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Transmission Expansion Planning in Deregulated Power Systems

Oloomi Buygi, Majid :
Transmission Expansion Planning in Deregulated Power Systems.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Transmission Expansion Planning in Deregulated Power Systems
Language: English
Abstract:

The main goal of this thesis is to present a centralized static approach for transmission expansion planning in deregulated power systems. Restructuring and deregulation have unbundled the roles of network stakeholders. They exposed transmission planner to the new objectives and uncertainties. Unbundling the roles has brought new challenges for stakeholders. In these environments, stakeholders have different desires and expectations from the performance and expansion of the system. Therefore, new incentives and disincentives have emerged regarding transmission expansion decisions. This research work is involving with considering new objectives and uncertainties in transmission expansion planning. This research work is handled in six main parts. In the first part a probabilistic tool is presented for analyzing the performance of electric markets. In this part probability density function of locational marginal prices are computed for analysis electric market. The approach was applied to an 8-bus network. The effects of load curtailment and wheeling power on nodal prices were studied. The study shows wheeling transactions affect the locational marginal prices of the control area which transmit through them. It also shows that making wheeling transaction in proper directions can reduce the transmission congestion and postpone transmission expansion. In the second part, two market based criteria are presented to measure how much an expansion plan facilitates and promotes competition. The criteria are “average congestion cost” and “weighted standard deviation of mean of locational marginal prices”. Different weights are used in order to provide a competitive environment for more power system participants. Justification of costs is very important in competitive environments. Therefore the presented criteria are extended in order to consider transmission expansion costs. In the third part of the work, a transmission expansion planning approach is presented for deregulated environments. This approach consists of scenario technique and probabilistic optimal power flow which was presented in the first part. Scenario technique is used to take into account the non-random uncertainties. Probabilistic optimal power flow is used to consider the random uncertainties. The approach uses the market based criteria to measure the goodness of expansion plans. Market based criteria provide a non-discriminatory competitive environment for stakeholders. Minimax regret criterion is used in scenario technique for risk assessment and selecting the final plan. To determine which criterion leads to zero congestion cost and flat price profile at minimum cost or at minimum number of expansion plans, the presented approach was applied on IEEE 30 bus test system. The conventional risk assessment has some drawbacks. In the fourth part, drawbacks of scenario technique criteria are pointed out. New criteria are defined for the scenario technique. Fuzzy multi criteria decision making is used for the risk assessment of solutions. In this method a fuzzy appropriateness index is defined for selecting the final plan. The fuzzy appropriateness index is computed by aggregation of importance degrees of decision criteria and appropriateness degrees of expansion plans versus decision criteria. The presented approach is applied to IEEE 30 bus test system. The result was compared with conventional risk assessment in different cases. The comparison shows that fuzzy risk assessment overcomes the shortcomings of conventional risk assessment method. In the fifth part of the work, a transmission expansion planning approach with consideration given to stakeholders’ desires is presented. The approach considers the desires of demand customers, power producers, network owner(s), system operator, and regulator in transmission expansion planning. Stakeholders’ desires can be sought in competition, reliability, flexibility, network charge and environmental impacts. Fuzzy decision making is used for taking into account the desires of all stakeholders. A fuzzy appropriateness index is defined