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.

Key words： nodal pricing; zonal pricing; uniform pricing; competitive electricity markets; welfare maximization; redispatch; optimization models

Acknowledgement

This research was performed as part of the Energy Campus Nuremberg and supported by funding through the “Aufbruch Bayern (Bavaria on the move)” initiative of the state of Bavaria and the Emerging Field Initiative (EFI) of the Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg through the project “Sustainable Business Models in Energy Markets”. In addition, the financial support through the “Eliteförderung Bayern (Elite Program of the State of Bavaria)” in the last years should be acknowledged. Thanks also go to Veronika Grimm, Lena Hupp, Katja Kutzer, Alexander Martin, and Andrea Peter for their valuable comments and discussions. Finally, I want to thank my mother Gabriele and my sister Theresa as well as three referees for their valuable comments that helped to improve this paper.

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