X SIMPÓSIO DE ESPECIALISTAS EM PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO E EXPANSÃO ELÉTRICA X SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING

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1 SP-013 X SIMPÓSIO DE ESPECIALISTAS EM PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO E EXPANSÃO ELÉTRICA X SEPOPE 21 a 25 de maio de 2006 May 21 s o 25 h 2006 X SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING FLORIANÓPOLIS (SC) BRASIL MODELO DE DESPACHO ECONÔMICO DO SISTEMA ELÉTRICO COLOMBIANO Juan C. Morales Ruiz Silvia Elena Cossio Mesa XM Companhia de Especialisas em Mercados S.A E.S.P. Colômbia RESUMO Um aplicaivo, chamado de Despacho e Redespacho Programado (ou DRP, das iniciais em espanhol), baseado em écnicas de programação ineira misa em sido desenvolvido. O DRP foi implemenado para solucionar o problema de despacho econômico do Mercado Elérico Colombiano. Esse aplicaivo esá sendo uilizado para melhorar o processo do despacho de energia, execuado pelo Operador do Sisema do Mercado Elérico Colombiano, chamado de XM, aendendo à demanda de energia, de acordo com as regras do Mercado Colombiano de Elericidade. Os objeivos desse arigo são: mosrar as principais caracerísicas do sisema elérico colombiano, uma descrição geral do processo de despacho, os aspecos mais relevanes do modelo maemáico do despacho econômico e as principais caracerísicas do aplicaivo DRP e sua uilização no Mercado Regional Aacadisa de Elericidade. PALAVRAS-CHAVE: DRP, MIP (programação ineira misa), XM, TIE (inerligações), Mercado, Despacho econômico. Juan Carlos Morales Ruiz jcmorales@isa.com.co fax: (57) el.: (57) Calle 12 Sur, (XM) Medellín-Colombia 1

2 1. Inrodução A Colômbia é um dos países em que em ocorrido um processo de reesruuração da indúsria de energia elérica. O novo esquema de mercado enrou em funcionameno no dia 20 de julho de 1995, com a enrada da Bolsa de Energia. A parir de enão, mudou-se de um despacho cenralizado, deerminado pela oimização do uso dos recursos energéicos, para um despacho econômico de geração, uilizando preços de ofera e declaração de disponibilidade, fornecida diariamene pelos agenes geradores. Para realizar o despacho econômico de geração, o Operador e Adminisrador do Sisema Elérico Colombiano (chamado de XM), dadas as dificuldades da adequação de uma ferramena comercial às novas exigências do mercado elérico colombiano, idenificou a necessidade de subsiuí-la por uma aplicação própria, suficienemene robusa, confiável, rápida e flexível que se adapasse facilmene às mudanças do Mercado e que minimizasse os riscos inerenes aos cálculos diário e horário do programa de despacho e redespacho. Por ais moivos, no início do ano de 2003, enra em operação comercial a ferramena compuacional Despacho e Reprogramação DRP, para se ober o programa óimo de geração dos recursos de geração e das Transações Inernacionais de Elericidade de Curo Prazo (TIE). O programa DRP é resulado de vários anos de pesquisa do Operador do Sisema, em que foram aplicadas écnicas avançadas de oimização e desenvolvimeno de soluções de informáica ao problema de despacho e operação do sisema elérico colombiano. Nas seguines seções dese documeno, serão apresenados os aspecos mais relevanes do sisema elérico colombiano, a descrição geral do esquema de despacho na Colômbia em que se descreverá o modelo maemáico do DRP, a meodologia da solução do problema de oimização e a forma como se usa o DRP para o cálculo dos preços de exporação e imporação de energia e para a programação das TIE com ouros sisemas despachados economicamene. Finalmene, são apresenados os resulados obidos com a ferramena. 