امروزه گرايش عمده در صنعت‌برق به سمت ايجاد يك ساختار رقابتي براي افزايش كارايي و بازده مديريتي و فني تكنيكي صنعت‌برق است. براي برقراري محيط رقابتي عادلانه و جلوگيري از انحصاري شدن بازار، خطوط انتقال به صورت دسترسي آزاد (Open Access) در اختيار تمام مبادلات بازار قرار مي‌گيرد و در مقابل استفاده‌كنندگان بايد هزينه استفاده از سيستم انتقال را به صاحبان و مالكان آنها بپردازند. در اين مقاله عوامل عمده و اصلي تعيين‌كننده هزينه تبادلات توان در يك محيط تجديد ساختار شده مورد بررسي قرار گرفته و روشهايي براي محاسبه آنها ارايه مي‌شود.
با جهت‌گيري و تمايل سيستمهاي قدرت به سمت خصوصي سازي و تجديد و تغيير ساختار سيستمهاي قدرت از يك سيستم يكپارچه توليد، انتقال و توزيع كه يك نهاد متولي تمام قسمتهاي آن است به سمت سيستمي كه بخشهاي توليد، انتقال و توزيع آنها از هم تفكيك شده و هر بخش داراي صاحبان و مالكان متعدد بوده كه براي حداكثر كردن سود خود با يكديگر به رقابت مي‌پردازند و با آزادسازي خطوط انتقال و امكان دسترسي آزاد تمام خريداران و فروشندگان توان به خطوط انتقال، نحوه تخصيص هزينه مبادلات انتقال توان در چنين سيستمي بسيار مهم است. فروشندگان توان نياز دارند كه هزينه واقعي آزادسازي خطوط را بدانند تا براساس آن تصميمات به صرفه و اقتصادي را براي تقويت و تشويق يك قرارداد و يا انقضاء قرارداد ديگربا در نظر گرفتن محدوديتهاي سيستم اتخاذ كنند همچنين مبادله‌كنندگان توان (فروشندگان و خريداران توان) نياز به دانستن هزينه‌هاي مذكور براي اتخاذ تصميمات اقتصادي براي تقويت و توسعه شبكه هستند.
در اين مقاله مولفه‌هاي اصلي تعيين‌كننده هزينه انتقال توان مورد نقد و بررسي قرار مي‌گيرد و روشهايي براي محاسبه هر مولفه ارايه و با مثالهايي تشريح مي شود.
انواع قراردادهاي انتقال توان در يك سيستم تجديد ساختار يافته
در يك سيستم تجديد ساختار يافته انواع مختلفي از قراردادهاي انتقال توان مي‌تواند وجود داشته باشد كه مي‌توان آنها را در چهار گروه طبقه‌بندي كرد. نحوه تخصيص هزينه انتقال كاملاً‌وابسته به نوع قرارداد بوده و براي انواع مختلف تبادلات توان متفاوت هستند. چهار گروه نحوه تبادل توان در يك محيط تجديد ساختار يافته عبارتند از:
1- قراردادهاي محكم Firn
در بعضي از موارد خريدار توان، مي‌خواهد مطمئن باشد كه توان مورد نياز او تحت هر شرايطي (حتي با وقوع هر نوع پيشامدي) توسط فروشنده (فروشندگان) توان (يا دلالان توان) تامين مي‌شود. قرارداد تنظيمي بر اساس تامين نيازمذكور از نوع قراردادهاي محكم است و واضح است كه در اين نوع تبادل توان، دلال يا فروشنده توان، ظرفيت رزرو خود را نيز لحاظ مي‌كند.
