Capitolul 7 (curs Oee) [615725]

1
Capitolul 7 . Optimizarea rețelelor electrice inteligente (Smart Grids)

7.1. Introducere
Rețeaua electrică inteligentă este o rețea de energie electrică capabilă să integreze
eficient și inteligent comportamentul și acțiunile tuturor utilizatorilor conectați la aceasta –
producători de energie electrică, consumatori și cei care produc și consumă simultan – în
scopul de a se asigura o alimentare cu energie electrică sustenabilă, economi că și în condiții
de siguranță.
Principalele caracteristici ale r ețelelor electrice inteligente sunt:
– utilizează produse și servicii inovatoare, împreună cu sisteme inteligente de monitorizare,
control, comunicații și tehnologii de „auto -vindecare” (anticipează și răspunde la perturbații
ale sistemului);
– facilitează conectarea și funcționarea generatoarelor de toate mărimile și tehnologiile;
– îmbunătățirea monitorizării și controlului în timp real a stării de funcționare a sistemului
electroenergetic;
– permite consumatorilor să joace un rol în optimizarea funcționă rii sistemului
electroenergetic;
– oferă consumatorilor mai multe informații și opțiuni pentru alegerea alimentării cu energie
electrică;
– permite participarea la piața de energie electrică;
– menține sau chiar îmbunătățește nivelurile de fiabilitate ale sistemului de alimentare cu
energie electrică, de calitate și securitate a alimentării cu energie electrică;
– reduce semnificativ impactul asupra mediului al întregului sistem de alimentare cu energie
electrică;
– rezist ă la atacuri informatice.
O compar ație între rețelele electrice clasice și rețelele electrice intelige nte este
prezentată în tabelul 7.1 .

Tabel ul 7.1. Comparație între rețelele electrice clasice și rețelele electrice inteligente
Rețele electrice clasice Rețele electrice inteligente
Circulații de putere
unidirecționale Circulații de putere
bidirecționale
Consumatori pasivi (răspunsul Consumatori activi (răspunsul

2
cererii –Demand Response –
ineficient) cererii –Demand Response –
eficient)
Generarea centralizată a
energiei electrice Generarea distribuită a
energiei electrice
Operare pe baza predicțiilor
(potrivirea între puterea
furnizată și cererea de putere
pe baza prognozelor și
informațiilor istorice) Operare în timp real
(potrivirea între puterea
furnizată și cererea de putere
pe baza informațiilor în timp
real)
Generarea energiei electrice pe
baza combustibililor fosili Generarea energiei electrice pe
baza surselor regenerabile de
energie
Aparate de uz casnic
convenționale Aparate de uz casnic
inteligente

Principalele avantaje ale rețelelor electrice inteligente, în comparație cu cele clasice,
sunt faptul că operarea acestora are loc în timp real, respectiv generarea energiei electrice se
bazează pe sursele regenerabile de energie.

7.2. Funcționalitățile rețelelor electrice in teligente
Principalele funcționalități ale rețelelor electrice intel igente sunt:
– optimizarea rețelelor de transport a energiei electrice: creșterea capacității de transport a
instalațiilor existente bazată pe date de sistem în timp real, îmbunătățirea monitorizării și
controlului în timp real a stării de funcționare a sistemului electroenergetic, flexibilitate
sporită și controlabilitatea fluxurilor de putere care permit creșterea capacității de transport,
îmbunătățirea coordonării internaționale, pregă tirea unui plan de investiții pentru evoluția pe
termen lung a rețelelor de transport, atenuarea impactului social și de mediu a infrastructurii
de transport a energiei electrice, noi metodologii și criterii pentru exploatarea și planificarea
sistemelor e lectroenergetice care să permită utilizarea de tehnologii noi care să fie optimizate
și să se sprijine pe analize de cost -beneficiu și pe evaluarea impactului noii infrastructuri de
transport și a soluțiilor Smart Grids, respectiv integrarea optimă a tehnol ogiilor de transport
inovatoare în cadrul rețelelor de transport existente;
– îmbunătățirea interacțiunii și coordonării între transport și distribuție: coordonarea între
transport și distribuție, în special pentru aspecte legate de cerere și operare, dar, în general,

