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.

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.

Dynamic linkages of real estate and stock markets in Finland

Traditionally real estate has been seen as a good diversification tool for a stock portfolio due to the lower return and volatility characteristics of real estate investments. However, the diversification benefits of a multi-asset portfolio depend on how the different asset classes co-move in the short- and long-run. As the asset classes are affected by the same macroeconomic factors, interrelationships limiting the diversification benefits could exist. This master’s thesis aims to identify such dynamic linkages in the Finnish real estate and stock markets. The results are beneficial for portfolio optimization tasks as well as for policy-making. The real estate industry can be divided into direct and securitized markets. In this thesis the direct market is depicted by the Finnish housing market index. The securitized market is proxied by the Finnish all-sectors securitized real estate index and by a European residential Real Estate Investment Trust index. The stock market is depicted by OMX Helsinki Cap index. Several macroeconomic variables are incorporated as well. The methodology of this thesis is based on the Vector Autoregressive (VAR) models. The long-run dynamic linkages are studied with Johansen’s cointegration tests and the short-run interrelationships are examined with Granger-causality tests. In addition, impulse response functions and forecast error variance decomposition analyses are used for robustness checks. The results show that long-run co-movement, or cointegration, did not exist between the housing and stock markets during the sample period. This indicates diversification benefits in the long-run. However, cointegration between the stock and securitized real estate markets was identified. This indicates limited diversification benefits and shows that the listed real estate market in Finland is not matured enough to be considered a separate market from the general stock market. Moreover, while securitized real estate was shown to cointegrate with the housing market in the long-run, the two markets are still too different in their characteristics to be used as substitutes in a multi-asset portfolio. This implies that the capital intensiveness of housing investments cannot be circumvented by investing in securitized real estate.

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).

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.

Maintenance and construction outsourcing in a public-owned electricity network company

Euroopan sähkösektori on ollut viimeisen vuosikymmenen suurten mullistusten kourissa. Sähkömarkkinoiden avautumisen jälkeen monopoliliiketoimintaa harjoittavien sähköyhtiöiden on ollut pakko parantaa tuottavuuttaan. Ratkaisuksi tähän on etsitty apua huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamisella. Ulkoistaminen on kuitenkin uusi menetelmä tällä sektorilla. Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää syyt, jotka tanskalaisella sähköverkkoyhtiöllä oli huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamiseen, sekä löytää siitä saatavat hyödyt ja siihen sisältyvät riskit. Tutkimus suoritetaan käyttäen apuna kirjallisuutta, saatavilla olevia due diligence-, sekä muita raportteja ja analyysejä, sekä tapausta koskettavien tahojen haastatteluja.Lisäksi sähköverkkoalan asiantuntijoiden kanssa käytyjä konsultointia käytetäänselvitykseen. Tutkimus osoittaa, että perimmäiset ajurit huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamiseen tulivat lainmuutosten ja vapautuneiden sähkömarkkinoiden asettamista paineista. Kunnallisessa organisaatiossa parantaa tehokkuutta ulkoistamalla jotain toimintoja yksityisomisteiselle palvelun tuottajalle. Muut ulkoistamisesta odotetut hyödyt olivat alentuneet kustannukset, virtaviivaisempi organisaation ja sähköverkkoyhtiön tehottomista osista eroon pääseminen ennen sen myymistä.

Regulation of Electricity Transmission and Distribution in Russia

The regulation of electricity transmission and distribution business is an essential issue for any electricity market; it is widely introduced in developed electricity markets of Great Britain, Scandinavian countries and United States of America and other. Those markets which were liberalized recently also need well planned regulation model to be chosen and implemented. In open electricity markets the sectors of electricity distribution and transmission remain monopolies, so called "natural monopolies", as introducing the competition into these sectors in most cases appears to be inefficient. Thatis why regulation becomes very important as its main tasks are: to set reasonable tariffs for customers, to ensure non-discriminating process of electricity transmission and distribution, at the same time to provide distribution companies with incentives to operate efficiently and the owners of the companies with reasonable profits as well; the problem of power quality should be solved at the same time. It should be mentioned also, that there is no incentive scheme which will be suitable for any conditions, that is why it is essential to study differentregulation models in order to form the best one for concrete situation. The aim of this Master's Thesis is to give an overview over theregulation of electricity transmission and distribution in Russia. First, the general information about theory of regulation of natural monopolies will be described; the situation in Russian network business and the importance of regulation process for it will be discussed next. Then there is a detailed description ofexisting regulatory system and the process of tariff calculation with an example. And finally, in the work there is a brief analysis of problems of present scheme of regulation, an attempt to predict the following development of regulationin Russia and the perspectives and risks connected to regulation which could face the companies that try to enter Russian electricity market (such as FORTUM OY).

