρίων Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών Υποσύστημα Εκκίνησης Αγοράς Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Παράδειγμα Εξομοίωσης Αγοράς Εισαγωγη To case Φυσικά Χαρακτηριστικά Οικονομικά Χαρακτηριστικά Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δοκιμές Λειτουργικότητας Εικονικής Αγοράς

10 6.1 Εισαγωγή Σενάρια Λειτουργίας της Αγοράς Εκτέλεση Σεναρίων Αγορας Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Συμπεράσματα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Κώδικας της Εφαρμογής I. Υποσύστημα Ασφάλειας II. Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς a) Check_Parameters.m b) Piecewise_Linear.m c) Polynomial.m III. Υποσύστημα Μηνυμάτων IV. Υποσύστημα Ανάδρασης a) EnergyMarketForm.m b) ConvertInputs.m c) Save_Mail.m d) Print_Mailbox.m e) Modified_Data.m V. Υποσύστημα Εκκαθάρισης a) Clear_Market.m

11 b) Profit.m c) Save_OPF_Data.m VI. Υποσύστημα Φόρτωσης Νέου Σεναρίου VII. Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών a) Load_Generator_Cost.m b) Set_Case.m c) Matching_Data.m VIII. Υποσύστημα Εκκίνησης Αγοράς a) Energy_Market.m b) Set_UsernamesPasswords.m d) Set_Mailbox e) Set_Function_Box f) webserver.m ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Εγκατάσταση Εφαρμογής Βιβλιογραφία

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας άρχισαν να αναπτύσσονται τη δεκαετία του 1870, όταν κατασκευάστηκαν τα πρώτα ενεργειακά δίκτυα από τον Edison και άλλους [1] και χρησίμευαν στη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος από το σημείο παραγωγής στο σημείο κατανάλωσης. Οι πρώτες μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ήταν γεννήτριες άνθρακα και υδροηλεκτρικές γεννήτριες, οι οποίες λειτούργησαν στους ήδη εγκατεστημένους νερόμυλους. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν DC κυκλώματα, με εφαρμογή σε «μικρά» συστήματα για να τροφοδοτήσουν κυρίως λαμπτήρες (φωτισμός) και μηχανικά φορτία σε εργοστάσια, καθώς η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας στο ίδιο επίπεδο τάσης απαιτούσε μικρή απόσταση γεννήτριας και καταναλωτών. Βασικό μειονέκτημα στην παραγωγή σταθερού ρεύματος ήταν το χαμηλό επίπεδο τάσης το οποίο δεν αρκούσε για την μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλη απόσταση. Η μεταφορά ενέργειας αποδεικνύεται ασύμφορη για χαμηλό επίπεδο τάσης και μεγάλο ρεύμα, λόγω των απωλειών στις γραμμές, έτσι οι μονάδες παραγωγής έπρεπε να εγκαθίστανται κοντά στα σημεία κατανάλωσης. Ένα ακόμη μειονέκτημα ήταν τα διαφορετικά είδη φορτίων, τα οποία απαιτούσαν διαφορετικό επίπεδο τάσης και κατά συνέπεια διαφορετικές γεννήτριες και ξεχωριστά κυκλώματα. Αυτές οι δυσκολίες ξεπεράστηκαν γύρω στο 1880 όταν η ιδέα του εναλλασσόμενου ρεύματος έγινε πραγματικότητα. Το 1881, οι Lucien Gaulard και John Dixon Gibbs υλοποίησαν τον πρώτο μετασχηματιστή τάσης 1:1 και έτσι άρχισε να χρησιμοποιείται το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Σύντομα αποδείχθηκε ότι με τη βοήθεια του εναλλασσόμενου ρεύματος ήταν δυνατή η επίτευξη υψηλής τάσης και κατά συνέπεια η μεταφορά ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες και μέσα σε λίγα χρόνια πολλές πόλεις κατασκεύασαν AC συστήματα. [2] Η ανάπτυξη στα συστήματα μεταφοράς ενέργειας ώθησε τη βιομηχανία να κατασκευάσει γεννήτριες μεγαλύτερης ισχύς για να μπορέσει να τροφοδοτήσει μεγαλύτερα φορτία και όλο και περισσότερους καταναλωτές. Η οικονομική εξέλιξη των βιομηχανιών αυτών ευνόησε τη δημιουργία μεγαλύτερων εταιριών. Οι εταιρίες αυτές πήραν τη θέση των πολλών μικρών εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικού 12

13 ρεύματος και των τοπικών δικτύων διανομής της, που εγκαταστάθηκαν τις δεκαετίες 1880 και Έτσι άρχισαν να αναπτύσσονται τα πρώτα μονοπώλια ηλεκτρικής ενέργειας στις πόλεις γύρω στο [3] Η ανάπτυξη της βιομηχανίας ηλεκτρισμού συνεχίστηκε με μεγάλο ρυθμό τα επόμενα χρόνια και έτσι μετά το πρώτο τέταρτο του 20 ου αιώνα όλες οι εταιρείες παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ήταν μεταξύ τους συνδεδεμένες. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκαν σε πολλές χώρες, κυρίως στις πιο ανεπτυγμένες, τα Εθνικά Διασυνδεδεμένα Δίκτυα Υψηλής Τάσης. Στο δεύτερο μισό του 20 ου αιώνα η έλλειψη των ιδιωτικών κεφαλαίων για την αποκατάσταση και τη συντήρηση των δικτύων οδήγησε σε μεγάλου βαθμού ή ολικές κρατικοποιήσεις των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη των δαπανών. Έτσι εμφανίζονται τα κρατικά μονοπώλια, όπου το κράτος είναι ο μόνος ρυθμιστής της βιομηχανίας ηλεκτρισμού. Όμως, στα τέλη του 20 ου αιώνα επικράτησε η ιδέα της ελεύθερης αγοράς, όπου ιδιώτες μπορούν να συμμετέχουν στην παραγωγή ρεύματος και αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αποδοτικότητας των συστημάτων ηλεκτρισμού. [4] 1.2 ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η μονοπωλιακή μορφή της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας στα τέλη του 20 ου αιώνα άρχισε να διαφοροποιείται προκειμένου να μπορέσει να εισαχθεί ο ανταγωνισμός στη βιομηχανία του ηλεκτρισμού. Η απελευθέρωση της αγοράς θα δώσει τη δυνατότητα σε ιδιώτες να συμμετέχουν στην παραγωγή, στη διανομή ακόμα και στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Τότε, άρχισαν να θεσπίζονται οι πρώτοι νόμοι, με τους οποίους θα μπορέσει η αγορά αυτή να λειτουργήσει σωστά και θα γίνει ομαλή η μετάβαση από τη μια μορφή στην άλλη. Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούνται από τους τομείς της παραγωγής, της μεταφοράς και της διανομής. Μια μονοπωλιακή αγορά αφορά μια εταιρία, η οποία διαχειρίζεται όλους αυτούς τους τομείς και αποφασίζει τα πλαίσια μέσα στα οποία οι καταναλωτές θα προμηθεύονται ηλεκτρική ενέργεια. Η εταιρία αυτή έχει τον κυρίαρχο ρόλο και είναι η μόνη υπεύθυνη για την εξέλιξη της αγοράς. Όμως, για την επίτευξη της απελευθερωμένης αγοράς χρειάζεται η ύπαρξη ανταγωνισμού σε όλους τομείς ή τουλάχιστον στους περισσότερους. Αυτό σημαίνει πως κάθε τομέας πρέπει να δρα ανεξάρτητα από τους άλλους, χρειάζεται δηλαδή να διαχωριστούν μεταξύ τους για να μπορούν εύκολα να εισαχθούν περισσότερες από μια επιχειρήσεις σε κάθε τομέα. Οι αγορές κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον αριθμό των τομέων της στους οποίους έχει εισαχθεί ο ανταγωνισμός, δηλαδή ανάλογα τον βαθμό απελευθέρωσης τους. Έτσι, η αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να έχει μία από τις παρακάτω μορφές απελευθέρωσης (Βάκκας,2012) [4] : 13

14 Καθετοποιημένο Μονοπώλιο Μονοπώλιο ονομάζεται η κατάσταση στην αγορά, κατά την οποία ένα αγαθό ή μια υπηρεσία προσφέρεται μόνο από μια επιχείρηση [5] Τα βασικά χαρακτηριστικά της δομής του καθετοποιημένου μονοπωλίου είναι η ύπαρξη μονοπωλίου και η απουσία ανταγωνισμού σε όλα τα επίπεδα της αγοράς. Έτσι το καθετοποιημένο μονοπώλιο στη δομή της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας ορίζει μια επιχείρηση υπεύθυνη για τον ηλεκτρισμό, χωρίς να έχει κανέναν ανταγωνιστή. Η επιχείρηση αυτή έχει αποκλειστική ευθύνη από την παραγωγή, στη μεταφορά και στη συνέχεια στη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Από την πλευρά των καταναλωτών όλοι προμηθεύονται ενέργεια από την μοναδική υπάρχουσα επιχείρηση στην περιοχή που τους αφορά. Η δομή του καθετοποιημένου μονοπωλίου εφαρμόστηκε ευρέως κυρίως για οικονομικούς λόγους, σύμφωνα με την οποία είναι δυνατή η μεγάλης κλίμακας ηλεκτροδότηση σε χαμηλό κόστος. Συνήθως ένα τόσο μεγάλο έργο το αναλαμβάνει το κράτος, ως δημόσια επιχείρηση, για πολιτικοοικονομικούς λόγους, όπως επίσης και για την εκμετάλλευση των απαραίτητων εγχώριων φυσικών πόρων. Η δομή αυτή της αγοράς εφαρμόζεται κυρίως σε αναπτυσσόμενες χώρες, κάποιες από αυτές είναι η Ελλάδα και η Γαλλία. Μοντέλο Μοναδικού Αγοραστή Η δομή του μοναδικού αγοραστή αποτελεί εξέλιξη του καθετοποιημένου μονοπωλίου, καθώς εισάγει τον ανταγωνισμό στο επίπεδο της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα βασικά χαρακτηριστικά του μοντέλου αυτού είναι η παρουσία ανταγωνισμού στην παραγωγή και η ύπαρξη του μοναδικού αγοραστή ηλεκτρικής ενέργειας. Η υπόλοιπη δομή της αγοράς δεν διαφέρει από την μονοπωλιακή. Έτσι απουσιάζει ο ανταγωνισμός στο επίπεδο διανομής και διατηρεί τη μονοπωλιακή δομή στη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Κατά τη λειτουργία του μοντέλου του μοναδικού αγοραστή, οι παραγωγοί πουλάνε την ενέργεια αποκλειστικά και μόνο στον φορέα, τον Μοναδικό Αγοραστή. Οι πωλήσεις γίνονται σύμφωνα με τις μακροχρόνιες συμβάσεις ισχύος (PPA) που αφορούν την προσφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίες καθορίζουν τιμές και ποσότητες της ενέργειας. Οι συμβάσεις αυτές γίνονται με σκοπό να ελαχιστοποιήσουν τους επιχειρηματικούς κινδύνους των παραγωγών. Το μοντέλο αυτό προσφέρει τη δυνατότητα συμμετοχής του κράτους στη θέση του Μοναδικού Αγοραστή, προκειμένου να ικανοποιηθούν κρατικά συμφέροντα. 14

15 Ανταγωνισμός στη Χονδρική Αγορά Η δομή της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας εξελίσσεται σταδιακά με στόχο να προσεγγίσει μια πλήρως απελευθερωμένη μορφή. Φυσική εξέλιξη του μοντέλου του Μοναδικού Αγοραστή, στο οποίο υπάρχει ανταγωνισμός μόνο στην παραγωγή, είναι να εισέλθει ανταγωνισμός και στο επίπεδο της διανομής. Τα βασικά χαρακτηριστικά της εξελιγμένης αυτής μορφής της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας είναι, όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, η ύπαρξη του ανταγωνισμού στην παραγωγή και στη διανομή. Επιπλέον σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η εισαγωγή ανταγωνισμού στη χονδρική αγορά, δηλαδή στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλους καταναλωτές. Ενώ υπάρχει ακόμα μονοπώλιο στην παροχή ενέργειας στους μικρούς καταναλωτές, όπως και στις προηγούμενες μορφές της αγοράς. Σε μια τέτοια δομή της αγοράς στη βιομηχανία ηλεκτρισμού οι ανεξάρτητοι παραγωγοί ανταγωνίζονται ως προς τις τιμές και τις ποσότητες που μπορούν να πουλήσουν είτε στη χονδρική αγορά είτε στις επιχειρήσεις διανομής. Έχοντας εισέλθει ο ανταγωνισμός στο επίπεδο διανομής, οι διάφορες επιχειρήσεις, που δραστηριοποιούνται στο χώρο, έχουν τη δυνατότητα επιλογής του παραγωγού που θα προμηθευτούν ενέργεια. Οι αγοραπωλησίες που αφορούν αυτό το επίπεδο της αγοράς γίνονται μέσω του συστήματος κοινοπραξίας Pool, το οποίο είναι υπεύθυνο για την ομαλή, οικονομική και ασφαλή λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό επιτυγχάνεται με την παρουσία ρυθμιστικών και διαχειριστικών αρχών, οι οποίες χαρακτηρίζουν το σύστημα Pool. Ανταγωνισμός στη Λιανική Αγορά Το μοντέλο αγοράς αυτό είναι η πλέον καλύτερη προσέγγιση στο πλήρως απελευθερωμένο μοντέλο, που μπορεί να εφαρμοστεί στις μέρες μας. Είναι μια εξέλιξη του προηγούμενου μοντέλου, καθώς καταργείται η μονοπωλιακή δομή στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Τα βασικά χαρακτηριστικά του είναι η εισαγωγή ανταγωνισμού στη λιανική πώληση ενέργειας από τις επιχειρήσεις διανομής στους καταναλωτές, και κατ επέκταση η ύπαρξη ανταγωνισμού σε όλα τα επίπεδα της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Ο μόνος τομέας της αγοράς, στον οποίο παραμένει το φυσικό μονοπώλιο, είναι ο τομέας της μεταφοράς λόγω των χαρακτηριστικών του. Όπως στο προηγούμενο μοντέλο αγοράς, έτσι και σε αυτό οι παραγωγοί και οι επιχειρήσεις διανομής λειτουργούν στα πλαίσια του ανταγωνισμού μέσω του συστήματος κοινοπραξίας Pool, σύμφωνα με τις αρχές που ορίζονται από αυτό. Επιπλέον, η απελευθέρωση της αγοράς και στο επίπεδο των καταναλωτών, δίνει τη δυνατότητα στους παραγωγούς να συνάπτουν διμερείς συμφωνίες για την παροχή 15

16 ενέργειας είτε με τις επιχειρήσεις διανομής είτε απευθείας με τους καταναλωτές. Έτσι, οι καταναλωτές έχουν πλήρη ελευθερία να επιλέξουν την επιχείρηση διανομής που θα τους εξυπηρετήσει, ή ακόμη και τον παραγωγό, από τον οποίο επιθυμούν να προμηθευτούν ηλεκτρική ενέργεια. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι το σύγχρονο μοντέλο μιας απελευθερωμένης αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας κατά βάση λειτουργεί σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, που εισάγει τον ανταγωνισμό σε όλα τα επίπεδα της αγοράς. Εφαρμογές αυτού του μοντέλου έχουμε στη Μεγάλη Βρετανία (NETA- New Electricity Trading Arrangements) και στις Σκανδιναβικές χώρες με το σύστημα Nord Pool. Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας στην αρχική τους «παραδοσιακή» μορφή έχουν σταθερό κοστολόγιο, το οποίο διαμορφώνεται σύμφωνα με τα κρατικά συμφέροντα και τις τιμές των καυσίμων. Με την απελευθέρωση της αγοράς, όταν δηλαδή, στην παραγωγή εισέρχονται παραπάνω από μια επιχειρήσεις, προκύπτουν μεγάλα προβλήματα. Οι επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται στην παραγωγή αναγκάζονται να πωλούν την ηλεκτρική ενέργεια με σταθερό τιμολόγιο, έχοντας μεγάλο επιχειρηματικό ρίσκο. Με το άνοιγμα των αγορών καταργήθηκαν τα μονοπώλια που χαρακτήριζαν τη βιομηχανία του ηλεκτρισμού, όμως φάνηκε επιτακτική η ανάγκη ύπαρξης ενός μηχανισμού ικανού να ρυθμίζει τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος και τον τρόπο τιμολόγησης της ενέργειας. Ο μηχανισμός αυτός θα έχει τη θέση του μεσολαβητή για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας από τους παραγωγούς στους καταναλωτές. Το Χρηματιστήριο της Ενέργειας καλείται να υλοποιήσει αυτή τη λειτουργία και να αντιμετωπίσει τη δυσλειτουργία που προκαλεί το προηγούμενο σύστημα στα θεμάτων των τιμών, μειώνοντας έτσι, το επενδυτικό ρίσκο των επιχειρήσεων. Η λειτουργία του Χρηματιστηρίου της Ενέργειας δημιουργεί τις κατάλληλες προϋποθέσεις για την επίτευξη των απαραίτητων συμφωνιών μεταξύ παραγωγών, επιχειρήσεων διανομής και καταναλωτών. Στα πλαίσια της λειτουργίας του γίνεται η διαπραγμάτευση της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω οργανωμένων ανταγωνιστικών αγορών. Οι αγορές αυτές μπορούν να πάρουν διάφορες μορφές ανάλογα με το είδος των συναλλαγών και των συμφωνιών που υλοποιούν. Οι διάφορες αυτές μορφές των ανταγωνιστικών αγορών παραθέτονται παρακάτω (Βάκκας,2012) [4] : Διμερείς συμφωνίες (Bilateral contracts) Οι συμβάσεις αυτές λαμβάνουν χώρα ως αμοιβαίες συμφωνίες μεταξύ δύο ενδιαφερόμενων, σύμφωνα με τις οποίες και οι δύο πλευρές έχουν την υποχρέωση να λειτουργούν. 16

17 Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας οι διμερείς συμφωνίες αφορούν τους παραγωγούς και τους καταναλωτές, χωρίς όμως να έχουν τη δυνατότητα διαπραγμάτευσης της τιμής ή της ποσότητας. Η διάρκειά τους διαφέρει κατά περίπτωση, από μια μέρα έως και το πέρας της ωφέλιμης ζωής των εγκαταστάσεων της ηλεκτροπαραγωγής. Τέτοιου είδους συμβάσεις εφαρμόζονται στην Μεγάλη Βρετανία ( NETA ) και στις Σκανδιναβικές Χώρες ( Nord Pool ). Αγορές επόµενης ηµέρας ή επόµενης ώρας (day ahead or hour ahead markets spot markets) Στις αγορές αυτού του τύπου οι διαπραγματεύσεις για την ενέργεια μεταξύ παραγωγών και καταναλωτών έχουν ημερήσια ή ωριαία ισχύ. Η οργάνωση αυτής της αγοράς βασίζεται στις διαπραγματεύσεις μεταξύ της προσφοράς των παραγωγών και της ζήτησης των καταναλωτών, μέσω των οποίων τελικά επιτυγχάνεται μια ενιαία τιμή για κάθε KWh και ορίζεται το σημείο ισορροπίας της προσφοράς και της ζήτησης. Αγορές σε πραγματικό χρόνο ή αγορές επικουρικών συμφωνιών (real time or balancing markets) Οι αγορές επικουρικών συμφωνιών στοχεύουν στην εξισορρόπηση της προσφοράς και της ζήτησης, με συμφωνίες για εφεδρεία ηλεκτρικής ενέργειας και γενικότερα, του συστήματος, με συμφωνίες για την απαραίτητη παροχή αέργου ισχύος και για τη ρύθμιση της επιθυμητής συχνότητας. Υπεύθυνος των συμφωνιών αυτών για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος είναι ο Διαχειριστής του Συστήματος (System Operator). Αγορές παραγωγών (futures market) Στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας υπάρχει μεγάλο οικονομικό ρίσκο για τους παραγωγούς και για τους καταναλωτές αφού δεν είναι δυνατή η αποθήκευση μεγάλων ποσών ενέργειας. Οι πρώτοι θα πρέπει να καλύψουν μια πιθανή αύξηση της ζήτησης με βάση την υπάρχουσα συμφωνία στην τιμή, ενώ οι δεύτεροι σε πιθανή μείωση της ζήτησης υποχρεούνται να πληρώσουν την KWh με μεγαλύτερη τιμή από την πραγματική της αξία. Για να αποφευχθεί αυτό το οικονομικό ρίσκο (hedging) πραγματοποιούνται διαπραγματεύσεις είτε με συμφωνίες μεταξύ τους είτε μέσω αγορών των παραγωγών. 17

18 Μέσα σε αυτές τις αγορές είναι απαραίτητος ο μηχανισμός εκκαθάρισης με τον οποίο μετρούνται τα ποσά της παραγόμενης και της καταναλισκόμενης ενέργειας και τελικά κοστολογούνται ανάλογα με το είδος της αγοράς. Επίσης σημαντικό είναι ότι, ανεξάρτητα από το βαθμό απελευθέρωσης της κάθε αγοράς και τον τρόπο επίτευξης των συμφωνιών, όλες λειτουργούν μέσα στα νομικά πλαίσια που ορίζουν οι ρυθμιστικές αρχές. Αυτές είναι υπεύθυνες για την ομαλή λειτουργία των αγορών, ελέγχοντας τον ανταγωνισμό που αναπτύσσεται μέσα σε αυτές και την τήρηση των ενεργειακών νόμων που έχουν θεσπιστεί. 1.3 ΔΗΜΟΠΡΑΣΙΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Η απελευθέρωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας δημιούργησε την ανάγκη ύπαρξης ενός μηχανισμού κατάλληλου για την επίτευξη συμφωνιών μεταξύ παραγωγών και διαχειριστών των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοιοι μηχανισμοί είναι οι τύποι δημοπρασιών που χρησιμοποιούνται ανά τον κόσμο για τη διανομή προϊόντων. Η μορφή που έχει κάθε δημοπρασία εξαρτάται από το είδος του προϊόντος που καλείται να διανείμει. Για παράδειγμα, οι δημοπρασίες που χρησιμοποιούνται συχνά για ενεργειακά προϊόντα, ραδιοσυχνότητες για ασύρματες τηλεπικοινωνίες, τέχνη ή κρασί δεν είναι απαραίτητα ίδιας μορφής. Βασιζόμενοι σε εμπειρίες από διάφορες χώρες και αγορές ανά τον κόσμο, είναι δυνατό να προσδιοριστούν κάποιοι τύποι δημοπρασιών που συνήθως χρησιμοποιούνται για να προσελκύσουν με ανταγωνιστικό τρόπο πόρους για την εξισορρόπηση της προσφοράς και της ζήτησης της ενέργειας. Τέτοιες δημοπρασίες είναι οι παρακάτω (Luiz T. A. Maurer et al., 2011) [6]: Sealed-bid Auctions Οι Sealed-bid δημοπρασίες αποτελούν μια ειδική κατηγορία σύμφωνα με την οποία κάθε πλειοδότης υποβάλλει έναν πίνακα με τις τιμές και τις ποσότητες του προϊόντος. Σε αυτού του είδους τις δημοπρασίες, όλοι οι πλειοδότες υποβάλλουν ταυτόχρονα τις σφραγισμένες προσφορές τους έτσι ώστε κανένας από τους υπόλοιπους πλειοδότες να μη γνωρίζει την προσφορά κανενός άλλου συμμετέχοντα. Έτσι, αφού οι πλειοδότες δεν γνωρίζουν τις προσφορές των άλλων, δεν μπορούν να προσαρμόσουν ανάλογα τη δική τους προσφορά. Αυτού του τύπου οι δημοπρασίες μπορεί να χρησιμοποιούνται όταν δημοπρατείται ένα συγκεκριμένο προϊόν σε έναν ιδιοκτήτη, όπως για παράδειγμα η κατασκευή ενός σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής 18

19 ενέργειας ή μιας γραμμής μεταφοράς, και η προσφορά περιλαμβάνει μία ενιαία τιμή. Αυτού του είδους η δημοπρασία λέγεται First-price Sealed-bid (FPSB) και χρησιμοποιείται συνήθως για δημόσιες συμβάσεις και συμβόλαια στην βιομηχανία εξόρυξης. Εάν η δημοπρασία αφορά ποσότητες του ίδιου προϊόντος (όπως εμείς εδώ μιλάμε για ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, ΚWh), οι προσφορές πρέπει να αναφέρονται σε ποσότητες και στην αντίστοιχη τιμή της καθεμίας (συνάρτηση προσφοράς). Ο δημοπράτης πρέπει να συγκεντρώσει όλες τις συναρτήσεις προσφορών και να απονέμει τη νίκη σε αυτούς με την χαμηλότερη τιμή. Η τιμή που θα υποβάλλουν οι υποψήφιοι μπορεί να είναι είτε η τιμή εκκαθάρισης (uniform auction) είτε η τιμή που πρόσφερε ο καθένας (pay-as-bid ή discriminatory auction). Descending Clock Auction Αυτή η δημοπρασία είναι μια από τα πολλά είδη των δυναμικών δημοπρασιών. Η τιμή προσδιορίζεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χρησιμοποιώντας πολλούς γύρους προσφορών. Οι δυναμικές δημοπρασίες καλούνται να ξεπεράσουν κάποια μειονεκτήματα των Sealed-bid. Η διαδικασία που ακολουθείται έχει ως εξής, ο δημοπράτης ξεκινά με μια υψηλή τιμή και ρωτά τους υποψήφιους για την ποσότητα που επιθυμούν να αγοράσουν στην τιμή αυτή. Εάν η προσφερόμενη ποσότητα υπερβαίνει αυτήν που χρειάζεται, τότε χαμηλώνει την τιμή και ζητά ξανά τις ποσότητες που θέλουν οι πλειοδότες να προσφέρουν στην τιμή αυτή. Νικητές είναι οι πλειοδότες που προσφέρουν κάποια ποσότητα στην τιμή εκκαθάρισης, την τιμή δηλαδή όπου η ποσότητα προσφοράς ισούται με την ποσότητα ζήτησης. Η τιμή που θα υποβάλουν οι νικητές είναι η προσφερόμενη ποσότητα επί την τιμή εκκαθάρισης. Hybrid Designs Οι περισσότεροι πλειοδότες είναι υπέρ της Descending Clock δημοπρασίας, καθώς τους δίνει τη δυνατότητα να αναθεωρούν τις προσφορές τους ανάλογα με τις προσφορές των άλλων πλειοδοτών κατά τη διάρκεια της δημοπρασίας. Αυτό έχει οδηγήσει στις υβριδικές δημοπρασίες, ένα συνδυασμό δηλαδή των καλύτερων χαρακτηριστικών των Sealed-bid και Descending Clock δημοπρασιών, με σκοπό τη βελτίωση της αποδοτικότητας. Υπάρχουν δύο συνηθέστεροι τύποι τέτοιων δημοπρασιών. Η μία ξεκινά στην πρώτη της φάση με την Descending Clock μέθοδο και ακολουθεί στη δεύτερη φάση η Pay-as-Bid και η άλλη ξεκινά με την Firstprice Sealed-bid δημοπρασία για τον πρώτο γύρο και συνεχίζει με την 19

20 επαναλαμβανόμενη Descending Clock μόνο για τους πλειοδότες των οποίων οι προσφορές διαφέρουν το πολύ 5%. Combinatorial Auctions Μια combinatorial δημοπρασία ασχολείται με την ταυτόχρονη πώληση πολλών ειδών, στην οποία οι πλειοδότες μπορούν να υποβάλουν τις προσφορές τους της μορφής όλα ή τίποτα για κάποια πακέτα ειδών και όχι μόνο για μεμονωμένα είδη. Το ερώτημα για τον πλειοδότη είναι πώς να συνδυάσει και να τιμολογήσει διαφορετικά προϊόντα. Εάν παρέχονται πολλαπλά προϊόντα και προμηθεύονται σε διαφορετικές δημοπρασίες, τότε υπάρχει το πρόβλημα της έκθεσης των πλειοδοτών. Οι combinatorial δημοπρασίες λύνουν το πρόβλημα της έκθεσης επιτρέποντας στους πλειοδότες να υποβάλουν συνδυαστικές προσφορές ή προσφορές πακέτων προϊόντων. Προφανώς ένα προϊόν μπορεί να πουληθεί μόνο μια φορά, έτσι ο σκοπός του δημοπράτη είναι να επιλέξει το σύνολο των προσφορών από όλους τους πλειοδότες, που ικανοποιούν τους στόχους της δημοπρασίας, υπό τον περιορισμό ότι κάθε προϊόν έχει ανατεθεί μόνο μια φορά. Two-sided Auctions Στις Two-sided δημοπρασίες επιτρέπεται ταυτόχρονη προσφορά και ζήτηση, έτσι η συναλλαγή πραγματοποιείται όταν οι τιμές προσφοράς και ζήτησης ταιριάζουν. Επιτρέπουν την ενεργό συμμετοχή των πόρων της προσφοράς και της ζήτησης, με βάση τους όρους ανταγωνισμού που τους επιτρέπουν να υποβάλουν προσφορές. Παρά το γεγονός ότι αυτού του τύπου δημοπρασία ανταποκρίνεται στη ζήτηση, σπάνια εφαρμόζεται λόγω της δυσκολίας γεφύρωσης του χάσματος μεταξύ της προσφοράς και της ζήτησης. 1.4 PAY-AS-BID ΔΗΜΟΠΡΑΣΙΑ Εισαγωγή Το είδος της δημοπρασίας που χρησιμοποιούμε εμείς είναι μια από τις Sealed-bid δημοπρασίες, συγκεκριμένα θα προσομοιώσουμε μια Pay-as-Bid δημοπρασία. Η Pay-as-Bid δημοπρασία χρησιμοποιείται όταν υπάρχουν πολλαπλές μονάδες του ίδιου προϊόντος που πρόκειται να δημοπρατηθεί σε διαφορετικές τιμές. Κάτι τέτοιο 20

21 έχουμε όταν ο δημοπράτης θέλει παραδείγματος χάριν να προμηθευτεί από πέντε διαφορετικούς πλειοδότες, πέντε πακέτα των 100 MW. Σε αυτό το σχεδιασμό βασίζεται η προμήθεια συμβάσεων κυρίως όταν περιλαμβάνει έναν αγοραστή και αρκετούς πλειοδότες. Είναι επίσης, μια δημοπρασία με σφραγισμένες προσφορές, σύμφωνα με την οποία κάθε πλειοδότης υποβάλλει ένα πίνακα τιμών και ποσοτήτων, δηλαδή μία συνάρτηση προσφοράς. Οι συμμετέχοντες καθορίζουν την συνάρτηση προσφοράς τους λαμβάνοντας υπόψη δύο κανόνες επιβίωσης στην αγορά. Πρώτος κανόνας είναι να μη υπάρξει ζημία, δηλαδή τα έσοδα από την πώληση του προϊόντος να καλύπτουν τουλάχιστον το κόστος παραγωγής του. Δεύτερος κανόνας είναι να καταφέρουν να κερδίσουν και να πουλήσουν το προϊόν τους. Η προσφορά που θα υποβάλουν πρέπει να είναι αρκετά ανταγωνιστική μεταξύ των προσφορών των υπόλοιπων πλειοδοτών, έτσι ώστε ο διαχειριστής της δημοπρασίας να τους επιλέξει. Στη συνέχεια ο δημοπράτης συγκεντρώνει όλες τις προσφορές δημιουργώντας μια καμπύλη συναθροιστικής προσφοράς για κάθε ποσότητα που πρόκειται να αγοραστεί. Η τιμή εκκαθάρισης καθορίζεται όταν η προσφορά ισούται με τη ζήτηση και έτσι αποφασίζει την ποσότητα που θα αγοράσει από τον πλειοδότη με την καλύτερη προσφορά. Το θετικό με την εφαρμογή της Pay-as-Bid δημοπρασίας σε διαιρούμενα προϊόντα είναι ότι ο δημοπράτης έχει τη δυνατότητα να αγοράσει μέρος της ποσότητας που χρειάζεται από την καλύτερη προσφορά και το υπόλοιπο μέρος της ποσότητας στην αντίστοιχη καλύτερη προσφορά για την ποσότητα αυτή. Νικητές είναι οι πλειοδότες των οποίων οι προσφορές εξ ολοκλήρου ή τμήματα της προσφοράς έχουν χαμηλότερη τιμή από την τιμή εκκαθάρισης. Οι νικητές θα λάβουν διαφορετικές τιμές, ανάλογα με την προσφορά που υπέβαλε ο καθένας. Όμως τα κριτήρια με τα οποία ο δημοπράτης αποφασίζει τις ποσότητες και τους προμηθευτές έχουν να κάνουν με το στοιχείο που δημοπρατείται και με τα χαρακτηριστικά της κάθε περίπτωσης. Στην αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας καθοριστικό ρόλο για την απόφαση αυτή παίζουν η βέλτιστη κατανομή φορτίου στο σύστημα μεταφοράς της και η οικονομικότερη λειτουργία αυτού. Η Pay-as-Bid δημοπρασία χρησιμοποιείται για τις συμβάσεις ηλεκτρικής ενέργειας στο Περού. [6] Pay-as-Bid στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας Η αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα παράδειγμα αγοράς στο οποίο μια δημοπρασία τύπου Pay-as-Bid μπορεί να επιφέρει τα βέλτιστα αποτελέσματα. Για τον λόγο αυτό είναι πολύ δημοφιλής στο χώρο της ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται από τους παραγωγούς είναι ένα στοιχείο που μπορεί να διαιρεθεί σε οποιαδήποτε ποσότητα. Η ανάγκη της οικονομικότερης 21

22 λειτουργίας του συστήματος οδηγεί στην βέλτιστη κατανομή φορτίου. Κατά συνέπεια τα αποτελέσματα της βέλτιστης κατανομής φορτίου ορίζουν τις ποσότητες που κάθε διασυνδεδεμένος παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας θα παρέχει στο σύστημα. Το γεγονός αυτό κρίνει αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί μια δημοπρασία που να δίνει τη δυνατότητα στο διαχειριστή να αγοράσει και την παραμικρή απειροελάχιστη ποσότητα. Επομένως η Pay-as-Bid δημοπρασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βέλτιστα αποτελέσματα. Η αποτελεσματικότητα της δημοπρασίας αυτής φαίνεται στην ελαχιστοποίηση των τιμών στις οποίες θα αγοράσει ο διαχειριστής την ηλεκτρική ενέργεια. Οι παραγωγοί όταν υποβάλουν τις προσφορές τους θέλουν να είναι ανταγωνιστικοί απέναντι στους υπόλοιπους. Επομένως θα προσπαθήσουν να δώσουν χαμηλότερες τιμές από τις υπόλοιπες κυρίως για τις ποσότητες των MW που τους συμφέρει οικονομικά να πουλήσουν. Οι προσφορές που καλούνται να υποβάλουν οι παραγωγοί, όπως έχει αναφερθεί, έχουν την μορφή συνάρτησης. Η συνάρτηση αυτή μπορεί να είναι είτε τμηματικά γραμμική είτε πολυωνυμική αρκεί να δίνει τιμές για κάθε απειροελάχιστη μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συναρτήσεις αυτές ορίζουν σε ποια τιμή ανά MW προσφέρει ο παραγωγός κάθε μονάδα MW. Δηλαδή στον άξονα των y τοποθετείται η τιμή ( /MW) και στον άξονα των x η διαθέσιμη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας (MW). Στη συνέχεια, μετά την υποβολή των προσφορών, ο διαχειριστής λύνοντας το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής φορτίου στο σύστημα της ηλεκτρικής ενέργειας που είναι αρμόδιος επιλέγει και ανακοινώνει στους παραγωγούς από ποιους θα αγοράσει και πόση ηλεκτρική ενάργεια. Όταν η διαδικασία αυτή γίνεται σε γύρους, τότε ο διαχειριστής μπορεί να πετύχει καλύτερες τιμές. Στον πρώτο γύρο οι προσφορές που υποβάλουν οι παραγωγοί πολύ πιθανόν να είναι ορισμένες με σκοπό τη μεγιστοποίηση των κερδών τους. Οπότε στους δυο επόμενους γύρους ο πιο ακριβός παραγωγός θα προσπαθήσει να μειώσει τις τιμές του κάτω από τον πιο φθηνό. Κατά συνέπεια και οι υπόλοιποι παραγωγοί θα κινηθούν αντίστοιχα. Τελικά μετά το πέρας των γύρων που έχουν οριστεί από την αρχή, λόγω της ανταγωνιστικότητας οι τιμές θα είναι χαμηλότερες από αυτές του πρώτου γύρου. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΟΡΤΙΟΥ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για να μπορέσει να λειτουργήσει μια αγορά ηλεκτρικής ενέργειας προϋποθέτει ότι τόσο οι συμμετέχοντες σε αυτή όσο και οι μηχανικοί, γνωρίζουν και μπορούν να αναλύσουν την κατάσταση λειτουργίας της. Η αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργεί σαν μεσολαβητής για την παροχή ενέργειας από τους παραγωγούς στους καταναλωτές και είναι ένας ενιαίος μηχανισμός μέσα από τον οποίο καθορίζονται οι τιμές κοστολόγησης της κιλοβατώρας (KWh). Για τη σωστή λειτουργία του μηχανισμού αυτού είναι απαραίτητη η ύπαρξη του Ανεξάρτητου Διαχειριστή του Συστήματος (ISO) ο οποίος θα λειτουργεί την αγορά σύμφωνα με τους νόμους που διέπουν ένα Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Ένας αναλυτής των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας καλείται να αντιμετωπίσει τριών ειδών προβλήματα που προκύπτουν από τις ανάγκες της αγοράς. Το πρώτο αφορά τη ροή φορτίου σύμφωνα με την οποία υπολογίζονται τα μέτρα και οι γωνίες των τάσεων σε όλους τους ζυγούς, όπως επίσης και οι ροές της πραγματικής και αέργου ισχύος σε όλες τις γραμμές μεταφοράς. Στόχος της μελέτης ροής φορτίου είναι η κάλυψη των φορτίων που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, όμως δεν εξασφαλίζει ότι τα αποτελέσματά της να είναι φυσικά εφικτά ή βέλτιστα. Στη μελέτη αυτή, δεν λαμβάνονται υπόψιν οι δυνατότητες παραγωγής πραγματικής ισχύος των γεννητριών και τα όρια της ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί μέσω των γραμμών μεταφοράς, συνεπώς τα αποτελέσματα της επίλυσής της δεν είναι πάντα εφικτό να εφαρμοστούν σε ένα πραγματικό δίκτυο. Δεύτερο ζήτημα σε ένα ενεργειακό σύστημα είναι η οικονομική λειτουργία στο σύνολό του, δηλαδή η κατανομή του συνολικού φορτίου μεταξύ των γεννητριών, με στόχο την ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους λειτουργίας του συστήματος. Στην οικονομική μελέτη λαμβάνονται υπόψιν οι τεχνικοί περιορισμοί των γεννητριών και οι απώλειες των γραμμών, καθώς επίσης και το κόστος του καυσίμου για την παραγωγή της απαραίτητης ενέργειας. Το τρίτο είδος προβλήματος αφορά τη βέλτιστη ροή φορτίου η οποία καλείται να συνδυάσει τις δυο παραπάνω μελέτες, ροής φορτίου και οικονομικής λειτουργίας, με σκοπό να αποδώσει τη βέλτιστη λύση για τη λειτουργία ενός ΣΗΕ. Η βέλτιστη λύση λαμβάνει υπόψιν όλους τους περιορισμούς που συναντάμε σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο, όσον αφορά τα τεχνικά και οικονομικά χαρακτηριστικά του. Τα τεχνικά 23

24 χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν τους περιορισμούς της γωνίας και του μέτρου της τάσης στους ζυγούς, των γραμμών μεταφοράς όπως και τις απώλειες σε αυτές. Στα οικονομικά χαρακτηριστικά υπάγεται το κόστος των γεννητριών και μέσα σε αυτό το κόστος καυσίμου και η συνάρτηση κόστους λειτουργίας αυτών. Η βέλτιστη κατανομή φορτίου είναι απαραίτητο εργαλείο για την οικονομική και αξιόπιστη λειτουργία της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Η λειτουργία της αγοράς καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής. Έτσι και στην εφαρμογή που αναπτύχθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιείται η βέλτιστη κατανομή φορτίου όπως θα εφαρμοζόταν και σε ένα πραγματικό ηλεκτρικό δίκτυο. Η μόνη διαφορά που παρατηρείται σε μια αγορά ηλεκτρικής ενέργειας σαν αυτή που εξομοιώνουμε είναι ότι αντί του κόστους παραγωγής ενέργειας των γεννητριών, λαμβάνονται υπόψιν οι συναρτήσεις προσφοράς των παραγωγών. Οι συναρτήσεις αυτές έχουν την ίδια μορφή με τις συναρτήσεις κόστους όμως αντιπροσωπεύουν την τιμή ανα MWh που επιθυμούν οι παραγωγοί να πουλήσουν και χρησιμοποιούνται στην εκκαθάριση της αγοράς. Ο διαχειριστής της αγοράς αποφασίζει το πότε θα γίνει η εκκαθάρισή της συγκεντρώνοντας τις προσφορές των παραγωγών και λύνοντας το περίπλοκο πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής φορτίου καθορίζεται το μέρος του συνολικού φορτίου που θα καλύψει ο καθένας. (Mary B. Cain et al., 2012) [7] 2.2 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ Η βέλτιστη κατανομή φορτίου, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, είναι ένα εργαλείο ζωτικής σημασίας που χρησιμοποιεί ο διαχειριστής της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσει ένα οικονομικά αποδοτικό και αξιόπιστο ενεργειακό δίκτυο. Η βασική λογική πάνω στην οποία βασίζεται το πρόβλημα αυτό είναι η ελαχιστοποίηση του αθροίσματος των συναρτήσεων f(x), ικανοποιώντας παράλληλα τους απαραίτητους περιορισμούς. Το σύνολο των συναρτήσεων f(x) περιέχουν όλες τις μεταβλητές του συστήματος. Οι βέλτιστες τιμές αυτών των μεταβλητών δηλώνουν την κατάσταση λειτουργίας στην οποία το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που μελετήθηκε μεγιστοποιεί την απόδοσή του. Συγκεκριμένα, η βασική δομή της βέλτιστης κατανομής φορτίου είναι η εξής : min f(x) x (2.1) υπό τους περιορισμούς : 24

25 g(x) = 0 (2.2) h(x) 0 (2.3) x min x x max (2.4) Η λύση του προβλήματος περιλαμβάνει τους εξισωτικούς περιορισμούς (2.2), οι οποίοι προέρχονται από τις εξισώσεις ροής φορτίου και τους ανισωτικούς περιορισμούς (2.3) που επιβάλλονται για τη μεταβλητή x, όπως επίσης και τα όρια μέσα στα οποία ορίζεται η μεταβλητή x (2.4). Σύμφωνα με αυτή τη βασική δομή του προβλήματος αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο της βέλτιστης κατανομής φορτίου (OPF) όπως θα δούμε αμέσως παρακάτω. Οι παραπάνω εξισώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί με ποικίλους τρόπους χρησιμοποιώντας διαφορετικές κατά περίπτωση συναρτήσεις προς ελαχιστοποίηση και διαφορετικούς περιορισμούς. Υπάρχουν συναρτήσεις που αφορούν τις ακριβείς εξισώσεις ροής φορτίου εναλλασσόμενου ρεύματος και είναι γνωστές ως ACOPF. Μια απλοποιημένη μέθοδος, η DCOPF, θεωρεί όλα τα μέτρα των τάσεων σταθερά και τις γωνίες αυτών γύρω από το μηδέν. Η δεύτερη μέθοδος περιέχει απλοποιήσεις ως προς τα μεγέθη των μεταβλητών ενός ACOPF προβλήματος, δηλαδή είναι μια γραμμικοποιημένη μορφή του και όχι μια λύση ροής φορτίου ενός δικτύου συνεχούς ρεύματος. Η ονομασία DC επικράτησε επειδή λαμβάνεται υπόψη μόνο η ροή πραγματικών ισχύων, όπως συμβαίνει σε ένα DC σύστημα. Ο γενικός όρος της βέλτιστης κατανομής φορτίου (OPF) που χρησιμοποιείται περιλαμβάνει και τις δυο μεθόδους, ACOPF και DCOPF. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρατίθενται οι εξισώσεις και οι περιορισμοί που χαρακτηρίζουν τις δυο αυτές μεθόδους. Τέλος εξηγείται ο τρόπος με τον οποίο αυτές χρησιμοποιούνται από τα προγράμματα του MATPOWER, εργαλείο σε MATLAB το οποίο χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία για την επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου. [10] AC Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου (ACOPF) Στο πρόβλημα της ακριβής βέλτιστης κατανομής φορτίου (ACOPF), το προς βελτιστοποίηση διάνυσμα x αποτελείται από τα n b 1 διανύσματα των γωνιών θ, τα μέτρα V m των τάσεων όλων των ζυγών (n b ) και τα n g 1 διανύσματα των πραγματικών P g και άεργων Q g ισχύων όλων των γεννητριών (n g ). Ο ορισμός του διανύσματος x φαίνεται στη σχέση (2.5). 25

26 x = θ V mpg [ Q g ] (2.5) Η προς ελαχιστοποίηση συνάρτηση (2.1), στην περίπτωση ενός ΣΗΕ, είναι το άθροισμα των πολυωνυμικών συναρτήσεων κόστους f P i f Q i των εγχύσεων της πραγματικής και αέργου ισχύος των γεννητριών του συστήματος. n g min f i P (p i i g ) + f Q (q i g ) (2.6) θ,v m,p g,q g i=1 Οι εξισωτικοί περιορισμοί που είδαμε στην (2.2), όπως ήδη αναφέρθηκε, προέρχονται από τις εξισώσεις ροής φορτίου. Στην κλασική μορφή ενός AC προβλήματος ροής φορτίου οι εξισωτικοί περιορισμοί αντιπροσωπεύουν την ισορροπία της πραγματικής και αέργου ισχύος, εκφρασμένες ως συναρτήσεις των μέτρων V m και των γωνιών θ των τάσεων σε κάθε ζυγό του συστήματος, των εγχύσεων ισχύος P g και Q g από τις γεννήτριες και τη ζήτηση των φορτίων P d και Q d. g P (θ, V m, P g ) = P bus (θ, V m ) + P d C g P g = 0 (2.7) g q (θ, V m, Q g ) = Q bus (θ, V m ) + Q d C g Q g = 0 (2.8) Ο συντελεστής C g δείχνει τη σύνδεση γεννητριών στον κάθε ζυγό. Παίρνει την τιμή 1 όταν υπάρχει σύνδεση των αντίστοιχων γεννητριών στο ζυγό, οπότε συνυπολογίζονται οι εγχύσεις ισχύος P g και Q g, ή την τιμή 0 όταν δεν υπάρχει η σύνδεση της γεννήτριας. Οι ανισωτικοί περιορισμοί αποτελούνται από το σύνολο δύο ανισοτήτων για κάθε γραμμή και εκφράζουν τα όρια της μεταφερόμενης ισχύος της καθεμιάς ως μη γραμμική συνάρτηση των μέτρων και των γωνιών της τάσης του ζυγού. Η πρώτη ανισότητα αφορά τον ζυγό εκκίνησης (f) της γραμμής και η δεύτερη το ζυγό τερματισμού (t). h f (θ, V m ) = F f (θ, V m ) F max 0 (2.9) h t (θ, V m ) = F t (θ, V m ) F max 0 (2.10) 26

