The thesis contains the results of a reseach project on application of mathematical programming methods to short-term operation planning of large hydrothermal power systems. The project was aimed at devoeloping efficient solution techniques that are practially applicable to large systems. The problem is modeled as a large mixed integer program. / This thesis contains the results of a research project on application of mathematical programming methods to short-term operation planning of large hydrothermal power systems. The work was carried out at the Department of Electric Power System Engineering of the Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.   The project was aimed at developing efficient solution techniques that are practically applicable to large scale power systems. The thesis consists of seven chap­ters and four appendices.   The increasing importance and the magnitude of the expenditures associated with it have created an urgent necessity to operate the electric energy systems in an optimal economic manner. The optimal operation planning, as explained in chapter 1, can be divided into several subproblems which are more computationally manageable. The short-term operation planning contains two of these subproblems, namely; weekly and daily operation planning.   The problem, as modeled in chapter 2 for systems with a considerable amount of hydro, is a large mixed integer program. The objective for this problem is the produc­tion cost of the thermal plants. The optimization hori­zon varies from one week to one day, and the discretiza­tion intervals are normally chosen between one to several hours.   In chapter 3, Lagrangian relaxation technique and Benders' method are introduced to decompose the problem with re­spect to hydro and thermal systems. This makes it poss­ible to exploit the special characteristics of each system.   The hydro problem is a large linear program with embedded network structure. In chapter 4, several solution techniques are introduced that exploit this special structure of the large number of constraints involved. The small nonlinearities of hydro problem and· head variation are also treated in this chapter.   The thermal problem involves integer variables. In cha­ter 5, the special structure of this problem is consider­ed, which results in a considerable amount of reductions. Branch and bound, shortest path, and discrete dynamic programming methods are considered for solution of thermal system. This chapter is extended to consider hydro­thermal power system with low amounts of hydro.   Chapter 6 concerns network labeling system, network flow algorithms, and sparsity techniques, which were considered in the implementation of the algorithms.   Finally, the test results and conclusions from application of different techniques are considered and discussed in chapter 7. The Swedish System has been used to prove the applicability and efficiency of the developed techniques. The short-term model can be used in operation, as an engineering tool for decision making, and in planning, to analyze alternative planning schemes. / <p>QC 20161206</p>

[pt] O planejamento da operação energética do Sistema Interligado Nacional - SIN – tem como objetivo a utilização ótima dos recursos do sistema, visando a modicidade tarifária e respeitando-se critérios de segurança e o atendimento a diversas restrições inerentes ao problema da operação do sistema como os usos consuntivos da água, os limites de intercâmbio de energia entre regiões, o despacho de determinadas usinas por razões elétricas entre várias outras. Devido à grande relevância da geração hidroelétrica no sistema elétrico brasileiro é de suma importância para a segurança sistêmica o armazenamento de energia nos reservatórios de usinas hidráulicas através do estoque da água. Esta reserva energética, em montantes satisfatórios, permite o pleno atendimento ao mercado de energia elétrica mesmo em condições hidrológicas desfavoráveis evitando-se o racionamento de energia causador de prejuízos enormes para a economia e a sociedade brasileiras. O mecanismo de segurança através da representação de curvas de armazenamento dos reservatórios equivalentes dos subsistemas passou a ser utilizado após o racionamento de energia ocorrido em 2001. Desde então, diversas alterações ao longo dos anos foram incorporadas ao sistema elétrico brasileiro como o aumento da capacidade de intercâmbio entre regiões, a expansão de usinas termoelétricas com altos custos variáveis unitários, a diminuição da capacidade de regularização, assim como a evolução mercadológica e a expansão das fronteiras do SIN. A presente dissertação analisa os impactos da consideração das curvas de aversão a risco no modelo utilizado para o planejamento da operação energética de médio prazo do SIN levando-se já em consideração o aumento da complexidade sistêmica ao longo desses anos. / [en] The energy operation planning of National Interconnected System - SIN - aims at optimal utilization of system resources, seeking low tariffs and respecting the criteria of safety and compliance with restrictions inherent to the problem of system operation as consumptive water uses, the limits of energy exchange between regions, the generation demand of certain power plants for electrical reasons among many others. Due to the great importance of hydroelectric generation in the Brazilian electric system, the energy storage in the reservoirs of hydroelectric plants through the water supply is critical for systemic security. This energy reserve, in satisfactory amounts, enables the full market power supply even in unfavorable hydrological conditions avoiding rationing that causes huge losses to the Brazilian economy and society. The security mechanism through the representation of storage curves of the subsystems equivalent reservoirs has been used after the energy rationing occurred in 2001. Since then, many changes over the years have been incorporated into the Brazilian electrical system such as the increased ability of interregional exchanges, the expansion of power plants with high unit variable costs, the decreased ability to regulate the affluences, the market development and the expansion of the SIN boundaries. This dissertation analyzes the impacts with the consideration of the risk aversion curves in the model used for the SIN medium-term energy operation planning already taking into account the increase in systemic complexity over the years.

