Methodology for benefit analysis of transmission expansion projects

Abstract

Esta tesis propone una nueva metodología para evaluar los beneficios y los beneficiarios producidos por los proyectos de expansión de la red de transporte incluidos en un plan de expansión. En primer lugar, esta tesis identifica y discute las características que son necesarias para una correcta evaluación de los beneficios producidos por los proyectos de un plan de expansión, así como de los beneficios que obtienen los usuarios de la red. Este análisis muestra que cualquier método empleado para la evaluación de los beneficios de los proyectos de un plan tiene que ser coherente con los principios técnicos y económicos que determinan la planificación óptima de la red. Bajo estos principios, los proyectos de un plan de expansión se seleccionan de acuerdo a los beneficios que producirán cuando se consideran junto a otros proyectos del plan. Las características identificas se usan entonces como criterio de comparación para evaluar los métodos existentes que se usan para determinar los beneficios y los beneficiarios de los proyectos de expansión de un plan. Esta revisión muestra que ninguno de los métodos existentes es capaz de cumplir con las características requeridas. El método propuesto en esta tesis se basa en teoría de juegos cooperativos, en concreto Aumann-Shapley. Los juegos formulados consideran que la función que se va a repartir son los beneficios obtenidos (por el sistema o por los usuarios de la red) y los jugadores del juego cooperativo son los proyectos de expansión. También se ha identificado que algunos de los beneficios obtenidos por los usuarios de la red (de los proyectos de expansión) evolucionan de forma continua, mientras que otros beneficios son discretos, ya que ocurren en puntos determinados en el proceso de implementación del plan. En consecuencia, se usan juegos de Aumann-Shapley separados para repartir los beneficios continuos y discretos. En el caso de los beneficios discretos, el algoritmo estándar de Aumann-Shapley para el reparto de los beneficios se modifica para afrontar que la función de beneficios de los usuarios de la red es discontinua respecto al tamaño de los proyectos. Dos casos de estudio se usan para comparar el método propuesto con los existentes y demostrar su aplicabilidad para la toma de decisiones en la expansión de la red de transporte. Los resultados demuestran que el método propuesto no presenta los problemas detectados en los otros métodos y obtiene resultados más precisos y consistentes. Las ventajas de este método hacen que sea aplicable a los problemas relacionados con la regulación de la expansión de la red, como el reparto de los costes de nuevas inversiones o la identificación de los proyectos prioritarios.

This thesis proposes a novel method to assess the benefits and beneficiaries produced by transmission expansion projects within an expansion plan. First, the characteristics required for a method to accurately determine the benefits of the expansion projects comprising a plan, and those obtained from them by the individual users of the network, are identified and discussed. This discussion shows that any method applied should be coherent with the technical and economic principles that underlie an efficient planning of the network expansion, where expansion projects are selected to be part of the plan according to the benefit they produce when considered jointly with the rest of projects. Using these identified characteristics as a benchmark, the existing methods to analyze the benefits and beneficiaries of expansion projects within a plan, or group, are reviewed. This review shows that none of the existing methods features most of the characteristics desired. The method developed in this thesis is based on cooperative game theory, and in particular the Aumann-Shapley concept. The games formulated consider that the function to be allocated are the benefits obtained (by the system or by the network users) and the players of the game are the expansion projects. The thesis also identified that some benefits obtained by network users from expansion projects evolve continuously with the deployment of the expansion plan, while others are discrete, since they occur at certain points of the deployment of this plan. A separate Aumann-Shapley game is solved to allocate continuous benefits, and each discrete one. In the second case, the standard Aumann-Shapley algorithm for the allocation of benefits is modified to cope with the fact that the function of each user’s benefits is not continuous with the size of projects deployed. Two case studies are used to compare the proposed method with existing ones and demonstrate its applicability to real-life decision making processes. The results show that the proposed method is able to overcome problems detected in other methods, providing more accurate and sound results. The good properties of the proposed method make it applicable to problems related to network expansion regulation, such as the cost allocation of new investments or the identification of high-priority expansion projects.