2. Sisema Elérico Colombiano 2.1. A Colômbia no conexo Laino-Americano A Colômbia esá localizada no noroese da América do Sul, em que a cosa é banhada por dois oceanos, Alânico e Pacífico (veja Figura 1) População 44,5 milhões Área 1,1 milhão km 2 Cidades população > 1 milhão PIB Bogoá, Medellín, Cal Barranquila (8 cidades acima de hab.) 94,5 bilhões de dólares PIB per capia US$ 2123 Economia Séima economia na América e a quina da América Laina Figura 1. Siuação da Colômbia 2.2. Caracerísicas do Sisema Elérico Colombiano (SE) O sisema elérico colombiano consise em uma rede inerconecada simples que aende aproximadamene 99% da demanda. A demanda resane, um pouco mais de 1% do oal, é suprido por 2

3 geração local. Em 2005, o pico de carga foi MW. A demanda de energia regisrada foi de 48,829 GWh, com um aumeno de 4,14% em relação a O consumo é disribuído em diferenes seores: 43,0% residencial, 34% indusrial e 23% nos seguines seores: comercial, órgãos do governo, iluminação pública e ouros consumos. A capacidade insalada oal é ,7 MW composa por 64% de usinas hidreléricas e 36% de usinas érmicas. A Figura 2 mosra a caracerísica do Sisema Elérico e a disribuição geográfica da capacidade insalada e demanda na Colômbia. Anioquia 32% Capac. 15% Demanda Cenro 23% Capac. 25% Demanda Caribe 19% Capac. 23% Demanda Nordese 6% Capac. 11% Demanda Capacidade de Geraçao Usinas Hidreléricas Usinas a Carbão UsinasTérmicas Gas Cogeneradores Deerminisicas Toal Capacidade 8532 MW 694 MW 3659 MW 19.5 MW MW MW Inerligações Inernacionais Ecuador Imporacão Ecuador Exporacão Venezuela Imporacão Venezuela Exporacão 215 MW 285 MW 205 MW 336 MW Reservas Volume Máximo GWh Volume Técnico GWh Suroccidene 20% Capac. 26% Demanda Oficial 5% Oros 3% 500 kv kv kv 138 kv Rede de Transmissão km km km km Comercial 15% Residenci al 43% indusrial 34% Figura 2. Caracerísicas do SE - Capacidade Insalada e Demanda 2.3. Descrição geral do Mercado Elérico Colombiano No início da década de 90, a Colômbia modernizou o seor elérico, abrindo-o à paricipação do invesimeno privado, e seguindo um esquema similar a dos países pioneiros nesse desenvolvimeno, em especial o Reino Unido. Essa reesruuração se realizou com as leis 142 (Lei de Serviços Públicos) e 143 (Lei Elérica) de 1994, que definiram o marco regulaório para esabelecer as condições que permiissem que seu desenvolvimeno fosse deerminado pela compeição. Essas leis criaram o Mercado Aacadisa de Energia Elérica. A regulamenação desse mercado foi desenvolvida pela Comissão de Regulação de Energia e Gás CREG. A nova esruura do mercado que começou a operar em 20 de julho de 1995, inroduziu mudanças radicais no seor elérico ao incenivar a compeição, permiir o invesimeno privado, eliminar a vericalização e deixar o Esado somene com o papel de regulador. A Figura 3 mosra as principais aividades da cadeia produiva do Mercado Elérico Colombiano. 3

4 As comercializadoras ransferem seus cusos os clienes COMERCIALIZAÇÃO Compra y venda de energia Abero à concorrência CLIENTES Regulados Não-regulados (>0.1MW ou 55 MWh - mês) Monopólio do serviço Livre acesso às redes Tarifas regulados DISTRIBUIÇÃO TRANSMISSÃO Monopólio do serviço Concorrência a parir de 1999 para a expansão do STN Livre acesso às redes e arifas regulados GERAÇÃO Abero à concorrência Apresenam oferas no mercado spo ADMINISTRAÇÃO OPERAÇÃO Mercado Aacadisa Energia (MEM) Operador do Sisema (CND) Figura 3. Cadeia Produiva 3. Despacho Econômico de Energia na Colômbia 3.1. Descrição geral do esquema do despacho nacional A energia é comercializada em dois mercados compeiivos: a) mercado