Topologia Hidráulica

Topologicamente, define-se uma configuração de usinas hidrelétricas, que estão dispostas em cascata ao longo dos rios. As posições relativas das usinas ao longo das cascata são descritas a seguir.

Usinas de montante e jusante

Uma usina que se encontra acima de outra usina é denominada usina de montante, sendo a usina abaixo na cascata denominada usina de jusante. Cada usina possui apenas uma usina de jusante, porém pode haver várias usinas à montante, devido à junção de rios. Além disso, em virtude da possibilidade de desvio de água, uma usina pode possuir uma usina hidrelétrica de jusante para fins de desvio . A figura a seguir ilustra uma cascata de usinas hidrelétricas contendo usinas de jusante, usinas de desvio e usina de jusante com tempo de viagem da água, e como é a expressão geral da equação de conservação da água nos modelos, batizada de “balanço hídrico”.

Quando duas usinas consecutivas na cascata estão muito distantes entre si, pode ocorrer o que se chama de tempo de viagem da água, ou seja, o tempo que a água defluída pela usina de montante leva para chegar à usina de jusante é significativo, em relação à discretização temporal utilizada no modelo. Isto é ilustrado entre as usinas G e H da Figura acima. A descrição da modelagem do tempo de viagem da água entre usinas hidrelétricas em cascata é feita em Tempo de viagem da água.

As informações sobre as usinas de jusante e de desvio de cada usina constam do cadastro de usinas hidrelétricas, descrito em Dados Cadastrais das Usinas hidrelétricas. Para expressar a topologia das usinas hidrelétricas na formulação do problema, definem-se os conjuntos \(M_i\), \(M_{{tv}_i}\) e \(M_{{dv}_i}\) que indicam, respectivamente, o conjunto de usinas à montante da usina \(i\), à montante da usina \(i\) com tempo de viagem da água até \(i\), e que desviam água para a usina \(i\).

Desvios de água

Em alguns pontos pode haver os chamados desvios de água, que são canais artificiais que realizam uma “bifurcação” da água a partir de determinada usina. A usina para a qual a água foi desviada é denominada usina de desvio.

Desta forma, uma usina hidrelétrica com desvio pode defluir água de três formas:

• através de turbinamento (\(Q\)), gerando energia elétrica e defluindo água pela turbina para a usina de jusante;

• através de vertimento (\(S\)), sem gerar energia elétrica e defluindo água pelo vertedouro para a usina de jusante;

• através de desvio de água (\(Q_{dv}\)), sem gerar energia elétrica e defluindo água pelo canal de desvio para a usina de jusante para desvio

O desvio de água a partir de uma usina A está ilustrado a seguir

O turbinamento de uma usina pode ocorrer sempre que a usina tiver disponibilidade de geração, e seu valor está limitado ao engolimento máximo da turbina (que depende da altura de queda) ou o seu turbinamento máximo nominal. O vertimento e desvio podem ocorrer sempre que a cota do reservatório da usina estiver acima das respectivas cotas das soleiras de vertimento e desvio, respectivamente. Desta forma, para a vazão desviada ocorre exatamente o mesmo tipo de situação referente ao vertimento, descrita na seção Vertedouro, só que em relação ao volume referente à soleira de desvio \({V_{soldv}}_i\). Este volume corresponde ao armazenamento mínimo no reservatório para que possa haver desvio de água, o qual está associado à cota mínima do canal de desvio, e que pode ser obtido nos Dados Cadastrais das Usinas hidrelétricas.

Em conclusão, uma usina com reservatório de regularização e desvio de água só pode apresentar desvio quando \(V_i^t \ge {V_{soldv}}_i\). Uma descrição mais detalhada da modelagem dos vertedouros é apresentada em 1.

Para expressar o desvio de água nas equações de balanço hídrico (7.12), define-o conjunto \({M_{dv}}_i\) das usinas que desviam água para a usina \(i\).

Usinas fictícias

As usinas fictícias são utilizadas como uma maneira mais simples de tratar acoplamentos hidráulicos entre usinas que se localizam em diferentes Reservatórios Equivalentes de Energia, para os períodos em que essa forma de modelagem seja utilizada no modelo NEWAVE. Como nos períodos individualizados cada usina é representada individualmente, não é necessária a utilização de usinas fictícias nos modelos DECOMP e DESSEM, e nos períodos individualizados do modelo NEWAVE.

Portanto, no modelo NEWAVE, estas usinas são eliminadas da configuração nos períodos individualizados, através de um processo de identificação das usinas originais associadas a essas usinas fictícias, e sua conexão com as usinas a montante e jusante da cascata.

Configuração Dinâmica

Nos Dados Cadastrais das Usinas hidrelétricas, constam todas as usinas hidrelétricas existentes e previstas para serem construídos e/ou operarem no futuro. Desta forma, nos dados de entrada dos modelos são informadas as usinas que devem constar da configuração do estudo.

Nos modelos NEWAVE e DECOMP, por considerarem um horizonte de estudo mais longo, a configuração de usinas hidrelétricas é dinâmica ao longo do tempo. Assim, a entrada de novas unidades hidráulicas no sistema é representada por meio de Alteração dos dados cadastrais, levando-se em conta os instantes de tempos a partir da qual deve-se considerar cada modificação na configuração do sistema.

Referências

1

A. L Diniz and T. N. Santos. Modelagem do vertimento e desvio das usinas hidroelétricas nos modelos SIMHIDR e DESSEM-PAT. Technical Report, Relatório Técnico CEPEL 2005/2011, 2011. URL: https://www.cepel.br/produtos/documentacao-tecnica/.