Tržište električne energije i eksploatacija deregulisanih elektroenergetskih sistema

Funkcionisanje elektroenergetskih sistema (EES-a) počiva na fundamentalnim fizičkim zakonima.

Sa druge strane su komercijalne i finansijske aktivnosti. Te dve grupe aktivnosti su uslovljene i utiču jedna na drugu. Do sada su analizirani samo problemi u vertikalno integrisanim EES-ima. U njima nije postojalo tržište kao problem, jer su profiti određeni državnom regulativom. U novim uslovima i elektroprivreda postaje tržišna, kao javni servis (primer železnice, PTT …).

Prvi korak je rasprezanje (Unbundling) na pojedine funkcionalne podsisteme. Među njima postoji slobodna konkurencija. Smatra se da to vodi boljim uslugama.

Suština je da se ekonomičan rad sistema umesto po kriterijumu minimizacije troškova, sada sprovodi po kriterijumu maksimizacije profita.

Pojam tržišne ravnoteže objašnjen je na slici (satni blokovi su u [MWh/h]):

Na prethodnoj slici indeks “S” označava krivu ponude (Supply), a indeks “D” krivu tražnje (Demand), dok MCP utvrđena jedinična tržišna cena (MCP – Market Clearing Price).

Kriva potražnje je opadajuća, pošto su potrošači spremni da kupe veću količinu električne energije ako je cena niža. Tržište ne mora biti uravnoteženo. Ako nije, postoji višak ili manjak proizvodnje.

Elektroenergetski basen

Engleski termin je “Power Pool”.

Osnovni cilj eksploatacije deregulisanog EES-a je minimizacija pogonskih troškova. Da bi se to postiglo, dolazi do ukrupnjavanja EES-a i udruživanja nezavisnih elektroprivrednih preduzeća u elektroenergetske bazene. Time se članice štite od spoljašnje konkurencije i postižu se globalne uštede u bazenu. U bazene se uključuju i nezavisni proizvođači.

Klasifikacija bazena može se izvršiti po različitim kriterijumima:

1. Ulozi operatora sistema u eksploataciji. Može biti vrlo različita: od zajedničkog angažovanja agregata i dispečinga, ugovaranje i kontrola međukompanijske razmene, pa čak do zajedničkog planiranja razvoja i mreže.
2. Način ugovaranja transakcija. Mogu biti bilateralni ugovori, ili bazenska koordinacija (na bazi ponude i potražnje).

Postoje tri osnovna tipa elektroenergetskih bazena:

1. Elektroenergetski bazeni za koordinaciju razmene energije.
2. Elektroenergetski bazeni sa zajedničkom dispečerskom službom.
3. Brokerski sistemi.

1. Formiraju se kada se imaju velike razlike marginalnih pogonskih troškova. Kupuje se energija sa nižim marginalnim troškovima. Problem se komplikuje ako ugovorne strane nisu susedi i nemaju spojne vodove. Tada se moraju uključiti operatori svih sistema preko kojih se vrši tranzit. Tada su od uticaja i troškovi tranzita.

2. Centralizovano upravljanje proizvodnjom celog sistema. Moguće je čak i centralizovano planiranje remonta i razvoja. Kriterijum optimizacije tada je:

gde su:

• $C(P_{gim})$ – proizvodni troškovi;
• $i = 1, 2, \cdots, NG_m$ – proizvođači m-tog učesnika;
• $m = 1, 2, \cdots, NU$ – broj učesnika u bazenu.

Skup ograničenja koji se mora zadovoljiti u prethodnoj optimizaciji je:

• $\sum\limits_i P_{gim} + \sum\limits_k T_{km} = P_{pm}$ – bilans individualnih učesnika u sistemu;
• $T_{km} \le T_{km}^{max}$ – ograničenje transfera snage između dva sistema;
• $T_{km} = \dfrac{\theta_k - \theta_m}{X_{km}^g}$ – tok snage transfera (izračunat DC modelom tokova snaga).

Optimalno rešenje daje očekivane snage proizvodnih jedinica i proizvodne troškove.

Gornji problem može se rešiti primenom proširene Lagrange-ove funkcije:

gde su $\lambda_m$ i $\gamma_{km}$ Lagrange-ovi multiplikatori (dualne promenljive).

