Linhas de Pesquisa¶

As principais linhas de pesquisa e atividades específicas na área energética são:

Planejamento da Operação, Despacho e Formação de Preço de sistemas hidrotermo-eólicos
Planejamento de Expansão e Avaliação energética/ambiental de Novos Projetos de G&T
Comercialização de Energia e Análise Financeira de Projetos
Avaliação de aspectos relacionados à transição energética: fontes intermitentes, armazenamento de energia, resposta da demanda e hidrogênio verde
Hidrologia Estocástica e Recursos Hídricos
Previsão de Carga de curto, médio e longo prazos
Técnicas Computacionais Aplicadas à Área Energética

A seguir, apresenta-se um resumo dos programas/modelos computacionais da área de otimização energética, cuja documentação mais completa é apresentada neste ambiente LIBs.

Planejamento da Operação, Despacho e Formação de Preço¶

Os modelos de otimização energética do CEPEL são utilizados para o planejamento e programação da operação, com horizonte variando de 5 anos a semanas, e com desagregação mensal, semanal e horária. O uso desses modelos de otimização/simulação garante a operação coordenada e ótima do sistema elétrico brasileiro, com o objetivo de minimizar o custo de geração, e considerando medidas de risco para melhor garantir o suprimento de energia.

o modelo NEWAVE é destinado ao planejamento da operação de longo prazo (até 10 anos) e determinação dos valores da água, aplicando o algoritmo de programação dinâmica dual estocástica;
com a política de operação construída pelo NEWAVE, que é representada pelas funções de custo futuro para cada período, podem ser feitas simulações hidrotermoeólicas, seja com o próprio NEWAVE, ou com o modelo SUISHI, que pode simular o sistema com adoção de regras heurísticas e não lineares mais detalhadas;
a política do NEWAVE também alimenta o modelo DECOMP, que refina essa política, otimizando a operação no curto prazo, até 1 ano à frente, com discretização semanal ou mensal, aplicando Programação Dinâmica Dual;
o modelo DECOMP se integra, por sua vez, ao modelo DESSEM, que resolve um problema de unit commitment hidrotérmico por programação linear inteira mista, acoplando-se à função de custo futuro construída pelo DECOMP. O DESSEM é utilizado oficialmente desde 2020 para a programação do despacho pelo ONS, e desde 2021 para estabelecimento do preço de energia (PLD) horário, pela CCEE, atuando de forma integrada com os modelos NEWAVE e DECOMP;
a incerteza no regime hidrológico e de ventos é considerada no modelo GEVAZP, que gera cenários conjuntos de vazão e ventos para os modelos NEWAVE, SUISHI e DECOMP, considerando a correlação espacial entre essas variáveis;
o sistema PREVIVAZ utiliza técnicas estatísticas com informação de chuva para a previsão de vazões diárias para o DESSEM, e semanais para o DECOMP;
com o sistema CHEIAS, fazem-se estudos de prevenção e controle de cheias, enviando restrições referentes a volumes de espera para os modelos NEWAVE, DECOMP e DESSEM;
para a previsão de carga, são utilizados os modelos PrevCargaPMO, para previsão de carga para o modelo DECOMP, e PrevCargaDESSEM, para previsão de carga para o modelo DESSEM.

Ressalta-se que simulações individualizadas para o planejamento da expansão e operação do sistema - com o mesmo horizonte de planejamento adotado no cálculo da política do NEWAVE - podem ser realizadas de duas formas, utilizando-se as funções de custo futuro calculadas pelo NEWAVE:

através da simulação final individualizada no próprio modelo NEWAVE, ao longo de todo o horizonte de modelo, disponível no modelo a partir de Junho/2022.
através do módulo de simulação hidrotérmica do SUISHI, que considera de forma explícita as não linearidades e regras operativas dos reservatórios;

Estas simulações permitem não só a avaliação das condições de suprimento de energia no futuro pelas instituições, mas para os agentes avaliarem o desempenho de seus ativos de geração e transmissão, tanto existentes como futuros, e prospectarem o preço de energia

Execução Encadeada dos Modelos¶

No programa mensal da operação e cálculo do PLD, os modelos NEWAVE, DECOMP e DESSEM são executados de forma sequencial e encadeada, ao longo do tempo, cada um com um horizonte de tempo, discretização temporal e periodicidade adequados com o nível de planejamento ao qual está associado:

execução do modelo NEWAVE uma vez por mês, para obter a função de custo futuro para as rodadas semanais do DECOMP, ao longo do mês;
execução do modelo DECOMP uma vez por mês, para obter a função de custo futuro para as rodadas diárias do DESSEM, ao longo da semana;
execução do modelo DESSEM de forma diária, para obtenção do despacho e preço horário para o dia seguinte

Contínuo aprimoramento 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.

Finalmente, temos 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 nos modelos¶

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.

Planejamento de Expansão e Avaliação energética/ambiental de Novos Projetos de G&T¶

São desenvolvidas metodologias para consideração das dimensões energética e socioambientais nas diversas etapas do processo de planejamento da expansão da geração e transmissão de energia elétrica. Estudos de inventários de bacias hidrográficas podem ser realizados com o modelo SINV, para aprimoramento do processo de tomada de decisão da melhor alternativa através de métodos multicritério, e é a ferramenta oficial para realização de inventários utilizando o conceito de avaliação ambiental integrada e seguindo as regras do Manual de Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas.

Em seguida, estudos integrados de planejamento de longo prazo da expansão da geração elétrica e de gás natural ou de todo sistema energético brasileiro podem ser realizados através dos modelos MELP e MATRIZ, respectivamente. O objetivo de tais estudos é estabelecer uma estratégia de expansão de usinas geradoras e interligações para o sistema elétrico, levando-se em consideração as interdependências com as outras cadeias energéticas de forma econômica e aspectos de confiabilidade e ambientais.

Os resultados das simulações destes modelos podem fornecer importantes subsídios/condicionantes para o planejamento da expansão de médio e curto prazos realizados através dos modelos NEWAVE e SUISHI, de modo a obter-se a um programa de obras de referência, que visa à implantação de novos projetos de geração e transmissão, contratados por meio de leilões públicos. Com estes modelos calcula-se também a garantia física das usinas hidrelétricas e termoelétricas.

A avaliação da garantia física atual e os impactos das novas fontes intermitentes de energia na garantia física das usinas no futuro é de suma importância para as empresas de geração, pois é um balizador para o estabelecimento dos contratos futuros de venda de energia.

Comercialização de Energia¶

No âmbito do sistema ECOMERC, são estudados aspectos relacionados à comercialização de energia elétrica, que envolve a utilização de todos os modelos para planejamento e formação de preço do SIN, e apresenta três módulos:

PLDPro: Prospecção de Preços de Energia;
SAZOPT: Sazonalização da Garantia Física;
MOP: Otimização de Portfólios

Análise Financeira de Projetos¶

O DEA também desenvolve modelos para subsidiar a tomada de decisão de investimentos em projetos de geração e transmissão de energia. A principal ferramenta para a análise financeira e de riscos é o modelo ANAFIN, que apoia decisões de investimento das empresas, lidando com incertezas inerentes a cada projeto desenvolvido.

Integração direta entre modelos de longo e curtíssimo prazos¶

Um aspecto fundamental é a integração direta do modelo de programação diária, DESSEM, com os modelos de planejamento da expansão, MELP, e planejamento da operação, NEWAVE. Isso permite que esses modelos consigam enxergar uma granularidade temporal detalhada nas decisões de expansão e na simulação da política de operação, o que é essencial na avaliação dos efeitos, na operação das fontes de energia tradicionais, da forte penetração das novas fontes renováveis de energia, como a geração eólica, solar, e geração distribuída(MMGD), assim como avaliar os impactos da grande incerteza e variabilidade horária dessas fontes.

