Aspekty rynkowe planowania rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej Autor: Waldemar Dołęga - Katedra Energoelektryki, Wydział Elektryczny, Politechnika Wrocławska, 50 370 Wrocław, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, email: waldemar.dolega@pwr.edu.pl ("Energetyka" - 8/2015) Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane aspekty rynkowe planowania rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej. Rynek energii elektrycznej stwarza nowe wymagania dla planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. Podstawowym zadaniem procesu planowania jest likwidacja zagrożeń związanych z niezawodnością pracy oraz ograniczeń zdolności przesyłowej sieci, przy spełnieniu kryteriów dotyczących bezpieczeństwa dostaw energii. Rozwój rynku energii elektrycznej wymusza zwiększenie efektywności procesu planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. Procedury planistyczne powinny być ukierunkowane na intensywne wykorzystanie istniejącego potencjału infrastruktury sieciowej i efektywne określenie kierunków jej modernizacji lub rozbudowy. W warunkach rynkowych głównym ekonomicznym uzasadnieniem podjęcia inwestycji lub modernizacji infrastruktury sieciowej jest zmniejszenie kosztów ograniczeń przesyłowych uzyskane w wyniku zwiększenia zdolności przesyłowej sieci. Słowa kluczowe sieciowa infrastruktura elektroenergetyczna, rozwój, planowanie 1. Wprowadzenie Sieciowa infrastruktura elektroenergetyczna obejmuje: sieć przesyłową 400 i 220 kv, sieć dystrybucyjną 110 kv oraz sieć dystrybucyjną SN i nn. Planowanie jej rozwoju polega na nakreśleniu harmonogramu działań inwestycyjnych i modernizacyjnych w pewnym horyzoncie czasowym, zmierzających do optymalnego jej rozwoju w stopniu gwarantującym realizację przyszłych zadań [2]. Jest to złożony proces realizowany przez operatora systemu przesyłowego i operatorów systemów dystrybucyjnych zależny od bardzo wielu różnorodnych zdeterminowanych i niezdeterminowanych czynników natury: technicznej, ekonomicznej, prawnej, politycznej i społecznej. Proces ten zależy w znacznym stopniu od uwarunkowań zewnętrznych funkcjonowania sektora elektroenergetycznego. Wykazuje znaczne zróżnicowanie w warunkach gospodarki monopolistycznej i gospodarki rynkowej. W warunkach gospodarki monopolistycznej w procesie planowania rozwoju infrastruktury sieciowej stosowano podejście klasyczne, oparte tylko na kryteriach technicznoekonomicznych. Przy czym planowanie podporządkowane było wówczas głównie celom technicznym. Analiza ekonomiczna polegała na minimalizacji całkowitych rocznych kosztów utrzymania sieci w rozpatrywanym okresie umożliwiającej podejmowanie decyzji inwestycyjnych w obszarze rozwiązań spełniających arbitralne często wygórowane wymagania techniczne [2]. Niekiedy w analizie uwzględniano koszty społeczne.
W gospodarce rynkowej podstawę rozwoju infrastruktury sieciowej determinuje rynek energii elektrycznej. Konkurencja na rynku energii elektrycznej wymaga swobody w zakresie realizacji transakcji handlowych. Jej brak, wynikający z ograniczeń zdolności przesyłowej, jest przyczyną ograniczania konkurencji na rynku. Prowadzi to do zwiększenia kosztów zakupu energii elektrycznej przez odbiorców końcowych. Likwidacja ograniczeń przesyłowych zmniejsza koszt generacji wymuszonej. Wymaga jednak przeprowadzenia inwestycji lub modernizacji w obszarze infrastruktury sieciowej. Koszty infrastruktury sieciowej stanowią koszt uzasadniony działalności prowadzonej przez operatorów systemów i są pokrywane z opłat za usługę przesyłu lub dystrybucji, która obok ceny energii elektrycznej stanowi koszt zakupu energii elektrycznej przez odbiorców końcowych. W warunkach gospodarki rynkowej proces planowania opiera się na analizie mechanizmów rynkowych w celu identyfikacji potrzeb rozwojowych systemu oraz określenia harmonogramu inwestycji [6]. Odbywa się to przy spełnieniu ograniczeń: rynkowych, technicznych i środowiskowych. Proces planowania rozwoju infrastruktury sieciowej powinien uwzględniać realia prawnoadministracyjne i ekonomiczne funkcjonowania krajowego sektora elektroenergetycznego oraz uwarunkowania gospodarcze. Ostatnie lata zaowocowały dużymi zmianami w tych obszarach (zmiany wielu uregulowań prawnych, proces restrukturyzacji w sektorze elektroenergetycznym, itp.) mającymi istotny wpływ na metodologię planowania rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej [2]. Istnieje potrzeba dostosowania i weryfikacji istniejących procedur planistycznych w zakresie metodologii planowania rozwoju infrastruktury sieciowej do tych zmian. Wymaga to uwzględnienia obok warunków o charakterze technicznym i ekonomicznym również uwarunkowań prawno-administracyjnych, wybranych aspektów rynkowych czy ryzyka realizacji inwestycji sieciowych [2]. Problematyka ta jest bardzo szeroka dlatego w artykule ograniczono się do analizy wybranych aspektów rynkowych dotyczących procesu planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. 2. Aspekty rynkowe Rynek energii elektrycznej stwarza nowe wymagania dla planowania rozwoju sieci. Podstawowym zadaniem procesu planowania w warunkach rynku energii elektrycznej jest likwidacja zagrożeń związanych z niezawodnością pracy oraz ograniczeń zdolności przesyłowej sieci, przy spełnieniu kryteriów dotyczących długofalowego bezpieczeństwa elektroenergetycznego [1]. Brak wystarczających zdolności przesyłowych powoduje konieczność utrzymywania generacji wymuszonej, która ogranicza konkurencję na rynku energii elektrycznej i jest przyczyną zwiększenia kosztów zakupu energii elektrycznej przez odbiorców końcowych. W obszarze infrastruktury sieciowej szczególna rola przypada sieci funkcjonalnie przesyłowej, która wpływa na techniczne możliwości realizacji zawartych transakcji na rynku energii elektrycznej [1]. Przy czym sieć funkcjonalnie przesyłowa to sieć w której występuje
zależność przepływów energii od programów pracy źródeł wytwórczych. W warunkach krajowych jest to obok sieci przesyłowej 400 i 220 kv również sieć 110 kv. W przypadku linii 110 kv tylko niewielka ich liczba nie wykazuje znaczącej zależności od zmian generacji mocy w jednostkach wytwórczych przyłączonych do sieci 400 i 220 kv [1]. Od sieci 400/220/110 kv zależy koszt ograniczeń przesyłowych, który wynika z konieczności podjęcia produkcji energii elektrycznej przez droższe jednostki wytwórcze, aby zmniejszyć niedopuszczalne technicznie przepływy energii przez sieć (większe od obciążalności długotrwałej), pochodzące od źródeł tańszych. W związku z tym w procesie planowania szczególnie ważne jest przeprowadzenie analizy techniczno-ekonomicznej pracy systemu elektroenergetycznego (w skrócie SE) w wybranych przedziałach czasowych i oceny zagrożeń pracy sieci, obejmujących: przekroczenia ograniczeń technicznych oraz brak efektywności ekonomicznej fizycznych realizacji transakcji zawieranych na rynku energii elektrycznej [6]. W ramach tego procesu istotna jest właściwa identyfikacja ograniczeń przesyłowych oraz propozycje rozwiązań umożliwiających zwiększenie zdolności przesyłowej odznaczające się dużą efektywnością ekonomiczną. W warunkach rynku energii elektrycznej podstawowym celem planowania rozwoju infrastruktury sieciowej jest więc dodatkowo, obok zapewnienia technicznych warunków pracy SE, przystosowanie sieci dla potrzeb podmiotów do niej przyłączonych, mających prawo do korzystania z usług przesyłowych i zapewnienie im równoprawnego dostępu do sieci. Prawo to oznacza możliwość dowolnego zakupu energii elektrycznej od wytwórców i przedsiębiorstw obrotu energią elektryczną, w tym na różnego rodzaju giełdach energii elektrycznej (systemowej, lokalnych, internetowych). Cele procesu planowania mogą się różnić w zależności od wymagań i potrzeb uczestników rynku energii i mieć dla nich różną wagę [6]. Mogą obejmować następujące elementy: likwidacja lub łagodzenie ograniczeń przesyłowych, likwidacja lub łagodzenie potencjalnych zagrożeń w pracy SE, minimalizacja ryzyka inwestycyjnego, minimalizacja kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, zwiększenie niezawodności pracy sieci, zwiększenie elastyczności pracy sieci, zmniejszenie opłat przesyłowych, minimalizacja oddziaływania SE na środowisko naturalne, pobudzanie i ułatwianie konkurencji między podmiotami rynkowymi, umożliwienie niedyskryminującego dostępu do tańszej energii wszystkim odbiorcom. Uczestnicy rynku powiązani są w grupy interesów, oczekujących określonych korzyści z eksploatowania i rozbudowy infrastruktury sieciowej.
