Decision Support System for Hydropower Planning under Inflow Uncertainty

Abstract

Hydropower production planning is a complex task with several elements. Generally, many reservoirs and power plants, environmental constraints, the dynamics between short term and longer term decisions, as well as the uncertainties in inflow and electricity prices need to be simultaneously considered. The decision making is therefore often supported by optimization models with different scheduling horizons from one day to several years ahead.

In this thesis, a new decision support system is developed for mid-term production planning for a case company that operates in a deregulated Nordic electricity market. The scheduling horizon is one year with daily resolution, but the most important emphasis is on the upcoming month. The target is to improve the current decision making process by developing more detailed optimization model and providing increased awareness of the inflow uncertainty. This decision support system is developed for a specific river system in Finland, but can be rather easily altered to other systems as well.

The problem is formulated as a linear program that is based on a currently used model. The objective is to maximize revenue by allocating the production against the price forecast, while still taking into account the environmental constraints and the hydrological situation of the river system. This formulation is then solved using a commercially available solver, and the results are visualized in a web-based tool utilizing several inflow scenarios. The tool contains some user defined choices that enables choosing amongst alternative production plans and conducting quick what-if scenario analysis, thus providing interactive risk control with respect to the inflow uncertainty. Additionally, the feasibility of the implemented model and its improvements to the previous model are presented in order to verify that it works reasonably.

Vesivoiman tuotannonsuunnittelu on monimutkainen tehtävä, jossa on useita elementtejä. Yleensä on huomioitava samanaikaisesti monia järviä ja voimalaitoksia, ympäristövaatimuksia, lyhyen ja pitkän aikavälin päätösten välistä dynamiikkaa sekä tulovirtaamien ja sähkön hintojen epävarmuuksia. Päätöksentekoa tuetaan siksi usein optimointimalleilla, joiden suunnitteluhorisontti voi olla yhdestä päivästä useisiin vuosiin.

Tässä työssä kehitetään uusi päätöksenteon tukijärjestelmä keskipitkän aikavälin tuotannonsuunnittelulle esimerkkiyhtiötä varten, joka toimii vapautuneilla Pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla. Suunnitteluhorisontti on yksi vuosi päiväresoluutiolla, mutta tärkein painotus on tulevalla kuukaudella. Tavoitteena on parantaa nykyistä päätöksentekoprosessia kehittämällä yksityiskohtaisempi optimointimalli sekä tuottamalla lisää tietoisuutta tulovirtaamien epävarmuuksista. Tämä päätöksenteon tukijärjestelmä on kehitetty tiettyä jokisysteemiä varten, mutta pystytään muokkaamaan muihinkin systeemeihin varsin helposti.

Ongelma on esitetty lineaarisena optimointimallina mikä perustuu nykyisin käytettyyn malliin. Päämääränä on maksimoida tulot allokoimalla tuotanto sähkön hintaennustetta vasten, ottaen kuitenkin huomioon ympäristörajoitteet sekä jokisysteemin hydrologinen tilanne. Tämä tehtävä ratkaistaan kaupallisella optimointiohjelmistolla, ja tulokset visualisoidaan web-pohjaisessa työkalussa hyödyntämällä useita tulovirtaamaskenaarioita. Työkalu sisältää muutamia käyttäjän määrittämiä valintoja mikä mahdollistaa valinnan vaihtoehtoisten tuotantosuunnitelmien välillä sekä nopean skenaariopohjaisen analyysin, täten tuottaen interaktiivista riskien hallintaa tulovirtaamien epävarmuuksien suhteen. Lisäksi, toteutetun mallin soveltuvuus ja parannukset aikaisempaan malliin esitetään sen varmistamiseksi, että se toimii järkevällä tavalla.