Veliko $\lambda_m$ je indikacija da se mogu postići velike uštede ako se potrebe m-te kompanije smanje (veliko narušavanje ograničenja), odnosno ako se uvozi energija.

Generalno, dualne promenljive su nula ako njihovo ograničenje nije narušeno. Počinju da deluju samo sa narušavanjem ograničenja.

3. Brokerski sistemi.

Broker je posrednik na bilateralnom tržištu. On organizuje promet, ali ne kupuje/prodaje za sebe proizvode (u ovom slučaju električnu energiju), ili usluge.

Svaki sistem samostalno koordinira eksploataciju, odnosno donosi odluku o uvozu/izvozu i cenama.

Broker na bazi ponude određuje plan i satni raspored razmene, tako da se brzo sprovodi transakcija i bolja ekonomija sistema. Umesto ekonomskog dispečinga sprovode se optimalni tokovi snaga (OPF – Optimal Power Flow) za linearizovane funkcije troškova. Kada se jednom odrede karakteristike marginalnih troškova preduzeća, one dostavljaju blokove ponuda (objašnjeno na prethodnoj slici).

Optimalne transakcije dobijaju se optimizacijom:

Kada broker finalizuje transakciju, njena cena se formira kao srednja vrednost:

Uštede preduzeća kupca su umanjenje troškova proizvodnje od plaćanja prodavcu:

dok je ušteda preduzeća prodavca dohodak koji se dobija od preduzeća kupca pridodat troškovima proizvodnje:

Tržište električne energije

Tržištem rukovodi, odnosno organizuje ga:

1. Operator tržišta (MO – Market Operator).
2. Nezavisni operator sistema (ISO – Independent System Operator).
3. Operator prenosnog sistema (TSO – Transmission System Operator).

Postoje četiri vrste tržišta:

1. Buduće tržište (odnosi se na dugoročne transakcije).
2. Tržište za naredni dan (vremenski opseg od 24 h pre realizacije transakcije).
3. Tržište za naredni sat (Spot tržište) služi za izravnavanje satnih bilansa, u okviru prethodnog tržišta.
4. Rad u realnom vremenu, kada se bilansiraju trenutne potrebe, a nastale troškove posle isteka realnog vremena zaračunavaju onima koji su ih izazvali.

Tržište bi trebalo da bude savršeno konkurentno, što se ima ako je:

• •Homogenost dobra sa kojim se trguje (električna energija), odnosno moguća je zamena partnera u trgovini.
• •Veliki broj prodavaca i kupaca (malih u odnosu na veličinu tržišta), čime se isključuje monopol.
• •Uspostavljanje pravila za slobodan pristup tržištu svih zainteresovanih.
• •Cene (određene marginalnim troškovima) se određuju na tržištu i obavezuju prodavce i kupce.

Gornji uslovi stvaraju šansu i kupcu i prodavcu za profit. Monopol je isključen. Ako su prethodni uslovi ispunjeni, onda je tržišna cena određena na prethodni način.

Prethodno dati dijagram blokova ponude i potražnje električne energije je lako crtati ako postoji po jedan prodavac i kupac. Teže ga je nacrtati kada ih ima više. Tada se formiraju agregisani dijagrami ponude i potražnje.

Prethodno podrazumeva elastične dijagrame potrošnje (promenljiva potrošnja), ali se postupak može primeniti i na krute dijagrame potrošnje (konstantna potrošnja).

Postoje dva osnovna tipa tržišta:

• •Tipa elektroenergetskog bazena (POOLCO), koji postoji u Velikoj Britaniji, Australiji, Latinskoj Americi ...
• •Tipa slobodnog (direktnog) pristupa i bilateralnih ugovora.

POOLCO

POOLCO je centralizovana organizacija, u kojoj učesnici maksimiziraju profit. Sve ponude se dostavljaju POOL-u, koji za račun svojih članova rešava problem angažovanja agregata i ekonomski dispečing. Rezultujuća cena dobijena na osnovu marginalnih cena daje se proizvođačima i potrošačima.

