Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Ancillary services market and potential profit for generators in Russia

Reformation of electricity markets has initiated creation of ancillary services markets all over the world. The Russian electricity market reform is in transition period, that is why the problem of ancillary services market has just arisen. Since the model of market rules was created, ancillary services market became a topical question for generating companies. This master’s thesis is focused on the describing the possible ancillary services around the world and in Russia specifically. Moreover, the physical interpretation of ancillary services is defined. In addition, possibility of generation company to participate in the ancillary services market was considered. Calculations were made for primary frequency regulation service, where necessary level of price bids and payback period were evaluated.

Analysis of electricity distribution network operation business models and capitalization of control room functions with DMS

Electricity distribution network operation (NO) models are challenged as they are expected to continue to undergo changes during the coming decades in the fairly developed and regulated Nordic electricity market. Network asset managers are to adapt to competitive technoeconomical business models regarding the operation of increasingly intelligent distribution networks. Factors driving the changes for new business models within network operation include: increased investments in distributed automation (DA), regulative frameworks for annual profit limits and quality through outage cost, increasing end-customer demands, climatic changes and increasing use of data system tools, such as Distribution Management System (DMS). The doctoral thesis addresses the questions a) whether there exist conditions and qualifications for competitive markets within electricity distribution network operation and b) if so, identification of limitations and required business mechanisms. This doctoral thesis aims to provide an analytical business framework, primarily for electric utilities, for evaluation and development purposes of dedicated network operation models to meet future market dynamics within network operation. In the thesis, the generic build-up of a business model has been addressed through the use of the strategicbusiness hierarchy levels of mission, vision and strategy for definition of the strategic direction of the business followed by the planning, management and process execution levels of enterprisestrategy execution. Research questions within electricity distribution network operation are addressed at the specified hierarchy levels. The results of the research represent interdisciplinary findings in the areas of electrical engineering and production economics. The main scientific contributions include further development of the extended transaction cost economics (TCE) for government decisions within electricity networks and validation of the usability of the methodology for the electricity distribution industry. Moreover, DMS benefit evaluations in the thesis based on the outage cost calculations propose theoretical maximum benefits of DMS applications equalling roughly 25% of the annual outage costs and 10% of the respective operative costs in the case electric utility. Hence, the annual measurable theoretical benefits from the use of DMS applications are considerable. The theoretical results in the thesis are generally validated by surveys and questionnaires.

Optimal trading of wind power in the short term market

The energy reform, which is happening all over the world, is caused by the common concern of the future of the humankind in our shared planet. In order to keep the effects of the global warming inside of a certain limit, the use of fossil fuels must be reduced. The marginal costs of the renewable sources, RES are quite high, since they are new technology. In order to induce the implementation of RES to the power grid and lower the marginal costs, subsidies were developed in order to make the use of RES more profitable. From the RES perspective the current market is developed to favor conventional generation, which mainly uses fossil fuels. Intermittent generation, like wind power, is penalized in the electricity market since it is intermittent and thus diffi-cult to control. Therefore, the need of regulation and thus the regulation costs to the producer differ, depending on what kind of generation market participant owns. In this thesis it is studied if there is a way for market participant, who has wind power to use the special characteristics of electricity market Nord Pool and thus reach the gap between conventional generation and the intermittent generation only by placing bids to the market. Thus, an optimal bid is introduced, which purpose is to minimize the regulation costs and thus lower the marginal costs of wind power. In order to make real life simulations in Nord Pool, a wind power forecast model was created. The simulations were done in years 2009 and 2010 by using a real wind power data provided by Hyötytuuli, market data from Nord Pool and wind forecast data provided by Finnish Meteorological Institute. The optimal bid needs probability intervals and therefore the methodology to create probability distributions is introduced in this thesis. In the end of the thesis it is shown that the optimal bidding improves the position of wind power producer in the electricity market.

Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

Achieving EU energy targets – Impacts of evolutionary and revolutionary transition paths on power systems

Ambitious energy targets set by EU put pressures to increase share of renewable electricity supply in this and next decades and therefore, some EU member countries have boosted increasing renewable energy generation capacity by implementing subsidy schemes on national level. In this study, two different change approaches to increase renewable energy supply and increase self-sufficiency of supply are assessed with respect to their impacts on power system, electricity market and electricity generation costs in Finland. It is obtained that the current electricity generation costs are high compared to opportunities of earnings from present-day investor’s perspective. In addition, the growth expectations of consumptions and the price forecasts do not stimulate investing in new generation capacity. Revolutionary transition path is driven by administrative and political interventions to achieve the energy targets. Evolutionary transition path is driven by market-based mechanisms, such as market itself and emission trading scheme. It is obtained in this study that in the revolutionary transition path operation of market-based mechanisms is distorted to some extent and it is likely that this path requires providing more public financial resources compared to evolutionary transition path. In the evolutionary transition path the energy targets are not achieved as quickly but market-based mechanisms function better and investment environment endures more stable compared to revolutionary transition path.

Cross-border transmission capacity development – Experiences from the Nordic electricity markets

The liberalisation of the wholesale electricity markets has been considered an efficient way to organise the markets. In Europe, the target is to liberalise and integrate the common European electricity markets. However, insufficient transmission capacity between the market areas hampers the integration, and therefore, new investments are required. Again, massive transmission capacity investments are not usually easy to carry through. This doctoral dissertation aims at elaborating on critical determinants required to deliver the necessary transmission capacity investments. The Nordic electricity market is used as an illustrative example. This study suggests that changes in the governance structure have affected the delivery of Nordic cross-border investments. In addition, the impacts of not fully delivered investments are studied in this doctoral dissertation. An insufficient transmission network can degrade the market uniformity and may also cause a need to split the market into smaller submarkets. This may have financial impacts on market actors when the targeted efficient sharing of resources is not met and even encourage gaming. The research methods applied in this doctoral dissertation are mainly empirical ranging from a Delphi study to case studies and numerical calculations.

Convergence withEU environmental legislation in Russia and Kyoto Protocol effects on certain power plants in Russia

Venäjällä uudistetaan sähkömarkkinoita. Uudistamisella pyritään vapauttamaan sähkömarkkinat ja lisäämään kilpailua energiasektorilla. Sähkömarkkinoiden vapauttamisen tarkoitus on energiasektorin hyötysuhteen nostaminen ja investointien houkutteleminen sektorille. Venäjä on ratifioinut Kioton protokollan, mikä energiasektorin kannalta on tärkeää, koska protokollan yhteistoteutusmekanismin kautta saadaan houkuteltua investointeja sektorille. Venäjän sähkömarkkinoiden vapauttamisen pitkäaikainen tähtäin on Venäjän ja Euroopan sähkömarkkinoiden integroituminen, joka tarkoittaa myös ympäristölainsäädännönyhtenäistämistä. Tämä tutkimus on osa Fortum Oyj:n tarjoamaa teknistä katselmusta Venäjällä toimivalle sähköyhtiölle, TGC-9:lle. Tässä työssä keskitytään TGC-9:n omistamien energiatuotantolaitoksien happamoitumista aiheuttaviin ilmapäästöihin ja pölypäästöihin. Tutkimuksessa pyritään myös löytämään Kioton protokollan yhteistoteutusmekanismi hyödyntämiskohteita. NOx -päästöt tulevat olemaan suurin haaste TGC-9:lle, jos ympäristöstandardit yhdenmukaistetaan. Yhteistoteutusmekanismin hyödyntämiskohteita löydettiin neljä: koksaamokaasun hyödyntäminen, maakaasun korvaaminen kuoren poltolla ja kaksi tapausta liittyen laitoksien hyötysuhteen nostamiseen.

