Estratégias para Negociação de Contratos Bilaterais em Mercados Multi-Agente de Energia Eléctrica

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1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Área Departamental de Engenharia de Sistemas de Potência e Automação Estratégias para Negociação de Contratos Bilaterais em Mercados Multi-Agente de Energia Eléctrica TIAGO MIGUEL REVERENDO RODRIGUES (Licenciado em Engenharia Electrotécnica) Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica ramo de Energia Orientadores: Professor Doutor Jorge Alberto Mendes de Sousa (ISEL) Professor Doutor Fernando Jorge Ferreira Lopes (LNEG) Janeiro de 2012

2 Só se nos detivermos a pensar nas pequenas coisas chegaremos a compreender as grandes. José Saramago i

3 Resumo A energia eléctrica é um bem essencial para a maioria das sociedades. O seu fornecimento tem sido encarado como um serviço público, da responsabilidade dos governos, através de empresas monopolistas, públicas e privadas. O Mercado Ibérico de Electricidade (MIBEL) surge com o objectivo da integração e cooperação do sector eléctrico Português e Espanhol, no qual é possível negociar preços e volumes de energia. Actualmente, as entidades podem negociar através de um mercado bolsista ou num mercado de contratos bilaterais. Uma análise dos mercados de electricidade existentes mostra que estes estão longe de estarem liberalizados. As tarifas não reflectem o efeito da competitividade. Além disso, o recurso a contratos bilaterais limita frequentemente os clientes a um único fornecedor de energia eléctrica. Nos últimos anos, têm surgido uma série de ferramentas computacionais que permitem simular, parte ou a totalidade, dos mercados de electricidade. Contudo, apesar das suas potencialidades, muitos simuladores carecem de flexibilidade e generalidade. Nesta perspectiva, esta dissertação tem como principal objectivo o desenvolvimento de um simulador de mercados de energia eléctrica que possibilite lidar com as dificuldades inerentes a este novo modelo de mercado, recorrendo a agentes computacionais autónomos. A dissertação descreve o desenho e a implementação de um simulador simplificado para negociação de contratos bilaterais em mercados de energia, com particular incidência para o desenho das estratégias a utilizar pelas partes negociais. Além disso, efectua-se a descrição de um caso prático, com dados do MIBEL. Descrevem-se também várias simulações computacionais, envolvendo retalhistas e consumidores de energia eléctrica, que utilizam diferentes estratégias negociais. Efectua-se a análise detalhada dos resultados obtidos. De forma sucinta, os resultados permitem concluir que as melhores estratégias para cada entidade, no caso prático estudado, são: a estratégia de concessões fixas, para o retalhista, e a estratégia de concessões baseada no volume de energia, para o consumidor. Palavra-chave: Sector eléctrico, sistemas multi-agente, estratégias de negociação, contratos bilaterais, simulação, MIBEL

4 Abstrat Electrical energy is a key asset of modern societies. However, its supply has been regarded as a public service, of government s responsibility, through monopolistic utility companies both public and private. The Iberian Market of Electricity (MIBEL) has arisen with the objective of integrating the Iberian electricity sector, where market participants can negotiate mutually beneficial agreements. Specifically, participants can submit production and consumption bids to a stock market (Pool) or negotiate agreements on delivery and receipt of power (bilateral contracts). At present, an analysis of most electricity markets (EMs) yields the observation that they are still far from deregulated. In particular, tariffs do not reflect the pressure of competition. Multi-agent systems represent a relatively new and rapidly expanding area of research and development. A multi-agent approach in which software agents are capable of flexible action to meet their design objectives is an ideal fit to the naturally distributed domain of a deregulated energy market. Accordingly, this project addresses the challenge of using software agents to help manage the complexity of EMs. In the past years, a number of multi-agent energy management tools have emerged. However, despite the power and elegance of existing EM simulators, they often lack generality and flexibility, mainly because they are limited to particular market models, specific types of market participants, and particular features of market players. The thesis describes the design and implementation of a simplified EM simulator for negotiating the terms of bilateral contracts, placing emphasis on negotiation strategies. Additionally, it describes a case study aiming at evaluating the different strategies and the EM simulator generally. The experimental results showed that the best strategies for both agents are the following: i) retailer fixed concession strategy, and ii) consumer strategy based on energy volume. Key word: Electricity sector; multi-agent systems; negotiation strategies, bilateral contracts, simulation, MIBEL

