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Año18 número3

sept.-dic. 1994

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Revista Energética

Organización Latinoamericana de Energía

Revista Energética •!• 25

Durante el desarrollo del modelo se contó con la partici pación de diversas instituciones tales como: el Banco Interameri

El SUPER/OLADEBID representa adecuadamente los sis temas eléctricos multiáreas con embalses multianuales. Posee capacidad de optimización y de simulación con embalses equiva lentes o plantas hidráulicas individ uales, para permitir la obtención de planes de mínimo costo. Produce también estrategias de expansión, teniendo en cuenta incertidumbres en el crecimiento de la demanda, los costos de combustibles, los períodos de ejecución de los proyectos y el comportamiento de la hidrología. Los módulos de sim ulación suministran indicadores apropiados para los inversionistas privados, y los módulos de impactos analizan los efectos que tienen, en el medio ambiente y en las finanzas de las empresas, los planes de expansión.

miten realizar la planificación de la generación eléctrica y enlaces de transmisión, tanto para las empre sas públicas como privadas. El usuario accede a estos módulos por medio de una interfaz gráfica basada en Windows.

El modelo, denominado SUPER/OLADEBID y desarrolla do para microcomputadores, con siste en ocho módulos que per

Con estos antecedentes, OLADE y el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), suscribieron un convenio de cooperación para realizar un programa de apoyo al sector energético de ALC, que incluye un modelo para mejorar los instrumentos de planificación eléctrica.

La planificación de los sis temas eléctricos requiere de her ramientas analíticas rápidas y efec tivas que permitan presentar la información en forma adecuada a los ni veles decisorios. Algunos países de América Latina y el Caribe (ALC) han sido pioneros en la incorporación de elementos importantes en la planificación de los sistemas eléctricos, tales como el riesgo hidrológico y otras incer tidumbres; sin embargo, estos ade lantos no han estado disponibles para la mayoría de los países. En tal sentido, se hacía necesario que los avances logrados pudieran ser utilizados por todos los países de la Región.

RESUMEN


La energía eléctrica, por el rol que desempeña en el desarrollo económico de una nación, ejerce un peso fundamental en la orientación de sus opciones: como efecto hacia atrás, influye sobre la estructura industrial, justificando la implan tación de constructores de equipos

1. PROCESO DE TOMA DE DECISIONES EN EL SECTOR ELÉCTRICO

MODAMB M ó d u l o Ambiental: Produce el análisis ambiental de Jos planes de expan sión, utilizando cinco objetivos: Impactos en el medio físicobíóti co, población desplazada, costos regionales y beneficios regionales.

MODFIN Módulo Finan- ciero: Realiza el análisis finan ciero de la empresa.

MODTER Módulo Térmi- co: Determina planes de mínimo costo para sistemas predominante mente térmicos, incluidos sistemas térmicos pequeños. Calcula costos marginales de corto plazo y benefi cios marginales de plantas térmi cas. Incluye el programa WASP III

MODDHT Módulo de Despacho Hidrotérmico: Simula la operación óptima de sistemas hidrotérmicos interconectados. Calcula los costos marginales de corto plazo y los beneficios mar ginales de plantas térmicas e inter conexiones. Utiliza Programación Dinámica Estocástica con embalses equivalentes.

La vida útil de las centrales de producción, ya se trate de cen trales térmicas, hidráulicas. o nucleares, se evalúa en decenas de años. Todas son instaladas para durar y servir al sistema por largo tiempo. Se comprende entonces que la decisión de emprender pro gramas de equipamiento, de capital tan intensivo, pueda tomarse única

11 El de la incertidumbre política y económica de la evolución mundial.

111 El de la inadaptación de la ofer ta a las necesidades, puesto que las previsiones a medio plazo son difíciles.

11 El de tomar decisiones que comprometan en gran medida el futuro.

Todo esto genera una serie de riesgos importantes para cualquier tipo de economía:

11 Recursos naturales muy desigualmente distribuidos.

11 Necesidades de financiamiento considerables.

11 Plazos de tiempo muy elevados debido a los estudios y ejecu ción de los proyectos de gen eración.

Las características del sector de la energía son muy peculiares:

electromecánicos; como efecto hacia adelante, poniendo a disposi ción de Jos usuarios industriales un producto capaz de competir con otras fuentes energéticas, como son el carbón, el petróleo, el gas, etc.

Dinámica Programación Estocástica Dual.

hidráulicas individuales basado en

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MODEXP Módulo de Expansión: Produce planes de mínimo costo para sistemas hidrotérmicos interconectados. Incluye un despacho con plantas

MODPIN Módulo de Pla- nificación Bajo Incertidumbre: Encuentra las estrategias de inver sión de menor riesgo, bajo incer tidumbres en variables tales como la demanda, costos de combustibles, períodos de ejecución de los proyec tos e hidrología.

MODHID M ó d u l o Hidrológico: Reconstruye los cau dales naturales con base en Jos reg istros de operación de Jos embalses. Rellena información histórica de caudales no disponibles. Genera series sintéti cas de caudales y produce infor mación hidrológica para otros módulos.

MODDEM Módulo de Demanda: Con base en datos históricos modela la demanda en un formato apropiado para los otros módulos,. Realiza el análisis económico de los programas de administración de la demanda y conservación de energía.

Las principales característi cas de Jos módulos del SUPER son las siguientes:

cano de Desarrollo, el Banco Mundial, el Argonne National Laboratory, el Organismo Inter nacional de Energía Atómica, la Bonnevílle Power Administration, el Tellus Institute de Boston, el Centro de Pesquisas de Energía Elétrica de Brasil y varias empre sas eléctricas de la Región.



En la conferencia "Un desafío de política para los años

Un aspecto que rara vez se toma en cuanta es el computa cional, referido a la facilidad e usar los modelos (interfaz con el usuario e interactividad entre los programas necesarios para respon der a preguntas relativas a la plani ficación) y a su documentación. Esta última es particularmente inadecuada en muchos casos, lo que dificulta el mantenimiento.

Algunos países carecen de una planificación de operaciones que optimice la operación del sis tema, haciéndola compatible al mismo tiempo con la planificación de la expansión. Es importante insistir en la necesidad de consis tencia entre la planificación y la operación.

Con frecuencia no se tienen en cuanta restricciones financieras al elaborar planes de expansión. Estas pueden provenir no sola mente de dificultades internas de la compañía de electricidad o del país, sino también de la escasez de fondos a nivel internacional para este tipo de proyectos y pueden ocasionar desviaciones del plan óptimo.

relación con proyectos pequeños que son más adaptables. En oca siones, proyectos hidroeléctricos implican riesgos específicos rela cionados con tiempos de construc ción y con características geológi cas. Otro tipo de riesgos tienen que ver con impactos ambientales y con el comportamiento de tec

. nologías nuevas o no lo suficiente mente probadas.

Generalmente no se diferen cian a los programas con respecto a su nivel de riesgo o a su flexibili dad de implantación. Proyectos grandes, por ejemplo, presentan riesgos considerables con respecto al crecimiento de la demanda, en

En particular, la conser vación y el uso racional de la energía son opciones atractivas, puesto que minimizan incertidum bres en crecimiento de la demanda, tienen un tieinpo bajo de imple mentación, disminuye la necesidad de construcción de generación y transmisión y presenta alta disper sión geográfica, lo que minimiza impactos socioeconómicos nega tivos

Comúnmente no se consid eran alternativas del lado de la demanda, las que deberían mode larse y optimizarse junto con las opciones más tradicionales del lado de la oferta.

