Generating EUPHEMIA-compatible bids for flexible demand under imperfect information

Resumo Técnico: Geração de Lances Compatíveis com o EUPHEMIA para Demanda Flexível sob Informação Imperfeita

Definição do Problema
A aquisição de eletricidade representa um grande custo operacional para grandes consumidores industriais, expondo-os a riscos financeiros significativos decorrentes de picos de preços extremos. Embora muitos consumidores possuam capacidades de deslocamento de carga para mitigar esses custos, expressar essa flexibilidade multiperíodo no mercado europeu de eletricidade para o dia seguinte é um desafio. Os consumidores devem submeter lances compatíveis com o Algoritmo de Integração de Mercado de Eletricidade Híbrido Pan-Europeu (EUPHEMIA), que liquida o mercado visando o máximo bem-estar social.

A literatura atual frequentemente falha em preencher a lacuna entre as restrições operacionais e os requisitos de mercado. Muitos métodos propostos ou ignoram as restrições operacionais do sistema (como limites de rampa e dinâmicas de armazenamento) ou geram séries temporais de demanda únicas, em vez dos lances preço-quantidade exigidos. Consequentemente, essas abordagens não conseguem expressar totalmente a flexibilidade do consumidor ou garantir a viabilidade operacional sob incerteza de preço. Embora alguns trabalhos existentes abordem lances compatíveis com o EUPHEMIA (por exemplo, lances de grupos exclusivos), sua aplicabilidade a sistemas industriais reais com restrições heterogêneas e formatos de lances alternativos permanece incerta.

Metodologia
Os autores propõem uma estrutura de otimização estocástica para gerar lances operacionalmente viáveis e compatíveis com o EUPHEMIA sob incerteza de preço. A estrutura consiste em quatro etapas sequenciais:

1. Previsão de Preços: Um modelo de decomposição estilo Prophet gera previsões de preços base, incorporando regressores exógenos como carga do sistema e geração renovável. Para capturar caudas pesadas e picos de preços extremos, os resíduos da previsão são modelados usando uma distribuição Lévy-stable em vez de uma distribuição Gaussiana.
2. Geração de Cenários: As previsões pontuais são convertidas em trajetórias de preços plausíveis. O ruído aleatório é extraído da distribuição Lévy-stable ajustada, e as correlações temporais (intra-dia e inter-dia) são impostas via fatorização de Cholesky. Os cenários são escalonados pelo horizonte de previsão e reduzidos a um subconjunto representativo usando agrupamento K-means para garantir a tratabilidade computacional.
3. Otimização Estocástica: O problema central é formulado como um Programa Linear Inteiro Misto (MILP) estocástico de dois estágios.
   • Primeiro Estágio: Decide as ofertas de mercado (lances) antes que os preços sejam revelados.
   • Segundo Estágio: Determina o despacho operacional e a viabilidade do sistema após a realização de um cenário de preço.
   • Objetivo: O modelo minimiza uma função objetivo avessa ao risco, combinando custos esperados com uma penalidade de Valor em Risco Condicional (CVaR) para controlar o risco de queda.
4. Horizonte Móvel (Rolling Horizon): A estratégia é avaliada por meio de uma simulação de horizonte móvel. Um horizonte de planejamento de múltiplos dias é resolvido para considerar restrições de antecipação (ex: dinâmicas de armazenamento), mas apenas as primeiras 24 horas são implementadas. Uma etapa de redespacho garante a viabilidade caso o perfil liquidado desvie do cronograma preferido do otimizador.

O estudo compara duas estratégias de lances distintas:

• Lances Horários (HBs - Hourly Bids): Representam a flexibilidade via curvas de demanda em degraços em cada hora (pares preço-quantidade). Isso permite alta granularidade e responsividade ao preço marginal, mas acarreta riscos de descontinuidades intertemporais se ocorrer liquidação parcial.
• Lances de Grupos Exclusivos (EBs - Exclusive-Group Bids): Representam a flexibilidade via um conjunto de perfis de consumo mutuamente exclusivos e coerentes, submetidos a um único custo de oportunidade. Isso garante a viabilidade operacional ao selecionar um cronograma de dia completo, mas reduz a capacidade de arbitragem de horas isoladas de preços altos.

Estudos de Caso
A metodologia é avaliada em dois casos industriais sob dois cenários de clima impulsionados pelo clima (um ano típico e um ano de "dunkelflaute" severo com preços voláteis):

1. Sistema de Eletrólise: Um sistema hipotético, altamente flexível, com alta capacidade de rampa e fraco acoplamento intertemporal, capaz de significativo deslocamento de carga.
2. Planta de Aço: Uma instalação industrial do mundo real (Tata Steel, Holanda) com processos fortemente acoplados, limites de rampa rigorosos e fortes dependências intertemporais.

Principais Resultados
O desempenho econômico das estratégias de lances é altamente dependente das características operacionais da carga e da volatilidade do mercado:

• Estrutura de Lances: Para o eletrolisador altamente flexível, os HBs utilizam menos degraus de preço-quantidade, atuando como decisões baseadas em limiares. Em contrapartida, a planta de aço requer HBs com mais degraos para mitigar riscos de viabilidade intertemporal. Para os EBs, o eletrolisador submete perfis diversos permitindo que o mercado selecione períodos de baixo preço, enquanto a planta de aço submete cronogramas agrupados devido às restrições mais rígidas.
• Desempenho de Custos:
  • Eletrolisador: Sob clima normal, os HBs geram custos menores. No entanto, sob clima severo e volátil, os EBs superam os HBs, alcançando resultados mais próximos do benchmark de conhecimento perfeito. A capacidade de selecionar um cronograma coerente que corresponda às trajetórias de preços realizados mostra-se superior para cargas altamente flexíveis em mercados voláteis.
  • Planta de Aço: Os HBs superam consistentemente os EBs em todos os cenários climáticos. As fortes restrições intertemporais da planta e a flexibilidade limitada tornam a responsividade granular hora a hora dos HBs mais eficaz do que a natureza agrupada dos EBs.

Significância e Contribuições
A principal contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de um método para traduzir a flexibilidade operacional multiperíodo em lances compatíveis com o EUPHEMIA sob incerteza de preço. O artigo demonstra que:

1. Não existe um formato de lance universalmente superior; a estratégia ideal depende da flexibilidade operacional específica do consumidor e das condições de mercado.
2. Sistemas altamente flexíveis (ex: eletrolisadores) beneficiam-se da capacidade de seleção de cronograma dos Lances de Grupos Exclusivos em mercados voláteis.
3. Sistemas com fortes restrições intertemporais (ex: plantas de aço) beneficiam-se da granularidade dos Lances Horários para gerenciar riscos de viabilidade.

Os autores concluem que tais algoritmos são necessários para abordar questões estruturais no desenho atual do mercado, permitindo que consumidores com diferentes níveis de flexibilidade participem efetivamente no mercado europeu de dia seguinte, apesar da informação incompleta.