27 Το διάνυσμα F εκφράζει είτε τις ροές ισχύος σε MVA είτε τις ροές πραγματικής ισχύος είτε τις ροές ρεύματος και επομένως μπορεί να έχει την παρακάτω μορφή : S f (θ, V m ), F f (θ, V m ) = { P f (θ, V m ), I f (θ, V m ), φαινόμενη ισχύς πραγματική ισχύς ρεύμα (2.11) Επίσης το διάνυσμα F max εκφράζει το μέγιστο όριο μεταφερόμενης ισχύος που επιτρέπουν οι περιορισμοί λειτουργίας των γραμμών μεταφοράς. Το MATPOWER, το εργαλείο που θα χρησιμοποιηθεί, στη λύση της βέλτιστης κατανομής φορτίου χρησιμοποιεί ως μέγιστο όριο F max την τιμή που ορίζεται στη στήλη ratea στον πίνακα των χαρακτηριστικών των γραμμών, όπως θα αναλυθεί στο Κεφάλαιο 4. Τέλος, οι περιορισμοί των μεταβλητών ενός AC προβλήματος βέλτιστης κατανομής φορτίου (2.4) περιλαμβάνουν τα μέγιστα και τα ελάχιστα όρια τιμών που μπορούν να έχουν οι γωνίες (2.12) και τα μέτρα (2.13) των τάσεων όλων των ζυγών, όπως και οι πραγματικές (2.14) και άεργες (2.15) εγχύσεις ισχύος όλων των γεννητριών. Οι ανισωτικοί περιορισμοί αυτοί έχουν την παρακάτω μορφή : θ i ref θ i θ i ref, i I ref (2.12) u i,min i m u m u i.max m, i = 1 n b (2.13) p i,min g p i g p i,max g, i = 1 n b (2.14) q g i,min q g i q g i,max, i = 1 n b (2.15) Η γωνία αναφοράς θ ref i και τα όρια της τάσης u i,min m, u i,max m ορίζονται όπως θα δούμε παρακάτω στο Κεφάλαιο 4 στον πίνακα των χαρακτηριστικών των ζυγών. Ενώ, τα όρια των γεννητριών p i,min g, p i,max g, q i,min g, q i,max g φαίνονται στον πίνακα των χαρακτηριστικών των γεννητριών DC Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου (DCOPF) Η απλοποιημένη Βέλτιστη Κατανομή Φορτίου (DCOPF) είναι ένα γραμμικό πρόβλημα, μια απλοποιημένη μορφή του AC προβλήματος. Οι απλοποιήσεις αφορούν τις τάσεις, όπου υποθέτουμε τα μέτρα των τάσεων σταθερά και ίσα με την μονάδα σε per unit (pu) τιμές και τις γωνίες τους θ πολύ μικρές, γύρω από το μηδέν. 27

28 Το γεγονός της στενής εξάρτησης της αέργου ισχύος από το μέτρο των τάσεων στους ζυγούς διευκολύνει το πρόβλημα, καθώς οι μεταβλητές κατάστασης από τέσσερις μειώνονται σε δυο, αφού η ροή αέργου ισχύος θεωρείται σταθερή. Κατ αυτόν τον τρόπο οι ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς διαμορφώνονται σε γραμμικές συναρτήσεις των γωνιών των τάσεων στους ζυγούς. Σύμφωνα με τα παραπάνω το διάνυσμα των μεταβλητών που η DCOPF καλείται να βελτιστοποιήσει είναι : x = [ θ P g ] (2.16) Όπου και εδώ το P g είναι το διάνυσμα των τιμών της πραγματικής ισχύος που εγχύονται στο σύστημα από τις γεννήτριες. Τελικά το όλο πρόβλημα ελαχιστοποιείται στην παρακάτω απλή μορφή : n g min f i P (p i g ) θ,p g i=1 (2.17) Οι περιορισμοί που εξετάζει η μέθοδος αυτή αφορούν την ροή πραγματικής ισχύος και εξασφαλίζουν την κάλυψη των φορτίων από τη συνολική παραγόμενη ενέργεια του συστήματος. Η μορφή που παίρνουν οι περιορισμοί μετά την απλοποίηση λόγω των υποθέσεων που κάναμε για τα μέτρα και τις γωνίες των τάσεων είναι : g P (θ, P g ) = B bus θ + P bus,shift + P d + G sh C g P g = 0 (2.18) Τα όρια της μεταφερόμενης ισχύος ορίζονται σύμφωνα με τις παρακάτω ανισότητες: h f (θ) = B f θ + P f,shift F max 0 (2.19) h t (θ) = B f θ + P f,shift F max 0 (2.20) 28

29 θ i ref θ i θ i ref, i I ref (2.21) p g i,min p g i p g i,max, i = 1 n g (2.22) O πίνακας B bus περιέχει πληροφορία για το δίκτυο και ορίζεται ως : B bus = (C f C t ) T B f (2.23) Όπου C f, C t είναι μήτρες στις οποίες το (i, j) στοιχείο της C f και το (i, k) στοιχείο της C t ισούται με τη μονάδα για κάθε γραμμή i η οποία συνδέεται από τον ζυγό j στον ζυγό k. Όλα τα υπόλοιπα στοιχεία των μητρών αυτών είναι μηδενικά. Το διάνυσμα B f ορίζεται ως : B f = [B ff ](C f C t ) (2.24) Όπου το διάνυσμα B ff έχει μέγεθος n l 1, σε ένα σύστημα με n l γραμμές και περιέχει πληροφορία για τα χαρακτηριστικά της γραμμής. Τέλος, η μήτρα P bus,shift μπορεί να εξαχθεί από την παρακάτω εξίσωση : P bus,shift = (C f C t ) T P f,shift (2.25) i Όπου το n l 1 διάνυσμα P f,shift έχει το στοιχείο i ίσο με θ shift b i, με b i = 1 x i s r i στοιχεία του δικτύου. Η ζήτηση σε πραγματική ισχύ που απαιτείται να καλυφθεί από τις γεννήτριες φαίνεται στις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται ως P d. Όπου τα στοιχεία του G sh προσεγγίζουν το ποσό της ενέργειας που καταναλώνεται από τις σύνθετες αντιστάσεις του δικτύου υπό την τάση που ορίζει η υπόθεση. Η γεννήτρια μοντελοποιείται ως συνδυασμός των ισχύων που εγχύει στο ζυγό στον οποίο συνδέεται. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε το διάνυσμα P g με τις τιμές της πραγματικής ισχύος που εγχύει η γεννήτρια. Η αραιή μήτρα των συνδέσεων των γεννητριών C g έχει κάθε (i, j) στοιχείο ίσο με τη μονάδα, εάν η γεννήτρια j συνδέεται στο ζυγό i. Σε κάθε άλλη περίπτωση τα στοιχεία του είναι μηδενικά. 29

30 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 MATPOWER Το MATPOWER αποτελείται από ένα πακέτο αρχείων της MATLAB και είναι το εργαλείο που χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία για την επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ο τρόπος με τον οποίο έχουν αναπτυχθεί οι κώδικες των αρχείων καθιστούν το εργαλείο αυτό εύκολο στη χρήση και η παραμετροποίηση των συστημάτων έχει γίνει έτσι, ώστε εύκολα να μπορούμε να τροποποιήσουμε κάποια στοιχεία. Το MATPOWER αναπτύχθηκε λόγω της έλλειψης εργαλείων για την επίλυση της κατανομής φορτίου και βέλτιστης κατανομής φορτίου μέσω της MATLAB, από τους Ray D. Zimmerman, Carlos E. Murillo-Sánchez και Deqiang Gan υπό την καθοδήγηση του Robert J. Thomas (Ray D. Zimmerman et al., 2011) [8]. Αφού εγκατασταθεί το πακέτο του MATPOWER στον υπολογιστή, μπορούμε πλέον να το χρησιμοποιήσουμε μέσω της MATLAB. Υπάρχουν σε αυτό αρχεία που περιέχουν τις δομές με τα δεδομένα που χαρακτηρίζουν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Για να εισάγουμε μια τέτοια δομή, που περιγράφει ένα συγκεκριμένο σύστημα, χρησιμοποιούμε την εντολή loadcase της Εικόνας 3.1, όπου το όνομα του αρχείου ( casefilename ) πρέπει να υπάρχει στο πακέτο του MATPOWER. Εικόνα 3 1 : Φόρτωση των δεδομένων ενός συστήματος Στη δομή αυτή περιέχονται η τιμή της βάσης (basemva), με την οποία έχουν μετατραπεί όλα τα δεδομένα σε pu και τα δεδομένα αυτά για τους ζυγούς (bus), τις γραμμές μεταφοράς (branch) και τις γεννήτριες (gen). Όλες οι λεπτομέρειες για τη μοντελοποίηση των καταστάσεων λειτουργίας φαίνονται στο αρχείο caseformat.m. Έτσι, τα αρχεία που περιγράφουν την κατάσταση λειτουργίας κάποιου συστήματος, περιέχουν τους πίνακες των ζυγών, των γραμμών μεταφοράς και των γεννητριών. Όλοι οι ζυγοί είναι αριθμημένοι ξεκινώντας από το 1, σε αυτούς ανήκουν και οι ζυγοί που συνδέουν τις γεννήτριες με το σύστημα. Οι γραμμές μεταφοράς αριθμούνται και αυτές, αλλά χαρακτηρίζονται και από το ζυγό που ξεκινούν και το ζυγό που καταλήγουν. Αναλυτικά οι πίνακες αυτοί φαίνονται στο Κεφάλαιο 5 ( 5.2) σε ένα παράδειγμα για σύστημα 39 ζυγών. 31

32 Για όλες τις ποσότητες που χρησιμοποιούνται, τα μέτρα τους εκφράζονται σε ανα μονάδα τιμές (pu) και οι γωνίες τους σε μοίρες ( o ). Οι ποσότητες αυτές κατηγοριοποιούνται σε αυτές που αφορούν τους ζυγούς, τις γραμμές μεταφοράς και τις γεννήτριες. Οι γραμμές μεταφοράς παραμετροποιούνται σύμφωνα με το π μοντέλο, όπου η σε σειρά συνθέτη αντίσταση αποτελείται από τα στοιχεία rs και xs και η συνολική επιδεκτικότητα είναι η bc. Στην περίπτωση που στην άκρη της γραμμής συνδέεται μετασχηματιστής, αυτός παραμετροποιείται από την τιμή του λόγου μετασχηματισμού r και τη γωνία μετατόπισης θshift. Οι γεννήτριες χαρακτηρίζονται από τις εγχύσεις ισχύος στο σύστημα, μέσω του ζυγού που συνδέονται. Όλες οι γεννήτριες δηλαδή, παρέχουν ενεργό (pg) και άεργο ισχύ (qg). Αντίθετα, τα φορτία καταναλώνουν ισχύ, δηλαδή ενεργό (pd) και άεργο ισχύ (qd). Το MATPOWER χρησιμοποιεί μεθόδους για τη στατική ανάλυση ροής φορτίου, είτε αυτή αφορά την ακριβή επίλυση (AC), είτε την απλοποιημένη (DC). Τα παραπάνω δεδομένα χρησιμοποιούνται για την ακριβή επίλυση της κατανομής φορτίου (AC), ενώ για την απλοποιημένη κατανομή φορτίου (DC) ισχύουν οι παρακάτω υποθέσεις. Πρώτη είναι η απλοποίηση των γραμμών μεταφοράς, αφού θεωρούνται με μηδενικές απώλειες, rs=0 και bc=0. Δεύτερη είναι η υπόθεση πως όλες οι τάσεις είναι περίπου 1 pu και τέλος, ότι έχουν μικρές γωνίες. Έτσι, οι μαθηματικές εξισώσεις για την ανάλυση ροής φορτίου απλοποιούνται σε σχέση με αυτές της AC. Τα μαθηματικά μοντέλα αυτά αναλύθηκαν αναλυτικά στο προηγούμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 2). Για την επίλυση κατανομής φορτίου στο σύστημα αυτό υπάρχει η εντολή runpf(casefilename), όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.2, ενώ για τη βασική επίλυση της βέλτιστης κατανομή φορτίου χρησιμοποιούμε την runopf(casefilename), της Εικόνας 3.3. Εικόνα 3.2 : Εκτέλεση ανάλυσης ροής φορτίου Εικόνα 3.3 : Εκτέλεση βέλτιστης ροής φορτίου Τα αποτελέσματα τυπώνονται στην οθόνη με τέτοιο τρόπο όπως θα δούμε στο Κεφάλαιο 6 ( 6.3). Σημειώνουμε ότι προσφέρονται πολλοί διαφορετικοί αλγόριθμοι, οι οποίοι επιλέγονται μέσω της εντολής mpoption. Αναλυτικές οδηγίες για την 32

33 χρήση των εντολών δίνονται στο εγχειρίδιο του MATPOWER όπως και με τη χρήση της εντολής help της MATLAB. Επιπλέον, το MATPOWER δίνει τη δυνατότητα επίλυσης μιας μεθόδου για την εύρεση του επόμενου σημείου λειτουργίας του συστήματος, με τη χρήση της παραμέτρου λ. Η παράμετρος αυτή δηλώνει κατά πόσο επηρεάζεται η μεταβολή της λύσης από το επόμενο επιθυμητό σημείο και έτσι η συνάρτηση βελτιστοποίησης τώρα γίνεται : f(x, λ) = g(x) λb = 0 (3.1) Όπου η βασική εξίσωση ήταν η g(x) της σχέσης (3.2) και b είναι ένα διάνυσμα με τις διαφορές ισχύος του τρέχοντος σημείου λειτουργίας και του επιθυμητού. P(x) Pinj g(x) = [ Q(x) Q inj] = 0 (3.2) b = [ P inj target inj Q target inj P base (3.3) inj Q ] base x (Θ, V m ) (3.4) Η εντολή που χρησιμοποιείται για την επίλυση αυτή είναι η runcpf(basecasedata, targetcasedata), όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3.4. Εικόνα 3.4 : Εκτέλεση συνεχόμενης ροής φορτίου 33

34 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο εξηγούνται αναλυτικά όλα τα υποσυστήματα που δημιουργήθηκαν για την ανάπτυξη της εκπαιδευτικής εφαρμογής για την εξομοίωση μιας αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Σχετικά με το χώρο της αγοράς μείναμε στον κανόνα της μεγιστοποίησης του κέρδους του παραγωγού, λαμβάνοντας υπόψιν το κόστος καυσίμου, χωρίς να εμβαθύνουμε σε άλλα οικονομικά ζητήματα, όπως για παράδειγμα τα κόστη εκκίνησης των γεννητριών. Η λειτουργία ενός ΣΗΕ αποτελεί ένα περίπλοκο μαθηματικό πρόβλημα όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 2, γεγονός που οδηγεί στην ανάγκη ανάπτυξης εργαλείων για την κατανόηση της. Οι ενδιαφερόμενοι χρήστες της εφαρμογής έχουν το ρόλο των παραγωγών και διαθέτουν μια γεννήτρια με γνωστή τη συνάρτηση κόστους λειτουργίας και γνωστό το κόστος καυσίμου. Ο τρόπος με τον οποίο συμμετέχουν στην αγορά και αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους καθορίζεται από τα υποσυστήματα που αναπτύχθηκαν πίσω από την διεπαφή των χρηστών με την εφαρμογή. Σε κάθε χρήστη παρέχεται ένα όνομα και ένας κωδικός και με τα στοιχεία αυτά έχει τη δυνατότητα να συμμετέχει στην αγορά, υποβάλλοντάς τα στη φόρμα του Υποσυστήματος Εισαγωγής Ονόματος και Κωδικού. Με τη σωστή υποβολή των παραπάνω δεδομένων, ο χρήστης μπορεί πλέον να ορίσει τη συνάρτηση προσφοράς μέσω του Υποσυστήματος Εισαγωγής Συναρτήσεων Προσφοράς και αν επιθυμεί να στείλει μηνύματα στους άλλους χρήστες αυτό γίνεται μέσω της φόρμας Εισαγωγής Μηνυμάτων. Η διεπαφή του χρήστη με την εφαρμογή ολοκληρώνεται με το Υποσύστημα Ανάδρασης. Το υποσύστημα αυτό χρησιμοποιείται για να προβάλει σε κάθε χρήστη στοιχεία που τον αφορούν, όπως είναι τα μηνύματα που έχει ανταλλάξει και τα δεδομένα της εκκαθάρισης της αγοράς όταν αυτή συμβεί. Η αγορά για να λειτουργήσει σωστά χρειάζεται κατάλληλη διαχείριση η οποία θα είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες και στους στόχους της κάθε περίπτωσης. Την ευθύνη αυτή την έχει ο διαχειριστής του συστήματος, ο οποίος αποφασίζει πότε θα εκκινήσει την αγορά και κάτω από ποιες συνθήκες θα τη λειτουργήσει. Στην περίπτωση αυτής της εκπαιδευτικής εφαρμογής τον ρόλο του διαχειριστή τον έχει κάποιο άτομο από το διδακτικό προσωπικό. Η είσοδός του δεν διαφέρει καθόλου 35

36 από αυτή του χρήστη, δηλαδή χρησιμοποιεί τη φόρμα Εισαγωγής Ονόματος και Κωδικού με τα δικά του στοιχεία ταυτοποίησης. Επίσης η αποστολή μηνυμάτων γίνεται με όμοιο τρόπο χωρίς κάποια διαφοροποίηση. Η διεπαφή για το διαχειριστή προσφέρει κάποιες επιπλέον λειτουργίες, απαραίτητες για τη λειτουργικότητα του συστήματος. Πρώτη και κύρια λειτουργία είναι η εντολή για την εκκαθάριση της αγοράς, η οποία δίνεται με τη χρήση της φόρμας Εισαγωγής Συνάρτησης Προσφοράς για πολυωνυμικές συναρτήσεις. Δεύτερη επιπλέον λειτουργία είναι η δυνατότητα καθορισμού του ΣΗΕ με το οποίο θα λειτουργήσει η αγορά στην επόμενη εκκαθάριση, επιλέγοντας την επιθυμητή μεταβλητή που έχει ορισμένα τα χαρακτηριστικά του, χρησιμοποιώντας τη φόρμα της διεπαφής για την Εισαγωγή Μηνύματος. Ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να δίνονται οι παραπάνω εντολές αναλύεται στη συνέχεια στα Υποσυστήματα Διεπαφής Χρηστών και Διαχειριστή με την αγορά. 4.2 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΕΠΑΦΗΣ ΧΡΗΣΤΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗ ΜΕ ΤΗΝ ΑΓΟΡΑ Η εφαρμογή αυτή απευθύνεται σε φοιτητές με στόχο την εξοικείωση αυτών με το χώρο της αγοράς και τη λειτουργία ενός ΣΗΕ. Το μέσο με το οποίο ο χρήστης έρχεται σε επαφή με την εικονική αγορά που χρησιμοποιεί η εφαρμογή είναι η φόρμα διεπαφής της. Η διεπαφή αυτή αποτελείται από επιμέρους υποσυστήματα τα οποία καλύπτουν πλήρως όλα τα δεδομένα που απαιτείται να δώσει ο χρήστης για να λειτουργήσει η εξομοίωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Η διεπαφή αποτελείται από τρεις φόρμες εισαγωγής δεδομένων και ένα κουμπί υποβολής αυτών. Οι φόρμες εισαγωγής δεδομένων αφορούν την Εισαγωγή Ονόματος και Κωδικού του χρήστη, την Εισαγωγή Συνάρτησης Προσφοράς και την Εισαγωγή Μηνύματος. Το κουμπί Υποβολής Δεδομένων συνδέει τη διεπαφή με την εφαρμογή, η οποία αλληλοεπιδρά με το χρήστη μέσω του Υποσυστήματος Ανάδρασης. Το Υποσύστημα αυτό αναλύεται στην παράγραφο και ενώ δεν ανήκει στην διεπαφή το χρησιμοποιούμε στο παρακάτω διάγραμμα γιατί μέσω αυτού φαίνεται αν έγινε σωστά η εισαγωγή δεδομένων και δίνει τη δυνατότητα να επιστρέψει ο χρήστης στη φόρμα της διεπαφής είτε για νέα υποβολή συνάρτησης είτε για να στείλει μήνυμα. Στην Εικόνα 4.1 φαίνονται ονομαστικά τα υποσυστήματα αυτά και η μεταξύ τους αλληλοεπίδραση : 36

37 Εικόνα 4.1: Διάγραμμα Αλληλοεπίδρασης Υποσυστημάτων Διεπαφής Εισαγωγή Ονόματος και Κωδικού Το όνομα και ο κωδικός είναι απόρρητα δεδομένα που ταυτοποιούν όσους δικαιούνται να χρησιμοποιήσουν την εφαρμογή. Με τη χρήση αυτών διασφαλίζεται η ομαλή και δίκαιη λειτουργία της εφαρμογής και αποτρέπονται καταστάσεις στις οποίες κάποιος χρήστης μπορεί να παραβιάσει τα δεδομένα κάποιου άλλου χρήστη ή ακόμα και του διαχειριστή για δικό του οικονομικό όφελος. Πριν την εκκίνηση της αγοράς διανέμεται στους χρήστες το φυλλάδιο με τις απαραίτητες οδηγίες για τη συμμετοχή τους και τα στοιχεία του καθενός όπως, το όνομα, ο κωδικός και τα δεδομένα της μονάδας παραγωγής που του αντιστοιχεί. Η φόρμα της διεπαφής για την εισαγωγή του ονόματος και του κωδικού φαίνεται στην Εικόνα 4.2 και βρίσκεται στην αρχή της σελίδας. 37

38 Εικόνα 4.2 : Φόρμα Εισαγωγής Ονόματος και Κωδικού Η σωστή εισαγωγή των δεδομένων αυτών είναι απαραίτητη για την υποβολή ολόκληρης της φόρμας και απαιτείται κάθε φορά που η σελίδα πρόκειται να αιτηθεί και να αποστείλει δεδομένα από και προς την εφαρμογή Εισαγωγή Συνάρτησης Προσφοράς Χρήστη Στη συνέχεια της διεπαφής της εφαρμογής βρίσκονται οι φόρμες για την εισαγωγή της συνάρτησης προσφοράς των χρηστών. Η συνάρτηση προσφοράς μπορεί να έχει, είτε τμηματικά γραμμική μορφή, είτε πολυωνυμική. Ο τρόπος εισαγωγής της διαφέρει ανάλογα τη μορφή της και γι αυτό το λόγο υπάρχουν δύο διαφορετικές φόρμες, μια για την κάθε μορφή, όπως αναλύονται στη συνέχεια. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να υποβάλει συνάρτηση οποιασδήποτε μορφής από τις δυο, όμως δεν μπορεί να έχει συμπληρωμένες και τις δύο φόρμες για να θεωρηθεί σωστή η υποβολή. Στη περίπτωση που συμβεί αυτό, το Υποσύστημα Ανάδρασης ενημερώνει το χρήστη με μήνυμα λάθους, όπως αναλύεται στην παράγραφο Στην Εικόνα 4.3 φαίνεται η φόρμα για την εισαγωγή της τμηματικά γραμμικής συνάρτησης. 38

