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Planejamento energético e restrições operativas: Como o DESSEM se comporta?

Este white paper demonstra que em 70% das vezes, o programa de geração sugerido pela DESSEM viola restrições operativas das usinas hidrelétricas.

 

Uma comparação inicial nos mostra que os dados do DESSEM violam restrições operativas em cerca de 70% da programação diária de geração da usina hidrelétrica. De todas as cascatas analisadas, apenas uma não mostra nenhum tipo de violação, o que se relaciona à simplicidade dessa cascata, contendo apenas uma usina.

Dentre as violações de restrição, as principais são em função do acionamento de unidades geradoras hidráulicas para sua faixa operativa, sendo 28 casos em 40 bloqueios. A tabela abaixo resume o número de restrições violadas para as cascatas analisadas:

Cascata
Restrições Violadas
Violações de Faixa Operativa
Araguari
8
7
Doce
222
6
Grande CS
55
6
Grande TR
12
6
Jequitinhonha
69
5
Paraníba
5
5
São Francisco
6
6
Itabapoana
120
0

Em uma análise de resultados do modelo DESSEM com os do HydroPower Optimizer, ao longo de 1 semana, seguiu-se o seguinte processo:

1
Coletar o programa de geração proposto pelo DESSEM;
2
Efetuar uma simulação usando o HydroPower Optimizer com a demanda de geração configurada como o programa de geração proposto pelo DESSEM;
3
Analisar os resultados, tais como: restrições operativas violadas, geração fora de faixa operativa, entre outros;
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Análise do tempo

 

Considere uma programação semi-horária para uma usina hidrelétrica, que totaliza 48 dados de geração. Os resultados da comparação foram ainda classificados por cascata, por exemplo, em Jequitinhonha, que possui apenas uma usina, pode-se ter 48 violações no mínimo para cada restrição operativa. Já a cascata de Grande CS, que apresenta 3 usinas, pode ter 144 violações por restrição. O gráfico abaixo sintetiza os resultados de todas as cascatas, considerando a porcentagem de violações observadas:

Em cerca de 70% dos horários programados de geração, violação de alguma restrição operativa. Observa-se que uma cascata única em que não houve violações durante o período analisado foi a de Itabapoana, porém é uma cascata simples que possui apenas uma usina no leito do rio (Rosal).

Análise das Cascatas

 

A seguir apresenta-se os tipos de restrições operativas das usinas para as quais foram observadas violações ao longo dos 7 dias acompanhados:

Devido às diferenças entre as cascatas analisadas, observa-se que não há um padrão de restrição operativa mais violada entre elas. Na cascata do Doce, por exemplo, as violações de restrições ambientais foram mais comuns. Já em Grande CS, o maior número de violações está relacionado à taxa de variação.

Abaixo apresenta-se a informação de violações das restrições sintetizada pelo dia da semana.

Resultado para todas as Cascatas

Comparação semelhante foi realizada para todas as cascatas que o Hydropower Optimizer tem acesso. São elas: Araguari, Doce, Grande CS, Grande TR, Itabapoana, Jequitinhonha, Paranaíba e São Francisco. Para a geração do gráfico foi somado o número de restrições violadas, classificando-as pelo seu tipo.

HydroPower Optimizer

A partir do programa de geração proposto pelo DESSEM para a usina hidrelétrica de Itutinga, simulando a demanda de geração: (1) sem habilitar correções de restrições operativas e (2) habilitando essas correções.

Os gráficos apresentam que ao simular o programa de geração proposto pelo Dessem, violação de faixa operativa das unidades geradoras hidráulicas de UHE Itutinga às 9 horas da manhã. Habilitando as correções com o HydroPower Optimizer, uma simulação de continuidade com sugestão de geração que atende à operação das unidades geradoras respeitando suas limitações.

Alguns conceitos considerados ao longo deste whitepaper são definidos a seguir:

As simulações aqui analisadas são baseadas no conceito de cascata de hidrelétricas, ou seja, usinas que se destacam na mesma bacia hidrográfica. Assim, uma operação de usinas a montante do impacto nos reservatórios de usinas a jusante, isto é, a vazão defluente de uma usina interfere na próxima usina da cascata. A imagem abaixo ilustra esse conceito.

   

Esquemático de uma cascata de usinas para a bacia do Rio Doce (imagem necessária pelo ONS).

Uma importante restrição natural, que deve ser considerada na modelagem da geração de energia hidrelétrica, é o balanço hídrico das usinas. Ele consiste, basicamente, no fato de que o volume final do reservatório de uma usina qualquer deve ser igual ao volume inicial somado aos ganhos (vazão natural que chega à usina) subtraído das perdas (vazão defluente e outros fatores como evaporação).

HydroPower Optimizer

O HPO é um sistema computacional para o planejamento do despacho hidrelétrico considerando objetivos múltiplos. Parte deste sistema contempla um simulador que, mediante valores de referência (vazão turbinada ou potência), simula uma operação da usina. Dentre as características, destacam-se a indicação das restrições violadas; a realização de correções que garantem o atendimento às restrições; uma alocação das unidades geradoras de forma otimizada resolvendo o problema de comprometimento da unidade; consideração de manutenções programadas, entre outras.

A principal vantagem em relação ao modelo DESSEM consiste na modelagem detalhada da usina hidrelétrica ao nível de suas unidades geradoras. Considerar a função de rendimento (curva colina) das unidades torna o despacho indicado mais otimizado e mais aderente à operação real da usina. Atender às restrições elétricas, físico e operacional da usina e de suas unidades favorece o aproveitamento do recurso energético e reduz custos operacionais.

