Otimização automatizada baseada em dados de pequenas cascatas hidrelétricas

A Dalane Kraft AS é uma produtora norueguesa de energia hidrelétrica de médio porte com 100 anos de experiência e um portfólio hidrelétrico de aproximadamente 45 MW de capacidade instalada. Atualmente, a empresa possui e opera nove usinas de energia no condado de Rogaland, na Noruega. Tem várias cascatas na faixa de até 10 MW.

Haukland é uma de suas cascatas, uma pequena usina hidrelétrica (SHP) construída em 1913, com capacidade de 4,9 MW, localizada no sudoeste da Noruega, no centro de Moi, município de Lund. A usina usa água dos rios Hauklandsbekken e Brekkebekken.

Apesar de sua pequena capacidade, era um desafio operar essa planta. O local tem uma topologia complexa (Figura 3) e a Dalane Kraft AS enfrentou restrições técnicas, ambientais e outras.

Os principais desafios

• Vários reservatórios conectados
• Várias portas usadas para controle de fluxo
• Diferentes áreas de captação com diferentes condições de entrada e horizontes de planejamento
• O planejamento preciso de curto prazo para as pequenas bacias, em particular Skårstemmevatn, é altamente desafiador, pois o transbordamento não só causa derramamento, mas também pode levar à inundação de uma ponte localizada nas proximidades
• A flexibilidade dos reservatórios a montante só pode ser usada em um curto prazo e somente por um número limitado de horas quando hidrologicamente possível

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Escopo do projeto

1. Automação em tempo real: coordenar um sistema de vários reservatórios, portas e turbinas em tempo real é fundamental para evitar derramamentos e custos desequilibrados;
2. Despacho orientado pelo preço: para explorar as oportunidades de receita criadas pela volatilidade do mercado e, ao mesmo tempo, garantir que todas as restrições técnicas e ambientais sejam respeitadas.

Como pré-requisito para a capacidade em tempo real, a disponibilidade de dados confiáveis e a comunicação de dados robusta e segura eram fundamentais. Nos últimos anos, para alcançar um sistema de produção totalmente automatizado, a empresa desenvolveu o KraftSCADA, uma solução de controle remoto SCADA (2018). A solução KraftSCADA é combinada com o sistema de otimização, o HYDROGRID Insight oferece uma abordagem inovadora e dinâmica baseada em dados que ajuda a otimizar usinas hidrelétricas de capacidade variável de forma automatizada.

O HYDROGRID Insight modela o complexo sistema em cascata de Haukland como uma cópia digital que compreende os vários reservatórios, portões e turbinas de Haukland, levando em consideração seus diferentes tempos de fluxo, bem como suas restrições técnicas e ambientais. A telemetria real de Haukland é transmitida com uma granularidade horária em um endpoint de API RESTful padronizado e seguro (uma API REST é um meio para dois computadores se comunicarem por HTTP [Hypertext Transfer Protocol], da mesma forma que clientes e servidores se comunicam). O HYDROGRID Insight usa os dados telemétricos para calibrar seu modelo de otimização e entrada e calcular os planos ideais para geração e abertura de portas de hora em hora. O plano de despacho e as instruções do portão são lidos no KraftSCADA da Dalane Kraft — para automatizar totalmente a direção da fábrica. Além disso, o HYDROGRID Insight calcula arquivos de licitação de pedidos limitados para o mercado do dia seguinte, permitindo que a Dalane Kraft explore totalmente as oportunidades oferecidas pela volatilidade do mercado de energia e, assim, maximize as receitas do sistema em cascata de Haukland.