39 Εικόνα 4.3 : Φόρμα Εισαγωγής Συνάρτησης Προσφοράς για τμηματικά γραμμικές συναρτήσεις Η τμηματικά γραμμική συνάρτηση είναι μια τεθλασμένη γραμμή και για τον ορισμό της χρειάζονται τα σημεία που ορίζουν τις επιμέρους ευθείες που την απαρτίζουν. Στην εφαρμογή που αναπτύχθηκε υπάρχει η δυνατότητα να οριστούν μέχρι πέντε σημεία της συνάρτησης, αφού δεν υπάρχει κάποιο σημαντικό όφελος για περισσότερα. Στην Εικόνα 4.3 ξεχωρίζουν οι δύο στήλες για τον ορισμό των πέντε σημείων. Τα σημεία αυτά έχουν ως τετμημένη τα μεγαβάτ (MW) στον οριζόντιο άξονα και ως τεταγμένη τα δολάρια ανά ώρα ($/hr) στον κάθετο άξονα. Στη συνέχεια θα αναλυθεί η φόρμα υποβολής της πολυωνυμικής συνάρτησης, η οποία έχει προφανώς διαφορετική δομή και φαίνεται στην Εικόνα

40 Εικόνα 4.4 : Φόρμα Εισαγωγής Συνάρτησης Προσφοράς για πολυωνυμικές συαρτήσεις Η μορφή της πολυωνυμικής συνάρτησης καθορίζεται από τις τιμές των συντελεστών της. Επομένως, για να οριστεί χρειάζεται ο χρήστης να υποβάλει τις τιμές αυτών των συντελεστών στα αντίστοιχα πεδία. Όπως φαίνεται και στην εικόνα, οι συντελεστές αριθμούνται από το μηδέν, για το σταθερό όρο της πολυωνυμικής, έως το εννιά, για τον ένατο όρο ενός πολυωνύμου 9 ου βαθμού, δηλαδή ο χρήστης μπορεί να υποβάλει πολυώνυμο μέχρι και 9 ου βαθμού. Στην περίπτωση που θέλει να υποβάλει μικρότερου βαθμού πολυώνυμο, τότε μπορεί απλά να αφήσει κενά τα πεδία των μεγαλύτερων συντελεστών. Τη φόρμα εισαγωγής της πολυωνυμικής συνάρτησης τη χρησιμοποιεί και ο διαχειριστής για να δώσει την εντολή για την εκκαθάριση της αγοράς. Η εντολή αυτή εκτελείται όταν εισαγάγει στο τελευταίο πεδίο, δηλαδή στο πεδίο του σταθερού όρου C0, τον αριθμό 99. Βέβαια, βασική προϋπόθεση για την εκτέλεσή της είναι να έχει δώσει ο χρήστης το όνομα και τον κωδικό του διαχειριστή Εισαγωγή Μηνύματος Η δυνατότητα αποστολής μηνυμάτων, είτε σε κάποιον άλλον χρήστη, είτε στο διαχειριστή, γίνεται μέσω της φόρμας της διεπαφής που φαίνεται στην Εικόνα

41 Εικόνα 4.5 : Φόρμα Εισαγωγής Μηνύματος Στο πρώτο πεδίο της φόρμας ο χρήστης πρέπει να γράψει το όνομα του χρήστη, στον οποίο επιθυμεί να στείλει μήνυμα, ενώ το δεύτερο πεδίο διατίθεται για την εισαγωγή του μηνύματος. Η φόρμα εισαγωγής μηνύματος για το διαχειριστή έχει διπλή λειτουργία. Η πρώτη είναι η αποστολή μηνυμάτων που αναλύθηκε παραπάνω και η δεύτερη αφορά τη δυνατότητά του να αλλάξει το case, με το οποίο θα τρέξει η αγορά στην επόμενη εκκαθάριση και τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η αλλαγή του επόμενου case γίνεται με την εισαγωγή του ονόματος της κατάλληλης μεταβλητής (π.χ. case39a) στο πρώτο πεδίο της φόρμας, ενώ η αλλαγή των συναρτήσεων κόστους γίνεται με την εισαγωγή του ονόματος της αντίστοιχης μεταβλητής (π.χ. case39_gencost2) που περιέχει τα στοιχεία αυτά. Οι μεταβλητές αυτές είναι αρχεία της μορφής.mat και περιέχουν τα απαραίτητα δεδομένα για την κάθε περίπτωση. Αναλυτικότερα, θα εξηγηθεί ο τρόπος ανάκλησης και δημιουργίας αυτών των δεδομένων στην περιγραφή των Υποσυστημάτων του Διαχειριστή στις παραγράφους και αντίστοιχα Υποβολή Δεδομένων Τελευταίο κομμάτι της διεπαφής που δημιουργήσαμε για την εφαρμογή αυτή είναι το κουμπί της υποβολής του συνόλου της φόρμας. Αυτό βρίσκεται στο κάτω μέρος της σελίδας και χρησιμοποιείται, είτε για την υποβολή μιας από όλες τις παραπάνω φόρμες, είτε για την υποβολή όλων μαζί. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διεπαφής είναι ότι η φόρμα της εισαγωγής του ονόματος και του κωδικού απαιτείται να συμπληρώνεται σε κάθε υποβολή. Η Εικόνα 4.6 δείχνει τη μορφή που έχει το κουμπί της υποβολής. 41

42 Εικόνα 4.6 : Κουμπί Υποβολής της φόρμας 4.3 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΧΡΗΣΤΗ Υποσύστημα Ασφάλειας Στο Υποσύστημα Ασφάλειας ανήκει το στάδιο της εισόδου του χρήστη στην εφαρμογή. Ο διαχειριστής του συστήματος χρειάζεται να γνωρίζει τη ταυτότητα κάθε παραγωγού για να μπορεί να επικοινωνεί μαζί του για τη συμμετοχή του στην αγορά, αλλά και να κρατάει σε αρχείο το ιστορικό της συμμετοχής του καθενός. Τα στοιχεία της ταυτότητας που χρειάζονται είναι το όνομα του χρήστη και ο κωδικός. Η εισαγωγή των στοιχείων αυτών, όπως αναφέραμε στα Υποσυστήματα Διεπαφής ( 4.2) είναι η φόρμα Εισαγωγής Ονόματος και Κωδικού ( 4.2.1). Πριν την εκκίνηση της αγοράς δίνεται σε κάθε χρήστη το όνομα και ο κωδικός με απόλυτη μυστικότητα. Με τα δεδομένα αυτά, ο χρήστης μπορεί να συμμετέχει στις διαδικασίες για την προσφορά και πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει. Οι κωδικοί παρέχονται για να καλυφθεί η ασφαλής λειτουργία της αγοράς, χωρίς να υπάρχει η περίπτωση τροποποίησης των οικονομικών δεδομένων από άλλους χρήστες. Αν στα δεδομένα κάποιου παραγωγού παρέμβει κάποιος άλλος ανταγωνιστής, με σκοπό την δική του κερδοφορία, θα προκαλέσει μεγάλο επιχειρηματικό και οικονομικό πλήγμα του πρώτου. Για τους λόγους που αναφέραμε προηγουμένως, η σωστή εισαγωγή των προσωπικών δεδομένων χρησιμοποιείται ως μοναδική επιλογή για τη συμμετοχή στην εφαρμογή εξομοίωσης της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Για την έγκυρη ή μη εισαγωγή αυτών έχει αναπτυχθεί το Υποσύστημα Ασφάλειας, ο κώδικας του οποίου παρουσιάζεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (I.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ). Η λειτουργία αυτού του υποσυστήματος είναι να ελέγχει τη σωστή εισαγωγή του ονόματος και του κωδικού του χρήστη. Πρώτα γίνεται έλεγχος αν το όνομα που έχει εισάγει ο χρήστης υπάρχει μέσα στη λίστα των ονομάτων που έχουν πρόσβαση στην αγορά και εάν υπάρχει, τότε γίνεται αντίστοιχος έλεγχος του κωδικού. Στην περίπτωση της έγκυρης εισαγωγής των προσωπικών δεδομένων, τα δεδομένα που έχει εισαγάγει ο χρήστης στις υπόλοιπες φόρμες της διεπαφής περνάνε στα αντίστοιχα υποσυστήματα. Έχει, δηλαδή, την επιλογή είτε να εισαγάγει τη 42

43 συνάρτηση προσφοράς μέσω του αντίστοιχου υποσυστήματος, είτε να στείλει μηνύματα στους υπόλοιπους χρήστες μέσω του Υποσυστήματος Μηνυμάτων, είτε να μην κάνει τίποτα, περιμένοντας να δει την εξέλιξη της αγοράς. Στην αντίθετη περίπτωση, που το όνομα και ο κωδικός δεν αντιστοιχούν σε κάποιον χρήστη, τα δεδομένα που έχουν εισαχθεί στις υπόλοιπες φόρμες δεν λαμβάνονται υπ όψιν και μέσω του Υποσυστήματος Ανάδρασης γίνεται ενημέρωση για το λάθος Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς Μετά την έγκυρη εισαγωγή των δεδομένων ασφαλείας, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να εισάγει τη συνάρτηση προσφοράς που περιγράφει την τιμή ανά μεγαβατώρα ($/MWh) της ενέργειας που επιθυμεί να πουλήσει και που μπορεί να παράξει, ανά μεγαβατώρα. Απαιτείται να δείξει ιδιαίτερη προσοχή στη συνάρτηση κόστους της γεννήτριας που χρησιμοποιεί, για να δώσει κατάλληλη συνάρτηση προσφοράς, στοχεύοντας στο μεγαλύτερο δυνατό κέρδος και όχι στη ζημία. Σε αυτό βοηθάει το Υποσύστημα Ανάδρασης ( 4.3.4), μια λειτουργία του οποίου είναι να τυπώνει στο ίδιο διάγραμμα τις γραφικές παραστάσεις της συνάρτησης προσφοράς και της συνάρτησης κόστους. Παρακάτω θα αναλυθούν όλοι οι έλεγχοι που γίνονται από το Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς και σε περίπτωση που δεν ικανοποιούνται, δεν γίνεται δεκτή η υποβολή της τρέχουσας συνάρτησης για τη συμμετοχή στην επόμενη εκκαθάριση. Ο κώδικας του υποσυστήματος παρουσιάζεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (ΙΙ.a) και σε αυτόν χρησιμοποιείται μια μεταβλητή αναφοράς, η οποία περιέχει μήνυμα ανάλογο του ελέγχου. Στην περίπτωση που η συνάρτηση είναι σωστά ορισμένη, τότε η μεταβλητή παραμείνει κενή μετά τους ελέγχους και τυπώνονται οι γραφικές παραστάσεις. Όπως αναφέρθηκε εισαγωγικά στο προηγούμενο κεφάλαιο, η αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένας μηχανισμός για τον καθορισμό του κόστους της μεγαβατώρας για τον αγοραστή της ενέργειας. Αυτή η λειτουργία επιτυγχάνεται στη συγκεκριμένη εφαρμογή λύνοντας το περίπλοκο πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής φορτίου, όπως φαίνεται στην εξίσωση (2.6), ελαχιστοποιώντας το άθροισμα των συναρτήσεων προσφοράς για την πραγματική ισχύ και όχι τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών. Οι συναρτήσεις f P i της πραγματικής ισχύος συναρτήσει της τιμής σε δολάρια $ που χρησιμοποιεί το MATPOWER μπορούν να έχουν, είτε τμηματικά γραμμική μορφή, είτε πολυωνυμική. Το πρώτο μοντέλο που χρησιμοποιεί το MATPOWER έχει τη μορφή μιας τμηματικά γραμμικής συνάρτησης, η οποία ορίζεται από τα ζεύγη τιμών της μεγαβατώρας και της τιμής κοστολόγησής της. Ο έλεγχος του συγκεκριμένου υποσυστήματος δίνει το περιθώριο ορισμού από δυο έως πέντε σημείων της τμηματικά γραμμικής συνάρτησης, θέτοντας περιορισμούς, για το πρώτο και το τελευταίο σημείο. Το 43

44 πρώτο σημείο πρέπει να έχει τετμημένη ίση με την ελάχιστη παραγόμενη ισχύ της γεννήτριας. Στην περίπτωση που η ισχύς αυτή είναι ίση με μηδέν, τότε θα πρέπει και η τιμή κόστους να είναι μηδέν, δηλαδή το πρώτο σημείο να είναι (0,0). Αντίστοιχα, το τελευταίο σημείο πρέπει να έχει την ίδια ποσότητα ισχύος με την μέγιστη δυνατή παραγόμενη ισχύ της γεννήτριας. Ακόμη, όλα τα σημεία πρέπει να είναι θετικά ορισμένα και το πολύ ένα από αυτά να έχει τετμημένη ίση με μηδέν (MW=0). Τελευταίος έλεγχος στον κώδικα για τις τμηματικά γραμμικές συναρτήσεις αφορά την εισαγωγή των σημείων κατά αύξουσα σειρά ως προς τα MW. Η συνάρτηση της γραφικής παράστασης καλείται όταν όλα είναι σωστά ορισμένα και λειτουργεί όπως φαίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (II.b). Το δεύτερο μοντέλο που χρησιμοποιείται έχει τη μορφή μιας πολυωνυμικής συνάρτησης, η οποία ορίζεται από τους συντελεστές της. Η φόρμα για την πολυωνυμική συνάρτηση περιέχει εννιά πεδία για την συμπλήρωση συνάρτησης μέχρι 9 ου βαθμού. Οι περιορισμοί σε αυτό το μοντέλο συνάρτησης αφορούν το θετικό πρόσημο των συντελεστών, καθώς και τη μηδενική τιμή του σταθερού όρου c0, αφού σε αντίθετη περίπτωση κάτι τέτοιο θα έδειχνε ότι υπάρχει κόστος για μηδενική παραγωγή ισχύος. Ακόμη, δίνεται η δυνατότητα να οριστούν μηδενικοί συντελεστές αφήνοντας κενό το αντίστοιχο πεδίο. Στο σημείο αυτό διευκρινίζεται ότι ο περιορισμός για το θετικό πρόσημο δεν γίνεται στον κώδικα της MATLAB, αλλά στον κώδικα HTML της διεπαφής. Τέλος, εάν η πολυωνυμική συνάρτηση είναι σωστά ορισμένη, τότε καλείται η συνάρτηση για να τυπωθεί η γραφική της παράσταση. Ο κώδικας της συνάρτησης αυτής βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (II.c) Υποσύστημα Μηνυμάτων Παράλληλα με την εισαγωγή της συνάρτησης προσφοράς, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να επικοινωνεί με τους υπόλοιπους χρήστες και να ενημερώνεται για τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης. Το Υποσύστημα Μηνυμάτων καθιστά την επικοινωνία αυτή εφικτή και ο κώδικάς του φαίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (III). Η φόρμα της διεπαφής που χρησιμοποιείται αποτελείται από το πεδίο του παραλήπτη και το πεδίο του μηνύματος, όπως αναλύθηκε στο Υποσύστημα Εισαγωγής Μηνύματος. Στο υποσύστημα αυτό χρησιμοποιείται μια μεταβλητή αναφοράς, η οποία περιέχει το αποτέλεσμα των ελέγχων που γίνονται. Μόνο όταν η μεταβλητή αναφοράς παραμένει κενή, γίνεται αποστολή μηνύματος. Όσον αφορά την επιτυχή αποστολή μηνύματος χρειάζεται να είναι συμπληρωμένα και τα δύο πεδία της φόρμας Σημειώνεται εδώ, ότι η επικοινωνία υφίσταται μόνο μεταξύ των συμμετεχόντων και του διαχειριστή, δηλαδή σε περίπτωση που το όνομα του παραλήπτη δεν αντιστοιχεί σε κάποιον χρήστη ή στο διαχειριστή, τότε είναι αδύνατη η αποστολή του μηνύματος. Εκτός από την αποστολή μηνυμάτων, υπάρχει και η περίπτωση αλλαγής κατάστασης λειτουργίας του συστήματος από το διαχειριστή, όπου σε αυτή 44

45 την περίπτωση ελέγχεται η ύπαρξη των ονομάτων των αρχείων που εισήγαγε. Ο διαχειριστής μπορεί, όσο είναι ενεργή η αγορά και πριν ξεκινήσουν οι προσφορές της επόμενης εκκαθάρισης, να αλλάξει τα δεδομένα της. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 4.2.3, ορίζοντας τα πεδία του παραλήπτη και του μηνύματος τα ονόματα των αρχείων που επιθυμεί να χρησιμοποιήσει, ορίζει την κατάσταση λειτουργίας του συστήματος, στο οποίο θα τρέξει η αγορά στην επόμενη εκκαθάριση. Η επικοινωνία μεταξύ των χρηστών είναι αρκετά σημαντική, καθώς η αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί έναν ζωντανό μηχανισμό. Αυτός καθορίζεται από τις πράξεις των ανθρώπων που συμμετέχουν και σε περίπτωση απομονωμένης συμπεριφοράς του κάθε χρήστη ο μηχανισμός μειονεκτεί σε λειτουργικότητα. Μέσω της ανταλλαγής μηνυμάτων, οι χρήστες μπορούν να συμπράξουν συμφωνίες, κατά τις οποίες ικανοποιούνται διάφοροι επιχειρηματικοί και οικονομικοί στόχοι. Ακόμη, μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη δυνατότητα επικοινωνίας για να συμφωνήσουν μεταξύ τους για ένα κατώτατο όριο τιμής της ηλεκτρικής ενέργειας, αναγκάζοντας έτσι το σύστημα να λειτουργήσει με υψηλότερο κόστος, αυξάνοντας την τιμή κοστολόγησης της κιλοβατώρας. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να πετύχουν αύξηση των κερδών τους για όσο χρονικό διάστημα βρίσκεται σε ισχύ η συμφωνία και μέχρις ότου κάποιος από τους παραγωγούς ρίξει την τιμή προσφοράς. Ακόκη ένα πλεονέκτημα που προσφέρει το υποσύστημα αυτό είναι η έγκαιρη ενημέρωση των χρηστών για τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης. Όταν εκκαθαρίζεται η αγορά, το πρόγραμμα του MATPOWER τυπώνει στο διαχειριστή του συστήματος τα αναλυτικά αποτελέσματα της βέλτιστης κατανομής φορτίου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά, και συγκεκριμένα με το ποσό της ισχύος που χρειάζεται να παράξει κάθε γεννήτρια για την κάλυψη των φορτίων, υπολογίζεται το κέρδος ή η ζημία του κάθε χρήστη χωριστά. Όλοι οι χρήστες λαμβάνουν σε μήνυμα πληροφορίες για την ακριβή ώρα εκκαθάρισης της αγοράς, την πραγματική ισχύ που πρέπει να παράγουν σε MW και το ποσό του κέρδους ή της ζημίας τους σε $ από το διαχειριστή του συστήματος Υποσύστημα Ανάδρασης Το τελευταίο κομμάτι των υποσυστημάτων που αφορά τους χρήστες είναι η Ανάδραση της Διεπαφής. Η λειτουργία του υποσυστήματος αυτού βοηθά στη διαφάνεια του μηχανισμού της αγοράς καθώς, πέρα από την αλληλογραφία και τις γραφικές παραστάσεις των συναρτήσεων, τυπώνει σε κάθε χρήστη τα αναλυτικά αποτελέσματα από όλες τις εκκαθαρίσεις που έχουν γίνει μέχρι τη στιγμή εκείνη. Απαραίτητη προϋπόθεση για να έχει ο χρήστης τη δυνατότητα να δει τα μηνύματά του στο σύνολό τους και τα αποτελέσματα της αγοράς είναι να έχει γίνει σωστή εισαγωγή των δεδομένων ασφάλειας, όπως αναφέρθηκαν στο Υποσύστημα Ασφάλειας. 45

46 Στο κομμάτι αυτό της Ανάδρασης ο χρήστης μπορεί να δει τις γραφικές παραστάσεις των συναρτήσεων προσφοράς και κόστους και να αποφασίσει κατάλληλα αν επιθυμεί να αλλάξει τη συνάρτηση προσφοράς του ή να την αφήσει ως έχει. Η απεικόνιση αυτή των συναρτήσεων γίνεται μόνο όταν όλοι οι έλεγχοι τους έχουν γίνει και ικανοποιούνται, σύμφωνα με το αντίστοιχο Υποσύστημα Συναρτήσεων Προσφοράς. Σε αντίθετη περίπτωση τυπώνεται το μήνυμα λάθους εισαγωγής των δεδομένων. Αντίστοιχα, το ίδιο συμβαίνει και για την αποστολή μηνυμάτων. Σε περίπτωση που οι έλεγχοι του Υποσυστήματος Ανταλλαγής Μηνυμάτων δεν ικανοποιούνται τυπώνεται το μήνυμα που αναφέρει το είδος του ελέγχου που δεν ικανοποιείται και επομένως δεν γίνεται αποστολή μηνύματος, ενώ σε αντίθετη περίπτωση εμφανίζεται μήνυμα επιτυχημένης αποστολής του. Ο κώδικας του Υποσυστήματος Ανάδρασης περιέχει εντολές για την κλήση των συναρτήσεων που αφορούν τα υποσυστήματα που αναλύθηκαν παραπάνω, Υποσύστημα Ασφάλειας, Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς και Ανταλλαγής Μηνυμάτων. Κύριο χαρακτηριστικό όμως του συγκεκριμένου κώδικα είναι ότι για την υλοποίηση της ανάδρασης περιέχει ανάπτυξη κώδικα HTML, που δημιουργείται δυναμικά και ανάλογα με την περίπτωση, με εντολές της MATLAB. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται η σελίδα στην οποία τυπώνονται όλα τα στοιχεία που χρειάζονται για την ενημέρωση του χρήστη όπως αυτά αναφέρθηκαν παραπάνω. Αρχικά γίνεται η κλήση της συνάρτησης, η οποία φαίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (IV.b), για την μετατροπή των αριθμητικών δεδομένων που εισάγονται από τη φόρμα της διεπαφής ως χαρακτήρες, στη σωστή τους μορφή. Ακόμη, φορτώνονται τα δεδομένα των ονομάτων και των κωδικών, και της κατάστασης λειτουργίας του συστήματος. Στη συνέχεια του κώδικα αιτούνται οι συναρτήσεις που αφορούν τα υποσυστήματα που αναλύθηκαν παραπάνω, δηλαδή το Υποσύστημα Ασφάλειας, Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς και Ανταλλαγής Μηνυμάτων. Στον κώδικα διακρίνονται δύο μέρη, όπου το πρώτο αφορά τη λειτουργία της εφαρμογής για το διαχειριστή, και το δεύτερο τη λειτουργία της για τους παραγωγούς. Όταν γίνεται η σύνδεση ενός παραγωγού στο Υποσύστημα Ανάδρασης καλείται το Υποσύστημα Μηνυμάτων και στη συνέχεια η συνάρτηση για την ανανέωση του αρχείου της αλληλογραφίας, η οποία βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (IV.c). Ακόμη ανανεώνεται η δομή των συναρτήσεων προσφοράς και τυπώνονται η γραφική παράσταση των συναρτήσεων κόστους και προσφοράς, η αλληλογραφία του παραγωγού, μέσω της συνάρτησης του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (IV.d), και τα αποτελέσματα από τις εκκαθαρίσεις της αγοράς που έχουν γίνει. 46

