[pt] Historicamente, observa-se que as volatilidades de variáveis financeiras são drasticamente afetadas em períodos de crises econômicas. Em particular, essa observação é válida para a taxa de câmbio entre o Real e o Dólar norte-americano, o Índice Bovespa e o EMBI Brasil (Emerging Market Bond Índex+Brazil), usualmente utilizado como medida de Risco-País para a economia brasileira. Diante de tais evidências empíricas, a existência de um fator comum entre as volatilidades das três variáveis citadas torna-se uma suposição plausível. O presente trabalho propõe a extração deste fator latente, através da estimação por Quasi Máxima Verossimilhança de uma adaptação do modelo de volatilidade estocástica. A estimação é feita através da aplicação do filtro de Kalman em sua versão difusa, uma vez que se supõe que as volatilidades das variáveis em questão seguem processos não estacionários. A conclusão do trabalho apontou para a existência de um único fator comum às volatilidades mencionadas, corroborando as expectativas preliminares. / [en] Historically, financial variables’ volatilities are drastically affected during economical crisis periods. In particular, this statement is valid for the exchange rate between brazilian and north american currencies, the São Paulo Stock Exchange Index (Ibovespa) and the Emerging Market Bond Index + Brazil, usually interpreted as a measure of brazilian sovereign risk. Therefore, the presence of a common factor affecting the volatilities of these three variables becomes a plausible assumption. This work intends to extract this latent factor applying the quasi-maximum likelihood estimator into an adapted stochastic volatility model. The estimation requires the Kalman filtering on its diffuse version, once it’s supposed that the volatilities follow a non stationary process. The results indicated the presence of one common factor driving the mentioned volatilities, confirming the previous expectations.

[pt] A contratação de energia elétrica no Brasil por parte de grandes consumidores é feita de acordo com o nível de tensão e considerando dois ambientes: o Ambiente Regulado e o Ambiente Livre. Os grandes consumidores são aqueles que possuem carga igual ou superior a 3 MW, atendidos em qualquer nível de tensão e a energia pode ser contratada em quaisquer desses ambientes. Um grande desafio para esses consumidores é determinar a melhor alternativa de contratação. Para tratar este problema, é preciso ter em conta que o consumo de energia e a demanda de potência requerida são variáveis desconhecidas no momento da contratação do consumidor, sendo necessário estimá-las. Esta dissertação propõe atacar este problema por uma metodologia que envolve simulação de cenários futuros de demanda máxima de potência e energia total consumida e otimização estocástica dos cenários simulados para definir o melhor contrato. Dada a natureza estocástica do problema, empregou-se o CVaR (Conditional Value at Risk) como medida de risco para o problema de otimização. Para ilustrar, os resultados da contratação foram obtidos para um grande consumidor real considerando a modalidade Verde A4 no Ambiente Regulado e um contrato de quantidade no Ambiente Livre. / [en] The energy contracting in Brazil for large consumers is done according to the voltage level and considering two environments: the Regulated Environment and the Free Environment. Large consumers are those characterized by installed load equal to or greater than 3 MW, supplied at any voltage level and its energy contract can be chosen between any of these two environments. A major challenge for these consumers is to determine the best alternative of contracting. To address this problem, it must be taken into account that the energy consumption and the required power demand are unknown variables by the time of consumer contracting, being necessary to estimate them. This dissertation proposes to tackle this problem by a methodology based on the simulation of future scenarios of maximum power demand and total consumed energy and on stochastic optimization of these simulated scenarios in order to define the best contract. Given the stochastic nature of the problem, it was used the CVaR (Conditional Value at Risk) as a measure of risk for the optimization problem. To illustrate, the contracting results were obtained for a large real consumer considering the Green Tariff group A4 in the Regulated Environment and a quantity contract in the Free Environment.