3
legate de orice sursă de generare distribuită (fotovoltaice și eoliene mici etc.), pentru a se
asigura o contribuție corespunzătoare a resurselor locale la securitatea globală a sistemului
electroenergetic;
– servicii de nivel înalt pentru rețelele inteligente de distribuție: activarea rețelelelor electrice
pentru a integra utilizatori cu cerințe noi, creșterea eficienței în funcționarea zilnică a rețelelor
electrice, asigurarea securității rețelelor electrice, controlul sistemului al calită ții energiei
electrice, colectarea și utilizarea de date pentru a permite modelarea mai precisă a rețelelor
electrice, îmbunătățirea serviciilor pentru clienți, respectiv activarea si încurajarea unei
implicări mai puternice si mai directe a consumatorilor în utilizarea mai eficientă și în
managementul energiei electrice.
Rețelele electrice inteligente vor crește flexibilitatea rețelelor prin dezvoltarea
inteligenței adiționale integrată în echipamente de rețea (de exemplu monitorizarea în timp
real a temp eraturii conductoarelor/cablurilor liniilor electrice, controlul temperaturii
transformatoarelor etc.) și vor îmbunătăți sistemele de comunicație existente. Acest lucru va
crește nivelul actual de „inteligență” în rețelele electrice pentru optimizarea func ționării și
creșterea securității acestora, fiind necesară o dezvoltare a infrastructurii pentru operare și
control pentru a se oferi soluții scalabile , adaptabile și interoperabile.
În strânsă legătură cu rețelele electrice inteligente sunt generarea dis tribuită a energiei
electrice, microrețelele și centralele electrice virtuale.

7.3. Generarea d istribuită a energiei electrice
Termenul de generare distribuită (GD) sau generare locală se referă la generatoare de
putere mică, amplasate la sau în vecinătatea consumatorului. Generarea distribuită include:
– generatoare alimentate din surse regenerabile de energie – SRE (cu excepția hidrocentralelor
și a fermelor eoliene de mare putere);
– sisteme pentru producerea combinată de electricitate și căldu ră (CHP), cunoscu te și ca
sisteme de cogenerare;
– generatoare de rezervă funcționând conectate la rețea, în special pentru cazurile ăn care
generarea centraliz ată este inadecvată sau scumpă.
În figura 7.1 este prezentat un sistem electroenergetic în care au fost conectate
generatoare distribuite.

4

Figura 7.1 . Sistem electroenerge tic cu generatoare distribuite

Principalele caracteris tici ale GD sunt:
– locație liberă în rețea a generatoarelor distribuite;
– energia electrică este produsă în apropierea sau la zona în care energia este utilizată;
– există variații a puterii generate cauzate de disponibilitatea și variația sursei primare de
energie (de exemplu viteza vântului), ca urmare ele neputând fi controlate direct, în modul în
care o permite generar ea tradițională;
– nu este planificată central și, de cele mai multe ori, produsă de producători independenți sau
de consumatori;
– nu este dispecerizată central (deși dezvoltarea unor centrale electrice virtuale, unde mai
multe unități de GD sunt operate ca și o singură centrală, încalcă această definiție);
– au puteri mai mici de 20 MW (deși unii autori consideră că anumite sisteme cu puteri până
la 300 MW ar putea fi clasificate ca GD).
GD este complementară producerii tradiționale centralizate.
Ca urmare a conectării generatoarelor distribuite, circulația de putere în rețelele
electrice devine din unidirecțională în bidirecțională (puterea circulă de la consumatori spre
rețele, în special cea de distribuție). Acest fapt permite ca rețeaua de dist ribuție să joace rolul
unei rețele de echilibrare, dar este posibil ca elementele componente ale rețelelor electrice
(întreruptoare, separatoare, transformatoare etc.) să nu facă față situațiilor rezultate din
modificarea circulațiilor de putere, fiind nev oie de investiții pentru schimbarea acestora.
Principalele surse de energie de generare distribuită sunt:
– energiile regenerabile;
– cogenerarea (generarea de energie electrică concomitent cu produc erea și utilizarea de
căldură).

5
Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al
energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energie fac
parte energia eoliană, energia solară, energia apei (h idroenergia), energia geotermal ă și
energia derivată din biomasă.
Creșterea semnificativă a energiei electrice obținute din surse regenerabile impune o
revizuire a modului în care sistemele electroenergetice sunt proiectate și exploatate în scopul
de a asigura o mai bună acomodare cu ac este sur se variabile (figura 7.2 ).

