CZ305568B6 - Způsob zrovnoměrnění okamžité spotřeby elektrické energie v čase - Google Patents

Abstract

Způsob zrovnoměrnění okamžité spotřeby elektrické energie v čase, při němž se sleduje predikovaná spotřeba elektrické energie odebírané z přenosové a distribuční sítě a predikovaná výroba elektrické energie dodávané do této sítě. Údaje se zasílají do řídicí jednotky (21) v časových rozestupech kratších než 15 minut. Na základě rozdílu zjištěných hodnot predikovaného odběru a výroby se počítá předpokládaný přebytek vyrobeného množství elektrické energie pro následující časový úsek. V případě zjištění přebytku se pro jeho snížení vyšle z řídicí jednotky (21) do inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34) připojených k dané distribuční síti nabídka elektrické energie za sníženou cenu, načež se na základě odezvy od inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34) nově vypočte předpokládaný přebytek vyrobené elektrické energie. V případě zjištění kladného výsledku se vyšle informace o potvrzení nabídky do všech inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34), které zaslaly odezvu po kroku, zatímco v případě zjištění záporného výsledku vybere řídicí jednotka (21) z inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34), pouze podmnožinu, kterým bude nabídka potvrzena.

Description

Způsob zrovnoměrnění okamžité spotřeby elektrické energie v čase, při němž se průběžně sleduje predikovaná spotřeba elektrické energie odebírané z přenosové a distribuční sítě v místech spotřeby a současně se průběžně sleduje predikovaná výroba elektrické energie dodávané do přenosové a distribuční sítě v místech výroby.

Dosavadní stav techniky

Energetická přenosová a distribuční soustava zajišťuje dodávku elektrické energie ze zdrojů elektrické energie k jednotlivým odběratelům. Odběratel úměrně k okamžitému příkonu svých spotřebičů čerpá odpovídající množství elektrické energie z distribuční sítě. Měření spotřeby elektrické energie čerpané z distribuční sítě probíhá pomocí elektroměru na rozhraní mezi distribuční soustavou a odběratelem. Na základě měřených údajů pak probíhá mj. i účtování za odebranou energii.

V současnosti distributoři elektrické energie využívají elektroměry, které v reálném čase sledují kumulativní spotřebu elektrické energie odebírané z přenosné sítě. Měření je zpravidla realizováno lokálně a sběr i vyhodnocení dat probíhá ve velkých časových intervalech (rok/měsíc/dny). Zejména u malých odběratelů se sběr dat provádí pouze několikrát, příp. pouze jednou ročně. Odhady předpokládaného budoucího odběru jsou omezeny pouze maximem odebírané energie, které je dáno smlouvou a příslušným technickým omezením, např. hlavním jističem. Výpočet předpokládané budoucí spotřeby elektrické energie v predikovaném časovém úseku se provádí na základě aktuálního odběru a statistických údajů z minulých měření, přičemž zohlednění vlivu počasí (venkovní teploty, povětrnostních podmínek, srážek atd.) je minimální.

Současně se v reálném čase sleduje množství aktuálně vyráběné elektrické energie dodávané nejčastěji do přenosové sítě 22 kV, příp. 6 kV, 35 kV, 110 kV, 220 kV. V případě klasických zdrojů elektrické energie probíhá sledování i vyhodnocování množství vyrobené energie v reálném čase.

V případě malých zdrojů využívajících obnovitelné zdroje (fotovoltaické a malé vodní elektrárny, atd.) probíhá měření také v reálném čase, ale výsledky jsou sbírány ve větších časových intervalech (měsíc/rok).

Vlastníkům zdrojů elektrické energie (elektráren) využívajících obnovitelné zdroje, tj. fotovoltaických, vodních, větrných a obdobných elektráren, navíc současná legislativa ČR garantuje, že v případě platné smlouvy s distributorem a obchodníkem s elektrickou energií musí stát vždy vykoupit od takového výrobce veškerou elektrickou energii, kterou vyrobí.