Através da análise de estudos de otimização e simulação, considerando a operação energética das usinas existentes na cascata do rio Paranapanema, situada na região sudoeste do estado de São Paulo, mostrou-se que a operação do sistema, baseada em regras de operação obtidas através da otimização da cascata, resulta em ganhos significativos de geração e de energia armazenada, proporcionando, desse modo, uma melhor utilização de recursos hidrológicos, bem como uma condição final de armazenamento mais favorável, implicando uma operação mais eficiente e confiável de todo o sistema. / Through the analysis of optimization and simulation studies regarding the energy operation of the existing plants in the Paranapanema river, situated in the southwestern region of the state of São Paulo, Brazil, it was shown that the system operation, based on operation rules achieved considering the cascate optimization, yields significant gains of generation and stored energy in the system, therefore providing a better use of the available hydrologic resources, as well as a more favorable final storage level for each plant, which implies in a more efficient and reliable operation of the whole set.

As regras de operação adotadas para cada reservatório de um sistema hidroelétrico composto por várias usinas em cascata podem alterar de forma significativa a quantidade total de energia produzida. A regra de operação de reservatórios (ROR) mais adotada atualmente é a da operação em paralelo, segundo a qual os reservatórios mantêm o mesmo percentual em volume de armazenamento. Esta regra é reconhecidamente inconveniente, não refletindo a realidade operativa das usinas. No sistema brasileiro adota-se também a regra de operação em paralelo por faixas, onde agora os reservatórios são divididos em faixas e dentro destas opera-se em paralelo. Este método gera o problema de se determinar faixas convenientes para as usinas, de acordo com suas posições na cascata, o que ainda não foi feito de forma eficiente. A determinação das ROR para usinas hidroelétricas em cascata tem uma grande importância para o planejamento da operação energética de sistemas hidrotérmicos de potência. Ela é necessária no procedimento de agregação para obtenção do reservatório equivalente de energia assim como para estabelecer políticas de defluência utilizadas nos modelos de simulação, tendo um papel importante na metodologia de operação do Sistema Brasileiro. Neste trabalho, faz-se uma análise do comportamento ótimo dos reservatórios em cascata através de um modelo determinístico de otimização não-linear a usinas individualizadas. A seguir propõe-se um método para a obtenção de regras de operação otimizadas de reservatórios que estabelece uma relação entre o estado individual de armazenamento dos reservatórios e o estado agregado de armazenagem do sistema. Estas regras são representadas por curvas ou equações que procuram refletir, em média, as condições de operação ótima do sistema, reproduzindo desta forma uma operação mais próxima da real. Finalmente, faz-se uma comparação das ROR\'s assim obtidas e a regra de operação em paralelo, através da simulação da operação de um subsistema do Sistema Sudeste Brasileiro, e também pela montagem de reservatórios equivalentes de energia com as duas regras, mostrando-se em ambos os casos a melhor adequação das novas regras. / The operation rules adopted for each reservoir of a hydroelectric system, compound by several power plants in cascade, can modify, in a significant way, the total quantity of produced energy. The parallel operation is nowadays the most used reservoir operation rule (ROR). By this all the reservoirs maintain the same percentage of the total volume. This is a recognized improper rule that does not represent the operation reality of the power plants. The determination of the ROR\'s for cascade hydroelectric power plants is of great importance for the energetic operation planning of the hydroelectric power systems. The ROR\'s are necessary in the aggregation process for obtaining the composite representation of a multireservoir hydroelectric system ad also to give the flow down decision in the simulation models. Therefore, these rules are very important in the Brazilian System operation methodology. In this work the optimal behavior of cascade reservoirs is analyzed through a deterministic non-linear optimization model with individual representation of the power plant. Then, a method for this acquisition of optimized ROR\'s is proposed. In these rules a relationship between the reservoirs\' storage individual state and the system storage aggregate state is found. These rules are represented by curves or equations that aim to reflect, in average, the conditions of the system optimal operation, in this way representing an operation closer to reality. Finally, using a subsystem of the Brazilian Southeast System, a comparison of the obtained ROR\'s and parallel rule is made. Also, a composite representation is made with the two rules. In both cases the better behavior of the new rules is demonstrated.

In the future, renewable energy share, especially wind power share, in electricity generation is expected to increase. Due to nature of the wind, wind power generation pattern includes uncertainties which affects the energy prices in the electricity markets. New simulations are needed for efficient planning process for the resources in the power systems to address the uncertainties in demand, generation, legal, economical and technical limitations. In this study, the aspects of planning process for wind power generation is described and some example scenarios are implemented with the help of MATLAB software.

