[pt] A receita arrecadada pelo uso do sistema de transmissão é utilizada para cobrir custos de planejamento, operação e manutenção e deve ser paga por geradores e demandas, que são usuários do sistema. Um dos principais desafios é determinar a melhor maneira de alocar estes custos a geradores e demandas. Em países em desenvolvimento, como o Brasil, a acelerada expansão de geração e de transmissão, desencadeada por um crescimento acentuado de demanda, pode provocar significativa volatilidade e dispersão entre as tarifas dos usuários do sistema. Estes efeitos criam um ambiente inseguro para os investidores em geração. Para tratar este problema, esta dissertação propõe um novo método de alocação de custos pelo uso da transmissão que utiliza uma abordagem baseada na técnica de otimização min-max, e no método Nodal utilizado no Brasil. O propósito contido na utilização da técnica min-max é que os usuários com as piores tarifas devem ter prioridade em minimizá-las no processo de otimização. Assim, o objetivo é fornecer uma solução mais equitativa, e conseqüentemente, a redução de dispersão e volatilidade das tarifas ao longo do tempo, quando novos investimentos em geração e transmissão são feitos no sistema. Os resultados obtidos nos sistemas IEEE 24 barras e IEEE 118 barras indicam que a abordagem proposta fornece tarifas menos dispersas comparadas com outros métodos existentes, mas mantendo características desejáveis do método Nodal original. O método proposto também apresenta menos volatilidade nas tarifas no caso de mudanças (como diferentes despachos de geração) no sistema. / [en] The revenue accrued for the use of the transmission system is used to recover the cost of planning, operation and maintenance and must be paid by generators and loads, which are the users of the system. One of the main challenges is how to establish the best way to allocate these costs to generators and loads. In developing countries, like Brazil, fast generation and transmission expansion triggered by a sharp demand growth, can cause significant volatility and dispersion among agents transmission tariffs. These effects can create an unsafe environment for new investors in generation. In order to face this problem, this dissertation proposes a new transmission cost allocation method that utilizes an approach based on the min-max optimization technique, and on the nodal method used in Brazil. The idea behind the utilization of min-max method is that the agents with the worst tariffs should have priority in the tariff optimization process. Thus, the objective is to provide an equitable solution and, consequently, a reduction of the dispersion and volatility of the tariffs over time, when new transmission or generation assets are incorporated into the system. The results presented for IEEE 24 bus and IEEE 118 bus systems indicate that the proposed approach gives less-dispersed tariffs compared with other existing methods, but keeping the desirable features of the traditional nodal method. The proposed method also shows less volatility in tariffs if changes (like different generation dispatches) are made to the system.

[pt] O trabalho Alocação de Custos pelo Uso do Sistema de Transmissão via Otimização Binível propõe uma nova abordagem para o problema de alocação de custos do sistema de transmissão, combinando os problemas de fluxo de potência e de cálculo das tarifas de transmissão, usualmente resolvidos separadamente, em um modelo de otimização binível. A proposta se baseia na multiplicidade de soluções viáveis para a alocação de custos através das componentes de fluxo. Tal conjunto viável de soluções existe devido às diferentes hipóteses que podem ser assumidas para calcular o caso base de fluxo de potência e para decompor os fluxos obtidos, atribuindo as componentes resultantes a geradores e demandas. Diante da diversidade de soluções, é proposto que seja escolhida àquela que atende de maneira ótima aos objetivos almejados pelo regulador e pelos usuários do sistema no que diz respeito à alocação de custos de transmissão. Devido à interdependência entre os problemas mencionados, tais objetivos são inseridos em um problema de otimização binível no qual o nível superior define o resultado de fluxo de potência, tendo como restrição o nível inferior que define o resultado de decomposição de fluxos e consequentemente de alocação de custos através de tarifas de transmissão. Neste trabalho, os objetivos representados no modelo de otimização proposto incluem dois pontos principais. O primeiro consiste em obter uma alocação que reflita os custos marginais de longo prazo (CMLP) do sistema. Assim, no nível superior, um modelo de fluxo de potência de pior caso maximiza os fluxos nas linhas de transmissão com o intuito de caracterizar a maior necessidade de investimentos na rede, e de refletir o CMLP. Já o segundo consiste em suavizar o valor das elevadas tarifas alocadas a usuários localizados em pontos desfavoráveis do sistema, e que não possuem flexibilidade para escolher seu ponto de instalação. É o caso, entre outros, dos geradores renováveis de grande porte do sistema brasileiro, instalados em pontos distantes dos grandes centros de demanda devido à disponibilidade geográfica do recurso renovável. Desta forma, no nível inferior, minimiza-se a amplitude tarifária do sistema, considerando restrições que mantém a coerência locacional da sinalização econômica das tarifas. O modelo proposto admite ainda limites máximo e mínimo de tarifas para garantir a suavização tarifária desejada, caso esta seja viável. De acordo com tais limites, a solução ótima do modelo binível proposto pode gerar três situações distintas: (i) os limites são restritos ao ponto tornar o problema inviável, (ii) os limites são tais que os dois níveis do problema são acoplados, ou (iii) os limites são menos restritos, e o resultado ótimo equivale à prática usual de resolver os dois níveis sequencialmente. Resultados numéricos são apresentados para um sistema didático de 6 barras e para o sistema IEEE 118 barras em diferentes configurações de demanda. / [en] The thesis Transmission Cost Allocation via Bilevel Optimization proposes a new approach to the transmission usage cost allocation problem, combining the power flow and tariff computation problems, usually solved separately, in a bilevel optimization model. The proposal is based on the multiplicity of feasible solutions to allocate costs by power flow components. Such a feasible set exists because of the different hypothesis that can be assumed to calculate the base case power flow, and to decompose the obtained power flows, assigning its components to generators and demands. Given the diversity of solutions, it is proposed that the chosen one should optimally meet the objectives specified by the system regulator and users concerning the costs allocation. Because of the interdependence between the mentioned problems, such objectives are inserted into a bilevel optimization problem in which the upper level defines the power flow results, having the lower level as a constraint that gives the power flow decomposition solution and, as a consequence, the cost allocation through tariffs assigned to generators and demands. In this work, the objectives represented in the optimization model include two main aspects. The first one is to obtain a cost allocation that reflects the system s long run marginal costs (LRMC). Thus, in the upper level, a worst-case power flow model maximizes the lines flows in order to characterize the base case that causes the greatest need for transmission investments, and reflects the LRMC. The second consists in smooth out the high tariffs assigned to users located at unfavorable regions of the system and that do not have the freedom to choose their location. This is the case, among others, of the renewable generators in the Brazilian transmission system that are part of the system expansion planning, and are placed far away from the load centers due to the geographic availability of the renewable resource. Hence, in the lower level, the transmission tariff amplitude is minimized considering constraints that ensure the locational coherence of the tariffs economic signals. Additionally, the proposed model admits upper and lower tariff bounds to ensure the desired tariff smooth, if it is feasible. Given these bounds in, the optimal solution of the proposed bilevel model can provide three different situations: (i) the limits are restricted to the point that the problem is infeasible, (ii) the limits are such that the levels are coupled, or (iii) the limits are less restricted, and the optimal solution is equivalent to the common practice of solve both levels sequentially. Numerical results are presented to a 6-bus didactic system and to the IEEE 118-bus system under different demand configurations.