Protože se vyrobená elektrická energie nedá jednoduchým způsobem skladovat, je zapotřebí zachovávat rovnováhu mezi množstvím vyráběné elektrické energie a množstvím odebrané elektrické energie. Zachování rovnováhy je zajištěno především řízením výkonu dodávaného z klasických zdrojů (atomových, úhelných, plynových či vodních elektráren) nebo prodejem nadbytečné elektrické energie na energetické burze. Pro zachování rovnováhy je důležité přesně předpovídat množství vyrobené a odebrané energie.

Na základě měření aktuální celkové produkce pro celé území pokrývané distribuční společenství (tedy například v ČR kraj nebo celý stát) se počítá odhad celkového množství elektrické energie, které bude vyrobeno během určitého následujícího časového úseku. Predikce probíhá na základě dat obdržených od dodavatelů stabilního výkonu a na základě předpokládané produkce z malých zdrojů (fotovoltaických, malých vodních či větrných elektráren atd.). Odhad produkce malých

- 1 CZ 305568 B6 elektráren se stanovuje statisticky v kombinaci s daty ovlivňujícími tento výkon (povětrnostní podmínky, sluneční svit, stav vody na tocích příslušných vodních elektráren apod.).

Následně se počítá rozdíl hodnot předpokládaného množství vyrobené a odebrané elektrické energie v daném časovém úseku. Na základě takto vypočteného rozdílu se pak případně aktivují či deaktivují vybrané zdroje elektrické energie tak, aby se tento rozdíl snížil na (kladné) minimum. V případě kladného rozdílu (je vyrobeno více energie, než bude odebráno), lze využít akumulaci energie např. využitím přečerpávacích elektráren, případně se elektrická energie prodá jiným distributorům či do zahraničí. V případě záporného rozdílu je nutné aktivovat záložní elektrárny či nakoupit elektrickou energii z cizích zdrojů.

Značná setrvačnost těchto regulačních mechanismů však vůbec nevyhovuje rychlým změnám množství elektrické energie vyráběné z obnovitelných zdrojů, které jsou zpravidla velice ovlivněny okamžitými výkyvy počasí a jiných atmosférických jevů. Navíc vzhledem k zvýšení počtu elektráren využívajících obnovitelné zdroje se dá očekávat další rozšíření uvedeného problému.

Nevýhodou dosavadního systému regulace výroby a odběru elektrické energie je skutečnost, že odběr elektrické energie je v průběhu dne i v průběhu týdne velmi nerovnoměrný, což vzhledem k nemožnosti skladování elektrické energie značně zvyšuje náklady na její výrobu.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje způsob zrovnoměmění okamžité spotřeby elektrické energie v čase, při němž

a) se průběžně sleduje spotřeba elektrické energie odebírané z přenosové sítě v místech spotřeby,

b) se současně průběžně sleduje výroba elektrické energie dodávané do přenosové a distribuční sítě v místech výroby, přičemž

c) se údaje zjištěné v kroku a) a v kroku b) zasílají do řídicí jednotky v časových rozestupech kratších než 15 minut, nejlépe řádově 5 minut,

d) na základě rozdílu hodnot zjištěných v kroku b) a hodnot zjištěných v kroku a) pro jeden časovým úsek se počítá předpokládaný přebytek vyrobeného množství elektrické energie pro následující časový úsek,

e) v případě zjištění přebytku elektrické energie v kroku d) se pro snížení tohoto přebytku vyšle z řídicí jednotky do inteligentních elektroměrů připojených k dané distribuční síti nabídka elektrické energie za sníženou cenu,

f) načež se na základě odezvy do inteligentních elektroměrů nově vypočte předpokládaný přebytek vyrobené elektrické energie, a

g) v případě zjištění kladného výsledku v kroku f) se vyšle informace o potvrzení nabídky z kroku e) do všech inteligentních elektroměrů, které zaslaly odezvu po kroku e), zatímco

h) v případě zjištění záporného výsledku v kroku f) vybere řídicí jednotka z inteligentních elektroměrů, které zaslaly odezvu po kroku e), ty, kterým bude nabídka z kroku e) potvrzena, a vyšle odpovídající informaci o potvrzení či nepotvrzení nabídky z kroku e) do všech inteligentních elektroměrů, které zaslaly odezvu po kroku e).

S výhodou se komunikace mezi řídicí jednotkou a inteligentními elektroměry uskutečňuje prostřednictvím modemů a/nebo mobilní přenosové sítě, zatímco komunikace mezi řídicí jednotkou a elektrárnami probíhá přes síť SmartGrid.

