XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1 1) Engenheiro (a) do Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS, Rua da Quitanda, 196 – 10º andar – Rio de Janeiro / RJ – 20091-005. E-mails: [email protected]; [email protected]e [email protected]USO DE VAZÕES INCREMENTAIS NO MODELO SEMANAL DE PREVISÃO DE VAZÕES ESTOCÁSTICAS PELO OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO Simone Borim da Silva 1 ; Angela de Oliveira Ghirardi 1 & Rogerio Guimaraes Saturnino Braga 1 Resumo – O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) tem como uma de suas responsabilidades a previsão de vazões incrementais semanais para todos os locais de aproveitamentos do Sistema Interligado Nacional (SIN) a serem utilizadas no Programa Mensal de Operação (PMO). Estas previsões, em sua grande maioria, são calculadas a partir das diferenças entre previsões de vazões totais em locais de aproveitamentos hidroelétricos, obtidas através do sistema de previsão de vazões semanais – PREVIVAZ. Por se tratar de modelos univariados, esta forma de obtenção das vazões incrementais entre dois aproveitamentos pode acarretar em algumas inconsistências. Este artigo apresenta o estudo de previsão de vazões incrementais em substituição às previsões de vazões totais para algumas bacias do SIN e os ganhos obtidos com este procedimento. Abstract – One of the main responsabilities of the Brazilian Interconnected Power System Operator (ONS) is the weekly incremental streamflow forecasting to all benefit sites of the Brazilian Interconnected Power System (BIPS) to be used in the Monthly Operation Program (PMO). These forecasts are mostly calculated from the differences between estimates of total flows in hydroelectric development areas, obtained by the weekly streamflow time series forecasts model - PREVIVAZ. Being an univariate model, this way of obtaining the incremental flows between two sites can result in some inconsistencies. This article presents the study of incremental streamflow forecasting in place of total inflows forecasting for some basins of the BIPS and the gains obtained from this procedure. Palavras-Chave – previsão de vazões, vazões incrementais
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1
1) Engenheiro (a) do Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS, Rua da Quitanda, 196 – 10º andar – Rio de Janeiro / RJ – 20091-005.
USO DE VAZÕES INCREMENTAIS NO MODELO SEMANAL DE PREVISÃO DE VAZÕES ESTOCÁSTICAS PELO OPERADOR NACIONAL
DO SISTEMA ELÉTRICO
Simone Borim da Silva1; Angela de Oliveira Ghirardi
1 & Rogerio Guimaraes Saturnino Braga
1
Resumo – O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) tem como uma de suas responsabilidades a previsão de vazões incrementais semanais para todos os locais de aproveitamentos do Sistema Interligado Nacional (SIN) a serem utilizadas no Programa Mensal de Operação (PMO). Estas previsões, em sua grande maioria, são calculadas a partir das diferenças entre previsões de vazões totais em locais de aproveitamentos hidroelétricos, obtidas através do sistema de previsão de vazões semanais – PREVIVAZ. Por se tratar de modelos univariados, esta forma de obtenção das vazões incrementais entre dois aproveitamentos pode acarretar em algumas inconsistências. Este artigo apresenta o estudo de previsão de vazões incrementais em substituição às previsões de vazões totais para algumas bacias do SIN e os ganhos obtidos com este procedimento.
Abstract – One of the main responsabilities of the Brazilian Interconnected Power System Operator (ONS) is the weekly incremental streamflow forecasting to all benefit sites of the Brazilian Interconnected Power System (BIPS) to be used in the Monthly Operation Program (PMO). These forecasts are mostly calculated from the differences between estimates of total flows in hydroelectric development areas, obtained by the weekly streamflow time series forecasts model - PREVIVAZ. Being an univariate model, this way of obtaining the incremental flows between two sites can result in some inconsistencies. This article presents the study of incremental streamflow forecasting in place of total inflows forecasting for some basins of the BIPS and the gains obtained from this procedure.
Palavras-Chave – previsão de vazões, vazões incrementais
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2
INTRODUÇÃO
Considerando a predominância significativa da hidroeletricidade no parque gerador de energia
elétrica do Brasil, a qualidade da previsão de vazões dos aproveitamentos hidroelétricos apresenta-
se como fator fundamental no planejamento e programação da operação do Sistema Interligado
Nacional - SIN, pois, a partir destas informações, tomam-se decisões de operação visando otimizar
os usos dos recursos disponíveis.
O Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS tem como uma de suas responsabilidades a
previsão de vazões naturais para todos os locais de aproveitamentos do SIN, que são utilizadas para
determinação das metas de geração de cada usina, de forma a atender a carga e minimizar o valor
esperado do custo de operação do sistema ao longo do período de planejamento no Programa
Mensal de Operação – PMO.
O processo atual de previsão de vazões consiste na obtenção de vazões naturais médias diárias
e semanais para todos os locais de aproveitamentos do SIN para o primeiro mês do horizonte do
planejamento da operação e a geração de cenários de afluências mensais para o segundo mês.