Every commander in his practice makes various solutions. Every situation, which is related to making a decision has a feature – it is always possible to find a few ways to solve a problem and, in order to accompilish the military assignment, the most optimal ant the best way must be chosen. It is practically impossible to make an optimal solution in the battle in up-to-date conditions if one hadn‘t learned to foresee the outcome if the one or another solution would have been chosen. The prevision of possible rezults is an essential part of any expedient action, as well as military. There are many complicated situations in the battle, when it is impossible to lead and win without a prognostication and prevision. The prognostication is a deciding factor while leading the detachments. The information, obtained while forecasting is the scientific base of any decision. The prognostication can be empirical and mathematical. The empirical prognostication is based on practical experience and intuition, and it was used for a long time while forecasting possible actions. But nowadays the munition, technique and tactics are improving so fast and it‘s not enough to use only the empirical prognostication to win the battle. The scientific methods are used in prognostication in an up-to-date war. Calculation, obtained with reference to scientific methods can confirm the information, obtained while using intuition and practical experience. So, the appropriate corrections can be done... [to full text]

As regras de operação adotadas para cada reservatório de um sistema hidroelétrico composto por várias usinas em cascata podem alterar de forma significativa a quantidade total de energia produzida. A regra de operação de reservatórios (ROR) mais adotada atualmente é a da operação em paralelo, segundo a qual os reservatórios mantêm o mesmo percentual em volume de armazenamento. Esta regra é reconhecidamente inconveniente, não refletindo a realidade operativa das usinas. No sistema brasileiro adota-se também a regra de operação em paralelo por faixas, onde agora os reservatórios são divididos em faixas e dentro destas opera-se em paralelo. Este método gera o problema de se determinar faixas convenientes para as usinas, de acordo com suas posições na cascata, o que ainda não foi feito de forma eficiente. A determinação das ROR para usinas hidroelétricas em cascata tem uma grande importância para o planejamento da operação energética de sistemas hidrotérmicos de potência. Ela é necessária no procedimento de agregação para obtenção do reservatório equivalente de energia assim como para estabelecer políticas de defluência utilizadas nos modelos de simulação, tendo um papel importante na metodologia de operação do Sistema Brasileiro. Neste trabalho, faz-se uma análise do comportamento ótimo dos reservatórios em cascata através de um modelo determinístico de otimização não-linear a usinas individualizadas. A seguir propõe-se um método para a obtenção de regras de operação otimizadas de reservatórios que estabelece uma relação entre o estado individual de armazenamento dos reservatórios e o estado agregado de armazenagem do sistema. Estas regras são representadas por curvas ou equações que procuram refletir, em média, as condições de operação ótima do sistema, reproduzindo desta forma uma operação mais próxima da real. Finalmente, faz-se uma comparação das ROR\'s assim obtidas e a regra de operação em paralelo, através da simulação da operação de um subsistema do Sistema Sudeste Brasileiro, e também pela montagem de reservatórios equivalentes de energia com as duas regras, mostrando-se em ambos os casos a melhor adequação das novas regras. / The operation rules adopted for each reservoir of a hydroelectric system, compound by several power plants in cascade, can modify, in a significant way, the total quantity of produced energy. The parallel operation is nowadays the most used reservoir operation rule (ROR). By this all the reservoirs maintain the same percentage of the total volume. This is a recognized improper rule that does not represent the operation reality of the power plants. The determination of the ROR\'s for cascade hydroelectric power plants is of great importance for the energetic operation planning of the hydroelectric power systems. The ROR\'s are necessary in the aggregation process for obtaining the composite representation of a multireservoir hydroelectric system ad also to give the flow down decision in the simulation models. Therefore, these rules are very important in the Brazilian System operation methodology. In this work the optimal behavior of cascade reservoirs is analyzed through a deterministic non-linear optimization model with individual representation of the power plant. Then, a method for this acquisition of optimized ROR\'s is proposed. In these rules a relationship between the reservoirs\' storage individual state and the system storage aggregate state is found. These rules are represented by curves or equations that aim to reflect, in average, the conditions of the system optimal operation, in this way representing an operation closer to reality. Finally, using a subsystem of the Brazilian Southeast System, a comparison of the obtained ROR\'s and parallel rule is made. Also, a composite representation is made with the two rules. In both cases the better behavior of the new rules is demonstrated.