-2 CZ 305568 B6

Zařízení pro provádění výše uvedeného způsobu zahrnuje soustavu elektráren propojených prostřednictvím přenosové a distribuční sítě a přes inteligentní elektroměry s inteligentními spotřebiči elektrické energie, a řídicí jednotku, přičemž inteligentní elektroměry a/nebo inteligentní spotřebiče zahrnují zařízení pro komunikaci s řídicí jednotkou za účelem předávání informací o své aktuální a budoucí spotřebě elektrické energie, zatímco elektrárny zahrnují zařízení pro komunikaci s řídicí jednotkou za účelem předávání informací o své aktuální a budoucí výrobě elektrické energie.

Zařízení s výhodou zahrnuje modemy pro přenos zpráv po elektrické síti.

Objasnění výkresu

Na obr. 1 je schematicky znázorněn systém pro zrovnoměmění odběru elektrické energie podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 jsou naznačeny jednotlivé zdroje elektrické energie, tedy elektrárny 11, 12, 13, 14, kteréjsou přes síť 20 Smart Grid propojené s inteligentní řídicí jednotkou 21 distribučního centra. Řídicí jednotka 2f distribučního centra je propojena s inteligentními elektroměry 31, 32, 33, 34 odběratelů.

Propojení mezi řídicí jednotkou 21 a elektrárnami 11, 12, 13, 14, resp. jejich systémy pro měření výkonu, umožňuje inteligentní řídicí jednotce 21 zjišťovat množství energie aktuálně vyráběné jednotlivými elektrárnami 11, 12, 13, 14, a to v krátkých časových intervalech, například kratších než 15 minut, nejlépe řádově 5 minut. Z takto zjištěných množství je predikováno celkové množství energie vyráběné všemi zapojenými elektrárnami 11, 12, 13, 14.

Propojení mezi řídicí jednotkou 21 a inteligentními elektroměry 31, 32, 33, 34 odběratelů umožňuje řídicí jednotce 21 zjišťovat množství energie aktuálně odebírané jednotlivými odběrateli, resp. jejich spotřebiči 41, 42, 43, 44, přičemž měření probíhá v krátkých časových intervalech, například kratších než 15 minut, nejlépe řádově 5 minut. Z takto zjištěných množství je počítáno celkové množství elektrické energie spotřebovávané všemi zapojenými spotřebiči 41, 42, 43, 44 na území pokrývaném danou distribuční společností.

Díky krátkému časovému intervalu lze zajistit velice přesnou predikci množství odebírané elektrické energie během dalšího časového úseku sledování. Predikci celkového odběru zajistí inteligentní elektroměr 31, 32, 33, 34 odběratele.

Pro další zpřesnění predikce lze využívat obousměrnou komunikaci mezi inteligentním elektroměrem 31, 32, 33, 34 a inteligentními spotřebiči 41, 42, 43, 44 odběratele, které umí specifikovat budoucí požadavky na elektrickou energii během časového úseku sledování. Příkladem inteligentního spotřebiče 41, 42, 43, 44 může být např. zařízení pracující na základě pevně daného programu (např. výrobní linka), zařízení odebírající trvale konstantní množství energie, zařízení s konfigurovatelným časem spouštění, příp. automaticky řízeným provozem např. podle aktuální sazby elektrické energie, atd. Předpokládá se, že tyto inteligentní spotřebiče 41, 42, 43 , 44 jsou schopny informovat inteligentní elektroměr 31, 32, 33, 34 takovým způsobem, aby mu mohly sdělit svoje požadavky na budoucí odběr. Dalším příkladem inteligentního spotřebiče 41, 42, 43, 44 může být spotřebič, jehož příkon lze předpovídat na základě externích informací, např. měřením fyzických vlastností okolí (např. u elektrického ohřevu vody na základě teplotního rozdílu, atd.). Ve směru od inteligentního spotřebiče 44, 42, 43, 44 k inteligentnímu elektroměru 31, 32, 33, 34 probíhá pravidelný sběr informací o skutečné spotřebě během předchozího časového úseku sledování. Tyto údaje jsou využívány pro predikci budoucí spotřeby. Na základě rozdílu mezi

-3 CZ 305568 B6 celkovou spotřebou a spotřebou inteligentních spotřebičů 41, 42, 43, 44 lze odhadnout spotřebu zařízení, které o svých požadavcích neumí informovat inteligentní elektroměr 31, 32, 33, 34.

