Nodal, zonal, or uniform electricity pricing: how to deal with network congestion

Abstract

In this paper, the main contributions to congestion management and electricity pricing, i.e., nodal, zonal, and uniform electricity pricing, are surveyed. The key electricity market concepts are structured and a formal model framework is proposed for electricity transportation, production, and consumption in the context of limited transmission networks and competitive, welfare maximizing electricity markets. In addition, the main results of existing short-run and long-run congestion management studies are explicitly summarized. In particular, the important interconnection between short-run network management approaches and optimal long-run investments in both generation facilities and network lines are highlighted.

Keywords

nodal pricing / zonal pricing / uniform pricing / competitive electricity markets / welfare maximization / redispatch / optimization models

References

[1] Felder F, Stoft  S. Power system economics: designing markets for electricity. IEEE Power & Energy Magazine, 2003, 99(1): 58–63

[2] Kumar A, Srivastava  S C, Singh  S N. Congestion management in competitive power market: a bibliographical survey. Electric Power Systems Research, 2005, 76(1): 153–164

[3] Neuhoff K, Barquin  J, Bialek J W ,  Boyd R, Dent  C J, Echavarren  F, Grau T ,  Von Hirschhausen C ,  Hobbs B F ,  Kunz F. Renewable electric energy integration: quantifying the value of design of markets for international transmission capacity. Energy Economics, 2013, 40(2): 760–772

[4] Bohn R E, Caramanis  M C, Schweppe  F C. Optimal pricing in electrical networks over space and time. Rand Journal of Economics, 1984, 15(3): 360–376

[5] Stoft S. Transmission pricing zones: simple or complex? Electricity Journal, 1997, 10(1): 24–31

[6] Hogan W. Nodes and zones in electricity markets: seeking simplified congestion pricing. In: Designing Competitive Electricity Markets. New York: Springer, 1998

[7] De Vries L J ,  Hakvoort R A . An economic assessment of congestion management methods for electricity transmission networks. Journal of Network Industries, 2002, 3(4): 425–467

[8] Inderst R, Wambach  A. Netz-engpassmanagement im deutschen stromübertragungsnetz. Journal of Energy Management, 2007, 31(4): 333

[9] Bjørndal M, Jørnsten  K. Zonal pricing in a deregulated electricity market. Energy Journal, 2001, 22(1): 51–74

[10] Smeers Y.Computable equilibrium models and the restructuring of the European electricity and gas markets. Energy Journal  1998, 18(4): 1–32

[11] Green R. Nodal pricing of electricity: How much does it cost to get it wrong? Journal of Regulatory Economics, 2007, 31(2): 125–149

[12] Grimm V, Martin  A, Schmidt M ,  Weibelzahl M ,  Zöttl G . Transmission and generation investment in electricity markets: the effects of market splitting and network fee regimes. European Journal of Operational Research, 2016, 254(2): 493–509

[13] Cho I K. Competitive equilibrium in a radial network. Rand Journal of Economics, 2003, 34(3): 438–60

[14] Hornnes K S, Grande  O S, Bakken  B H. Main grid development planning in a deregulated market regime. Power Engineering Society Winter Meeting, 2000, 2(2): 845–849

[15] Crampes C, Laffont  J J. Transport pricing in the electricity industry. Oxford Review of Economic Policy, 2001, 17(3): 313–328

[16] Rious V, Glachant  J M, Perez  Y, Dessante P . The diversity of design of TSOs. Energy Policy, 2008, 36(9): 3323–3332

[17] Hogan W W. Contract networks for electric power transmission. Journal of Regulatory Economics, 1992, 4(3): 211–242

[18] Chao H P, Peck  S. A market mechanism for electric power transmission. Journal of Regulatory Economics, 1996, 10(1): 25–59

[19] Oren S S, Spiller  P T, Varaiya  P, Wu F . Nodal prices and transmission rights: a critical appraisal. Electricity Journal, 1995, 8(3): 24–35

[20] Wu F, Varaiya  P, Spiller P ,  Oren S. Folk theorems on transmission access: proofs and counterexamples. Journal of Regulatory Economics, 1996, 10(1): 5–23

[21] Chen L, Suzuki  H, Wachi T ,  Shimura Y . Components of nodal prices for electric power systems. IEEE Transactions on Power Systems, 2002, 17(1): 41–49