Figura 7.2 . Modalitate de integrare a surselor regenerabile de energie

Principalele avantaje ale generării distribuite sunt:
– contribuții zero la generarea gazelor cu efect de seră și a emisiilor de CO 2 (nu sunt implicați
combustibili fosili);
– evitarea unor capacități suplimentare de generare
– îmbunătățirea fiabilității rețelei;
– creșterea securității în alimentare cu energie;
– reducerea pierderilor de putere ;
– îmbunătățirea calității puterii.
Principalele dezavantaje ale generării distribuite sunt:
– investiții inițiale mai ridicate;
– cerințe specifice la racordarea la rețea;
– impredictibilitate privind energia generată (aceasta presupune un cost mai ridicat pentru
echilibrarea rețelei și mențin erea capacității de rezervă);
– costul conectării, măsurii și echilibrării (între 10% și 30% din investiția totală).

6

7.4. Microrețele
O microrețea este un sistem de distribuție a energie i electrice la joasă tensiune (≤1 kV)
sau medie tensiune (1 -69 kV), având în componență surse de energie distribuită (de exemplu
generatoare eoliene, panouri fotovoltaice, generatoare micro -hidro etc.), unități de stocare a
energiei electrice și sarcini (co nsumatori) electrice controlabile.
Principalele caracteris tici ale unei microrețele sunt:
– sursele de energie distribuită au o capacitate instalată mult mai mică în comparație cu
generatoarele din centralele electrice, aceasta fiind de ordinul zecilor sa u sutelor de kW;
– sursele de energie distribuită sunt în mod normal instalate în apropi erea sau lângă locul de
consum;
– pot fi o sursă de alimenta re cu energie neîntreruptibilă;
– pot îmbunătăți fiabilitatea locală a rețelei;
– pot reduce pierderile în r ețea;
– ajută la reducerea poluării mediului, prin utilizarea de tehnologii cu emisii reduse de carbon.
O configurație tipică a unei microrețele este prezentată în figura 7.3.

Figura 7.3 . Structura de princ ipiu a unei microrețele cu GD

Acestă microrețea poate fi:
– conectată la rețeaua principală;
– izolată față de rețeaua principală (insularizată).
Această microrețea poate fi conectată la rețeaua principală, dar dacă are loc un defect
aceasta este deconectată, continuând să funcționeze în mod insularizat.

7
Când este conectată la rețeaua principală, microrețeaua poate exporta energie electrică
către rețea (dacă consumul de energie este mai mic decât puterea generată) sau importă
energie electrică (dacă generatoarele distribuite nu pot acoperi c onsumul de energie).
Microrețelele pot fi utilizate pentru a furniza energie electrică unde nu există rețeaua
principală sau unde întreruperile în alimentarea cu energie electrică sunt dese.
Principalul dezavantaj al microrețelelor este faptul că puterea generată de sursele de
energie distribuită depinde de condițiile climatice.

7.5. Centrale electrice virtuale
Generatoarele distribuite pot fi grupate în Centrale Electrice Virtuale (CEV sau Virtual
Power Plants – VPP). Aceste CEV pot cuprinde oricâte generatoare distribuite aflate în aceiași
zonă. Această grupare a generatoarelor se realizează deoarece luate individual, puterea
instalată a generatoarelor distribuite este prea mică pentru a fi luate în considerare de
operatorii de sistem și pe piața de energie, dar dacă se unesc atunci devin importante.
Aceste CEV pot fi controlate de o singură entitate sau de mai multe entități.
Generatoarele distribuite componente ale unei CEV comunică între ele printr -un sistem de
comunicații. Ele cuprind mai multe g eneratoare distribuite care au diferite surse de energii
primare. Astfel, dacă un generator nu funcționează (de exemplu o turbină eoliană), el poate fi
înlocuit de un alt generator (de exe mplu o centrală fotovoltaică).
În figura 7.4 este prezentat modelul unei central electrice virtuale.

Figura 7.4. Modelul unei CEV

8
CEV poate juca un rol i mportant în:
– reducerea emisiilor de CO 2 ca urmare a utilizării surselor ecologice de energie ;
– îmbunătățirea fiabilității rețelei, securității aprovizionării cu en ergie electrică, datorită
multiplelor conexiuni în rețea;
– reducerea pierderilor de transport datorită faptului că sursele s unt instalate aproape de
consumatori;
– facilitează integrarea în continuare a surselor regenerabile de energie;
– funcționează ca o centrală electrică clasică și oferă, de asemenea servicii de sistem, cum ar
fi: filtrarea activă a perturbări din rețea sau compensarea puterii reactive;
– permite întârzierea investițiilor necesare pentru consolidarea infrastructurii r ețelelor de
energie electrică.