Ve směru od inteligentního elektroměru 31, 32, 33, 34 k inteligentním spotřebičům 44,42, 43 , 44 vysílá inteligentní elektroměr 31, 32, 33, 34, informace o sazbě elektrické energie během budoucího časového úseku sledování. Ze znalosti tohoto údaje si inteligentní spotřebiče 41, 42, 43, 44 mohou řídit své interní procesy a ovlivnit tak budoucí spotřebu. Vliv těchto procesů se pak promítne do predikované spotřeby během následujícího časového úseku sledování. Tím je možné jak predikovat, tak i plánovat (optimalizovat) budoucí spotřebu během následujícího krátkého časového intervalu.

Inteligentní řídicí jednotka 2± cyklicky provádí sběr informací o predikované spotřebě během následujícího časového úseku sledování od inteligentních elektroměrů odběratelů 31, 32, 33, 34.

V případě velkého počtu odběratelů se předpokládá využití koncentrátorů, které agregují informace o predikované spotřebě. Inteligentní řídicí jednotka 21 tak získá informace o celkové predikované spotřebě pro území pokrývané distribuční společností.

Řídicí jednotka 2± tak má k dispozici informace o objemu vyrobené a skutečně odebrané elektrické energie v předcházej ících časových úsecích sledování spolu s informacemi o predikovaném množství vyrobené a poptávané elektrické energie od jednotlivých dodavatelů a odběratelů elektrické energie. Na základě těchto údajů řídicí jednotka 21 predikuje celkové množství vyrobené a poptávané elektrické energie. Predikční algoritmy inteligentních elektroměrů 31, 32, 33, 34 a inteligentní řídicí jednotky 21 jsou založeny na statistickém predikčním algoritmu vycházejícím z metody váženého průměrování jako je např. seasonal autoregressive integrated moving average (SAR1MA) a zohledňují různé časové základy (např. hodina, den, týden, měsíc, rok).

V případě predikovaného přebytku celkového množství vyráběné energie vyšle řídicí jednotka 21 informace do inteligentních elektroměrů 31, 32, 33, 34 o nabídce určitého množství elektrické energie nad rámec původně predikovaného odběru. Zpravidla se bude jednat o cenově zvýhodněnou nabídku elektrické energie platnou pro následující časový úsek sledování. Inteligentní elektroměry 31, 32, 33, 34 ve spolupráci s inteligentními spotřebiči 41, 42, 43, 44 mohou rozhodnout o odběru dodatečně nabízení elektrické energie. Na základě odezvy od inteligentních elektroměrů 31, 32, 33, 34 pro uvedený časový úsek provede inteligentní řídicí jednotka 24 nový výpočet předpokládané spotřeby elektrické energie a následně i rozdílu předpokládané vyrobené a spotřebované elektrické energie. V případě kladného rozdílu může být vyslána inteligentním elektroměrům 34, 32, 33, 34 nová nabídka s ještě nižší cenou nebo se přebytek uplatní obdobně jako v řešeních dle dosavadního stavu techniky.

V případě záporného rozdílu mezi predikovanou výrobou a odezvou inteligentních elektroměrů na původní nabídku vybere inteligentní řídicí jednotka 21 odběratele na základě množství požadované elektrické energie tak, že zájemci o větší množství bude přiřazena vyšší priorita při výběru.

Jinými slovy: Na základě znalosti krátkodobého odhadu budoucí spotřeby může odběratel (resp. jeho inteligentní spotřebič 41, 42, 43, 44) automaticky reagovat na nabídku.

i) Odběratel prostřednictvím svého inteligentního elektroměru potvrdí svůj zájem o nabídku (automatizovaný proces bez nutnosti přímé interakce odběratele).

ii) V případě více zájemců s celkovou poptávkou vyšší než je predikovaný přebytek elektrické energie proběhne výběr na základě požadovaného množství elektrické energie.

iii) Distributor rozhodne a oznámí, který odběratel byl vybrán.

iv) Odběratel nad rámec původně predikovaného objemu odebere i dodatečně objednanou energii za vyjednanou cenu.