47 4.4 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗ Υποσύστημα Ανάδρασης Το Υποσύστημα Ανάδρασης, όπως και για τον χρήστη, έτσι και για το διαχειριστή τυπώνει στην οθόνη του μηνύματα σχετικά με τα δεδομένα που έχει εισάγει και στοιχεία για την τρέχουσα ή παρελθούσα κατάσταση της αγοράς. Ο κώδικας που χρησιμοποιεί βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (IV). Αρχικά γίνεται η κλήση της συνάρτησης, η οποία φαίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (IV.b), για την μετατροπή των αριθμητικών δεδομένων που εισάγονται από τη φόρμα της διεπαφής ως χαρακτήρες, στη σωστή τους μορφή. Ακόμη, φορτώνονται τα δεδομένα των ονομάτων και των κωδικών, και της κατάστασης λειτουργίας του συστήματος. Στη συνέχεια του κώδικα καλούνται οι συναρτήσεις που αφορούν το Υποσύστημα Ασφάλειας ( 4.4.2), το Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς ( 4.4.3) και το Υποσύστημα Μηνυμάτων ( 4.4.5). Η μεταβλητή αναφοράς του Υποσυστήματος Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς χρησιμοποιείται για την περίπτωση της εκκαθάρισης της αγοράς. Τότε καλείται η συνάρτηση του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (IV.e) για την αρχικοποίηση των πινάκων των συναρτήσεων, που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια από το Υποσύστημα Εκκαθάρισης (ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α.V). Η μεταβλητή αναφοράς του Υποσυστήματος Μηνυμάτων χρησιμοποιείται στην περίπτωση που ο διαχειριστής έχει εισάγει δεδομένα για αλλαγή κατάστασης λειτουργίας. Τότε, στο υποσύστημα αυτό καλείται το Υποσύστημα Φόρτωσης Νέου Σεναρίου (ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α.VI). Τέλος, το Υποσύστημα Ανάδρασης τυπώνει και στο διαχειριστή τα αποτελέσματα όλων των εκκαθαρίσεων που έχουν γίνει Υποσύστημα Ασφάλειας Το Υποσύστημα Ασφάλειας για το διαχειριστή, όπως και για τους χρήστες, χρησιμοποιεί τη διεπαφή Εισαγωγής Ονόματος και Κωδικού και τον κώδικα που παρουσιάζεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (I). Η είσοδός του γίνεται εφικτή με όνομα χρήστη user00 και έναν προκαθορισμένο κωδικό, τα οποία βρίσκονται αποθηκευμένα στο αρχείο excel με όνομα Usernames_Passwords. 47

48 4.4.3 Υποσύστημα Ελέγχου Συναρτήσεων Προσφοράς Σε αυτό το υποσύστημα εκτός από τις συναρτήσεις προσφοράς των χρηστών εντάσσεται και ο έλεγχος για την εντολή που δίνει ο διαχειριστής για την εκκαθάριση της αγοράς. Δηλαδή, με την εισαγωγή του αριθμού 99 στο σταθερό όρο της πολυωνυμικής φόρμας, όπως φαίνεται στον κώδικα στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (II.a), η μεταβλητή αναφοράς περιέχει μήνυμα για την εκκαθάριση της αγοράς Υποσύστημα Εκκαθάρισης Το Υποσύστημα Εκκαθάρισης καλείται μέσα από το Υποσύστημα Ανάδρασης ( 4.4.1), όταν γίνει η εισαγωγή του 99 στη φόρμα της πολυωνυμικής συνάρτησης από το διαχειριστή. Σε αυτό το υποσύστημα εκτελείται η εντολή του MATPOWER runopf, με την οποία λύνεται το μαθηματικό πρόβλημα, όπως αυτό προσδιορίζεται στο Κεφάλαιο 2. Από μόνο του το MATPOWER για την επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου αναζητεί το σημείο λειτουργίας των γεννητριών ώστε να καλύπτεται η ζήτηση με το συνολικό χαμηλότερο κόστος. Ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιείται στην εφαρμογή μας διαφέρει ως προς τις συναρτήσεις που βελτιστοποιεί. Γίνεται, λοιπόν, τροποποίηση έτσι ώστε αντί για τις συναρτήσεις κόστους, να βελτιστοποιεί τις συναρτήσεις προσφορών των παραγωγών. Το αποτέλεσμα αυτής της τροποποίησης δίνει τη λειτουργία του εικονικού ΣΗΕ με το μικρότερο δυνατό κόστος, βάση των προσφορών των παραγωγών. Τα αποτελέσματα της παραπάνω εντολής (runopf) αποθηκεύονται σε αρχείο κειμένου. Υπάρχει ένα τέτοιο αρχείο για κάθε εκκαθάριση της αγοράς. Τα αρχεία αυτά χρησιμοποιούνται από το Υποσύστημα Ανάδρασης για την ενημέρωση των παραγωγών ( 4.3.4) και του διαχειρηστή ( 4.4.1). Ακόμη, εκτός από τα αποτελέσματα για τη γενικότερη λειτουργία του συστήματος, υπολογίζονται για τον κάθε παραγωγό χωριστά πόση πραγματική ισχύ θα πρέπει να παράγει αρα και να πουλήσει και το ποσό του κέρδους ή της ζημίας που θα έχει. Έτσι, μετά από κάθε εκκαθάριση καλείται η συνάρτηση, η οποία βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (V.b) και υπολογίζει για τον κάθε παραγωγό χωριστά τη διαφορά μεταξύ των εσόδων και των εξόδων, σύμφωνα με τις συναρτήσεις προσφοράς και του κόστους λειτουργίας των γεννητριών. Μέσα στις λειτουργίες του Υποσυστήματος Εκκαθάρισης είναι και η αποθήκευση όλων των αποτελεσμάτων, όπως επίσης και η ενημέρωση των παραγωγών για αυτά. Η αποθήκευση των αποτελεσμάτων γίνεται σε αρχείο excel, στο οποίο κάθε φύλλο αντιστοιχεί σε μια γεννήτρια. Το αρχείο αυτό περιέχει το ιστορικό των δεδομένων όλων των παραγωγών, για όλους τους γύρους που έχει λειτουργήσει η εικονική 48

49 αγορά, δηλαδή τις συναρτήσεις προσφοράς και κόστους, τα τελικά MW που θα πουληθούν και το ποσό του κέρδους ή της ζημίας για τον καθένα χωριστά. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (V.c) φαίνεται ο κώδικας της συνάρτησης για την αποθήκευση αυτού του αρχείου. Αντίστοιχα, όλοι οι παραγωγοί ενημερώνονται με μήνυμα για τα MW που θα πουλήσουν και το ποσό τους κέρδους ή της ζημίας που τους αναλογεί μέσω του Υποσυστήματος Μηνυμάτων ( 4.4.5). Παράλληλα, γίνεται αποθήκευση όλων των μηνυμάτων σε excel αρχείο από τη συνάρτηση του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (IV.c), ώστε ο διαχειριστής να μπορεί να ανατρέξει στο ιστορικό τους αργότερα, ώστε να μπορεί να διαπιστώσει την προσπάθεια των παραγωγών για συνεργασία στην μεγιστοποίηση των κερδών τους Υποσύστημα Μηνυμάτων Η φόρμα της διεπαφής που χρησιμοποιείται από το Υποσύστημα Μηνυμάτων αποτελείται από το πεδίο του παραλήπτη και το πεδίο του μηνύματος, όπως αναλύσαμε στο Υποσύστημα Εισαγωγής Μηνύματος ( 4.2.3) και ο κώδικας που χρησιμοποιείται βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (III). Όσο αφορά τη λειτουργία του για την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ διαχειριστή και παραγωγών είναι ίδια ακριβώς με αυτή του ομώνυμου υποσυστήματος του χρήστη ( 4.3.3). Ένα πλεονέκτημα που προσφέρει το υποσύστημα αυτό είναι η έγκαιρη ενημέρωση των παραγωγών για τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης. Όλοι οι παραγωγοί λαμβάνουν με μήνυμα πληροφορίες για την ακριβή ώρα εκκαθάρισης της αγοράς, την πραγματική ισχύ σε MW που πρέπει να παράγουν και το ποσό του κέρδους ή της ζημίας σε $, που υπολογίζεται βάσει των συναρτήσεων προσφοράς και κόστους τους. Είναι σημαντικό ότι τα οικονομικά αποτελέσματα του κάθε παραγωγού είναι απόρρητα και άγνωστα στους υπόλοιπους Υποσύστημα Φόρτωσης Νέου Σεναρίου Ο διαχειριστής μπορεί όσο είναι ενεργή η αγορά να αλλάξει λειτουργικά ή οικονομικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Όπως αναφέρθηκε στο Υποσύστημα Διεπαφής για την Εισαγωγή Μηνύματος ( 4.2.3), ορίζοντας στα πεδία του παραλήπτη και του μηνύματος τα ονόματα των μεταβλητών που επιθυμεί να χρησιμοποιήσει, ορίζει την κατάσταση λειτουργίας και τα κόστη των γεννητριών με τα οποία θα τρέξει η αγορά στην επόμενη εκκαθάριση. Η Εικόνα 4.7 δείχνει τον τρόπο με τον οποίο συμπληρώνονται τα πεδία της διεπαφής για την εισαγωγή μηνυμάτων. 49

50 Εικόνα 4.7 : Φόρμα φόρτωσης νέου σεναρίου Τα δεδομένα αυτά, μέσω της μεταβλητής αναφοράς, αποτελούν την έξοδο του Υποσυστήματος Μηνυμάτων ( 4.4.5) και την είσοδο του Υποσυστήματος Φόρτωσης Νέου Σεναρίου. Για παράδειγμα η μεταβλητή αναφοράς μέσα από τον κώδικα του Υποσυστήματος Μηνυμάτων θα είναι case39b*case39_gencost2, για την περίπτωση που ο διαχειριστής επιλέξει το επόμενο σενάριο να είναι το case39b (π.χ. μείωση του συνολικού φορτίου κατά 20%) και τα κόστη των γεννητριών να είναι αυτά που έχουν οριστεί στην μεταβλητή case39_gencost2, τα οποία μπορεί να είναι διαφορετικά από αυτά που είχαν οριστεί στον προηγούμενο γύρο (π.χ. εξομοίωση μείωση κόστους παραγωγής για κάποιον παραγωγό). Ο κώδικας του Υποσυστήματος Φόρτωσης Νέου Σεναρίου φαίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (VI) και αρχικά γίνεται διαχωρισμός των δύο ονομάτων που περιέχει η μεταβλητή εισόδου. Η διαδικασία αλλαγής σεναρίου συνεχίζει μόνο όταν υπάρχουν αρχεία με τα ονόματα αυτά, αλλιώς επιστρέφει μήνυμα λάθους την διεπαφή του διαχειριστή και η αγορά συνεχίζει όπως έχει. Όταν τα αρχεία υπάρχουν φορτώνονται τα δεδομένα τους, σύμφωνα με τα οποία καθορίζονται οι αλλαγές που πρέπει να γίνουν στα αρχεία αποθήκευσης των δεδομένων, στις δομές που χρησιμοποιούνται για την αλληλογραφία και τις συναρτήσεις και στη λίστα των ονομάτων των χρηστών. Οι αλλαγές αυτές γίνονται στην περίπτωση που το καινούργιο σενάριο που θα χρησιμοποιηθεί στην επόμενη εκκαθάριση έχει περισσότερες γεννήτριες από όσες το προηγούμενο. Συγκεκριμένα στα αρχεία OPF_Data.xlsx, Mail_Data.xlsx προστίθενται επιπλέον φύλλα excel και αντίστοιχα για τις δομές αλληλογραφίας και συναρτήσεων προστίθενται τα στοιχεία των καινούργιων γεννητριών. 50

51 4.4.7 Υποσύστημα Δημιουργίας Σεναρίων Κατά την εκκίνηση της αγοράς, όπως θα δούμε παρακάτω, χρειάζεται να γίνει η επιλογή από το διαχειριστή της κατάστασης λειτουργίας του συστήματος, που θα χρησιμοποιηθεί στην πρώτη εκκαθάριση. Η κατάσταση αυτή θα πρέπει να έχει ήδη δημιουργηθεί και να έχει αποθηκευτεί με μοναδικό χαρακτηριστικό όνομα, όπως θα εξηγηθεί παρακάτω. Όλες οι καταστάσεις λειτουργίας προέρχονται συνήθως από μια αρχική ( base case ). Υπάρχουν περιπτώσεις για ΣΗΕ διαφόρων μεγεθών με χαρακτηριστικά ονόματα, όπως, παραδείγματος χάρη case39 για σύστημα 39 ζυγών. Για τις τροποποιήσεις της αρχικής κατάστασης δεν χρησιμοποιείται κάποιος κώδικας, αλλά η διαδικασία που αναλύεται παρακάτω. Χρησιμοποιείται η εντολή που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 4.8) για να αρχικοποιηθεί η μεταβλητή που περιέχει όλα τα δεδομένα του συστήματος, όπως αυτά έχουν δημιουργηθεί από το MATPOWER. Εικόνα 4.8 : Εντολή φόρτωσης δεδομένων αρχικής κατάστασης λειτουργίας Η δομή mpc τώρα περιέχει δεδομένα που ορίζουν ένα σύστημα 39 ζυγών, 46 γραμμών και 10 γεννητριών και χρειάζεται να αποθηκευτεί κατάλληλα σε αρχείο για να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια όπως φαίνεται παρακάτω (Εικόνα 4.9) : Εικόνα 4.9 : Εντολή αποθήκευσης της αρχικής κατάστασης λειτουργίας 51

52 Οι διάφορες καταστάσεις λειτουργίας που μπορούν να δημιουργηθούν από την αρχική είναι τροποποιημένες ως προς τα φορτία που υπάρχουν στους ζυγούς, τις γραμμές που βρίσκονται σε λειτουργία ή συνδυασμό των δύο. Εφόσον, το συνολικό φορτίο του συστήματος πρέπει να μπορεί να καλυφθεί από τις υπάρχουσες γεννήτριες σύμφωνα με την εγκατεστημένη ισχύ τους, μια αύξηση ή μια μείωση αυτού αλλάζει το ποσό της ισχύος που παράγουν οι γεννήτριες για την κάλυψή του και τον τρόπο με τον οποίο αυτή κατανέμεται στο δίκτυο. Έτσι δημιουργείται μια καινούργια κατάσταση λειτουργίας με διαφορετικά αποτελέσματα από την αρχική. Στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 4.10) δείχνεται ο πίνακας των ζυγών, όπου στην 3 η στήλη φαίνονται τα MW του φορτίου και στην 4 η τα MVar για τον κάθε ζυγό του αρχείου case39.mat (προσοχή στον παράγοντα 1.0e+03 με τον οποίο πολλαπλασιάζονται όλα τα στοιχεία του πίνακα. Εικόνα 4.10 : Πίνακας ζυγών 52

53 Μπορούμε να μειώσουμε το συνολικό φορτίο κατά ένα ποσοστό, για παράδειγμα κατά 20%, με την παρακάτω εντολή (Εικόνα 4.11), που επεμβαίνει στις στήλες του πίνακα των ζυγών που περιέχουν το αντίστοιχο φορτίο σε MW και MVar : Εικόνα 4.11 : Μείωση του συνολικού φορτίου Η μείωση του φορτίου σε κάθε ζυγό κατά 20% φαίνεται και στην εικόνα που ακολουθεί (Εικόνα 4.12), όπου παρουσιάζονται οι νέες τιμές (MW,MVar) των φορτίων των ζυγών. 53

54 Εικόνα 4.12 : Πίνακας ζυγών με μειωμένο φορτίο Τέλος το σενάριο αυτό αποθηκεύεται σε ένα αρχείο, με τον τρόπο που φαίνεται στην Εικόνα 4.13, ώστε να μπορεί να ανακληθεί από το διαχειριστή. Εικόνα 4.13 : Εντολής αποθήκευσης του case39b Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθείται και στην περίπτωση που προβλέπει ο διαχειριστής λειτουργία με αυξημένο φορτίο, για παράδειγμα κατά 5%. Στην Εικόνα 4.14 φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο επεμβαίνει στο φορτίο, στην Εικόνα 4.15 είναι 54

55 ο πίνακας των ζυγών με αυξημένο το φορτίο και στο τέλος γίνεται η αποθήκευση όπως δείχνει η Εικόνα Εικόνα 4.14 Αύξηση του συνολικού φορτίου Εικόνα 4.15 : Δεδομένα ζυγών με 5% αύξηση φορτίου 55

56 Εικόνα 4.16 : Εντολή αποθήκευσης του case39c 56

57 Όταν μια γραμμή μεταφοράς τεθεί εκτός λειτουργίας, ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η κατανομή του συνολικού φορτίου του συστήματος στις γεννήτριες αλλάζει, και επομένως τα αποτελέσματα της βέλτιστης κατανομής φορτίου θα είναι διαφορετικά. Για τη μελέτη της κατάστασης αυτής χρειάζεται μια κατάσταση, η οποία θα διαφοροποιείται από την αρχική στο ότι κάποια γραμμή μεταφοράς βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Ο πίνακας των γραμμών που περιέχει τα δεδομένα για την περίπτωση του case39 τυπώνεται όπως δείχνει η Εικόνα Εικόνα 4.17 : Πίνακας γραμμών 57

58 Στην 1 η στήλη του πίνακα είναι ο αριθμός του ζυγού εκκίνησης της γραμμής, ενώ στη 2 η είναι ο αριθμός του ζυγού που καταλήγει. Η λειτουργία της γραμμής φαίνεται στην 11 η στήλη όταν υπάρχει εκεί ο αριθμός 1. Στην περίπτωση που υπάρχει το 0 στη στήλη 11, δηλώνεται ότι η γραμμή είναι εκτός λειτουργίας. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργείται μια καινούργια κατάσταση λειτουργίας όταν θα αλλάξει η τιμή αυτού του στοιχείου. Για παράδειγμα, αν επιλέξουμε να αποσυνδέσουμε τη γραμμή μεταξύ των ζυγών 16-17, η οποία βρίσκεται στη σειρά 26, η τροποποίηση αυτή γίνεται όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα 4.18 : Αποσύνδεση γραμμής 58

59 Η αλλαγή αυτή του στοιχείου εμφανίζεται στον πίνακα των δεδομένων των γραμμών στην 26 η γραμμή και στην 11 η στήλη, που παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα 4.19 : Πίνακας γραμμών του case39d Στη συνέχεια η καινούργια κατάσταση πρέπει να αποθηκευτεί σε αρχείο με κατάλληλο όνομα που θα φαίνεται πάνω σε ποιο case βασίζεται. Στην Εικόνα 4.20 παρουσιάζεται ο τρόπος που θα μπορούσε να γίνει αυτό για ένα σενάριο με την ονομασία case39d. 59

60 Εικόνα 4.10 : Εντολή αποθήκευσης του case39d Τελευταία τροποποίηση γίνεται για μια κατάσταση στην οποία η γραμμή μεταξύ των ζυγών 16 και 17 βρίσκεται σε λειτουργία, αλλά είναι αποσυνδεδεμένη αυτή μεταξύ των ζυγών 4 και 14. Η μεταβολή αυτή γίνεται ακριβώς με την ίδια διαδικασία. Το τελικό αποτέλεσμα του πίνακα των γραμμών και ο τρόπος αποθήκευσης της κατάστασης αυτής σαν case39e φαίνεται στις Εικόνες 4.21 και 4.22 παρακάτω. 60

61 Εικόνα 4.21 : Πίνακας γραμμών του case39e Εικόνα 4.22 : Εντολή αποθήκευσης του case39e 61

62 4.4.8 Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών Το Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών χρειάζεται για την επιλογή των συναρτήσεων κόστους που θεωρούμε ότι έχει κάθε γεννήτρια και χρησιμοποιεί τον κώδικα του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (VII.a). Πρώτα γίνεται η επιλογή της αρχικής κατάστασης λειτουργίας του συστήματος ( base case ), από τη συνάρτηση του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (VII.b), η οποία καλείται μέσα σε αυτό το υποσύστημα. Μέσα από τη συνάρτηση ορισμού της αρχικής κατάστασης λειτουργίας του συστήματος ( Set_Case.m ), τυπώνονται τα ονόματα όλων των αρχείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εφαρμογή ως δεδομένα περιγραφής του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας για το οποίο θα προσομοιωθεί η αγορά και δίνεται η δυνατότητα επιλογής του επιθυμητού αρχείου. Η συνάρτηση επιστρέφει στο Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών το όνομα του σεναρίου, τα στοιχεία λειτουργίας του συστήματος και τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών του, μετά από την απαραίτητη μορφοποίηση μέσω της συνάρτησης του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (VII.c). Επιστρέφοντας στον κώδικα του υποσυστήματος, τυπώνεται ο αρχικός πίνακας με τα στοιχεία κόστους των γεννητριών, όπως φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 4.23 : Συναρτήσεις κόστους των γεννητριών του case39 Στη συνέχεια τυπώνεται ένας πίνακας με συναρτήσεις κόστους διάφορων γεννητριών που περιέχονται στο αρχείο με όνομα Generator Cost Data.xlsx. Το αρχείο αυτό περιέχει μια λίστα γεννητριών, ταξινομημένων ανά τύπο καυσίμου, με διαφορετικά 62

63 στοιχεία κόστους η καθεμία, τα οποία τυπώνονται σε μορφή πίνακα, όπως δείχνει η Εικόνα Εικόνα 4.24 : Συναρτήσεις κόστους διαφόρων γεννητριών Η εφαρμογή δίνει την επιλογή γεννητριών μέσα από αυτό το αρχείο, γράφοντας μόνο τον αύξοντα αριθμό της επιθυμητής γεννήτριας, γνωρίζοντας τον τύπο του ζυγού που συνδέεται η καθεμία σύμφωνα με το αρχικό σενάριο. Μετά την επιλογή των δεδομένων των γεννητριών, αναθέτονται τα στοιχεία τους και το κόστος καυσίμου που χρησιμοποιούν σε κατάλληλες μεταβλητές, και μετέπειτα αποθηκεύονται στο αρχείο των Συναρτήσεων Κόστους των Γεννητριών με το όνομα που δίνει ο διαχειριστής, όπως φαίνεται στην Εικόνα