Com essa integração entre os modelos, é possível avaliar também os benefícios da introdução, nos sistemas elétricos, de diversos elementos que compõem a transição energética, como usinas reversíveis, armazenamento de energia, resposta da demanda, e até a possibilidade de utilizar eventuais excessos de geração para produção de hidrogênio verde, que podem ser modelados como cargas adicionais no sistema.

Esta integração tem não só uma função institucional, para uso pela EPE para avaliação dos impactos das novas fontes de geração na operação e preços da programação diária da operação, como pelos agentes do setor elétrico, para avaliarem o desempenho futuro de seus ativos em base horária, neste cenário de transição energética que estamos vivendo.

Cenários de Produção Eólica¶

O CEPEL desenvolve ainda modelos para previsão probabilístca de geração eólica, em intervalos horários, com horizonte de até 1 semana, com o modelo VENTOS. Além da previsão em si, o modelo pode fornecer quantis da distribuição da geração eólica.

Com estes cenários de produção eólica é possível realizar uma série de estudos, tais como:

simular curvas de PLD horário, para diferentes curvas de geração dos parques eólicos;
realizar estudos integrados da expansão (MATRIZ, MELP) ou planejamento da operação (NEWAVE) integrando-se com o modelo DESSEM, considerando várias curvas de geração eólica futuros para este último.

Análises de Confiabilidade¶

Análises de confiabilidade de sistemas hidrotermo-eólicos podem ser realizadas utilizando o modelo CONFINT.

Com estas análises de confiabilidade, pode verificar a adequação/confiabilidade do suprimento de energia do ponto de vista espacial, considerando falhas dos geradores e dos grandes troncos de transmissão.

Hidrologia Estocástica e Recursos Hídricos¶

Para essas atividades, são utilizados também: modelos para geração de cenários sintéticos de energia e vazões (GEVAZP) para os modelos NEWAVE e DECOMP, modelo de previsão de vazões (PREVIVAZ) e de controle de cheias (SPEC/OPCHEN)) para as usinas hidrelétricas e reservatórios para os modelos DECOMP e DESSEM.

Estes cenários são essenciais para realizar de forma adequada:

prospecção de preços de energia para o curto, médio e longo prazos;
estudos de verificação do impacto, no longo prazo, de incorporação de novas fontes intermitentes, considerando a incerteza em sua geração de forma conjunta com a incerteza hidrológica.
realizar o planejamento adequado da expansão e operação do sistema.

Previsão e Modulação da Carga¶

A previsão de carga semanal/mensal para o modelo DECOMP é feita oficialmente utilizando a ferramenta PrevCargaPMO, e encontra-se atualmente em validação, para previsão de carga semi-horária para o DESSEM, a ferramenta PrevCargaDESSEM, desenvolvida em conjunto com o ONS. A ferramenta MODCAR é utilizada para determinar curvas de duração de carga (patamares) para os modelos NEWAVE e DECOMP.

A previsão da carga é essencial para que se tenham dados adequados para os modelos de otimização energética, que são empregados em vários processos e estudos tanto pelas instituições do setor elétrico, como pelos agentes.

Técnicas Computacionais aplicados à área Energética¶

Os modelos de otimização empregam técnicas de processamento distribuído em suas formulações, computação de alto desempenho, disponíveis no laboratório LABCIN e podem ser utilizadas em ambiente de nuvem. Com isso, obtêm-se benefícios de redução dos tempos de processamento e possibilidades de modelagens mais precisas de componentes, até então representados de forma menos detalhada. Estão sendo desenvolvidos também, no âmbito do projeto Libs, algoritmos e facilidades computacionais para a programação, interface e integração dos programas da área energética, em um novo ambiente computacional que permitirá a unificação dos dados de entrada e saída dos modelos e seu uso por meio de uma interface gráfica Web.

O CEPEL também está realizando uma parceria com a Google para permitir, no futuro próximo, a disponibilização do serviço de execução dos modelos de otimização energética na nuvem, usando o Google Cloud.