2- قراردادهاي غيرمحكم Nor-firm
اين نوع قراردادها دو نوع هستند: قراردادهاي قابل انقضاء (curtailable) و قراردادهاي در دسترس (as-available). قراردادهاي قابل انقضاء قراردادهايي هستند كه فروشنده توان به صلاحديد خود مي‌تواند آن را انقضاء كند. قراردادهاي در دسترسي، قراردادهايي كوتاه مدت و اساساً اقتصادي هستندكه در هنگامي كه ظرفيت سيستم اجازه دهد در نواحي ويژه و در زمانهاي خاص امكان‌پذير هستند. روشن است كه ارزش و اعتبار قراردادهاي Non-firm پايينتر از قراردادهاي firm است.
3- قراردادهاي طولاني مدت
قراردادهاي طولاني مدت در يك بازه زماني چندين ساله منعقد مي‌شوند. مدت زمان يك قرارداد طولاني مدت معمولاً به اندازه‌اي است كه براي ساخت خطوط جديد كفايت كند.
4- قراردادهاي كوتاه‌مدت
قراردادهاي كوتاه مدت ممكن است در بازه زماني از چند ساعت تا يك يا دو سال بسته شوند. بهر حال در بازه زماني در نظر گرفته شده نياز به تقويت خطوط شبكه نيست. قراردادهاي طولاني مدت وكوتاه مدت مي‌تواند از نوع Firm يا Non-Firm باشد و همچنين قراردادهاي Firm يا Non-Firm ممكن است طولاني مدت يا كوتاه مدت باشند.
مولفه‌هاي تعيين كننده هزينه تبادل توان
مولفه‌هاي اصلي تعيين‌كننده هزينه تبادل توان عبارتند از: هزينه بهره‌برداري، هزينه فرصت، هزينه تقويت شبكه، هزينه سيستم موجود. در ادامه هر يك از هزينه‌هاي مذكور تشريح شده و روشهايي براي محاسبه آنها ارايه مي‌شود.
1- هزينه بهره‌برداري
هنگامي كه قرارداد جديدي در بازار برق منعقد مي‌شود، لازم است براي مينيمم شدن هزينه‌هاي توليد كل سيستم براي قراردادهاي ماقبل، توليد كل سيستم با در نظر گرفتن قرارداد جديد توزيع مجدد (redispatch) و نوبت‌بندي مجدد (rescheduling) شود. تفاوت هزينه بهره برداري سيستم با در نظر گرفتن قرارداد جديد و بدون در نظر گرفتن آن براي قراردادهاي ماقبل هزينه بهره‌برداري يا هزينه سوخت قرارداد ناميده مي‌شود. براي تشريح بيشتر مطلب سيستم 4 با سه شكل (1) را در نظر بگيريد.
پارامترهاي سيستم شامل طول خطوط، حدود فلوي توان و هزينه‌هاي توليد ژنراتورها در جداول (1و 29 ضميمه آورده شده است. همانطوري كه در شكل (1) مشاهده مي‌شود دو قرارداد T1 و T2 در سيستم مذكور منعقد شده است. قراردادها به شرح زير هستند:
خريدار توان در باسهاي شماره 3 (1500MW) و باس شماره 1 (500MW) قرارداد T1 را به شرح قيمت پيشنهادي در جدول (1) ضميمه با فروشندگان (توليد‌كنندگان) توان در باسهاي 1 و 2 منعقد مي‌كند. قراراد T2 براي تامين بار خريدار در باس 3 (به ميزان 100MW) است. خريدار مذكور ترجيح مي‌دهد كه توان مورد نياز خود را از توليد‌كننده در باس 4 و 1 خريداري كند. فرض كنيد كه قرارداد T1 منعقد شده و حال مي‌خواهيم هزينه بهره‌برداري قرارداد T2 را محاسبه كنيم. براي اين منظور در حالي كه هنوز قرارداد T2 منعقد نشده است، پخش بار بهينه OPF (Optimum Power Flow) با هدف مينيمم كردن هزينه‌هاي كل توليد سيستم با توجه به قيمت پيشنهادي توليد‌كنندگان در جدول (2) ضميمه انجام مي‌گيرد كه نتايج آن در جدول (1) آورده شده است.