O modelo GEVAZP [CEPEL (2010)], utilizado pelo ONS para geração dos cenários de
afluências considera o histórico de vazões naturais incrementais mensais para estimação dos
parâmetros do modelo estocástico e utiliza como tendência hidrológica as vazões naturais
incrementais mensais dos meses anteriores ao mês do planejamento. As vazões naturais
incrementais do primeiro mês do planejamento são obtidas a partir das vazões diárias (verificadas e
previstas) e semanais previstas deste mesmo mês.
A figura 1 apresenta um esquema ilustrativo do processo de previsão de vazões e geração de
cenários de afluências.
Figura 1 - Esquema ilustrativo do processo de previsão e geração de cenários de vazões
...
Vazões Observadas
Vazões Previstas
SAB SEX
1ª Semana Vazões
Estimadas
2ª Semana Vazões
Previstas
SAB SEX
1º MÊS 2º MÊS
Última Semana Vazões
Previstas
SAB SEX
Vazões Geradas
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3
O SISTEMA PREVIVAZ
O processo atual de previsão de vazões semanais, para a grande maioria das bacias, utiliza
modelos estocásticos, que se baseiam na série histórica de vazões e nas últimas afluências naturais
verificadas. São obtidas previsões de vazões totais em locais de aproveitamentos hidroelétricos
através do sistema PREVIVAZ [CEPEL (2009)], sendo as vazões relativas às bacias incrementais,
que alimentam os modelos de programação e planejamento da operação, calculadas a partir de
diferenças matemáticas entre os valores obtidos nessas previsões, sem consideração de defasagem
temporal devido ao translado da água entre os aproveitamentos.
O sistema PREVIVAZ desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL é
formado por uma extensa gama de modelagens estocásticas que contemplam os modelos
autoregressivos e de médias móveis, com estrutura estacionária ou periódica, ou seja, os modelos
AR(p) e PAR(p), com “p” até ordem 4, PARMA(p,1) e ARMA (p,1), com “p” até ordem 3. As
transformações podem ser logarítmica, Box & Cox ou sem transformação [Guilhon (2003)]. Os
métodos de estimação de parâmetros se baseiam no método da máxima verossimilhança, utilizando-
se o método dos momentos, o método de regressão simples e o de regressão em relação à origem
das previsões.
O PREVIVAZ divide a série histórica de vazões observadas em duas metades, estimando,
para cada semana, os parâmetros de todos os modelos para a primeira metade e verificando o valor
da raiz do erro médio quadrático (RMSE) entre as vazões previstas e observadas para a segunda
metade, conforme a equação (1) a seguir:
T
tverifX
T
ttprev
X 2),1,(∑
=
−
(1)
Onde: Xprev,t – Vazão prevista no instante t.
Xverif,t – Vazão verificada no instante t.
T – número total de semanas da metade do histórico considerada.
Em seguida, o PREVIVAZ estima os parâmetros de todos os modelos para cada semana da
segunda metade da série histórica e verifica a raiz do erro médio quadrático entre as vazões
previstas e observadas para a primeira metade. Calcula-se então a média da raiz dos erros médios
quadráticos das duas metades para todos os modelos e ordena-se de modo a escolher, dentre as
opções de modelo, aquele que apresente o menor valor médio da raiz do erro médio quadrático.
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4
Após a escolha do modelo, o PREVIVAZ estima novamente os parâmetros, considerando
agora todas as semanas da série histórica completa e passa a utilizar esse modelo com novos
parâmetros estimados para a previsão de vazões de cada semana específica.
O PREVIVAZ permite a adoção de limites no processo de previsão de vazões para evitar a
obtenção de valores que se distanciem muito do histórico recente. Para tal o sistema utiliza a curva
de permanência das variações de vazões e os valores que ultrapassarem para mais ou para menos os
limites percentuais definidos pelo usuário são eliminados [Souza et al. (2009)]. Estas variações
podem ser obtidas considerando um agrupamento semanal, mensal, trimestral ou semestral de
vazões e também pode-optar por segregar o histórico em até quatro faixas de vazão.
Os modelos estocásticos integrantes do sistema PREVIVAZ são univariados, não preservando
a dependência espacial existente entre as usinas. Logo, pode ocorrer de, num mesmo intervalo de
tempo, a previsão apontar para um aumento das vazões de um determinado aproveitamento, e um
decréscimo das vazões do aproveitamento situado a jusante, o que poderia resultar em uma vazão
incremental negativa. De forma análoga, pode ocorrer uma vazão incremental “muito positiva”
quando houver um decréscimo na previsão de vazões de um determinado aproveitamento, e um
acréscimo na previsão de vazões do aproveitamento situado a jusante. Um esquema ilustrativo
destes tipos de problemas é apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Esquema ilustrativo de inconsistência na previsão de vazões incrementais a partir das
vazões totais
A partir da identificação destes problemas, revelou-se como promissor o uso direto de uma
série de vazões incrementais para previsão de vazões semanais utilizando o modelo PREVIVAZ,
0
5.000
10.000
15.000
20.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Pode resultar
em vazões
inconsistentes
Rosana Taquaruçu
Jupiá
Porto Primavera
Itaipu
Rio ParanapanemaRio
Par
aná
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5
sendo o objetivo deste estudo a avaliação dos insumos necessários para esta implementação e a
avaliação dos possíveis ganhos no desempenho da previsão de vazões.