Las herramientas de planifi cación que se utilizan con frecuen cia son deterrninísticas y utilizan un solo criterio de optimización (minimización de costos). El análi sis de escenarios que se emplea obtiene la expansión óptima para una trayectoria dada de crecimien to de la demanda, pero no estudia lo que ocurre cuando se planifica para un escenario y ocurre otro.

que, por ejemplo, hacen énfasis en la confiabilidadde potencia, tratan do en forma superficial la confia bilidad energética e ignorando la operación de embalses con capaci dad de regulación superior a la del período de optimización del algo ritmo.

A veces se utilízan progra mas de obtención de planes ópti mos no apropiados para sistemas predominantemente hidráulicos con alta capacidad de regulación

Sin embargo, la gran var iedad de alternativas, las diferentes características técnicas y económi cas de los distintos medios de gen eración y la interdependencia entre ellos en un instante dado y en el tiempo, convierten al problema económico en algo especialmente complejo que justifica el empleo de métodos de la programación matemática.

El problema consiste en determinar el programa óptimo de equipamiento de centrales gener adoras y sistemas de transmisión que permitan abastecer la demanda futura y que respeten ciertas restricciones técnicas y económi cas.

Todos los parámetros obser van este carácter aleatorio: primeramente la demanda de energía eléctrica, cuya evolución está relacionada con el ritmo de desarrollo nacional e internacional; el precio de los diferentes com bustibles, el cual se ve afectado a su vez por la selección realizada por el sector eléctrico en el mundo entero; lo aleatorio afecta a sí mismo las tasas de interés. la pro ductividad de los equipamientos hidráulicos, las variaciones climáti cas, la disponibilidad de las cen trales y las regulaciones ambien tales de carácter nacional y global.

mente luego de un profundo y serio análisis referido a un futuro emi nentemente aleatorio.


Figura 2 Interfaz Hombre-Máquina

CAAACTERISTICAS OPERACIONALES Cota normal de operación (m•nm) j 546.00 j

Cota de de•carga (m•nmJ ¡ssssss 1

Cédr:i. 1H.!~'1 trn; c==:J Caudal mínima (m'l•l ~

Pérdida media cendueclonee (m) j 24.DO J

Días de mantenímienlo al año ~

Fecha operacién (mm/aaaa) ~

nomrna e as ur mas. e requiere solamente para plantas con embalse. Rango: L 10000 Cota de descarga(msnm): Cota promedio a la que se produce la descarga de las turbinas. Se requiere solamente para plantas con embalse. Rango: 1..1000 Caída neta(mt.): Es la caída nominal que actúa sobre las turbinas. En las plantas con embalse este valor se

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• · Módulo Hidrológico

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El nivel de simulación provee herramientas para el análi sis de sistemas hidrotérmicos, uti lizando para ello el MODDHT y para el análisis de los costos de operación de sistemas térmicos

tanto que el MODEXP y el MOD TER se utilizan para definir planes óptimos de mínimo costo, el primero en sistemas hidrotérmicos y el segundo en sistemas térmicos grandes.

Figura 1 Módulos del SUPER/OLADE-BID

MODFIN Financiero

MODAM:B Ambiental

MODTER COSMOS

MODDHT Hidrotérmico

Simulación

MODTER WASP 111

MODEXP Expansión

MODPJN Incertidumbre

Optimización

MODDEM Demanda

MODHID Hidrológico

Datos Básicos


Los diferentes niveles de análisis de los módulos se presen tan en la Figura 1. En el primer nivel se preparan los datos básicos tanto de hidrología (MODHID) como de demanda (MODDEM) para los siguientes módülos. El nivel de optimización suministra al planificador la opción de obtener una estrategia o un plan de mínimo costo. El MODPIN es utilizado para planificación estratégica, en

ESTRUCTURA DEL MODELO E INTERFAZ HOMBRE MAQUINA

2.

El programa SUPER/ OLADEBID parte del príncipio básico de que actualmente existe en la Región suficiente conocimiento y experiencia para ensamblar un sistema computacional, que satisfa ga las necesidades de los planifi cadores de los países miembros del BIDyOLADE.

90: Cómo superar la crisis del sec tor eléctrico en los países de América Latina y el Caribe" cele brada en Cocoyoc, México del 4 al 6 de septiembre de 1991, se destacó la importancia de mejorar los instrumentos y metodologías de planificación eléctrica utilizados en la Región, con el fin de optimizar la asignación de los escasos recur sos disponibles para la operación y expansión de los sistemas eléctri cos, considerando los riesgos aso cíados a la incertidumbre en los distintos parámetros ligados al sec tor, las opciones de uso racional de la energía, la sustitución de unos energéticos por otros y las restric ciones financieras de las empresas eléctricas responsables del sumin istro eléctrico.


Revista Enerqétlco •:• 29

Adicionalmente el MOD DEM simula y evalúa los progra mas de conservación de energía y

El objetivo principal de este módulo es elaborar los modelos de curvas de carga a partir de la infor mación histórica y de las proyec ciones de demanda suministradas por el usuario. El MODDEM pro duce esta información para ser es utilizada por los demás módulos del SUPER.

Los modelos de simulación y optimización de despacho han desarrollado técnicas cada vez más cercanas a la realidad operativa de los sistemas eléctricos, por lo que se requieren modelos de demanda que representen sus características de la mejor forma posible. Adicionalmente, la necesidad de hacer un uso racional de la energía ha llevado a la implantación de programas de conservación y administración de la carga (CEAC), con el fin de reducir las inversiones destinadas a la ampliación de la capacidad de gen eración.

3. MODULO DE DEMANDA Y CONSERVACIÓN (MODDEM)

El SUPER tiene capacidad de utilizar idiomas diferentes sin necesidad de alterar los programas ejecutables. Existen una serie de archivos editables en los que se encuentran todos los mensajes y títulos que utilizan los diferentes módulos. Se ofrecen dos versiones del modelo: en español e inglés, siendo posible la elaboración de versiones en otros idiomas.

Idiomas

Los resultados de cada módulo se presentan principal mente en forma de gráficos y tam bién en reportes en formato ASCII. Al igual que otras aplicaciones de Windows, el SUPER soporta las operaciones de cortar y pegar, lo cual significa que el usuario puede exportar fácilmente gráficos o reportes al procesador de texto, hoja electrónica o programa de pre sentación de su preferencia.

Presentación de resultados y enlace con otros programas de Windows

Después de que el usuario ha ingresado o modificado los datos para un módulo, puede ejecu tarlo seleccionando el ítem apropi ado en el menú respectivo. Luego que el usuario ha revisado los resultados y está de acuerdo con ellos, se ejecuta un pequeño pro grama que los hace accesible a otros módulos del SUPER (por ejemplo el módulo de demanda produce las curvas de duración de carga para los módulos de opti mización y simulación)

Comunicación entre los usuarios y los módulos

ción, con ayudas en línea y vali dación de los datos, la cual se rea liza en el momento de ingresar la información y antes de la ejecución de los módulos. Esta última vali dación se realiza para asegurar la consistencia entre los diferentes conjuntos de informaciones. Los módulos leen los datos a partir de archivos creados por la IHM en for mato ASCII.

Todos los datos son almace nados en una base de datos rela- cional que es accedida por el usua rio a través de un conjunto de pan tallas, de fácil utilización, en las que se realizan las operaciones de inclusión y eliminación de informa

Interacción entre el usuario y la base de datos

Los datos están organizados en una estructura jerárquica de Estudios de Planificación y Casos. Cada estudio de planificación tiene varios casos, uno de los cuales es el Caso Maestro. Otros casos pueden ser creados a partir del caso maestro o de otros casos existentes. Los datos para cada caso son salvados en un formato comprimido y medi ante una técnica de almacenamien to óptimo se evita la duplicación de datos entre un caso y otro.

Organización de los datos

Las principales característi cas de la IHM se señalan a contin uación:

La comunicación entre el usuario y los módulos del SUPER se realiza por medio de la Interfaz HombreMáquina (IHM) basada en Windows, según se muestra en la Figura 2. La IHM ha sido progra mada utilizando el Visual Basic de Microsoft.

(grandes y pequeños) mediante la utilización del COSMOS (COStos Marginales de Operación de Sistemas). En el nivel de impactos se determinan los efectos ambien tales, utilizando el MODAMB y se realizan los análisis financieros con elMODFIN.


Para obtener la información de energía de un proyecto específi co, para el Modulo Térmico, se uti 1 iza un modelo desagregado de simulación, que obtiene la opera ción óptima del sistema hidráulico que maximiza la energía anual. Los valores anuales de energía para cada proyecto se desagregan uti lizando factores estacionales, y luego se ajustan mediante una fun ción de distribución de probabili dad empírica. Finalmente, se calcu lan lós promedios de valores de energía y capacidad disponible para cada rango de probabilidad (hidrocondición).

Para estaciones con infor mación incompleta se emplea una formulación que hace uso de los filtros de Kalman y utiliza la estructura de evolución temporal y espacial de las series de tiempo y la teoría de sistemas dinámicos inciertos. El modelo que se obtiene permite rellenar los datos faltantes y extender Ja serie más allá del rango en el cual se tiene informa ción.

Los parámetros del modelo de Matalas son estimados usando la metodología de Crosby- Maddock, la cual hace posible con siderar diferentes longitudes de información histórica para cada estación.

cual es básicamente un modelo autorregresivo de orden l que uti liza las matrices de correlación de orden O y 1 para representar las hidrologías.

La representación del sis tema hidráulico debe preservar las propiedades estadísticas de los cau dales naturales. Para este propósito se utiliza el modelo de Matalas el

e) Energía disponible y mínima, capacidad máxima y energía 'almacenable para cada proyecto hidroeléctrico, período de tiem po e hidrocondición, definido por el módulo Térmico (WASP III).

b) Secuencias hidrológicas para la simulación del despacho en el MODPIN y en el MODEXP.

a) Caudales naturales en cada sitio de los proyectos para un perío do determinado, descontando el efecto de la operación del sis tema, la evaporación y otros usos del agua. Para ello, el módulo permite completar información faltante en Jos reg istros históricos.

El objetivo de este módulo es suministrar, en el formato apropi ado, la información hidrológica para los módulos de optimización y simulación. Et MODHID produce · tos siguientes resultados:

4. MODULO HIDROLÓGICO (MOOHID}

marginales producidos por los módulos de simulación (MOD DHT o MODTER). Los costos de programas CEAC corresponden a las inversiones y gastos de operación y administración de dichos programas. Adicionalmente se tiene en cuenta el agotamiento de los programas CEAC a lo largo del tiempo.

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Las simulaciones de los pro gramas CEAC y los predespachos de plantas no convencionales se efectúan sobre los modelos de.car gas diarias. Los programas CEAC se evalúan económicamente uti lizando como referencia, en el lado de los beneficios, los ahorros de energía y potencia en generación, transmisión y distribución valo rados de acuerdo con los costos

e) Curvas de duración de carga por escalones (hasta un máximo de 5)

b) Curvas de duración de carga continuas, por períodos sem anales o mensuales.

a) Curvas de carga horaria, por días típicos semanales, hasta un máximo de 10 regiones y 10 tipos de consumo

El modelaje de las curvas de demanda se efectúa en tres niveles:

El modelo tiene capacidad para trabajar con hasta 6 subsis temas interconectados, que pueden asociarse bien sea a regiones den tro del país, empresas eléctricas o zonas que tengan regímenes hidrológicos diferentes. Dentro de los subsistemas existen las regiones y dentro de las regiones los sectores de consumo.

administración de la carga, y efec túa el predespacho de las fuentes de energía no convencionales (pequeñas centrales hidráulicas, solares, eólicas, cogeneración, etc.) e intercambios programados de energía entre empresas generado ras o. consumidoras con regímenes especiales.



Subproblema oper. Secuencia Hidro n

Subproblema oper. Secuencia Hidro 1

Subproblema oper. Secuencia Hidro n

Corte Medio

Subproblema oper. Secuencia Hidro 1

Escenario 2 Corte Medio

Escenario 1

Figura 3 Estrategia de solución del MODPIN

Subproblema de Inversión

~ Escenario 1

.----------l ~ Escenario 2

El subproblema de inversión es un problema multiperíodo de programación mixta (lineal entera), el cual produce estrategias tentativas de inversión para todo el período de planificación en cada iteración. Este problema se resuelve usando el algoritmo de "Brancb and Bound". La función objetivo es minimizar el máximo arrepentimiento, en donde el arrepentimiento para una decisión en un escenario dado es la diferen cia entre el costo real y el costo calculado cuando los valores de las

De acuerdo con este proce so, en el MODPIN el problema de expansión óptima con factores de incertidumbre se descompone en dos subproblemas (inversión y operación) y se resuelve utilizando el algoritmo conocido como "Descomposición de Benders". El proceso de descomposición para un problema con 2 períodos y 2 esce narios se muestra en la Figura 3.

El problema de planifi cación de expansión puede dividirse en dos subproblemas: inversión y operación y puede entenderse como un proceso de decisión en dos etapas: en la primera, se toman decisiones de expansión; estas decisiones son analizadas en una segunda etapa (donde la operación del sistema se simula, incluida la decisión de expansión) para retroalimentar la primera etapa. Con base en los cos tos de operación se reformula la estrategia de expansión, la cual es analizada de nuevo en una segunda etapa y así sucesivamente.

Este modelo tiene también dos ventajas atractivas: modulari- dad (Se pueden utilizar los algorit mos más apropiados para inversión y operación) y flexibilidad (difer entes escenarios se pueden repre sentar para modelar incertidum bres).

e) La solución matemática del problema de optimización uti liza técnicas de descomposi ción. Las variables de decisión pueden ser proyectos hidráuli cos con o sin embalse, plantas térmicas y líneas de transmisión entre subsistemas. La operación óptima de los embalses puede ser simulada cuando sea nece

. sario.

d) Adaptación de decisiones de acuerdo con los valores obser vados en ciertas variables, emu lando así la forma de actuar de

.los planificadores.

e) Obtención de estrategias de mínimo riesgo, más que planes "óptimos" de mínimo costo.

b) Representación de restricciones financieras para asegurar, por ejemplo, que un plan de expan sión no exceda la capacidad de pago de una empresa eléctrica.

a) Representación explícita de incertidumbres en variables tales como: demanda, costos de combustibles, períodos de con strucción, costos de inversión e hidrología.

Este módulo permite obten er estrategias de expansión de gen- eración, las cuales toman en cuenta la incertidumbre en la realización de las variables más importantes en el proceso de planificación. Sus características principales son las siguientes:

5. MODULODE PLANIFICACIÓN BAJO INCERTIDUMBRE (MODPIN)


Desde el punto de vista algorítmico, el módulo está basado en las técnicas de descomposición similares a las que utiliza el MOD P~N; sin embargo, en el caso del MODEXP la simulación de la

La segunda operen del despacho representa más detallada mente el sistema, modelando indi vidualmente cada central hidro eléctrica; la solución se obtiene mediante un algoritmo de Programación Dinámica Dual Estocástica PDDE que utiliza dos variables de estado (nivel del embalse e hidrología). Esta técnica evita la "maldición de la dimen sionalidad" inherente a la progra mación dinámica clásica ya que no necesita discretizar las variables de estado de cada embalse. Ambas opciones del despacho permiten representar hasta 6 subsistemas o países.