Profit at Risk as a Risk Management Tool in Deregulated Energy Markets

Euroopan energiamarkkinat ovat olleet viimeisen kymmenen vuoden aikana suurten muutosten alla. Markkinoiden kehitys on ollut huomattavaa myös Iso-Britanniassa, jossa sähkö- ja kaasumarkkinat ovat olleet avoinna kilpailulle jo muutamia vuosia. Ennen markkinoiden avautumista energiyhtiöt pystyivät siirtämään kaikki riskit suoraan asiakkaan kannettaviksi. Markkinoiden avautumisen myötä lisääntynyt kilpailu on kuitenkin pakottanut energiayhtiöitä ajanmukaistamaan näkemyksiään riskeistä. Riskitekijät, joista ei aiemmin tarvinnut välittää, on nyt pystyttävä tunnistamaan ja hallitsemaan. Tämä työ keskittyy hinta- ja volyymiriskien hallintaan. Rahoitusmarkkinoilla pitkään käytettyjä riskienhallintatyökaluja on otettu käyttöön myös energiamarkkinoilla. Energiamarkkinoiden piirteet poikkeavat kuitenkin rahoitusmarkkinoista, eikä näitä työkaluja voida ottaa käyttöön muutoksitta. Silti, jopa muutosten jälkeen rahoitusmarkkinoiden riskienhallitavälineet aliarvioivat energiamarkkinoiden hinta- ja volyymiriskejä. Tässä yhteydessä työssä esitetään Profit at Risk, PaR. PaR on skenaariopohjainen riskienhallinnan työkalu, joka on kehitetty erityisesti energiamarkkinoille ja täten huomioi niiden erikoispiirteet. Työn rungon muodostavat energiamarkkinoiden käyttäytyminen, hinta- ja volyymiriskitekijät sekä pohdinta miten hinta- ja volyymiriskeiltä voidaan suojautua ja miten niitä voidaan hallita. PaR-metodologiaa verrataan perinteisiin riskienhallintamenetelmiin ja työn tavoitteena on tuoda esiin ne tekijät, joiden ansiosta PaR on sopivampi työkalu energiamarkkinoiden riskienhallintaan kuin perinteiset menetelmät. Käytännön esimerkkinä työssä toimii Fortum Energy plus’n PaR –malli. Koska PaR on kehitetty erityisesti energiamarkkinoille, se huomioi täysin markkinoiden aiheuttamat hinta- ja volyymiriskit. Käytännön esimerkki kuitenkin osoittaa, että PaR menetelmästä ei ole riskienhallinnallista hyötyä ellei työkalun käyttäjällä ole täydellistä tietämystä niin energiamarkkinoista kuin markkinoiden muutoksiin vaikuttavien tekijöiden käyttäytymisestä.

Paikallisen WLAN-operaattorin liiketoimintasuunnitelma: Case Wireless

Työn tavoitteena oli selvittää uudenlaisen WLAN-verkkoyhteyden tarjoajan liiketoiminnallisia mahdollisuuksia ja -edellytyksiä. Uudenlaisessa mallissa loppukäyttäjällä on langatonta lähiverkkoa käyttäessään mahdollisuus valita mieleisensä Internet-operaattori sekä käyttää paikallisia palveluja ilman Internet-yhteyttä, alueverkon kautta. Lisaksi tutkittiin langattoman tiedonsiirron markkinointia. Työn case-osuudessa tutkittiin Lappeen¬rannan teknillisen korkeakoulun WLAN-hanketta, ja siinä rakennettua access-verkkoa. Koko langattoman tiedonsiirron liiketoimintakenttä on vasta hakemassa lopullisia muotojaan. Nopeasta yleistymisestä huolimatta WLAN:in massamarkkinoille tuloa hidastavat tietyt ongelmat, mm. verkkovierailut (sekä WLAN-verkkojen että eri langattomien tiedonsiirtoteknologioiden välillä), epäselvät laskutusmallit sekä yhteensopivuusongelmat. Tietoturva on WLAN:in ongelmista kuuluisin, mutta ei suurin este todellisten massamarkkinoiden saavuttamisessa. Hyödyntämällä teknologian omaksujaryhmien erilaisia piirteitä saadaan etua tavoiteltaessa massamarkkinoita. Case-verkon liiketoimintasuunnitelmasta käy ilmi, että mikäli WLAN yleistyy, kuten on odotettu, esitetty uudenlainen alueellinen liiketoimintamalli voi olla taloudellisesti mahdollinen. Esitetyt riskit ja oletukset on huomioitava alan epävarman kehityksen takia.