Através da análise de estudos de otimização e simulação, considerando a operação energética das usinas existentes na cascata do rio Paranapanema, situada na região sudoeste do estado de São Paulo, mostrou-se que a operação do sistema, baseada em regras de operação obtidas através da otimização da cascata, resulta em ganhos significativos de geração e de energia armazenada, proporcionando, desse modo, uma melhor utilização de recursos hidrológicos, bem como uma condição final de armazenamento mais favorável, implicando uma operação mais eficiente e confiável de todo o sistema. / Through the analysis of optimization and simulation studies regarding the energy operation of the existing plants in the Paranapanema river, situated in the southwestern region of the state of São Paulo, Brazil, it was shown that the system operation, based on operation rules achieved considering the cascate optimization, yields significant gains of generation and stored energy in the system, therefore providing a better use of the available hydrologic resources, as well as a more favorable final storage level for each plant, which implies in a more efficient and reliable operation of the whole set.

Submitted by Sandro Camargo (sandro.camargo@unipampa.edu.br) on 2015-05-09T22:40:42Z No. of bitstreams: 1 117110027.pdf: 2705925 bytes, checksum: 22617f402005b98190c3067b1402ee2f (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-09T22:40:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 117110027.pdf: 2705925 bytes, checksum: 22617f402005b98190c3067b1402ee2f (MD5) Previous issue date: 2014-04-01 / A variação do comportamento de consumo elétrico ao longo do dia vem sendo um constante desafio para planejamentos e operação de sistemas de distribuição de energia elétrica. A diversidade de ocorrência dos picos de demanda, considerando diferentes classes de consumo, para um transformador de distribuição, são determinados de uma forma estatística, assim possibilitando uma aproximação do real comportamento dos consumidores de energia elétrica. Mas não basta apenas considerar dados estatísticos, e sim adicionar outros fatores que são determinísticos para definição real desse comportamento destes consumidores ao longo do dia. Neste contexto, é fundamental considerar dados climáticos. Durante um período de 12 meses foi realizada uma campanha de medições e paralelamente um arquivamento de informações utilizando sites da internet sobre dados climáticos da região. Como as medições (amostragens) foram, geograficamente, muito próximas, foi possível acompanhar e perceber a modificação de comportamento dos consumidores, como a utilização de condicionadores de ar e refrigeração em geral. Portanto, como objetivo de aperfeiçoar a caracterização de curvas típicas de demanda de energia elétrica, neste trabalho, utilizando metodologias de redes neurais, serão agrupadas as curvas de demanda considerando: classes, subclasses, consumo médio (últimos 12 meses) de energia elétrica, e adicionalmente dados climáticos. / The variation of the behavior of electrical consumption throughout the day has been a constant challenge for planning and operation of electric power distribution systems. The diversity of occurrence of peak demand, considering different classes of consumption to a distribution transformer are determined in a statistical manner, allowing an approximation of the actual behavior of consumers of electricity. But not enough to consider only statistical data, but add other factors that are deterministic for real definition of the behavior of these consumers throughout the day. In this context, it is crucial to consider climate data. During a period of 12 months, a measurement campaign was carried out in parallel and an archive of information using the internet sites on climatic data of the region. Because measurements (samples) were geographically very close, it was possible to follow and realize the change in consumer behavior, such as the use of air conditioners and cooling in general. Therefore, the objective of improving the characterization of typical curves of electricity demand, this paper, using methodologies neural networks, are grouped considering the demand curves: classes, subclasses, middle (last 12 months) of electricity, and additionally climatic data.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-06-19T13:06:19Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Fernando Henrique Fernandes de Camargo - 2017.pdf: 1478139 bytes, checksum: 1a8dae23d70a76b9e72b96aae929d85e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-07-10T12:28:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Fernando Henrique Fernandes de Camargo - 2017.pdf: 1478139 bytes, checksum: 1a8dae23d70a76b9e72b96aae929d85e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-10T12:28:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Fernando Henrique Fernandes de Camargo - 2017.pdf: 1478139 bytes, checksum: 1a8dae23d70a76b9e72b96aae929d85e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-03-20 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / For countries like Brazil, which has hybrid resources as the major source of electricity, the optimization of the operation of the hydroelectric plants is extremely important and it’s being studied recurrently. Adopting a known temporal decomposition model of this optimization problem, this dissertation is proposed to compare the best multiobjective algorithms of the current literature, applying them to the medium term planning of hydroelectric plants. After several experiments, two algorithms are selected as the best options. / Para um país como o Brasil, que tem seus recursos hídricos como maior fonte de geração de energia elétrica, a otimização da operação das usinas hidrelétricas é extremamente importante e vem sendo estudada de maneira recorrente. Adotando um conhecido modelo de decomposição temporal desse problema de otimização, esta dissertação propôe-se a realizar uma comparação entre os melhores algoritmos de otimização multiobjetivo da literatura atual, aplicado-os ao planejamento de médio prazo de usinas hidrelétricas. Após diversos experimentos realizados, dois algoritmos são selecionados como as melhores opções.