Predikcia variabilného portfólia spotreby a výroby energie

Portfólio obchodníka s energiami (elektrina alebo plyn) môže obsahovať spotrebiče aj zdroje. Pretože zdroje (napríklad FVE) si tu môžeme predstaviť ako spotrebiče so zápornou spotrebou, budeme ďalej hovoriť len o spotrebe odberných miest (OM). Pre očistenie spotreby portfólia od časových zmien zavádza autor pôvodné pojmy permanentného a temporálneho salda (static and dynamic balance). Ich zmyslom je využitie výhod predikcie zhora (top-down) a zdola (bottom-up): zhora sa predikuje prevažujúca statická časť portfólia, zatiaľ čo zdola sa predikuje len zvyšková dynamická časť portfólia.

Pri predikcii variabilného portfólia spotreby elektriny alebo plynu predstavujú najväčší problém skoky v histórii (v časovom rade minulých hodnôt), spôsobené náhlymi zmenami štruktúry portfólia, ktorými sú najmä získavanie, strácanie a zmeny plánovanej ročnej spotreby odberných miest (OM).   

Jednoduchým spôsobom, ako sa tohto problému zbaviť je postupne predikovať jednotlivé zložky portfólia, tj. spotreby jednotlivých odberných miest s ohľadom na ich časové platnosti, a nakoniec tieto jednotlivé predikcie sčítať. To sa nazýva predikcia zdola, anglicky bottom-up. Taká predikcia má však niekoľko nevýhod: neuplatní sa tu princíp synergie, tak ako pri predikcii zhora (top-down), kedy sa pri predikcii súčtu všetkých spotrieb odberných miest jednotlivé chyby navzájom kompenzujú. Ďalej by sme museli individuálne riešiť závislosti spotreby každého odberného miesta na počasí a konečne môže nastať aj stav, kedy sa odberné miesta navzájom ovplyvňujú (napríklad striedavá prevádzka dvoch pecí). Stáva sa aj to, že chýbajú dáta od niektorých zložiek portfólia, zatiaľ čo operátor trhu poskytuje garantované údaje pre súčet spotreby portfólia, podľa ktorých sa potom účtuje.

Zo všetkých týchto dôvodov, aj na základe mnohých praktických skúseností sa ukazuje, že najvhodnejšia metóda na predikciu portfólia je metóda top-down. Túto metódu je nutné v minimálnej miere opraviť či doplniť prostriedkami bottom-up tak, aby umožňovala aj predikciu variabilnej časti portfólia.

V tomto článku najprv definujeme pomocné prostriedky, ktorými sú permanentné a temporálne saldo (static and dynamic balance ) a potom ukážeme, ako sa pomocou nich dá previesť predikcia celého portfólia do stavu, kedy je možné nasadiť metódu top-down.

Ing. Petr Pavlík, CSc., samostatný analytik, Unicorn Systems

Permanentné saldo

Permanentné saldo PS ( t ) slúži k očisteniu spotreby portfólia o samostatne predikované OM, ktorých sa chceme v predikci top-down zbaviť (napr. paroplynové elektrárne alebo HDO spotrebiče). Ich predikcia sa väčšinou nahrádza samostatnými plánmi, ktoré je potrebné ešte vyňať z histórie spotreby portfólia. 

Pred predikciou sa preto vytvorí časový rad permanentného salda PS ( t ) ako súčet spotrieb všetkých OM pre všetky t , kde tieto OM patrili, patria alebo budú patriť. Minulé spotreby jednotlivých OM sa vezmú z histórie, budúce spotreby sa z nich vypočítajú samostatne pre každé OM (bottom-up) buď predikciou, alebo sa dopredu stanovia plánom. Pokiaľ OM menilo vlastnosti (príchod, odchod, náhla zmena výkonu), vyňatím z portfólia sa tým rovnako automaticky odstráni táto jeho variabilná zložka. 

Pokiaľ sa uvažuje o pláne ako o budúcich hodnotách OM (a nie o samostatnej predikcii), je potrebné dôsledne kontrolovať zadávanie plánu, ktorý nesmie chýbať. Inak sa síce celé portfólio očistí o históriu spotreby OM s chýbajúcim plánom, ale do budúcnosti sa už nepremietne jeho opätovné navýšenie o chýbajúci plán. Výsledná predikcia spotreby portfólia môže byť potom horšia, než keby sa také OM s nespoľahlivým plánom ponechalo v portfóliu (kde sa pozitívne prejaví efekt synergie) a nevyčleňovalo sa do permanentného salda. Týka sa to hlavne menších spotrebičov (či zdrojov výroby, typicky domácich FVE).