Funkcja celu w planowaniu infrastruktury sieciowej w warunkach rynkowych związana jest z minimalizacją tzw. lokalnej siły rynkowej (Local Market Power) lub maksymalizacją nadwyżki: rynkowej (Market Surplus), producenta (Producer Surplus) lub konsumenta (Consumer Surplus) [7]. Jej wybór ma kluczowe znaczenie dla procesu planowania, bowiem może prowadzić do odmiennych decyzji inwestycyjnych. Z punktu widzenia efektywności ekonomicznej procesu planowania w warunkach rynkowych wspólnym kryterium oceny wszelkich działań cząstkowych prowadzonych w ramach tego procesu powinien być ich wpływ na wartość nadwyżki rynkowej utożsamianej z dobrobytem społecznym [7]. Najczęściej funkcja celu obejmuje składniki kosztowe, istotne dla uzasadnienia ekonomicznego podjęcia inwestycji i modernizacji sieci. Należą do nich koszty budowy i eksploatacji infrastruktury sieciowej oraz koszty ograniczeń przesyłowych, koszty nieciągłości zasilania i koszty strat energii podczas jej przesyłu za pomocą sieci [2]. Przy czym druga grupa składników kosztowych wiąże się ze zwiększeniem kosztów zakupu energii elektrycznej przez odbiorców, spowodowanego koniecznością jej przesyłu do punktów odbiorczych i strat gospodarczych ponoszonych przez odbiorców w wyniku niedostatecznej jakości pobieranej energii. Proces optymalizacji polega na minimalizacji tych kosztów w obszarze rozwiązań dopuszczalnych określonym przez warunki brzegowe określone przez następujące wymagania techniczne: nie przekroczenie zdolności przesyłowych gałęzi sieci (linii i transformatorów), zachowanie dopuszczalnych poziomów napięć w węzłach, nie przekroczenie wytrzymałości zwarciowej aparatury łączeniowej, dotrzymanie zakresu produkcji mocy czynnej i biernej w jednostkach wytwórczych, zachowanie parametrów stabilnej pracy SE. Funkcjonowanie SE w warunkach rynku energii elektrycznej powoduje poszerzenie zakresu niepewności danych wejściowych, przewartościowanie funkcji realizowanych przez infrastrukturę sieciową oraz silny nacisk na zmniejszenie kosztów zarówno jej budowy jak i eksploatacji. Ten ostatni element jest szczególnie niekorzystny bowiem prowadzi do zmniejszenia poziomu inwestowania w infrastrukturę sieciową i do zwiększenia ryzyka wielkich awarii systemowych. Rozwój rynku energii elektrycznej wymusza zwiększenie efektywności planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. Procedury planistyczne ukierunkowane są na intensywne wykorzystywanie istniejącego potencjału sieci elektroenergetycznych i efektywne określenie kierunków ich modernizacji lub rozwoju [1]. Dąży się więc z jednej strony do maksymalnego wykorzystania istniejącej sieci a z drugiej do zwiększenia efektywności ekonomicznej inwestycji [5]. Takie działania są szczególnie ważne w kontekście utrudnień i barier formalno-prawnych w obszarze rozwoju infrastruktury sieciowej [3]. Ponadto na rynku energii nie ma możliwości pokrycia kosztów nietrafionych inwestycji, a jednocześnie
podmioty działające na rynku wymagają zapewnienia im odpowiedniej zdolności przesyłowej dla realizacji najtańszych transakcji handlowych, uwzględniających koszty przesyłu energii. W warunkach rynkowych głównym ekonomicznym uzasadnieniem podjęcia inwestycji lub modernizacji infrastruktury sieciowej jest zmniejszenie kosztów ograniczeń przesyłowych uzyskane w wyniku zwiększenia zdolności przesyłowej sieci. Przy czym efekty wynikające ze zwiększenia zdolności przesyłowej przyporządkowywane są uczestnikom rynku energii elektrycznej. W metodach planowania rozwoju infrastruktury