توجه كنيد كه در اين حالت (فقط وجود قرارداد T1) بار كل سيستم 200MW بوده و OPF، توليدي به ميزان 2039MW (39MW در باس 1 و 2000MW در باس 2) را نتيجه داده است. هزينه توليد در هر باس از حاصلضرب توان محاسبه شده براي آن باس از OPF در هزينه پيشنهادي توليد‌كننده مذكور بدست آمده است. به عنوان مثال در باس شماره 1: $585/hr= 15×39
در اين حالت هزينه كل توليد سيستم $20590/hr نتيجه شده است حال با وجود قرارداد T1 قرارداد T2 منعقد مي‌شود. با وجود قرارداد T2 نتايج حل OPF براي قرارداد T1 در جدول (1) آورده شده است توجه كنيد كه دراين حالت به علت اينكه فلوي انتقالي از باس شماره 2 به مراكز بار تا 2000MW محدود شده است و با توجه به توليد 50MW در باس 4، توليد در باس ارزانتر 2 به باس گرانتر 1 شيفت يافته است. توجه كنيد كه براي تامين بار قرارداد هزينه توليد با توجه به OPF بصورت زير محاسبه مي‌شود:
كه تفاوت آن با حالتي كه قرارداد T2 نباشد، $475/hr خواهد بود. اين هزينه، هزينه بهره برداري مربوط به قرارداد T2 است كه با اضافه شدن آن به سيستم، توزيع مجدد و قيود فلوي عبوري از خطوط سيستم بر قراردادهاي ماقبل تحميل مي‌شود.
2- هزينه فرصت
هزينه فرصت در واقع هزينه‌اي است كه بايد توسط قرارداد جديد به واسطه ايجاد قيد فلوي توان جديد و از دست رفتن فرصتهاي قبلي پرداخت شود. براي تشريح بيشتر مطلب سيستم شكل (2) را در نظر بگيريد.
در اين سيستم قرادادهاي T1 و T2 مشابه مثال قبلي است قرارداد T2 مطالعه شده است. در اين مثال فرض كنيد كه امكان خريد توان در دسترس ارزان با قيمت $5/MW-hr تا 500MW در باس 4 وجود دارد. اگر قرارداد T2 وجود نداشته باشد با توجه به قيمت تحويل ارزان توان در باس 4 به صرفه است كه ظرفيت كامل تحويل توان در اين باس (500MW) براي قرارداد T1 اختصاص يابد و مابقي نياز از باسهاي توليدگرانتر 1 و 2 تامين شود كه در نتيجه هزينه توليد $18100/hr را بر اساس OPF مطابق جدول (2) نتيجه مي‌دهد حال اگر قرارداد T2 وجود داشته باشد با توجه به توليد 50MW قرارداد T2 در باس 4 و محدوديت انتقال خط 2-4 تا 500MW امكان استفاده از ظرفيت كامل ارزان در باس 4 براي قرارداد T1 وجود نداردو قرارداد T1 تنها مي‌تواند 450MW را از فروشنده ارزان در باس 4 خريداري كند و مابقي را بايد از باسهاي توليد گرانتر 1 و 2 خريداري كند كه هزينه توليد آنها مطابق جدول (2)، $18750/hr خواهد بود. تفاوت اين دو هزينه كه $650/hr است در واقع هزينه‌اي است كه قرارداد T2 بايد بابت از دست رفتن فرصت براي T1 بايد بپردازد.
3- هزينه تقويت شبكه
هزينه تقويت شبكه در واقع هزينه سرمايه‌گذاري تجهيزات انتقال جديد است كه به واسطه قراردادهاي جديد در سيستم ضرورت پيدا مي‌كند براي تشريح مطلب سيستم شكل (3) را در نظر بگيريد.
