A tool for evaluation of firm energy based on interior point technique

The energy sector planning is fundamental to assure the energy supply at the smallest costs and risks and with the smallest socioeconomic and environmental impacts for the society. These factors as well as the aspects complexity involved in the industry operation of the electrical energy production explain the importance of the energy sector planning. Nowadays, the Brazilian electrical system is operated centralized by regulators agents that acts with great institutional power on the system’s variables through decisions that brings impacts and strongly influence the future of the systems. The fact of the Brazilian system predominantly being hydroelectric does those decisions, in most of the time, to be taken in an uncertain environment and then requires systematic processes of decision support, especially above the future perspectives regarding the energy supply risks. In this context, the firm energy, defined as the maximum continuous capacity of energy production, without the occurrence of energy deficits, influence directly the remuneration of the hydroelectric power stations and the electric power sales contracts because it is used in the evaluation of the assured energy, that represents the energy generation ballast of these plants in Brazil. Today, the firm energy evaluation of each hydroelectric power station of the Brazilian electrical system is accomplished through simulation models, in particular, the MSUI model, developed by Eletrobr´as and the SUISHI-O model, developed by CEPEL. The power stations topology is respected and, through heuristic rules, is simulated its operation, considering the historical flow series since January of 1931. This work has as objective the development of a computacional tool destined to the firm energy evaluation of the hydroelectric power stations. For this, a solution is proposed, through a single nonlinear programming problem, with the representation of the nonlinearities inherent to the hydroelectric power stations productivity and the individualized reservoirs representation together with the historical flow series since January of 1931. The solution of the nonlinear optimization problem is obtained through Primal-Dual Interior Point Method. The proposed methodology was implemented in computational language C++, allowing to apply the firm energy evaluation to the Brazilian Interconnected National System. A study case will be presented extending the Brazilian Interconnected National System, resulting in a problem with more than 400 thousand variables, in wich it will be observed the importance to solve the problem considering the nonlinearities in a unique optimization problem. These results were compared to the obtained ones with the linear model of the firm energy evaluation. Additional results with the entrance of new power stations in the system (Estreito Tocantins and Peixe Angical) are evaluated to validate the methodology appliance to real systems. The obtained results shows that the proposed methodology is promising. Additionally, the developed software is a tool capable to receive improvements and modifications for incorporation of several other functionalities related to the planning and operation of electrical power systems.O planejamento do setor energético é fundamental para assegurar o suprimento de energia ao menor custo, com o menor risco e com os menores impactos sócio-econômicos e ambientais para a sociedade. Estes fatores assim como a complexidade dos aspectos envolvidos no funcionamento da indústria de produção de energia elétrica explicam a importância do planejamento do setor energético. Atualmente, o sistema elétrico brasileiro é operado de maneira centralizada por agentes reguladores que atuam com grande poder institucional sobre as variáveis do sistema através de decisões que trazem impactos e influenciam fortemente o futuro dos sistemas. O fato de o sistema brasileiro ser predominantemente hidrelétrico faz com que essas decisões, na maioria das vezes, sejam tomadas num ambiente de incertezas e assim necessitam de processos sistemáticos de apoio à decisão, em especial sobre as perspectivas do futuro com relação aos riscos de suprimento de energia. Neste contexto, a energia firme, definida como a máxima capacidade de produção contínua de energia, sem a ocorrência de déficits energéticos, influencia diretamente na remuneração das usinas hidrelétricas e na realização dos contratos de venda de energia elétrica pois é utilizada no cálculo da energia assegurada, que representa o lastro de geração de energia destas usinas no Brasil. Hoje, o cálculo da energia firme de cada usina hidrelétrica do sistema elétrico brasileiro é feito através de modelos de simulação, em particular, os modelos Modelo de Simulação de Usinas Individualizadas (MSUI) desenvolvido pela Eletrobrás e o Modelo de Simulação a Usinas Individualizadas para Subsistemas Hidrotérmicos Interligados (SUISHI-O) desenvolvido pelo Centro de Pesquisas em Energia Elétrica (CEPEL). A topologia das usinas é respeitada e, através de regras heurísticas, é simulada a operação das mesmas, considerando-se a série histórica de vazões desde janeiro de 1931. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta computacional destinada ao cálculo da energia firme das usinas hidrelétricas. Para isto, é proposta uma solução, através de um único problema de programação não linear, com a representação das não linearidades inerentes à produtividade das usinas hidrelétricas e a representação individualizada dos reservatórios juntamente com a série histórica de vazões desde o mês de janeiro de 1931. A solução do problema de otimização não linear é obtida através do Método Primal-Dual de Pontos Interiores (MPI). A metodologia proposta foi implementada em linguagem C++, permitindo aplicar o cálculo de energia firme ao Sistema Interligado Nacional Brasileiro (SIN). Será apresentado um estudo de caso abrangendo o Sistema Interligado Nacional (SIN), resultando em um problema com mais de 400 mil variáveis, onde poderá ser observada a importância de se resolver o problema considerando-se as não linearidades em um problema de otimização. Estes resultados foram comparados com os obtidos através do modelo linear do cálculo da energia firme. Resultados adicionais com a entrada de novas usinas no sistema (Estreito Tocantins e Peixe Angical) são avaliados para validar a aplicação da metodologia a sistemas reais. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta é promissora. Adicionalmente, o sistema computacional desenvolvido é uma ferramenta capaz de receber aperfeiçoamentos e modificações para incorporação de diversas outras funcionalidades relacionadas ao planejamento e operação de sistemas elétricos de potência.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio