1

TRANSPORTE DE ELECTRICIDADSISTEMAS ELÉCTRICOS INTERCONECTADOS

SESIÓN 6

Señales Dirigidas a la Operación yLocalización de los Agentes

Mario PereiraPSRI

Santiago de Chile, 16-19 Noviembre 1999

2

TEMARIO

• el Mercado Mayorista y la remuneración “spot” ensistemas uninodales

• señales para la expansión de la generación bajocompetencia

• el Mercado Mayorista y la remuneración “spot” ensistemas con restricciones de transmisión

• señales para la expansión de la transmisión bajocompetencia

• el congestionamiento de la transmisión y el “exposure”de los agentes generadores

• contratos de congestionamiento

• la experiencia brasileña

• la experiencia internacional (Cal ISO y PJM)

3

MERCADO REGIONAL DE ENERGÍA

Colombia

Ecuador

Perú-SICN

Perú-SISUR

Bolivia

Chile-SING

Chile-SIC

ArgentinaMercado

ArgentinaComahue

Paraguay

Uruguay

Brasil-N

Brasil-NE

Brasil-SE

Brasil-Sur

Venezuela

4

MERCADO REGIONAL DE ENERGÍA

• tasas de crecimiento elevadas

• fuerte participación hidro

• restricciones estructurales de transmisión

• reestructuración de los sectores eléctricos basada en lainversión privada

• mercados mayorístas de energía “spot”

0

50

100

150

200

250

A ño 2 000 A ño 2 005 A ño 2 010

G W

H idro T érm ica

5

DESPACHO NODO ÚNICO

El despacho nodo único se plantea como el siguienteproblema de optimización (para facilitar la notación, no seutiliza el índice horario t):

z0 = Min ∑i=1

n ci g

0i multiplicador

sujeto a

∑i=1

n g0

i = ∑i=1

n di π0

d

g0 ≤ g_

π0g

• Procedimiento de solución

El despacho térmico es un problema de programaciónlineal (PL), el cual se puede resolver por paquetescomputacionales disponibles. En este ejemplo sencillo, eldespacho de generación se puede resolver por inspección:cargue los generadores por costo operativo cresciente hastaatender la demanda. Para simplificar la notación, se suponeque los generadores j = 1,..., J ya están ordenados por costooperativo cresciente, y que j* es la última unidad cargada,conocida como generador marginal.

6

CÁLCULO DEL PRECIO “SPOT”

El precio “spot” del sistema es la derivada del costooperativo con respecto a la demanda, ∂z/∂d. De la teoría deprogramación lineal, se tiene que esta derivada es elmultiplicador simplex πd asociado a las restricciones desuministro a la demanda:

∂z/∂d = πd

En este caso sencillo, el valor de πd se puede obtener porinspección, pues se sabe que un aumento en la demanda secompensa por un aumento en la producción del generadormarginal j*. Por lo tanto,

∂z/∂d = πd = cj*

7

EJEMPLO

Características de los generadores

Nombre capacidad(MW)

costo operativo($/MWh)

G1 10 8G2 5 12G3 20 15

Demandas

Nombre demanda(MWh)

D1 6D2 14

El despacho óptimo sin restricciones es (valores em MWh):

G1 = 10G2 = 5G3 = 5

El generador marginal en este caso es G3. Por lo tanto, elprecio “spot” del sistema es $15/MWh, que corresponde alcosto operativo de esta térmica.

8

BALANCE DE PAGOS EN EL MME - UNINODAL

Agente generación ycarga (MWh)

ingresoy pago ($)

G1 10 150G2 5 75G3 5 75D1 -6 -90D2 -14 -210Total 0

Los ingresos de los generadores y los pagos de la demandasuman cero. En otras palabras, el balance en el MME en elcaso del despacho ideal nodo único es puramente contábil,y no requiere que su administrador tenga responsabilidadesfinancieras.

9

PRECIOS “SPOT” Y EXPANSIÓN ÓPTIMA

• Se mostra que un mercado de competición perfecta conremuneración“spot”, donde los agentes individualesententan maximizar sus gananzas, conlleva a laconstrucción del plan de mínimo costo global, es decir,al atendimiento más económico de la demanda. En otraspalabras, el mecanismo de mercado sería suficiente parainducir el óptimo social, no siendo por lo tanto necesarioun planeamiento centralizado de la expansión.

10

EXPANSIÓN ÓPTIMA - CENTRALIZADO

El objetivo de la planificación de la expansión esdeterminar las inversiones en generación que minimizan lasuma de los costos de construcción y operativos. El planóptimo se obtiene como la solución del siguiente problemade optimización:

Min I(g_) + O(g

_)

Costooperativo

O(g_)

Costo deInversión

I(g_)

capacidad g_

El punto de mínimo costo total se obtiene igualando lasderivadas de las dos curvas:

∂I(g_)/∂g

_ = -∂O(g

_)/∂g

_

donde:∂I(g

_)/∂g

_ es costo unitario de inversión del equipo

-∂O(g_)/∂g

_ es el beneficio marginal de capacidad.

11

EL ESQUEMA COMPETITIVO

• Ingreso Neto

Los generadores en el sistema de libre competencia recibenen cada hora un pago ($) que corresponde al precio “spot”del sistema ($/MWh) multiplicado por su producción enesta hora (MWh). El ingreso neto de la planta es ladiferencia entre este pago horario y el costo de producir laenergía, que es basicamente asociado al costo decombustible:

Rj = (πd - cj)×gj

Los agentes del sistema utilizan los ingresos netos pararemunerar las inversiones pasadas y para la toma dedecisión con respecto a nuevas inversiones: si la planta eseconómicamente atractiva, el valor presente de sus ingresoshorarios a lo largo de su vida útil debe exceder su costo deinversión; en caso contrario, la planta no se justificaría.

• Relación entre el Ingreso Neto y el Beneficio deCapacidad

Rj = -πgj × g_

j

Es equivalente remunerar la planta por su generaciónhoraria o por su capacidad.

12

EXPANSIÓN ÓPTIMA - ESQUEMA COMPETITIVO

capacidad g_

ingreso netoR (g

_)

costo deinversión I (g

_)

max. lucroindividual

óptimosocial

otrasinversiones

$

• Igualdad entre el Punto de Equilibrio y elÓptimo Social

• En un sistema en equilibrio, el valor presente de losingresos “spot” es igual a los costos de inversión, lo quecorresponde al suministro de costo mínimo global.Debido a esta propiedad, se dice que el sistema de librecompetencia y remuneración “spot” puede inducir elmismo óptimo social de la planeación centralizada

13

VOLATILIDAD DEL INGRESO “SPOT”

• En la implantación de un esquema "spot", uno de losprimeros aspectos que se observa es la variación deprecios, típicamente causada por fluctuaciones de lademanda, indisponibilidad de los equipos y variación delos costos del combustible.

tiempo

T1 T2

$/MWh costo operativo

• Dado que los compromisos financieros de un generador,remuneración del personal, remuneración de inversión,etc., son en general a largo plazo, esta variación en flujode caja aumenta los riesgos de inversión, y tiene unimpacto negativo en el proceso de competición en loscostos finales de energía. De manera análoga, lavariación de precios también es indeseable para losconsumidores.

14

EJEMPLO

D2 ⇔ G1 (8 MWh)D1 ⇔ G3 (6 MWh)

Agente gener.(MWh)

consumo nocontratado

(MWh)

consumocontratado

(MWh)

ingresoo pagospot ($)

ingreso.O pagoneto ($)

G1 10 -8 150-120 30G2 5 0 75-0 75G3 5 -6 75-90 -15D1 0 0 0D2 -6 -90 -90Total 20 -6 -14 0

El balance del MME no incluye los pagos que las demandashacen a los agentes (en este caso, los generadores) por suservicio de contrato. Estos pagos son arreglos privados,firmados directamente por los agentes involucrados. Laúnica información que se requiere en el MME es lacantidad de MWhs contratada.

15

PLANTEAMIENTO DEL DESPACHO MULTINODAL

z1 = Min ∑i=1

n ci g

1i multiplicador

sujeto aBθ + g1 = d πd

γSθ ≤ f_

g1 ≤ g_

El despacho operativo multinodal se resuelve a través detécnicas de optimización, por ejemplo la programaciónlineal (PL). Así como en el caso uninodal, el precio “spot”del sistema es el multiplicador simplex πd asociado a lasrestricciones de suministro a la demanda. Se observa quelos precios “spot” varían para cada nodo.

16

EJEMPLO - DESPACHO MULTINODAL

A B

D1 D2

G1 G2 G3

FAB < 7

El despacho óptimo del sistema con restricciones estáilustrado abajo (valores em MWh)

A B

6 14

10 3 7

7

Se observa que la exportación del nodo A (que contiene losgeneradores más baratos) para el nodo B (que contiene elgenerador más caro) está limitada por la capacidad de lalínea de transmisión. El nodo A es conocido como“excedentario” y el nodo B, como “restringido”.

Se observa que aumento en la demanda en el nodo A seríacompensado por G2, mientras un aumento análogo en elnodo B sería compensado por G3. Por lo tanto, los precios“spot” son respectivamente $12/MWh y $15/MWh.

17

BALANCE DE PAGOS DEL MME - MULTINODAL

Agente generacióny carga(MWh)

PrecioSpot

($/MWh)

ingresoy pago

($)G1 10 12 120G2 3 12 36D1 -6 12 -72G3 7 15 105D2 -14 15 -210Total 0 -21

La suma neta de los ingresos de los generadores y los pagosde la demanda es -$21, esto es, el pago total de lasdemandas excede los ingresos de los generadores.

