Συμβολή στο σχεδιασμό επέκτασης και στην κατανομή του κόστους συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The deregulation of electricity markets has resulted in the separation of electricity transmission systems from the former vertical integrated utilities. In the deregulated environment, pricing of this natural monopoly should promote the economic and secure power system and market operation, allocate in a fair way the regulated revenue of the transmission owners to network users and provide the right economic signals for new transmission, generation and energy efficiency investments. The main objective of transmission system expansion planning in deregulated electricity markets is to provide competitive and non-discriminatory market conditions to all market participants while maintaining power system reliability and security to acceptable levels. The subject of this thesis is: i) the implementation and evaluation of various transmission fixed cost allocation methods to network users and ii) the development of new methods and optimization tools to address the uncertainties involved in power system transmission expansion planning problem in deregulated electricity markets. In this thesis, the implementation of various approximate power flow tracing techniques and transmission fixed cost allocation methods is initially examined in a pool-based electricity market. Subsequently, a new method for allocating the annual fixed cost of each transmission facility is developed based on an optimal (smallest possible in terms of N-1 security) transmission facility capacity approximate use. The use of each facility is calculated using the generalized distribution factors for that system snapshot that requires the maximum optimal transmission facility capacity over an annual system operation. The proposed method can identify and charge accordingly the main beneficiaries of the existence of new and existing transmission facilities in various power system operating conditions. At the end of the thesis, the proposed transmission fixed cost allocation method is compared and implemented in parallel with marginal pricing of transmission considering either the whole network’s annual cost or only the fixed cost of the new installed facilities.In the second part of the thesis, an improved harmony search algorithm is initially implemented and evaluated in the mixed integer static transmission expansion problem. A new formulation of the probabilistic transmission expansion problem is then proposed by introducing an upper limit to possible load shedding during system peak. This probabilistic problem is solved by using Benders decomposition technique along with Monte Carlo simulation for modeling input data uncertainty (peak load forecast, transmission facilities availability and wind farms production). Finally, two different cost-benefit formulations for the objective function of the transmission expansion planning problem in deregulated electricity markets are proposed depending on whether the final solution of the transmission expansion problem will be implemented as merchant investment or as an investment that aims to improve the economic operation and reliability of the system. These two problem formulations are addressed by applying the proposed improved harmony search algorithm using marginal pricing of transmission that incorporates the cost of N-1 security in system locational marginal prices (LMPs) and considering the optimal capacity of network facilities as a criterion for selecting the candidate branches for expansion.

Η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας είχε ως αποτέλεσμα το διαχωρισμό των συστημάτων μεταφοράς από τις πρώην καθετοποιημένες επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας. Η τιμολόγηση του φυσικού αυτού μονοπωλίου στο νέο περιβάλλον αγοράς θα πρέπει να προάγει την οικονομική και ασφαλή βραχυπρόθεσμη λειτουργία της αγοράς και του συστήματος, να κατανέμει το ρυθμιζόμενο από τις εποπτικές αρχές απαιτούμενο έσοδο των ιδιοκτητών των εγκαταστάσεων μεταφοράς στους χρήστες του δικτύου με δίκαιο τρόπο και να δίνει σωστά οικονομικά σήματα για νέες επενδύσεις μεταφοράς, παραγωγής και εξοικονόμησης ζήτησης. Ο κύριος στόχος της επέκτασης συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε απελευθερωμένες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας είναι η παροχή ανταγωνιστικών και χωρίς διακρίσεις συνθηκών αγοράς στους συμμετέχοντες στην αγορά διατηρώντας συγχρόνως την αξιοπιστία και την ασφάλεια του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας σε αποδεκτά επίπεδα. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι: i) η εφαρμογή και αξιολόγηση διαφόρων μεθόδων κατανομής του σταθερού κόστους της μεταφοράς στους χρήστες του δικτύου και ii) η ανάπτυξη νέων μεθόδων και εργαλείων βελτιστοποίησης για την αντιμετώπιση των αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται στο πρόβλημα της επέκτασης συστημάτων μεταφοράς στο απελευθερωμένο περιβάλλον αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας.Στα πλαίσια της διατριβής αρχικά εξετάζεται η εφαρμογή διαφόρων μεθόδων προσεγγιστικής ανίχνευσης των ροών φορτίου και κατανομής του ετήσιου κόστους της μεταφοράς με βάση τη προσεγγιστική χρήση των εγκαταστάσεών της σε αγορά τύπου κοινοπραξίας. Στη συνέχεια αναπτύσσεται μια νέα μέθοδος κατανομής του ετήσιου κόστους κάθε εγκατάστασης του δικτύου μεταφοράς σε αγορά τύπου κοινοπραξίας με βάση τη χρήση μιας βέλτιστης (μικρότερης δυνατής όσον αφορά την ασφάλεια Ν-1) μεταφορικής ικανότητας της εγκατάστασης. Η χρήση της εγκατάστασης αυτής υπολογίζεται προσεγγιστικά χρησιμοποιώντας τους συντελεστές κατανομής για τη χρονική στιγμή μέσα στο έτος όπου το σύστημα έχει ανάγκη τη μεγαλύτερη βέλτιστη ικανότητα μεταφοράς της εγκατάστασης. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να αντιληφθεί και να χρεώσει ανάλογα τους περισσότερο ωφελημένους από τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας του συστήματος και από την ύπαρξη των νέων ή και παλαιών εγκαταστάσεων του δικτύου. Στο τέλος της διατριβής πραγματοποιείται σύγκριση και παράλληλη εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου κατανομής του ετήσιου κόστους της μεταφοράς με την οριακή τιμολόγηση της μεταφοράς τόσο για το σύνολο του δικτύου όσο και αποκλειστικά για τις νέες εγκαταστάσεις του.Στο δεύτερο σκέλος της διατριβής αρχικά αναπτύσσεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος αρμονικής αναζήτησης και εφαρμόζεται στο πρόβλημα βελτιστοποίησης μικτού ακέραιου προγραμματισμού της στατικής επέκτασης συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια προτείνεται μια νέα μορφοποίηση της πιθανοτικής επέκτασης συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω εισαγωγής ενός άνω ορίου στην πιθανή αποκοπή φορτίου κατά την αιχμή του συστήματος. Για την επίλυση του πιθανοτικού αυτού προβλήματος αναπτύχθηκε η μέθοδος αποσύνθεσης Benders σε συνδυασμό με την πιθανοτική μέσω Monte Carlo αναπαράσταση των δεδομένων εισόδου (φορτίο αιχμής, διαθεσιμότητα εγκαταστάσεων δικτύου και παραγωγή από αιολικά πάρκα). Τέλος προτείνονται δύο διαφορετικές μορφοποιήσεις κόστους-οφέλους για την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος επέκτασης συστημάτων μεταφοράς σε απελευθερωμένο περιβάλλον αγοράς ανάλογα με το αν η αναζητούμενη λύση επέκτασης του δικτύου αφορά εμπορική επένδυση ή πρόκειται για επένδυση που έχει ως στόχο τη βελτίωση της οικονομικής λειτουργίας του συστήματος. Η επίλυση των προβλημάτων αυτών πραγματοποιείται μέσω εφαρμογής του προτεινόμενου βελτιωμένου αλγορίθμου αρμονικής αναζήτησης χρησιμοποιώντας οριακή τιμολόγηση της μεταφοράς με ενσωματωμένο το κόστος ασφάλειας Ν-1 στις τοπικές οριακές τιμές των ζυγών και λαμβάνοντας υπόψη τη βέλτιστη μεταφορική ικανότητα των γραμμών του δικτύου σαν κριτήριο επιλογής των υποψήφιων προς επέκταση κλάδων.