64 Εικόνα 4.25 : Επιλογή ονόματος για την αποθήκευση των συναρτήσεων Υποσύστημα Εκκίνησης Αγοράς Το βασικό κομμάτι της εφαρμογής για την εξομοίωση μιας αγοράς ηλεκτρικής ενάργειας είναι το Υποσύστημα Εκκίνησης της Αγοράς, ο κώδικας του οποίου βρίσκεται στο ΠΑΡΑΡΤΜΑ Α (VIII.α). Σε αυτό γίνονται οι απαραίτητες αρχικοποιήσεις και η αίτηση εκκίνησης της διεπαφής, τα υποσυστήματα της οποίας αναλύθηκαν πιο πάνω ( 4.2). Πριν από αυτά όμως, χρειάζεται να επιλεχθούν το σενάριο και οι συναρτήσεις κόστους, παρέχοντας τα ονόματα των αρχείων όπως αυτά αποθηκεύτηκαν από τα αντίστοιχα υποσυστήματα ( και 4.4.8). Η πρώτη αρχικοποίηση αφορά τα ονόματα των χρηστών και τους κωδικούς, με τα οποία θα γίνεται δεκτή η είσοδός τους στην αγορά. Η συνάρτηση του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Α (VIII.b), η οποία δημιουργεί τις λίστες με τα δεδομένα ασφάλειας, καλείται σε αυτό το υποσύστημα. Στη συνέχεια των αρχικοποιήσεων, βρίσκονται τα excel αρχεία που ενημερώνονται διαρκώς κατά τη λειτουργία της εφαρμογής και περιέχουν στοιχεία που δείχνουν την εξέλιξη της αγοράς, για τον κάθε παραγωγό ξεχωριστά. Τα αρχεία αυτά είναι σχετικά με τα οικονομικά δεδομένα και με την αλληλογραφία και ονομάζονται OPF_Data.xlsx και Mail_Data.xlsx, αντίστοιχα. Επίσης αρχικοποιούνται οι δομές της αλληλογραφίας και των συναρτήσεων προσφοράς, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλη την εφαρμογή, Οι συναρτήσεις που υλοποιούν τις αρχικοποιήσεις αυτές παραθέτονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (VIII.c) και στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (VIII.d) αντίστοιχα. Τελευταία γίνεται η κλήση της συνάρτησης webserver, η οποία αποτελεί το εργαλείο που συνδέει την εφαρμογή στο διαδίκτυο. Ο κώδικάς της συνάρτησης αυτής παρουσιάζεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α (VIII.e). 4.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό δείξαμε αναλυτικά πώς δομήθηκε η εξομοίωση της αγοράς ως προς το τεχνικό και οικονομικό κομμάτι των ΣΗΕ. Δημιουργήσαμε μια εφαρμογή που εξομοιώνει έναν τύπο αγοράς, βασισμένο στις προσφορές των παραγωγών (Pay as Bit), ο οποίος είναι αρκετά αποτελεσματικός στην απελευθερωμένη αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας (Κεφάλαιο 1, Παράγραφος 1.4). 64

65 Δημιουργήθηκε η διεπαφή μέσω της οποίας η εφαρμογή λαμβάνει τα δεδομένα των χρηστών. Για την υποβολή των δεδομένων αυτών υπάρχουν ξεχωριστές φόρμες στη διεπαφή και στο τέλος το κουμπί υποβολής τους. Οι φόρμες διαχωρίζουν τα δεδομένα σε αυτά της εισαγωγής του ονόματος και του κωδικού, της συνάρτησης προσφοράς και του μηνύματος. Επίσης, αναπτύχθηκαν εργαλεία ελέγχου των δεδομένων και ενημέρωσης των χρηστών σε περίπτωση λάθους σε αυτά. Ακόμη, δημιουργήθηκαν εργαλεία ενημέρωσης των χρηστών για την πορεία της αγοράς, ανταλλαγής μηνυμάτων μεταξύ τους ή με το διαχειριστή. Στην προσπάθεια να εξομοιωθεί όσο καλύτερα γίνεται ο τρόπος λειτουργίας ενός πραγματικού ΣΗΕ, δημιουργήθηκαν εργαλεία για να μπορεί ο διαχειριστής να δημιουργεί νέα σενάρια. Τα σενάρια αυτά αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του συστήματος. Με τα εργαλεία που αναπτύχθηκαν ο διαχειριστής μπορεί να αλλάζει την κατάσταση λειτουργίας και με αυτόν τον τρόπο μπορέσαμε να εξομοιώσουμε μια αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας στην οποία μεταβάλλονται στο χρόνο τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος (π.χ. άνοιγμα γραμμής μεταφοράς για συντήρηση, μεταβολή του φορτίου κλπ.) ή οικονομικά δεδομένα (π.χ. αύξηση της τιμής πετρελαίου). Επομένως, η αγορά ηλεκτρικής ενέργειας που υλοποιήθηκε είναι αρκετά ρεαλιστική για την εκπαιδευτική διαδικασία που αποσκοπεί. 65

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΓΟΡΑΣ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστεί ένα παράδειγμα εξομοίωσης μιας αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψιν όλα τα χαρακτηριστικά που αφορούν ένα πραγματικό σύστημα. Στην αρχή του κεφαλαίου αυτού θα παρατεθούν τα φυσικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Με τον όρο φυσικά χαρακτηριστικά εννοούμε όλα τα δεδομένα που αφορούν την τοπολογία του συστήματος για την παραγωγή και τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια θα αναλυθούν τα οικονομικά χαρακτηριστικά, τα οποία περιέχουν όλες τις παραμέτρους που αφορούν το κόστος λειτουργίας του συστήματος. Στο τέλος, θα παρουσιαστούν διάφορες τροποποιήσεις ως προς το φυσικό σύστημα και ως προς τα οικονομικά του δεδομένα, που θα μπορούσαν να αποτελούν διαφορετικά σενάρια ή καταστάσεις λειτουργίας του φυσικού συστήματος ή της αγοράς. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέξαμε να εξομοιώσουμε ένα σύστημα 39 ζυγών στην περιοχή της Νέας Αγγλίας, πολιτεία των Η.Π.Α. Με βάση το σύστημα αυτό, όπως και πολλά άλλα, έχουν αναπτυχθεί από το MATPOWER αρχεία, τέτοια ώστε να περιέχουν όλα τα χαρακτηριστικά που απαιτούνται για την ακριβή απεικόνισή του. Εδώ θα ασχοληθούμε με τον τρόπο λειτουργίας της εικονικής αγοράς δηλαδή, τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται τα χαρακτηριστικά του συστήματος ώστε να γίνει εφικτή η εξομοίωση της αγοράς. Η εικονική αγορά χρησιμοποιεί τα αρχεία του MATPOWER και λύνει το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής φορτίου λαμβάνοντας υπόψιν τις συναρτήσεις προφοράς των παραγωγών, οι οποίες αντικαθιστούν τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών. Τα αποτελέσματα αυτής περιγράφουν τις ποσότητες και τους όρους με τους οποίους η εικονική αγορά μπορεί να λειτουργήσει με τον πιο οικονομικό τρόπο. 5.2 TO CASE39 Το κριτήριο με το οποίο επιλέχθηκε το συγκεκριμένο σύστημα είναι κυρίως η εξομοίωση ενός μεσαίου μεγέθους ΣΗΕ. Το case 39 μας εξυπηρετεί καθώς αποτελείται από αρκετούς ζυγούς, γραμμές και φορτία. Ο αριθμός των γραμμών 66

67 είναι αρκετά μεγάλος και εμφανίζει βροχοειδή κυκλώματα, γεγονός που βοηθά στην σχεδίαση σεναρίων αποσύνδεσης κάποιων γραμμών για λόγους συντήρησης ή/και για έκτακτες περιπτώσεις σφαλμάτων. Με αυτό τον τρόπο οι φοιτητές θα εξοικειωθούν με τα προβλήματα που προκύπτουν στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και τις επιπτώσεις που μπορεί να έχουν στην αγορά. Ένα ακόμα σημαντικό κριτήριο επιλογής είναι ο αριθμός των γεννητριών να επαρκεί για τη χρήση της εφαρμογής από μια ομάδα φοιτητών. Στην περίπτωσή μας υπάρχουν 10 γεννήτριες εκ των οποίων μια λειτουργεί ως αναφορά τάσης των υπολοίπων και άλλη μια εξομοιώνει τη διασύνδεση με άλλο δίκτυο. Αυτές οι λειτουργίες δίνουν τη δυνατότητα κατανόησης του πραγματικού συστήματος από τους φοιτητές, αφού οι τιμές των συναρτήσεων κόστους αυτών των γεννητριών είναι προκαθορισμένες από το διαχειριστή και δεν τροποποιούνται, επομένως οι υπόλοιπες 8 γεννήτριες διαθέτονται στους χρήστες. Αναλυτικά, στο παρακάτω μονογραμμικό διάγραμμα (Εικόνα 5.1) φαίνεται ότι το σύστημα του case39 αποτελείται από 39 ζυγούς, 46 γραμμές μεταφοράς, 10 γεννήτριες και 21 σταθερά φορτία. Όλα τα απαραίτητα δεδομένα του συστήματος αυτού παραθέτονται παρακάτω. Τα δεδομένα αυτά είναι απαραίτητα για την επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου και περιέχουν τιμές για όλα τα χαρακτηριστικά του συστήματος. 67

68 Εικόνα 5.1 : Απεικόνιση του case Φυσικά Χαρακτηριστικά Δεδομένα Ζυγών (Bus Data) Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 5.1) περιέχονται οι τιμές των παραμέτρων για όλους τους ζυγούς του συστήματος. Στην πρώτη στήλη αναγράφεται ο αύξοντας αριθμός των ζυγών. Στα ηλεκτρικά συστήματα συναντάμε τέσσερα είδη ζυγών ανάλογα με τη λειτουργία τους. Οι ζυγοί οι οποίοι δεν συνδέονται με γεννήτρια ορίζονται ως PQ ζυγοί (type 1) και χαρακτηρίζονται από τις εγχύσεις πραγματικής και αέργου ισχύος (Pd,Qd). Οι ζυγοί γεννητριών ορίζονται κυρίως ως PV ζυγοί (type 2) και έχουν κύρια 68

69 χαρακτηριστικά την πραγματική ισχύ που παράγεται και το μέτρο της τάσης. Ένας μοναδικός ζυγός γεννήτριας λειτουργεί με γωνία 0 ο και μέτρο τάσης 1p.u. και ορίζεται ως ζυγός αναφοράς (type 3), ώστε να μπορεί να επιλυθεί η κατανομή φορτίου. Οι υπόλοιποι παράμετροι των ζυγών αφορούν το πραγματικό (Pd) και το άεργο (Qd) φορτίο, την αγωγιμότητα (Gs) και την επιδεκτικότητα (Bs) της σύνδεσης του ζυγού με τη γη, την περιοχή στην οποία ανήκει ο καθένας (area), το μέτρο (Vm) και τη γωνία (Va) της τάσης του, τη βάση στην οποία αναφέρεται η ανά μονάδα τιμή της ονομαστικής τάσης (basekv) και τέλος το μέγιστο και το ελάχιστο όριο της τάσης. Πίνακας 5.1 : Δεδομένα Ζυγών (Bus Data) 69

70 Δεδομένα Γεννητριών (Generator Data) Ο πίνακας των δεδομένων των γεννητριών (Generator Data) περιέχει τις τιμές όλων των παραμέτρων των γεννητριών που απαιτούνται για την ακριβή μοντελοποίηση τους από το MATPOWER και παρουσιάζονται στους Πίνακες 5.2 και 5.3. Η ταυτοποίηση μιας γεννήτριας γίνεται από τον αριθμό του ζυγού στον οποίο συνδέεται, όπως φαίνεται στην 1 η στήλη του πίνακα (bus). Η συνολική ισχύς που αποδίδει στο σύστημα η γεννήτρια, ορίζεται από το άθροισμα της πραγματικής και της αέργου ισχύος που παράγει. Οι τιμές αυτές για την κάθε μια γεννήτρια ορίζονται με τις παραμέτρους Pg (MW) και Qg (MVar), όπως φαίνονται στη 2 η και 3 η στήλη του πίνακα. Στη συνέχεια του πίνακα ορίζονται το μέγιστο (Qmax) και το ελάχιστο (Qmin) όριο της αέργου ισχύος που μπορεί να παράξει η γεννήτρια, όπως και τα αντίστοιχα όρια της πραγματικής ισχύος (Pmax,Pmin). Ακόμη δείχνεται το μέτρο της τάσης του ζυγού (Vg) στον οποίο συνδέεται, σε ανα μονάδα τιμή, όπως επίσης και η βάση ισχύος του συστήματος (mbase). Η στήλη με το όνομα status δείχνει αν λειτουργεί ή όχι η γεννήτρια, έχοντας θετικό αριθμό όταν είναι συνδεδεμένη και αρνητικό όταν βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Τέλος, οι υπόλοιποι παράμετροι στον Πίνακα 5.3, ο οποίος είναι συνέχεια των στηλών του Πίνακα 5.2, αφορούν την καμπύλη φόρτισης της γεννήτριας και άλλα στοιχεία της, τα οποία δεν χρησιμοποιούνται από την εφαρμογή. Πίνακας 5.2 Δεδομένα Γεννητριών (Generator Data) 70

71 Πίνακας 5.3 Δεδομένα Γεννητριών (Generator Data) (συνέχεια) Δεδομένα Γραμμών (Branch Data) Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα φυσικά χαρακτηριστικά των γραμμών μεταφοράς. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθορίζουν το ποσό της ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί από το σύστημα, τις ροές ισχύος από ζυγό σε ζυγό και τις απώλειες από την μεταφορά της. Ο Πίνακας 5.4 παρακάτω περιγράφει αυτά τα χαρακτηριστικά, ορίζοντας πρώτα τη θέση της κάθε γραμμής μεταφοράς. Όπως φαίνεται στις δυο πρώτες στήλες μια γραμμή μεταφοράς συνδέει δυο ζυγούς, δηλαδή έχει τον ζυγό αφετηρίας (fbus) και τον ζυγό τερματισμού (tbus). Οι ποσότητες που καθορίζουν τις δυνατότητες των γραμμών για μεταφορά ενέργειας είναι η αντίσταση (r) και η αντίδραση (x), όπως επίσης και η επιδεκτικότητα εναλλασσόμενου ρεύματος (b) που εμφανίζουν, όλα σε pu τιμές. Οι επόμενες στήλες αφορούν τη μέγιστη επιτρεπτή μεταφερόμενη φαινόμενη ισχύ μακροπρόθεσμα, βραχυπρόθεσμα και σε έκτακτη κατάσταση (ratioa, ratiob, ratioc). Επειδή χρησιμοποιείται το ίδιο μοντέλο για την εξομοίωση γραμμής μεταφοράς ή μετασχηματιστή, στην επόμενη στήλη δηλώνεται ο λόγος μετασχηματισμού (ratio), σε ονομαστικά μεγέθη, όπου εάν πρόκειται για μετασχηματιστή αυτή είναι διάφορη του μηδενός. Ακόμη στον πίνακα ορίζεται ως μηδενική η φασική μετατόπιση του λόγου μετασχηματισμού σε μοίρες (angle), εφόσον πρόκειται για πραγματικό μέγεθος. Σημειώνεται ότι ισχύει η σύμβαση πως η θετική γωνία δηλώνει καθυστέρηση της φάσης από το ζυγό αφετηρίας στον τερματικό ζυγό. Η μέγιστη και η ελάχιστη διαφορά των γωνιών των τάσεων μεταξύ των δυο συνδεδεμένων ζυγών ορίζονται ως angmax=360 o και angmin=-360 o αντίστοιχα. 71

72 Πίνακας 5.4 Δεδομένα Γραμμών (Branch Data) Οικονομικά Χαρακτηριστικά Δεδομένα Κόστους των Γεννητριών (Generator Cost Data) Η επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου λαμβάνει υπόψιν για την κάθε γεννήτρια ξεχωριστά μια συνάρτηση κόστους για τις εγχύσεις της πραγματικής ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αντίστοιχες συναρτήσεις χρησιμοποιούνται και από την εφαρμογή, για να μπορούν οι παραγωγοί να ορίζουν μια συνάρτηση 72

73 προσφοράς για την ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν. Οι συναρτήσεις αυτές, χρησιμοποιούνται από το MATPOWER ως συναρτήσεις κόστους για την επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου, όπως φαίνονται στον Πίνακα 5.5 παρακάτω. Οι συναρτήσεις μπορούν να είναι δύο ειδών, τμηματικά γραμμικές ή πολυωνυμικές. Ανάλογα με το είδος της συνάρτησης συμπληρώνεται στην πρώτη στήλη 1 για τμηματικά γραμμική και 2 για πολυωνυμική. Όταν η συνάρτηση είναι μια τμηματικά γραμμική καμπύλη, τα στοιχεία που την καθορίζουν είναι τα σημεία στα οποία αλλάζει η κλήση της, τα οποία ορίζονται ως x1 y1 x2 y2.. xn yn. Ενώ, σε μια πολυωνυμική συνάρτηση χρειάζονται οι τιμές των συντελεστών της, οι οποίοι ορίζονται ως cn c2 c1 c0, όπου c0 είναι ο σταθερός όρος της. Ο αριθμός των σημείων ορισμού της τμηματικά γραμμικής συνάρτησης και των συντελεστών πολυωνύμου δείχνεται ως n και πρέπει να είναι τέτοιος ώστε όλες οι γραμμές του πίνακα να έχουν ίδιο μήκος. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι παράμετροι των συναρτήσεων και οι παράμετροι που αφορούν το κόστος εκκίνησης και τερματισμού της λειτουργίας της κάθε γεννήτριας (startup,shutdown). Πίνακας 5.5 Δεδομένα Κόστους τω Γεννητριών (Generator Cost Data) 5.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ανακεφαλαιώνοντας, επιλέξαμε να εξομοιώσουμε ένα σύστημα 39 ζυγών, το case39, γιατί παραμετροποιεί ένα μεσαίου μεγέθους ΣΗΕ με μικρή περιπλοκότητα. Στο σύστημα αυτό το συνολικό φορτίο καλύπτεται από την παραγωγή ενέργειας δέκα γεννητριών, εκ των οποίων η μία εξομοιώνει τη 73

74 διασύνδεση με άλλα δίκτυα και επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκπαίδευση έως εννέα ομάδες φοιτητών. Επίσης, το σύστημα αυτό, λόγω των βροχοειδών κυκλωμάτων των γραμμών του, μας δίνει τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε σενάρια αποσύνδεσης και επανασύνδεσης αυτών. Εδώ, αναλύθηκαν πλήρως οι πίνακες με τους οποίους παραμετροποιούνται τα δεδομένα του συστήματος για τους ζυγούς, τις γραμμές και τις γεννήτριες, τα οποία με τροποποιήσεις μπορούν να αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του ίδιου συστήματος. 74

75 75

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΟΚΙΜΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΙΚΟΝΙΚΗΣ ΑΓΟΡΑΣ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πριν την εκκίνηση της αγοράς ο διαχειριστής σχεδιάζει ένα πλάνο σεναρίων με στόχο την εξοικείωση των φοιτητών στον τρόπο λειτουργίας ενός πραγματικού ΣΗΕ. Το κάθε σενάριο εξομοιώνει μια πιθανή κατάσταση λειτουργίας του συστήματος ή/και συνδυασμό αυτών, όπως παραδείγματος χάρη αυξομειώσεις του συνολικού φορτίου και αποσύνδεση γραμμών για διάφορους λόγους. Στο κεφάλαιο αυτό η εικονική αγορά θα δοκιμαστεί σε μια σειρά σεναρίων με την οποία θα αξιολογηθεί η ορθότητα της λειτουργίας της. Τα σενάρια που χρησιμοποιούνται έχουν δημιουργηθεί όπως εξηγείται στο Υποσύστημα Δημιουργίας Σεναρίων ( 4.4.7), όπου αναλύεται η διαδικασία με την οποία γίνονται οι τροποποιήσεις ως προς τα φυσικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Με τον τρόπο αυτό έχουν δημιουργηθεί τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας από την αρχική του case39 ( base case ), η οποία ονομάστηκε case39a. Τα οικονομικά χαρακτηριστικά του συστήματος μπορούν να διαφοροποιηθούν ως προς τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών και επομένως επηρεάζουν τα κέρδη των παραγωγών. Στο Υποσύστημα Ανάθεσης Συναρτήσεων Κόστους ( 4.4.8) αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο ο διαχειριστής επιλέγει και δημιουργεί τις συναρτήσεις αυτές και κατά τη λειτουργία της αγοράς επιλέγει ποιες θα χρησιμοποιήσει. Έχουν δημιουργηθεί και θα χρησιμοποιηθούν τρεις τέτοιες δομές συναρτήσεων κόστους, με ονόματα και τιμές όπως φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. Στις Εικόνες παρουσιάζονται οι πίνακες με τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών που θα χρησιμοποιηθούν στα παρακάτω σενάρια. Θα χρησιμοποιήσουμε και τις τρεις αυτές δομές για να μπορέσουμε να μελετήσουμε τις αλλαγές στην αγορά και στα κέρδη των παραγωγών ανάλογα με το κόστος παραγωγής των γεννητριών. Συγκεκριμένα, μόνο η συνάρτηση κόστους παραγωγής της τέταρτης γεννήτριας διαφοροποιείται, ενώ οι συναρτήσεις των υπόλοιπων γεννητριών έχουν πολύ μικρή απόκλιση. Στην Εικόνα 6.1 η συνάρτηση κόστους της τέταρτης γεννήτριας είναι πολύ κοντά με τις υπόλοιπες, ενώ στην Εικόνα 6.2 παίρνει τριπλάσια τιμή και στην Εικόνα 6.3 τη μισή τιμή από την αρχική. 76

77 Εικόνα 6.1 : Συναρτήσεις κόστους των γεννητριών gencost Εικόνα 6.2 : Συναρτήσεις κόστους των γεννητριών gencost1 77

78 Εικόνα 6.3 : Συναρτήσεις κόστους των γεννητριών gencost2 6.2 ΣΕΝΑΡΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα για την λειτουργία της αγοράς σύμφωνα με το παρακάτω πρόγραμμα εκτέλεσης τεσσάρων σεναρίων : Σενάριο 1 : 3 γύροι εκκαθαρίσεων της αγοράς Όλοι οι γύροι γίνονται με την αρχική κατάσταση λειτουργίας (case39a) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost Το φορτίο είναι ανελαστικό και έχει οριστεί από τα αρχικά δεδομένα του case39 για την Νέα Αγγλία Σενάριο 2 : 3 γύροι εκκαθαρίσεων της αγοράς 1 ος γύρος με τα αρχικά δεδομένα (case39a) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost 2 ος γύρος με τα αρχικά δεδομένα (case39a) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost1 3 ος γύρος με μειωμένο φορτίο κατά 20% του αρχικού (case39b) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost1 78

79 Σενάριο 3 : 3 γύροι εκκαθαρίσεων της αγοράς 1 ος γύρος με τα αρχικά δεδομένα (case39a) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost1 2 ος γύρος με τα αρχικά δεδομένα (case39a) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost2 3 ος γύρος με αυξημένο φορτίο κατά 5% του αρχικού (case39c) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost2 Σενάριο 4 : 3 γύροι εκκαθαρίσεων της αγοράς 1 ος γύρος με αυξημένο φορτίο κατά 5% του αρχικού (case39c) και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost 2 ος γύρος με το αρχικό φορτίο του case39a και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost, επίσης, η γραμμή μεταφοράς μεταξύ των ζυγών (case39d) αποσυνδέεται 3 ος γύρος με το αρχικό φορτίο του case39a και με τα κόστη γεννητριών της case39_gencost, η γραμμή μεταφοράς μεταξύ των ζυγών συνδέεται ξανά και αποσυνδέεται η γραμμή μεταφοράς μεταξύ των ζυγών 4-14 (case39e) 6.3 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΣΕΝΑΡΙΩΝ ΑΓΟΡΑΣ Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστεί λεπτομερώς η λειτουργία μιας εικονικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από την πλευρά των παραγωγών καθώς και από την πλευρά του διαχειριστή. Τα αποτελέσματα του Υποσυστήματος Ανάδρασης ( και 4.4.1) θα παρουσιαστούν παρακάτω με εικόνες. Η αγορά θα λειτουργήσει σύμφωνα με το πρόγραμμα των εκκαθαρίσεων όπως αναλύθηκε στην παραπάνω ενότητα ( 6.2) Σενάριο 1 Με την εκκίνηση της εφαρμογής ο διαχειριστής καλείται να επιλέξει την αρχική κατάσταση λειτουργίας του συστήματος και τα κόστη λειτουργίας των γεννητριών, όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 6.4. Στη συνέχεια γίνεται η έναρξη της αγοράς και οι φόρμες της διεπαφής διαθέτονται στην διεύθυνση http:

