Funcionalidades dos Modelos

Os programas da cadeia de modelos energéticos possuem as seguintes funcionalidades, que são descritas com mais detalhes em seções futuras dessa página:

Configurações do Problema

  • Discretização temporal variável ao longo do horizonte de tempo (LIBS). Atualmente, utilizam-se intervalos mensais para os modelos MELP, NEWAVE e SUISHI, semanal/mensal para o modelo DECOMP, e até semi-horária para o modelo DESSEM.

  • Modelagem das incertezas através de um conjunto de cenários (MELP) ou por uma árvore de cenários (NEWAVE e DECOMP), considerando a incerteza nas afluências às usinas hidrelétricas de forma conjunta com a incerteza na geração eólica.

  • Possibilidade de representação de patamares de carga não cronológicos para os intervalos de tempo de maior duração (MELP, NEWAVE, SUISHI, DECOMP).

  • Acoplamento temporal entre os modelos, a partir de uma função de custo futuro multivariada, construídos pelos modelos de mais longo prazo. Esta função expressa o valor da água das usinas hidrelétricas em função do vetor de volumes armazenados em todas as usinas e da tendência hidrológica (vazões passadas).

  • Consideração de mecanismos de aversão a risco para os modelos de curto, médio e longo prazo, como o Conditional Value-at-Risk (CVaR) (NEWAVE, DECOMP), superfície de aversão ao risco (SAR) (NEWAVE), e volume mínimo operativo para as usinas hidrelétricas (NEWAVE, SUISHI e DECOMP).

Representação do Sistema de Transmissão

O sistema pode ser representado em diferentes graus de detalhamento na cadeia de modelos, dependendo dos dados que estão disponíveis e das características do horizonte de planejamento em cada um deles.

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  • em primeiro lugar, o sistema é subdividido em submercados, que são interconectados por grandes troncos de transmissão. denominados de intercâmbios de energia (MATRIZ/MELP, NEWAVE, DECOMP, DESSEM e SUISHI), com limites de transmissão, fatores de perdas para gerações ou cargas em função da distância de cada usina/ponto de carga ao centro de gravidade da carga da área;

  • em cada submercado, podem ser consideradas restrições elétricas internas (NEWAVE/DECOMP), para representar alguns gargalos importantes de transmissão intra-submercado;

  • no modelo DESSEM, considera-se a rede elétrica detalhada, por uma modelagem DC;

  • importações ou exportações de energia com outros sistemas também podem ser representadas em todos os modelos;

  • considera-se a possibilidade de corte de carga nos submercados, a partir das informações de custo de déficit, fornecidas a partir de uma função linear por partes (NEWAVE, DECOMP, DESSEM e SUISHI).

A cada barra do sistema podem ser conectadas usinas hidrelétricas e usinas térmicas. Os reservatórios das usinas hidrelétricas podem ser de regularização diária ou a fio da água, e estão conectadas em cascata ao longo dos cursos dos rios, fazendo com que os modelos vejam de maneira integrada a operação elétrica com a dinâmica do fluxo da água ao longo dos rios.

As fontes intermitentes de energia, como eólica e solar, também se conectam às barras e respectivos submercados, assim como todos os componentes adicionais que são representados nos modelos, como as baterias para armazenamento de energia, usinas reversíveis e as cargas que participam dos programas de resposta da demanda

Representação das Usinas Hidrelétricas

As usinas hidrelétricas em cascata podem ser representadas de maneira individualizada em todos os modelos, com as seguintes funcionalidades:

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  • modelagem detalhada dos reservatórios considerando diversas variáveis da operação hidráulica, como armazenamento, vertedouro, desvio e canal de fuga;

  • modelagem detalhada das casas de força das usinas hidrelétricas (NEWAVE, DECOMP, DESSEM e SUISHI), considerando as características das turbinas e dos geradores;

  • produtividade variável das usinas hidrelétricas com a altura de queda, além do efeito da variação da eficiência das turbinas e perdas hidráulicas nos condutos com a altura de queda líquida e a vazão, e o engolimento máximo das turbinas em função da altura de queda;

  • representação detalhada do balanço hídrico para a operação em cascata das usinas hidrelétricas (NEWAVE, SUISHI, DECOMP, DESSEM), considerando o tempo de viagem da água (DECOMP, DESSEM) e modelagem de seções de rio com curvas de propagações de vazões (DESSEM).

  • representação de usinas de bombeamento (DECOMP, DESSEM), seja em ciclo fechado (usinas reversíveis) ou em ciclo aberto (transposição de água de um rio a outro;

  • unit commitment das usinas hidrelétricas (DESSEM), onde se representa o status ligado e desligado das unidades geradoras e suas zonas proibidas de operação.

