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NEWAVE - Modelo de Planejamento da Operação de Sistemas Hidrotérmicos Interligados de Longo e Médio Prazo

Apresentação

 

O objetivo básico do planejamento da operação de um sistema hidrotérmico é calcular a política de operação que estima os valores da água armazenada nos reservatórios e permite determinar, a cada mês, metas de geração para cada usina do sistema que atendam à demanda e minimizem o valor esperado do custo de operação ao longo do período de planejamento e atendendo um critério de aversão ao risco. Esse custo é composto pelo custo variável de combustível das usinas termelétricas e pelo custo associado a eventuais déficits no suprimento de energia, representado por uma função de penalização.
A decisão sobre quando utilizar os estoques de energia, representados pela água armazenada nos reservatórios, está intrinsecamente ligada à incerteza quanto às afluências futuras, devendo resultar de uma análise probabilística de seu comportamento. Além disso, a decisão operativa mais adequada dependerá das condições do sistema. Assim, é preciso determinar uma decisão operativa em função dos possíveis estados do sistema. Em sistemas com relevante participação de hidrelétricas, dois tipos de informação compõem o estado do sistema: os níveis de armazenamento dos reservatórios e a tendência hidrológica futura do sistema, esta última podendo ser obtida a partir das afluências aos reservatórios nos meses anteriores, utilizando o modelo estocástico PAR(p).
A existência de interligações entre subsistemas permite uma redução dos custos de operação, por meio do intercâmbio de energia, e um aumento da confiabilidade de fornecimento, através da repartição das reservas. É necessário também determinar o valor da geração hidrelétrica, dado pelo valor da geração térmica que se poderia substituir hoje ou no futuro.
Este valor não se mede de maneira isolada em cada usina, pois depende da operação conjunta do sistema. Para se obter ganhos sinérgicos em um sistema hidrotérmico interligado, é necessário operar o sistema de maneira integrada, otimizando conjuntamente a operação de todas as usinas - térmicas, hidroelétricas, biomassa, eólica e solar, e as decisões de  intercâmbios de energia , com o objetivo de minimizar o custo total de operação. No Brasil, e em diversos países, a solução do problema é obtida em etapas. Nestas, são utilizados modelos com diferentes graus de detalhamento para a representação do sistema, abrangendo períodos de estudos com horizontes distintos, denominados de longo e médio prazos – modelo NEWAVE, curto prazo – modelo DECOMP (Modelo de Planejamento da Operação de Sistemas Hidrotérmicos Interligados de Curto Prazo) e programação da operação diária – modelo DESSEM (Modelo de Despacho Hidrotérmico de Curto Prazo).
O modelo NEWAVE foi desenvolvido pelo CEPEL para aplicação no planejamento da operação e da expansão de sistemas hidrotérmicos interligados de longo e médio prazos, considerando também as fontes renováveis intermitentes, como a eólica e solar. Como a estratégia de operação deve ser calculada para todas as combinações de níveis de armazenamento e tendência hidrológica, em sistemas de grande porte como o brasileiro, o problema da operação ótima do sistema, dependendo do horizonte de estudo, torna-se rapidamente intratável do ponto de vista computacional, quando se deseja uma acurácia elevada nos resultados. Assim, no modelo NEWAVE, o parque hidroelétrico pode ser representado de forma agregada em reservatórios equivalentes de energia (REEs), de forma individualizada ou de forma híbrida - nos primeiros anos do período de estudo as usinas hidroelétricas são individualizadas e nos demais anos, elas são representadas por REEs, proporcionando os benefícios de uma representação individualizada no horizonte mais próximo da tomada de decisão, sem onerar em demasia o tempo computacional.
 
 
O cálculo da política de operação emprega a técnica de otimização estocástica denominada Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE), considerando as incertezas nas afluências futuras, representadas explicitamente através de cenários de afluências construídos sinteticamente através de um modelo autorregressivo periódico e utilizando um processo de amostragem seletiva -  o modelo GEVAZP.
 
 
Em estudos de planejamento da operação de longo/médio prazos do sistema interligado nacional, onde o horizonte típico considerado é de cinco anos discretizados em períodos mensais, com 20 cenários hidrológicos em cada período, a árvore completa que representa as incertezas possui cerca de 1078 cenários, o que torna a resolução do problema inviável computacionalmente. Desta forma, na PDDE, ao invés de se percorrer todos os subproblemas da árvore de cenários durante a simulação forward, resolve-se apenas um subconjunto de cenários (subárvore), os quais são escolhidos da distribuição original da variável aleatória. Os cortes de Benders que compõem a função de custo futuro são construídos iterativamente durante cada recursão backward para todos os nós da subárvore percorridos na última simulação forward e, na próxima simulação forward, novos valores para as variáveis de estado níveis de armazenamento nas usinas hidroelétricas são obtidos. A política de operação, representada pelas funções de custo futuro em cada um dos estágios do horizonte de estudo, é calculada de forma acurada, e considera as mesmas restrições empregadas na simulação da operação do sistema. Considera também a representação de restrições de despacho antecipado para usinas a GNL.
Com o objetivo de assegurar a convergência teórica e aumentar o número de cenários da subárvore amostrada para a simulação forward sem comprometer o tempo computacional para resolver o problema e, assim, possibilitar um aprimoramento da função de custo futuro, o modelo NEWAVE permite o emprego de técnicas de reamostragem de cenários durante o cálculo da política ótima de operação. Dois mecanismos de aversão a risco foram desenvolvidos e implementados, a fim de propiciar uma maior segurança no suprimento de energia: (i) CVaR (Valor Condicionado a um dado Risco), onde é adicionado à função objetivo uma parcela referente ao custo dos cenários hidrológicos mais caros; (ii) SAR (Superfície de Aversão a Risco), que representa uma extensão, para o caso multivariado, das restrições de armazenamento mínimo de energia nos REEs.
Com base na política de operação obtida, o modelo NEWAVE simula a operação do sistema para distintos cenários de hidrológicos – históricos ou gerados pelo modelo GEVAZP, calculando índices de desempenho, i.e., a média dos custos de operação, os riscos de déficit e os valores esperados de energia não suprida. O modelo fornece também uma função de custo futuro que representa uma condição de contorno para a otimização do sistema em horizontes mais curtos, com uma discretização temporal mais detalhada.
 
Para aumentar o desempenho computacional em sistemas de grande porte, duas abordagens foram desenvolvidas. A primeira foi a disponibilização da versão executável do modelo NEWAVE em ambiente de alto desempenho - foi o primeiro programa da Cadeia de Modelos Energéticos do Cepel a utilizar técnicas de processamento paralelo. A segunda consiste em um processo iterativo para resolução de cada subproblema de programação linear, onde os cortes de Benders já construídos em iterações passadas da PDDE são inseridos de forma progressiva, à medida que vão sendo necessários. Com isso, obtém-se uma redução no tempo computacional para resolução dos PLs e, como consequência, do processo de convergência como um todo, mas mantendo a mesma acurácia nos resultados.
Além de ser empregado na definição de estratégias corporativas de empresas e agentes, o modelo NEWAVE é utilizado nas seguintes atividades oficiais do Setor Elétrico Brasileiro: Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE); Programa Mensal de Operação (PMO) e Plano da Operação Energética (PEN); Comercialização – Cálculo do Preço de Liquidação de Diferenças (PLD); definição e cálculo da Garantia Física e da Energia Assegurada de Empreendimentos de Geração; e elaboração de diretrizes para os Leilões de Energia.

 

Contato

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 newave@cepel.br