Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Coalition of distributed generation units to Virtual Power Players - a game theory approach

Smart Grids (SGs) have emerged as the new paradigm for power system operation and management, being designed to include large amounts of distributed energy resources. This new paradigm requires new Energy Resource Management (ERM) methodologies considering different operation strategies and the existence of new management players such as several types of aggregators. This paper proposes a methodology to facilitate the coalition between distributed generation units originating Virtual Power Players (VPP) considering a game theory approach. The proposed approach consists in the analysis of the classifications that were attributed by each VPP to the distributed generation units, as well as in the analysis of the previous established contracts by each player. The proposed classification model is based in fourteen parameters including technical, economical and behavioural ones. Depending of the VPP strategies, size and goals, each parameter has different importance. VPP can also manage other type of energy resources, like storage units, electric vehicles, demand response programs or even parts of the MV and LV distribution network. A case study with twelve VPPs with different characteristics and one hundred and fifty real distributed generation units is included in the paper.

Cost allocation model for distribution networks considering high penetration of distributed energy resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitive environment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The network cost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribution networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop a fairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are using the network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, and congestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation (DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehicles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). The proposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in an economic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen's and Bialek's tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the network. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distribution network of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposed model.

Decision Support for Energy Contracts Negotiation with Game Theory and Adaptive Learning

This paper presents a decision support methodology for electricity market players’ bilateral contract negotiations. The proposed model is based on the application of game theory, using artificial intelligence to enhance decision support method’s adaptive features. This model is integrated in AiD-EM (Adaptive Decision Support for Electricity Markets Negotiations), a multi-agent system that provides electricity market players with strategic behavior capabilities to improve their outcomes from energy contracts’ negotiations. Although a diversity of tools that enable the study and simulation of electricity markets has emerged during the past few years, these are mostly directed to the analysis of market models and power systems’ technical constraints, making them suitable tools to support decisions of market operators and regulators. However, the equally important support of market negotiating players’ decisions is being highly neglected. The proposed model contributes to overcome the existing gap concerning effective and realistic decision support for electricity market negotiating entities. The proposed method is validated by realistic electricity market simulations using real data from the Iberian market operator—MIBEL. Results show that the proposed adaptive decision support features enable electricity market players to improve their outcomes from bilateral contracts’ negotiations.

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.

The evolution ofRussian power industry from monopoly to market operation

ei

Sähköyhtiöiden liiketoiminnan tulevaisuudennäkymiä muuttuvilla sähkömarkkinoilla

Diplomityö tehtiin taustatutkimukseksi Komartek Oyj:n Kolibri-projektiin, jonka tarkoituksena on tuottaa uuden sukupolven asiakastietojärjestelmä sähköyhtiöille. Työn tarkoituksena oli kartoittaa sähkömarkkinoiden liiketoiminnan nykytilaa ja lähitulevaisuutta, kun sähkömarkkinoiden täydellisestä vapautumisesta on kulunut viisi vuotta. Kirjallisuuden perusteella tutkittiin markkinoiden vapautumista ja sähkömarkkinoiden nykyistä tilannetta. Työssä pohdittiin myös nykyisten markkinoiden toimijoitaja heidän toimintakenttäänsä. Toimintakenttää kartoitettiin myös päästökaupan ja hajautetun energiantuotannon kannalta. Diplomityön yhteydessä tehtiin kaksi haastattelututkimusta. Asiantuntijahaastattelu tehtiin 30 alan asiantuntijalle sähköpostitse Delphoi-menetelmällä ja tutkimuksen tarkoitus oli kerätä tietoa sähköyhtiöiden toimintaympäristön luomista uhkista ja mahdollisuuksista. Sähköyhtiöihin tehdyssä haastattelututkimuksessa haastateltiin 13 sähköyhtiön edustajaa. Tutkimuksen tarkoitus oli kartoittaa yhtiöiden tekemiä toimenpiteitä ja strategioita muuttuvassa toimintaympäristössä. Sähkömarkkinoiden rakennemuutos ei ole liiketoiminnan kannalta vielä loppunut. Useat sähköyhtiöt harjoittavat toimintaansa sekä vanhan että uuden tilanteen mukaan. Lisäksi edelleen odotetaan suuria muutoksia toimintakentässä esimerkiksi päästökaupan ja Euroopan sähkömarkkinoiden avaamisen suhteen. Toisaalta sähkömarkkinoidenavaaminen on tuonut toimijoille myös uusia mahdollisuuksia laajentaa tai tehostaa toimintaansa. Sähkömarkkinoiden liiketoiminnasta olisi hyvä tehdä lisäselvityksiä markkinatilanteen vakiinnuttua.

