Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Previsão de preços e variáveis hidrológicas no mercado livre de energia brasileiro: uma abordagem baseada em machine learning e métodos Bayesianos
Autor(es): TORRES, Francisca Lanai Ribeiro
Primeiro Orientador: LIMA, José Wanderley Marangon
metadata.dc.contributor.advisor-co1: REBOITA, Michelle Simões
Resumo: A matriz elétrica brasileira é caracterizada pela participação majoritária da fonte hidráulica em sua composição. Os agentes que comercializam energia no mercado livre tomam decisões considerando, entre outros fatores, as condições hidrológicas futuras do Sistema Interligado Nacional (SIN), o impacto dessas condições na expectativa de comportamento futuro do Preço de Liquidação das Diferenças (PLD) (preço spot da energia), bem como o comportamento dos preços efetivamente negociados no mercado, que é sintetizado pela Curva Forward de preços. No curto prazo, os estudos de prospecção de PLD são realizados utilizando as vazões previstas por um modelo do tipo chuva-vazão, que é alimentado com a precipitação gerada por modelos numéricos de previsão de tempo. No médio prazo, a estratégia dos agentes varia. Alguns utilizam cenários baseados em séries históricas de vazão, enquanto outros utilizam os resultados da combinação entre um chuva-vazão com um conjunto de séries históricas de precipitação ou com as previsões de modelos climáticos. Já no caso da Curva Forward de preços, o usual é consultar o estado presente da curva, existindo ainda poucos trabalhos voltados para a elaboração de prospectivos dessa série temporal específica. Diante do exposto e da necessidade de continuar aperfeiçoando o processo de previsão de variáveis importantes para a tomada de decisões comerciais, o objetivo desta tese de doutorado é desenvolver metodologias para previsão de variáveis hidrológicas (vazão e chuva) e do preço formado pelos agentes no mercado livre (Curva Forward de preços), bem como contribuir para o 5 ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ estreitamento da relação entre os setores acadêmico e empresarial através da proposição de soluções, na forma de produtos, para problemas reais do mercado livre de energia brasileiro. O primeiro produto proposto é voltado para o curto prazo e consiste em um novo framework baseado em Bayesian Model Averaging (BMA) para a previsão das vazões afluentes aos aproveitamentos do SIN. BMA é um método estatístico que combina modelos utilizando distribuições de probabilidade a posteriori. Previsões de vazão para 11 dias à frente são produzidas ponderando os membros de um Multi-model Ensemble (MME) de modelos hidrológicos chuva-vazão. Os pesos são dinâmicos, recalculados periodicamente com dados recentes. A seleção de membros com bom desempenho, utilizando o princípio de Occam's Razor, melhora a performance do MME. Testado em 139 aproveitamentos entre 2019 e 2020, o método realizou previsões com performance superior às dos modelos individuais, especialmente nas regiões Sul, Centro-Oeste e Sudeste nos primeiros dias do horizonte de previsão. O segundo produto foca no médio prazo e aprimora as previsões sazonais de precipitação no Brasil. Ele explora o desenvolvimento de modelos híbridos preditivos usando Multivariable Linear Regression (MLR) e Support Vector Machine (SVM), considerando preditores baseados em índices climáticos, análise de precipitação do Climate Prediction Center (CPC) e previsões do Seasonal Forecast System 5 (SEAS5). Validados de janeiro de 2017 a dezembro de 2020, os modelos MLR e SVM geraram previsões com maior acurácia e menor viés que o SEAS5, especialmente no Sudeste, Centro-Oeste e Norte durante o trimestre DJF, com o modelo SVM apresentando melhor desempenho geral. O terceiro produto, por sua vez, explora a aplicação de redes neurais artificias para a previsão da Curva Forward de preços da energia convencional no mercado livre brasileiro. Foram avaliadas redes Recorrente (RNN), Long Short-Term Memory (LSTM) e Gated Recurrent Unit (GRU) uni- e bidirecionais, além da clássica Multi-Layer Perceptron (MLP), considerando variações na arquitetura e nos preditores exógenos considerados, tais como energia natural afluente, carga, armazenamento de energia e PLD. Dentre as redes avaliadas, a GRU apresentou melhor desempenho preditivo, enquanto a LSTM se destacou em termos de retorno financeiro acumulado em um experimento no qual um agente comercializador pratica trading direcional.