POOLCO je u osnovi organizacija za trgovinu električnom energijom. Za satnu osnovu se dostavljaju ponude. POOLCO rangira ponude po rastućoj ceni, čime se favorizuju jeftiniji proizvođači. Distribucije kupuju energiju od POOLCO.

Ponuđena jedinična cena na POOLCO tržištu odgovara proizvodnoj ceni poslednjeg angažovanog agregata (marginalna jedinica i marginalna cena). Dakle, marginalni agregat određuje cenu energije za sve učesnike na tržištu.

U ovom tipu tržišta kupoprodaja se sprovodi kroz tri koraka:

• •Ekonomična raspodela opterećenja na agregate (ekonomski dispečing koji obezbeđuje minimum operativnih troškova).
• •Određivanje marginalne jedinice i njene proizvodne cene kao tržišne.
• •Naplata energije kupcima i isplata proizvođačima.

Tržište slobodnog (direktnog) pristupa i bilateralnih ugovora

Engleski termin je “Free Access Market (FAM)”.

Ovo tržište je jako decentralizovano i omogućava kupcima, prodavcima i drugima da slobodno pregovaraju i sklapaju ugovore (direktne, bilateralne). Na ovom tržištu postoje brokeri i dileri.

Broker je firma ili pojedinac, koji igra ulogu posrednika na bilateralnom tržištu, odnosno zastupa druge kompanije (kupce i prodavce). Broker ne kupuje/prodaje energiju za svoj račun, već je samo posrednik u trgovini drugih. Ako kupuje za sebe, onda je on diler.

Diler je posrednik na bilateralnom tržištu, koji kupuje energiju za svoj račun, pa je zatim preprodaje i ostvaruje profit.

Ovaj tip tržišta funkcioniše slično kao drugih tipova roba.

Zajednička karakteristika oba napred opisana tipa tržišta je da rade na principu troškova i dobiti, uz maksimizaciju profita.

U svetu postoje i mnoge hibridne strukture.

Prenosne organizacije (TRANSCO)

Prenosni sistem je sistem koji vodovima visokog napona povezuje sve velike elektrane i potrošačke centre. TRANSCO su u obavezi da prenesu svu energiju koja se ugovori između proizvođača i potrošača. One poseduju prenosnu mrežu i imaju obavezu da je grade, proširuju i održavaju. One praktično po svojoj funkciji imaju monopolski položaj, pa im poslovanje reguliše država, sa ciljem da se omogući slobodan pristup svim učesnicima.

Po pravilu, prenosna preduzeća nemaju u svojini elektrane, niti učestvuju u kupoprodajnim transakcijama na tržištu. Na tržištu se trguje pravima prenosa, za koje se naplaćuju stalni troškovi (troškovi pristupa) i promenljivi troškovi (troškovi korišćenja prenosne mreže, srazmerni prenetoj energiji i snazi), kao i troškovi zagušenja koji destimulišu nepovoljne lokacije proizvodnje i potrošnje.

Prenosnom mrežom upravlja TRANSCO (Evropa) ili ISO (USA).

Prodaja prenosnih prava vrši se na centralizovanoj licitaciji. Moguće je ugovaranje prava prenosa između tačno određenih čvorova. Pri tome, prenosna mreža jako utiče na troškove eksploatacije i planiranje EES-a.

Komponente troškova prenosa su:

• •Troškovi prava na pristup prenosnoj mreži (plaćaju svi učesnici u transakcijama).
• •Troškovi korišćenja prenosne mreže (zavise od količine prenete energije).
• •Troškovi gubitaka u prenosu.
• •Udeo u troškovima anuiteta na investicije u postojeću prenosnu mrežu.
• •Troškovi budućeg pojačanja (razvoja) prenosne mreže.

Lokalna marginalna cena

Engleski termin je “Locational Marginal Price (LMP)”.

To je cena koja karakteriše isporuku električne energije u pojedinim čvorovima. Pored proizvođačkih cena, na LMP utiču gubici i troškovi zagušenja prenosne mreže.

