Esta suíte de ferramentas é adaptada para a representação sob incerteza de sistemas energéticos integrados – envolvendo múltiplas tecnologias de geração e levando em consideração a disponibilidade de recursos renováveis, disponibilidade de combustíveis, e restrições de transporte em linhas de transmissão e gasodutos. Os diversos modelos utilizam técnicas de otimização estocástica são utilizadas para resolver problemas de operação e planejamento.

NetPlan – Modelo de planejamento da expansão da transmissão

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O NetPlan é um sistema de planejamento da expansão de redes de transmissão (potência ativa e reativa) baseado em um algoritmo especializado de programação inteira, capaz de otimizar tanto redes de alta tensão de grande dimensão como “coletoras” de média tensão para integração de energia renovável.

Aspectos de modelagem

NETPLAN é um sistema integrado para análise e planejamento de redes de transmissão que inclui:

  • ferramentas para gerência de dados (edição, importação de outras bases de dados etc.);
  • recursos para gerência de estudos (coerência de dados e resultados, versões, datas, sensibilidades etc.);
  • ferramentas para visualização da rede e de resultados dos estudos (diagramas esquemáticos, fluxos nos circuitos, indicação de sobrecargas, custos marginais por barra, “contour plots” etc.);
  • uma interface gráfica que permite controlar a execução de um conjunto de ferramentas analíticas para análise e planejamento da expansão da rede de transmissão.

Na versão atual estão disponíveis duas ferramentas de planejamento:

  • OPTNET, para análise de desempenho e planejamento da expansão de redes de transmissão de alta tensão (potência ativa);
  • OPTFLOW, para fluxo de potência ótimo AC e planejamento da expansão de fontes de potência reativa (VaR).

Ambos os modelos utilizam ferramentas avançadas de otimização, capazes de analisar e planejar redes de transmissão de grande porte.

Add-in – TUOS

TUOS (em desenvolvimento) - calcula a tarifa de uso do sistema de transmissão para geradores e demanda usando diversos métodos, incluindo a metodologia Nodal utilizada atualmente na Inglaterra, Colômbia e Brasil; a metodologia de Participações Médias usado pelo Peru e pelo Mercado Regional da América Central e proposto para União Européia; a metodologia Aumann-Shapley que está sendo considerada para o Brasil; e outros métodos. O estabelecimento de um ambiente competitivo na área de geração pode ser realizado de maneira imediata: os agentes decidem livremente a respeito da construção de usinas e competem por contratos de venda de energia para distribuidoras e consumidores livres. A decisão a respeito do tipo e tamanho da usina depende tipicamente do custo de investimento, combustível, taxa de disponibilidade, etc. Entretanto, a decisão da localização da usina depende do custo de transmissão associado à transmissão da energia até os centros de consumo. Por razões óbvias, não é viável nem econômica a construção de sistemas de transmissão independentes para cada par geração-demanda. Sob a ótica deste ambiente, a rede de transmissão se torna um serviço compartilhado, no qual todos os geradores e consumidores têm livre acesso. Assim, é necessário desenvolver regras que permitam a precificação da utilização compartilhada do sistema de transmissão. Desta maneira, o custo do "serviço" de transmissão é alocado entres os agentes através de Tarifas de Uso do Sistema de Transmissão (TUST).

As TUST têm um importante papel pois são responsáveis pela alocação justa dos custos de transmissão e por fornecer sinais econômicos eficientes que induzam os agentes à construção de novos empreendimentos em locais que estimulem ao melhor uso global do sistema geração-transmissão. Os mesmos sinais são aplicáveis à localização de atividades econômicas que aumentam a carga do sistema, como indústrias eletro-intensivas.

O modelo computacional TUOS foi desenvolvido pela PSR e oferece diferentes metodologias para o problema de alocação dos custos de transmissão. Cada esquema de alocação tem características diferentes com respeito aos sinais econômicos e podem ser atrativos de acordo com o ambiente de transmissão em questão. TUOS inclui cinco metodologias diferentes de precificação do serviço de transmissão, classificadas em categorias como a mundialmente conhecida tarifação marginal, além de metodologias baseadas na utilização do sistema de transmissão.

Add-in – OptNet

OptNet - planejamento da expansão da rede de transmissão, com modelagem detalhada das Leis de Kirchhoff e critério de segurança (N-1).

