Hierarchische Optimierung für ein zonenübergreifendes korrektives Netzengpass-Management

Abstract

Die Problematik des Netzengpass-Managements (NEM) entstand erst durch die Liberalisie-rung der Strommärkte. Dies kann zum einen auf die spezifischen Besonderheiten des Strom-marktes zurückgeführt werden. Zu diesen Besonderheiten zählen u. a. die Unmöglichkeit, das Produkt Strom im wesentlichen Umfang zu speichern und die daraus resultierende Notwen-digkeit, die Erzeugung zu jedem Zeitpunkt gleich der Nachfrage zuzüglich aller Verluste zu halten. Zum anderen existieren im bilateral-orientierten Markt sehr stark eingeschränkte Zugriffsmöglichkeiten eines Netzbetreibers auf den Kraftwerkspark.. Zusätzlich ist der Ener-gieaustausch zwischen den liberalisierten Ländern ebenso wie innerhalb Deutschlands infolge der Liberalisierung gestiegen. Dadurch resultieren insbesondere im Höchstspannungsnetz auf den Kuppelleitungen, die früher nur für Ausgleichslieferungen zwischen den Regelzonen vor-gesehen waren, die Gefahr von Netzengpässen sowie höhere Verluste innerhalb des Trans-portnetzes. Die Durchführung eines rechnergestützten Netzengpass-Managements ist somit langfristig unabdingbar.Ein komplexes Netzengpass-Management-System (NEMS) ist mit nahezu allen (wirtschaftli-chen) Vorgängen in deregulierten Energiemärkten verknüpft und kann nur in Verbindung mit anderen Prozessen der Strommärkte bewertet werden. Es hängt zu einem hohen Grad von der zugrundeliegenden Wirtschaftsstruktur im betrachteten Strommarkt ab. Bisherige Verfahren des NEM tragen den unterschiedlichen und komplexen Anforderungen zu wenig Rechnung. In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren entwickelt, das die realen Verhältnisse im Netz be-rücksichtigt und mit einem einfachen, transparenten und verursachergerechten Abrechnungs-modell kombiniert wird, das einen möglichst freien und fairen Handel zulässt und in unter-schiedlichen Marktstrukturen eingesetzt werden kann. Der hier verfolgte Ansatz der Sequentiellen Quadratischen Programmierung (SQP) als Re-dispatch-Maßnahme erfüllt die Forderungen nach einer stärkeren Berücksichtigung der tech-nischen Rahmenbedingungen. Er löst den NE auf Basis der exakten Netzgleichungen und Restriktionen innerhalb einer Regelzone. Es wird eine konvexe, stückweise lineare Zielfunk-tion benutzt, welche die Angebote der KW-Betreiber abbildet, um die im ersten Schritt vom ÜNB zu zahlenden NE-Kosten zu minimieren.Da NE zumeist zwischen den Regelzonen oder durch die Querflüsse verursacht in der Nähe der Kuppelstellen auftreten und die Netzdaten des Gesamtnetzes nicht verfügbar sind, wird in diesem Kontext erstmalig der Ansatz der hierarchischen Optimierung basierend auf den nicht-linearen Lastflussgleichungen unter Verwendung der SQP angewandt. Unter dem Begriff hie-rarchische Optimierung sind in diesem Fall parallele Optimierungen des Lastflusses in den einzelnen Regelzonen zu verstehen, die an zentraler Stelle bezüglich der aktuellen Werte der Kuppelleitungen automatisch koordiniert werden. Die hierarchische Optimierung mit unterla-gerter nichtlinearer Suboptimierung gewährleistet somit den Datenschutz der einzelnen ÜNB und erreicht dennoch das volkswirtschaftlich sinnvolle, globale Optimum. Die Problematik der Kostenübernahme für die NE-Beseitigung ist eine der zentralen beim NEM entstehenden Fragen. Daher wird in dieser Arbeit ein möglichst verursachergerechtes Abrechnungsmodell entwickelt, das zusätzlich um eine Komponente für die verursacherge-rechte Finanzierung des Einbaus von netzkapazitätserweiternden Maßnahmen ergänzt wird. Somit stellt das hier entwickelte Verfahren der hierarchischen Optimierung mit der SQP als Suboptimierung sowie einem auch den Netzausbau berücksichtigenden verursachergerechten Abrechnungsmodell erstmalig eine geschlossene, sowohl technisch als auch volkswirtschaft-lich betrachtet optimale, Lösung der NE dar.

The problem of congestion management is a consequence of the liberalisation of the electric-ity markets. This is on the one hand due to the characteristics of the electricity market. These characteristics are among others the impossibility to store an essential amount of electricity and the therefore resulting necessity to always balance the generation with the demand includ-ing all losses. On the other hand, the possibilities of the network system operator to use the power stations are very much restricted in bilateral-oriented markets. Additionally, the elec-tricity exchange has increased between the liberalised countries as well as within Germany in consequence of the liberalisation. Therefore, the danger of congestion situations has increased on the coupling lines between network areas which were only used for balancing transmis-sions before the deregulation. A further result are the higher losses within the transmission network. The usage of a computer-based congestion management is therefore in the long term extremely necessary.A complex congestion management system is connected with nearly all (economic) processes in deregulated electricity markets. It can therefore only be assessed in connection with other processes of the electricity markets and depends to a large degree on the economic structure of the respective market. Existing congestion management measures do not consider this suf-ficiently. A new procedure is developed in this work, which considers the real conditions in the network. The Sequential Quadratic Programming (SQP) approach used here as redispatch-measure considers the technical circumstances. It solves the congestion based on the exact network equations and restrictions within a network area. A convex, piecewise-linear objective func-tion is used, reflecting the offers of the power station owners.The hierarchical optimisation based on the non-linear load flow equations is used for the first time in this context, as on the one hand the data of the complete network is unknown and on the other hand the congestions mostly occur between the individual network areas. Hierarchi-cal optimisation is in this case the parallel optimisation of the loadflows in the individual net-work areas, which are coordinated with regard to the actual values of the coupling lines cen-trally. The hierarchical optimisation thus allows the individual network system operator not to publish his data and nevertheless results in a global optimal point.As the question of billing is crucial for the congestion management, the developed hierarchi-cal optimisation is combined with a simple, transparent and fair billing model. This billing model enables a free and fair trade and can be used in different market structures.The developed congestion management system using the hierarchical optimisation with SQP and billing model provides thus for the first time a consistent technical and economic optimal solution.