de curo prazo, em que a energia é comercializada em base horária para o dia seguine; e b) mercado de longo prazo, em que a energia ambém é comercializada em base horária, mas para períodos mais longos aravés de conraos financeiros bilaerais. Bolsa de Energia: Somene preços de ofera de geradores ($/MW) e disponibilidade declarada (MW) nese mercado para cada uma das fones de geração. Preços e disponibilidade são submeidos ao Operador Nacional do Sisema (CND) para cada hora do dia de operação. A demanda não é flexível, iso é, não exise liciação nem para os consumidores nem para as comercializadoras, e é definida aravés uma previsão de demanda que é acordada enre o CND e os operadores da rede. Usando a ofera de preços, disponibilidade declarada, resrições de ransmissão (represenadas pelos limies de inercâmbios ou modelo de ransmissão DC), resrições locais e regionais (represenadas pela confiabilidade de geração "mus run") reserva de AGC, caracerísicas das unidades geradoras e previsão da demanda, o CND deermina a relação de despacho óimo para cada unidade érmica e hidráulica para as próximas 24h do dia seguine Descrição Geral do Esquema de Despacho Coordenado (Transações Inernacionais de Elericidade TIE) A Colômbia e o Equador êm seus sisemas inerligados desde março de A inerligação desses dois diferenes sisemas eléricos em razido vanagens para ambos os países. A principal vanagem são os cusos operacionais eviados. Para um deerminado momeno, a energia pode ser ransferida de um sisema para ouro aravés da inerligação pelo país que em o menor cuso de energia. Oura vanagem é o aumeno da disponibilidade de energia como resulado da oimização da uilização das fones dos dois países ao mesmo empo. Aualmene, exisem duas inerligações que conecam os sisemas eléricos da Colômbia e Equador. O primeiro em 220 kv em uma capacidade de 250 MW e o segundo em 138 kv, com uma capacidade de 35 MW. Em janeiro de 2007, enrará em operação um novo circuio em 220 kv, com uma capacidade de 250 MW. 4

5 3.3. Descrição Geral do Esquema de Reprogramação do Despacho durane a Operação do Sisema Durane a operação diária, os geradores são permiidos em re-declarar a disponibilidade de uma deerminada fone devido a indisponibilidades. Por ouro lado, desde que o CND é responsável pela segurança do sisema e maner a freqüência denro de uma faixa aceiável (60 +/- 0,2 Hz), ambém é permiido, a qualquer insane, em ligar ou desligar unidades, redefinir a ordem de mério dos geradores e resringir qualquer ransferência. A re-declaração de disponibilidade, modificação das resrições local, regional e sisêmicas, alas e baixas reservas AGC, inervenção de preço numa usina hidrelérica e desvios da previsão de demanda acima de 20 MW são aceias aé uma hora e meia anes, para reprogramar a geração para a próxima hora de operação. Essa reprogramação é chamada de Programação Final, ambém em ermos de MW médios, e deve ser enviada aos geradores pelo menos meia anes da hora de operação Tabela Diária para o Dia anes da Operação Coordenada Na Colômbia, a operação coordenada da abela diária para o dia seguine aconece da seguine maneira: Hora 08:00. Hora 13:00 As geradoras submeem preços de ofera e disponibilidade declarada pra cada uma de suas fones O CND em aé essa hora para calcular e publicar os preços de ofera em cada nó de froneira para exporação (PONE) e o máximo preço de imporação em US/MWh. Para o caso colombiano, o PONE é calculado por componenes, que mosradas na Figura 4. Tarifa CND, MEM PONE (US$/MWh) Tarifa por conexão col. Inerligação Tarifa por uso STR inerligação Tarifas perdidas STR inerligação Tarifas pelo uso STN