Simulace elektrizační sítě (Vensim)
Název simulace: Simulace elektrizační sítě
Autor: Bc. Michaela Tauchmanová, taum03
Typ modelu: Systémová dynamika
Modelovací nástroj: Vensim
Simulace bude postavena na reálných datech o výrobě a spotřebě elektrické energie v ČR a na datech o přitékající elektrické energii od našich sousedních států. Jejich výroba el. energie taktéž ovlivňuje i naši přenosovou síť. Z tohoto důvodu jsou na pomyslných hranicích naší přenosové soustavy PST transformáty, kde dispečeři regulují výrobu a spotřebu elektrické energie u nás. Pokud by od sítě přiteklo moc energie, mohlo by to přetížit přenosovou soustavu a tím způsobit rozsáhlé výpadky proudu. Pokud by takový výpadek nastal (z důvodu výrazné výkonové nerovnováhy) je nutné, co nejrychleji zajistit stabilitu přenosové sítě. Cílem modelu je nasimulovat přenosovou soustavu a její možnou ochranu proti blackoutům.
Contents
Definice problému
Díky elektrizační soustavě máme všichni přístup k elektřině. Můžeme díky ní fungovat, tak jak jsme zvyklí. Celá soustava je dělena na dvě části - distribuční a přenosovou soustavu. Celou přenosovou soustavu u nás spravuje akciová společnost ČEPS. O distribuční soustavu se dělí několik distributorů, které všichni známe - PRE, E.ON a ČEZ.
ČEPS zajišťuje, aby vyrobená elektrická energie z našich elektráren byla rozvedená pomocí stožárů, které běžně vídáme na polích, podél silnic a podobně. Mezi distribuční a přenosovou soustavou jsou transformační stanice, kde se mění napětí mezi jednotlivými soustavami. Toto je krásně vysvětleno na stránkách ČEPSu zde: https://www.ceps.cz/cs/pro-verejnost.
Jelikož, ale není možné rozdělit přenosové sítě dle hranic, tak jak je známe z map, jsou jednotlivé přenosově sítě rozděleny pomocí různých dispečerských stanic. Platí zde fyzikální zákony, které je nutné respektovat, o což se tyto dispečerské stanice s PST transformátory snaží. Díky jejich zásahům pomáhají chránit naši síť proti jejímu přetížení. Toto přetížení by mohlo způsobit větší či menší výpadky elektřiny - tzv. blackout, což by nám mohlo způsobit veliké potíže.
Proto je nutné regulovat výrobu elektrické energie. Na základě aktuálního zatížení (spotřeba, import, export, aktuální zatížení, nutná pomoc sousedním státům) se reguluje její výroba. Tato simulace má za cíl tuto ochranu a regulaci nasimulovat.
Metoda
K vytvoření této simulace byl použit nástroj Vensim, který poslouží pro simulování definované problematiky.
Model
Tento model znázorňuje zobecněný model kauzálních smyček. Jsou zde vyobrazeny jak zahraniční výpomoc a regulace přeshraničních přítoků s distribučními ztrátami ovlivňují výrobu, která spolu se spotřebou ovlivňuje aktuální zatížení sítě.
Stock and flow diagram, který je znázorněn níže, vyobrazuje detailněji elektrizační síť. Regulace přeshraničních přítoků je zde rozdělena na regulaci importu a regulaci exportu. Zahraniční výpomoc je rozdělena na pomoc od nás a pomoc nám.
Proměnné modelu
Všechny uvedené jednotky byly převedeny na mega watty (MW).
Zatížení: Je definované vztahem dle logiky uvedené na stránkách ČEPSu, ze kterých byla data získána:[1] Zatížení = INTEG(Výroba - Spotřeba - Zatížení).
Iniciální hodnota byla určena jak dosavadní maximum na základě dat z ČEPSu za jednotlivé dny od 1.1.2010 do 10.6.2021.
Spotřeba: Je definována pouze jako proměnná Odběratelé, který v sobě sčítá spotřebu ve veřejném sektoru (průmysl, atd.) a domácnostech.
Odběratelé: Jsou definováni jako výraz Spotřeba = Domácnosti + Veřejné sektory.
Domácnosti: Jsou jako náhodná proměnná z rovnoměrného rozdělení. Je definovaná vztahem: Domácnosti = RANDOM UNIFORM (7e+07, 9e+07 , 8.6e+07 ).
Veřejné sektory: Jsou jako náhodná proměnná z rovnoměrného rozdělení. Je definovaná vztahem: Veřejné sektory = RANDOM UNIFORM (1.8e+08, 2.01e+08, 1.91e+08).
Minima a maxima pro tyto dvě proměnné byla definována na základě dat z českého statistického úřadu.[2] Data zde jsou uváděna v PJ (petajouly), kdy 1 PJ = 278 000 MW.
Výroba: Výroba je ovlivněna několika faktory, jejichž vztah je definován jako Výroba = (RANDOM UNIFORM ( 4e+07, 8.5e+07, 7.72517e+07)) - Distribuční ztráty - Zahraniční výpomoc - Regulace importu + Regulace exportu + Spotřeba.
Je zde využito náhodné proměnné, která zastupuje minimum a maximum z plánu výroby, který byl získán ze stránek ČEPSu.[1] Výroba je dále ovlivněna distribučními ztrátami, zahraniční výpomocí, která signalizuje havárie v sousedních přenosových soustavách, regulací importu a exportu a taktéž spotřebou.
Zahraniční výpomoc: Je definována jako výraz Zahraniční výpomoc = Pomoc do ČR - Pomoc od ČR.
Pomoc od ČR: 10 870,94 MW
Pomoc od ČR je určena jako konstanta, která byla vypočítána jako průměr ročních zahraničních výpomocí našim sousedním státům z let 2014-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek společnosti ČEPS.[1]
Pomoc do ČR: 26 892,89 MW
Pomoc do ČR je určena jako konstanta, která byla vypočítána jako průměr ročních zahraničních výpomocí od našich sousedních států z let 2014-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek společnosti ČEPS.[1].
Distribuční ztráty: Distribuční ztráty jsou určeny jako náhodná proměnná, která byla vypočítána jako minimum a maximum dosavadních ročních průměrných ztrát z let 2010-2018 za základě dat Energetické bilance ze stránek z Českého statického úřadu.[2] Data zde jsou uváděna v PJ (petajouly), kdy 1 PJ = 278 000 MW.
Jsou definovány vztahem Distribuční ztráty = RANDOM UNIFORM (7.7284e+06, 8.66526e+06, 8.06138e+06).
Regulace importu: Je určena jako podmínka, která vrací hodnotu skutečných nebo plánovaných importů, podle toho, která hodnota je větší.
Je definována vztahem Regulace importu = IF THEN ELSE (Plánované importy < Skutečné importy, Skutečné importy, Plánované importy).
Plánované importy: 162,33 MW
Plánované importy jsou určeny jako konstanta, která byla vypočítána jako průměr ročních průměrných plánovaných importů z let 2010-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek akc. společnosti ČEPS.[1]
Skutečné importy: Jsou určeny jako náhodná proměnná, která byla vypočítána jako minimum a maximum ročních průměrných skutečných importů z let 2010-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek akc. společnosti ČEPS.[1]
Jsou definovány vztahem: Skutečné importy = RANDOM UNIFORM(0, 2000 , 1125.92 ).
Regulace exportu: Je určena jako podmínka, která vrací hodnotu skutečných nebo plánovaných exportů, podle toho, která hodnota je větší.
Je definována vztahem Regulace exportu = IF THEN ELSE (Plánované exporty < Skutečné exporty, Skutečné exporty, Plánované exporty ).
Plánované exporty: 1 590,17 MW
Plánované exporty jsou určeny jako konstanta, která byla vypočítána jako průměr ročních průměrných plánovaných exportů z let 2010-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek akc. společnosti ČEPS.[1]
Skutečné exporty: Jsou určeny jako náhodná proměnná, která byla vypočítána jako minimum a maximum ročních průměrných skutečných exportů z let 2010-2021 na základě dat poskytovaných ze stránek akc. společnosti ČEPS.[1]
Jsou definovány vztahem: Skutečné exporty = RANDOM UNIFORM (0, 3500, 2699).
Výsledky
Simulace měla nejzajímavější výsledek po změně všech proměnných, s kterými je možné hýbat, tj. Zahraniční výpomoc a skuteční importy a exporty. Hodnoty byly změněny následovně viz grafy níže, což způsobilo odchylku v zatížení sítě. Tedy v tomto okamžiku by mohlo dojít k výpadku přenosové soustavy v místě jejího zatížení, což by mohlo vést k rozsáhlému výpadku elektrické sítě.
Závěr
Simulace je zjednodušenou verzí toho, jak funguje elektrizační síť v ČR. Jelikož je tato problematika velice komplexní, tak nebylo možné zachytit všechno v rámci tohoto modelu, který by jinak dával mnohem přesnější výsledky.
Jsem si vědoma toho, že model není úplně ideální. Zahraniční přenosové sítě (celkem jich je 5 - 2 z Německa, jedna z Rakouska, Slovenka a Polska) byly shrnuty do jedné proměnné. Pro přesnější výsledky by bylo dobré je rozdělit do jednotlivých faktorů.
Do simulace byly použity data ze dvou zdrojů: ČEPS, akciová společnost, která spravuje přenosovou síť v ČR, a Český statistický úřad. Ze stránek ČEPSu byla ve většině případně k dispozici data od 1.1.2010 do aktuálního dne a ze stránek ČSÚ pak data od roku 2010 pouze do roku 2018. Bylo nutné i převést veškerá data na stejné jednotky, protože z obou zdrojů byla udávána v rozdíl jednotkách (PJ a MW).
Přílohy
Simulace (modely + data): File:Taum03 elektrizacni soustava.zip
