Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / La suficiencia es un aspecto crítico en el desarrollo de un sistema eléctrico. La evolución de la capacidad instalada en el largo plazo queda determinada por las condiciones y estructura del mercado, el crecimiento de la demanda y las circunstancias a las que se ve sometido el sistema, las cuales inducen decisiones de corto plazo que impactan la suficiencia en un horizonte más amplio. Para un sistema hidrotérmico es importante tomar en cuenta que la variabilidad inherente del recurso hídrico sumada a las condiciones del sistema térmico y del sistema de transmisión, pueden conducir a la incapacidad de suplir la demanda por periodos largos de tiempo. En el caso del sistema chileno, la estructura del mercado cuenta con un instrumento para enfrentar esta última condición - el decreto de racionamiento - el cual permite al regulador intervenir el orden normal del sistema para eliminar, o al menos aminorar, los efectos negativos propios de la situación de escasez y así proteger a los clientes. El diseño del plan para dar forma al racionamiento es complejo puesto que incluye medidas que buscan reducir el consumo a través de la modificación de la demanda, las cuales tienen diferentes características y efectos. El análisis del estado del arte relativo a los temas de coordinación hidrotérmica de largo plazo y racionamiento da cuenta de que no existe una metodología concreta para diseñar y analizar planes que permitan enfrentar distintos escenarios de escasez. El presente trabajo aborda esta problemática, enfocándose en determinar el conjunto de medidas aplicadas a la demanda que resulte más adecuado para resolver la situación que encara el sistema. Este objetivo conduce a una serie de resultados preliminares necesarios para dar forma a la metodología; el análisis del estado del arte en los tópicos antes mencionados, el estudio de índices que den cuenta de la proximidad de déficit o racionamiento, la definición de los estados relativos a la suficiencia de un sistema hidrotérmico en el largo plazo y la creación de una base de medidas con las características necesarias para evaluar su efecto sobre la demanda. Adicionalmente, se describe la herramienta computacional desarrollada, la cual implementa las rutinas de cálculo y optimización requeridas en la metodología y que está asociada a la plataforma de análisis SEEDS (Java/Cplex) creada en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Tanto la metodología como la herramienta computacional son validadas a través de un caso tutorial simple que ilustra el procedimiento de uso y da cuenta del potencial de su aplicación en conjunto. Posteriormente se analiza el Sistema Interconectado Central (SIC) de Chile para estudiar la situación a inicios del año 2011, momento en el cual el regulador decretó racionamiento preventivo. El resultado obtenido al aplicar la metodología justifica el régimen de racionamiento en ese entonces, considerando que una situación de alerta se genera cuando la probabilidad de déficit es mayor a un 5\%. Además, se determina que la estructura más adecuada para el plan de control de demanda consta sólo de la medida de reducción de voltaje en distribución, cuya oportuna ejecución permite que el sistema retorne al estado normal sin mayores costos de implementación. Se concluye que la metodología es adecuada y que el desarrollo cumple con los objetivos planteados. El trabajo sienta las bases para continuar con el análisis formal de planes de racionamiento a través de la modelación de otras medidas utilizadas en periodos de déficit y presenta además potenciales espacios para combinar esta metodología con otros elementos relevantes, como la elasticidad precio de la demanda.