7.6. Aplica ție: Optimizare a unui sistem cu generatoare distribuite
Optimizarea este real izată pentru sistemul de test din figura 7.5, în care s -au conectat
două generatoare distribuite :
– turbină eoliană de 4 MW (TE ), la nodul 3;
– centrală electrică fotovoltaică de 2,5 MW (CEFV ), la nodul 4.

Figura 7.5. Sistemul de test

Scopul optimizării este minimizarea două funcții obiectiv, costurile de producție a
energiei elec trice și costurile de transport și e ste realizat ă cu ajutorul funcției fminc on din
Matlab , fiind exprimată matematic:

9

unde:
– CG- prețul mediu de gener are a energiei electrice [lei/MW h];
– T- costurile de transport [lei/MWh].
∑

∑∑

unde:
– m- numărul de generatoare ;
– n- numărul de consumatori;
– cgij- prețul mediu al energiei electrice pentru diferite tipuri de surse de energie [lei/ MWh];
– Pij(Xij)- circulațiile de putere de la sursa i la consumatorul j [MW];
– t- costul de transport al energiei electr ice de la sursa i la consumatorul j [lei/MWh] ;
– Lij – lungime a liniei electrice [km].
Tipul unităților generatoare și puterea instalată a acestora este prezentat ă în tabelul
7.2. Lungimea liniilor este prezentat ă în tabelul 7 .3.

Tabelul 7.2 . Tipul unităților generatoare și puterea instalată
Numărul generatorului Tipul generatorului Putere instalată [MW]
1 Centrală hidroelectrică 52
2 Centrală termoelectrică 37
3 Turbină eoliană 4
4 Centrală fotovoltaică 2,5

Tabelul 7.3 . Lungimea liniilor
Linia electrică Lungime [km]
1 50
2 62
3 10
4 3

Cererea de putere a consumatorului este de 85 MW.

10
Funcția obiectiv este supusă următoarelor restricții:
– la surse ( puterile alocate de la o sursă să nu depășească capacitatea maximă disponibilă a
acesteia ):
∑∑

– la consumatori (puterile alocate de surse consumatorului să acopere necesarul de putere al
acestuia):
∑∑

– pe linii (puterile pe linii să circule numai de la surse la consumatori):

unde:
– Pimax- puterea maximă instalată a generatorului [MW] ;
– Pc- cererea de putere a consumatorului [MW];
– Pmax- cererea maximă de putere a consumatorului [MW].
Autoritatea Națională de Reglementare în domeniul Energiei ( ANRE ) a stabilit p rețul
mediu pentru producerea energiei electrice din diferi te surse, prezentat în tabelul 7.4 .

Tabel ul 7.4 . Prețul mediu pentru producerea energiei electrice din diferite surse
Tipul energiei Preț mediu [lei/MWh ]
Energie nucleară 142
Energie hidroelectrică 125
Energie termoelectrică 190
Producători cu grupuri energetice nedispecerizabile 189

În primul rând, optimizarea se realizează pentru condiția statică de funcționare a
sistemului .
În al doilea rând, optimizarea se realizează pentru întreaga zi ținând cont de puterea
furnizată de generatoarele distribuite (figura 7.6 ) și consumul de putere (figura 7.7 ) pentru
întreaga zi.

11

Figura 7.6 . Puterea furnizată de generatoarele distribuite

Figura 7.7 . Consumul de putere

Rezultatele optimizării pentru condiția statică de funcționare a sistemului sunt
prezentate în tabelul 7.5.

Tabel ul 7.5 . Rezultatele optimizării pentru condiția statică de funcționare
X1[MW] X2[MW] X3[MW] X4[MW]
52 26,5 4 2,5

Rezultatele optimizării pentru întrega zi sunt prezentate în tabelul 7.6 (generatoarele 00,511,522,533,544,5
123456789101112131415161718192021222324Putere [MW]
Ora [h] TE
CEFV
0102030405060708090100
123456789101112131415161718192021222324Putere [MW]
Ora [h]

12
distribuite sunt conectate la sistem) și în tabelul 7.7 (generatoarele distribuite nu sunt
conectate la sistem) .