En el MODEXP el submó dulo de despacho ofrece dos opciones de operación. La primera, resuelve el problema agregando los embalses de cada subsistema y obteniendo la solución óptima para cada una de un grupo de secuen cias hidrológicas utilizando progra mación lineal; finalmente calcula el valor esperado de los costos de operación con base a la probabili dad de ocurrencia de cada secuen cia.

los costos de operación, obtenida de la solución del subproblema de operación. A su vez el subproble ma de inversión determina un nuevo plan óptimo, con base en el monto de los recursos para inver sión y el valor estimado del costo de operación.

La integración entre estos dos subproblemas se hace medi ante un proceso iterativo que sum inistra al subproblema de inversión informaciones sobre las conse cuencias de las decisiones de inversión en el valor esperado de

La estructura de este proble ma se descompone, al igual que en el MODPIN, en dos subproblemas: Inversión y operación. El subprob lema de inversión tiene por objeto la selección de plantas generadoras y enlaces de transmisión con sus fechas de entrada en funcionamien to. El de operación busca mini mizar el valor esperado de los cos tos de operación para cada prop uesta de inversión, teniendo en cuenta la aleatoriedad de los aportes.

El objetivo del MODEXP es determínar un conjunto de obras y su cronograma de entrada en fun cionamiento, tal que minimice Jos costos esperados de inversión y operación, sin violar las restric ciones asociadas: plazos de con strucción, limitaciones técnicas de los equipamientos y límites de inversión.

El problema de la expansión en la capacidad de generación eléc trica presenta una complejidad cada vez mayor debido al aumento en el tamaño de los sistemas, sus posibilidades de interconexión, la aleatoriedad del aporte de la plan tas hidroeléctricas y las presiones que estas inversiones provocan sobre las finanzas de las empresas de energía eléctrica.

6. MODULO DE EXPANSION. (MODEXP)

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En cada iteración entre los subproblemas de inversión y operación, la función que relaciona el valor esperado de los costos de operación y los costos del plan de inversiones es actualizada, hasta lograr una solución óptima.

Los dos subproblemas se integran por medio de la técnica de descomposición generalizada de Benders. Este es un proceso iterati vo que, para cada plan de inver siones, da información de las con secuencias de las decisiones sobre los costos de operación. Esta infor mación (corte de Benders), obteni da por la solución del subproblema de operación, es suministrada con base en vectores de sensibilidad que dan la variación en los costos de operación ante un cambio incre mental en el plan de inversiones.

La estrategia propuesta para cada uno de los dos escenarios considerados en el ejemplo es eval uada por el subproblema de operación. Este es un problema de decisión estocástica, multiperíodo, multiembalse, que consiste en encontrar la operación óptima de un sistema hidrotérmico y el cual se resuelve utilizando un algoritmo de flujo de mínimo costo en redes con ganancia. La aleato riedad de los aportes se modela mediante el uso de un conjunto n de secuencias hidrológicas, cada una con una probabilidad dada de ocurrencia. El costo esperado de operación se obtiene multiplicando el costo correspondiente a cada secuencia por su probabilidad de ocurrencia.

variables de incertidumbre son conocidos por anticipado.



Este módulo consta de diez submódulos, a saber:

Los resultados que produce el MODFIN están orientados prin cipalmente a los niveles de toma de decisión dentro de la empresas, a los organismos de control y a las entidades financieras nacionales e internacionales.

El análisis que realiza el MODFIN está basado en las prácti cas financieras normalmente acep tadas, por lo cual se parte de una serie de relaciones padronizadas. Los reportes que produce el módu lo tienen un significado similar en la mayoría de las empresas eléctri cas, exceptuando ciertas caracterís ticas propias de cada país.

Este módulo tiene como objetivo básico el análisis de la gestión financiera de las empresas, en forma integrada con los planes de expansión del sistema.

9. MODULO FINANCIERO (MODFIN)

Se permiten tanto una simu lación dinámica (demanda y con figuración variables) como una estática (demanda y configuración constantes).

Los intercambios se simulan mediante algoritmos heurísticos, con base en los costos marginales de operación a fin de igualar estos últimos entre los distintos subsis temas. Para el efecto pueden uti lizarse datos históricos de caudales naturales o series sintéticas de energías afluentes producidas por el MODDHT, a opción del usuario.

Con este módulo pueden representarse hasta 6 regiones inter conectadas, cada una de las cuales es representada por una demanda, un embalse equivalente, una central de pasada y un conjunto de plantas térmicas. Las políticas óptimas de operación de los embalses se obtienen en función de su contenido y de la tendencia hidrológica, medi ante la utilización de programación dinámica estocástica. El despacho optimiza la operación del sistema térmico en relación con el uso del agua, tomando en cuenta que la demanda no suplida mediante las plantas hidroeléctricas debe ser atendida con las plantas térmicas.

f) Cálculo de los beneficios mar ginales de proyectos térmicos

e) Cálculo de los beneficios mar ginales de las interconexiones

d) Cálculo de los costos mar ginales de operación

e) Simulación de la operación del sistema

b) Obtención de la política óptima de operación

a) Cálculo de subsistemas equiva lentes

Este módulo simula la operación de mínimo costos de sis temas hidrotérmicos e incluye las siguientes funciones:

6. MODULO DE DESPACHO HIDROTERMICO (MODDHT)

el despacho por medio de con voluciones directas sin utilizar Series de Fourier.

e) Producir planes de expansión de mínimo costo para sistemas térmicos pequeños, empleando el COSMOS. Debido a que la representación de la curva de duración carga mediante Series de Fourier utilizada por WASPIII, es inadecuada para sistemas térmicos pequeños, en los cuales las unidades de gen eración son relativamente grandes comparadas con la demanda, el COSMOS simula

b) Calcular los costos marginales de corto plazo para cada nivel de la Curva de Duración de carga y el beneficio marginal de proyectos térmicos mediante el programa COSMOS.

a) Obtener planes de expansión de mínimo costo para sistemas tér micos grandes empleando el WASPilI.

Este módulo se usa para obtener planes de expansión en sis temas predominantemente térmi cos. Para ello se utilizan el WASP III y el COSMOS (COStos Marginales de Operación de Sistemas). El COSMOS fue desar rollado por OLADE para la simu lación de sistemas térmicos y para el cálculo de costos marginales. Los objetivos de este módulo son los siguientes:

7. MODULO TÉRMICO (MODTER)

operación del 'sistema es más detal lada y considera la posibilidad de tomar decisiones de construcción en cualquier mes del año y modelar los mantenimientos programados de las plantas a nivel mensual.


Con el Global Environment Facility (GEF) se realizaron dos estudios de caso para la determi nación de los costos incrementales asociados con la reducción de las emisiones de C02 'producidas· por

Durante el año 1994 el mod elo se ha utilizado en la realización de diversos estudios para varios países de la región entre los que se cuentan Venezuela, Colombia, El Salvador, Nicaragua y Panamá. En la ejecución de estos trabajos OLADE ha apoyado a los países de acuerdo a las necesidades particu lares de cada uno, bien sea con cur sos intensivos en el uso de la .her ramienta o asesorías puntuales.

Como parte del desarrollo del modelo se realizaron 4 estudios de casos (Interconexión de América Central, Colombia, Brasil y Jamaica), 4 talleres de divul gación y 1 seminario de diagnósti co en los cuales participaron todos los países miembros de OLADE y del BID.