Esta tese trata do desenvolvimento de um modelo de otimização para planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos de produção de energia elétrica, chamado SolverSIN. São abordados ao longo do texto os seguintes itens: a estruturação do problema de planejamento da operação hidrotérmica, o reservatório equivalente de energia potencial, o balanço hidroenergético, o balanço de energia e o balanço de intercâmbios entre sistemas de produção de energia. O modelo foi testado e avaliado no Sistema Interligado Nacional de Energia Elétrica (SIN), o sistema hidrotérmico brasileiro, um dos mais complexos do mundo. Foi feita a caracterização da operação histórica do SIN para determinação das funções de perdas e das funções de custo térmico, fundamentais para viabilizar o equacionamento proposto. O modelo \"SolverSIN\" foi escrito em duas linguagens computacionais, um em Planilha eletrônica e outro em linguagem GAMS. A principal contribuição desse modelo é dar suporte à tomada de decisão operacional, envolvendo sistemas hidrotérmicos com eficiência, transparência e precisão. A eficiência do modelo está associada à proposta metodológica, baseada no balanço de energia entre fontes de produção de energia elétrica e as equações de balanço hidroenergético aplicadas aos reservatórios equivalentes de energia potencial. A otimização é feita empregandose a Programação Não Linear (PNL) com utilização das rotinas SNOPT, CONOPT e MINOS. A transparência do modelo é também uma propriedade muito importante, isso fica evidente com processamento do SolverSIN, pois ele permite ao decisor observar claramente o comportamento das variáveis envolvidas no processamento, tanto em situações de simulação, como nas de otimização. A propriedade da precisão é essencial e ela fica evidente com as aplicações apresentadas. Os resultados obtidos demonstram que o equacionamento proposto é adequado para emprego no planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos. O SolverSIN é um modelo viável para emprego no planejamento operacional em tempo real de qualquer sistema hidrotérmico. / This thesis treats of development of an optimization model for operation planning of hydrothermal systems for electrical energy production. Discus the problem structure of hydrothermal operation planning, the potential energy equivalent reservoir, the hydro energetic balance, the energy balance and the interchange balance between energy production systems. An optimization model for operation planning is presented and is discussed a case study application with the Brazilian Electrical System. The characterization of historical operation of Brazilian System is done for lose functions determination, needed for the optimization model proposed. Thermal function coasts are also defined. The model entitled \"SolverSIN\" is presented in electronic sheet (Excel) version or GAMS program and is done applications with result analysis. The main contribution of this model is decision maker support on operational hydrothermal systems with efficiency, transparency and precision. The model efficiency is associated with methodological proposal, based on energy balance of electrical sources and hydro energetic balance equations applied to potential energy equivalent reservoir. The optimization process is solved by Non Linear Programming (NLP) with commercial solvers SNOPT, CONOPT and MINOS, with reliable on international technical community. The model transparency is also a property very important. The SolverSIN model runs allow that the decision maker clearly observe the involved variables, either on simulation, or optimization. The precision property is essential and gives evidence with presented applications. The results show that the SolverSIN model is proper for any hydrothermal systems operation planning.

Este trabalho apresenta uma nova abordagem para o Planejamento Energético da Operação de Sistemas Hidrotérmicos de Potência, com uma formulação que permite a solução do problema por técnicas de programação linear, ao contrário de sua forma original, onde o mesmo é complexo e de difícil solução. Utilizando esta formulação, os aspectos físicos importantes do sistema foram preservados, tais como a representação individualizada das usinas, as características da função de custo com crescimento exponencial e o efeito cota, o qual foi inserido na função objetivo através de parcelas de penalização, com pesos distintos para cada usina, priorizando o enchimento dos reservatórios na cascata, fundamental no comportamento operativo ótimo. Além disso, esta formulação pode abrir caminhos para abordagens estocásticas. Os modelos foram desenvolvidos a partir da adoção de uma forma linear para a função de geração das usinas hidroelétricas, realizando-se posteriormente uma linearização da função de custo do problema. A solução foi dada por duas técnicas de linearização, em conjunto com dois métodos de separabilidade da função, e também pela técnica da programação quadrática. Aos vários modelos obtidos, foi aplicado o Método Simplex de resolução, com alguma modificação, que é eficiente, rápido e simples, ao contrário das técnicas de programação não linear que apresentam dificuldades de convergência em muitos casos. Todos os métodos de otimização propostos foram implementados especificamente para a solução do problema em questão, observando-se os desempenhos da operação e também aspectos computacionais. Os resultados foram analisados através do comportamento dos sistemas testes, por meio de gráficos de trajetória de volume, custo marginal de operação e índices numéricos de desempenho. As performances encontradas foram comparadas entre si e com as obtidas por técnicas de programação não linear, mostrando-se eficientes, com resultados muito bons e bem próximos do comportamento operativo ótimo dos reservatórios. / This work presents a new approach for the Scheduling of Hydrothermal Systems, with a formulation that allows the solution of the problem through the linear programming technics, otherwise the original form, which is complex and difficult. The models were developed through a linear form for the generation function of hydroelectric plant, successive of the linearization of the cost function of the problem. The linear technics used were the Simplex Method, with some modification, that is efficient, fast and simple. The important physical aspects of the system were preserved, like the individual representation of the hydroelectric plant, the features of cost function with the exponential increase and the head effect. Besides, this formulation can lead to estocastic approachs. All the optimization methods were implemented for the solution of the problem. The performances obtained were compared with each other and with that obtained through the non linear technics. The algorithms showed to be efficient, with good results and very near to the optimal behavior of the reservoir operation planning obtained by traditional methods.