Tabelul 7.6 . Rezultatele optimizării pentru întrega zi (generatoarele distribu ite sunt conectate
la sistem)
Ora [h] X1[MW] X2[MW] X3[MW] X4[MW]
0:00-01:00 52 3 4 0
01:00 -2:00 50 0 4 0
02:00 -3:00 49 0 4 0
03:00 -4:00 48,2 0 3,8 0
04:005:00 52 0,2 3,8 0
05:00 -6:00 52 15,5 3,5 0
06:00 -7:00 52 23,8 3 0,2
07:00 -8:00 52 26,25 3 0,5
08:00 -9:00 52 32,85 3 0,9
09:00 -10:00 52 25,15 2,7 1,4
10:00 -11:00 52 24,65 2,6 2
11:00 -12:00 52 24,7 2,5 2,3
12:00 -13:00 52 18,2 2,3 2,5
13:00 -14:00 52 16,8 2 2,2
14:00 -15:00 52 13,5 2,6 1,9
15:00 -16:00 52 12,9 3 1,6
16:00 -17:00 52 11,7 3 1,3
17:00 -18:00 52 14 3 1
18:00 -19:00 52 16,85 3,2 0,7
19:00 -20:00 52 21,65 3,7 0,4
20:00 -21:00 52 27,1 3,9 0
21:00 -22:00 52 28,25 4 0
22:00 -23:00 52 19 4 0
23:00 -00:00 52 6 4 0

Costul total de producție a energiei electrice pentru sistemului analizat este reprezentat

13
grafic în figura 7.8 având în ved ere rezultatele din tabelul 7.6 .

Figura 7.8 . Costul total de producție a energiei electrice (generatoarele distribuite sunt
conectate la sistem)

Tabel ul 7.7 . Rezultatele optimizării pentru întrega zi (generatoarele distribuite nu sunt
conectate la sistem)
Ora [h] X1[MW] X2[MW] X3[MW] X4[MW]
0:00-01:00 52 7 0 0
01:00 -2:00 50 2 0 0
02:00 -3:00 49 1 0 0
03:00 -4:00 48,2 0 0 0
04:005:00 52 4 0 0
05:00 -6:00 52 19 0 0
06:00 -7:00 52 27 0 0
07:00 -8:00 52 29,75 0 0
08:00 -9:00 52 36,75 0 0
09:00 -10:00 52 29,25 0 0
10:00 -11:00 52 29,25 0 0
11:00 -12:00 52 29,5 0 0
12:00 -13:00 52 23 0 0
13:00 -14:00 52 21 0 0
14:00 -15:00 52 18 0 0 0200040006000800010000120001400016000
123456789101112131415161718192021222324Costul generării [ei/[MWh]
Ora [h]

14
15:00 -16:00 52 17,5 0 0
16:00 -17:00 52 16 0 0
17:00 -18:00 52 18 0 0
18:00 -19:00 52 20,75 0 0
19:00 -20:00 52 25,75 0 0
20:00 -21:00 52 31 0 0
21:00 -22:00 52 32,25 0 0
22:00 -23:00 52 23 0 0
23:00 -00:00 52 10 0 0

Costul total de producție a energiei electrice pentru sistemului analizat este reprezentat
grafic în figura 7.9 având în vedere rezultatele din tabelul 7 .7.

Figura 7.9 . Costul total de producție a energiei electrice (generatoarele distribuite nu sunt
conectate la sistem)

Optimizarea subliniază faptul că sarcina fol osește toată puterea furnizată de
generatoarele distribuite din cauza proximității a cestor surse, în timp ce celelalte generatoare
(centrala hidroelectrică și centrala termoelectrică) au furnizat o putere mai redusă datorită
distanței mare între centrale și consumator , precum și, de asemenea, din ca uza prețului
energiei electrice în cazul centralei termoelectrice.
De asemenea, optimizarea subliniază faptul că costul total al energie i electrică pentru
cele două cazuri (generatoarele distribuite sunt conectate la sistem și generatoarele distribuite
nu sunt conectate la sistem) este similar . Acest lucru se datorează faptului că prețul energiei 0200040006000800010000120001400016000
123456789101112131415161718192021222324Costul generării [lei/MWh]
Ora [h]

15
electrice furnizate de centrala termoelectri că și a celei furnizate de sursele de generare
distribuită este aproape identic .