Temporálne saldo

Temporálne saldo portfólia TS ( t ) je časový rad. Po jeho odčítaní sa časový rad spotreby portfólia správa tak, ako by vzhľadom na prítomný okamih (alebo okamih poslednej známej hodnoty) nikdy nedošlo, ani v budúcnosti nemalo dôjsť k zmenám správania OM (získanie, stratenie, zmena plánovanej ročnej spotreby). Tým sa prevedie variabilné portfólio na statické.  

Temporálne saldo celého portfólia je súčtom čiastkových temporálnych sáld všetkých odberných miest, ktorých správanie sa náhle mení, a spôsobí tak skoky v časovom rade spotreby portfólia (v minulosti, prítomnosti alebo budúcnosti). 

Temporálne saldo jedného OM sa v danom čase t vypočíta ako rozdiel medzi spotrebou OM s vlastnosťami v danom čase P ( t ) a spotrebou P 0 ( t ) s vlastnosťami (je/nie je v portfóliu, menovitý výkon) v referenčnom čase t 0 (prítomnom okamihu alebo okamihu poslednej známej hodnoty) prenesenými do času t: 

TS ( t ) = P ( t ) – P 0 ( t )    

Na získanie temporálneho salda nestačí triviálne odčítanie známej súčasnej spotreby P ( t 0 ) (pozor na indexy!), ale musí sa odčítať simulovaná spotreba P 0 ( t ), zodpovedajúca síce zdroju v danom čase t (s ročnou dobou, teplotou, osvitom atď. v tejto dobe), avšak s odlišnými vlastnosťami P 0 (najmä inštalovaným výkonom), prenesenými do času t z referenčného času t 0. Nasledujúci vzorec by teda bol chybný:

TS(t) = P(t) – P(t0) 

Špeciálne prípady všeobecnej definície temporálneho salda sú: 

A) stratené OM v čase t, kedy patrilo či bude patriť do portfólia (inak nula) 

TS ( t ) = P ( t ) 

B) získané OM v čase t, kedy nepatrilo či nebude patriť do portfólia (inak nula) 

TS ( t ) = – P 0 ( t ) 

Pri tých OM, kde k žiadnym zmenám nedochádza, je temporálne saldo nulové pre všetky t. Tieto OM teda nemusíme vyčleňovať z portfólia. Pokiaľ by sa nemenilo žiadne OM, predikcia s použitím temporálneho salda prejde na zvyčajnú predikciu jediného časového radu. 

Praktické dôsledky pre OM, pri ktorom sa nemení inštalovaný výkon: 

Ak nie je OM v referenčnom bode v portfóliu (je stratené), jeho spotreba sa pričíta k temporálnemu saldu portfólia všade, kde toto OM bolo alebo bude v portfóliu. Hodnota spotreby OM je známa pre TS v minulosti, kedy bolo OM v portfóliu. Hodnota spotreby OM pre TS v budúcnosti sa vypočíta samostatnou predikciou.

Ak je OM v referenčnom bode v portfóliu (je verné alebo získané), jeho spotreba sa odčíta od temporálneho salda portfólia v dobe, kedy sa odoberalo alebo sa bude odoberať, ale nie je v portfóliu. Historickú spotrebu OM pre TS v dobe, kedy OM nepatrilo do portfólia, je potrebné nejako získať – od operátora trhu, od zákazníka, v núdzovom prípade aj spätnou predikciou do minulosti. Ak už v budúcnosti nebude OM patriť do portfólia, vypočíta sa jeho spotreba pre TS samostatnou predikciou podobne, ako keby do portfólia patrilo.

V okolí referenčného bodu (na obe strany v čase až k najbližšej zmene platnosti) je teda temporálne saldo každého OM nulové, a preto sa v oboch vyššie uvedených prípadoch k celkovému TS portfólia nič nepričíta.

Pokiaľ sa pri odbernom mieste zabudne zohľadniť jeho temporálne saldo (OM zostane „utopené“ v portfóliu), je to väčšinou lepší prípad, ako keď sa od neho stanoví chybné temporálne saldo. Dôvodom je, že zmeny platnosti jednotlivých OM ležia v priemere ďaleko od prítomného okamihu a predikčný algoritmus ich spravidla dokáže korigovať. Naopak, história spotreby portfólia, chybne kompenzovaná temporálnym saldom v blízkej minulosti a najmä chybné hodnoty TS v budúcnosti už predikčný algoritmus nenapravia.

Tabuľka 1: Prehľad spracovania jednotlivých typov OM vedúci k použitiu permanentného alebo temporálneho salda

Postup predikcie spotreby variabilného portfólia

Nech P ( ) operátor znamená „predikuj“, ktorého argumentom je časový rad. Vzťahovať sa môže buď len na členov časového radu po referenčnom okamihu (klasická budúcnosť), alebo na celý časový rad aj s minulosťou. Nižšie uvedené vzorce platia v oboch prípadoch. Rozšírená definícia zahŕňajúca predikciu minulosti sa hodí k opravám hodnôt v minulosti alebo k doplneniu neznámych hodnôt v minulosti. 

