Funcionalidades dos Modelos

Os programas da cadeia de modelos energéticos possuem uma serie de funcionalidades, que são descritas com mais detalhes em seções futuras dessa página.

Evolução ao longo do tempo

Os modelos atuam de forma integrada, e vêm sendo continuamente aprimorados para acompanhar o aumento da complexidade de operação do Sistema Interligado Nacional. Aqui podemos ver as principais funcionalidades incorporadas nesse período para o NEWWAVE, GEVAZP, SUISHI, DECOMP e DESSEM, além de uma série de aprimoramentos mais recentes vêm sendo implementados através da plataforma LIBS, contemplando simultaneamente todos os modelos e garantindo, assim, o desenvolvimento integrado e a inclusão de funcionalidades de maneira uniforme em todos eles.

Temos ainda as pesquisas de base, que têm sido realizadas ao longo do tempo e constituem a fundação para o desenvolvimento das metodologias para os modelos de otimização energética do CEPEL. Tudo isso tem possibilitado o aprimoramento gradativo, ao longo do tempo, da representação das usinas hidrelétricas no modelo NEWAVE, sendo possível considerá-las hoje de forma individualizada em todo ou em parte do horizonte de estudo.

Aprimoramentos recentes

A seguir, apresentam-se alguns aprimoramos recentes realizados nos modelos

Incorporação da incerteza na geração eólica

O primeiro é a incorporação da modelagem dos ventos nos modelos NEWAVE e DECOMP, representando a incerteza da geração eólica de forma conjunta com a incerteza nas vazões afluentes, cujas etapas estão resumidas na figura a seguir.

A partir de dados históricos em base horária para a velocidade de ventos e geração eólica em cada parque, foi desenvolvida uma modelagem estatística para agregação dos regimes de ventos, de forma reduzir a dimensionalidade das variáveis aleatórias. Em seguida, construíram-se curvas mensais para representar a geração eólica em função das velocidades de ventos, a partir das quais faz-se uma regressão linear para considerar a curva de produção eólica em função da velocidade dos ventos, em escala mensal, com fatores diferenciados por patamar de carga.

Utilizando os modelos Par(p) e Par(p)-A com ruídos lognormais para as vazões, distribuição Weibull para as velocidades de ventos, e considerando a correlação espacial entre as variáveis aleatórias, faz-se uma geração conjunta de cenários para as vazões afluentes e as velocidades dos ventos. Os cenários são então inseridos no problema de otimização nos modelos NEWAVE e DECOMP, que consideram a geração eólica como uma decisão, e não como abatimento de carga, permitindo-se ou não o corte de geração, por escolha do usuário.

NEWAVE individualizado / híbrido

Outro aprimoramento importante é a representação das usinas hidrelétricas de forma individualizada no modelo NEWAVE, em todo o horizonte de estudo ou até determinada linha de corte no tempo, como apresentado no esquema a seguir. Dessa maneira, pode-se representar as usinas de forma individualizada nos meses iniciais do horizonte até determinado período escolhido pelo usuário.

Após esse período de transição o modelo passa a representar as usinas hidrelétricas através da modelagem a reservatórios equivalentes de energia, REEs, havendo, portanto, a possibilidade de utilização da modelagem por REE na porção final do horizonte de planejamento.

Para melhorar o desempenho computacional, concebeu-se também o acoplamento, ao final do horizonte de planejamento, com uma função de custo futuro lida externamente. Essa função deve ser construída a partir de uma execução anterior do NEWAVE, eliminando assim a necessidade de consideração de um período pós estudo.

Finalmente, outro aprimoramento realizado recentemente no modelo NEWAVE foi o de permitir a realização de simulações individualizadas mesmo quando a política de operação (funções de custo futuro) é construída a reservatórios equivalentes de energia, em parte ou todo o horizonte de estudo. Com isso, pode-se fazer uma avaliação comparativa do desempenho do sistema quando simulado sob as mesmas condições e restrições operativas, porém utilizando funções de custo futuro construídas por REE ou com modelagem individualizada das usinas hidrelétricas. O esquema abaixo ilustra esse tipo de simulação.

Aprimoramento das restrições elétricas no NEWAVE/DECOMP

Um terceiro desenvolvimento recente foi o aprimoramento da consideração das restrições elétricas já existentes nos modelos NEWAVE e DECOMP. Através de uma entrada de dados intuitiva, o usuário pode inserir qualquer expressão linear para uma restrição elétrica, informar a condição na qual a restrição deve ser incluída e informar os limites inferior e superior das restrições também de forma condicionada aos dados de entrada do problema.

Com isso, é possível representar restrições lineares por parte que são fornecidas originalmente por meio de tabelas. Esta entrada de dados, que é o padrão que vem sendo utilizada no ambiente Libs, é em formato CSV, o que facilita a representação e legibilidade dos dados, além de ser bastante flexível.

Unit Commitment Hidráulico no modelo DESSEM

No final de 2023 o CEPEL disponibilizou uma versão do modelo DESSEM considerando a modelagem do acionamento e desligamento de cada unidade geradora das usinas hidrelétricas, assim como diversas restrições de unit commitment hidráulico, como ilustrado a seguir.

Com a consideração dessas restrições, aproxima-se ainda mais a modelagem das usinas hidrelétricas à realidade operativa, reduzindo-se a necessidade de realização do “pós-DESSEM” pelo ONS. Do ponto de vista dos geradores, essa funcionalidade permite que se utilize o modelo DESSEM para representar de maneira mais fidedigna a distribuição do despacho de geração da usina (que é determinado pelo ONS) entre suas unidades geradoras.

As funcionalidades do modelo são descritas brevemetne a seguir, e descritas com mais detalhes nas diversas seções desse ambiente de documentação.

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.

• 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:

• 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.

• 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

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:

• Contatos gerais

  • Departamento de Otimização Eletroenergética do CEPEL: dse@cepel.br;

  • Aquisição de licenças dos modelos: dni@cepel.br;

• Contato com as equipes de cada modelo:

  • modelo NEWAVE: newave@cepel.br

  • modelo DECOMP: decomp@cepel.br

  • modelo DESSEM: dessem@cepel.br

  • modelo GEVAZP: gevazp@cepel.br

  • modelo PREVIVAZ: previvaz@cepel.br

  • modelo SUISHI: suishi@cepel.br

  • modelo MATRIZ: matriz@cepel.br

  • modelo MELP: melp@cepel.br

  • modelo SINV: sinv@cepel.br

  • modelo CONFINT: confint@cepel.br

  • modelo VENTOS: ventos@cepel.br

  • modelos PrevCargaPMO e PrevCargaDESSEM: prevcarga@cepel.br