Lokalne marginalne cene se dobijaju iz maksimizacije socijalne dobiti, koja predstavlja razliku između ukupnih plaćanja potrošača i plaćanja generatorima:

uz uvažavanje ograničenja:

• Bilansa snaga (zanemareni gubici): $\boldsymbol{e}^{\mathrm{T}}(\boldsymbol{P}_p - \boldsymbol{P}_g) = 0$;
• Ograničenja snaga injektiranja: $\boldsymbol{P}^{\min} \le \boldsymbol{P} \le \boldsymbol{P}^{\max}$;
• Ograničenja tokova snaga po granama: $\boldsymbol{P}_b^{\min} \le \boldsymbol{SF}\cdot\boldsymbol{P} \le \boldsymbol{P}_b^{\max}$,

gde su ograničenja injektiranja $\boldsymbol{P}_g^{\min} - \boldsymbol{P}_p^{\max} \le \boldsymbol{P}_g - \boldsymbol{P}_p \le \boldsymbol{P}_g^{\max} - \boldsymbol{P}_p^{\min}$.

Proširena Lagrange-ova funkcija za prethodnu formulaciju linearnog programiranja je:

gde su:

• $\boldsymbol{\gamma}^{\min}, \boldsymbol{\gamma}^{\max}$ – cena narušavanja ograničenja injektiranja, odnosno dualne promenljive donjih i gornjih granica ograničenja injektiranja;
• $\rho$ – dualna promenljiva za ograničenje jednakosti bilansa snaga, odnosno marginalna proizvodna cena energije (“cena energije”);
• $\boldsymbol{SF}$ – matrica osetljivosti promena tokova snaga na promene injektiranja u čvorovima (Shift Factor Matrix);
• $\boldsymbol{\lambda}^{\min}, \boldsymbol{\lambda}^{\max}$ – cena narušavanja ograničenja tokova snaga po granama, odnosno dualne promenljive donjih i gornjih ograničenja tokova snaga po granama.

Diferenciranjem prethodne proširene Lagrange-ove funkcije po injektiranju u čvorovima ($\dfrac{\partial\Im}{\partial\boldsymbol{P}}$), i selektovanjem njenih delova koji odgovaraju promenljivim mreže, dobijaju se lokalne marginalne cene:

gde je $K^{bind}$ skup narušenih ograničenja tokova snaga.

Iz prethodne formulacije mogu se dobiti i alternativni izrazi za lokalne marginalne cene na bazi promenljivih generatora i potrošača. Svakako, vrednosti su iste.

Ako se u formulaciji uvaže i gubici snage, po analogiji se može dobiti prošireni izraz za lokalne marginalne cene:

U prethodnim izrazima su:

• $(\mathit{LF})_i = \dfrac{\partial(\Delta P_g)}{\partial P_i}$ – faktori gubitaka koji definišu osetljivost gubitaka ($\Delta P_g$) na promene snage injektiranja u čvorovima [osim referentno-balansnog (SL)];
• $\mathit{SF}_\ell^i$ – faktor preraspodele, koji daje osetljivost promene toka snage po $\ell$-toj grani na promene injektiranja u čvorovima (osim referentno-balansnog (SL)).

Iz prethodnog se zaključuje da je za referentno-balansni čvor $(\mathit{LF})_{SL} = 0$ i $\mathit{SF}_\ell^{SL} = 0$, pa je $\mathit{LMP}_{SL} = \rho$.

Troškovi tranzita električne energije

Tranzit je razmena energije koja se ne obavlja direktno između zainteresovanih sistema, već posredstvom prenosne mreže trećeg sistema. Tranziti se obavljaju na osnovu planiranih programa. Međutim, zbog fizičkih zakona takav prenos utiče na sve učesnike u interkonekciji. Povećani su gubici, a samim tim i troškovi, pa dve zainteresovane strane moraju nadoknaditi te troškove.

Postoje četiri vrste tranzita električne energije:

• •Tranzit između dva regulisana EES-a, korišćenjem prenosne mreže treće strane.
• •Tranzit potrošača, kada on kupuje energiju od neke elektroprivrede za čiji prenos koristi mrežu treće strane.
• •Tranzit isporučioca, kada neki nezavisni proizvođač energiju transportuje preko mreže treće strane.
• •Tranzit između kupca i prodavca, kada se ugovorena prodaja transportuje preko tuđe prenosne mreže.