Esta tese trata do desenvolvimento de um modelo de otimização para planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos de produção de energia elétrica, chamado SolverSIN. São abordados ao longo do texto os seguintes itens: a estruturação do problema de planejamento da operação hidrotérmica, o reservatório equivalente de energia potencial, o balanço hidroenergético, o balanço de energia e o balanço de intercâmbios entre sistemas de produção de energia. O modelo foi testado e avaliado no Sistema Interligado Nacional de Energia Elétrica (SIN), o sistema hidrotérmico brasileiro, um dos mais complexos do mundo. Foi feita a caracterização da operação histórica do SIN para determinação das funções de perdas e das funções de custo térmico, fundamentais para viabilizar o equacionamento proposto. O modelo \"SolverSIN\" foi escrito em duas linguagens computacionais, um em Planilha eletrônica e outro em linguagem GAMS. A principal contribuição desse modelo é dar suporte à tomada de decisão operacional, envolvendo sistemas hidrotérmicos com eficiência, transparência e precisão. A eficiência do modelo está associada à proposta metodológica, baseada no balanço de energia entre fontes de produção de energia elétrica e as equações de balanço hidroenergético aplicadas aos reservatórios equivalentes de energia potencial. A otimização é feita empregandose a Programação Não Linear (PNL) com utilização das rotinas SNOPT, CONOPT e MINOS. A transparência do modelo é também uma propriedade muito importante, isso fica evidente com processamento do SolverSIN, pois ele permite ao decisor observar claramente o comportamento das variáveis envolvidas no processamento, tanto em situações de simulação, como nas de otimização. A propriedade da precisão é essencial e ela fica evidente com as aplicações apresentadas. Os resultados obtidos demonstram que o equacionamento proposto é adequado para emprego no planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos. O SolverSIN é um modelo viável para emprego no planejamento operacional em tempo real de qualquer sistema hidrotérmico. / This thesis treats of development of an optimization model for operation planning of hydrothermal systems for electrical energy production. Discus the problem structure of hydrothermal operation planning, the potential energy equivalent reservoir, the hydro energetic balance, the energy balance and the interchange balance between energy production systems. An optimization model for operation planning is presented and is discussed a case study application with the Brazilian Electrical System. The characterization of historical operation of Brazilian System is done for lose functions determination, needed for the optimization model proposed. Thermal function coasts are also defined. The model entitled \"SolverSIN\" is presented in electronic sheet (Excel) version or GAMS program and is done applications with result analysis. The main contribution of this model is decision maker support on operational hydrothermal systems with efficiency, transparency and precision. The model efficiency is associated with methodological proposal, based on energy balance of electrical sources and hydro energetic balance equations applied to potential energy equivalent reservoir. The optimization process is solved by Non Linear Programming (NLP) with commercial solvers SNOPT, CONOPT and MINOS, with reliable on international technical community. The model transparency is also a property very important. The SolverSIN model runs allow that the decision maker clearly observe the involved variables, either on simulation, or optimization. The precision property is essential and gives evidence with presented applications. The results show that the SolverSIN model is proper for any hydrothermal systems operation planning.