El SUPER ha sido distribuí do a más de 50 usuarios entre Jos que se cuentan 3 organismos inter nacionales, 6 universidades y cen tros de investigación, 28 empresas eléctricas públicas y privadas y 5 ministerios y dependencias minis teriales de América Latina y el Caribe. Se han dictado cursos de entrenamiento a 8 empresas eléctri cas, una empresa consultora cana diense y a 30 especialistas del área de energía del BID.

National Laboratory, la Bonneville Power Administration y el Organismo Internacional de Energía Atómica.

El desarrollo del modelo SUPER se inició en Setiembre de 1991 y Ja primera versión se ter minó en Diciembre de 1993. Participaron 14 consultores, 2 anal istas, una empresa consultora y el Centro de Pesquisas de Energía Elétrica de Brasil. Así mismo se conformó un cuerpo asesor de alto nivel con la participación de el Banco Mundial, el Argonne

11. ESTADO ACTUAL DEL MODELO Y EXPERIENCIAS

A pesar de que la meto dología utilizada para evaluar Jos planes es sencilla, se requiere realizar un. esfuerzo importante en la recolección de datos, en particu lar en la elaboración de una fun ción multiobjetivo de consenso. La metodología ha sido utilizada por ISA después de una serie de pruebas y análisis que han demostrado su validez y robustez.

Cada objetivo se calcula a partir de datos obtenidos de los estudios de factibilidad de los proyectos.

e) Beneficios regionales

d) Costos regionales

e) Población desplazada

b) Impactos en el medio biótico

a) Impactos en el medio físico

El MODAMB utiliza cinco objetivos que son:

tricas añadiendo al SUPER el módulo IMPACTS del Modelo ENPEP.


Este módulo evalúa los impactos ambientales de los proyectos hidroeléctricos y ter moeléctricos y, establece un orden de prioridad de acuerdo con esos impactos. Actualmente el módulo está basado en un modelo tíe análi sis ambiental de la Empresa Interconexión Eléctrica S.A. (ISA) de Colombia. Se planea incluir en un futuro el análisis de los impactos de las plantas termoeléc

10. MODULO DE IMPACTOS AMBIENTALES (MODAMB)

El MODFIN presenta una gran versatilidad ya que puede realizar análisis en moneda corri ente o en moneda constante, en moneda local o en moneda extran jera; pudiendo fácilmente trasladarse a cualquiera de estas opciones. También permite, con pequeñas adaptaciones, analizar empresas consolidadas.

j) Consolidación de empresas

i) Indicadores financieros y de gestión.

h) Flujo de caja

g) Fuentes y usos de fondos

f) Balance de situación

e) Resultados operacionales

d) Procesamiento del servicio de la deuda

e) Evolución de la depreciación

b) Evolución de los activos

a) Detalle de Inversiones·


Revista Energética •:• 35

11 Enlace con el módulo IMPACTS del ENPEP.

11 Guía para la elaboración de estudios

11 Nuevo módulo de simulación con plantas hidráulicas individ ualizadas

11 Ampliación del manual elec trónico de ayuda

11 Adaptación del modelo a los nuevos esquemas organiza cionales del sector eléctrico (par ticipación del sector privado y reestructuración de empresas)

Como parte de las activi dades de mantenimiento y mejoras del SUPER, en próximas versiones se incluirán algunas características adicionales entre las que resaltan:

ampliación de algunas limitaciones de la primera versión.

En Setiembre de 1994 se comenzó a distribuir la versión 1.1 del SUPER. Esta versión incluye mejoras importantes entre las que cabe destacar la inclusión en el MODEXP de una opción de despa cho individualizado de plantas hidroeléctricas, así como la

la generación ;de energía eléctrica: uno en Colombia y otro en Costa Rica, cuyos resultados se presen taron en un seminario realizado en QuitoEcuador en Julio de 1994.


Revista Energética •> 41

This project has been tech nically supported by several insti tutions: the InterAmerican Development Bank, the World Bank, Argonne National Labo ratory, International Atomic Energy Agency, Bonneville Power Administratíon, Tellus Institute of Boston, Electric Power Research Center of Brazil, and several power utilities of the region.

Multiarea power systems with multiple multiannual reser voirs are suitably represented. Optimization and simulation capacities are provided, with equivalent reservoirs or individ ual hydraulic plants, to enable obtaining a leastcost plan. SUPER also produces expansion strategies which take into account uncertainties in variables such as demand growth, fuel costs, con struction schedules, and hydro logical behavior. The simulation modules provide indicators suit able for prívate investors and the impacts modules evaluate the environmental and financia! impacts of the expansion plans.

both prívate and public utilities. The user accesses these modules through a graphical user interface (GUI) based on Windows,

The rnicrocomputerbased model, called SUPER/OLADE BID, consists of eight modules for perforrning power generation and transmission planning for

Bearing this situation in rnind, the Latín American Energy Organization (OLADE) and the In terAmerican Development Bank (IDB) entered into a coop eration agreement to establish a program aimed at supporting the energy sector of the LAC region, including a project to improve electric power generation plan ning tools

Electric power planning requires rapid and efficient analy tical tools that enable information to be adequately presented to decision makers. Sorne countries of the Latin American and Caribbean (LAC) region have been pioneers in the incorporation of important elements, such as hydrological risk and other uncer tainties, into power planning, but these breakthroughs are not avail able for most countries. In view of this, recent achievements need to be integrated into the develop ment of models that can be used by all countries of the region.

INTRODUCTION


All the pararneters are gov- emed by this random character: first, the evolution of electric power demand keeps pace with national and intemational pace of development; second, the price of different fuels is affected in tum by the selection made by the power sector in the whole world; randomness is also a characteris tic of interest tates, the productiv ity of hydraulic installations, cli mate variations, the availability of

· stations, and natíonal and global environmental regulations.

The useful life of produc tion stations, whether therrnal, hydraulic, or nuclear stations, is estimated in terms of decades. AH stations are installed to last and to provide service to the system for a long period of time. It is therefore understood that the decision to undertake such capitalintensive installations prograrns can only be taken after an indepth analysis of a highly uncertain future.

The evolution of the world displays political and econom ic uncertainty.

The difficulty of striking a bal ance between supply and needs, since mediumterrn forecasting is hard to perform.

The decision making involved · jeopardizes the future with Iongterrn commitments

Ali of this generates a series of substantial risks for any type of economy:

The highly unequal distribu tion of natural resources.

High financia! requirements.

Long lead times and imple mentation schedules due to studies and implementation of generation projects.

Energy sector characteris tics are quite specific:

Electric power, because of the role it performs in a country's economic development, exerts considerable impact on the orien tation of its options: as a back effect, it influences the industrial structure, justifying the installa tion of builders of electromechan ical equipment; as a an effect on the future, it rnakes available to industrial users a product that is able to compete with other energy sources such as coal, oil, gas, etc.

1. DECISION-MAKING PROCESS IN THE ELEC- TRIC POWER SECTOR

MODAM Environmental Module: It produces environmental analy ses of expansion plans, using five objectives: impacts on the physi cal and biotic environment, dis placed population, regional costs, and regional benefits.

MODFIN Financia/ Module: lt performs a financia! analysis of the utility.

plan for predominantly thermal systems, including small therrnal . systems. It calculares shortrun marginal costs and marginal bene fits of therrnal plants. This mod ule includes the WASP III pro gram.

42 •:• Revista Energética

MODTER Thermal Module: It determines a Ieastcost expansion

MODDHT H y d ro T h e r m a 1 Dispatch Module: It simulates the optima! operation of the intercon nected hydrothermal systems. It calculates the shortrun marginal costs and marginal benefits of ther mal plants and interconnections. It uses dynamic stochastic program ming with equivalent reservoirs.