[22] Ding F, Fuller  J D. Nodal, uniform, or zonal pricing: distribution of economic surplus. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, 20(2): 875–882

[23] Ehrenmann A, Smeers  Y. Inefficiencies in European congestion management proposals. SSRN Electronic Journal, 2004, 13(2): 135–152

[24] Ramachandran P, Senthil  R. Locational marginal pricing approach to minimize congestion in restructured power market. Journal of Electrical and Electronics Engineering Research, 2010

[25] Bjørndal M, Jørnsten  K, Pignon V . Congestion management in the Nordic power market: counter purchasers and zonal pricing. Competition & Regulation in Network Industries, 2003, 4(3): 271–293

[26] Bjørndal M, Jørnsten  K. Benefits from coordinating congestion management—the Nordic power market. Energy Policy, 2007, 35(3): 1978–1991

[27] Oggioni G, Smeers  Y. Market failures of market coupling and counter-trading in Europe: an illustrative model based discussion. Energy Economics, 2013, 35(1): 74–87

[28] Grimm V, Martin  A, Sölch C ,  Weibelzahl M ,  Zöttl G . Cost-based vs. market-based redispatch: a comparison. (in press).

[29] Walton S, Tabors  R D. Zonal transmission pricing: methodology and preliminary results from the WSCC. Electricity Journal, 1996, 9(9): 34–41

[30] Blijswijk M J V ,  De Vries L J . Evaluating congestion management in the Dutch electricity transmission grid. Energy Policy, 2012, 51(6): 916–926

[31] Trepper K, Bucksteeg  M, Weber C . Market splitting in Germany–new evidence from a three-stage numerical model of Europe. Energy Policy, 2015, 87: 199–215

[32] Boucher J, Smeers  Y. Towards a common European electricity market. Journal of Network Industries, 2002

[33] Rious V, Usaola  J, Saguan M ,  Glachant J M ,  Dessante P . Assessing available transfer capacity on a realistic European network: impact of assumptions on wind power generation. In:1st International Conference on Infrastructure Systems and Services: Building Networks for a Brighter Future (INFRA), Rotterdam, Netherlands, 2008

[34] Bjørndal E, Bjørndal  M, Cai H . Nodal pricing in a coupled electricity market. In: 11th International Conference on European Energy Market (EEM), Cracow, Poland, 2014

[35] Benders J F. Partitioning procedures for solving mixed-variables programming problems. Numerische Mathematik, 1962, 4(1): 238–252

[36] Oliveira E J D ,  Silva I C D ,  Pereira J L R ,  Carneiro S . Transmission system expansion planning using a sigmoid function to handle integer investment variables. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 20(3): 1616–1621

[37] Binato S, Pereira  M V F, Granville  S. A new Benders decomposition approach to solve power transmission network design problems. IEEE Transactions on Power Systems, 2001, 16(2): 235–240

[38] Gallego R A, Monticelli  A, Romero R . Transmission system expansion planning by an extended genetic algorithm. IEEE Proceedings–Generation, Transmission and Distribution, 1998, 145(3): 329–335

[39] Oliveira G, Costa  A, Binato S . Large scale transmission network planning using optimization and heuristic techniques. IEEE Transactions on Power Systems, 1995, 10(4): 1828–1834

[40] Hirst E, Kirby  B. Key transmission planning issues. Electricity Journal, 2001, 14(8): 59–70

[41] Alguacil N, Motto  A L, Conejo  A J. Transmission expansion planning: a mixed-integer LP approach. IEEE Transactions on Power Systems, 2003, 18(3): 1070–1077

[42] David A K, Wen  F. Transmission planning and investment under competitive electricity market environment. Power Engineering Society Summer Meeting, 2001, 3(3): 1725–1730

[43] Garver L L. Transmission network estimation using linear programming. IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems, 1970, PAS-89(7): 1688–1697

[44] Baldick R, Kahn  E. Transmission planning issues in a competitive economic environment. IEEE Transactions on Power Systems Pwrs, 1993, 8(4): 1497–1503

[45] Arellano M S, Serra  P. Spatial peak-load pricing. Energy Economics, 2004, 29(2): 228–239

[46] Salerian J, Gregan  T, Stevens A . Pricing in electricity markets. Journal of Policy Modeling, 2000, 22(7): 859–893