در اين سيستم قراردادهاي T1 و T2 مشابه مثال اول هستند و قرارداد T2 مطالعه شده است. در اين مثال سيستم مذكور از پيش ملزم به انجام قرارداد T3 مطابق شكل (3) است. اگر هيچگونه تقويت براي سيستم مذكور برنامه‌ريزي نشود آنگاه قرارداد T2 به خاطر محدوديت فلوي توان عبوري از خط 2-4 نمي‌تواند اجرا شود. لذا نياز براي تقويت شبكه براي انجام قراراد T2 ضرورت پيدا مي‌كند. فرض كنيد كه خط جديد بين جفت باسهاي 3 و 4 مطابق شكل (4) احداث شود.
آنچه مسلم است خط جديد با ظرفيتي بالاتر از ظرفيت مورد نياز براي قرارداد T2 احداث مي‌شود و حال اين سوال پيش مي‌آيد كه اين هزينه اضافي را چه كسي بايد پرداخت كند؟ آنچه مسلم است اين است كه اين تقويت اضافي به نفع تمام قراردادها خواهد بود. اما مسلماً منفعت براي تمام قراردادها باتوجه به نوع قرارداد و موقعيت فلوي عبوري قرارداد نسبت به خط جديد متفاوت خواهد بود. لذا تمام قراردادها بايد هزينه اضافي تقويت شبكه را به مقدار استفاده‌شان از اين ظرفيت اضافي بپردازند. از طرف ديگر هزينه تقويت شبكه مي‌تواند موجب كاهش هزينه بهره‌برداري قراردادهاي قبلي و افزايش فرصتها براي قراردادهاي بيشتر شود.
تا اينجا سه مولفه قرارداد كه معرفي شده كاملاً‌وابسته به نوع قرارداد بوده اما هزينه مولفه چهارم كه هزينه سيستم موجود ناميده مي‌شود مستقل از قراردادها است.
4- هزينه سيستم موجود
هزينه‌اي كه بايد مبادله‌كنندگان توان به واسطه استفاده از سيستم انتقال موجود بپردازند. هزينه سيستم موجود شامل هزينه سرمايه‌گذاري براي ساخت سيستم موجود و هزينه‌هاي مربوط به نگهداري آنها مي‌شود. چون هزينه ساخت سيستم موجود بسيار بالاست لذا هزينه سيستم موجود معمولاً بالاترين مولفه در احتساب هزينه‌هاي يك قرارداد محسوب مي‌شود. لذا دقت در محاسبه آنها از اهميت قابل توجه‌اي برخوردار است در اين رابطه سوالات و نقطه‌نظرات زير مطرح مي‌شود:
– هزينه سيستم انتقال موجود را چه كسي بايد بپردازد؟ هيچ توافق كلي دراين رابطه وجود ندارد بعضي اقتصاد‌دان‌ها معتقدند كه هزينه سيستم موجود را نبايد به قراردادهاي جديد اختصاص داد. در مقابل ديگران معتقدند كه اين هزينه بايد به تمام استفاده‌كنندگان سيستم انتقال اختصاص داده شود. در بسياري موارد ديگر اين هزينه تنها به مصرف‌كنندگان قراردادهاي محكم Firm اختصاص داده مي‌شود چرا كه آنها به علت اجبار و الزام قراردادهاي خود، ظرفيت رزرو سيستم را در تمام زمانها اشغال مي‌كنند.
– چگونه هزينه سيستم موجود بايد محاسبه شود؟
براي محاسبه اين هزينه روشهايي ارايه شده است كه عبارتند از:
الف) روش تمبر پستي
هزينه تبادل در اين روش از رابطه زير محاسبه مي‌شود:
كه Ru هزينه انتقال قرارداد u ، Tc هزينه كل شارژ انتقال، Pu و Ppeak به ترتيب بار قرارداد u و بار كل سيستم در شرايط پيك هستند.