Contexto global da indústria hidrelétrica: uma tendência de digitalização

A intensificação da volatilidade das condições meteorológicas e de mercado levou a uma maior demanda por soluções de otimização automatizadas e em tempo real. Dado o tipo de entrada — como dados de precipitação, demanda de energia ou preço de mercado — as soluções de otimização enfrentam um conjunto complexo de problemas não lineares. Além disso, várias restrições ambientais e operacionais exigem um processo de planejamento complexo, resultando na necessidade de mais recursos, tanto em termos de tempo quanto de pessoal. Consequentemente, a capacidade de reagir em tempo real é um grande desafio para a maioria dos produtores de energia hidrelétrica. No entanto, as soluções existentes para planejamento e otimização exigem altos investimentos e recursos manuais.

Portanto, eles geralmente não são lucrativos para muitos operadores de usinas hidrelétricas de pequena e média escala, o que os exclui da possibilidade de controle otimizado da fábrica. A falta de possibilidades de controle ideal da planta em tempo real faz com que os produtores de PCH não utilizem totalmente a flexibilidade de geração física disponível em seu portfólio. Novas soluções técnicas são necessárias para tornar a energia hidrelétrica de pequena e média escala utilizável como “bateria verde” (usinas de armazenamento), bem como para promover mais investimentos em energia renovável por meio de maior lucratividade.

Atualmente, o setor hidrelétrico internacional está passando por um enorme processo de digitalização, e tecnologias como aprendizado de máquina com sua ampla gama de soluções metodológicas (por exemplo, aprendizado profundo usando redes neurais) podem ser usadas para otimizar as operações hidrelétricas para todos os participantes do mercado. O potencial de processos automatizados e otimizados abrange toda a cadeia de valor, desde a previsão hidrológica até o despacho automatizado, a comercialização de energia e a manutenção preditiva.

Uma estratégia de despacho otimizada que leve a ganhos de eficiência e lucro pode ser alcançada resolvendo o problema não linear implícito da otimização de energia hidrelétrica, usando modelos matemáticos combinados com abordagens de otimização e aprendizado de máquina. A complexidade da otimização depende dos seguintes parâmetros:

1. Número de componentes da topologia da planta (portões/escotilhas, corpos d'água interconectados, turbinas)
2. Características das conexões entre os componentes individuais da planta
3. Tempos de fluxo e atrasos
4. Restrições ambientais
5. Restrições técnicas
6. Características das áreas de captação (tamanho, topologia, etc.)

O número de parâmetros relevantes, combinado com sua faixa possível, resulta em um alto grau de complexidade para soluções de otimização que são difíceis de resolver usando processos manuais pesados ou modelos estatísticos individuais para cada problema subjacente. As novas soluções tecnológicas apoiam a eficiência do processo, economizam tempo e podem ajudar as equipes de operações a se concentrarem em outras tarefas importantes.

Operador/proprietário da planta SHP: Dalane Kraft — Fornecedor de tecnologia: HYDROGRID GmbH

Características técnicas

Principais características técnicas do Usinagem de energia de Haukland

Controle de portão em tempo real

A modelagem da planta é feita de antemão em uma etapa separada e incorpora todos os parâmetros técnicos relevantes da planta real, bem como as restrições ambientais. A modelagem precisa dos portões é particularmente relevante para a complexa cascata de Haukland, pois os portões desempenham um papel importante no equilíbrio do fluxo de água no sistema, evitando derramamentos e custos de desequilíbrio. Para otimizar Haukland, um aspecto importante foi a capacidade do HYDROGRID Insight de modelar aberturas de portas dependentes do nível, resultando em um modelo de mapeamento de portas 3D. Além disso, o mapeamento 3D do portão do HYDROGRID Insight permite a correlação com o nível da água, a taxa de fluxo e a abertura do portão. As porções de Haukland podem ser controladas automaticamente usando o KraftSCADA da Dalane Kraft.

Consequentemente, o KraftSCADA escolhe o plano de despacho ideal e os planos de abertura de portas por meio dos terminais da API do HYDROGRID Insight para controlar todos os componentes da cascata de Haukland de uma maneira totalmente automatizada, mas otimizada.