[47] Cedeño E B ,  Arora S . Integrated transmission and generation planning model in a deregulated environment. Frontiers in Energy, 2013, 7(2): 182–190

[48] Jenabi M, Ghomi  S M T F, Smeers  Y. Bi-level game approaches for coordination of generation and transmission expansion planning within a market environment. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 2639–2650

[49] Steiner P O. Peak loads and efficient pricing. Quarterly Journal of Economics, 1957, 71(4): 585–610 

[50] Crew M A, Kleindorfer  P R. Marshall and Turvey on peak load or joint product pricing. Journal of Political Economy, 1971, 79(6): 1369–1377

[51] Crew M A, Kleindorfer  P R. On off-peak pricing: an alternative technological solution. Kyklos, 1975, 28(1): 80–93

[52] Crew M A, Kleindorfer  P R. Peak load pricing with a diverse technology. Bell Journal of Economics, 1976, 7(1): 207–231

[53] Kleindorfer P R ,  Fernando C S . Peak-load pricing and reliability under uncertainty. Journal of Regulatory Economics, 1993, 5(1): 5–23

[54] Crew M A, Fernando  C S, Kleindorfer  P R. The theory of peak-load pricing: a survey. Journal of Regulatory Economics, 1995, 8(3): 215–248

[55] Fan H, Cheng  H, Yao L . A bi-level programming model for multistage transmission network expansion planning in competitive electricity market. Power and Energy Engineering Conference, 2009, 21(5): 1–6

[56] Garcés L P ,  Conejo A J ,  García-Bertrand R ,  Romero R . A bilevel approach to transmission expansion planning within a market environment. IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(3): 1513–1522

[57] Bjørndal M, Jørnsten  K. Investment Paradoxes in Electricity Networks.New York: Springer, 2008

[58] Baringo L, Conejo  A J. Transmission and wind power investment. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(2): 885–893

[59] Grimm V, Martin  A, Weibelzahl M ,  Zöttl G . On the long-run effects of market splitting: why more price zones might decrease welfare. Energy Policy, 2016, 94: 453–467

[60] Chao H P, Peck  S. Reliability management in competitive electricity markets. Journal of Regulatory Economics, 1998, 14(2): 189–200

[61] Leuthold F U, Weigt  H, von Hirschhausen C. A large-scale spatial optimization model of the European electricity market. Networks and Spatial Economics, 2012, 12(1): 75–107

[62] Ackermann T. Distributed resources and re-regulated electricity markets. Electric Power Systems Research, 2007, 77(9): 1148–1159

[63] Bjørndal M, Jørnsten  K. The deregulated electricity market viewed as a bilevel programming problem. Journal of Global Optimization, 2005, 33(3): 465–475

[64] Frank S, Steponavice  I, Rebennack S . Optimal power flow: a bibliographic survey I. Energy Systems, 2012, 3(3): 221–258

[65] Schweppe F C, Caramanis  M C, Tabors  R D, Bohn  R E. Spot Pricing of Electricity.New York: Springer, 1987, 144(5): 399–405

[66] Wu F, Zheng  F, Wen F . Transmission investment and expansion planning in a restructured electricity market. Energy, 2006, 31(6–7): 954–966

[67] Tong X, Liu  C, Luo X ,  Zhou R. A new approach of available transfer capability incorporating wind generation. Journal of Systems Science and Complexity, 2010, 23(5): 989–998

[68] Luna L, Martínez  J, Pacual V ,  Valino V . Impact of wind power generation on the ATC value. In: 17th Power Systems Computation Conference, Stockholm, Sweden, 2011

[69] Luo G, Chen  J, Cai D ,  Shi D, Duan  X. Probabilistic assessment of available transfer capability considering spatial correlation in wind power integrated system. IET Generation, Transmission and Distribution, 2013, 7(12): 1527–1535

[70] Bucksteeg M, Trepper  K, Weber C . Impacts of RES-generation and demand pattern on net transfer capacity: implications for effectiveness of market splitting in Germany. Ssrn Electronic Journal, 2014, 9(12): 1510–1518

[71] Dempe S. Foundations of Bilevel Programming.New York: Springer, 2002

[72] Koch T. Rapid mathematical programming. Dissertation for the Doctoral Degree. Berlin: Technische Universität, 2005

[73] Achterberg T. SCIP. Solving Constraint Integer Programs. Mathematical Programming Computation, 2009, 1(1): 1–41

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg