A otimização de binível é uma ferramenta extremamente poderosa para modelar problemas realistas em várias áreas. Por outro lado, sabe-se que a otimização de dois níveis frequentemente leva a problemas complexos ou intratáveis. Nesta tese, apresentamos três trabalhos que expandem o estado da arte da otimização de dois níveis e sua interseção com sistemas de potência. Primeiro, apresentamos BilevelJuMP, um novo pacote de código aberto para otimização de dois níveis na linguagem Julia. O pacote é uma extensão da linguagem de modelagem de programação matemática JuMP, é muito geral, completo e apresenta funcionalidades únicas, como a modelagem de programas cônicos no nível inferior. O software permite aos usuários modelar diversos problemas de dois níveis e resolvê-los com técnicas avançadas. Como consequência, torna a otimização de dois níveis amplamente acessível a um público muito mais amplo. Nos dois trabalhos seguintes, desenvolvemos métodos especializados para lidar com modelos complexos e programas de dois níveis de grande escala decorrentes de aplicações de sistemas de potência. Em segundo lugar, usamos a programação de dois níveis como base para desenvolver o Aprendizado Dirigido pela Aplicação, uma nova estrutura de ciclo fechado na qual os processos de previsão e tomada de decisão são mesclados e co-otimizados. Descrevemos o modelo matematicamente como um programa de dois níveis, provamos resultados de convergência e descrevemos métodos de solução heurísticos e exatos para lidar com sistemas de grande escala. O método é aplicado para previsão de demanda e alocação de reservas na operação de sistemas de potência. Estudos de caso mostram resultados muito promissores com soluções de boa qualidade em sistemas realistas com milhares de barras. Em terceiro lugar, propomos um simulador para modelar mercados de energia hidrotérmica de longo prazo baseados em ofertas. Um problema de otimização estocástica multi-estágio é formulado para acomodar a dinâmica inerente aos sistemas hidrelétricos. No entanto, os subproblemas de cada etapa são programas de dois níveis para modelar agentes estratégicos. O simulador é escalável em termos de dados do sistema, agentes, cenários e estágios considerados. Concluímos o terceiro trabalho com simulações em grande porte com dados realistas do sistema elétrico brasileiro com 3 agentes formadores de preço, 1000 cenários e 60 estágios mensais. Esses três trabalhos mostram que, embora a otimização de dois níveis seja uma classe extremamente desafiadora de problemas NP-difíceis, é possível desenvolver algoritmos eficazes que levam a soluções de boa qualidade.