5 Capítulo 1 Introdução A energia tem um papel muito importante em termos estratégicos e económicos. A indústria de energia eléctrica proporciona a produção e o consumo de electricidade às empresas e famílias. Esta indústria é normalmente dividida em quatro grandes processos: geração, transporte, distribuição, e consumo. A energia é transportada em alta tensão (AT) e muito alta tensão (MAT) até às subestações mais próximas, e posteriormente distribuída em média tensão (MT) e baixa tensão (BT) até aos consumidores. Tradicionalmente, as empresas de energia eléctrica controlavam todas as infra-estruturas, desde a geração até ao transporte, passando pela distribuição. O sector eléctrico era fortemente regulamentado, com uma extensa propriedade pública, e sem mecanismos de preços de mercado. A liberalização começou nos anos 90, permitindo separar os sectores de geração e comercialização, do monopólio natural de transporte e distribuição. Este processo originou um mercado grossista, onde operam concorrentemente vários produtores, e um mercado de retalho, onde os clientes escolhem os retalhistas que apresentem as melhores ofertas. Na prática, vários retalhistas (por exemplo, EDP e IBERDROLA) competem entre si de forma a aumentarem o número de clientes e, consequentemente, os lucros. Por sua vez, vários clientes (empresas ou domésticos) escolhem os seus fornecedores de acordo com os preços praticados, para obterem energia mais barata. Recentemente, motivado por questões económicas, tanto na produção como no transporte de electricidade, assistiu-se um pouco por todo o mundo ao início de um processo de internacionalização dos mercados de energia no âmbito da reestruturação do sector eléctrico, de que se destacam, o Nord Pool e o MIBEL, analisados com mais detalhe no próximo capitulo [Gomes, 2005]. O sector da energia eléctrica tem características específicas que obedecem a regras muito particulares. Os produtores de energia fazem ofertas de venda, que estão associadas a determinadas quantidades de energia eléctrica e a diferentes preços. O operador de mercado analisa as ofertas e constrói as curvas de oferta e procura. A intersecção destas duas curvas permite determinar o preço marginal do sistema, que será a base da remuneração dos produtores [Azevedo, 2002].

6 Os mercados retalhistas têm uma importância crescente no dia-a-dia dos cidadãos e das empresas. Especificamente, retalhistas e clientes podem negociar contratos que estabeleçam preços para determinadas unidades temporais (por exemplo, a hora) e para um futuro próximo (por exemplo, seis meses). A negociação envolve basicamente uma troca iterativa de propostas e contra-propostas. As estratégias assumem um papel importante nestes mercados, possibilitando aumentar o lucro dos fornecedores de energia e, além disso, permitindo obter preços mais vantajosos para os clientes. 1.1 Motivações A abertura da competição entre produtores de energia eléctrica é um aspecto importante para melhorar a eficiência do fornecimento de electricidade e, consequentemente beneficiar os consumidores. A competição pode levar os produtores a inovarem e a operarem de forma mais eficiente e económica. A inovação pode levar à diminuição dos preços e a uma melhor utilização dos recursos energéticos. No entanto, a electricidade é por natureza, difícil de armazenar e tem de estar sempre disponível para satisfazer o consumo dos clientes. Consequentemente, os participantes do mercado de energia eléctrica são obrigados a trabalhar com previsões do consumo de energia, que por sua vez se associam a vários problemas, incluindo: Sobrecarga os preços da energia eléctrica dependem, principalmente, dos custos de produção e, como resultado, se for produzida mais electricidade do que a consumida, o sistema não é seguro nem económico; Baixa produção se os produtores não produzirem energia suficiente, a falta de energia pode causar cortes de abastecimento de energia ou, mesmo blackouts ; Diferentes tipos de produção o custo da energia eléctrica está associada à tecnologia utilizada para a produção de electricidade (por exemplo, centrais hidroeléctricas ou termoeléctricas). Ou seja, a gestão do mercado de energia é uma prioridade devido aos elevados riscos associados aos preços (volatilidade de preços em momentos de pico ou de vazio) e ao volume de energia eléctrica (incertezas no consumo e produção) que os mercados podem manifestar. Actualmente, a análise da maioria dos mercados de electricidade permite concluir que estes estão longe de estarem desregulamentamos. Em particular, o recurso a contratos bilaterais limita o cliente a um único fornecedor de energia eléctrica. As tarifas estabelecidas nos contratos não reflectem a pressão da concorrência.