Metodologia de otimização do algoritmo HYDROGRID Insight - HIRO

As abordagens de última geração para otimização em cascata são baseadas em modelos de programação dinâmica estocástica. Eles estão levando em consideração as variações de todas as variáveis de entrada, fornecendo probabilidades para todos os cenários como resultado. No entanto, isso gera um aumento drástico nos recursos computacionais necessários à medida que a complexidade da topologia de um ativo aumenta. Esse aumento no tempo de cálculo torna quase impossível a reação em tempo real às mudanças no mercado ou na hidrologia.

Para superar esse desafio, o HYDROGRID Insight resolve o problema de otimização em cascata usando uma abordagem de modelagem estocástica mais heurística baseada em algoritmos proprietários. A tecnologia desenvolvida internamente se concentra em reduzir com sucesso o tempo de cálculo. Por exemplo, o tempo de computação de Haukland foi reduzido de 20 minutos para menos de 3 minutos. Além disso, a abordagem de modelagem do HYDROGRID Insight é totalmente baseada em dados. O modelo de planta subjacente é continuamente retreinado com base na telemetria real da planta e em outros dados de entrada externa. Combinado com soluções proprietárias para previsões de entradas e preços usando aprendizado de máquina, o HYDROGRID Insight fornece uma solução de otimização integrada para planejamento de curto, médio e longo prazo. Assim, o HYDROGRID Insight é capaz de identificar automaticamente mudanças na hidrologia ou nas condições do mercado e ajustar automaticamente todo o horizonte de planejamento.

Como resultado, a abordagem baseada em dados do HYDROGRID Insight permite a otimização eficiente e de alta qualidade de várias usinas de energia. Para Haukland, o HYDROGRID Insight ajudou a reduzir o tempo de computação em 65 por cento.

Negociação de energia com HYDROGRID Insight

Além do despacho automatizado e otimizado da cascata de Haukland, o outro objetivo principal da Dalane Kraft era usar a flexibilidade inerente da cascata para maximizar seus resultados financeiros. Uma das muitas vantagens dos sistemas de otimização em tempo real é a capacidade de prever e reagir com precisão às mudanças no mercado de energia e ajustar a geração hidrelétrica de acordo. Assim, o processo de nomeação pode ser reduzido e a mudança da ordem de mercado para limitar os lances de pedidos se torna possível.

Atualmente, Dalane Kraft está negociando a geração de Haukland no Nord Pool AS Day-Ahead-Market. Como seu principal recurso, o HYDROGRID Insight calcula uma posição ideal no mercado spot a qualquer momento. Essa posição é fornecida como uma ordem de mercado ou limite, dependendo das necessidades do cliente. Historicamente, a indicação da produção de Haukland para o mercado spot foi executada com base em uma ordem de mercado — um plano de geração por hora que é vendido imediatamente, independentemente do preço real no mercado. Para explorar melhor a volatilidade do mercado e maximizar as receitas da Haukland, Dalane Kraft decidiu mudar de uma estratégia de pedidos de mercado para uma estratégia de pedidos limitados, que por sua vez é fornecida pela HYDROGRID Insight como uma oferta de pedido limitado. Uma oferta de pedido limite é uma matriz de produção, fornecendo a geração prevista por hora a diferentes preços de exercício. Posteriormente, o plano de geração real é derivado da execução da oferta em relação aos preços reais realizados no mercado do dia seguinte.

Negociação de energia com HYDROGRID Insight

Um dos principais benefícios de Dalane Kraft usar o HYDROGRID Insight foi a redução do esforço manual dentro da equipe de operações da organização, em particular para o pequeno reservatório Skårstemmevatn, que anteriormente induzia uma alta carga de trabalho manual devido à sua inflexibilidade inerente e às restrições operacionais.