U UCTE tranzit se naplaćuje po dva merljiva kriterijuma:

• •Promena toka snage po $\ell$-tom spojnom vodu:

• •Promena momenta tranzita po $\ell$-tom spojnom vodu:

Prethodni elementi se proračunavaju modelom tokova snaga u redukovanoj mreži, u kojoj su prikazani svi međusistemski spojni vodovi i ekvivalentni interni prenosni vodovi.

TRM se proračunava na osnovu najmanjeg (pravolinijskog) rastojanja:

gde je $P_{ij}^{th}$ srednja satna snaga tranzita.

Ukupna mera nadoknade za tranzit, koju plaća isporučilac ili primalac, izračunava se kao:

gde je:

učešće $\ell$-tog spojnog voda i-tog sistema u troškovima tranzita.

Tržište pomoćnih usluga

Tržište pomoćnih usluga, odnosno dopunskih delatnosti (Ancillary Services) podrazumeva one aktivnosti bez kojih tehnički nije moguće funkcionisanje EES-a.

U vertikalno integrisanim EES-ima ovi troškovi su uključeni u cenu koju plaćaju potrošači.

Neke od pomoćnih usluga koje se prodaju u različitim sistemima su:

• –Održavanje ravnoteže između proizvodnje i potrošnje, putem regulacije zajedničke učestanosti sistema i obezbeđenje rezerve koja se koristi u tu svrhu (regulaciona rezerva, AGC).
• –Obezbeđenje potrebnog naponskog profila, koji obezbeđuje naponsku stabilnost putem regulacije napona, proizvodnje i tokova reaktivnih snaga.
• –Kontrola i obezbeđenje pogonske sigurnosti sistema (eliminacija uskih grla i preopterećenja vodova i transformatora).
• –Realizacija ekonomskog dispečinga (tržište tipa POOLCO) na bazi minimuma pogonskih troškova.
• –Obezbeđenje sredstava za brzo obnavljanje sistema posle delimičnih ili totalnih raspada sistema, primenom procedura havarijskog upravljanja.

Slično kao i za energiju, podnose se ponude za pomoćne usluge. Često se usluge nude sekvencijalno, ili simultano. Na primer, jedan redosled sekvencijalnih usluga:

• –Regulaciona rezerva.
• –Havarijska obrtna rezerva.
• –Operativna rezerva.
• –Rezerva za zamenu ispalih kapaciteta (topla, hladna i remontna rezerva).

Troškovi pomoćnih usluga kreću se u opsegu 5–25 %, a srednja vrednost u SAD je oko 10 % od cena energije. Svaka od gore nabrojanih usluga ima svoju cenu. Ovo je dosta različito od sistema do sistema, tako da se teško može generalizovati.

Primer cena pomoćnih usluga koje važe u SAD:

1. Priprema pogona i upravljanje u realnom vremenu (kontrola energetskih transakcija i razmene sa susedima) – 4%.
2. Obezbeđenje naponskog profila, automatska regulacija napona (AVR) u prenosnoj mreži i upravljanje proizvodnjom i tokovima reaktivnih snaga – 12 %.
3. Regulacija učestanosti sistema i odate snage generatora (AGC), uključujući regulacionu rezervu – 9 %.
4. Kontrola ostvarenja ugovora o kupovini i prodaji – 11 %.
5. Upravljanje operativnom rezervom (rotirajućom i nerotirajućom) – 16 + 18 = 34 %.
6. Obezbeđenje stabilnosti i sigurnosti (stabilizatori EES-a, FACTS, STATCOM ...).

Učesnici na slobodnom tržištu električne energije

U slobodnim tržištima električne energije javlja se puno novih učesnika u odnosu na tradicionalnu (vertikalnu) organizaciju:

• –Operator tržišta (MO – Market Operator).
• –Nezavisni operator sistema (ISO – Independent System Operator).
• –Operator prenosnog sistema (TSO – Transmission System Operator).
• –Preduzeća za proizvodnju električne energije: Generatorske kompanije (GENCO – Generation Company), Nezavisni proizvođači (NUG – Non-Utility Generators) i Nezavisni proizvođači (IPP – Independent Power Producers).
• –Kompanija za prenos energije (TRANSCO – Transmission Company).
• –Veliki potrošači (CUSTOMERS – Customers).
• –Snabdevači ili trgovci (SUPPLIERS – Suppliers).
• –Distributivna preduzeća, ili kupci (DISCOs – Distribution Companies).
• –Preduzeća za trgovinu energije za tarifne kupce (RETAILCOs – Retail Companies).
• –Zastupnici ili udruženja potrošača (Agregators).
• –Brokeri.
• –Dileri.