MODEXP Expansion Module: It produces the leastcost expansion plans for interconnected hydrothermal systems. It includes a dis patch with individual hydraulic plants based on dual dynamic sto chastic programming.

MODPIN Planning Under Uncer tainty Module: It finds leastrisk investment strategies, under uncer tainty in variables such as demand, fue! costs, constructíon schedules and project costs.

MODHID Hydrology Module: It rebuilds natural inflows on the basis of reservoir operation records. It fills in missing histor ical information on flows and generates synthetic hydro sequences and produces hydro events for other modules.

MODDEM Demand Module: On the basis of historical data, it models demand in a suitable for · mat for the other modules. It con ducts the economic analysis of energyconservation and demand management programs.

The main functions of the modules are as follows:



The SUPER/OLADEBID prográm was based on the premise that at present the Region has enough knowhow and expe rience to assemble a computer system that could meet the needs of the energy planners of the member countries of IDB and OLADE.

At the Conference entitled Policy Challenge for the Nineties: Overcoming the Electric Power Sector Crisis in the Countries of Latin America and the Caribbean held in Cocoyoc, Mexico on September 46, 1991, emphasis was laid on the importance of improving the power planning instruments and methodologies used in the region, in order to optimize the allocation of the few resources available for operating and expanding power systems, in view of the risks associated to the uncertainty prevailing in the dif ferent parameters invol ved in the sector, the rational use of energy options, the substitution of sorne energy products for others, and the financia] constraints of the power utilities in charge of sup plying electricity.

One aspect that is rarely considered is the computer tech nology available to facilitate the use of models (interface with the user and interactiveness between the programs needed to respond to questions about planning) and their documentation. The latter is particularly inadequate in many cases, which makes maintenance difficult.

for consistency between planning and operation.

Sorne countries lack an operational planning that could optimize the system' s operation, making it compatible at the same time with expansion planning. It is important to insist on the need

Oftentimes, financia! con straints are not taken into consid eration when expansion plans are prepared. These may stem not only from intemal difficulties in the power utility or the country, but also from the shortage of international funds for this type of project, which can lead to disrup tions in the optimal plan.

Generally, programs are not diff erentiated in terms of their risk level or flexibility of installa tion. Largescale projects, for example, show considerable risks with respect to demand growth, with respect to small projects that are more adaptable. On occasion, hydropower projects imply spe cific risks related to lead times and with geological characteris tics, Another type of risk is the environmental impacts and per formance of new or insufficiently tested technologies.

In particular, energy con servation and rational use of ener gy are attractive options, since they minimize uncertainties in demand growth, have a short implementation time, reduce the need for generation and transmis sion building, and display a high geographical dispersion, which minimizes negative socioeco nomic impacts.

and optimized along with the more traditional supplyside options.

Usually dernandside alter natives are not considered, although they should be modelled

The planning tools used are frequently deterministic and use one single optimization criterion (cost minimization). The sce nario analysis used obtains the optimal expansion for a given demand growth path but does not study what occurs when one sce nario is planned and another actu ally occurs.

Sometimes, inappropriate optimal plan obtainment pro grams are used for predominantly hydraulic systems with a high regulatory capacity, which for example lay ernphasis on the reli ability of power capacity, superfi cially handling energy reliability and ignoring the operation of reservoirs with a higher regula tion capacity than that of the opti mization period of the algorithm,

Nevertheless, the wide variety of altematives, the differ ent technical and economic char acteristics of the various means of generation, and the interdepen dence between them at a given moment and over time transform the economic problem in some thing especially complex that jus tifies the use of mathematical pro gramming methods,

The problern consists of determining the optimal program for the installations of generation stations and transmission systems that permit · supplying future demand and respecting certain technical and economic con straints.


Figure 2 Man·Machine Interface

El

Nominal opernting elevation(m21Sij: Elevation at which the nominal turbine power is obtained. Required only for plants with reservoir. Range: 1..10000 Dlscharge elevation(masl): Average efevation for turbina water discharge. Required onty for plants with reservoir, Range: 1. _ 1000 Net head(m): Nominal head acting upon the turbines. In plants with reservoír this value is ca!cu1ated from the rnaximum elevation,

Hydro Plants 112 (Files Menu,Data)

f.dit Bookmark MODHlD Help

SUPER-HID22000

MODDHT Hydro·thermal

DPERATIONAL CHARACTERISTICS----, xnonat opernling eíevennn [rnael] C=:J

Dischatge eleY<J:lÍOrt (ro~slJ C=:=J Net head [mi ~

Ui.nirnum lofluw (m1/s} C=:J Average conduction loes [m} c=J

Maintenance dayi per 1aar ~ Operating date [lllJD/~~l ~

11\jiil •

file f.dlt litations

.__""c""od .. e.....,....., ... _,....Nam ..... e -----r-"ll Operational Charocteristics:

1403 1 LI __ sAN_s_RE_GAO_o_-'

Planning :tud¡>: ICE

the data for the master case or from another existing case. The data for each case are saved in compressed format, and optimum storage techniques are used to avoid data duplication from case to case.

The data are organized in a hierarchical structure of planning studies and cases. Each planning study has several cases, one of which is the master case. Other cases can be created either from

Data organization

Figure 1 SUPER/OLAOE·BID Modules

MODAMB Envlronmental

MODTER COSMOS

Simulation._ --.... MODTER WASPlll

---------------------------irñpacts·-------------------------··· MODFIN Finacial

MODEXP Expansion

Basic Data

MODPIN Uncertainty

MODHID MODDEM Hydrological Demand

-------------------------'0-tirñiia"tfciñ _

44 +!• Revista Energética

The main tasks performed by the MMI module are:

Communication between the user and the SUPER modules takes place through the man machine interface module (MMI), based on the prograrn Windows, as indicated in Figure 2. The MMI module has been programmed using Microsoft Visual Basic.

The simulation level pro vides tools for the analysis of hydrothermal systems, using for this purpose the MODDHT and using for the analysis of the operat ing costs of thennal systems (large and smaU) COSMOS (COStos Marginales de Operación de Sistemas). On the impact level, environmental effects can be deter míned using MODAM whereas financia! analyses can be per formed with MODFIN.

The various levels of analy sís provided by the modules are depicted in Figure 1. On the first level, basic data of both the hydrology module (MODHID) and the demand module (MOD DEM) are prepared for the other modules down the hierarchy. The optimization level provides the planner with the choíce of obtain ing either a strategy ora least-cost plan. MODPIN is for strategic planning, whereas MODEXP and MODTER are used for defining leastcost optimal plans, the for mer in hydrothermal systems and the Jatter in large thermal systems.

MODEL STRUCTURE ANO MAN-MACHINE INTERFACE MODULE

2.


Revista Energética •:• 45

ECLM programs and pre dispatching from nonconventional plants are simulated on the basis of dailyload models. The ECLM programs are evaluated in econom ic terms using, as a reference, on the benefit side, energy and capac ity savings in generation, transmis sion and distribution, valued according to marginal costs pro duced 'by the simulation modules (MODDHT or MODTER). These costs refer to investments and to operating and administrative costs for the ECLM programs. The process also tak:es into considera tion the eventual degradation of the ECLM programs over time.

c. Staircaseshaped load duration curves (up to a maximum of 5).

curves, for weekly or monthly periods.

loadduration b. Continuous

a. Hourly load curves, for typical days of the week, up to a max imum of 10 regions and 10 types of consumption.

Demand curve modeling takes place at three levels:

The model has the capacity to work with up to six intercon nected subsystems, which can be associated either to regions with in the country, power utilities, or zones that have different hydro logical regimes. Within the sub systems there are regions and within the regions there are con sumption sectors.

energy . between generating or consuming utilities with special schemes.