80 Εικόνα 6.4 : Επιλογή κατάστασης λειτουργίας και συναρτήσεων κόστους των γεννητριών Στην Εικόνα 6.5 φαίνεται η σελίδα της διεπαφής στο διαδίκτυο και ένα παράδειγμα του πως συμπληρώνεται η φόρμα από κάποιον χρήστη. Μετά την υποβολή των δεδομένων από τον χρήστη, στην Εικόνα 6.6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του Υποσυστήματος Ανάδρασης ( 4.3.4). Εικόνα 6.5 : Σελίδα της διεπαφής 80

81 Εικόνα 6.6 : Αποτελέσματα του Υποσυστήματος Ανάδρασης του χρήστη Στις φόρμες της διεπαφής, όπως φαίνονται στην παραπάνω εικόνα, οι παραγωγοί υποβάλουν τις συναρτήσεις προσφοράς και αλληλογραφούν μεταξύ τους μέχρι τη στιγμή της εκκαθάρισης. Για τον πρώτο γύρο εκκαθαρίσεων του πρώτου σεναρίου οι παραγωγοί υπέβαλαν τις συναρτήσεις που φαίνονται στην Εικόνα 6.7. Σε αυτή παρουσιάζεται μια δομή ( FunctionBox.mat ), η οποία περιέχει τις τρέχουσες συναρτήσεις προσφοράς. 81

82 Εικόνα 6.7 : Συναρτήσεις προσφοράς πρώτου γύρου Σημειώνεται ότι ο διαχειριστής (user00) δεν υποβάλει συναρτήσεις. Επίσης, η τελευταία γεννήτρια (user10) παριστάνει τη διασύνδεση του συστήματος με άλλα δίκτυα, γι αυτό η συνάρτηση κόστους της γεννήτριας περιγράφει τη σύμβαση που έχει γίνει για τη συνεργασία αγοραπωλησιών ενέργειας μεταξύ των δικτύων. Επιπλέον, το σενάριο της αγοράς εκτελείται θεωρώντας τη συμμετοχή δύο παραγωγών, δηλαδή οι υπόλοιποι συμμετέχουν με τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών τους και επομένως οι συναρτήσεις προσφοράς είναι μηδενικές. Πρώτος Γύρος Στις Εικόνες παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πρώτης εκκαθάρισης του πρώτου σεναρίου, όπως τα επιστρέφει το Υποσύστημα Ανάδρασης του διαχειριστή ( 4.4.1). Συγκεκριμένα στην Εικόνα 6.8 παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά δεδομένα του συστήματος, όπου ξεχωρίζουμε το αντικειμενικό κόστος λειτουργίας του συστήματος σε $/hr και τη συνολική παραγωγή πραγματικής ισχύος, MW, η οποία είναι ίση με το άθροισμα του συνολικού ανελαστικού φορτίου και των απωλειών. Το αντικειμενικό κόστος λειτουργίας του συστήματος υπολογίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Lagrange σε κάθε ζυγό. Η ανάλυση της μεθόδου ξεφεύγει από το σκοπό της παρούσας διπλωματικής. 82

83 Εικόνα 6.8 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα του 1 ου γύρου 83

84 Στην Εικόνα 6.9 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα δεδομένα των ζυγών, όπου φαίνονται αναλυτικά οι παραγωγές των γεννητριών στους ζυγούς 30 έως 39, στους οποίους συνδέονται. Εικόνα 6.9 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 1 ο γύρο 84

85 Στην Εικόνα 6.10 παρουσιάζονται οι ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς, από το ζυγό άφιξης στο ζυγό τερματισμού, όπως και οι απώλειες ισχύος σε αυτές. Εικόνα 6.10 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 1 ο γύρο 85

86 Στην Εικόνα 6.11 παρουσιάζονται οι ζυγοί που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών της τάσης ( Voltage Constraints ), οι γεννήτριες που παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους ( Generation Constraints ) και οι γραμμές μεταφοράς από τις οποίες μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή μιγαδική ισχύ ( Branch Flow Constraints ). Εικόνα 6.11 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 1 ο γύρο 86

87 Δεύτερος Γύρος Στην συνέχεια παρατίθενται οι συναρτήσεις προσφοράς και τα αποτελέσματα των υπόλοιπων εκκαθαρίσεων για το Σενάριο 1. Στον δεύτερο γύρο εκκαθαρίσεων ο τέταρτος παραγωγός φαίνεται να διπλασίασε την τιμή της προσφοράς, γεγονός που επηρέασε το αντικειμενικό κόστος λειτουργίας του συστήματος, το οποίο αυξήθηκε σε $/hr. Η Εικόνα 6.13 παρουσιάζει τα συγκεντρωτικά δεδομένα του συστήματος όπου φαίνεται και το αντικειμενικό κόστος λειτουργίας. Εικόνα 6.12 : Συναρτήσεις προσφοράς 2 ου γύρου 87

88 Εικόνα 6.13 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα 2 ου γύρου 88

89 Στην Εικόνα 6.14 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα δεδομένα των ζυγών, όπου φαίνονται αναλυτικά οι παραγωγές των γεννητριών στους ζυγούς 30 έως 39, στους οποίους συνδέονται. Εικόνα 6.14 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 2 ο γύρο Μετά την αύξηση της προσφοράς από τον τέταρτο παραγωγό παρατηρείται μία μικρή μείωση της παραγωγής του, από MW σε MW και αυτό είναι λογικό αφού στόχος της λειτουργίας της αγοράς που εξομοιώνουμε είναι η βέλτιστη οικονομική κατανομή φορτίου. Ο λόγος της μικρής μείωσης της παραγωγής του παραγωγού είναι το γεγονός ότι το σύστημα αδυναμεί να καλύψει μεγαλύτερο ποσό ενέργειας από άλλον παραγωγό. 89

90 Στην Εικόνα 6.15 παρουσιάζονται οι ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς, από το ζυγό άφιξης στο ζυγό τερματισμού, όπως και οι απώλειες ισχύος σε αυτές. Εικόνα 6.15 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 2 ο γύρο 90

91 Στην Εικόνα 6.16 παρουσιάζονται οι ζυγοί που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών της τάσης ( Voltage Constraints ), οι γεννήτριες που παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους ( Generation Constraints ) και οι γραμμές μεταφοράς από τις οποίες μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή μιγαδική ισχύ ( Branch Flow Constraints ). Εικόνα 6.16 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 2 ο γύρο 91

92 Τρίτος Γύρος Στον τρίτο γύρο εκκαθαρίσεων φαίνεται ότι ο παραγωγός της έβδομης γεννήτριας αύξησε και αυτός την προσφορά του (Εικόνα 6.17) και επομένως, αυξήθηκε το αντικειμενικό κόστος λειτουργίας του συστήματος (Εικόνα 6.18). Ακόμη, λόγω της βέλτιστης κατανομής φορτίου με οικονομικά κριτήρια, η παραγωγή της συγκεκριμένης γεννήτριας μειώθηκε. Το φορτίο που προηγουμένως κάλυπτε η έβδομη γεννήτρια μπορεί πλέον να καλυφθεί από τις υπόλοιπες γεννήτριες που λειτουργούν πιο οικονομικά. Συγκεκριμένα, παρατηρούμε στην Εικόνα 6.19 ότι η τέταρτη γεννήτρια αύξησε την παραγωγή της τόσο, ώστε να καλυφθεί το φορτίο παρά το γεγονός ότι και αυτή είχε αυξήσει την προσφορά της στον προηγούμενο γύρο. Εικόνα 6.17 : Συναρτήσεις προσφοράς 3 ου γύρου 92

93 Εικόνα 6.18 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στον 3 ο γύρο 93

94 Εικόνα 6.19 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 3 ο γύρο 94

95 Παρακάτω, στην Εικόνα 6.20, φαίνονται οι ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς από το ζυγό άφιξης στο ζυγό τερματισμού, όπως και οι απώλειες ισχύος σε αυτές. Εικόνα 6.20 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 3 ο γύρο 95

96 Η Εικόνα 6.21 παρουσιάζει τους ζυγούς που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών της τάσης ( Voltage Constraints ), τις γεννήτριες που παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους ( Generation Constraints ) και τις γραμμές μεταφοράς από τις οποίες μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή μιγαδική ισχύ ( Branch Flow Constraints ). Εικόνα 6.21 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 3 ο γύρο 96

97 6.3.2 Σενάριο 2 Πρώτος Γύρος Στην συνέχεια της σειράς εξομοιώσεων, στο σενάριο 2, θα γίνουν τρεις γύροι εκκαθαρίσεων, εκ των οποίων ο πρώτος θα είναι ίδιος με αυτόν του πρώτου σεναρίου και επομένως τα αποτελέσματά του φαίνονται στις Εικόνες Οι συναρτήσεις προσφοράς θα μείνουν ίδιες σε όλους τους γύρους προκειμένου να φανούν πιο εύκολα οι διαφοροποιήσεις ως προς τις αλλαγές στις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών και στη μείωση του φορτίου. Οι συναρτήσεις προσφορών των παραγωγών είναι όπως παρουσιάστηκαν προηγουμένως στην Εικόνα 6.7. Δεύτερος Γύρος Στον δεύτερο γύρο θα παρατηρήσουμε τη συμπεριφορά της αγοράς σε περίπτωση αλλαγής των συναρτήσεων κόστους επιλέγοντας τη δομή case39_gencost1. Μια πιθανή αύξηση καυσίμου για τον τέταρτο παραγωγό εκφράζεται με αλλαγή της συνάρτησης κόστους. Η αλλαγή αυτή, περιμένουμε να φανεί στο κέρδος που θα έχει ο παραγωγός στην εκκαθάριση του δεύτερου γύρου. Παρ όλα αυτά, το κόστος της αντικειμενικής λειτουργίας του συστήματος δεν θα αλλάξει, αφού το MATPOWER λύνει τη βέλτιστη κατανομή φορτίου σύμφωνα με την συνάρτηση προσφοράς του παραγωγού, που παραμένει ίδια. 97

98 Τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης ξεκινούν με τα συγκεντρωτικά δεδομένα (Εικόνα 6.22) και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα δεδομένα που αφορούντους ζυγούς (Εικόνα 6.23). Εικόνα 6.22 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στον 2 ο γύρο 98

99 Εικόνα 6.23 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 2 ο γύρο 99

100 Στην Εικόνα 6.24 παρουσιάζονται οι ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς, από το ζυγό άφιξης στο ζυγό τερματισμού, όπως και οι απώλειες ισχύος σε αυτές. Εικόνα 6.24 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 2 ο γύρο 100

101 Στην Εικόνα 6.25 παρουσιάζονται οι ζυγοί που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών της τάσης ( Voltage Constraints ), οι γεννήτριες που παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους ( Generation Constraints ) και οι γραμμές μεταφοράς από τις οποίες μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή μιγαδική ισχύ ( Branch Flow Constraints ). Εικόνα 6.25 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 2 ο γύρο Παρατηρούμε ότι δεν υπάρχουν διαφοροποιήσεις στα αποτελέσματα σε σύγκριση με αυτά του πρώτου γύρου, καθώς η επίλυση της βέλτιστης κατανομής φορτίου λαμβάνει υπ όψιν μόνο τις συναρτήσεις προσφοράς και όχι το κόστος καυσίμου της κάθε γεννήτριας. Η αύξηση του κόστους καυσίμου επηρεάζει μόνο το κέρδος των παραγωγών και αυτό φαίνεται στην Εικόνα 6.26, όπου το κέρδος του παραγωγού μειώθηκε κατά 5350,9169 $. Η εικόνα αυτή παρουσιάζει τα μηνύματα ενημέρωσης του τέταρτου παραγωγού, όπου στη δεύτερη εκκαθάριση έχει μικρότερο κέρδος συγκριτικά με την πρώτη και συγκεκριμένα φαίνεται να έχει 101

102 ζημία παρά το γεγονός ότι θα πουλήσει την ίδια ποσότητα ενέργειας με τον πρώτο γύρο. Εικόνα 6.26 : Μηνύματα του 4 ου παραγωγού Το κόστος καυσίμου για τον τέταρτο παραγωγό στον πρώτο γύρο αντιστοιχούσε στη συνάρτηση x $/MWh, ενώ στο δεύτερο αυξήθηκε σε 30χ $/MWh. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας στο δεύτερο γύρο είναι μεγαλύτερο από αυτό του πρώτου γύρου και λαμβάνοντας υπ όψιν ότι και τις δύο εκκαθαρίσεις ο παραγωγός θα παράξει MW, είναι αναμενόμενο τα κέρδη του να μειωθούν κατά 5350,9169 $. Αντίθετη περίπτωση θα μελετήσουμε στο σενάριο 3 και συγκεκριμένα στο δεύτερο γύρο, στον οποίο το κόστος καυσίμου και επομένως η συνάρτηση κόστους του τέταρτου παραγωγού θα μειωθεί σε 5χ $/MWh. Τρίτος Γύρος Τέλος, στον τρίτο γύρο εκκαθαρίσεων, η αγορά θα λειτουργήσει με μειωμένο φορτίο κατά 20% ( case39b ) και με τις συναρτήσεις κόστους του δευτέρου γύρου. Οι αλλαγές των συναρτήσεων κόστους και του μεγέθους του φορτίου γίνεται όπως περιεγράφηκε στο Υποσύστημα Φόρτωσης Νέου Σεναρίου ( 4.4.6). Στην Εικόνα 6.27 παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά δεδομένα της εκκαθάρισης, όπου φαίνεται το χαμηλό αντικειμενικό κόστος λειτουργίας. Αυτό δικαιολογείται από τα αποτελέσματα των ζυγών στην Εικόνα 6.28 από την μηδενική παραγωγή των ακριβότερων παραγωγών. 102

103 Εικόνα 6.27 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στον 3 ο γύρο 103

104 Εικόνα 6.28 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 3 ο γύρο Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με τη ροή ισχύος στις γραμμές μεταφοράς (Εικόνα 6.29) και οι ζυγοί που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών της τάσης, οι γεννήτριες που παράγουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους και οι γραμμές μεταφοράς από τις οποίες μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή μιγαδική ισχύ (Εικόνα 6.30). 104

105 Εικόνα 6.29 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 3 ο γύρο 105

106 Εικόνα 6.30 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 3 ο γύρο Σε αυτόν τον γύρο εκκαθάρισης, όπου το φορτίο μειώθηκε, τα αποτελέσματα της βέλτιστης κατανομής φορτίου δείχνουν ότι οι παραγωγοί με τις ακριβότερες συναρτήσεις προσφοράς δεν επιλέγονται και θα έχουν μηδενική παραγωγή ισχύος. Το γεγονός αυτό θα επηρεάσει τα κέρδη τους και όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.31, ο τέταρτος παραγωγός θα έχει ζημία. 106

107 Εικόνα 6.31 : Μηνύματα 4 ου παραγωγού Σενάριο 3 Στο τρίτο σενάριο, όπως έγινε στο σενάριο 2, θα παρατηρήσουμε τις αλλαγές στα κέρδη των παραγωγών όταν συμβαίνουν αυξήσεις ή μειώσεις της τιμής του καυσίμου. Στη συνέχεια του δευτερου σεναρίου είδαμε τη λειτουργία του συστήματος σε περίπτωση μείωσης του φορτίου, ενώ στο σενάριο αυτό θα δούμε τη λειτουργία του σε μια πιθανή αύξηση του φορτίου κατά 5%, φορτώνοντας τα δεδομένα του case39b. Αυτές τις αλλαγές θα τις δούμε καλύτερα χρησιμοποιώντας τις ίδιες συναρτήσεις προσφοράς σε όλες τις εκκαθαρίσεις. Χάριν απλότητας, οι συναρτήσεις προσφοράς θα είναι όπως αυτές φαίνονται στην Εικόνα 6.7. Πρώτος Γύρος Το σενάριο 3 περιλαμβάνει τρεις γύρους εκκαθαρίσεων εκ των οποίων ο πρώτος είναι ίδιος με τον δεύτερο γύρο του δεύτερου σεναρίου. Σε αυτόν λοιπόν, το σύστημα έχει τα χαρακτηριστικά του προκαθορισμένου case39a και τα κόστη των γεννητριών θα είναι αυτά της Εικόνας 6.2. Τα αποτελέσματα της πρώτης εκκαθάρισης είναι ίδια με αυτά που παρουσιάζονται στις Εικόνες Δεύτερος Γύρος Ο δεύτερος γύρος εκκαθαρίσεων διαφέρει από τον προηγούμενο ως προς τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών, όπου θα χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα της Εικόνας 6.3. Ένας από τους δύο παραγωγούς που συμμετέχουν στις προσφορές φαίνεται να έχει μικρότερο κόστος παραγωγής σχετικά με τον πρώτο γύρο. Τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης φαίνονται παρακάτω, στις Εικόνες

108 Συγκεκριμένα, η Εικόνα 6.32 παρουσιάζει τα συγκεντρωτικά δεδομένα της εκκαθάρισης και στη συνέχεια η Εικόνα 6.33 τα αποτελέσματα που αφορούν τους ζυγούς. Εικόνα 6.32 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στο 2 ο γύρο 108

109 Εικόνα 6.33 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 2 ο γύρο 109

110 Στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 6.34) φαίνονται τα αποτελέσματα των γραμμών μεταφοράς και στη συνέχεια (Εικόνα 6.35) οι ζυγοί, οι γεννήτριες και οι γραμμές που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών. Εικόνα 6.34 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 2 ο γύρο 110

111 Εικόνα 6.35 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 2 ο γύρο Μετά τη δεύτερη εκκαθάριση της αγοράς τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο τέταρτος παραγωγός θα πουλήσει MW, όπως και την πρώτη εκκαθάριση. Η διαφορά είναι στο κόστος παραγωγής, το οποίο από 30 $/MW, τώρα είναι 5 $/MW. Βάση αυτού, αναμένουμε αύξηση των κερδών του παραγωγού, όπως φαίνεται στην Εικόνα

112 Εικόνα 6.36 : Μηνύματα του 4 ου παραγωγού Τρίτος Γύρος Ο τρίτος γύρος εκκαθαρίσεων θα περιλαμβάνει αύξηση του φορτίου κατά 5%, κρατώντας ίδιες με τον δεύτερο γύρο τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών. Σε αυτόν τον γύρο λόγω της αύξησης του φορτίου περιμένουμε να δούμε αύξηση της παραγωγής και συνεπώς αύξηση των κερδών των παραγωγών. Τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες, από τις οποίες η Εικόνα 6.37 δείχνει τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα αυτής, η Εικόνα 6.38 τις παραγωγές των γεννητριών, η Εικόνα 6.39 τα δεδομένα των γραμμών μεταφοράς και τέλος η Εικόνα 6.40 τους περιορισμούς του συστήματος. 112

113 Εικόνα 6.37 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στον 1 ο γύρο 113

114 Εικόνα 6.38 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 2 ο γύρο 114

115 Εικόνα 6.39 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 2 ο γύρο 115

116 Εικόνα 6.40 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 2 ο γύρο Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η συνολική παραγωγή αυξήθηκε λόγω αύξησης του φορτίου και συγκεκριμένα για τον τέταρτο παραγωγό παρατηρούμε ότι θα παράξει MW. Από το μήνυμα ενημέρωσης που έλαβε από το διαχειριστή, όπως δείχνει η Εικόνα 6.41, φαίνεται ότι τα κέρδη του σχεδόν τετραπλασιάστηκαν. 116

117 Εικόνα 6.41 : Μηνύματα του 4 ου παραγωγού Σενάριο 4 Στα προηγούμενα σενάρια μελετήθηκε η λειτουργία του συστήματος σε περιπτώσεις διάφορων συναρτήσεων προσφοράς των παραγωγών, σε αλλαγές των τιμών καυσίμου και των συναρτήσεων κόστους των γεννητριών, ακόμη και σε αυξομειώσεις του συνολικού φορτίου που πρέπει να καλυφθεί. Αυτό που μένει πλέον να μελετηθεί είναι με ποιόν τρόπο θα επηρεάσει την αγορά η αποσύνδεση κάποιας γραμμής. Η περίπτωση αυτή εξετάζεται από το σενάριο 4, στο οποίο δεν θα χρησιμοποιηθούν συναρτήσεις προσφορών και επομένως οι παραγωγοί θα συμμετέχουν με τις συναρτήσεις κόστους. Αυτές θα είναι όπως φαίνονται στην Εικόνα 6.1 και παραμένουν ίδιες σε όλους τους γύρους εκκαθάρισης της αγοράς. Πρώτος Γύρος Στον πρώτο γύρο εκκαθαρίσεων θα δούμε τα αποτελέσματα για τη λειτουργία του συστήματος με αυξημένο φορτίο κατά 5% του αρχικού, φορτώνοντας τα δεδομένα του case39c και με τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών της case39gencost, όπως φαίνονται στην Εικόνα 6.1. Παρακάτω, στις Εικόνες , παραθέτονται τα αποτελέσματα της βέλτιστης κατανομής φορτίου. Πιο αναλυτικά, η Εικόνα 6.42 παρουσιάζει τα συγκεντρωτικά δεδομένα της εκκαθάρισης και στη συνέχεια η Εικόνα 6.43 τα αποτελέσματα που αφορούν τους ζυγούς. 117

118 Εικόνα 6.42 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στον 1 ο γύρο 118

119 Εικόνα 6.43 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 1 ο γύρο Στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 6.44) φαίνονται τα αποτελέσματα των γραμμών μεταφοράς και στη συνέχεια (Εικόνα 6.45) οι ζυγοί, οι γεννήτριες και οι γραμμές που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών. 119

120 Εικόνα 6.44 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 1 ο γύρο 120

121 Εικόνα 6.45 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 1 ο γύρο 121

122 Δεύτερος Γύρος Στον δεύτερο γύρο είναι επιθυμητό να μελετηθεί η λειτουργία του συστήματος σε κάποια έκτακτη περίπτωση, όπως είναι αυτή της αποσύνδεσης μιας γραμμής λόγω βλάβης ή συντήρησης. Μετά από δοκιμή φάνηκε ότι με το αυξημένο φορτίου του πρώτου γύρου το παρόν σύστημα δεν θα μπορούσε να ανταποκριθεί σε περίπτωση αποσύνδεσης κάποιας γραμμής, για αυτό το λόγο η δεύτερη εκκαθάριση έγινε με το φορτίο που προκαθορίστηκε από τα αρχικά δεδομένα του συστήματος, θεωρώντας ότι έγινε μερική απόρριψη φορτίου. Για να δοκιμάσουμε το σύστημα σε μια δύσκολη περίσταση, επιλέχθηκε να αποσυνδεθεί μια γραμμή σε κεντρικό σημείο. Από το χάρτη που απεικονίζει το case39, στην Εικόνα 5.1, παρατηρούμε ότι μια τέτοια γραμμή είναι αυτή που ενώνει τους ζυγούς Παρακάτω στις Εικόνες φαίνονται τα αποτελέσματα της εκκαθάρισης του δεύτερου γύρου. Εικόνα 6.46 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στο 2 ο γύρο 122

