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.

Baltian maiden sähkömarkkinat

Tässä kandidaatintutkielmassa on tarkoituksena selvittää Baltian maiden sähkömarkkinoi- den kehittymistä ja avautumista kilpailulle. Baltian maiden sähkömarkkinoiden kehittymis- tä on vauhdittanut EU:n energiapolitiikka, jolla pyritään edistämään toimivien yhteiseu- rooppalaisten sähkömarkkinoiden kehittymistä. Baltian maista tullaankin lähitulevaisuu- dessa rakentamaan lisäsiirtoyhteyksiä Pohjoismaihin ja Eurooppaan. Työssä tutkitaan myös Baltian maiden sähköntuotantorakenteen muodostumista ja sähkönsiirtoverkon ra- kennetta. Suomen ja Venäjän välisessä sähkökaupassa on tapahtunut merkittäviä muutok- sia syksyn 2011 jälkeen. Tutkitaan myös Venäjän ja Baltian maiden välistä sähkönsiirtoa.

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.

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.

Distributed energy resources in an electricity retailer’s short-term profit optimization

Liberalization of electricity markets has resulted in a competed Nordic electricity market, in which electricity retailers play a key role as electricity suppliers, market intermediaries, and service providers. Although these roles may remain unchanged in the near future, the retailers’ operation may change fundamentally as a result of the emerging smart grid environment. Especially the increasing amount of distributed energy resources (DER), and improving opportunities for their control, are reshaping the operating environment of the retailers. This requires that the retailers’ operation models are developed to match the operating environment, in which the active use of DER plays a major role. Electricity retailers have a clientele, and they operate actively in the electricity markets, which makes them a natural market party to offer new services for end-users aiming at an efficient and market-based use of DER. From the retailer’s point of view, the active use of DER can provide means to adapt the operation to meet the challenges posed by the smart grid environment, and to pursue the ultimate objective of the retailer, which is to maximize the profit of operation. This doctoral dissertation introduces a methodology for the comprehensive use of DER in an electricity retailer’s short-term profit optimization that covers operation in a variety of marketplaces including day-ahead, intra-day, and reserve markets. The analysis results provide data of the key profit-making opportunities and the risks associated with different types of DER use. Therefore, the methodology may serve as an efficient tool for an experienced operator in the planning of the optimal market-based DER use. The key contributions of this doctoral dissertation lie in the analysis and development of the model that allows the retailer to benefit from profit-making opportunities brought by the use of DER in different marketplaces, but also to manage the major risks involved in the active use of DER. In addition, the dissertation introduces an analysis of the economic potential of DER control actions in different marketplaces including the day-ahead Elspot market, balancing power market, and the hourly market of Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D).

Datahubin merkitys jakeluverkonhaltijalle case: Vantaan Energia Sähköverkot Oy

Tavoitteena oleva hiilineutraali energiantuotanto muokkaa sähköntuotannosta sykkivämpää ja vaatii kulutuksen sopeutumista siihen. Tämä synnyttää tarpeen kansallisia markkinoita laajemmille sähkön vähittäismarkkinoille ja vaatii kuluttajilta aktiivisempaa roolia markkinoilla. Pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt ovat alkaneet valmistella pohjoismaisia sähkömarkkinoita sähkön vähittäiskaupan avaamiselle. Sähkön vähittäiskaupan avautuminen eri maiden välillä vaatii kansallisten markkinamenetelmien yhtenäistämistä varsinkin taseselvityksen ja tiedonvaihdon osalta. Tässä työssä tutkitaan Suomessa vuonna 2019 käyttöönotettavan keskitetyn tiedonvaihtojärjestelmän, Datahubin, vaikutuksia jakeluverkonhaltijalle. Vaikutuksia tarkastellaan Vantaan Energia Sähköverkot Oy:n näkökulmasta. Työssä kartoitetaan jakeluverkonhaltijan nykyisiä liiketoiminnan pääprosesseja ja niihin liittyvää tiedonvaihtoa eri markkinaosapuolten kanssa prosessien toteutuksessa. Lisäksi työssä esitellään jakeluverkonhaltijan nykyisten liiketoiminnan pääprosessien toteuttaminen Datahubissa. Jakeluverkonhaltijan liiketoiminnan nykyisiä pääprosesseja ja tiedonvaihtoa verrataan Datahubin kautta suoritettaviin prosesseihin. Työssä todettiin Datahubin korjaavan jakeluverkonhaltijan liiketoiminannan nykyisissä pääprosesseissa havaittuja ongelmia ja mahdollistavan prosessien tehostamisen. Datahub ei sinällään muuta nykyisiä jakeluverkonhaltijan liiketoimintaprosesseja merkittävästi, mutta mahdollistaa prosessien kehittämisen markkinoiden muutoksen mukana. Datahubin kokonaisvaltainen hyödyntäminen on toimijoiden itsensä käsissä, niiltä osin, kun sähkömarkkinalaki ei velvoita tiettyyn toimintamalliin. Jakeluverkonhaltijan liiketoimintaprosessien osalta suurin muutos kohdistuu jakeluverkonhaltijan taseselvitykseen, joka siirtyy kokonaisuudessaan Datahubin tehtäväksi. Datahub tulee kaventamaan jakeluverkonhaltijan roolia markkinapaikalla ja siksi jakeluverkonhaltijoiden tulisi kartoittaa liiketoiminnan laajentamisen tarvetta ja mahdollisuuksia tulevaisuudessa.

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.

Investment Determinants and Future Shape of Russia's Power Generation

The reformation of power sector is still in the process of development. The present day situation in Russian electricity power market ischaracterized as transitional period: competitive electricity market is forming, new companies are being created and the power of government regulation is decreasing. The main aim of the reformation is to attract much-needed private investments to the power sector. The electricity consumption increases very rapidly and power sector has to cope with high demand. The goal of this master's thesis is to analyze the nowadays situation in Russian power sector, such as generation structure, condition of electricity networks, electricity price formation for end-users, shape of fuel sector and investments risks and attraction.The final result of this work is creation of scenario of Russian power sector future shape and analysis of the present day situation.

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.