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.

Käytettävyyspalvelu Infranet-liiketoiminnassa

Vapautuneet sähkömarkkinat sekä yhteiskunnan kasvanut riippuvuus katkeamattomasta sähkön saannista ovat kannustaneet palveluntoimittajia kehittämään uusia palvelukonsepteja tyydyttämään sähköverkkoyhtiöihin kohdistuneita kasvavia vaatimuksia. Yhtenä ratkaisuna esitetään käytettävyyspalvelun tarjoamista, jolla palveluntoimittaja takaa tietyn käytettävyystason tietyllä vuosimaksulla. Samoin palveluntoimittaja antaa arvolupauksen, että käytettävyystaso saavutetaan tai palveluntoimittaja joutuu maksamaan sakkoa asiakkaalle. Käytettävyyden parantamisella pyritään parantamaan katkeamatonta sähkönsiirtoa. Tämän seurauksena keskeytyskustannukset ja loppukäyttäjille maksettavat vakiokorvaukset pienenevät. Sähköverkkoyhtiöt eivät kuitenkaan ole vielä valmiita ulkoistamaan toimintaansa siinä määrin, mitä palveluntoimittaja vaatisi voidakseen toimittaa käytettävyyspalvelua ja kantaa kokonaisvastuun asiakkaan tuloksesta. Näin ollen käytettävyyspalvelun ei ole mandollinen tämän hetken verkkoliiketoiminnassa, vaan sen sijaan tulisi puhua elinkaaripalveluista. Elinkaaripalveluiden avulla voitaisiin sitoa asiakas vahvasti yhteen palveluntoimittajaan verkkojen suunnittelusta purkuun saakka.

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.

Sähkön markkinahintaa selittävät tekijät. Case: Nord Pool 2000-2005

Sähkön markkinahinta on saanut osakseen suurta huomiota viimeaikoina. Sähkömarkkinoiden vapautuminen ja päästökaupan avaaminen Euroopassa onentisestään nostanut sähkömarkkinoita näkyville lehdissä. Tämä tutkielma tutkii erilaisten tekijöiden vaikutusta sähkön markkinahintaan regressioanalyysin avulla. Edellä mainitun päästösopimusten markkinahinnan lisäksi tutkittiin kivihiilen sekä maakaasun markkinahintojen, lämpötilojen, jokien virtaamien, vesivarantojen täyttöasteiden sekä Saksan sähkömarkkinoiden hinnan vaikutusta sähkön markkinahintaan Nord Pool -sähköpörssissä. Työssä luotiin myös sähkön markkinahintaa ennustava malli. Kaikkien selittävien tekijöiden korrelaatiot olivat oletusten mukaiset ja regressioanalyysi onnistui selittämään yli 80 % sähkön markkinahinnan vaih-teluista. Merkittävimpiä selittäviä tekijöitä olivat vesivarannot sekä jokien virtaamat. Ennustavan mallin keskimääräinen suhteellinen virhe oli noin 10 %, joten ennustetarkkuus oli melko hyvä.

Kalenterianomaliat pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla

Osakemarkkinoilta on jo useiden vuosien ajan julkaistu lukuisia tutkimuksia, joissa on esitetty havaintoja ajallisesta säännönmukaisuudesta osakkeiden hinnoissa, joita ei pystytä selittämään markkinakohtaisilla fundamenteilla. Nämä niin kutsutut kalenterianomaliat esiintyvät tyypillisesti ajallisissa käännepisteissä, kuten vuoden, kuukauden tai viikon vaihtuessa seuraavaksi. Myös erilaisten katkosten, kuten juhlapyhien, kaupankäyntirutiineissa on havaittu aiheuttavan anomalioita. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia osakemarkkinoilla havaittujen kalenterianomalioiden esiintymistä pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla. Tutkitut anomaliat olivat viikonpäivä- kuukausi-, kuunvaihde- ja juhlapyhäanomalia. Näiden lisäksi tutkittiin tuottojen käyttäytymistä optioiden erääntymispäivien läheisyydessä. Yksittäisten tuotteiden sijasta tarkastelut suoritettiin sesonki- ja kvartaalituotteista muodostetuilla vuosituotteilla. Testauksessa käytettiin pienimmän neliösumman menetelmää, huomioidenheteroskedastisuuden, autokorrelaation ja multikollineaarisuuden vaikutukset. Pelkkien kalenterimuuttujien lisäksi testit suoritettiin regressiomalleilla, joissa lisäselittäjinä käytettiin spot-hintaa, päästöoikeuden hintaa ja/tai sade-ennusteita. Tarkastelujakso koostui vuosista 1998-2006.