1.  Časové rady permanentného salda PS ( t ) a temporálneho salda TS ( t ) sa najprv odčítajú od časového radu histórie portfólia (len v minulosti, v budúcnosti ich nemáme od čoho odčítať, pretože tam neexistuje história – zostávajú tam prázdne hodnoty):

X ( t ) = X hist ( t ) – PS ( t ) – TS ( t ) 

2.  Vzniknutý časový rad histórie portfólia X ( t ) takto očisteného o všetky samostatne predikované OM a všetky zmeny ostatných OM sa predikuje (zvoleným predikčným algoritmom): 

X( t ) → P ( X ( t ))

3.   K predikcii očistého radu P ( X ( t )) sa permanentné saldo PS ( t ) a temporálne saldo TS ( t ) opäť pričítajú: 

X pred ( t ) = P ( X ( t )) + PS ( t ) + TS ( t )= P ( X hist ( t ) – PS ( t ) – TS ( t )) + PS ( t ) + TS ( t ).

Temporálne saldo OM s meraním typu C

Na rozdiel od odberných miest s meraním typu A a B, kde sa temporálne saldo portfólia získa postupným načítaním ich čiastkových TS, je možné pri odberných miestach typu C (v praxi často označovaných ako maloodber) urobiť túto operáciu naraz pre každú distribučnú sústavu, z ktorých sa celé portfólio skladá.  

Nižšie popísanou metódou odhadneme spoločné temporálne saldo TS ( t ) všetkých OM portfólia s meraním typu C vo zvolenej distribučnej sústave. Označíme plánované ročné spotreby portfólia E i ( t ), i = 1, 2, … 8  vo všetkých ôsmich triedach, tak ako sú definované operátorom trhu SR podľa metodiky TDD.

Pre minulosť aj pre budúcnosť vychádzame z definície temporálneho salda, kam dosadíme spotrebu celej skupiny odberných miest typu C v čase, zmenšenú o spotrebu v takom čase, ktorá by tu bola za podmienok (tj. pri plánovanej ročnej spotrebe, PRS) v referenčnom čase t 0 (t.j. v prítomnosti): 

   TS( t ) = P ( t ) – P 0 ( t ) = C ( t,T ) –  C 0 ( t,T )  

Symbol T označuje efektívnu teplotu okolia v čase t. Pre odhad spotreby v i-tej triede TDD sem dosadíme i-tý typový diagram TDD i ( t , T ), vynásobený koeficientom zvyškovej bilancie v príslušnej distribučnej sústave Kzb ( t ) a plánovanú ročnú spotrebu E i ( t ) v i-tej triede TDD a vzorec upravíme na výsledný tvar: 

   TS ( t ) =  Kzb ( t ). [( E 1 ( t ) – E 1 ( t 0 ) ). TDD 1 ( t , T ) +… + ( ( E N ( t ) – E 8 ( t 0 ) ) . TDD N ( t , T )]  

Pre t > t 0  zistíme budúce hodnoty teploty T z predpovede. Budúce hodnoty koeficientu zvyškovej bilancie Kzb ( t ) môžeme predikovať napríklad s použitím zvyškového diagramu príslušnej distribučnej sústavy, získaného z verejných stránok OTE. Predikcia Kzb ( t ) síce nemôže byť príliš presná (orientačná hodnota MAPE Kzb je napr. 8 %), avšak pri pomalých zmenách v portfóliu vychádza aj temporálne saldo OM s meraním typu C pomerne malé (nech je orientačná hodnota napr. 10 % spotreby), takže výsledná chyba predikcie Kzb ( t ) sa už prijateľne premietne do spotreby portfólia (v tomto príklade 8 % * 10 % = 0,8 %).

Záver

Popísaná metóda predikcie portfólia s časovo premennou štruktúrou je v základe metódou „top down“ (tj. jediná predikcia súčtu všetkých zložiek portfólia), opravená o predikciu variabilnej časti portfólia metódou „bottom up“ (tj. súčet jednotlivých predikcií všetkých variabilných zložiek portfólia).

Popísaná metóda poskytuje vynikajúce výsledky malé časté zmeny portfólia, porovnateľné s čistou metódou „top down“ pri konštantnom portfóliu. Naopak, pre začínajúcich obchodníkov s doteraz neustáleným portfóliom, je prakticky ekvivalentná s metódou „bottom up“ a jej presnosť sa postupne zvyšuje, čím viac sa ich portfólio stabilizuje.

Zdroj: Unicorn Systems a.s.

K téme