Abstract: Agents trading energy in the free market make decisions by considering, among other factors, the future hydrological conditions of the National Interconnected System (SIN), the impact of these conditions on the predictions of the Settlement Price of Differences (PLD) (spot price of energy), and the behavior of prices negotiated in the market, the last summarized by the Forward Price Curve. In the short-term, PLD prospecting studies rely on streamflow rates predicted by a rainfall-runoff model, which uses as input the precipitation data generated by numerical weather forecasting models. In the medium term, agents adopt varying strategies. Some rely on scenarios derived from historical streamflow timeseries, while others integrate a rainfall-runoff model with historical precipitation data or seasonal precipitation forecasts. Regarding the Forward Price Curve, it is typical to consider only its present state, with limited research dedicated to forecast this particular time series. In light of this context and the ongoing need to refine the forecasting of key variables for commercial decision-making, this research aims to develop methodologies to forecast hydrological variables (streamflow and rainfall) and the price established by agents in the Brazilian energy free market (Forward Price Curve). Additionally, this research aims to strengthen the relationship between the academic and business sectors by proposing practical solutions (in the form of products) to real problems of the energy market. The first product focuses on the short-term and introduces a new framework based on Bayesian Model Averaging (BMA) to forecast natural inflows to reservoirs and hydropower plants 7 ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ in the Brazilian hydropower system. BMA is a statistical method that combines models using posterior probability distributions. Streamflow forecasts for 11 days ahead are produced by assigning weights to the members of a Multi-model Ensemble (MME) of rainfall-runoff hydrological models. The weights are dynamic, periodically recalculated with recent data. Selecting high-performing members, using Occam's Razor principle, improves the MME's performance. Tested on 139 reservoirs between 2019 and 2020, the method showed superior forecasts compared to individual models, especially in the South, Midwest, and Southeast regions in the early days of the forecast horizon. Focused on the medium-term case, the second product of this research aims to refine seasonal precipitation forecasts for Brazil by developing predictive hybrid precipitation models using Multivariable Linear Regression (MLR) and Support Vector Machine (SVM). The approach incorporates climate indices related to different teleconnection patterns that affect Brazil precipitation, the Climate Prediction Center (CPC) unified gauge-based global daily precipitation analysis, and precipitation forecasts from Seasonal Forecast System 5 (SEAS5) as predictors. Validated from January 2017 to December 2020, the MLR and SVM models showed greater accuracy and lower bias than SEAS5, especially in the Southeast, Midwest, and North regions during the DJF quarter, with the SVM model demonstrating the best overall performance. The third product introduces a methodology centered around Artificial Neural Networks (ANNs) to forecast the Forward Price Curve of conventional energy in the Brazilian energy free market. This study evaluates Long Short-Term Memory (LSTM), Gated Recurrent Unit (GRU), and Recurrent (RNN) neural networks, both uni- and bidirectional, alongside the traditional Multi-Layer Perceptron (MLP). It also considers structural variations in ANN architectures and the impact of exogenous predictors related to the SIN and the Brazilian energy free market, including natural inflow energy, load, reservoir storage levels, and the energy spot price. Among the neural networks evaluated, the GRU demonstrated superior predictive performance, while the LSTM excelled with regard to accumulated financial return in an experiment where a trading agent performed directional trading informed by neural network predictions.
Palavras-chave: Multi-model ensemble
Bayesian model averaging
Previsão de vazão
Previsão sazonal de precipitação
Padrões de teleconexões
Machine learning
Artificial neural networks
Previsão de preços
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA::SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4124
Data do documento: 24-Jun-2024
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