7 Nesta perspectiva, pretende-se desenvolver um simulador de mercados de energia eléctrica, usando agentes computacionais, que possibilite lidar com as dificuldades implícitas neste novo modelo de mercado, i.e., a complexidade e a competitividade. A área de trabalho em que a presente dissertação se insere envolve diferentes tipos de conhecimento, destacando-se a informática, a matemática, e a gestão e controlo de sistemas energéticos. Nesta perspectiva, pretende-se adoptar uma abordagem multidisciplinar, com particular ênfase para a gestão de sistemas de energia eléctrica e a informática. 1.2 Sistemas Multi-Agente Os agentes autónomos em particular e os sistemas multi-agente em geral representam uma nova abordagem para investigar, projectar e implementar sistemas de software complexos. Esta abordagem oferece um poderoso reportório de ferramentas e técnicas que visam melhorar consideravelmente a forma como os engenheiros conceptualizam e implementam diversos tipos de sistemas. A tecnologia baseada em agentes tem sido usada em inúmeras aplicações, desde sistemas relativamente pequenos (filtros de s ) até sistemas mais complexos (controlo da geração de energia) [Jennings et al., 1998]. Um sistema multi-agente é um sistema computacional composto por vários agentes autónomos com objectivos distintos e capazes de executarem acções por forma a atingirem os objectivos. Estes sistemas constituem uma abordagem ideal para modelar o domínio naturalmente distribuído de um mercado de energia liberalizado. O mercado de energia eléctrica (MEE) não é apenas uma nova realidade mas também uma realidade envolvente, uma vez que os agentes que nele participam estão em constante mudança (além das regras de mercado, que também necessitam de constante adaptação à evolução do mercado). Nesta perspectiva, realça-se o surgimento de novos agentes e novos comportamentos estratégicos (por exemplo, a distribuição de recursos energéticos e a gestão da procura têm vindo a ganhar maior importância financeira). Os simuladores de mercados de energia devem ser capazes de lidar com esta nova realidade, cada vez mais complexa, por forma a auxiliarem convenientemente os intervenientes do mercado, que cada vez mais necessitam de ter conhecimentos adequados e experiência para actuar de forma efectiva. Nos últimos anos, têm surgido uma série de ferramentas computacionais aplicadas aos mercados de energia, nomeadamente: i) EMCAS Electricity Market Complex Adaptive System: os agentes computacionais utilizam as suas estratégias de negociação, com base na aprendizagem e adaptação, para simularem mercados de energia eléctrica; ii) AMES Agent-based Modeling of Electricity Systems: sistema computacional gratuito para o estudo de mercados de produção de energia.