for measuring the goodness of expansion plans. The appropriateness index is defined by aggregating importance weights of stakeholders in decision making, importance degrees of stakeholders’ desires from the viewpoint of different stakeholders, and appropriateness degrees of expansion plans versus stakeholders’ desires. The approach was applied to IEEE 30 bus test systems to find the plan which compromise between stakeholders’ desires. The presented approach in the fifth part can not consider non-random uncertainties. In the sixth part, the presented approach is extended to consider stakeholders’ desires under non-random uncertainties. Fuzzy appropriateness index is defined to measure the goodness of each expansion plan in each scenario with considering the stakeholders’ desires. Fuzzy regret is defined with considering the occurrence degrees of future scenarios. Fuzzy regret of plan k in scenario l is equal to difference between the fuzzy appropriateness index of plan k in scenario l and fuzzy appropriateness index of optimal plan of scenario l. Fuzzy risk assessment is used to find the final plan. The steps of planning were described in details by applying the approach to an eight bus system. The following results were obtained from the simulation. The criteria “average congestion cost” and “weighted standard deviation of mean of locational marginal prices” with the weight “sum of mean of generation and load” are the best criteria for providing a competitive electric market. “Average congestion cost” is more insensitive that other criteria to the occurrence degrees of future scenarios. Fuzzy risk assessment overcomes the shortcomings of conventional risk assessment method. The presented approach selects the final plan by compromising between stakeholders’ desires.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Hauptziel dieser Arbeit ist, eine zentralisierte statische Vorgehensweise für die Erweiterungsplanung von Übertragungsnetzen in deregulierten Energie Systemen aufzubauen. Die Umstrukturierung und die Deregulierung haben die Rollen der Interessenvertreter des Netzes entkoppelt, und die Übertragungsnetzplaner werden neuen Zielsetzungen und Unsicherheiten ausgesetzt. Das so genannte „Unbundling“ der Aufgaben bringt neue Herausforderungen für die Interessenvertreter der Netze. Sie haben in diesem Umfeld unterschiedliche Wünsche und Erwartungen an das Verhalten und die Erweiterung des Systems. Folglich sind neue Aufgaben hinsichtlich der Entscheidungsfindung für die Erweiterung der Übertragungsnetze aufgetreten. Die vorliegende Arbeit betrachtet die neuen Zielsetzungen und die Unsicherheiten der Erweiterungsplanung des Übertragungsnetzes. Diese Arbeit wird in sechs Hauptteilen behandelt. Im ersten Teil wird ein Wahrscheinlichkeitswerkzeug für die Analysierung der Leistung der elektrischen Märkte dargestellt. In diesem Teil werden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der lokalen Grenzpreise des elektrischen Marktes berechnet. Die Vorgehensweise wurde an einem Acht-Knoten-Netz angewendet. Die Einflüsse von Lastreduzierung und Durchleitung auf den Leistungspreis am Knoten wurden nachgebildet. Die Untersuchung zeigt, daß die Durchleitungsverträge die lokalen Grenzpreise der Netze beeinflussen. Es zeigt sich auch, daß die Durchleitungsverträge in bestimmen Richtungen die Netzengpassung verringern und Erweiterung des Übertragungsnetzes hinausschieben können. Im zweiten Teil werden zwei Marktkriterien dargestellt, um festzustellen, ob ein Erweiterungsplan den Wettbewerb erleichtert und fördert. Die Kriterien sind „durchschnittliche Engpassungskosten“ und „gewichtete Standardabweichung des Mittelwerts der lokalen Grenzpreise“. Unterschiedliche Gewichte werden benutzt, um ein wettbewerbsfähiges Umfeld mehreren Teilnehmern am Energiesystem zur Verfügung zu stellen. Die Festlegung der Kosten ist in einem wettbewerbsfähigen Umfeld sehr wichtig. Folglich sind die dargestellten Kriterien um Netzerweiterungskosten ergänzt, zu betrachten. Im dritten Teil der Arbeit wird eine Erweiterungsplanung für Übertragungsnetze im deregulierten Umfeld dargestellt. Diese Vorgehensweise besteht aus der Szenariotechnik und dem wahrscheinlich optimalen Leistungsfluss, der im ersten Teil dargestellt wurde. Die Szenariotechnik wird verwendet, um die nicht-zufälligen Unsicherheiten in Betracht zu ziehen. Der wahrscheinlich optimale Leistungsfluss wird verwendet, um die zufälligen