sieciowej w warunkach rynkowych szczególnie ważne jest zagadnienie optymalnego rozpływu mocy. Realizuje się go najczęściej za pomocą metody OPF. Obliczenia wykonuje się wykorzystując istniejące oprogramowanie: MATPOWER, MCTN, CYMOPF, SCOPE i UC-GRS-OPF [2]. Optymalizację rozpływu mocy za pomocą metody OPF wykorzystuje się m.in. do wyznaczenia kosztów ograniczeń przesyłowych [4]. Wówczas funkcją celu w zadaniu OPF jest całkowity zmienny koszt wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej w SE. Rozwiązanie jest poszukiwane z uwzględnieniem ograniczeń technicznych związanych z: bilansem i wymaganym poziomem rezerw mocy, pewnością zasilania odbiorców, charakterystycznymi właściwościami jednostek wytwórczych, obciążalnością elementów systemu, poziomami napięć, warunkami zwarciowymi, stabilnością lokalną i globalną systemu elektroenergetycznego. Przy czym często stosuje się w procesie obliczeniowym uproszczenia polegające m.in. na pominięciu niektórych ograniczeń lub ich aproksymacji [4]. W warunkach rynkowych wybór strategii rozwoju infrastruktury sieciowej odbywa się na bazie kompleksowej analizy techniczno-ekonomicznej przy pogłębionym stanie niepewności danych wejściowych związanych m.in. z funkcjonowaniem gospodarki rynkowej i zjawiskami towarzyszącymi. Dodatkowo pojawia się konieczność podjęcia optymalnej decyzji rozwoju i rozważenia wielu uwarunkowań i parametrów. Wiąże się to ze zwiększonym ryzykiem, wynikającym z niepewności przyszłych warunków pracy sieci elektroenergetycznej. Operator systemu staje przed problemem podwójnego ryzyka prowadzącego do poniesienia strat. Jest to albo niedoinwestowanie, albo przeinwestowanie. Niedoinwestowanie prowadzi m.in. do utraty dodatkowych wpływów z opłat za usługę przesyłu lub dystrybucji oraz do zwiększenia ryzyka wielkich awarii systemowych [2]. Przeinwestowanie prowadzi do przewymiarowania sieci w stosunku do realnie występujących potrzeb i nietrafionych
inwestycji. Powoduje to zwiększenie kosztów funkcjonowania przedsiębiorstwa, co ma swoje odzwierciedlenie we wzroście poziomu opłat za usługę przesyłu lub dystrybucji energii elektrycznej i pogorszeniu konkurencyjności [2]. Ponadto w warunkach liberalizacji rynku energii podmioty w nim uczestniczące kładą silny nacisk na przygotowanie sieci zdolnej do realizacji transakcji zawieranych na rynku energii elektrycznej i nie chcą finansować przewymiarowanych i nietrafionych inwestycji sieciowych. Niedopasowanie procesu planowania do realnych mechanizmów rynkowych niesie ze sobą wzrost kosztów infrastruktury sieciowej i funkcjonowania systemu oraz brak reakcji na sygnały o istniejących (i powstających) ograniczeniach [5]. W warunkach rynkowych rozwój infrastruktury sieciowej można powiązać z analizą możliwości zwiększenia usług świadczonych przez operatora systemu w przypadku jej rozbudowy lub utraconych możliwości - w sytuacji opóźnienia inwestycji. Przedstawiony proces pozwala ocenić ekonomiczne i techniczne skutki rozwoju systemu w aspekcie rynkowym. Stanowi zagadnienie z obszaru planowania rozwoju w warunkach rynkowych. Konsekwencją takiego spojrzenia na rozwój infrastruktury sieciowej jest przeorientowanie metodyki planowania w zakresie modeli i kryteriów optymalizacyjnych oraz narzędzi programowych. 