[pt] Finanças corporativas compreendem políticas de investimento, financiamento e dividendo cujo objetivo é maximizar o valor do acionista. Em particular, os resultados de empresas produtoras de commodities e, consequentemente, o valor para seus acionistas estão sujeitos a alta volatilidade, decorrentes da variação dos preços destes produtos no mercado global. Entretanto, o risco dessa variação pode ser mitigado ao se explorar o amplo mercado de derivativos que, em geral, está disponível para commodities. Este trabalho propõe calcular o acréscimo de valor que uma empresa produtora de commodities pode fornecer ao seu acionista pelo uso de uma política ótima de gestão de derivativos, por meio da compra ou venda de contratos a termo. Para tanto, busca maximizar o retorno aos acionistas via dividendos em um ambiente avesso a risco. O modelo assume que o preço da commodity segue um processo de Markov de estados discretos. Como o modelo é aplicado em vários estágios, o problema torna-se bastante complexo, sendo necessário usar um método de decomposição para obter a solução, sendo assim, utilizou-se o método conhecido como programação dual dinâmica estocástica. Os resultados demonstram que, ao comercializar contratos forward, uma empresa aumenta o valor percebido pelo acionista, medido pelo pagamento de dividendos, para qualquer nível de aversão a risco. A média de acréscimo de valor, considerando diferentes níveis de aversão a risco e uma premissa de precificação não viesada, é superior a 320 por cento quando comparado a empresas que não possuem acesso a tais instrumentos. Além de medir o acréscimo de valor, analisou-se também quais os fatores determinantes para a política ótima de gestão de derivativos. Foi possível identificar que a política de gestão de derivativos é muito determinada pelos preços, que por sua vez estão associados ao estado da cadeia de Markov vigente em cada estágio. / [en] Corporate finance comprises investment, financing and dividend policies aimed at maximizing shareholder value. In particular, the results of commodity producers and, consequently, the value to their shareholders are subject to high volatility, resulting from the variation of prices of these products in the global market. However, the risk of this variation can be mitigated by exploiting the broad derivatives market that is generally available for commodities. This work proposes to calculate the value increase that a commodity-producing company can provide to its shareholders through the use of an optimal derivatives management policy, by buying or selling forward contracts. To this end, it seeks to maximize shareholder returns via dividends in a risk-averse environment. The model assumes that the commodity price follows a discrete state Markov process. Since the model is applied in several stages, the problem becomes quite complex, and it is necessary to use a decomposition method to obtain the solution, so we used the method known as stochastic dynamic dual programming. The results show that by trading forward contracts, a company increases the value perceived by the shareholder, measured by the payment of dividends, to any level of risk aversion. The average value increase, considering different levels of risk aversion and an unbiased pricing assumption, is higher than 320 per cent when compared to companies that do not have access to such instruments. In addition to measuring the value increase, we also analyzed which factors determine the optimal derivatives management policy. It was possible to identify that the derivatives management policy is very determined by the prices, which in turn are associated with the state of the Markov chain in force at each stage.

