Análise de cenários aplicada ao problema de planejamento hidrotérmico brasileiro com aversão ao risco

Abstract

Resumo: Nesta tese tratamos de problemas de planejamento da operacao de sistemas hidrotermicos atraves de analise de cenarios, com inclusao de aversao ao risco. O problem a de planejamento da operacao consiste na obtencao de decisoes operativas para geracao de energia tanto pelas usinas hidroeletricas quanto pelas termoeletricas, de m aneira a atender a demanda do sistema em um determinado período com o m enor custo esperado de operacao. O calculo dessas decisões operativas depende do cenario de afluencias ao longo do período considerado. Fixado um cenario a partir de um conjunto de cenarios gerados com base em 85 anos de dados historicos das afluencias mensais, temos um problem a determinístico nao linear de grande porte. As nao linearidades do problem a sao devidas ao calculo da altura de queda das usinas hidroeletricas nas restricoes de atendimento a demanda. Por outro lado, desejamos obter solucoes nao antecipativas, isto e, solucoes em que a decisao do primeiro mes independa dos L cenarios considerados e minimize o custo esperado da operacao. Esse problem a e L vezes maior que o problem a determinístico, e pode ser resolvido por metodos que decompoem o problem a em varios subproblemas, como o metodo Progressive Hedging. Uma vantagem dos metodos de decomposicao e permitir a paralelizacao de sua implementacao. Alem de considerar o problema minimizando-se o custo esperado de operacao, incluímos a medida de risco conditional value-at-risk (CVaR). Aplicamos esta medida no problem a de planejamento hidrotermico considerando três abordagens. A primeira consiste em aplicar a m edida de risco C VaR no custo total da operacao, a segunda apenas no custo do deficit, o qual e um evento que se deseja evitar e a terceira considera uma combinacao convexa entre a esperanca e a medida de risco C VaR, ambas do custo total. Outra contribuicao da tese e a discussao de estrategias para reducao do numero de cenarios de modo que a decisao obtida pela resolucao do problem a avesso ao risco considerando o subconjunto de cenarios seja tao confiavel quanto a decisao a partir do conjunto completo de cenarios. Testes numericos sao apresentados para validacao das tecnicas apresentadas na resolucao do problem a de planejamento da operacao de dois sistemas teste extraídos do Sistema Interligado Nacional com dados reais disponibilizados pelo Operador Nacional do Sistema

Abstract: In this thesis we deal with long-term operation planning problems of hydrothermal power systems by considering scenario analysis and risk aversion. The operation planning problem consists in defining an operational policy, determining the generation of both hydroelectric and thermal plants in order to satisfy the system demand in a given period with the lowest expected operation cost. The definition of an operation policy depends on the scenario of inflows over the period considered. Once chosen a scenario from a set of scenarios generated from 85 years of historical data of m onth inflows, we have a large-scale deterministic problem that includes nonlinear constraints due to the head computation in hydroelectric plants. However, we wish to obtain non-anticipative solutions, i.e., solutions in which the decision of the first month does not depend on the L scenarios considered. This problem is L times larger than the determ inistic one, and can be solved by methods that decompose the problem into L subproblems, such as the Progressive Hedging method. An advantage of the decomposition methods is allowing the parallelization of their implementation. In addition, we apply the risk measure conditional value-at-risk (CVaR) in the operation cost minimizing problem considering three approaches. The first one applies the CVaR risk measure to the total operation cost. The second approach uses CVaR only on the deficit cost, which is an event to be avoided. And the third one considers a convex combination of the expected value and CVaR risk measure, both of the total cost. Another contribution of this thesis is the proposal of strategies to reduce the number of scenarios in such way that the decision obtained by solving the risk-averse problem considering the subset of effective scenarios is as reliable as the decision from the whole set of scenarios. N umerical experiments are presented for validation of the techniques proposed by solving the problem for two test systems extracted from the Brazilian interconnected system with real data provided by the Operador Nacional do Sistema - ONS.