SUPERVISOR
Mohamadamin Latifi
محمدامین لطیفی (استاد راهنما)
STUDENT
Behnam Fardafshari talebazloo
بهنام فردافشاری تله بازلو
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Optimal Transmission Switching using Equilibrium Models in Electricity Markets
: Transmission Switching (TS) is one of the most important tools in power system operation. Practically, TS is able to bring down the operating costs of the power system. On the other hand, increasing the competition level in electricity markets is one of the main concerns of electricity market operators. Decreasing the market power is an usual way to attain a higher level of competition. Since the market power is influenced by the network topology, in this thesis, the TS impacts on the market power and the method to consider this impact within the TS process are investigated. At first, the TS impacts on the market power are studied. For this porpose, Competition Boundary (CB) problem is developed to consider the TS. In this problem, minimizing or maximizing Herfindahl - Hirschman Index (HHI, as a measure of market concentration) subject to DC power flow constraints of the electrical network is modeled as a Quadratically Constrained Programming (QCP) problem. Since HHI is a quadratic function of the firms production, maximizing HHI results in a nonconvex optimization problem. To be confident with achieving global optimum, HHI is approximated as a piecewise linear function. This approximation converts the extended CB problem to a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. Implementing the MILP model to the test cases shows that TS can influence the market power level through the network. The impact is significant, where the maximum HHI is considerd. Moreover, peak load conditions intensify the impact of TS on the market power. These results point out that TS can adversely affects the market power, and as a consecuence, completion level, if the TS is employed without considering this impact. Next, seasonally optimal transmission switching framework is proposed to minimize the operation cost over the study horizon, considering market power of market participants. The upper level problem determines the transmission line(s) to be switched out in order to minimize the operation cost over the horizon. In the second level, the profit of each generation companies is maximized by considering its market power. Market clearing conditions which are common to all generation companies are modeled in the third level. By using strong duality theorem and Karush–Kuhn–Tucker (KKT) conditions, profit maximization problem of each generation company is modelled as a single level Mathematical Programming with Equilibrium Constraints (MPEC) problem. To find the equilibrium among generation companies, we should consider all the MPECs, simultaneously, which results in an Equilibrium Problem with Equilibrium Constraint (EPEC) model. The EPEC is a set of equality and inequality constraints that represents the equilibrium conditions. The second and the third levels of the mentioned three level optimization problem are replaced by the subsequent EPEC. Therefore, the three level optimization problem is converted to a single level optimization problem. By using some linearization techniques, the resultant single level optimization problem is converted to an MILP problem and is implemented on a three-bus test case. Numerical results show that employing proposed seasonal transmission switching framework can reduce the operation costs over the study horizon. Moreover, the lower market power level is achieved in comparison with the case in which the TS is not employed. Keywords: Transmission switching, market power, mixed integer linear programming, electricity market equilibrium, multi level optimization problem
کلیدزنی انتقال یکی از عملیاتهای مهم در بهرهبرداری از سیستم قدرت است و از آن برای کاهش هزینههای بهرهبرداری سیستم قدرت استفاده میشود. از سویی، افزایش سطح رقابت در بازار، از دغدغههای بهرهبرداران بازار برق است و کاهش قدرت بازار یکی از راههای دستیابی به یک بازار با سطح رقابت بالاتر است. از آنجا که قدرت بازار با آرایش سیستم انتقال در ارتباط است، در این پایاننامه موضوع تأثیر کلیدزنی انتقال بر قدرت بازار و درنظرگرفتن این تأثیر در فرآیند کلیدزنی انتقال مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا به بررسی اثرات کلیدزنی انتقال روی قدرت بازار در سیستم قدرت، پرداخته شده است. به این منظور، مسأله مرز رقابت برای در نظرگرفتن کلیدزنی انتقال توسعه داده شده است. در این مسأله، حداقل و حداکثر HHI به عنوان شاخصی برای ارزیابی میزان تمرکز مالکیت در سیستم قدرت با توجه به قیود پخش توان DC در شبکه در قالب یک مسأله بهینهسازی درجه دو ارزیابی میشود. مسأله بیشینهسازی HHI یک مسأله بهینهسازی نامحدب است که این موضوع بدین سبب که HHI یک تابع درجه دوم از تولید واحدهای نیروگاهی است، ایجاد میشود. برای اطمینان از دستیابی به جواب بهینه سراسری در مسأله مرز رقابت توسعه یافته، HHI به صورت تکهای خطی تقریب زده شده است. بدین ترتیب مسأله به صورت یک مسأله بهینهسازی خطی-عدد صحیح در میآید. اعمال مدل خطی-عدد صحیح به دست آمده بر روی شبکههای تست، نشان میدهند که کلیدزنی انتقال میتواند قدرت بازار را در یک سیستم قدرت تحت تأثیر قرار دهد. این اثرگذاری در مورد افزایش بیشینه HHI بیشتر است. به علاوه، این اثرگذاری در سطوح بار زیاد نیز بیشتر است. این موضوع نشاندهنده اثر نامطلوب کلیدزنی انتقال بر قدرت بازار، در صورت استفاده از آن بدون توجه به قدرت بازار است. در ادامه مدلی برای کلیدزنی دورهای بهینه انتقال به عنوان ابزاری برای بهرهبردار سیستم به منظور کاهش هزینه دورهای بهرهبرداری شبکه با در نظر گرفتن وجود قدرت بازار بازیگران، ارائه شده است. این مدل یک مسأله بهینهسازی سهسطحی است. در سطح اول تصمیم به خروج خطوط برای کل دوره با هدف حداقلسازی هزینههای بهرهبرداری کل دوره، در ابتدای دوره اتخاذ میشود. در سطح دوم، مسأله حداکثرسازی سود مالکین با در نظرگرفتن قدرت بازار و در سطح سوم، مسأله تسویه بازار مدل شده است. به کمک قضیه دوگانی قوی و شرایط KKT، مسأله حداکثرسازی سود هر مالک به یک مسأله بهینهسازی مقید به قیود تعادل که یک مسأله بهینهسازی تک سطحی است تبدیل میشود. از کنار هم قرار دادن این مسائل بهینهسازی تمام بازیگران در کل دوره، یک مسأله تعادل مقید به قیود تعادل، به دست میآید که به صورت دستهای از معادلات مساوی و نامساوی است. مدل تعادل حاصل شده، معادل قیود سطح دوم و سوم مسأله کلیدزنی بهینه دورهای انتقال است که با جایگزینی، یک مسأله بهینهسازی یکسطحی به دست میآید. این مسأله بهینهسازی تک سطحی، به کمک تکنیکهای خطیسازی، به فرم یک مسأله بهینهسازی خطی-عدد صحیح در آمده و بر روی یک شبکه تست اعمال شده است. نتایج، نشان میدهند که کلیدزنی دورهای بهینه انتقال میتواند هزینههای بهرهبرداری کل دوره را با درنظر گرفتن قدرت بازار بازیگران، کاهش دهد. به علاوه، باعث کاهش قدرت بازار بازیگران در مقایسه با حالتی میشود که کلیدزنی انتقال انجام نشود. کلمات کلیدی: کلیدزنی انتقال، قدرت بازار، مسأله بهینهسازی خطی عدد-صحیح، تعادل در بازار برق، مسأله بهینهسازی چند سطحی