Modelos de Otimização Energética do CEPEL¶
Desde a sua criação, o CEPEL desenvolve e mantém, no estado da arte, uma cadeia inovadora e integrada de metodologias e modelos computacionais para as áreas energética, de recursos hídricos e meio ambiente e que orienta o planejamento e operação do sistemas eletroenergéticos com base hidrotérmica e presença de novas fontes renováveis intermitentes (usinas eólicas, solares), além de outros dispositivos como unidades de armazenamento, usinas reversíveis, etc.
Este conjunto de metodologias e programas computacionais integra os horizontes de médio/longo, prazos, curto prazo e curtíssimo prazos (programação diária), possibilitando a definição de planos coordenados de expansão e operação do sistema elétrico em bases sustentáveis e considerando o tratamento de incertezas. Os modelos da cadeia são baseados em técnicas matemáticas e estatísticas de otimização e simulação, apoiando a tomada de decisão em dois níveis: tanto do ponto de vista sistêmico como do ponto de visto corporativo, pelas empresas do setor elétrico.
Assista o vídeo a seguir com uma descrição dos Aprimoramentos recentes nos modelos em relação aos modelos para planejamento e programação da operação, e que descreve também algumas das secao-funcionalidades-modelos.
Um esquema geral da cadeia de modelos é mostrado a seguir.
Uso Oficial dos Modelos no Setor Elétrico Brasileiro¶
Muitos dos modelos são utilizados oficialmente pelo Ministério de Minas e Energia - MME, Instituições Setoriais como a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, Empresa de Pesquisa Energética – EPE, Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS e Câmara de Comercialização de Energia Elétrica – CCEE nas atividades de planejamento da expansão e operação do sistema. Essa cadeia de programas energéticos é ilustrada a seguir.
Dentre as principais características do sistema elétrico brasileiro destacam-se: dimensões continentais, taxas de crescimento do consumo de energia elevadas, grande participação de fontes renováveis, com predominância da hidroeletricidade, e participação crescente das chamadas novas renováveis, como a eólica e a solar. Adicionalmente, o sistema apresenta uma relevante diversidade hidrológica, temporal e espacial, permitindo a complementaridade energética entre as regiões.
Algumas atividades do setor elétrico brasileiro realizadas com o uso desses modelos são:
Os modelos passam por um amplo e aberto processo de validação, e sua utilização necessita ser aprovada pela ANEEL ou pela CPAMP- Comissão Permanente para Análise de Metodologias e Programas Computacionais do Setor Elétrico, coordenada pelo MME e vinculada ao Conselho Nacional de Política Energética, da qual o Cepel faz parte como assessor técnico.
Uso corporativo dos modelos de otimização energética¶
Os modelos também podem ser utilizados por empresas do setor de energia elétrica, sejam geradoras, empresas de transmissão, distribuidoras, comercializadoras ou qualquer outro agente que atue em investimentos na expansão, operação ou comercialização de energia, para realizar avaliações como:
Avaliação técnica e econômica de projetos relacionados à transição energética: integração de fontes intermitentes de energia (solar, fotovoltaica), armazenamento de energia (baterias, usinas reversíveis), atuação em programas de resposta da demanda, avaliação do uso de energia para produção de hidrogênio verde;
Prospecção de preços de energia para atuar decisões de comercialização;
Análise Financeira de Projetos
Geração de cenários para avaliações energéticas a curto, médio e longo prazos;
Previsão de vazões para o curto prazo
Previsão de carga para curto, médio e longo prazos
Propósito e Missão¶
De forma geral, o propósito e missão do CEPEL em relação aos modelos energéticos é:
- Realizar Projetos de P&D e desenvolver Metodologias e Programas Computacionais.
Planejamento e operação de sistemas de geração de energia elétrica, pelas instituições do setor elétrico
avaliação da oportunidade de investimentos em geração e transmissão, através de análise de custo benefício dos empreendimentos e impactos na operação do sistema e preços do mercado
Prospecção de preços de energia, no mercado de curto prazo e para apoiar decisões de comercialização em contratos de mais logo prazo;
Análise econômico-financeira e de riscos de diversos empreendimentos do setor elétrico
- Realizar ações de educação em engenharia:
Capacitação de profissionais para o setor elétrico
Ciclo de Cursos para estudantes e profissionais
Versões acadêmicas dos programas
Seminários em universidades
Orientação de bolsistas de D.Sc, M.Sc e graduação
- Publicação das pesquisas realizadas:
Artigos em periódicos
Seminários, congressos e workshops
Webinars
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.
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.
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