[pt] Com o advento do novo modelo do setor elétrico a partir de 2004, foi permitida aos agentes de mercado a comercialização de energia no ambiente de contratação livre. Considerando a natureza destas operações e a influência de variáveis meteorológicas na formação e volatilidade dos preços, as decisões no âmbito da comercialização de energia são tomadas sob condições de incerteza, levando os agentes a buscarem estratégias de contratação para maximização do retorno dos ativos e/ou mitigação dos riscos envolvidos. No setor elétrico brasileiro, a gestão do risco de mercado é realizada principalmente por contratos a termo, de forma a reduzir os impactos adversos da flutuação do PLD. Neste contexto, os objetivos deste estudo são avaliar a aplicabilidade de dois modelos de otimização sob incerteza, estágio único e estocástico de dois estágios, na tomada de decisão de uma comercializadora e comparar as decisões recomendadas pelos modelos. Estes modelos utilizaram uma função de preferência que permite representar a variação do nível de aversão ao risco considerando diferentes bandas de preferência, tendo os seus parâmetros determinados pelo método Analytic Hierarchical Process. Para a construção das curvas forward do modelo estocástico de dois estágios, foi ponderado o preço de mercado observado e as 2.000 séries do PLD da previsão oficial do ONS. Os resultados evidenciaram a efetividade na mitigação do risco para os produtos avaliados. Ademais, devido à redução do custo do arrependimento a partir da modelagem do problema de otimização em dois estágios, este modelo apresentou soluções mais rentáveis quando comparado ao modelo de único estágio. / [en] With the advent of the new model for the electricity sector in 2004, market agents were allowed to sell energy in the free market. Considering the nature of these operations and the influence of meteorological variables on the formation and volatility of prices, energy trading decisions are taken under conditions of uncertainty, leading agents to seek contracting strategies to maximize the return on assets or mitigation of the risks involved. In the Brazilian electricity sector, market risk management is mainly accomplished through forward contracts, in order to reduce the adverse impacts of PLD fluctuation. In this context, the objectives of this study are to evaluate the applicability of two optimization models under uncertainty, single-stage and two-stage stochastic, in the decision making of a trading company and to compare the decisions recommended by the models. These models used a preference function that allows representing the variation of the risk aversion level considering different preference groups, having its parameters determined by the Analytic Hierarchical Process. For the construction of the forward curves of the two-stage stochastic model, the observed market price and the 2,000 PLD series of the ONS official forecast were weighted. The results evidenced the effectiveness in risk mitigation for the evaluated products. Furthermore, due to the reduction in the cost of regret from the two-stage optimization problem modeling, this model presented more cost-effective solutions when compared to the single-stage model.

[pt] É um resultado conhecido na literatura que uma cadeia unidimensional de partículas, que interagem harmonicamente com seus primeiros vizinhos, não conduz calor, e forças não lineares são necessárias para reproduzir a lei de Fourier da condução de calor. Quando são introduzidas assimetrias em tal sistema condutor, se obtém um efeito retificador onde a corrente térmica apresenta magnitudes diferentes dependendo de qual lado da cadeia tem maior temperatura, tais dispositivos sendo chamados de diodos térmicos. Neste trabalho estudamos os dois fenômenos, condução de calor e retificação térmica, em uma cadeia unidimensional de partículas, com condições de contorno fixas, acopladas a dois banhos térmicos, um em cada extremidade, modelados como termostatos de Langevin. As partículas interagem com seus primeiros vizinhos harmonicamente e estão sujeitas a um potencial localizado externo não linear, para o qual estudamos dois tipos, os potenciais Frenkel-Kontorova e Ø elevado a 4. Verificamos que a lei de Fourier é observada, para ambos os casos, com o perfil de temperatura e a condutividade térmica dependendo da relação entre as amplitudes harmônica e anarmônica, e a temperatura média do sistema. Em seguida, para criar uma assimetria na cadeia, nós acoplamos dois segmentos de mesmo tamanho. Observamos um efeito retificador onde a direção preferencial difere para cada potencial localizado estudado. A forma como as temperaturas dos banhos térmicos mudam a magnitude da retificação também foi observada. Nós também investigamos o efeito de não linearidades interfaciais, por meio de uma lei de potência que acopla segmentos Ø elevado a 4. Alterando o expoente da lei de potência, nós buscamos as condições sob as quais a retificação ótima é atingida. / [en] It is a known result in the literature that a one-dimensional chain of particles that interact harmonically with its first neighbors does not conduct heat, and nonlinear forces are needed to reproduce Fourier s law of heat conduction. When asymmetries are introduced in such a conducting system, a rectifying effect is obtained where the thermal current shows different magnitudes depending on which side of the chain has higher temperature, such devices being called thermal diodes. In this work we study both phenomena, heat conduction and thermal rectification, in a onedimensional chain of particles, with fixed boundary conditions, coupled to two thermal baths, one at each end, modeled as Langevin thermostats. The particles interact with their first neighbors harmonically and have a nonlinear on-site potential, for which we study two types, Frenkel-Kontorova and Ø 4 potentials. We verify that, for both cases, Fourier s law is observed, where the temperature profile and the thermal conductivity are dependent on the relation between the harmonic and anharmonic amplitudes, and the system s average temperature. Next, to create an asymmetry in the chain, we coupled two different segments of equal lengths. We observed a rectifying effect, where the preferential direction differs for each of the two on-site potentials studied. How the heat-bath temperatures changes the magnitude of rectification was also observed. We also investigated the effect of interfacial nonlinearities through a power-law potential, coupling Ø 4 segments. By changing the power-law exponent, we looked for the conditions under which optimal rectification is achieved.

[pt] A dinâmica da distribuição da riqueza para o modelo conhecido em inglês como Yard-Sale Model (Modelo da Venda de Quintal) pode ser descrita através de uma equação de Fokker-Planck para a função densidade de probabilidade P(w, t) da riqueza w em um instante t. Neste trabalho foi investigado o efeito de um arrasto redistributivo não linear nessa dinâmica. Considera-se (I) uma taxação do tipo linear por partes, onde apenas aqueles com riqueza acima de um determinado valor são taxados, e, (II) uma taxação na forma de lei de potência, que inclui os tipos progressivo e regressivo. Em todos os casos, o total arrecadado é distribuído igualmente. Analisou-se como essas regras podem modificar a distribuição da riqueza numa população e, principalmente, o nível de desigualdade medido pelo índice de Gini. / [en] The dynamics of wealth distribution for the so-called Yard-Sale Model can be described by a Fokker-Planck equation for the probability density function P(w, t) of wealth w at time t. In this work, the effect of nonlinear redistributive drifts was investigated. It was considered (I) a piecewise linear tax, where only those with wealth above a certain threshold are taxed, and, (II) a power-law tax that includes the progressive and regressive types. In all cases, the collected amount of wealth is redistributed equally. We analyze how these rules modify the distribution of wealth across the population and, mainly, the inequality level measured through the Gini index.

[pt] A redução das perdas não técnicas de energia elétrica (PNT) constitui atualmente um dos principais desafios enfrentados pelas concessionárias de distribuição de eletricidade nos países em desenvolvimento. Por depender em parte de fatores não gerenciáveis pelas distribuidoras, as PNT no Brasil são repassadas aos consumidores através de tarifas de eletricidade, seguindo os limites definidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Apesar do notável progresso realizado pela ANEEL, à metodologia atualmente empregada pela Agência para definição desses limites apresenta uma série de limitações o que impõem ao regulador a adoção de medidas ad hoc que acaba resultando em metas de perdas pouco condizentes com a realidade das distribuidoras. Nas últimas três décadas diversos modelos matemáticos de Análise de Eficiência vêm sendo desenvolvidos com intuito de mensurar a eficiência relativa de grupos de agente. A adoção desses modelos, no entanto, tem se limitado a temas relacionados a custos operacionais e investimento. Essa dissertação tem por objetivo cobrir essa lacuna, propondo um modelo alternativo para a definição das metas regulatórias de PNT a partir de uma família particular de modelos de Análise de Eficiência – os modelos de Análise de Fronteira Estocástica (SFA). O modelo proposto foi aplicado a um painel de dados contendo observações anuais de 62 concessionárias de distribuição de energia elétrica brasileira no período de 2007 a 2017, resultando em um conjunto de metas de PNT mais aderentes às PNT reais das distribuidoras brasileiras. / [en] The reduction of non-technical losses of electrical power (NTL) are currently one of the main challenges faced by electricity utility companies in developing countries. Because it depends in part on factors not manageable by the utilities, in Brazil is passed on to consumers through electricity tariffs, following the limits defined by the National Electric Energy Agency (ANEEL). Despite the notable progress made by ANEEL, the currently used methodology by this Agency to define these limits has a number of limitations, which have impose the adoption of ad hoc measures that end up resulting in loss targets that are inconsistent with the reality of the utilities. In the last three decades, a several mathematical models of Efficiency Analysis have been developing in order to measure the relative efficiency of groups of agents. However, the adoption of these models by Regulator Bodies around the world has been limited to subjects related to operating costs and investment. This dissertation aims to fulfill this gap, proposing an alternative model for the definition of NTL regulatory targets from a particular family of Efficiency Analysis models - the Stochastic Frontier Analysis (SFA) models. The proposed model has been applied to a data panel containing annual observations of 62 distribution concessionaires in the Brazilian electrical system from 2007 to 2017, resulting in a set of NTL targets more adherent to the real PNT of Brazilian electricity utility distributors.

