Modelo binível para operação estratégica de operadores da distribuição em mercados de energia transativa

Abstract

This dissertation investigates the exercise of market power by Distribution System Operators (DSOs) in Transactive Energy Markets, proposing a bilevel model capable of explicitly representing the strategic behavior of these agents in the wholesale electricity market. The increasing penetration of distributed energy resources and the expansion of operational autonomy at the distribution level create conditions under which these agents cease to act as price-takers and begin to exert direct influence over prices and traded quantities. The adopted methodology is based on the formulation of a bilevel optimization problem, in which the upper level models the strategic behavior of the distribution system operator, while the lower level represents the wholesale market clearing mechanism operated by the transmission system. This structure makes it possible to capture the distribution agent’s ability to anticipate market reactions and to adjust its supply and demand decisions in order to manipulate equilibrium outcomes, characterizing price-maker behavior and the exercise of market power. The case studies developed evaluate different operational scenarios of Active Distribution Areas. The analysis of numerical results shows that the distribution system operator is able to induce significant variations in equilibrium prices, wholesale market power procurement, total demand, and the utilization of internal generation. These effects reveal deviations from the competitive outcome, indicating the strategic exploitation of local flexibility with the objective of reducing costs or obtaining economic advantages. The obtained results demonstrate that the proposed model provides a consistent representation of the market power exercised by distribution-level agents in transactive energy markets, constituting a relevant tool for economic and regulatory analyses, as well as for the development of mechanisms aimed at mitigating strategic behavior in modern power systems.

Esta dissertação investiga o exercício de poder de mercado por Operadores de Sistemas de Distribuição (OSDs) em Mercados de Energia Transativa, propondo um modelo binível capaz de representar de forma explícita a atuação estratégica desses agentes sobre o mercado atacadista de energia elétrica. A crescente penetração de recursos energéticos distribuídos e a ampliação da flexibilidade operacional da distribuição criam condições para que esses agentes deixem de atuar como price-takers e passem a exercer influência direta sobre preços e quantidades negociadas. A metodologia adotada baseia-se na formulação de um problema de otimização binível, no qual o nível superior modela o comportamento estratégico do operador da distribuição, enquanto o nível inferior representa o mecanismo de compensação do mercado atacadista operado pelo sistema de transmissão. Essa estrutura permite capturar a capacidade do agente da distribuição de antecipar as reações do mercado e ajustar suas decisões de oferta e demanda de forma a manipular os resultados de equilíbrio, caracterizando um comportamento price-maker e o exercício de poder de mercado. Os estudos de caso desenvolvidos avaliam diferentes cenários de atuação das Áreas de Distribuição Ativas (ADAs). A análise dos resultados numéricos evidencia que o operador da distribuição é capaz de induzir variações significativas nos preços de equilíbrio, na potência adquirida no mercado atacadista, na demanda total e na utilização da geração interna. Esses efeitos demonstram desvios em relação ao resultado competitivo, indicando a exploração estratégica da flexibilidade local com o objetivo de reduzir custos ou obter vantagens econômicas. Os resultados obtidos demonstram que o modelo proposto fornece uma representação consistente do poder de mercado exercido pelo agente da distribuição em mercados de energia transativa, configurando uma ferramenta relevante para análises econômicas e regulatórias, bem como para o desenvolvimento de mecanismos de mitigação de comportamentos estratégicos em sistemas elétricos modernos.