Objetivo

OptNet é uma ferramenta computacional que determina os reforços de mínimo custo da rede de transmissão necessários para assegurar o suprimento da demanda prevista ao longo do horizonte de estudo, levando em consideração o critério de segurança N-1 (suprimento adequado para qualquer saída simples de circuito). Uma função objetivo alternativa é minimizar a soma dos custos de investimento mais o custo do valor esperado da energia não suprida devido às saídas de circuitos (critério de valor da confiabilidade). É possível representar vários cenários de despacho de geração para cada cenário de demanda (devido, por exemplo, à existência de fontes renováveis tais como hidrelétrica e eólica). Isto permite obter um plano de expansão mais robusto e um melhor “tradeoff” entre custos de investimento e confiabilidade de suprimento. A rede de transmissão é representada por um modelo de fluxo de potência linearizado; diferentes limites de fluxo podem ser usados para o caso base e para as situações pós-contingência. O planejamento pode ser realizado tanto de maneira sequencial para cada estágio no tempo (planejamento “forward”) ou através da determinação do plano ótimo de expansão para o ano final, seguindo no sentido inverso do tempo para determinar o estágio ótimo para a construção de cada reforço (planejamento de “ano horizonte”).

Características do sistema

  • Execução através de uma interface gráfica amigável com recursos para visualização da rede;
  • Os dados da rede de transmissão e dos cenários de demanda e despacho de geração podem ser diretamente importados do modelo de despacho com restrições de transmissão SDDP, desenvolvido pela PSR;
  • Ordenação dos reforços candidatos por índices de custo-benefício;
  • Análise detalhada do desempenho de um plano de expansão informado pelo usuário.

Técnicas avançadas de otimização são usadas para resolver o problema de planejamento da transmissão. Uma dificuldade importante é que, devido à segunda lei de Kirchhoff, o problema tem que ser formulado como um modelo de programação não linear inteira mista. Inicialmente, as não-linearidades são removidas através do uso de uma nova formulação disjuntiva desenvolvida pela PSR. Restrições lógicas para os circuitos candidatos em paralelo e restrições topológicas são introduzidas em uma fase de pré-processamento, para reduzir o esforço computacional.

Finalmente, existe a opção de se usar estratégias de reforço incremental, onde circuitos candidatos são ordenados por índices custo-benefício relacionados à eficácia na redução de cortes de carga devido à sobrecargas tanto no caso base como nas situações pós-contingência.

Algumas aplicações recentes

O modelo OptNet foi aplicado recentemente nos seguintes estudos:

  • Plano de transmissão de cinco anos para El Salvador (34 contingências, 200 cenários de despacho mensal, 47 circuitos candidatos);
  • Plano de transmissão de cinco anos para Venezuela (36 contingências e 125 circuitos candidatos).

OptFlow (em desenvolvimento) - modelo de fluxo de potência ótimo AC

Esta ferramenta determina a operação ótima de um sistema de geração/transmissão, representando de uma forma integrada as restrições da rede AC (limites de tensão nas barras, limites de geração de reativo, etc.) e a modelagem do sistema geração hidrotérmico (balanço de água das usinas em cascata, limites de turbinamento, limites de geração térmica, etc.).

OptFlow pode ser usado nos estudos de planejamento da operação de curto e médio; na otimização de fontes de potência reativa (por exemplo, no dimensionamento e localização de capacitores); e na determinação de tarifas de serviços auxiliares como o suporte de reativo e outros.

O problema no OptFlow é formulado como um modelo de otimização não linear, cujas restrições compreendem:

  • Leis de Kirchoff: equações não lineares de balanço de potência ativa e reativa para cada barra da rede elétrica;
  • Limites operativos da rede: tensão nas barras, fluxo de potência ativa e reativa nos circuitos, “taps” de transformadores e outros.

Restrições associadas ao sistema de geração hidrotérmico.

Vários tipos de função objetivo podem ser especificados, de acordo com o tipo de aplicação:

  • Problema de despacho de curto prazo: minimizar o custo total de geração, que inclui o custo variável de operação das usinas térmica e o custo de oportunidade da água para as hidroelétricas, obtidos a partir de um modelo de despacho de médio prazo;
  • Estudos de planejamento da operação: maximizar a demanda de um conjunto de barra (estudos de colapso de tensão); maximizar a transferência de potência ativa entre áreas; minimizar perdas ativas através de um remanejamento de controles associados à potência reativa; minimizar corte de carga, etc;
  • Estudos de planejamento de suporte de reativo: minimizar injeção de potência reativa.

As seguintes variáveis de decisão podem ser especificadas:

  • Geração de potência ativa nas unidades de geração; tensão terminal em cada unidade de geração, compensador síncrono e estático; controle de “tap” dos transformadores controláveis; chaveamento de bancos de reatores/capacitores, etc.

Como saída o OptFlow pode oferecer:

  • Geração ativa/reativa em cada unidade de geração;
  • Fluxo de potência ativa/reativa em cada circuito;
  • Nível de tensão nas barras;
  • Tap do transformador para cada transformador controlável;
  • Nível de perdas;
  • Nível de transferência de potência ativa entre áreas;
  • Custos marginais de associados à potência ativa/reativa nas barras e aos limites de fluxos nos circuitos;
  • Dependendo da função objetivo, nível de corte de carga, carga final na barra, etc.

Metodologia de Solução

O problema de otimização não linear é resolvido por um método de pontos interiores.