Na Figura 6, é mostrada uma situação típica de desenvolvimento e despacho de reservatórios de Skårstemmevatn. Com o HYDROGRID Insight, o risco de transbordamento em 25 de outubro de 2022 foi automaticamente identificado e contornado com a otimização do plano de abertura do portão da fábrica. Esse plano foi, por sua vez, rapidamente adotado pelo KraftSCADA da DalaneKraft, evitando o derramamento de reservatórios e, assim, evitando custos de desequilíbrio. Como resultado, a flexibilidade total do sistema em cascata de Haukland foi explorada.

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Um segundo objetivo principal de Dalane Kraft usando o HYDROGRID Insight era maximizar a receita explorando a flexibilidade inerente da cachoeira de Haukland. Usando o HYDROGRID Insight, o envio com base no preço pode ser realizado.

A Figura 7 mostra um exemplo de envio automático baseado no preço calculado pelo HYDROGRID Insight para a cachoeira de Haukland. Sempre que a situação hidrológica permite, a produção está alinhada com os preços do mercado de energia.

Benefícios

Os principais benefícios do uso da tecnologia HYDROGRID Insight para a operação da planta SHP de Haukland estão descritos abaixo.

Benefícios econômicos
A abordagem baseada em dados do HYDROGRID Insight permite a otimização de alta qualidade, mas eficiente, de vários usos de energia com um baixo esforço numérico e com o mínimo gasto de pessoal. Isso traz uma redução considerável dos custos operacionais.
O HYDROGRID Insight ajuda a empresa operacional a controlar totalmente todos os dados em todos os momentos. Isso permite que a Dalane Kraft reaja com extrema rapidez às mudanças externas e explore as oportunidades oferecidas pela volatilidade do mercado de energia. Graças ao HYDROGRID Insight, Dalane Kraft pode executar a estratégia de limite de pedidos, minimizar os riscos de negociação de energia e maximizar as receitas do sistema em cascata Haukland. Dependendo da situação hidrológica e da evolução dos preços de mercado, o desempenho financeiro varia de 5 por cento a 12 por cento (equivalente a EUR 70.000 a 200.000).

O HYDROGRID Insight é uma solução acessível também para pequenas usinas hidrelétricas abaixo de 5 MW, que não exigem alto investimento e recursos manuais. Ao implementar essa solução de otimização, a Dalane Kraft não coloca sua lucratividade em risco.

Essa abordagem de otimização apóia os pontos fortes do mercado e a competitividade da empresa operacional: a Dalane Kraft pode se posicionar como uma das principais especialistas em operar plantas de PCH não apenas no mercado norueguês, mas também em nível internacional, ampliando seu portfólio com novos clientes.

Benefícios sociais
O HYDROGRID Insight ajuda a reduzir o esforço manual dentro da equipe de operações da organização e libera recursos para outras tarefas importantes.

Benefícios ambientais
O HYDROGRID Insight garante automaticamente que todas as restrições ambientais do projeto sejam seguidas.
Maximize a eficiência otimizando a utilização da água (evitando o derramamento de reservatórios) e aumentando a produção de eletricidade a partir de fontes de energia renováveis.

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Lições aprendidas e conclusão

Cascatas complexas de SHP podem se beneficiar consideravelmente de uma abordagem inovadora de otimização baseada em dados de TI. Tecnologias como o HYDROGRID Insight podem ajudar a obter automação em tempo real e envio com base em preços.

O potencial de processos automatizados e otimizados abrange toda a cadeia de valor. No estudo de caso da HYDROGRID, esses processos incluíram previsão hidrológica, despacho automatizado, comercialização de energia e manutenção preditiva.

Novas soluções técnicas são essenciais para tornar a energia hidrelétrica de pequena e média escala utilizável como “bateria verde”, bem como para promover mais investimentos em energia renovável por meio de maior lucratividade.

Reconhecimento
Os autores gostariam de reconhecer Dalane Kraft por sua visão de futuro e atitude inovadora e por uma colaboração fantástica.