123 Εικόνα 6.47 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στο 2 ο γύρο Με την αποσύνδεσης της γραμμής 26 η κατανομή φορτίου θα διαφέρει, καθώς όπως φαίνεται στα αποτελέσματα των γραμμών, Εικόνα 6.48, η μεταφορά ισχύος από τον ζυγό 16 στον 17 είναι μηδενική, λόγω αποσύνδεσης της γραμμής που τους ενώνει. Το φορτίο τελικά δεν το αναλαμβάνει μόνο από μια συγκεκριμένη γραμμή αλλά καταμερίζεται μεταξύ των υπόλοιπων, ενεργών γραμμών. Το συνολικό φορτίο στον δεύτερο γύρο είναι MW, ενώ στον πρώτο γύρο ήταν MW. Η μείωση 123

124 αυτή φαίνεται στην Εικόνα 6.47, στα αποτελέσματα για τους ζυγούς και στην Εικόνα 6.48, στα αποτελέσματα των γραμμών σε σύγκριση με τις αντίστοιχες εικόνες του πρώτου γύρου, Εικόνα 6.43 και Εικόνα Ένα γρήγορο συμπέρασμα από τη σύγκριση της μεταφοράς ενέργειας των γραμμών του πρώτου με το δεύτερο γύρο είναι ότι, ενώ σε πολλές γραμμές έχει μειωθεί η φόρτιση λόγω της απόρριψης φορτίου, υπάρχουν δύο γραμμές, η 7 η και η 36 η, στις οποίες η φόρτιση αυξήθηκε αρκετά αφού ανέλαβαν το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου που μετέφερε στον πρώτο γύρο η γραμμή

125 Εικόνα 6.48 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στο 2 ο γύρο 125

126 Εικόνα 6.49 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στο 2 ο γύρο Ο πίνακας παρακάτω (Πίνακας 6.1) παρουσιάζει τις παραγωγές ισχύος για όλες τις γεννήτριες, έτσι όπως έδειξαν τα αποτελέσματα του πρώτου κα του δεύτερου γύρου προκειμένου να μελετήσουμε τον τρόπο με τον οποίο έγινε η κατανομή φορτίου με αποσυνδεδεμένη τη γραμμή μεταφοράς

127 Παραγωγή Ισχύος των Γεννητριών (MW) Ζυγός 1 ος γύρος 2 ος γύρος Πίνακας 6.1 : Παραγωγή ισχύος των γεννητριών στο 2 ο γύρο Παρατηρούμε ότι οι γεννήτριες στους ζυγούς 33, 36, 37 και 38 μείωσαν την παραγωγή τους, αφού με την αποσύνδεση της γραμμής μεταφοράς 26 έγινε και απόρριψη φορτίου, συγκεκριμένα MW. Ωστόσο η μείωση δεν είναι ίδια για όλες τις γεννήτριες για δύο λόγους. Ο ένας αφορά τα οικονομικά δεδομένα της καθεμίας, με χαρακτηριστικό παράδειγμα της τέταρτης γεννήτριας στον ζυγό 33. Η γεννήτρια αυτή είναι λίγο πιο ακριβή από τις υπόλοιπες, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 6.1 στις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών και επομένως για αυτό το λόγο υπέστη την μεγαλύτερη μείωση παραγωγής. Ο δεύτερος λόγος έχει να κάνει με τη συνολική λειτουργία του συστήματος και το πώς θα κατανεμηθεί η παραγωγή στις γεννήτριες. Στην παρακάτω εικόνα, Εικόνα 6.50, φαίνεται το μονογραμμικό διάγραμμα του συστήματος που μελετάμε, όπου σημειώνονται με πράσινο χρώμα οι γεννήτριες που μείωσαν την παραγωγή τους. Είναι εύκολο να παρατηρήσουμε ότι οι γεννήτριες οι οποίες επηρρεάζονται βρίσκονται κοντά στην γραμμή που αποσυνδέθηκε. Αυτό είναι ένα γενικό χαρακτηριστικό των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας αφού μια πιθανή βλάβη σε συγκεκριμένο σημείο θα επηρρεάσει την γύρω περιοχή με τον πιο αποδοτικό τρόπο και επομένως οι μακρινές γεννήτριες μπορεί να μην επηρρεαστούν καθόλου. 127

128 Εικόνα 6.50 : Απεικόνιση του case39 με αποσυνδεδεμένη τη γραμμή μεταφοράς μεταξύ των ζυγών Τρίτος Γύρος Στον τρίτο γύρο θα δούμε τη λειτουργία του συστήματος με αποσυνδεδεμένη τη γραμμή 9, αφού πρώτα έχει επανασυνδεθεί η γραμμή 26. Στην Εικόνα 6.51 παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα της εκκαθάρισης του τρίτου γύρου. Η αποσύνδεση της γραμμής επιρεάζει ταυτόχρονα την κατανομή του φορτίου στις γεννήτριες, γεγονός που φαίνεται στην Εικόνα 6.52, και την ροή ισχύος στις γραμμές μεταφοράς (Εικόνα 6.53). Τέλος, στην Εικόνα 6.54 παρουσιάζονται οι ζυγοί, οι γεννήτριες και οι γραμμές που λειτουργούν στα όρια των περιορισμών. 128

129 Εικόνα 6.51 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα στο 3 ο γύρο 129

130 Εικόνα 6.52 : Αποτελέσματα για τους ζυγούς στον 3 ο γύρο 130

131 Εικόνα 6.53 : Αποτελέσματα για τις γραμμές στον 3 ο γύρο 131

132 Εικόνα 6.54 : Αποτελέσματα περιορισμών της τάσης, της παραγωγής και της ροής ισχύος του συστήματος στον 3 ο γύρο Η μόνη διαφορά που έχει σημασία να μελετήσουμε είναι η κατανομή του φορτίου στους παραγωγούς. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζονται συγκεντρωμένα στον Πίνακα 6.2 τα αποτελέσματα για την παραγωγή από τον δεύτερο και τον τρίτο γύρο για όλους τους ζυγούς. Οι διαφοροποιήσεις φαίνονται διαφορετική ένταση χρώματος, συγκεκριμένα, με έντονο μαύρο σημειώνονται οι γεννήτριες που μείωσαν την παραγωγή τους, ενώ με γκρι αυτές που την αύξησαν. 132

133 Παραγωγή Ισχύος των Γεννητριών (MW) Ζυγός 2 ος γύρος 3 ος γύρος Πίνακας 6.2 : Παραγωγή ισχύος των γεννητριών στον 3 ο γύρο Η αποσύνδεση της ένατης γραμμής μεταφοράς μεταξύ των ζυγών 4 και 14 παρατηρούμε ότι θα επηρεάσει τις γεννήτριες στους ζυγούς 32, 33, 36, 37 και 38. Από αυτές οι γεννήτριες στο ζυγό 33 και στον 36 αύξησαν την παραγωγή τους και ανέλαβαν έτσι περισσότερο φορτίο, ενώ οι υπόλοιπες που επηρεάστηκαν μείωσαν την παραγωγή τους. Στην Εικόνα 6.55 παρακάτω, φαίνεται το μονογραμμικό διάγραμμα του συστήματος με αποσυνδεδεμένη τη γραμμή μεταξύ των ζυγών 4 και 14, με κόκκινο πλαίσιο είναι σημειωμένες οι γεννήτριες που αύξησαν την παραγωγή τους και με πράσινο αυτές που τη μείωσαν. 133

134 Εικόνα 6.55 : Απεικόνιση του case39 με αποσυνδεδεμένη τη γραμμή μεταφοράς μεταξύ των ζυγών ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής καταφέραμε να εξομοιώσουμε το μοντέλο μιας απελευθερωμένης αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας η οποία λειτουργεί με τους όρους της Pay-as-Bit δημοπρασίας, όπως εξηγήθηκε στο Κεφάλαιο 1.4. Για την σωστή λειτουργία των ΣΗΕ χρησιμοποιείται η βέλτιστη κατανομή φορτίου η οποία περιλαμβάνει την καλύτερη λειτουργία του συστήματος όσον αφορά τα τεχνικά και τα οικονομικά χαρακτηριστικά του. Για να εξομοιωθεί αυτή η αγορά χρησιμοποιήθηκε μια βιβλιοθήκη προγραμμάτων της MATLAB, το MATPOWER, το οποίο δίνει την επιλογή για τη λύση του προβλήματος της βέλτιστης κατανομής 134

135 φορτίου. Η εφαρμογή που αναπτύχθηκε για να εξομοιώσει την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τα υποσυστήματα που αναλύσαμε στο Κεφάλαιο 4 και το σύστημα που επιλέχθηκε είναι μεσαίου μεγέθους με 39 ζυγούς. Μετά την ανάλυση του τρόπου λειτουργίας της εφαρμογής δημιουργήσαμε τέσσερα σενάρια λειτουργίας με σκοπό να μελετήσουμε την αγορά σε διάφορες συνθήκες. Πρώτα δείξαμε την βασική λειτουργία της δημοπρασίας που χρησιμοποιούμε, όπου σύμφωνα με αυτή η παραγωγή ενέργειας κάθε παραγωγού επηρεάζεται από τη συνάρτηση προσφοράς που έχει υποβάλει. Έτσι, παρατηρήσαμε ότι ένας παραγωγός που ακριβαίνει τη συνάρτηση προσφοράς του είναι πιθανό να μειώσει την παραγωγή του. Δεύτερον, μελετήσαμε την περίπτωση της αύξησης του κόστους παραγωγής για έναν παραγωγό η οποία έχει άμεση επιρροή στα κέρδη του, τα οποία προφανώς μειώνονται. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τις αυξημένες συναρτήσεις προσφοράς κάποιων παραγωγών είδαμε πως σε περίπτωση μείωσης του συνολικού φορτίου που πρέπει να καλυφθεί, η παραγωγή τους μειώνεται ή ενδέχεται και να μηδενιστεί. Το γεγονός αυτό, όπως είναι αναμενόμενο, μειώνει τα κέρδη τους και πολλές φορές οδηγεί σε ζημία. Στην τρίτη περίπτωση, σε αντίθεση με παραπάνω, μελετήσαμε τη λειτουργία της αγοράς όταν υπάρχει μείωση του κόστους παραγωγής, οπότε τα κέρδη αυξάνονται και στη συνέχεια με μια μικρή αύξηση του συνολικού φορτίου αυξάνονται ακόμα περισσότερο. Τελευταία περίπτωση που εξετάστηκε είναι η αποσύνδεση κάποιας γραμμής, η οποία αλλάζει τη ροή φορτίου στο σύστημα, επομένως και την κατανομή του φορτίου στις υπάρχουσες γεννήτριες. Τα σενάρια αυτά αρκούν για να μελετηθούν οι βασικές λειτουργίες ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Αφού υποβάλαμε τα σενάρια αυτά στην εικονική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργήσαμε και μελετήσαμε ότι τα αποτελέσματα που έβγαλε, αποδείξαμε αυτό τον τρόπο ότι λειτουργεί σωστά και σύμφωνα με τους κανόνες που διέπουν ένα σύστημα. Η εφαρμογή που αναπτύξαμε λοιπόν, ανταποκρίνεται και θα μπορούσε εύστοχα να χρησιμοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς. 135

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρήθηκε η ανάπτυξη εφαρμογής για την εξομοίωση μιας αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας για εκπαιδευτικούς σκοπούς, με στόχο τη μελέτη και την κατανόηση της λειτουργίας της αγοράς και των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Η αγορά που επιλέχθηκε, λειτουργεί με βάση τη Pay-as-Bit δημοπρασία ως προς τα οικονομικά χαρακτηριστικά της και το μοντέλο του συστήματος στο οποίο εφαρμόστηκε η δημοπρασία επιλύθηκε με την AC βέλτιστη κατανομή φορτίου. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται η εξέλιξη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και εξηγείται πως οι δημοπρασίες στη βιομηχανία ηλεκτρισμού μπορούν να λύσουν τα διαδικαστικά θέματα που εισήγαγε η απελευθέρωση των αγορών ενέργειας. Παγκοσμίως, εφαρμόζονται διάφορα είδη δημοπρασιών με στόχο να προσελκύσουν τους ιδιώτες παραγωγούς να εισέλθουν στην αγορά και να επενδύσουν στον τομέα της ενέργειας. Η επιλογή της Pay-as-Bit δημοπρασίας έγινε διότι καλύπτει επιχειρηματικά και το διαχειριστή και τους παραγωγούς. Ο διαχειριστής από την πλευρά του βασιζόμενος στην βέλτιστη κατανομή φορτίου του συστήματος καταφέρνει να δαπανά όσο το δυνατό λιγότερα χρήματα για την κάλυψη του συνολικού φορτίου. Από την άλλη, οι παραγωγοί με τις προσφορές τους και με τυχόν συμφωνίες μεταξύ τους μπορούν να πετύχουν τα επιθυμητά κέρδη. Σε επίπεδο εκπαιδευτικής εφαρμογής, η εξομοίωση της αγοράς βοηθάει στην πλήρη κατανόηση από την πλευρά των φοιτητών τόσο της τεχνικής όσο και της οικονομικής πλευράς της. Στη συνέχεια της εργασίας (Κεφάλαιο 2) παρουσιάστηκε το μαθηματικό μοντέλο σύμφωνα με το οποίο καθορίζεται η λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Το μοντέλο το οποίο επιλέχθηκε για την ακριβή επίλυση του συστήματος είναι η AC βέλτιστη κατανομή φορτίου. Η λύση αυτής περιλαμβάνει πέρα από τις τεχνικές παραμέτρους και τις οικονομικές. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η οικονομικότερη και αποδοτικότερη λειτουργία του συστήματος στο σύνολό του, χωρίς να παραβιάζονται οι λειτουργικοί περιορισμοί του (πχ. μέγιστη μεταφερόμενη ισχύς γραμμών, όρια τάσης ζυγών κλπ.). Τα αποτελέσματα της λύσης αφορούν τις γωνίες και τα μέτρα των τάσεων στους ζυγούς, των γραμμών μεταφοράς όπως και τις απώλειες σε αυτές. Στην εικονική αγορά που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας, για την επίλυσης της βέλτιστης κατανομής φορτίου χρησιμοποιήθηκε το MATPOWER, μια πλατφόρμα ανάπτυξης λογισμικού συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ανοικτού 136

137 κώδικα σε περιβάλλον MATLAB. Στο MATPOWER παραμετροποιούνται τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και οι λύσεις που δίνει βασίζονται στα μαθηματικά μοντέλα που διέπουν την λειτουργία τους. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι βασικές λειτουργίες του και ο τρόπος με τον οποίο αυτές χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή. Η εφαρμογή η οποία εξομοιώνει την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελείται από πολλά υποσυστήματα. Το καθένα από αυτά έχει συγκεκριμένη λειτουργία και αφορούν, είτε τον χρήστη, είτε το διαχειριστή του συστήματος, είτε και τους δύο. Στην τελευταία περίπτωση ανήκουν τα υποσυστήματα διεπαφής αυτών με την αγορά τα οποία περιλαμβάνουν τις φόρμες που χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή του ονόματος και του κωδικού, της συνάρτησης προσφοράς και των μηνυμάτων, όπως επίσης και το κουμπί για την υποβολή των δεδομένων αυτών στην εφαρμογή. Οι φόρμες αυτές, μαζί με το κουμπί υποβολής συγκροτούν τη σελίδα εισαγωγής δεδομένων από το διαδίκτυο που χρησιμοποιεί η εφαρμογή που αναπτύχθηκε. Η σελίδα αυτή είναι κοινή για τους χρήστες και για το διαχειριστή και χρησιμοποιείται από τα υποσυστήματά τους. Όσα αφορούν τους χρήστες ενεργοποιούνται με την ορθή εισαγωγή του ονόματος και του κωδικού για λόγους ασφάλειας, τα υποσυστήματα αυτά είναι η εισαγωγή της συνάρτησης προσφοράς και μηνύματος, η υποβολή αυτών και η ενημέρωση του χρήστη για τη συνάρτηση προσφοράς που έχει υποβάλει, για τα μηνύματα που έχει στείλει και έχει λάβει και για τα αποτελέσματα των εκκαθαρίσεων που έχουν γίνει. Τα υποσυστήματα του διαχειριστή περιλαμβάνουν και αυτά την εισαγωγή ονόματος και κωδικού, όπως επίσης την ανάδραση με τα αποτελέσματα των εκκαθαρίσεων και την αποστολή μηνυμάτων. Ωστόσο οι αρμοδιότητες του διαχειριστή είναι περισσότερες και επομένως και τα υποσυστήματα που σχετίζονται με αυτές. Τέτοια υποσυστήματα είναι η εκκίνηση της αγοράς, η φόρτωση νέου σεναρίου και ο έλεγχος των συναρτήσεων προσφοράς, όπου ο διαχειριστής μπορεί στη φόρμα των συναρτήσεων να δώσει την εντολή για εκκαθάριση. Επιπλέον, πριν την εκκίνηση της αγοράς, ο διαχειριστής θα πρέπει να δημιουργήσει τα σενάρια με τα οποία θα λειτουργήσει η αγορά και τις συναρτήσεις κόστους των γεννητριών, με τα αντίστοιχα υποσυστήματα. Ο συνδυασμός όλων αυτών των υποσυστημάτων χρήστη και διαχειριστή αποτελεί τη δομή σύμφωνα με την οποία αναπτύχθηκε ο κώδικας της εφαρμογής. Η εφαρμογή που αναπτύχθηκε μπορεί να εξομοιώσει πολλά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, διαφόρων μεγεθών. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε σαν παράδειγμα ένα σύστημα μεσαίου μεγέθους, το οποίο έχει αρκετούς ζυγούς, γραμμές με βροχοειδή κυκλώματα και γεννήτριες. Το δίκτυο αυτό εύκολα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη της λειτουργίας του σε περιπτώσεις αποσύνδεσης κάποιας γραμμής μεταφοράς, χωρίς την αποκοπή της γύρω περιοχής, όπως θα συνέβαινε σε ένα ακτινικό δίκτυο. To MATPOWER περιέχει ήδη παραμετροποιημένα πολλά δίκτυα, ένα από αυτά είναι και το case39, δηλαδή αυτό 137

138 που επιλέχθηκε. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται αναλυτικά οι πίνακες με τα χαρακτηριστικά του συστήματος παραμετροποιημένα. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 έγιναν αρκετές δοκιμές για να δείξουν τη λειτουργικότητα της εικονικής αγοράς. Για να γίνουν αυτές οι δοκιμές ο διαχειριστής χρειάζεται να δημιουργήσει τα σενάρια τα οποία θα περιγράφουν την κατάσταση στην οποία επιθυμεί να δοκιμαστεί η αγορά. Πρώτη επιθυμητή δοκιμή ήταν η αποδοτικότητα της δημοπρασίας που επιλέχθηκε για την συγκεκριμένη αγορά. Σύμφωνα με αυτή, φάνηκε ότι η παραγωγή ενέργειας ενός ακριβού παραγωγού μειώνεται με βάση πάντα και τις δυνατότητες του δικτύου. Στο δεύτερο σενάριο μελετήθηκε η συμπεριφορά της αγοράς αρχικά στην περίπτωση της αύξησης του κόστους παραγωγής μιας γεννήτριας, όπου τα έσοδα του συγκεκριμένου παραγωγού μειώθηκαν. Στη συνέχεια του σεναρίου μειώθηκε το συνολικό φορτίο και αυτό επηρέασε την αγορά, αφού οι πιο ακριβοί παραγωγοί δεν επιλέχθηκαν και η παραγωγή τους μηδενίστηκε. Στο τρίτο σενάριο έγινε δοκιμή για την περίπτωση που το κόστος παραγωγής ενός παραγωγού μειωθεί αρκετά, χωρίς να μειωθεί η συνάρτηση προσφοράς του και επομένως αυτό είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση των κερδών του. Τα κέρδη των παραγωγών αυξάνονται στη συνέχεια όταν αυξάνεται το συνολικό φορτίο αφού αυξάνεται και η παραγωγή προκειμένου να καλυφθεί το φορτίο. Το τελευταίο σενάριο περιλαμβάνει την αποσύνδεση γραμμών μεταφοράς και τη μελέτη των αλλαγών στην παραγωγή. Από αυτές υπήρξαν γεννήτριες που αύξησαν την παραγωγή τους, άλλες που τη μείωσαν και κάποιες που δεν επηρεάστηκαν καθόλου. Όλες αυτές οι δοκιμές που έγιναν κάλυψαν πολλές καταστάσεις στις οποίες η εικονική αγορά ανταποκρίθηκε σωστά. Ωστόσο οι δυνατότητες εξομοίωσης διαφορετικών καταστάσεων των αγορών είναι πρακτικά απεριόριστες. Αρκεί να δημιουργηθούν τα κατάλληλα σενάρια που θα την δοκιμάσουν. Για παράδειγμα μια από αυτές μπορεί να είναι η αποχώρηση κάποιου παραγωγού από την αυτήν. Ολοκληρώνοντας την παρούσα διπλωματική εργασία θα ήθελα να παραθέσω τα προσωπικά μου συμπεράσματα, τα οποία κατευθύνονται σε δύο άξονες. Ο πρώτος σχετίζεται με τις επιστημονικές γνώσεις που αποκόμισα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, στον τρόπο λειτουργίας τους, στην κατανομή φορτίου και στη λειτουργία της αγοράς. Γνώσεις που θεωρώ πολύ βασικές και απαραίτητες για την μετέπειτα πορεία μου ως ενεργειακός μηχανικός και για την αντιμετώπιση των προκλήσεων που θα προκύψουν μελλοντικά. Επιπλέον, η εκτενής ενασχόληση με το περιβάλλον της MATLAB με βοήθησε να εμβαθύνω στις δυνατότητές της, που μου ήταν άγνωστες τον προηγούμενο καιρό, καθώς επίσης και τον τρόπο λειτουργίας ενός web server. Ο δεύτερος άξονας συμπερασμάτων αφορά στην ανάπτυξη της προσωπικότητας και της αντίληψης μου, μέσω της εμπειρίας που απέκτησα από την προσπάθειά μου να διαχειριστώ και να αντιμετωπίσω τις δυσκολίες και τα εμπόδια που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. 138

139 139

140 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΚΩΔΙΚΑΣ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ I.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ 140

141 II. ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΠΡΟΣΦΟΡΑΣ a) Check_Parameters.m 141

142 142

143 b) Piecewise_Linear.m 143

144 c) Polynomial.m 144

145 III.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ 145

146 146

147 IV.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΔΡΑΣΗΣ a) EnergyMarketForm.m 147

148 148

149 149

150 b) ConvertInputs.m 150

151 151

152 c) Save_Mail.m 152

153 153

154 d) Print_Mailbox.m 154

155 e) Modified_Data.m 155

156 156

157 V.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΚΚΑΘΑΡΙΣΗΣ a) Clear_Market.m 157

158 158

159 b) Profit.m 159

160 160

161 c) Save_OPF_Data.m 161

162 VI.ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΦΟΡΤΩΣΗΣ ΝΕΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ 162

163 VII. ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΚΟΣΤΟΥΣ ΤΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ a) Load_Generator_Cost.m 163

164 164

165 b) Set_Case.m 165

166 c) Matching_Data.m 166

167 VIII. ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΓΟΡΑΣ a) Energy_Market.m 167

168 168

169 169

170 b) Set_UsernamesPasswords.m 170