Sähkökaupan riskit ja riskienhallinta

Diplomityön tavoitteena on luoda kokonaisvaltainen kuva sähkökaupassa esiintyvistä riskeistä ja niiden analysointi- sekä hallintamenetelmistä. Toinen päätavoitteista on lisätä ymmärrystä markkinoiden erikoispiirteistä, kuten siirtokapasiteettirajoituksista, kysynnän hintajouston puutteesta ja markkinoiden keskittyneisyydestä, sekä arvioida niiden merkitystä sähkökaupan riskienhallinnan näkökulmasta. Markkinoiden erikoispiirteet ja sähkön tuotantoon ja kulutukseen vaikuttavat fundamentaaliset tekijät aiheuttavat suuria muutoksia pörssisähkön hintatasossa. Sähkön volatiliteetti yhdessä useiden muiden riskitekijöiden kanssa aiheuttaa sähkökaupantoimijoille todellisen tarpeen riskienhallinnalle. Sähkökauppa tarjoaa haasteellisen toimintaympäristön riskienhallinnan näkökulmasta. Sähkökaupassa esiintyvien riskien täydellinen hallitseminen on miltei mahdoton tehtävä, mutta sähkökaupan toimintaympäristön tunteminen ja järjestelmällisesti toteutettu riskienhallinta luovat hyvät edellytykset menestyksekkäälle toiminnalle sähkökaupassa. Diplomityössä käsitellään sähkökaupassa esiintyviä riskejä ja niidensyntyyn vaikuttavia tekijöitä. Näiden asioiden ymmärtäminen luo pohjan sähkökaupan onnistuneelle riskienhallinnalle. Työssä käydään myös läpi yleisimmät sähkökaupassa käytetyt riskianalyysin menetelmät. Diplomityössä esitellään sähköpörssin tarjoamat johdannaistuotteet ja havainnollistetaan niiden käyttöä osana sähkökaupan riskienhallintaa. Työn lopussa käsitellään profiiliriskin muodostumista jasen vaikutuksia sähkön hankintakustannuksiin.

Short-term Hydropower Planning System

The Thesis gives a decision support framework that has significant impact on the economic performance and viability of a hydropower company. The studyaddresses the short-term hydropower planning problem in the Nordic deregulated electricity market. The basics of the Nordic electricity market, trading mechanisms, hydropower system characteristics and production planning are presented in the Thesis. The related modelling theory and optimization methods are covered aswell. The Thesis provides a mixed integer linear programming model applied in asuccessive linearization method for optimal bidding and scheduling decisions inthe hydropower system operation within short-term horizon. A scenario based deterministic approach is exploited for modelling uncertainty in market price and inflow. The Thesis proposes a calibration framework to examine the physical accuracy and economic optimality of the decisions suggested by the model. A calibration example is provided with data from a real hydropower system using a commercial modelling application with the mixed integer linear programming solver CPLEX.

Vesivoiman ajosuunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli tutkia UPM-Kymmene Oyj:n keskusvalvomossa tapahtuvaa vesivoiman ajosuunnittelua. Pääkohdat tarkastelussa olivat vesistöjen säännöstely, erilaiset vesivuodet ja sähkömarkkinatilanteet. Vesivoiman ajosuunnittelua tarkasteltiin pääasiassa erilaisten vesivuosien ja sähkömarkkinatilanteiden näkökulmasta. Lähtötietoina käytettiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmän ja UPM-Kymmene Oyj:n energianhallintajärjestelmän numeerisia historia-arvoja. Työssäselvitettiin UPM-Kymmene Oyj:n vesivarannoista hyödynnettävissä olevat energiamäärät. Energiamäärien avulla määritettiin skenaario UPM-Kymmene Oyj:n vesivoimantuotannon vaihtelusta. Lisäksi tarkasteltiin vesivoimaa sähkötaseen säätövoimana. Teoreettisessa osassa perehdyttiin Suomen sähköntuotantorakenteeseen, vesivoiman asemaan sähköntuotannossa ja vesivoiman ohjausmekanismeihin. Lisäksi tarkasteltiin UPM-Kymmene Oyj:n sähkön käyttöä ja vesivarantoja. Soveltavassa osassa tarkasteltiin, miten vesivoiman ohjausmekanismit toimivat käytännössä. Lisäksi analysoitiin sähkömarkkinatilanteiden vaikutuksia ja vesivoimalaitosten ajon tehostamismahdollisuuksia. Työn tuloksena laadittiin ennuste-simulaattori, jolla voidaan optimoida vesivoimanja lauhdevoiman ajoa. Tulevaisuudessa simulaattorin avulla voidaan ennustaa poikkeuksellisia sähkömarkkinatilanteita.