Este trabalho apresenta uma nova abordagem para o Planejamento Energético da Operação de Sistemas Hidrotérmicos de Potência, com uma formulação que permite a solução do problema por técnicas de programação linear, ao contrário de sua forma original, onde o mesmo é complexo e de difícil solução. Utilizando esta formulação, os aspectos físicos importantes do sistema foram preservados, tais como a representação individualizada das usinas, as características da função de custo com crescimento exponencial e o efeito cota, o qual foi inserido na função objetivo através de parcelas de penalização, com pesos distintos para cada usina, priorizando o enchimento dos reservatórios na cascata, fundamental no comportamento operativo ótimo. Além disso, esta formulação pode abrir caminhos para abordagens estocásticas. Os modelos foram desenvolvidos a partir da adoção de uma forma linear para a função de geração das usinas hidroelétricas, realizando-se posteriormente uma linearização da função de custo do problema. A solução foi dada por duas técnicas de linearização, em conjunto com dois métodos de separabilidade da função, e também pela técnica da programação quadrática. Aos vários modelos obtidos, foi aplicado o Método Simplex de resolução, com alguma modificação, que é eficiente, rápido e simples, ao contrário das técnicas de programação não linear que apresentam dificuldades de convergência em muitos casos. Todos os métodos de otimização propostos foram implementados especificamente para a solução do problema em questão, observando-se os desempenhos da operação e também aspectos computacionais. Os resultados foram analisados através do comportamento dos sistemas testes, por meio de gráficos de trajetória de volume, custo marginal de operação e índices numéricos de desempenho. As performances encontradas foram comparadas entre si e com as obtidas por técnicas de programação não linear, mostrando-se eficientes, com resultados muito bons e bem próximos do comportamento operativo ótimo dos reservatórios. / This work presents a new approach for the Scheduling of Hydrothermal Systems, with a formulation that allows the solution of the problem through the linear programming technics, otherwise the original form, which is complex and difficult. The models were developed through a linear form for the generation function of hydroelectric plant, successive of the linearization of the cost function of the problem. The linear technics used were the Simplex Method, with some modification, that is efficient, fast and simple. The important physical aspects of the system were preserved, like the individual representation of the hydroelectric plant, the features of cost function with the exponential increase and the head effect. Besides, this formulation can lead to estocastic approachs. All the optimization methods were implemented for the solution of the problem. The performances obtained were compared with each other and with that obtained through the non linear technics. The algorithms showed to be efficient, with good results and very near to the optimal behavior of the reservoir operation planning obtained by traditional methods.

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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.

A importância do planejamento de sistemas hidrotérmicos é largamente reconhecida. A questão constitui-se em um complicado problema de otimização que envolve aspectos não-lineares e estocásticos, e que se torna mais complexo quando várias usinas são consideradas em conjunto, em virtude da ocorrência de interações. Apesar de se conhecerem formalizações teóricas do problema e da solução, a complexidade acarreta sérios entraves computacionais e muitas vezes consideram-se apenas cenários simplificados, como o determinístico ou estocástico com um modelo de reservatório equivalente. Este trabalho tem como objetivo conciliar a facilidade numérica de problemas determinísticos com a consideração indireta da natureza estocástica do problema. Com esta finalidade, propõe-se o uso de um funcional de custo que reflete o risco de vertimento a cada período. Outra linha estudada neste trabalho foi a de rastreamento de alvo utilizando a técnica de controle Linear Quadrático (LQ). A eficácia das estratégias propostas é avaliada através de diversos casos de estudo, incluindo comparação com o planejamento determinístico usual / The scheduling of hydrothermal systems is an important and challenging problem. In fact, the problem is complex since it involves the optimization of a cost functional related to a nonlinear and stochastic system. Although mathematical formulations of the problem are available, there are computational issues (as the course of dimensionality in dynamical programming) that make difficult to obtain the solution. In this situation, some simplifyied equivalent models or deterministic formulations were considered in the literature, which are simpler to deal with. The aim of this work is to obtain a solution thet presents the ease of computaion of deterministic models and, simultaneously, it reflects the stochastic nature of the problem, at some extension. The strategy consists of taking into account a cost functional that is related to the risk of spillage at each period. Another strategy considered here is the linear quadratic control with a target. Several case estudies are presented, which employ different models for the stochastic inflow, allwing us to evaluate the effectiveness of the strategies and to compare them with the usual deterministic control

Orientadora: Patrícia Teixeira Leite Asano. Co-Orientadora: Karla Vittori. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Energia.

Orientador: Patricia Teixeira Leite Asano / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2012