8 iii) MASCEM - Multi-Agent System that Simulates Competitive Electricity Markets: simulador multi-agente que suporta uma diversidade de modelos de mercado de energia e adquire, a partir de simulações, características relevantes dos agentes do mercado de energia eléctrica. No entanto, apesar das potencialidades destes e de outros simuladores de MEE existentes, a maioria carece de flexibilidade e generalidades, pois são limitados a determinados modelos do mercado de electricidade, a tipos específicos de agentes de mercado, e a particulares intervenientes do mercado (operadores de mercado e operadores de sistema). Actualmente, existe a necessidade de ir um pouco mais longe no desenvolvimento de simuladores de MEE, uma vez que estes podem ser cruciais para enfrentar os desafios complexos criados pelo MEE. 1.3 Objectivos Os principais objectivos da presente dissertação são os seguintes: 1. Modelar e implementar um mercado de energia multi-agente simplificado, com particular incidência para um mercado de retalho; 2. Desenvolver agentes computacionais simplificados, capazes de exibirem comportamento estratégico e negociarem contratos bilaterais; 3. Equipar os agentes com um modelo de negociação, permitindo-lhe negociarem contratos bilaterais; 4. Estudar detalhadamente um caso prático envolvendo um retalhista e um consumidor de energia. Pretende-se desenvolver uma ferramenta computacional para simular mercados de energia eléctrica, nomeadamente para apoiar a negociação de contratos bilaterais [Lopes, 2004; Lopes et al., 2008; Lopes e Coelho, 2010], fazendo uso da linguagem de programação Java e da plataforma JADE ( A ferramenta deverá possuir, pelo menos as seguintes funcionalidades: Modelação dos principais agentes de marcado Modelação de produtores, consumidores e retalhistas; Negociação de três ou mais preços considera-se uma tarifa tri-horária (três preços), uma vez que esta tarifa é cada vez mais utilizada no processo de negociação em mercado de energia eléctrica (embora o sistema não esteja limitado a tarifas tri-horárias, podendo simular tarifas mais complexas, envolvendo um ou mais preços); Definição de limites negociais o utilizador pode definir limites de negociação para os vários preços, a partir dos quais é preferível abandonar a negociação, a obter qualquer acordo;

9 Previsão de volumes de energia eléctrica as entidades produtora/consumidora podem propor os volumes de energia que estão dispostas a negociar; Imposição de prazos limite ( deadline ) limites de tempo real para o processo de negociação, sendo este interrompido em caso de entendimento negocial de ambas as partes. A ferramenta permitirá analisar a preparação da negociação, a negociação propriamente dita, assim como o seu desfecho, apoiando os utilizadores na tomada de decisão relativamente a aspectos associados com a negociação de contratos bilaterais. 1.4 Estrutura da Dissertação A presente dissertação encontra-se repartida em seis capítulos. O capítulo 2 analisa, de forma detalhada, algumas estruturas de mercados de energia eléctrica mundiais, bem como o processo de liberalização do sector de energia eléctrica em Portugal e Espanha (MIBEL). São também descritos os diversos tipos de mercados de energia eléctrica inerentes ao MIBEL, além das tarifas aplicadas ao preço final da electricidade. O capítulo descreve ainda os principais simuladores computacionais de mercados de energia, realçando as suas potencialidades e identificando algumas lacunas. O capítulo 3 descreve detalhadamente um mercado de energia multi-agente, constituído por vários agentes autónomos, que representam as principais entidades participantes neste mercado. É também descrito, de forma simplificada, o processo de negociação entre os agentes que operam no mercado de energia eléctrica. O capítulo 4 descreve o trabalho que serviu de base ao desenvolvimento do simulador computacional. A primeira parte do capítulo descreve o comportamento dos agentes que interagem de acordo com um protocolo de ofertas alternadas. A segunda parte descreve as estratégias de negociação utilizadas pelos agentes negociadores. O capítulo 5 descreve a aplicação do simulador a um caso prático. Apresenta-se um caso prático envolvendo um retalhista e a um consumidor a negociarem tarifas tri-horárias e descreve-se detalhadamente todo o processo negocial. Posteriormente, apresentam-se os resultados alcançados nos ensaios realizados e efectua-se a sua avaliação. De realçar, que os resultados permitem, para o caso prático em estudo, analisar qual a estratégia de negociação que melhor se adequa a cada agente. O capítulo 6 apresenta as principais conclusões do trabalho efectuado. Neste capítulo são também apresentados alguns problemas em aberto para trabalho futuro.

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