bmb+f Forschungsprojekt
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Zeitraum: Oktober 2000 bis März 2004
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Stochastische Optimierungsmethoden
für die simultane Kraftwerkseinsatz- und Handelsplanung
im liberalisierten Strommarkt
Das Vorhaben wird mit Mitteln des BMBF im Rahmen des Mathematikprogramms
"Neue mathematische
Verfahren in Industrie und Dienstleistungen"
gefördert.
Problemstellung :
Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung von Optimierungsmodellen und Algorithmen
für die simultane Kraftwerkseinsatz- und Stromhandelsplanung eines
Energieversorgungsunternehmens unter den Bedingungen des
liberalisierten Strommarktes. Dabei ist an Unternehmen mit hydro-thermischen
Erzeugungssystemen und insbesondere an kurzfristige Zeithorizonte von einer
Woche gedacht.
Die Entwicklung des Optimierungsmodells erfordert eine Anpassung
der bisherigen Modellierung an das hydro-thermische Erzeugungssystem des
Verbundpartners und die Neuentwicklung eines Stromhandelsmodells. Die
Berücksichtigung der Stochastik eines vektoriellen Datenprozesses (u.a.
bestehend aus Spotmarktpreisen, Zuflüssen und elektrischer Last) führt zu
sehr grossen (strukturierten) gemischt-ganzzahligen stochastischen
Optimierungsproblemen.
Zu deren algorithmischen Lösung wird die
(stochastische) Lagrange-Relaxation als Dekompositionstechnik eingesetzt und
dazu bereits vorhandene Algorithmen und Software wesentlich
weiterentwickelt. Für den vektoriellen stochastischen Datenprozess werden
Approximationen durch endlich viele Szenarien in Baumstruktur konstruiert,
indem zunächst durch Zeitreihen-Analyse aus historischen Daten stochastische
Modelle für sie entwickelt werden und anschliessend Szenariobäume aus
Simulationsszenarien konstruiert werden.
Umfangreiche Testrechnungen und eine
industrienahe Erprobung an Daten des Kooperationspartners sowie Daten des
sich gegenwärtig erst in der Entwicklung befindlichen deutschen Strommarktes
beschliessen das Projekt und bereiten einen Einsatz der entwickelten
Verfahren und Software beim Verbundpartner vor.
Projektziele :
Ziel des Projektes ist die Entwicklung von
Optimierungsmodellen und Algorithmen für die simultane Stromerzeugungs-
und -handelsplanung eines Energieversorgungsunternehmens bei Berücksichtigung der Stochastik
wesentlicher Daten sowie deren industrienahe Erprobung.
Dazu gehören:
-
Mathematische Modellierung:
Abbildung des Kraftwerkssystems und
der Handelsaktivitäten des Verbundpartners einschliesslich der stochastischen
Daten in einem wöchentlichen Zeithorizont in ein gemischt-ganzzahliges
(mehrstufiges) stochastisches Optimierungsmodell.
-
Weiterentwicklung der Optimierungsverfahren:
Implementierung des weiterentwickelten
Lagrange-Relaxation basierten Optimierungsverfahrens einschliesslich
der Teilproblem-Löser und Lagrange-Heuristiken sowie Durchführung
erster Testrechnungen mit stochastischer Last.
-
Adaption von Methoden der Szenariobaum-Generierung:
Implementierung des Verfahrens zur
Generierung von multivariaten Szenariobäumen, statistische Auswertung von
historischen Daten für die elektrische Last, für Preise und
Zuflüsse, und Erzeugung multivariater
Last/Preis/Zufluss-Szenariobäume.
-
Testrechnungen: Umfangreiche Testrechnungen an produktionsnahen
Situationen von Stromerzeugung und -handel des Verbundpartners werden
durchgeführt und gründlich ausgewertet. Bei den Testrechnungen
werden unterschiedliche Konstellationen des stochastischen
Datenprozesses und Szenarienanzahlen berücksichtigt und die Auswirkungen
auf die Lösungen und Rechenzeiten untersucht.
Literatur:
- N. Gröwe-Kuska, H. Heitsch und W. Römisch:
Modellierung stochastischer Datenprozesse für Optimierungsmodelle
der Energiewirtschaft, in: IT-Lösungen für die Energiewirtschaft
in liberalisierten Märkten, VDI-Berichte 1647, VDI-Verlag,
Düsseldorf 2001, 69-78.
- N. Gröwe-Kuska and W. Römisch:
Stochastic unit commitment in hydro-thermal power
production planning, in: Applications of Stochastic Programming (S.W.
Wallace, W.T. Ziemba eds.), MPS-SIAM Series in Optimization (to appear).
- N. Gröwe-Kuska, H. Heitsch and W. Römisch:
Scenario reduction and scenario tree
construction for power management problems, IEEE Bologna Power Tech
Proceedings (A. Borghetti, C.A. Nucci, M. Paolone eds.), 2003 IEEE.
- H. Heitsch:
Netzwerkfluss-Algorithmen für stochastische hydraulische Probleme in
der Energiewirtschaft, in: Optimierung in der Energieversorgung,
VDI-Berichte 1792, VDI Verlag, Düsseldorf 2003, 187-199.
- H. Heitsch and W. Römisch:
Scenario reduction algorithms in stochastic
programming, Computational Optimization and Applications 24 (2003),
187-206.
- H. Heitsch and W. Römisch:
Hydro-storage subproblems in
power generation: An approach with a relaxation method for network flow
problems, IEEE Bologna Power Tech Proceedings (A. Borghetti, C.A. Nucci,
M. Paolone eds.), 2003 IEEE.
- W. Römisch:
Optimierungsmethoden für die Energiewirtschaft: Stand und
Entwicklungstendenzen, in: Optimierung in der Energieversorgung,
VDI-Berichte 1627, VDI-Verlag, Düsseldorf 2001, 23-36.
last modified November 17, 2003