Esta diferencia, conocida como “ingreso tarifário”,corresponde a la remuneración del circuito de transmisión.De la teoría marginalista, el ingreso tarifario deberíacorresponder al producto de la diferencia de los precios“spot” en los nodos por el flujo en el circuito:

TAB = (πdB - πdA)×FAB

En otras palabras, el circuito es un agente económico que“compra” energía en el nodo excedentario al “precio demercado” πdA y la vende en el restringido al precio πdB.

TAB = (15 - 12)×7 = $21

18

EXPANSIÓN DE LA TRANSMISIÓNBAJO COMPETENCIA

capacidad f _

ingreso neto R ( f

_ )

costo de inversión I ( f

_ )

max. lucro individual

óptimo social

otras inversiones

$

• En teoría, el ingreso “spot” del circuito podría señalar laexpansión óptima del sistema de transmisión, esto es,sería posible la construcción de la red en basecompetitiva.

• sin embargo, la remuneração “spot” de los circuitos enlos sistemas reales solamente cuobre somente 20% doscustos de investimento. Isto se deve à modularidade doscircuitos de transmissão e aos critérios de segurança darede, que leva à construção de reforços “desnecessários”sob o ponto de vista do despacho normal.

19

EXPANSIÓN DE LA TRANSMISIÓNBAJO COMPETENCIA

• Otro problema es que la construcción de circuitos en unared “mallada” afecta la distribución de los flujos y por lotanto la remuneración “spot” de los demás agentes . Esposible que un circuito benéfico para un determinadoagente resulte en pérdidas globales para el sistema.Debido a esto, ningún país permite en la práctica la libreconstrucción de circuitos en el sistema.

• Una excepción interesante está en las interconexionesinternacionales, por ejemplo las nuevas interconexionesBrasil-Argentina.

• El tema de la expansión del sistema y las tarifas detransmisión se discute en la sesión 7.

20

EXPOSICIÓN DE LOS GENERADORES

A B

D1=6 D2=14

G1=10 3 G3=7

Fab=7

D2 ⇔ G1 (8 MWh)D1 ⇔ G3 (6 MWh)

Agente gener.(MWh)

consumo nocontratado

(MWh)

consumocontratado

(MWh)

ingresoo pagospot ($)

ingreso.O pagoneto ($)

G1 10 -8 120-120 0G2 3 0 36-0 36G3 7 -6 105-72 33D1 0 0 0D2 -6 -90 -90Total 20 -6 -14 0

• G1 pierde plata porque está en una región excedentaria ytiene contratos en una región deficitaria (“exposure”)

• G2 pierde plata porque está en una región excedentaria

• G3 gana plata porque está en una región deficitaria ytiene contrato en una región excedentaria

21

CONTRATOS DE CONGESTIONAMIENTO

• “hedge” entre generadores y demanda

• compensa la exposición de los generadores

• reduce la volatilidad de los ingresos de la interconexión

• Exemplo: G1 firma un contrato de 8MWh con lainterconexión:

recibe: $12/MWh×10 MWh = $120

paga: $15/MWh×8 MWh = $120

⇒ exposición = ($15/MWh-$12/MWh)×8MWh = $24

recibe: ($15/MWh-$12/MWh)×8MWh = $24

El contrato de congestionamiento de transmisión compensala exposición de los generadores

• estes contratos deben ser asignados a través de pliegos;el ingreso se usa para reducir los cargos del sistema detransmisión (ver sesión 7)

22

EJEMPLO – SISTEMA BRASILEÑO

Sur

SE

Norte NE

• 60 GW (95% hidro)

• grandes embalses y plantas en cascada

• restricciones estructurales de transmisión

• interconexiones internacionales

23

EJEMPLO – SISTEMA BRASILEÑO

Exposure e Surplus Sul

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

k$

ExposureSurplus

Exposure e Surplus Sudeste

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

k$

ExposureSurplus

24

EJEMPLO – SISTEMA BRASILEÑO

Exposure e Surplus Nordeste

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

400,000

450,000

500,000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

k$

ExposureSurplus

Exposure e Surplus Norte

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

k$

ExposureSurplus

25

EJEMPLO – SISTEMA BRASILEÑO

Distribuição média anual da exposure líquida para região Sul, Ano 2002

-

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,0001 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64

Cenário de hidrologia

k$

Distribuição média anual da exposure líquida para a região Sudeste, Ano 2002

-

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

1,400,000

1,600,000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64

Cenário de hidrologia

k$

26

EJEMPLO – SISTEMA BRASILEÑO

Distribuição média anual da exposure líquida para a região Norte, Ano 2002

-

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,0001 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64

Cenário de hidrologia

k$

Distribuição média anual da exposure líquida para região Nordeste, Ano 2002

-

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64

Cenário de hidrologia

k$