Unsicherheiten zu betrachten. Die Berechnung verwendet wettbewerbsfähige Kriterien, um die Güte der Erweiterungspläne zu messen, und Sie ermöglichen ein nicht diskriminierendes wettbewerbsfähiges Umfeld für die Netzteilnehmer. „Minimax Regret“ wird in der Szenariotechnik für die Risikobeurteilung und die Vorauswahl des abschließenden Planes verwendet. Um festzustellen, welches Kriterium zu keinen Engpassungskosten und einem Flachpreisprofil mit minimalen Kosten oder mit minimalen Erweiterungsplänen führt, wurde die dargestellte Vorgehensweise an dem IEEE 30-Knoten-Netz angewendet. Die konventionelle Risikobeurteilung hat einige Mängel. Im vierten Teil werden die Mängel der Szenariotechnikkriterien herausgestellt, und neue Kriterien werden für die Szenariotechnik definiert. Fuzzy-Multi-Kriterienentscheidungen werde für die Risikobeurteilung der Lösungen verwendet. In dieser Methode wird ein „Fuzzy Index“ für die Vorauswahl des abschließenden Planes definiert. Der „Fuzzy Index“ wird durch Zusammenfassung der Wichtigkeitsgrade der Entscheidungskriterien und der Angemessenheitsgrade der Erweiterungspläne gegenüber den Entscheidungskriterien ermittelt. Die dargestellte Vorgehensweise wird anhand des IEEE 30-Knoten-Netzes gezeigt. Das Resultat wurde mit der konventionellen Risikobeurteilung bei unterschiedlichen Fällen verglichen. Der Vergleich zeigt, daß die Fuzzy-Risikobeurteilung die Mängel der konventionellen Risikobeurteilung aufhebt. Im fünften Teil der Arbeit wird eine Erweiterungsplanung für Übertragungsnetze, basierend auf den Wünschen der Netzinteressenvertreter, dargestellt. Die Vorgehensweise betrachtet in der Netzerweiterungsplanung die Wünsche der Kunden, der Energieerzeuger, der Netzeigener, der Netzbetreiber und des Regulators. Die Wünsche der Netzinteressenvertreter sind Z.B.: Wettbewerb, Zuverlässigkeit, Flexibilität, Netzentgelte und Umwelteinfluß. Fuzzyentscheidungen berücksichtigen die Wünsche aller Netzinteressenvertreter und ein „Fuzzy Index“ wird für das Messen der Güte der Ereiterungspläne definiert. Der „Fuzzy Index“ wird aus der Zusammenfassung der Wichtigkeitsgrade der Netzinteressenvertreter, der Wünsche der Netzinteressenvertreter aus deren Gesichtspunkt, und dem Grade der Übereinstimmung der Erweiterungspläne in Abhängigkeit von den Wünschen der Interessenvertreter der Netze ermittelt. Die Vorgehensweise wurde auf das IEEE 30-Konten-Netz angewendet. Die dargestellte Vorgehensweise im fünften Teil ist nur in der Lage zufällige Unsicherheiten zubetrachten. Im sechsten Teil wird die dargestellte Vorgehensweise um Wünsche der Interessenvertreter des Netzes mit nicht-zufälligen Unsicherheiten erweitert. Ein „Fuzzy Index“ wird definiert, um die Güte jedes Erweiterungsplans in jedem Szenario basierend auf den Wünschen der Netzinteressenvertreter zu messen. „Fuzzy Regret“ wird mit dem Betrachten der Eintrittswahrscheinlichkeit Auftretengrade der zukünftigen Szenarios definiert. „Fuzzy Regret“ von Plan k in Szenario l ist die Differenz zwischen dem „Fuzzy Index“ von Plan k in Szenario l und dem „Fuzzy Index“ des optimalen Planes von Szenario l. Eine Fuzzy-Risiko-Bewertung wird angewendet, um den endgültigen Plan zu ermitteln. Die Realisierungsschritte werden unter Berücksichtigung des Acht-Knoten-Netzes im Detail beschrieben. Es ergeben sich folgende Resultate. Die Kriterien „durchschnittliche Engpassungskosten“ und „gewichtete Standardabweichung des Mittelwerts der lokalen Grenzpreise“ mit der Wichtung „Summe des Mittels der Erzeugung und der Last“ sind die besten Kriterien zur Förderung eines wettbewerbsfähigen elektrischen Marktes. Das Kriterium „Durchschnittliche Engpassungskosten“ ist unempfindlicher als die anderen Kriterien zu der Eintrittswahrscheinlichkeit der zukünftigen Szenarios. Die Fuzzy-Risikobeurteilung hebt die Mängel der konventionellen Risikobeurteilung auf.German
Uncontrolled Keywords: Erweiterungsplanung, Übertragungsnetze
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Erweiterungsplanung, ÜbertragungsnetzeGerman
Transmission expansion planningEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000486
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4869
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Balzer, Prof.- Dr. G. and Handschin, Prof.- Dr. E.
Advisors: Balzer, Prof.- Dr. G.
Refereed: 17 September 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/486
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