Automatic meter reading – benefits and applications

In liberalized electricity markets, which have taken place in many countries over the world, the electricity distribution companies operate in the competitive conditions. Therefore, accurate information about the customers’ energy consumption plays an essential role for the budget keeping of the distribution company and for correct planning and operation of the distribution network. This master’s thesis is focused on the description of the possible benefits for the electric utilities and residential customers from the automatic meter reading system usage. Major benefits of the AMR, illustrated in the thesis, are distribution network management, power quality monitoring, load modelling, and detection of the illegal usage of the electricity. By the example of the power system state estimation, it was illustrated that even the partial installation of the AMR in the customer side leads to more accurate data about the voltage and power levels in the whole network. The thesis also contains the description of the present situation of the AMR integration in Russia.

Interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamat energiatehokkuutta tukevat toiminnot ja niiden kannattavuus

Automaattisen mittarinluvun yleistyminen ja asiakkaan verkkoliitynnässä käytettävän tekniikan kehittyminen luovat pohjan uudentyyppisen interaktiivisen asiakasrajanpinnan synnylle. Se voi osaltaan mahdollistaa asiakkaan entistä joustavamman sähköverkkoon liitynnän sekä nykyistä reaaliaikaisemmat ja tarkemmat mittaukset. Näiden pohjalle on mahdollista kehittää erilaisia energiatehokkuutta tukevia toimintoja ja niihin perustuvia palveluita. Tämän työn tarkoituksena on tutkia interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamia energiatehokkuutta tukevia toimintoja. Lupaavimpia toimintoja, niiden kannattavuutta ja potentiaalia energiatehokkuuden parantamisessa analysoidaan tarkemmin. Lisäksi tarkastellaan niihin tarvittavaa tekniikkaa, mittaustietoja ja tiedonsiirtoa. Nykyinen tekniikka mahdollistaa useiden erilaisten energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteuttamisen. Tässä työssä käsiteltiin tarkemmin energiayhtiön AMR-pohjaista tasehallintaa ja sähkön pienkuluttajien hintaohjausta. AMR-pohjaisen tasehallinnan havaittiin olevan oikein kohdennettuna kannattavaa. Sähkön hintaohjaus voi laajassa mittakaavassa toteutettuna olla kannattavaa, mutta yksittäiskohteissa sen toteutuksen kustannukset ovat liian suuret. Suurimpia ongelmia energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteutuksen kannalta muodostavat usein kiinteät kustannukset sekä yleisten rajapin-tavaatimusten ja toimintamallien puute. Tuotteiden standardointi, sarjatuotanto sekä tekniikan kehittyminen voivat mahdollistaa kiinteiden kustannusten huomattavan pienenemisen ja tätä kautta toimintojen kustannustehokkuuden paranemisen. Kehittämällä uusia yhteisiä toimintamalleja ja tuotteita voidaan käytettävissä olevaa tekniikkaa hyödyntää tehokkaammin. Myös uudet näköpiirissä olevat nopeammat ja luotettavammat tiedonsiirtotekniikat voivat mahdollistaa reaaliaikaisemmat mittaustietojen ja signaalien välitykset, mikä usein parantaa toimintojen tehokkuutta ja kannattavuutta.

Prognosis of after spot volumes at the Scandinavian electricity market

The Thesis is dedicated to development of an operative tool to support decision making in after spot trading on the Nordic electricity market. The basics of the Nordic electricity market, trading mechanisms on the spot and after spot markets are presented in the Thesis. Mathematical equations that describe electricity balance condition in the power system are offered. The main driving factors that impact deviation of actual electricity balance from the scheduled one (object) in the power system have been explored and mathematically defined. The behavioral model of the object and principal trends in change of state of the object under an impact of the driving factors are determined with the help of regression analysis made in Microsoft Office Excel. The behavioral model gives an indication for the total regulation volume (Elbas trades volume, volume of regulation market, balance power) for a certain hour that serves as the base input in estimating prices on the after spot markets. Proposals for development of methodologies of forecasting the after spot electricity prices are offered.

Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.