Outras vantagens são o ganho em tempo computacional em se efetuar o modelo e a praticidade em utilizá-lo. Isso devido ao fato do sistema oferecer integração com fontes de dados das usinas e de previsão de vazões afluentes, o que também permite um acompanhamento em tempo real de dados da usina.

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Restrições

A operação de um aproveitamento hidrelétrico está adaptado a uma série de restrições operativas, sejam elas intrínsecas ao aproveitamento, como armazenamento máximo possível, ou restrição de origem externa, como restrições ambientais, que são limitações ao aproveitamento de forma a mitigar o efeito negativo natureza. A seguir são as normas operativas de uma usina hidrelétrica.

Nível de armazenamento máximo: Este nível define o limite superior do volume útil do reservatório;

Nível de armazenamento mínimo: nível mínimo em operação normal. Ele define o volume morto do reservatório, ou seja, o volume que não é usado para a geração de energia;

Taxa de variação de vazão vertida: para alguns vertedouros, existe uma variação máxima que pode ser aplicada à vazão vertida de forma a não danificar as estruturas de vertimento;

Taxa de variação de geração: essa restrição está associada à restrição de variação de vazão turbinada, que implica em uma limitação de taxa de variação de potência gerada pela usina. Em Itutinga, por exemplo, em algumas épocas do ano, a redução de geração deve ser feita em patamares de 7 MW a cada 30 minutos em virtude dessa restrição;

Taxa de variação diária de vazões: esse tipo de restrição está relacionada com o deplecionamento máximo diário dos reservatórios;

Vazão defluente máximo: a violação dessa restrição pode incorrer na inundação de estradas, pontes e cidades. Para a usina de Camargos, por exemplo, valores acima de 1000 m³ / s resultam na inundação da estrada de acesso à usina de Itutinga;

Vazão defluente mínimo: um mínimo de vazão deve ser mantido ao longo do curso da bacia para que não haja prejuízo na ictiofauna a jusante do aproveitamento e no uso compartilhado da água;

Temporada de piracema: no período de reprodução dos peixes, eles precisam se deslocar até a nascente dos rios para fazer a desova. Nesse período, algumas usinas devem ser um mínimo para não aprisionar os peixes. Na usina de Nova Ponte, o vertimento mínimo é 80 m³ / s para evitar o aprisionamento de peixes, por exemplo;

Período de seca e de umidade: nesses períodos, algumas usinas precisam manter uma vazão defluente mínimo, maior para o seco e menor para o úmido. Na usina de Queimado, por exemplo, no período de seca a vazão defluente mínimo é de 17 m³ / s, e no período úmido é de 8,8 m³ / s;

Período noturno e final de semana: via de regra, devem ser evitadas manobras de abertura no vertedouro no período noturno;

Faixa Operativa das Unidades Geradoras

A restrição de faixa se restringe em relação aos limites operativos de cada turbina das unidades geradoras;

Outras

As outras restrições podem se referir às restrições em relação aos componentes utilizados nas unidades geradoras, em especial turbinas e geradores, além de componentes intrínsecos de cada usina, como vazão no túnel em usinas com dois reservatórios.

Abaixo uma imagem do sistema, exemplificando as diversas restrições cadastradas para a usina de Igarapava.

Restrições cadastradas para a usina de Igarapava no sistema HPO.

DESSEM

O DESSEM (Modelo de Despacho Hidrotérmico de Curtíssimo Prazo) foi desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). Seu desenvolvimento é resultado do interesse em reduzir o descasamento entre a operação real e a programação de geração, e a necessidade de se trabalhar com preços horários na comercialização de energia. Vem sendo utilizado desde janeiro de 2020 na etapa de programação diária das usinas. O objetivo deste modelo de otimização é determinar a programação diária da operação dos sistemas hidrotérmicos, com um horizonte semanal e discretização de até meia hora, principalmente para precificação do custo marginal de operação. O problema do despacho é formulado por meio de programação linear/inteira. Sua utilização não é independente dos modelos NEWAVE e DECOMP, isto é, o DESSEM se acopla com a função de custo futuro do DECOMP ao final do horizonte de estudo.
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Principais componentes significativos considerados no modelo:

  • Rede elétrica com modelagem DC com ou sem perdas;
  • Restrições de segurança da rede;
  • Restrições de unit commitment das usinas termelétricas;
  • Operação de usinas térmicas a ciclo combinado;
  • Produtividade das hidrelétricas variável com a altura da queda;
  • Balanço hídrico considerando tempo de viagem d’água;
  • Usinas de bombeamento e canais entre reservatórios;
  • Fontes intermitentes (eólica e solar);

Considerando o desafio da programação diária da operação, problema complexo visando o sistema brasileiro, que é de grande porte, busca-se com o modelo determinar o despacho horário de geração para o dia seguinte (etapa de programação). Há também aspectos do problema que introduzem um acoplamento espacial (coordenação entre os tipos de usinas e presença de usinas em cascata) e temporal (tempo de viagem d’água e decisão entre uso da água ou seu armazenamento).

Perspectiva Atual do Sistema Interligado Nacional e Desafios da Programação

A fim de tornar a operação mais realista, o modelo considera a rede elétrica de transmissão com uma modelagem DC, visando os limites de fluxo nos circuitos e as perdas de transmissão, não somente os intercâmbios de energia entre os subsistemas.

O modelo DESSEM considera um problema de otimização determinístico, em que a determinação da programação irá considerar o valor esperado das variáveis incertas, que é passado como dado de entrada, resultante de outros modelos de previsão.

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