Nezavisni operator sistema (ISO)

Ovo je centralni učesnik u deregulisanim tržištima električne energije. Osnovni zadatak mu je da obezbedi sigurnost i pouzdanost snabdevanja u sistemima kojim rukovodi, fer tarife za sve i pomoćne usluge za rad.

Postoje dve osnovne kategorije ISO:

• •Operatori u POOLCO tržištima imaju funkcije planiranja (pripreme) pogona, angažovanje agregata i ekonomski dispečing raspoloživih proizvodnih kapaciteta, kao i administraciju tržišta i gazdovanje prenosnom mrežom (sigurnost, naplata i drugo). Primeri zemalja: Velika Britanija, Australija, SAD ...
• •Operatori u tržištima tipa slobodnog pristupa (bilateralnih ugovora). Transakcije su bilateralne, pa ISO tu nema neke nadležnosti (na primer, za angažovanje agregata, ekonomski dispečing i drugo). Njegovi zadaci su održavanje sigurnosti i pouzdanosti.

Bez obzira na tip tržišta ISO ima sledećih pet funkcija:

1. Kontrola elektroenergetskog bilansa: 1) srednjeročna (nekoliko meseci do jedne godine) i kratkoročna (jedan dan do jedne sedmice).
2. Funkcije nadzora i upravljanje radom sistema.
3. Održavanje sigurnosti i pouzdanosti EES-a.
4. Obezbeđenje kvaliteta servisnih usluga.
5. Promocija ekonomske efikasnosti i pravičnosti.

Svaki ISO ima vremenski određene funkcije:

• –Period pripreme pogona.
• –Rad u realnom vremenu.
• –Analiza ostvarenog pogona.

Vrlo je važno napomenuti da je ISO neprofitna organizacija.

Operator prenosnog sistema (TSO)

Obavljanje delatnosti prenosa, upravljanja i distribucije je prirodni monopol.

Prenosna kompanija povezuje proizvođače i velike potrošače. Vrlo je važno da se spreči monopolski položaj. Nema diskriminacije za korišćenje usluga prenosa.

Usluge prenosa se odvajaju od proizvodnje. Tada se javljaju tri standardna učesnika: GENCO, TRANSCO i DISCO. Njihov rad koordinira ISO, i te svoje usluge naplaćuje. To je po pravilu američka organizacija.

U Evropi se spaja uloga ISO i prenosa i formira se TSO (TSO = ISO + TRANSCO), dok proizvodnja i distribucija nastavljaju rad kao nezavisne kompanije.

TSO je komercijalna organizacija. Međutim, on ne sme biti interno povezan sa drugim učesnicima na tržištu. Troškovi TSO ulaze u troškove prenosa. Ovo je situacija i u našoj zemlji.

Preduzeća za proizvodnju na tržištu električne energije

Ova preduzeća poseduju elektrane. Postoji više kategorija: GENCO, IPP i NUG. Imaju samo jedan cilj: maksimizaciju profita, ne vodeći računa o problemima čitavog sistema, osim ako nisu za to posebno stimulisani.

POOLCO: Dostavljaju ponude ISO i TSO (količine i cene). Takođe, dostavljaju druge tehničke podatke: minimalna i maksimalna opterećenja, troškovi zaustavljanja i pokretanja, na osnovu kojih se radi angažovanje agregata i ekonomski dispečing.

Bilateralna tržišta: Direktno sklapaju ugovore sa agentima prodaje energije i pomoćnih usluga. Ugovori su dugoročni. Ako postoji satno tržište, onda se dostavljaju ponude za Spot tržište. GENCO donosi ponude dan unapred. GENCO su sami odgovorni za izradu plana angažovanja svojih agregata. Da bi se izbegli gubici na Spot tržištu planovi moraju biti realni.