3. Wnioski Właściwa identyfikacja potrzeb rozwojowych infrastruktury sieciowej oraz określenie harmonogramu inwestycji wymaga uwzględnienia wybranych aspektów rynkowych w procesie jej planowania. Rynek energii elektrycznej stwarza nowe wymagania dla planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. Podstawowym zadaniem procesu planowania w warunkach rynku energii elektrycznej jest likwidacja zagrożeń związanych z niezawodnością pracy oraz ograniczeń zdolności przesyłowej sieci, przy spełnieniu kryteriów dotyczących bezpieczeństwa dostaw energii. Funkcja celu w planowaniu infrastruktury sieciowej w warunkach rynkowych związana jest z minimalizacją tzw. lokalnej siły rynkowej lub maksymalizacją nadwyżki: rynkowej, producenta lub konsumenta. Jej wybór ma kluczowe znaczenie dla procesu planowania, bowiem może prowadzić do odmiennych decyzji inwestycyjnych. Rozwój rynku energii elektrycznej wymusza zwiększenie efektywności procesu planowania rozwoju infrastruktury sieciowej. Procedury planistyczne powinny być ukierunkowane na intensywne wykorzystanie istniejącego potencjału infrastruktury sieciowej i efektywne określenie kierunków jej modernizacji lub rozbudowy.
W warunkach rynkowych głównym ekonomicznym uzasadnieniem podjęcia inwestycji lub modernizacji infrastruktury sieciowej jest zmniejszenie kosztów ograniczeń przesyłowych uzyskane w wyniku zwiększenia zdolności przesyłowej sieci. Literatura [1] Buchta F.: Optymalizacja strategii rozwoju sieci przesyłowej w warunkach rynkowych z uwzględnieniem ryzyka. Monografia. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Elektryka nr 1712, Gliwice 2006. [2] Dołęga W.: Planowanie rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej w aspekcie bezpieczeństwa dostaw energii i bezpieczeństwa ekologicznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2013. [3] Dołęga W.: Utrudnienia i bariery formalno-prawne rozbudowy i modernizacji sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej. Polityka Energetyczna, Zeszyt 2, 2011, str. 51-64. [4] Korab R.: Optymalizacja operatorstwa przesyłowego w krajowym systemie elektroenergetycznym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. [5] Popczyk J. (red.): Bezpieczeństwo elektroenergetyczne w społeczeństwie postprzemysłowym na przykładzie Polski. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009. [6] Przygrodzki M.: Modelowanie rozwoju sieci elektroenergetycznej współpracującej ze źródłami rozproszonymi. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. [7] Sauma E. E., Oren S. S.: Economic Criteria for Planning Transmission Investment in Restructured Electricity Markets. IEE Transactions on Power Systems Vol. 22 No. 4, November 2007, p. 1394-1405. Market aspects of electric power network infrastructure development planning Key words electric power network infrastructure, development, planning Annotation In this paper, selected market aspects of electric power network infrastructure development planning are shown. Electricity market creates new requirements for network infrastructure development planning. Main task of planning process is elimination of hazards connected with reliability and restrictions of network transmission capacity, when criterions of energy supply security are fulfilled. Electricity market development enforces increasing of effectiveness of network infrastructure development planning process. Planning procedures should be directed to intensive utilization of existing potential of network infrastructure and effective definition of directions of its modernization and expansion. In market conditions, main economic justification for investments or modernization of network infrastructure is decreasing of transmission limits costs obtained from increasing of network transmission capacity.