Teoría de juegos aplicado a problemas de asignación de potencia reactiva, perdidas y costos del sistema de transmisión en un ambiente desregulado

Abstract

La desagregación del mercado eléctrico en negocios autónomos (generación, transmisión y distribución) promueve la inversión privada, con el propósito de aumentar la eficiencia económica del mercado, reducir los costos, garantizar un servicio confiable y asegurar su continuidad en el tiempo. Dentro de este contexto, el sistema eléctrico de transmisión se ha convertido en la columna vertebral del mercado eléctrico. En un mercado eléctrico desregulado, todos los agentes tienen acceso abierto y no discriminatorio al sistema de transmisión, incrementándose la magnitud y el número de transacciones energéticas. Esto plantea nuevos y complejos desafíos para el operador de la red, ya que todas y cada una de las transacciones energéticas ocurren simultáneamente. Para mantener la seguridad y confiabilidad del sistema, el Operador Independiente del Sistema (ISO), debe gestionar servicios complementarios, también llamados “servicios auxiliares”. Entre los servicios auxiliares, el soporte de potencia reactiva cumple la función principal de mantener la tensión de cada una de las barras del sistema de transmisión dentro de los limites técnicos permitidos, asegurando una gestión optima de flujos de potencia a través de la red, reduciendo al mínimo las pérdidas eléctricas. El incremento de agentes que usan la red de un tercero hace que los problemas de asignación sean cada vez más complejos y en la mayoría de los casos controversiales. Es por ello por lo que, en un ambiente en donde todos y cada uno de los agentes buscan maximizar sus beneficios individuales, la teoría de juegos provee las herramientas conceptuales, metodológicas y de modelación que garantizan un proceso de asignación justo y transparente. Por estas razones, en esta tesis se utiliza el Método de Aumann-Shapley de la teoría de juegos cooperativos en combinación con la teoría de circuitos eléctricos para desarrollar nuevos modelos utilizados en la asignación de potencia reactiva, pérdidas eléctricas y costos del sistema de transmisión eléctrico. Los resultados numéricos obtenidos mediante la aplicación del modelo propuestos en la resolución de estos problemas fueron comparados con otros métodos reportados en la literatura científica. Los resultados muestran una clara ventaja en términos de coherencia económica, estabilidad, consistencia con los flujos de potencia y las características técnicas de la red, en comparación con los métodos presentados por otros autores, en cada uno de los problemas investigados.

The disaggregation of the electricity market into autonomous businesses (generation, transmission and distribution) promotes private investment, with the purpose of increasing the economic efficiency of the market, reducing costs, guaranteeing reliable service and ensuring its continuity over time. Within this context, the transmission system has become the backbone of the electricity market. In a deregulated electricity market, all agents have open and non-discriminatory access to the transmission system, increasing the magnitude and number of energy transactions. This poses new and complex technical challenges to the network operator, since each and every one of the energy transactions occur simultaneously. To maintain the security and reliability of the system, the Independent System Operator (ISO) must manage complementary services, also called “auxiliary services”. Among the auxiliary services, the reactive power support fulfills the main function of maintaining the voltage of each of the bars of the transmission system within the allowed technical limits, ensuring optimal management of power flows through the network, minimizing electrical losses. The increase in agents using third-party networks makes allocation problems increasingly complex and in most controversial cases. That is why, in an environment where each and every agent seeks to maximize their individual benefits, game theory provides the conceptual, methodological and modeling tools that guarantee a more fair and transparent allocation process. For these reasons, in this thesis the Aumann-Shapley Method is used in combination with the theory of electrical circuits to be applied in the processes of allocation of reactive power, electrical losses and costs of the electrical transmission system. The numerical results obtained by the proposed method, in each case, were compared with other methods reported in the technical literature. The results show a clear advantage in terms of economic coherence, stability, consistency with the power flows and the technical characteristics of the network, compared to the other methods discussed, in each case.