مزيت عمده روش سادگي آن است و عيب عمده روش آن است كه شرايط بهره‌برداري سيستم را در نظر نمي‌گيرد و به عبارت ديگر قراردادهاي با فواصل مسافتي كوتاه و طولاني با يك نرخ محاسبه مي شوند كه دراين صورت ممكن است قراردادهاي با فواصل مسافتي كوتاه بسيار گران تمام شده و در مقابل قراردادهاي با فواصل مسافتي طولاني ارزانتر از نرخ واقعي‌شان محاسبه شوند.
ب) روش مسير قرارداد
در اين روش فرض مي‌شود كه اگر بين نقاط تحويل و دريافت توان، خطي با ظرفيت انتقال مورد نظر احداث شود چه مقدار هزينه خواهد داشت هزينه مذكور به عنوان هزينه سيستم موجود در نظر گرفته مي‌شود. يا تنها يك مسير موجود بين نقاط تحويل و دريافت توان در نظر گرفته شده و فرض مي‌شود كه كل توان از همين مسير انتقال يابد. عيب اين روش نيز آن است كه شرايط بهره‌برداري سيستم را در نظر نمي‌گيرد.
در حالي كه در عمل، عمده توان مبادله شده ممكن است روي مسيرهاي غير از مسير در نظر گرفته شده و حتي از طريق سيستمهاي انتقال همسايه جاري شود كه اين امر ممكن است هزينه تقويت سيستمهاي خارج از قرارداد مسير را نياز داشته باشد و چون اين هزينه‌هاي تقويت در محاسبه قيمت انتقال لحاظ نمي‌شود لذا نتايج محاسبه هزينه انتقال ممكن است دقيق و عادلانه نباشد.
در روش تمبر پستي و روش مسير قرارداد شرايط بهره‌برداري سيستم لحاظ نمي‌شود و لذا عليرغم سادگي غيردقيق‌اند. در مقابل روشهاي مذكور روشهاي ديگري وجود دارد كه شرايط بهره‌برداري سيستم در آنها لحاظ مي‌شود كه معروفترين آنها روش مگاوات – مايل است.
ج) روش مگاوات – مايل
محاسبه هزنيه انتقال در روش مگاوات – مايل از طريق رابطه زير است:
كه Fj.u مقدار توان جاري شده روي خط jام به واسطه قرارداد u، Lj طول خط به مايل و Cj هزينه ساخت خط مذكور به $/MW-Mile است. براي ترانسفورمرها و خازنهاي جبران سري Lj مساوي يك و Cjبرحسب $/MW است. براي تشريح مطلب سيستم شكل (4) را در نظر بگيريد. در اين سيستم قرادادهاي T1 و T2 مشابه قراردادهاي تشريح شده در مثال سوم هستندو قرارداد T2 بايد مطالعه شود تمام خطوط به جز خط بين باس 3 و 4 جزء سيستم موجود هستند. هزينه سيستم موجود بر اساس روش مذكور براي سه قرارداد محاسبه و در جدول (4) آورده شده است. با فرض اينكه هزينه سيستم موجود $40000000/yr باشد هزينه سيستم موجود براي قرارداد برابر خواهد شد با:
2.99%×$40000000/yr = $1196000/yr
نتيجه‌گيري
تعيين دقيق هزينه تبادلات توان در يك محيط تجديد ساختار به منظور ايجاد يك محيط عادلانه رقابتي يكي از موضوعات بسيار مهم است. در اين مقاله مولفه‌هاي اصلي و عمده تعيين كننده هزينه مذكور كه عبارتند از هزينه بهره‌برداري، هزينه فرصت، هزينه تقويت شبكه و هزينه سيستم موجود مورد نقد و بررسي قرار گرفت و روشهايي براي محاسبه آنها ارايه و با ارايه مثالهايي هر مولفه به تفصيل تشريح شد.
مهندس اسماعيل محسني‌كبير- مهندس عليمحمد رنجبر- مهندس محسن پوررفيع عرباني- مهندس بابك پركار
ماهنامه صنغت برق