Sähkösalkun tuotteistaminen ja salkunhallinnan menestyksen seuranta

Sähkömarkkinoiden vapautumisen ja pörssimuotoisen kaupankäynnin myötäyhä useampi toimija on siirtynyt perinteisistä kiinteähintaisista sopimuksista salkkumuotoiseen sähkönhankintaan. Aktiivisen salkunhallinnan myötä kanava markkinoille pysyy jatkuvasti avoimena ja ostopäätös voidaan jakaa pidemmälle ajanjaksolle, jolloin riippuvaisuus vain yhden hetken hintatasosta pienenee. Sähkön hankintahinnan suojaamiseen käytettävien finanssituotteiden määrä pörssissä ja OTC-markkinalla on kasvanut viime vuosina merkittävästi. Tämän seurauksena myös käytettävien instrumenttien valinta ja perustelu asiakkaalle vaatii entistä tarkempaa huomiota. Työssä käsiteltävän tuotteistuksen tavoitteena oli luoda salkunhallinnan perustapauksille yksinkertaiset rungot, joita voidaan täydentää erilaisillalisäominaisuuksilla. Tuotteistuksella pyritään myös selkeyttämään asiakkaalle muodostuvaa mielikuvaa tarjolla olevista vaihtoehdoista sekä edesauttamaan markkinointia. Diplomityön toisena tavoitteena oli kehittää salkunhallinnan menestyksen seurantaa varten mittarit, joiden avulla sekä asiakas että salkunhoitaja pystyvät seuraamaan salkunhallinnan onnistumista. Mittarit toteutettiin Excel-ympäristössä ja testattavat salkut koostuivat pääasiassa lopullisista tuotteistettaviksi valituista salkuista. Työn pohjalta on määrä toteuttaa olemassa olevan internet-pohjaisen salkunhallintapalvelun osaksi sovellus, joka mahdollistaa salkunhallinnan menestyksen jatkuvan seurannan.

Systeemihinnan volatiliteetin mallinus Nord Pool -sähkömarkkinoilla

Työssä tarkastellaan, miten Nord Poolin spot-sähkömarkkinoiden systeemihinnan volatiliteetti on kehittynyt kyseisten markkinoiden kehittyessä ja onko volatiliteetin dynamiikkaa mahdollista mallintaa. Systeemihinta toimii referenssihintana sekä itse sähköpörssissä että pörssin ulkopuolella tapahtuvassa johdannaiskaupankäynnissä. Teoriaosassa luodaan katsaus Nord Pool -markkinoiden toimintaan ja systeemihinnan muodostumisen periaatteisiin. Lisäksi tutustutaan sähkön hinta-aikasarjoille tyypillisiin piirteisiin. Volatiliteetin mallinnus tapahtuu autoregressiivistä konditionaalista heteroskedastista (ARCH) mallia sekä sen laajennuksia hyödyntäen. Työn johtopäätöksinä todetaan, että sähkömarkkinoiden volatiliteettia mallinnettaessa tulisi ottaa huomioon hinnan muutosten asymmetrinen vaikutus volatiliteettiin ja volatiliteetin kausittainen vaihtelu. Lisäksi todettiin, etteivätparametrien kertoimet ole vakioita pitkällä aikavälillä tarkasteltaessa volatiliteetin ARCH-mallinnuksessa.