MODDEM also simulates and evaluates ECLM programs, and it predispatches nonconven tional sources of energy (small hydropower, cogeneration, solar and wind energy, etc.) and con ducts programmed exchanges of

The main purpose of this module is to prepare loadcurve models based on historical infor mation and demand projections supplied by the user. The MOD DEM then produces this informa tion to be used by the other SUPER modules.

Dispatch simulation and optimization models have devel oped techniques which bring them increasingly closer to actual electric power system operations. Thus, they require models that represent demand as accurately as possible .. In addition, rational use of energy has created the need to develop energyconservation and loadmanagement (ECLM) pro grams to reduce the investments aimed at expanding generating capacity.

3. DEMAND ANO CONSERVA- TION MODULE (MODDEM)

The SUPER has the capac ity to use different languages without any need to alter the exe cutable programs. There is a series of editable files where ali the messages and titles using the different modules can be found. Two versions of the model are available: Spanish and English. Versions in other languages can, however, can be prepared.

Languages

The results of each module are presented mainly in charts and ASCIIfonnat reports. As with other Windows applications, SUPER supports cut/paste' opera tions, which means that the user can easily export graphics or reports to the word processor, spreadsheet or presentation pro gram of bis preference.

Presentation of results and link· . ages with other Windows pro· grams

After the user has inputted or modified the data for a particu lar model, it can be executed by selecting the appropriate menu ítem. Once the user has revised the results and agrees with them, a small program is executed that makes them accessible to the other SUPER modules (for example, the demand module produces the load demand curves for the optimiza tion and simulation modules).

User-models communication

Ali the data are stored in a relational data base that is accessed by the user through a set of easytouse screens, in which data inclusion and deletion opera tions are perf ormed, with online helps and data validation, which are carried out at the moment of inputting the information and before executing the modules. The latter validation is to ensure consistency among the diff erent sets of information. The models then read the data from ASCII format files created by the MMI module.

User-databasé interaction


It should be noted that the expansion planning problem can be divided ínto two subproblems: investment and operation. This problem can be understood as a decisionmaking process in two stages: In the first, expansion deci sions are made (investments are made ). These decisions are ana lyzed in the second stage (where operation of the system is simulat ed, including the decision to expand) and are fed back to the first stage. Thus, based on operating

This model also has two attractive advantages: modularity (algorithms that are more appro priate for investment and operation can be used) andflexibility (differ ent scenarios can be represented in order to model uncertainties).

e. Mathematical solution of the optimization problem using decomposition techniques. Decision variables could be hydropower projects with or without reservoirs, thermal plants, and transmission lines between subsystems. The opti mal operation of reservoirs will be simulated whenever neces sary.

d. Adaptation of decisions according to the values observed in certain variables, thus imitating the performance of planners.

c. Obtainment of leastrisk strategies rather than "opti mal" leastcost plans.

example, that the expansion plan will not exceed the power utility's capacity to pay.

b. Representation of financial constraints to ensure, for

a. Explicit representation of uncertainties in variables such as demand, fuel costs, con struction periods, investment costs, and hydrology.

This module is capable of establishing a power generation expansion strategy which takes into account uncertainties in the performance of the most impor tant variables in the planning process. Its specific characteris tics are as follows:

5. PLANNING UNDER UNCER- TAINTY MODULE (MODPIN)

. To obtain projectspecific energy information for the Thermal Module, a disaggregated simulation model is used. This model obtains optimum hydro system operation so as to maxi mize annual energy. The annual energy values for each project are then disaggregated by seasonality factors, and these values are adjusted by means of an empirical probability distribution function. Finally the average values of energy and available capacity for each probability range (hydro condition) are calculated.

For stations with incom plete information, a Kalman filter and the temporal and spatial evolu tion structure of the time series and . the theory of uncertain dynamic systems are used. The model that is obtained permits fill ing in the missing data and extend ing the series beyond the range where there is no information.

46 +:• Revista Energética

The parameters of the Matalas model are estimated using the Crosby-Maddock methodology, which makes it pos sible to consider different lengths of historical data for each station.

The representation of the hydro system must preserve the statistical properties of natural inflows. For this purpose the Matalas model is used. It is basi cally a selfregressive model of order 1 which uses the correlation matrices of order O and 1 to rep resent the hydrologies.

c. Available and mínimum ener gy, peak capacity, and stored energy for each hydropower project, time period and hydrocondition defined in the Thermal Module (WASP III).

b. Hydrological sequences for the simulation of dispatch in MODPIN and in MODEXP.

a. Original flows to each project site for a given period, dis counting the effects of systern operation and taking into account evaporation and water uses other than generation. This might require completing missing information in the his torical records for that period.

The objective of this mod ule is to supply hydrological inforrnation for the simulation and optimization modules in the appropriate format. Specifically, MODHID produces the follow mg:

MODULE HYDROLOGY (MODHID)

4.


Revista Energética •!+ 47

Structurally, this problem can be broken down, just as in

The aim of MODEXP is to determine a set of projects and the schedule for their commissioning, so as to minimize expected invest ment and operating costs without violating the associated restrictions such as construction deadlines, technical limitations of installa tions, and investment constraints.

The issue of expanding electricitygenerating capacity is increasingly complex due to the increase in system sizes, intercon nection possibilities, the randomness of contribution of hydropow er plants, and the pressures which investments in expansion exert on power utility finances.

6. EXPANSION MODULE (MODEXP)

In every iteration between the investment and operation sub problems, a function that relates the expected value of the operat ing cost to the investment plan cost is updated, until the optima] solution is reached.

The two subproblems are integrated through the widespread Benders decomposition technique. This is an iterative process that, for each investment plan, provides information on the decision's con sequences for operating costs. This information (Bender cut), obtained by solving the operation subproblem, is supplied by the sensitivity vectors that give the operating cost variation for an incremental change in the invest ment plan.

Figure 3 MODPIN solution strategy

Oper. Subproblem Hvdro seauence n

Average cut-off

Oper. Subproblem Hvdro seauence 1 Scenario 2

Oper. Subproblem Hvdro seauence n

Average cut-off

Oper. Subproblem Hvdro seauence 1 Scenario 1

Scenario2

Scenario 1

lnvestment Sub problem

The proposed strategy for each of the two scenarios consid ered in the example is evaluated by the operation subproblem. This is a multiperiod, multireservoir, stochastic decision problem, which consists of finding the opti mum operation for a hydrother mal system. It is resolved using a least-cost network flow with gains algorithm. The randomness of the reservoir inflows is modelled using a group of n hydro sequences, each of which has a given probability of occurring. The expected operating cost is thus obtained by multiply ing the operating cost for each sequence by its probability of occumng.

The regret for a decision in a given scenario is the difference between its real cost and the cost calculated when the values of the uncertainty variables are known in advance.

The investment subproblern is a multipleperiod mixedpro gramming (linearinteger) problem, which produces tentative investment strategies for the whole planning period in each iteration. This problem is solved using a Branch and Bound algo rithm. The objective function is to minimize the maximum regret.

According to this, in MOD PIN, the optimalexpansion prob lem with uncertainty factors is decomposed into two subprob lems (investment and operation) and is resolved using an algorithm known as "Benders decomposition ". The decomposition process for a twoperiod problem with two scenarios is shown in Figure 3.

costs, the planner reformulates the expansion strategy, which is ana lyzed once again in the second stage, and so on.


