Säätösähkömarkkinan säätömäärän ja säädön suunnan ennustaminen
Kivioja, Olli (2022)
Kivioja, Olli
2022
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-02-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202201091151
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202201091151
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkittiin Suomen kantaverkon, Fingridin, ylläpitämän säätösähkömarkkinan ennustamista. Kantaverkko pyrkii pitämään sähkön kulutuksen ja tuotannon jatkuvassa tasapainossa, sillä liian suuri kulutus laskee sähköverkon taajuutta 50 Hz viitearvosta ja liian suuri tuotanto sen sijaan nostaa taajuutta yli sallittujen rajojen.
Säätösähkömarkkinoille osallistuvat kantaverkkoyhtiön sähköverkkoon liittyvät tuottajat tai kuluttajat, jotka täyttävät markkinoille asetetut määritykset. Osallistujat välittävät tuntikohtaisia säätösähkötarjouksia ylös- tai alassäädön muodossa. Ylössäätötarjous tarkoittaa tuotannon lisäämistä tai kulutuksen vähentämistä suunnitellusta ja alassäätötarjous tuotannon vähentämistä tai kulutuksen lisäämistä. Säätösähkömarkkinoilta saa korvausta tunnin loputtua määräytyvän säätötyypin mukaan, joka määrittyy säätömäärän mukaan, jos lopullinen säätömäärä poikkeaa nollasta. Tästä syystä säätösähkömarkkinoille osallistuvan tai kantaverkon ylläpitäjän tulisi pystyä ennustamaan seuraavalla tunnilla sähköverkossa tarvittavan säätösähkön määrää sekä säätösähkön suuntaa eli tyyppiä.
Työn tavoitteena oli selvittää, voidaanko säätösähkömarkkinoille aktivoitua säätösähkön määrää ja suuntaa ennustaa. Aluksi käsiteltiin, kuinka säätösähkömarkkinat sijoittuvat kantaverkon ylläpitämiin sähkömarkkinoihin sekä aikaisempaa tutkimusta sähköenergian ja -markkinoiden ennustamisesta. Lisäksi työssä käytiin läpi aikasarjaennustamiseen liittyviä ominaispiirteitä, kuten stationäärisyyttä ja lineaaristen- ja epälineaaristen mallin eroavaisuuksia. Tutkimuksessa vertailtiin ennustamiseen soveltuvia lineaarisia ja epälineaarisia ennustemenetelmiä, joista lineaarisiin menetelmiin kuuluvat ennustemallit valikoituivat käytännön tutkimukseen valikoiduille menneisyyden aikasarjoille.
Tutkimuksessa osoitettiin, että säätösähkömarkkinoille aktivoitujen säätöjen määrä ja suunta on ennustettavissa laskennallisesti tehokkailla lineaarisilla ARIMA-ennustemalleilla ja sen johdannaisilla, kun säätömäärän ennusteesta jalostetaan luokitteluennuste luokittelurajojen avulla. Luokittelurajat määrittelevät alueen, johon kuuluvat säätömäärät lasketaan niin pieniksi ylös- tai alassäädöiksi, että ne voidaan luokitella nollasäätötunneiksi. Haasteeksi tutkimuksessa osoittautui sopivien luokittelurajojen määrittäminen, jotka määrittävät nollatuntien luokittelualueen. Rajojen sopivuus riippuu ennusteen käyttäjän käyttötarkoituksesta. Tiukempi luokittelualue paransi tutkimuksessa ylös- ja alassäätötuntien luokittelutarkkuutta, mutta kasvatti riskiä väärän suuntaiselle luokitteluennusteelle. Jatkotutkimustarpeiksi tunnistettiin muun muassa säätömäärän ja luokitteluennusteen muodostaminen erillisillä ennustemalleilla.
Säätösähkömarkkinoille osallistuvat kantaverkkoyhtiön sähköverkkoon liittyvät tuottajat tai kuluttajat, jotka täyttävät markkinoille asetetut määritykset. Osallistujat välittävät tuntikohtaisia säätösähkötarjouksia ylös- tai alassäädön muodossa. Ylössäätötarjous tarkoittaa tuotannon lisäämistä tai kulutuksen vähentämistä suunnitellusta ja alassäätötarjous tuotannon vähentämistä tai kulutuksen lisäämistä. Säätösähkömarkkinoilta saa korvausta tunnin loputtua määräytyvän säätötyypin mukaan, joka määrittyy säätömäärän mukaan, jos lopullinen säätömäärä poikkeaa nollasta. Tästä syystä säätösähkömarkkinoille osallistuvan tai kantaverkon ylläpitäjän tulisi pystyä ennustamaan seuraavalla tunnilla sähköverkossa tarvittavan säätösähkön määrää sekä säätösähkön suuntaa eli tyyppiä.
Työn tavoitteena oli selvittää, voidaanko säätösähkömarkkinoille aktivoitua säätösähkön määrää ja suuntaa ennustaa. Aluksi käsiteltiin, kuinka säätösähkömarkkinat sijoittuvat kantaverkon ylläpitämiin sähkömarkkinoihin sekä aikaisempaa tutkimusta sähköenergian ja -markkinoiden ennustamisesta. Lisäksi työssä käytiin läpi aikasarjaennustamiseen liittyviä ominaispiirteitä, kuten stationäärisyyttä ja lineaaristen- ja epälineaaristen mallin eroavaisuuksia. Tutkimuksessa vertailtiin ennustamiseen soveltuvia lineaarisia ja epälineaarisia ennustemenetelmiä, joista lineaarisiin menetelmiin kuuluvat ennustemallit valikoituivat käytännön tutkimukseen valikoiduille menneisyyden aikasarjoille.
Tutkimuksessa osoitettiin, että säätösähkömarkkinoille aktivoitujen säätöjen määrä ja suunta on ennustettavissa laskennallisesti tehokkailla lineaarisilla ARIMA-ennustemalleilla ja sen johdannaisilla, kun säätömäärän ennusteesta jalostetaan luokitteluennuste luokittelurajojen avulla. Luokittelurajat määrittelevät alueen, johon kuuluvat säätömäärät lasketaan niin pieniksi ylös- tai alassäädöiksi, että ne voidaan luokitella nollasäätötunneiksi. Haasteeksi tutkimuksessa osoittautui sopivien luokittelurajojen määrittäminen, jotka määrittävät nollatuntien luokittelualueen. Rajojen sopivuus riippuu ennusteen käyttäjän käyttötarkoituksesta. Tiukempi luokittelualue paransi tutkimuksessa ylös- ja alassäätötuntien luokittelutarkkuutta, mutta kasvatti riskiä väärän suuntaiselle luokitteluennusteelle. Jatkotutkimustarpeiksi tunnistettiin muun muassa säätömäärän ja luokitteluennusteen muodostaminen erillisillä ennustemalleilla.