Modelo NEWAVE¶

Descrição Geral¶

O programa NEWAVE é um modelo otimização estocástica desenvolvido pelo CEPEL para aplicação no planejamento da operação e expansão de sistemas hidrotermo-eólicos interligados de longo e médio prazo, onde tem sido empregado oficialmente pelo setor elétrico brasileiro desde 1998.

A estratégia operativa é construída de maneira a considerar a estocasticidade hidroeólica ao minimizar o valor esperado do custo de operação ao longo do horizonte de planejamento e atender um critério de aversão ao risco hidrológico. Os custos variáveis de combustível das usinas termelétricas e os custos associados a eventuais déficits no suprimento de energia e outras penalizações compõem o custo de operação em cada estágio mensal do horizonte de planejamento que vai de 5 a 15 anos.

A representação estocástica das afluências às usinas hidroelétricas é feita por meio de uma árvore de cenários, onde cada caminho na árvore é chamado de cenário, e cada nó representa uma possível realização da afluência. Essas realizações seguem um processo estocástico multivariado, espacial e temporalmente, com propriedades estatísticas semelhantes às do registro histórico, as quais devem ser preservadas durante a construção da árvore de cenários. Os cenários das velocidades de ventos para geração eólica correlacionados espacialmente com as afluências, isto é, preservando a correlação cruzada histórica entre as respectivas usinas hidrelétricas e os respectivos parques eólicos.

Quanto ao detalhamento das características físicas e operativas do problema, as funções de custo futuro mensais que definem a política operativa são obtidas com representação individualizada do parque termelétrico e com o parque hidroelétrico podendo ser representado de maneira agregada por reservatórios equivalente de energia (REEs) ou de forma individualizada, dependendo do horizonte a ser considerado. Com isso, balanceia-se de forma mais adequada o detalhamento da representação do sistema e o esforço computacional, permitindo uma maior acurácia na modelagem das incertezas.

Consideram-se também usinas não simuladas centralizadamente e o despacho antecipado para usinas a GNL. A transmissão é modelada por intercâmbios de energia entre submercados e restrições elétricas adicionais internas aos REEs, sendo a demanda representada em patamares de carga de diferentes durações.

Objetivo e Aplicações¶

O principal objetivo do modelo NEWAVE é calcular a política operativas para o planejamento a médio e curto prazos da operação energética, e que também é utilizada na avaliação de planos de expansão.

O modelo NEWAVE está envolvido nas seguintes aplicações oficiais no sistema elétrico brasileiro:

elaboração do Programa Mensal da Operação Energética (PMO) pelo Operador Nacional do Sistema (ONS), com participação dos agentes, envolvendo os modelos NEWAVE e DECOMP, a fim de fornecer metas e diretrizes a serem seguidas pelos órgãos executivos da programação diária da operação e da operação em tempo real;
definição do plano da Operação Energética PEN, pelo ONS, com o modelo NEWAVE;
cálculo do Preço de Liquidação das Diferenças (PLD) pela Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), utilizando também os modelos Modelo DECOMP e Modelo DESSEM;
elaboração do Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE) e dos Leilões de Energia, pelo Ministério de Minas e Energia (MME) e Empresa de Pesquisa Energética, trazendo uma indicação das perspectivas de expansão futura do setor de energia sob a ótica do Governo;
cálculo das garantias físicas das usinas geradoras, pela EPE, utilizando os modelos NEWAVE e SUISHI.

Funcionalidades¶

Ao longo do tempo, as melhorias metodológicas e de implementação do modelo NEWAVE aumentaram a precisão dos resultados obtidos com a sua utilização na tomada de decisões reais em tão importantes atividades do setor elétrico, bem como mantiveram a aderência a evolução das características físicas e do ambiente regulatório do sistema brasileiro. Por outro lado, principalmente devido ao tamanho do problema e à precisão necessária na amostragem da subárvore de cenários, até dezembro de 2015 as usinas hidrelétricas (UHE) do modelo NEWAVE foram agregadas em quatro REEs em estudos oficiais.

A implementação bem-sucedida, ao longo do tempo, de estratégias que exploram técnicas da computação distribuída e gerenciamento avançado dos cortes de Benders para redução do esforço computacional, abriu o caminho para aprimoramentos na representação hidroelétrica no modelo NEWAVE por meio do aumento do número de REEs por submercado e/ou por meio de uma representação híbrida da configuração hidroelétrica.