Up to six interconnected regions can be represented with this module; each region is repre sented by one demand, one equiv alent reservoir, one runofthe river station, and one set of ther mal plants. Optimal reservoir operational policies will be

f. Calculation of marginal bene fits of thermal projects.

e. Calculation of marginal inter connection benefits.

d. Calculation of marginal oper ating costs.

c. Simulation of the system's operation.

b. Establishment of optimal operational policies.

a. Calculation of equivalent sub systems.

This module simulates the leastcost operation of Hydro thermal systems and includes the following functions:

8. HYDRO-THERMAL DIS- PATCH MODULE (MODDHT)

c. To produce leastcost expan sion plans for small thermal systems, using COSMOS. Since representation of the load duration curve with the Fourier Series used by WASP III is inadequate for small thermal systems, which have relatively large generation units compared to demand, COSMOS simulates dispatch through direct convolutions, without using Fourier Series.

b. To calculate the shortrun mar ginal costs for each level of load duration curve and the marginal benefit of thermal projects by means of the COS MOS program.

a. To obtain optimal expansion plans for large thermal sys tems, using WASP III.

This module is used to obtain the expansion of predomi nantly thermal systems. For this, the WASP III and COSMOS (COStos Marginales de Operación de Sistemas) programs are used. COSMOS was devel oped by OLADE for simulating thermal systems and for calculat ing marginal costs. The objectives of this module are as follows:

7. THERMAL MODULE (MODTER)

From an algorithmic stand point, the module is based on the same decomposition techniques used by MODPIN. In the case of MODEXP, however, system oper ation is simulated in greater detail and considers the possibility of making construction decisions any month of the year and model ling plant maintenance schedules on a monthly basis.

ables (reservoir level and hydrolo gy). This technique avoids the "damnation _ of _ dimensionality" that is inherentto classícal dynam ic programming since it <loes not require the state variables of each reservoír to be discrete. Both dis patch options enables the repre

sentation of up to six subsystems or countries.

48 +:• Revista Energética

The second díspatch option represents the system in greater detail, modelling individually each hydropower station. The solution is obtained by means of a dual dynamic stochastic programming algorithm that uses two state vari

In the MODEXP, the dis patch submodule offers two oper ating options. The first is to resolve the problem by addíng the reservoirs of each subsystem and obtaining the optima! solution for each one of a group of hydrologi cal sequences using linear pro gramming. Finally the expected value of the operating costs are calculated on the basis of the probability of occurrence of each sequence.

These two subproblems are integrated through an iterative process that provides information on the consequences of invest ment decisions for the expected value of operating costs, obtained from resolving the operating sub problem. In turn the investment subproblem determines a new optima! plan, based on the amount of resources for invest ment and the estimated value of the operating cost.

MODPIN, into two subproblems: investment and operation. The objective of the investment sub problem is to select generating plants and transmission lines, with their startup dates, whereas the objective of the operation sub problem is to minimize the expected operating costs for each investment proposal, keeping in mind the randomness of the con tributions.



Development of the SUPER Model began in September 1991,

11. CURRENT STATUS OF THE MODEL ANO EXPERIENCES

Although the methodology used to evaluate the plans is sim ple, an important effort is required to compile the data, especially the preparation of a multiobjective consensus function. The method ology has been used by the ISA after ~ series of tests and analyses that have demonstrated their validity and strength.

Each objective is calculat ed on the basis of data obtained from the feasibility studies of the projects.

This module assesses the environmental impacts of the hydropower and thermoelectric projects and establishes an arder of priority in accordance with

10. ENVIRONMENTAL ANALY~ SIS MODULE (MODAM)

MODFIN is very versatile, since it can perform analyses in current or constant currency units and in local or foreign currencies, and can easily switch to any of these options. With slight modifi cations, MODFIN can also ana lyze consolidated cornpanies.

j. Consolidation of companies

indicators

The analysis conducted by MODFIN is based on standard financial practices. Therefore, the point of departure is a series of standardized relations, so that the reports produced by this module have a similar meaning for most power utilities, with the exception of certain characteristics that might be inherent to each countries.

The basic objective of the financia! module is to perform an integrated analysis of the utilities' financia! managernent perfor

. inance, taking into account power systern expansion plans.

FINANCIAL MODULE (MODFIN)

Both a dynamic simulation (variable demand and configura d. Regional costs. tion) and a static simulation (con stant demand and configuration) e. Regional benefits. are permitted. t. Financia! and management

c. Displaced population.

b. Impacts on the biotic environ ment.

a. Impacts on the physical envi ronment.

MODAM has five principal objectives:

these impacts. At present, the module is based on a environ mental analysis model of the Electric Power Interconnection Utility of Colombia (Empresa Interconexión Eléctrica S.A. ISA). In the future, the analysis of impacts of thermoelectric plants will be included, adding the IMPACTS module of the ENPEP Model to the SUPER.

b. Evolution of assets

c. Evolution of depreciation

d. úebt servicing

e. Operating results

f. Balance sheet

g. Funding sources and uses

h. Cash flow

a. List of investments

This module consists of nine submodules:

The MODFIN outputs are mainly aimed at the companies' decisionmaking levels within the utilities, the regulatory organiza tions, and national and interna tional financia! agencies.

The exchanges are simulat ed by means of heuristic algo rithms, on the basis of marginal operating costs, in order to match the latter among the different sub systems. To this effect, they can use historical data of natural flows or synthetic series of inflowing energies produced by the MODDHT, at the option of the user.

obtained in terrns of their contents and hydrological tendency, using dynamic stochastic programming. The dispatch optimizes the opera tion of the thermal system with respect to the use of water, taking into account that the dernand not covered by hydropower plants should be met by thermal plants.


Linkage with the IMPACTS module of ENPEP.

Guide for preparing the stud ies.

New simulation module with individualized hydraulic plants.

Enlargement of the electronic help manual.

Adaptation of the model to the new organizational schemes of the power sector (participation of the prívate sector and restructuring the utilities)

As part of the maintenance and upgrading activities of the SUPER, the future versions will include sorne additional character istics, among which the most important are:

important improvements, among which the inclusión of an individ ualized dispatch option of hydropower plants in the MOD EXP, as well as the enlargement to overcome several limitations of the first version.

In September 1994, version 1.1 of the SUPER began to be dis tributed. This version includes

Two case studies for deter míning the incremental costs of reducing C02 emissions stem ming from electric power genera tion were carried out with the Global Environment Facility (GEF): one in Colombia and the other in Costa Rica. The results of these studies were presented at a seminar held in Quito, Ecuador in July 1994.

During 1994, the Model has been used to conduct various stud ies for severa! countries of the region, among which Venezuela, Colombia, El Salvador, Nicaragua, and Panama. OLADE has sup ported the countries in carrying out these studies in accordance with the particular needs of each one, either through courses involving the intensive use of the model or specific advisory services.

dissemination workshops and 1 assessment seminar in which ali the member countries of OLADE and IDB participated.

50 •:• Revista Energética

As part of the model's development, 4 study cases were conducted (interconnection with Central America, Colombia, Brazil, and Jamaica), as well as 4

The SUPER has been dis tributed to more than 50 users, among which 3 intemational orga nizations, 6 universities and research centers, 28 public and prívate power utilities, and 5 min istries and ministerial agencies of Latin America and the Caribbean. Training courses have been pro vided to 8 power utilities, 1 Canadian consulting firm, and 30 energy area specialists from IDB.

and the first version was terminated in December 1993. It involved the participation of 14 consultants, 2 anal ysts, 1 consulting firm, and the Electric Power Research Center of Brazil (Centro de Pesquisas de Energía Elétrica). Likewise, a highlevel advisory group of experts was established with the World Bank, Argonne National Laboratory, Bonneville Power Administration, and the International Atomic Energy Agency.


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