  • modelagem de canais entre reservatórios;

Diversos fenômenos físicos são modelados, como a evaporação dos reservatórios variável com o volume armazenado, assim como várias restrições operativas como defluências mínimas das usinas, retirada de água para outros usos, como irrigação e abastecimento humano, volumes de espera para controle de cheias, calculadas pelo sistema CHEIAS, variação horária de nível nas seções dos rios, como a Régua 11 de Itaipu, enchimento de volume morto.

Além de todos esses aspectos, considera-se a incerteza das vazões afluentes (GEVAZP) através de um modelo autorregressivo periódico (Par(p)), incluindo termos adicionais para a correlação anual (Par(p)-A) e considerando alguns fenômenos climáticos com o ENSO. Estes cenários alimentam os modelos MELP, NEWAVE, SUISHI e DECOMP. A previsão de vazões horárias/diárias/semanais para as usinas hidrelétricas pode ser feita pelo modelo PREVIVAZ, considerando uma série de modelos estatísticos, e que alimenta os modelos DECOMP e DESSEM.

Há ainda a possibilidade de modelagem das usinas hidrelétricas a reservatórios equivalentes de energia (REEs) (NEWAVE), de forma a reduzir o esforço computacional para resolução do problema no longo prazo, se desejado, utilizando, para a construção dos REEs, os dados e restrições operativas individualizadas das usinas.

Representação das Usinas Térmicas

Os modelos de otimização energética do CEPEL consideram também uma modelagem detalhada das usinas térmicas. Além da dos limites de geração e os custos unitários, conhecidos como CVUs, das usinas térmicas, são considerados também diversos aspectos, ilustrados a seguir.

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  • restrições de despacho antecipado para usinas a GNL (MATRIZ/MELP, NEWAVE, DECOMP, DESSEM e SUISHI);

  • diversas restrições e aspectos do unit commitment térmico (DESSEM), como os custos de partida e parada das unidades, restrição de potência mínima enquanto ligada das unidades, tempo mínimo ligada e desligada, restrições de rampa de geração enquanto ligada e trajetórias de acionamento e desligamento das unidades geradoras;

  • modelagem das usinas térmicas a ciclo combinado (DESSEM).

Modelagem da rede elétrica

Nos modelos que representam a rede elétrica (DESSEM), uma modelagem DC é aplicada, onde se representam:

  • os limites de fluxo nos circuitos;

  • restrições de rampa de variação horária nos fluxos;

  • perdas quadráticas nas linhas da rede, por um modelo linear por partes;

  • restrições de segurança mais detalhadas, que podem ser fornecidas pelo usuário através de tabelas ou por modelos lineares por partes

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Para obter maior eficiência computacional, essas restrições são modeladas por processos iterativos exatos ou por meio de heurísticas.

Integração das fontes intermitentes de geração, armazenamento de energia e outros aspectos da Transição Energética

  • Representação da incerteza das usinas eólicas (NEWAVE, DECOMP e GEVAZP ) e da variabilidade horária dessas fontes (MATRIZ, DESSEM), modelando-as como uma geração fixa ou com possibilidade de geração interruptível.

  • Representação de usinas fotovoltaicas e solares (MATRIZ, DESSEM).

  • Modelagem de armazenamento de energia (MATRIZ, DESSEM), com restrições como taxas máximas de carga/descarga e perdas de armazenamento ao longo do tempo.

  • Possibilidade de representação da resposta à demanda, através do uso de usinas térmicas fictícias.

Aspectos e componentes adicionais do sistema

  • Representação de usinas não despachadas centralizadamente, como usinas a biomassa, PCHs, etc.

  • Representação de reserva de potência, individualmente por usina ou para um conjunto de usinas (DESSEM).

  • Representação de comercialização (importação/exportação de energia) com sistemas externos (DECOMP/DESSEM).

Estratégias de Solução

  • Desenvolvimento e aplicação de avançadas técnicas de programação matemática para resolução dos problemas de planejamento nos diferentes níveis: programação dinâmica dual estocástica (PDDE) para o modelo NEWAVE, programação dinâmica dual (PDD) para o DESSEM, programação linear para o modelo MATRIZ, programação linear inteira-mista para os modelos MELP e DESSEM, e programação não linear com regras heurísticas para o modelo SUISHI.

  • Desenvolvimento e aplicação de avançadas técnicas matemáticas para modelagem e resolução dos problemas de otimização, como seleção de cortes para a função de custo futuro (NEWAVE), procedimentos iterativos para inclusão de restrições (DESSEM), e aplicação de penalizações para tratamento de violações das restrições operativas (NEWAVE, DECOMP, DESSEM).

  • Desenvolvimento e aplicação de avançadas técnicas de processamento paralelo para otimização da execução dos modelos em ambientes de elevado desempenho computacional, e possibilidade de execução dos modelos na nuvem ou em clusters de computadores.

Informações adicionais/contatos

Informações básicas sobre os produtos do CEPEL na área de Otimização Energética e em outras áreas podem ser consultadas no site do CEPEL .

Caso queira entrar em contato conosco para saber mais detalhes sobre os produtos, estamos disponíveis nos seguintes endereços: