Congestion Management in Electricity Transmission System Operation : Focus on outage planning and market-based mechanisms

Abstract

Energiamurros haastaa sähkövoimajärjestelmän suunnittelua ja käyttöä maailmanlaajuisesti. Sähkönsiirtotarpeet kasvavat ja sähkönsiirrot muuttuvat merkittävästi aiemmasta aiheuttaen verkkoon siirtorajoitteita. Verkkoinvestointeja ja uusia siirtojenhallinnan menetelmiä tarvitaan käyttövarmuuden takaamiseksi ja tulevaisuuden sähköjärjestelmän tarpeisiin vastaamiseksi.

Tässä väitöskirjassa esitetään uusia siirtojenhallinnan lähestymistapoja ja mekanismeja kantaverkonhaltijoille. Väitöskirja keskittyy sähkönsiirtoverkon keskeytyssuunnitteluun ja markkinapohjaiseen siirtojenhallintaan. Työn tavoitteena on luoda uusia menetelmiä, jotka ovat hyödynnettävissä käytännön sovellutuksissa.

Väitöskirjassa ehdotetaan markkinamallinnukseen ja aikasarjadataan perustuvaa lähestymistapaa, jonka avulla arvioidaan suunniteltujen keskeytysten aiheuttamia siirtorajoitteita esisuunnitteluvaiheessa. Ehdotettua lähestymistapaa sovelletaan tapaustutkimuksessa, joka käsittelee suunniteltuja sähkönsiirtoverkon komponenttien keskeytyksiä tuulivoimatuotannon ylijäämäalueella Suomessa. Lisäksi työssä esitetään katsaus siirtojenhallinnan mekanismeista ja vertaillaan keskeytyssuunnitteluun soveltuvia teknisiä ja ei-teknisiä mekanismeja. Väitöskirjassa ehdotetaan keskeytyssuunnittelun lähestymistapaa, jossa sähkönsiirtojohtojen lyhytaikaista termistä kuormitettavuutta hyödynnetään vian jälkeisen ajojärjestyksen uudelleenmäärittelyn mahdollistajana. Tarkastelu sisältää myös joustopalvelun hankintaan soveltuvien menetelmien tunnistamisen ja arvioinnin. Lopuksi väitöskirja esittää kanta- ja jakeluverkon yhteisen siirtojenhallinnan joustomarkkinan mallin, joka on käyttöönotettu Suomessa osana kehityshanketta. Työssä on lisäksi esitetty näkökohtia ajojärjestyksen uudelleenmäärittelemiseksi tehtyjen energiakauppojen taseselvityksestä ja niiden vaikutuksista sähkövoimajärjestelmän tehotasapainoon sekä itsenäisen aggregoinnin mallin kehityksestä siirtojenhallinnan energiamarkkinalle.

Väitöskirjassa esitetyt siirtojenhallinnan ratkaisut tukevat kantaverkonhaltijoita kustannustehokkaan siirtojenhallinnan saavuttamisessa maksimoiden olemassa olevan verkkoinfrastruktuurin käytön ja hyödyntäen sähkövoimajärjestelmään liitettyjen joustavien resurssien kyvykkyyksiä.

Energy transition is challenging the planning and operation of power systems globally. The need for electricity transmission is increasing, and the power flows are changing significantly from the historical patterns, resulting in grid congestion. Grid investments and novel congestion management mechanisms are required to ensure operational security and to meet the needs of the future power system.

This thesis presents new congestion management approaches and mechanisms for transmission system operators. The work presented in this thesis is focused on outage planning and market-based congestion management. The aim of the thesis is to provide new methods for practical applications.

The thesis proposes an approach based on market modeling and time series data to estimate planned outage related grid congestion in preliminary outage planning. The proposed approach is applied to a case study of planned grid outages in a wind power generation surplus area in Finland. In addition, an overview of congestion management mechanisms and a comparison of technical and non-technical mechanisms applicable to outage planning are provided. Moreover, an outage planning approach that utilizes the temporary thermal overloading capability of transmission lines as an enabler of post-fault redispatching is proposed, including identification and assessment of feasible methods for flexibility service procurement. Finally, the thesis presents a market design of a joint TSO-DSO flexibility market for congestion management, which has been implemented in Finland as part of a development project. The thesis also provides considerations on imbalance settlement and power system balancing impacts of redispatching trades as well as on the development of an independent aggregation model in a congestion management energy market.

The congestion management solutions presented in this thesis support transmission system operators in achieving cost-efficient congestion management that maximizes the use of existing grid infrastructure and utilizes the capabilities of flexible resources connected to the power system.