-4CZ 305568 B6

V dalším časovém úseku se na základě nově vypočteného rozdílu vyrobené a spotřebované elektrické energie vyšle případně nová nabídka.

Odběratel je tak motivován k využití elektrické energie v období, kdy by jinak vznikal přebytek elektrické energie, čímž se rovněž sníží spotřeba elektrické energie v obdobích energetických špiček. Zajištění odběru energie v období s nízkou cenou může provést inteligentní elektroměr 31, 32, 33, 34, který umožňuje příslušnou komunikaci s řídicí jednotkou 21. Maximální akceptovatelná cena je dána základní sazbou odběratele. Mezi vhodně inteligentní spotřebiče 41, 42, 43, 44, u kterých lze s výhodou využívat možnost vyčkání na nabídku elektrické energie za sníženou cenou, patří například výrobní linky, elektrické topné systémy, zařízení s programovatelným spouštěním, např. pračky, sušičky, myčky nádobí, zařízení na ohřev vody, zařízení na dobíječi baterie, například elektrické vozíky, elektromobily a podobně.

Komunikace mezi inteligentním elektroměrem 31, 32, 33, 34 a řídicí jednotkou 21 proběhne po komunikačních linkách běžně používaných pro výměnu informací mezi subjekty, např. využitím PLC (Power-Line Communication) modemů, tedy modemů umožňujících přenos zpráv po elektrické síti, dále například využitím mobilní přenosové technologie 2G/3G/4G (GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/LTE atd.). Komunikace mezi řídicí jednotkou 2J_ a elektrárnami 11, 12, 13, 14 proběhne přes síť SmartGrid. Pro komunikaci mezi inteligentním elektroměrem 3J_, 32, 33, 34 a inteligentními spotřebiči 41, 42, 43, 44 se použijí především technologie určené pro lokální datové a senzorové sítě, např. technologie IEEE 802.3 (LAN), IEEE 802.11 (WLAN), IEEE 802.15 (ZigBee), příp. PLC.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zrovnoměmění okamžité spotřeby elektrické energie v čase, při němž

   a) se průběžně sleduje spotřeba elektrické energie odebírané z přenosové a distribuční sítě v místech spotřeby,

   b) se současně průběžně sleduje výroba elektrické energie dodávané do přenosové a distribuční sítě v místech výroby, přičemž

   c) se údaje zjištěné v kroku a) a v kroku b) zasílají do řídicí jednotky (21) v časových rozestupech kratších než 15 minut, nejlépe řádově 5 minut,

   d) na základě rozdílu hodnot zjištěných v kroku b) a hodnot zjištěných v kroku a) pro jeden časový úsek se počítá předpokládaný přebytek vyrobeného množství elektrické energie pro následující časový úsek,

   e) v případě zjištění přebytku elektrické energie v kroku d) se pro snížení tohoto přebytku vyšle z řídicí jednotky (21) do inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34) připojených kdané distribuční síti nabídka elektrické energie za sníženou cenu, vyznačující se tím, že

   f) načež se na základě odezvy od inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34) nově vypočte předpokládaný přebytek vyrobené elektrické energie, a

   g) v případě zjištění kladného výsledku v kroku f) se vyšle informace o potvrzení nabídky z kroku e) do všech inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34), které zaslaly odezvu po kroku e), zatímco

   h) v případě zjištění záporného výsledku v kroku f) vybere řídicí jednotka (21) z inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34), které zaslaly odezvu po kroku e), ty, kterým bude nabídka z kroku e) potvrzena, a vyšle odpovídající informaci o potvrzení čí nepotvrzení nabídky

   -5 CZ 305568 B6 z kroku e) do všech inteligentních elektroměrů (31, 32, 33, 34), které zaslaly odezvu po kroku e).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že komunikace mezi řídicí jednot5 kou (21) a inteligentními elektroměry (31, 32, 33, 34) se uskutečňuje prostřednictvím modemů a/nebo mobilní přenosové sítě.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že komunikace mezi řídicí jednotkou (21) a elektrárnami (11, 12, 13, 14) probíhá přes síť SmartGrid.