[pt] O planejamento hidrotérmico estocástico multi-etapa se destaca como um dos problemas mais importantes do setor elétrico, principalmente devido à sua grande relevância na operação do sistema. Este problema refere-se a determinar o despacho ótimo das usinas que minimizam o custo de operação sob as restrições físicas do sistema. Uma das principais dificuldades do problema reside nas representações de incerteza, pois a decisão de despacho deve considerar os diferentes cenários possíveis de afluência de água, geração renovável e demanda. Mais recentemente, o grande aumento de fontes renováveis variáveis trouxe a atenção dos pesquisadores para como melhorar a granularidade do modelo sem aumentar muito o tempo computacional. Neste trabalho é proposto uma nova formulação para um despacho econômico estocástico multi-etapa com unit-commitment. O modelo usa regras de decisão afins para ser computacionalmente tratável. A relação entre regras de decisão e o scenario approach é explorada e, ao construir o conjunto de incertezas, tanto a viabilidade da política da regra de decisão quanto a restrição probabilística do balanço de carga são automaticamente respeitadas. / [en] Multi-stage stochastic hydrothermal planning stands as one of the most critical problems in the power systems industry, mostly due to its vast implication in the system operation. The multi-stage stochastic hydrothermal scheduling refers to determining the economic dispatch of the power plants that minimize the global operation cost under the system s physical constraints. One of the main difficulties of the problem lies in the representations of uncertainty, as the dispatch decision must consider the different possible scenarios of water inflow, renewable generation, and the demand. More recently, we have seen a worldwide speed up in the integration of variable renewable sources. Nonetheless, these sources have a greater uncertainty in the short-term than the world has ever experienced. Therefore, to support the dispatch scheduling, the models must accurately represent the uncertainties without increasing computational time. In this work it is proposed a novel formulation for a multistage stochastic week-ahead economic dispatch with unit-commitment. The model uses affine decision rules to be computationally tractable. The relationship between the decision rules and the scenario approach is explored, and by building the uncertainty set with the scenario approach, both the feasibility of the decision rule policy and the chance-constraint on the load balance are respected.

