Ramírez Acosta, Rebeca Priscilla (2025) A Systematic Analysis of Electricity Markets on Smart Grid Performance. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Today’s electric power system is facing several challenges to achieve the energy transition and to comply with a fully sustainable and clean power sector. Renewable energies and smart grid technologies are key contributors in supporting this transformation. Smart grid technologies refer to a supply network that uses digital communication technologies to provide information on resource availability, enable controllability, and encourage a more dynamic operation of the power system. Electricity markets nowadays face the challenge of evolving since new market products and services are emerging, such as flexibility services. However, in liberalized energy systems, changes in market dynamics require thorough evaluation, especially if their objective is the achievement of a more sustainable power system. This research aims to explore how smart grid technologies influence power system performance, thereby promoting sustainability of the electricity market through the development of new market rules. To achieve this goal, this thesis employs a combination of methodologies to categorize different electricity market designs, identify gaps for new market rules, and, through a systematic analysis of the literature, select relevant Key Performance Indicators (KPIs). These KPIs are used to assess intended sustainability goals considering the market characteristics of its original design. A bibliometric analysis was implemented to develop a set of performance indicators for smart grid markets. These indicators are used to evaluate the economic, social, environmental, and policy dimensions of sustainability in power systems. To develop this set of indicators and visualize their relationships among dimensions, tools such as science mapping and coword analysis are employed. These tools support the construction of relationships based on semantics analysis. As a result, a first set of KPIs is proposed for the evaluation of sustainability aspects based on changes in electricity market designs and rules. A use case for evaluating the sustainability implications of different payment mechanisms for flexibility services in distribution systems was considered. The evaluation of relationships between the KPIs supported the visualization of the dynamics of the aspects in power systems and the implications of changes in the market payment scheme over different dimensions. Finally, expert interviews are conducted to evaluate the process. The objective is to generate knowledge through an understanding of the market, its relationship withsustainability, and the assessment methods implemented across different regions. Content analysis and data mining are employed to identify patterns within expert opinions, thereby supporting the connections between the market and evaluation methods. The process enables the clustering and mapping of market-related KPIs. The relationship among market concepts clarifies how changes in the electricity market can promote a more sustainable energy system. This approach offers a systematic and multidimensional analysis of electricity markets which allows to bridge the gap between the market design framework and its practical evaluation method. The thesis aims to provide a foundation for policymakers and industry stakeholders, assisting them in measuring progress towards sustainable goals in electricity markets.

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Eine systematische Analyse der Elektrizitätsmärkte und deren Einfluss auf die Leistung von Smart Grids

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Das heutige Stromversorgungssystem steht vor mehreren Herausforderungen, um die Energiewende zu erreichen und einen vollständig nachhaltigen und sauberen Energiesektor zu gewährleisten. Erneuerbare Energien und Smart Grid-Technologien sind entscheidende Faktoren, die diese Transformation unterstützen. Smart Grid-Technologien beziehen sich auf ein Versorgungsnetz, das digitale Kommunikationstechnologien nutzt, um Informationen über die Verfügbarkeit von Ressourcen bereitzustellen, Steuerbarkeit zu ermöglichen und eine dynamischere Betriebsweise des Stromsystems zu fördern. Derzeit stehen Elektrizitätsmärkte vor der Herausforderung, sich weiterzuentwickeln, da neue Marktprodukte und -dienstleistungen, wie Flexibilitätsdienste, auf den Markt kommen. In liberalisierten Energiesystemen erfordern Veränderungen in den Marktdynamiken jedoch eine gründliche Bewertung, insbesondere wenn das Ziel die Erreichung eines nachhaltigeren Stromsystems ist. Ziel dieser Forschung ist es, zu untersuchen, wie Smart Grid-Technologien die Leistung des Stromsystems beeinflussen und damit die Nachhaltigkeit des Elektrizitätsmarktes durch die Entwicklung neuer Marktregeln fördern. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet diese Dissertation eine Kombination von Methoden, um verschiedene Strommarktdesigns zu kategorisieren, Lücken für neue Marktregeln zu identifizieren und durch eine systematische Analyse der Literatur relevante Key Performance Indicators (KPIs) auszuwählen. Diese KPIs werden verwendet, um die angestrebten Nachhaltigkeitsziele unter Berücksichtigung der Markteigenschaften des ursprünglichen Designs zu bewerten. Eine bibliometrische Analyse wurde durchgeführt, um ein Set von Leistungsindikatoren für Smart Grid-Märkte zu entwickeln. Diese Indikatoren werden verwendet, um die wirtschaftlichen, sozialen, ökologischen und politischen Dimensionen der Nachhaltigkeit in Stromsystemen zu bewerten. Zur Entwicklung dieses Indikatorsets und zur Visualisierung ihrer Beziehungen zwischen den Dimensionen werden Werkzeuge wie Wissenschafts-Mapping und Co-WordAnalyse eingesetzt. Diese Werkzeuge unterstützen den Aufbau von Beziehungen auf der Basis von Semantikanalysen. Als Ergebnis wird ein erstes Set von KPIs vorgeschlagen, um Nachhaltigkeitsaspekte basierend auf Veränderungen in den Designs und Regeln des Elektrizitätsmarkts zu bewerten. Ein Anwendungsfall zur Bewertung der Nachhaltigkeitsimplikationen verschiedener Zahlungsmethoden für Flexibilitätsdienste in Verteilungsnetzen wurde berücksichtigt. Die Auswertung der Beziehungen zwischen den KPIs unterstützte die Visualisierung der Dynamik der Aspekte in Stromsystemen und die Auswirkungen von Änderungen im Marktzahlungsmodell auf verschiedene Dimensionen. Abschließend wurden Experteninterviews durchgeführt, um den Prozess zu bewerten. Ziel ist es, Wissen zu generieren, indem das Marktverständnis, seine Beziehung zur Nachhaltigkeit und die Bewertungsmethoden, die in verschiedenen Regionen implementiert wurden, erfasst werden. Inhaltsanalyse und Data Mining werden eingesetzt, um Muster in den Expertenmeinungen zu identifizieren und damit die Verbindungen zwischen dem Markt und den Bewertungsmethoden zu unterstützen. Der Prozess ermöglicht die Clusterung und Kartierung marktrelevanter KPIs. Die Beziehungen zwischen den Marktbegriffen verdeutlichen, wie Änderungen im Elektrizitätsmarkt ein nachhaltigeres Energiesystem fördern können. Dieser Ansatz bietet eine systematische und multidimensionale Analyse der Elektrizitätsmärkte, die es ermöglicht, die Lücke zwischen dem Marktgestaltungsrahmen und seiner praktischen Bewertungsmethode zu überbrücken. Die Dissertation soll eine Grundlage für politische Entscheidungsträger und Branchenakteure bieten und ihnen dabei helfen, den Fortschritt in Richtung nachhaltiger Ziele auf den Elektrizitätsmärkten zu messen.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Electricity Market, Morphological Box, Key performance indicators (KPIs), Smart Grid Natural Language Processing (NLP)
Subjects:	Generalities, computers, information > Computer science, internet
Divisions:	School of Computing Science, Business Administration, Economics and Law > Department of Computing Science
Date Deposited:	27 Mar 2025 10:47
Last Modified:	27 Mar 2025 10:47
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7164
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-72456
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