inerligação Cuso de perdas STN inerligação Cuso das resrições da inerligação Cuso médio das resrições Preço da Bolsa Hora 13:05 Figura 4. Componenes do PONE colombiano Em geral, o DRP é uilizado para calcular as componenes do preço marginal da bolsa, o cuso médio de resrições e as resrições das inerligações, as ouras componenes, são fixas e fornecidas pelo Adminisrador do Mercado Aacadisa de Energia (MEM). Enre as 13h00 e as 13h05 o CND realiza um procedimeno auomáico que deermina a aivação ou não de uma TIE, comparando com o preço máximo para a imporação e a curva de preços de ofera no nó de froneira para exporação de cada um das inerligações inernacionais fornecidos por cada país. A Figura 5 mosra o processo de "selemen" de uma TIE. 5

6 PREÇOS MARGINAIS preço Exporacão = 110 $/kwh preço Sin TIE = 100 $/kwh preço Imporacão = 90 $/kwh P P CENACE PREÇOS MARGINAIS preço Exporacão = 220 $/kwh preço Sin TIE = 200 $/kwh preço Imporacão = 180 $/kwh C1 D D C1 C2 C3 C4 C5 110 $/kwh 100 $/kwh 90 $/kwh 35 $/kwh 50 $/kwh PONE Col = 145 $/kwh PONE Col = 270 $/kwh Equador Impora a 180 $/kwh a maxima capacidade Figura 5. Esquema de Preços TIE 220 $/kwh 200 $/kwh 180 $/kwh C2 C3 C4 C5 Hora 13:35 Hora 14:05 Hora 14:15 Hora 14:45 Enre as 13h05 e as 13h35 cada país imporador realiza um despacho programado adicionando a ofera do país exporador como um recurso próprio com o objeivo de definir o nível de imporação a programar para aender a demanda nacional. Às 13h35 o país imporador informará sua disposição de imporação (MWh) para cada uma das inerligações (na Colômbia é calculado usando o DRP). Enre as 13h35 e as 14h05, uilizando as declarações de preços e quanidades programadas, conclui-se o despacho programado usando o DRP. Enre as 14h05 e as 14h15, o CND deverá informar aos demais operadores e recebes desses, os programas de imporação e exporação respecivamene, que deverão ser confirmados, modificados ou recusados anes de finalizar esse período. Se, como resulado do passo anerior, apresenam-se variações nos programas das ransações, o CND realiza um novo despacho programado com ais ajuses Modelo de Despacho Caracerísicas gerais Para se ober o programa óimo de geração dos recursos de geração e das ransações inernacionais de elericidade de curo prazo (TIE), o CND desenvolveu uma aplicação, chamada de DRP, que permie enconrar o despacho óimo para aender a demanda de energia no horizone deerminado e adminisrar o esquema das TIEs. As caracerísicas básicas do DRP são as seguines: Formulação maemáica usando a programação ineira misa. DRP esá desenvolvido em componenes, permiindo maior flexibilidade de uso. Tempos de execução exremamene rápidos, asseguram soluções óimas em poucos segundos. Módulo de processameno de fórmulas maemáicas que permie modificar o problema maemáico de despacho (função objeivo e resrições) aravés de inerfaces gráficas sem necessidade de se alerar o código fone do programa de despacho. A mariz gerada como resulado do modelameno maemáico do problema a resolver pode ser lida por qualquer programa comercial de oimização. Cona com uma inerface gráfica que facilia a represenação dos elemenos do sisema de poência, a enrada e consula de informações, diminuindo enormemene a possibilidade de erros humanos na adminisração e inerpreação dos resulados. Alo desempenho de processameno. 6