SÉRIES DE VAZÕES NATURAIS INCREMENTAIS
Os cursos d'água apresentam, em condições naturais, um regime fluvial com variações típicas,
associadas às características da bacia hidrográfica contribuinte e ao regime de chuva nesta mesma
bacia, com períodos de maior ou menor disponibilidade hídrica. As ações antrópicas (implantação e
operação de reservatórios, transposições de vazões e captações para usos consuntivos) que ocorrem
em uma determinada bacia hidrográfica afetam o regime fluvial de seus cursos d'água.
O setor elétrico tem adotado o termo vazão natural para identificar a vazão que ocorreria em
uma seção do rio se não houvesse as ações antrópicas na sua bacia contribuinte, e o termo vazão
afluente para caracterizar a vazão que chega a um aproveitamento hidroelétrico ou estrutura
hidráulica, que é influenciada pelas obras de regularização e demais ações antrópicas porventura
existentes na bacia hidrográfica.
A vazão afluente a um aproveitamento é normalmente calculada pelo balanço hídrico do seu
reservatório, que corresponde ao balanço das entradas e saídas de água no seu interior, consideradas
as variações efetivas de acumulação. A vazão natural em uma seção de um rio cuja bacia
contribuinte está sujeita ao efeito das ações antrópicas é obtida por meio de um processo de
reconstituição, que considera a vazão observada no local e as informações relativas às ações
antrópicas na bacia.
A realização da consistência e da reconstituição das vazões naturais é de fundamental
importância para a atividade de planejamento dos usos dos recursos hídricos, em particular, no caso
do setor elétrico, para o planejamento da operação e expansão da geração hidroelétrica, com a
finalidade de resgatar as características naturais de magnitude e variabilidade das vazões, afetadas
pelas ações antrópicas nas bacias, e de assegurar a qualidade do insumo básico utilizado nessa
atividade.
As séries de vazões naturais disponíveis no ONS foram obtidas nos projetos de “Revisão das
séries de vazões naturais nas principais bacias do SIN” [Braga et al. (2005)] e complementadas com
os resultados da reconstituição anual das vazões naturais dos aproveitamentos em operação do SIN
no período 2002-2009.
Para a previsão direta de vazões incrementais é necessária uma série histórica de vazões
incrementais consistentes de acordo com a configuração de aproveitamentos existente na bacia.
Verifica-se, portanto, a complexidade de gerenciar o conjunto de séries históricas de vazões
incrementais diante da entrada constante de novos aproveitamentos hidroelétricos no SIN.
XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6
Visando a futura operacionalização desta metodologia foram selecionados dezessete
aproveitamentos para este estudo, sendo que alguns tiveram as suas vazões incrementais tratadas de
forma agrupada devido ao pequeno porte de suas respectivas vazões. A Tabela 1 indica algumas
inconsistências existentes na série de vazões diárias incrementais.
Tabela 1 - Análise das estatísticas básicas das séries de vazões diárias incrementais
A metodologia utilizada no cálculo da vazão afluente (balanço hídrico) produz, para
reservatórios com áreas inundadas significativas, resultados com grandes oscilações diárias, muitas
vezes bem superiores às reais. Essas oscilações ocorrem devido ao grau de precisão das leituras de
níveis d'água no reservatório (em geral, igual a 1 cm) e, eventualmente, à não representatividade da
própria leitura por problemas diversos (influência de ventos no reservatório, má localização dos
equipamentos de leitura de níveis, não horizontalidade da lâmina d'água no reservatório etc.). Tais
oscilações nas vazões afluentes são transmitidas no cálculo das vazões naturais incrementais,
tornando-se necessária a aplicação de um tratamento para minimizar as grandes variações diárias de
vazões.
Para suavização destas oscilações e eliminação dos valores negativos a série de vazões
disponível no ONS foi tratada com a aplicação de médias móveis. A figura 3 apresenta as séries de
vazões incrementais consolidadas para uso neste estudo e a
Tabela 2 apresenta as estatísticas básicas da série de vazões diárias incrementais consolidadas.
Mínima Média MáximaMARIMBONDO 4 441 2.711 0,00% 04/09/1937 - 31/12/2009
ÁGUA VERMELHA -10 242 1.691 0,01% 01/01/1931 - 31/12/2009CAPIM BRANCO I -73 7 190 4,07% 01/06/1949 - 31/12/2009 *CAPIM BRANCO II -128 16 289 2,84% 01/06/1949 - 31/12/2009 *