[pt] Este trabalho analisa a propagação de uma doença epidemiológica com uma abordagem estocástica. Na análise, o número de indivíduos que cada membro infectado da população pode infectar é modelado como uma variável aleatória e o número de indivíduos infectados ao longo do tempo é modelado como um processo estocástico de ramificação. O foco do trabalho é caracterizar a influência do modelo probabilístico da variável aleatória que modela o contágio entre indivíduos na disseminação da doença e na probabilidade de extinção, e analisar a influência de uma vacinação em massa no controle da propagação da doença. A comparação é feita com base em histogramas e estatísticas amostrais do número de indivíduos infectados ao longo do tempo, como média e variância. Os modelos estatísticos referentes à parte que trata de uma população não vacinada são calculados usando simulações de Monte Carlo para 3 diferentes famílias de variáveis aleatórias: binomial, geométrica-1 e geométrica-0. Para cada família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada distribuição, 4000 simulações do processo de ramificação foram computadas. Os modelos estatísticos referentes a uma população parcialmente vacinada foram calculados usando simulações de Monte Carlo para a família de variável aleatória binomial. Para essa família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada uma delas foram escolhidas 6 diferentes percentagens de população vacinada. Para cada percentagem, foram analisadas vacinas com 4 diferentes eficácias. No total, foram realizadas 2.2 milhões de simulações, caracterizando o problema como big data. / [en] This work analyzes the spread of an epidemiological disease with a stochastic approach. In the analysis, the number of individuals that each infected member of the population can infect is modeled as a random variable and the number of infected individuals over time is modeled as a stochastic branching process. The focus of the work is to characterize the influence of the probabilistic model of the random variable that models contagion between individuals on the spread of the disease and the probability of extinction, and to analyze the influence of mass vaccination in controlling the spread of a disease. The comparison is based on histograms and sample statistics of the number of infected individuals over time, such as mean and variance. Statistical models for the chapter dealing with a vaccine free population are calculated using Monte Carlo simulations for 3 different families of random variables: binomial, geometric-1 and geometric-0. For each of the 3 families, 21 different distributions were selected and, for each distribution, 4000 simulations of the branching process were computed. Statistical models for a partially vaccinated population were calculated using Monte Carlo simulations for one family of random variable: the binomial. For it, 21 different distributions were selected and, for each of them, 6 different percentages of the vaccinated population were chosen. For each of them, 4 different vaccine efficacy were stipulated. In total, 2.2 million simulations were performed, featuring a big data problem.

[pt] Mudanças recentes em mercados de energia com alta penetração de fontes renováveis destacaram a necessidade de estratégias complexas que, além de maximizar o lucro, proporcionam proteção contra a volatilidade de preços e incerteza na geração. Neste contexto, este trabalho propõe um modelo dinâmico para representar a tomada de decisão sequencial no cenário atual. Ao contrário de trabalhos relatados anteriormente, este método fornece uma estrutura para considerar as incertezas nos níveis estratégico (longo prazo) e operacional (curto prazo) simultaneamente. É utilizado um modelo de programação estocástica multiestágio em que as correlações entre previsões de vazão, geração renovável, preços spot e preços contratuais são consideradas por meio de uma árvore de decisão multi-escala. Além disso, a aversão ao risco do agente comercializador é considerada por meio de restrições intuitivas e consistentes no tempo. É apresentado um estudo de caso do setor elétrico brasileiro, no qual dados reais foram utilizados para definir a estratégia ótima de comercialização de um gerador de energia eólica, condicionada à evolução futura dos preços de mercado. O modelo fornece ao comercializador informações úteis, como o montante contratado ideal, além do momento ótimo de negociação e duração dos contratos. Além disso, o valor desta solução é demonstrado quando comparado a abordagens estáticas, através de uma medida de desempenho baseada no equivalente de certo do problema multiestágio. / [en] Recent market changes in power systems with high renewable energy penetration highlighted the need for complex profit maximization and protection against price volatility and generation uncertainty. This work proposes a dynamic model to represent sequential decision making in this current scenario. Unlike previously reported works, we contemplate uncertainties in both strategic (long-term) and operational (short-term) levels, all considered as pathdependent stochastic processes. The problem is represented as a multistage stochastic programming model in which the correlations between inflow forecasts, renewable generation, spot and contract prices are accounted for by means of interconnected long- and short-term decision trees. Additionally, risk aversion is considered through intuitive time-consistent constraints. A case study of the Brazilian power sector is presented, in which real data was used to define the optimal trading strategy of a wind power generator, conditioned to the future evolution of market prices. The model provides the trader with useful information such as the optimal contractual amount, settlement timing, and term. Furthermore, the value of this solution is demonstrated when compared to state-of-the-art static approaches using a multistage-based certainty equivalent performance measure.