Electric utility capacity expansion planning determines the type (i.e. nuclear, coal-fired, oil-fired, gas-turbines, etc.), the size (measured in MW), and the online date of new power plants to meet the growing electrical demand. Recently, the importance of uncertainty handling has received much attention. This thesis presents an 'expected' approach and a case study for an expansion planning under uncertainty. Uncertainties addressed in this thesis include the future electricity demand, future fuel prices, construction costs and random failures of power plants.
Based on the observation that the shorter construction lead time adopts more flexibly to uncertainty than the longer one, and on the need to come up with an alternative approach that avoids the complexity of the conventional contingency approach to uncertainty handling, this thesis focuses only on the current-year decisions, but with expected future-year plans. It is shown that the undelying stochastic problem with uncertain data could be converted to a deterministic problem with their expected value under some regularity conditions. In this case, no major planning procedure or methodology changes are required to account for uncertainty, even in construction costs, operating costs, and demand.
Unlike the conventional expectation of uncertain demand, this thesis introduces the concepts of a horizontal expected load duration curve to develop the 'expected' approach. It turns out in our expected approach that the introduction of the base load capacity had better be decided based on the low demand scenario as a safeguard to prevent costly expensive overinvestments.
It is shown that a full-fledged model which explicitly includes the planning lead time and the contingent expansion plan could be formulated through a deterministic dynamic programming problem whose stages are merit order and whose states are the vector of cumulative capacity levels. The dynamic programming formulation is a new approach for uncertainty handling in the treatment of unit size, planning lead time, and constraints across time.
A case study on Korea's power sector expansion program suggests that it will be desirable to introduce actively new coal-fired plants in 1992-1993 and that introducing additional nuclear plant in 1995 and 1996 would less optimal than doing so in 1997 and 1998. The latter decision can be updated by observing the uncertainty resolution after one or two years. From a long-term (1995-2025) standpoint, a 50-50 mix of coal-fired plants and nuclear plants for new baseloads seems desirable. It is noted that these suggestions are, of course, valid within the relative economics and uncertainty framework, and that they do not claim their robustness in terms of other external issues such as international trade, political trade-offs, environmental effects, safety, and infrastructure development.
每年 增加하는 電力需要에 대한 安定供給을 위하여, 發電所 導入規模, 導入時點, 發電所 形式을 決定하는 것이 電源開發計劃이다. 最近에는 電源開發計劃時 不確實性에 대한 適切한 對處方案이 크게 强調되고 있다.
본 硏究에서는 不確實性을 考慮한 電源開發計劃의 方法으로 期待費用의 最小化 方法과 韓國의 電源開發計劃에 대한 適用事例 硏究結果를 提示하였다. 本 硏究는 不確實性의 要素로써 未來의 電力需要, 燃料價格, 建設費, 發電所의 事故停止를 包含하였다.
現在까지의 不確實性을 考慮한 旣存硏究가 너무 複雜하여 實際로 適用되지 못하고 있으며, 電源開發計劃이 每年 連動化하고 있다는 點을 勘案하여 本 硏究는 現在 決定해야 하는 發電所 導入에 重點을 둠으로써 旣存硏究의 複雜性을 解決하고 나아가 實際 適用性있는 計劃方法을 提示하였다. 특히 需要와 建設費의 不確實性만 考慮할 때에는 不確實한 需要에 대한 確率的 模型이 하나의 期待負荷曲線을 갖는 確定的 模型으로 轉換될 수 있음을 보임으로써 旣存의 電源開發計劃方法이나 模型의 수정없이도 需要의 不確實性에 對處할 수 있는 電源開發을 可能하게 하였다. 燃料價格의 不確實性에 대하여는 給電順序가 변하지 않는다는 假定하에서 期待方法의 適用이 可能함을 보였다. 期待方法을 適用할 때, 많은 投資가 必要한 基底負荷用 發電設備는 下案 需要에 의하여 決定되어 過投資의 危險을 줄일 수 있는 것으로 나타나고 있다. 이러한 結果는 建設工期가 짧을수록 不確實性에 對處하는 能力이 優越한 데 반하여 基底用 發電設備의 建設工期가 크기 때문에 發生 하는 것이다.
旣存硏究에서 한 걸음 더 나아가, 建設期間과 狀況計劃을 包含하는 電源開發計劃 模型은 確定的 動的計劃模型으로 轉換될 수 있음을 보임으로써 不確實性을 考慮할 수 있는 새로운 方法을 提示하였다. 제시된 動的計劃模型은 單位容量의 크기 및 規模의 經濟效果를 包含할 수 있으며, 特히 不確實性에 對應하는 建設工期를 包含할 수 있어서 不確實性 硏究의 새로운 接近方法이다.
또한 提示된 動的計劃模型은 計劃 全期間에 걸친 發電所의 臺數等에 대한 制約式도 容易하게 考慮할 수 있다는 長點을 갖는다.
韓國의 電源開發計劃에 本 硏究의 方法을 適用하여 不確實性을 考慮할때, 1992年과 1993年에 有燃炭發電所의 導入이 必要하고, 1995年과 1996年에 完工豫定인 原子力 後續機를 2년씩 연기하는 것이 좋은 것으로 나타나, 不確實性에의 對處能力 面에서 現電源開發計劃의 再評價가 要求된다. 長期的으로 볼 때 基底負荷用 發電設備로는 有燃炭과 原子力을 半씩 나누어 選擇하는 것이 燃料費 등의 不確實性을 勘案할 때 좋은 것으로 나타난다. 이러한 硏究結果는 不確實性과 經濟性의 範疇에서 導出된 것이며, 그外의 要因, 즉 環境的 要因, 安全度, 國際貿易關係, 政治的 및 政策的 選擇, 旣存産業의 發展 等을 考慮한 綜合的인 評價가 必要함도 밝혀둔다.