7 DRP permie o modelameno de diferenes cenários (simulações, casos de esudo e casos de prova), faciliando a adminisração dos mesmos. DRP modela a rede de ransmissão com níveis de ensão igual ou superior a 110 kv. Aualmene, o problema de despacho com a rede é composo por 212 unidades de geração, 599 linhas de ransmissão e 438 nós. Formulação maemáica Informação básica Gerador de Mariz Oimizador Resulados Figura 6. Arquieura DRP Formulação maemáica do despacho O problema do despacho é resolvido uilizando écnicas de oimização de Programação Ineira Misa (MIP, em inglês) minimizando o cuso operaivo do sisema sujeio às caracerísicas écnicas das unidades de geração, a reserva secundária de freqüência e as resrições da rede elérica em regime permanene. Em geral, o problema maemáico é o seguine: Onde: P G T I minimizar p i, * G = 1 i= 1 Preço de ofera do recurso i em $/MWh, período de oimização Variável de decisão do nível de geração período de oimização Sujeio a: resrições caracerísicas écnicas de unidades de geração Limies de geração. min max g G g empos mínimos em operação e fora de operação u 1 si = 0 si 1,0 1 x on i off 1 x i em _ ouro _ caso onde: g, capacidade mínima de geração da unidade i, período de oimização min i g, capacidade máxima de geração da unidade período de oimização max i x i, variável de esado da unidade período (empo em que a unidade em esado em operação ou fora) 7

8 u i, on i off i variável de decisão binária que indica o esado da unidade para o período empo mínimo que a unidade em quer permanecer em operação da unidade i empo mínimo que a unidade em que permanecer fora de operação da unidade i Rampas de subidas e descidas Resrições de reserva secundária de freqüência onde: up r down r I i= 1 I i= 1 G G g min + g r max down r up u u = 1 = 1 valor de reserva secundária para acima,requerida no período valor de reserva secundária para baixo, requerida no período Resrições de limies de áreas eléricas onde: I a, exp I a, imp I a, da, i a Ia G i a, + I a, d a, i a exp imp I a, I a, I a, variável de esado de inercâmbio em MWh da área elérica a no período valor da capacidade máxima de exporação em MWh da área elérica a no período valor da capacidade máxima de imporação em MWh da área elérica a no período valor da demanda em MWh da área elérica a no período índice das unidades de geração i que esão denro da área elérica a Resrições de balanço demanda-geração: I sisema G i, = d i i= 1 onde: sisema d i valor da demanda oal do sisema em MWh do período Resrições da rede elérica (modelo DC) É uilizado um fluxo de poência DC para modelar a rede elérica, aravés das seguines premissas: Todas as ensões nodais são 1,0 p.u. A resisência é baixa em comparação à reaância da linha de ransmissão. A diferença angular aravés de uma linha de ransmissão é pequena. Não se calcula a poência reaiva do sisema O fluxo de poência aiva aravés de uma linha de ransmissão é calculado como: 8

9 P kl = ( θ θ ) k x kl l onde: P kl θ k x kl Fluxo de poência aiva na linha de ransmissão enre os nós k,l Ângulo da ensão no nó k Valor da reaância da linha de ransmissão 4. Resulados obidos com o DRP DRP começou a operar oficialmene em 1º de março de A parir de enão, ornou-se a ferramena oficial do CND para o cálculo de despacho coordenado, redespacho e cálculo dos preços PONE do Sisema Elérico da Colômbia (SE). Apesar da grande quanidade de despachos, do grau da complexidade que esses implicam e do curo espaço de empo que se dispõe para o cálculo e publicação, o DRP em permiido maner indicies de oporunidade próximo de 100% na enrega do despacho programado final. O DRP, que em resumo é unidade de compromisso com resrições de fluxo de poência DC, garane soluções superiores aos padrões de qualidade imposos pela resolução colombiana para o algorimo de oimização do despacho e redespacho. Adicionalmene, obém o programa óimo de geração do SE considerando odas as regras do Mercado Elérico