A representação individual é especialmente importante para estudos de operação e cálculo de preços spot, uma vez que o NEWAVE pode fornecer ao modelo de operação de curto prazo (DECOMP) funções de custo futuro que já representem os armazenamentos individuais das usinas hidrelétricas.

Por outro lado, a representação individual de um grande número de UHEs (cerca de 150, no caso do Brasil) pode causar dificuldades quanto à amostragem da subárvore dos cenários de afluências no algoritmo PDDE, a fim de atingir a precisão necessária na política de operação, além das dificuldades associadas ao desempenho computacional na etapa de cálculo da política, que, no modelo NEWAVE, é tratada com bastante rigor em termos de qualidade dos resultados.

Em 2015, após análises abrangentes dessa abordagem em várias configurações, o Comitê Permanente de Análise de Metodologias e Programas Computacionais do Setor Elétrico – CPAMP, decidiu passar de 4 para 9 REEs para entrar em vigor em janeiro de 2016, e também indicou a adoção de 12 EERs em 2018 ou 2019.

Entre as evoluções listadas, destacam-se dois mecanismos de aversão a risco que foram desenvolvidos e implementados, com o objetivo de propiciar uma maior segurança no suprimento sem encarecer demasiadamente os custos de operação:

CVaR (Valor Condicionado a um dado Risco), onde é adicionado à função objetivo uma parcela referente ao custo dos cenários hidrológicos mais caros;
SAR (Superfície de Aversão a Risco), que representa uma extensão, para o caso multivariado, das restrições de armazenamento mínimo de energia nos REEs.

Outro aprimoramento importante é a metodologia de penalização das violações relativas ao volume mínimo operativo (VMINOP), através de seus valores máximos ocorridos até determinado período, evitando assim aumentos exagerados nos valores da água e, consequentemente, nos custos marginais de operação (CMO), que ocorrem devido ao acúmulo de penalização por violações consecutivas quando a penalização é realizada mensalmente.

Ressalta-se também a adoção de técnicas de reamostragem de cenários durante o cálculo da política ótima de operação, assegurando ao algoritmo da PDDE uma convergência assintótica a solução ótima e conferindo ganho de qualidade a função de custo futuro construída pela mesma. Tal aprimoramento é obtido visitando uma parcela mais representativa da árvore completa de cenários, sem comprometer o tempo computacional.

O comprometimento com a melhoria constante permitiu manter o modelo no estado da arte e com sua ampla gama de aplicações práticas em estudos oficiais e de agentes e tomada de decisões no setor elétrico brasileiro ao longo desses vinte anos. Ressalta-se que todas as funcionalidades do modelo são exaustivamente testadas em grupos de trabalho envolvendo as instituições do setor elétrico e os agentes, como a CPAMP e as Forças-Tarefas dos modelos.

Formulação e Resolução do Problema¶

O problema de otimizaçao do NEWAVE é formulado como um grande problema de otimização linear estocástica.

Diante da impossibilidade de percorrer a árvore de cenários por completo, o algoritmo de Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE) é empregado para resolver o problema, percorrendo-se um conjunto de séries de afluências em cada iteração, por meio de dois passos:

uma simulação forward, com os cenários hidrológicos amostrados, de forma a encontrar estados potencialmente relevantes para obtenção dos valores da água;
uma recursão backward, onde se visitam todos os cenários de cada período, para cada realização da afluência, de forma a construir cortes de Benders para a função de custo futuro (FCF) ao final do período anterior.

Simulação da Política de Operação¶

Posteriormente à construção da política operativa de mínimo custo e considerando medida de risco, o modelo realiza uma simulação da operação do sistema com 2000 cenários de sequência hidrológicas diferentes daquelas utilizadas no cálculo da política, podendo também ser realizada utilizando-se séries históricas. Essa etapa disponibiliza índices de desempenho do sistema tais como valor esperado da energia não suprida, risco de déficit, custos marginais, intercâmbio e outros.

Documentação¶

A documentação do modelo NEWAVE consiste, além desse Manual de Metodologia, dos seguintes documentos que constam da pasta “documentos” do pacote de instalação do modelo:

Manual do usuário do Modelo

Esta documentação está acessível pelo endereço: https://www.cepel.br/produtos/documentacao-tecnica/.

Para mais informações sobre o modelo DESSEM, estamos disponíveis pelo endereço dessem@cepel.br .

Referências¶

Referências