Colombiano. Enre ouros, o DRP fornece os seguines resulados: programa de despacho para cada plana do sisema em MW, preços marginais nodais, preço marginal do sisema, inercâmbios enre áreas em MW, fluxo em MW nas linhas de ransmissão, unidades de geração despachadas para aender a segurança do sisema, alocação do AGC, demanda não aendida, preços PONE para as TIE. A inerface gráfica do usuário do DRP é de úlima geração, desenvolvida em ambiene Windows. As consulas e relaórios são gerados de forma gráfica e abular para faciliar a análise dos resulados pelos analisas de despacho e redespacho. Inerface gráfica Rede Elécrica Inerface abular de dados Figura 7. Inerface gráfica DRP O módulo de formulação maemáica do DRP permie gerar marizes em formao LP ou MPS a parir da informação armazenada na base de dados. A enrada da formulação do problema de oimização é realizada aravés de uma inerface amigável, inroduzindo expressões maemáicas que se relacionam com as variáveis e dados armazenados na base de dados. Aproveiando a flexibilidade do Módulo de Formulação Maemáica, XM em desenvolvido um proóipo de despachos hidroérmicos modificando a esruura do DRP para inroduzir o conceio de eapas de oimização e blocos de demanda. O proóipo modela as resrições de balanço hídrico 9

10 e resrições operaivas das usinas hidráulicas do sisema, permiindo resolver problemas hidroérmicos deerminísicos para j eapas e k blocos de demanda 5. Conclusões Esse arigo apresenou o modelo de despacho e redespacho do mercado elérico colombiano, baseado em programação ineira misa e desenvolvido pela Companhia XM para ober o programa óimo de geração dos recursos de geração nacional, calcular os preços de exporação das TIEs e realizar o despacho coordenado com ouros países que fazem pare do esquema de ransações inernacionais com a Colômbia. Diane das exigências condicionanes, o DRP é uma ferramena que em ornado facível a implanação de novas regras ao despacho econômico, ajusando-se à dinâmica de mercado elérico colombiano e aos aspecos relacionados com as TIEs. As inerfaces gráficas do usuário para a enrada e consula de informações êm se desenvolvido seguindo as especificações e necessidades do processo de despacho e redespacho. Tais desenvolvimenos êm conribuído a diminuir o número de erros humanos na adminisração e inerpreação de informações durane o cálculo do despacho econômico e das TIEs. Finalmene, o méodo de solução do problema de oimização resolve o problema de despacho inegrando odas as resrições e regras do mercado elérico colombiano, obendo soluções óimas que superam os padrões de qualidade imposos pela regulação colombiana com alos índices de oporunidade na enrega do programa de geração dos recursos de geração. BIBLIOGRAFIA [1] J. C. Morales, S.E Cossio Modelo de despacho económico, III Reunion Inernacional de Generación & Transmision y Operadores y Adminisradores de Mercados Riesgo & Producividad, Medellín, sepiembre de [2] P.H. Corredor, A.M Fonseca, "Columbian elecriciy marke", Power Engineering Review, IEEE, volume: 19 9, page(s): 4-12, Sepember [2] A. J. Svoboda, Chung-Li Tseng, Chao-an L Raymond B. Johnson, Shor-Term Resource Scheduling wih Ramp Consrains, IEEE Transacions on Power Sysems., vol 12 No. 1, February [3] Ma, H.; Shahidehpour, S.M., Uni commimen wih ransmission securiy and volage consrains, IEEE Transacions on Power Sysems, vol 14 No. 2, May [4] A. J. Wood, B. F. Wollenberg, Power Generaion, Operaion, and Conrol. 2nd Ediion. January [5] A. J. Monicell Fluxo de Carga em Redes de Energia Elécrica. Sao Paolo: Edgar Blucher, [6] CREG Comisión de Regulación de Energía y Gas ( Resoluciones