Comunicação em Smart Grid
Sistema para Monitoramento e Controle de HAN´s (Home Área Network) em Smart Grids considerando a existência de termoacumulação de energia através de Sistemas de Aquecimento Solar
Resumo
A regulamentação da Tarifa Branca no Brasil em 2012 prevê um modelo de tarifação diferenciada, baseada nos horários de consumo de energia elétrica (Aneel, 2012). Com esse modelo de tarifação o consumidor tem a possibilidade de reduzir o custo da energia elétrica consumida. Para tornar possível essa redução, o consumidor deve adotar estratégias que desloquem o consumo de eletricidade para fora do horário de ponta. Esse trabalho apresenta como proposta um sistema de monitoramento e controle de dispositivos eletroeletrônicos numa rede residencial, considerando o armazenamento de energia em forma de água aquecida. O sistema deve medir tanto o consumo como a geração de energia elétrica através de fontes como a solar, por exemplo. Todos os dados relativos a essas medições serão armazenados num banco de dados permitindo gerar de relatórios com gráficos que mostram o perfil de consumo. Através da análise desses relatórios é possível adotar estratégias que tornem mais eficiente o uso de energia elétrica.
Introdução
A partir da década de 70 houve um aumento do número de usinas geradoras, provocado pelo aumento do consumo de energia pela sociedade, que depende cada vez mais da eletricidade para a indústria, comunicação, iluminação, entretenimento e condicionamento de ambientes. Segundo a Empresa de Pesquisa Elétrica – EPE (2015), o consumo residencial de energia elétrica nos próximos anos crescerá à razão de 4,3 % ao ano, seguindo um perfil de crescimento já verificado nas últimas décadas. A necessidade de novas usinas geradoras resultou em investimentos significativos no setor, que precisava ampliar toda a estrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Esse crescente consumo de energia evidenciou problemas do setor que não suportava a alta demanda, provocando diversas ocorrências de falhas no sistema, também conhecidas como “blecautes”, especialmente em horários de pico, além de oscilações de tensão e cortes momentâneos trazendo prejuízos para diversas regiões. Com as preocupações ambientais também em crescimento, existe um anseio pelo uso de fontes de energia renovável na matriz energética e uma melhor gestão de picos de consumo (GARCIA, 2012).
Como o sistema elétrico é dimensionado para atender o consumo nos horários de maior demanda, o deslocamento do consumo para períodos de menor demanda é uma das estratégias para minimizar a oscilação da curva de carga e reduzir investimentos para ampliação da estrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica.
A Agência Nacional de Energia Elétrica – Aneel regulamentou um modelo de tarifação que varia de acordo com o horário de consumo, chamado “Tarifa Branca” (Aneel, 2012). Essa tarifa propõe cobrar um custo menor pela energia consumida nos horários de menor demanda, tornando conveniente reduzir o consumo principalmente em períodos de maior demanda da rede.
A geração distribuída de energia faz com que fontes adicionais possam ser inseridas na matriz energética, com destaque para a geração solar fotovoltaica. Essa forma de energia tem um alto custo de armazenamento, portanto deve ser despachada instantaneamente para a rede. Sistemas de Aquecimento Solar por outro lado, possuem baixo custo de armazenamento na forma de água aquecida.
Com a geração distribuída de energia e a inserção de fontes de geração como a solar e a eólica, tornou-se mais complexo o controle do funcionamento dos sistemas de energia. Assim surgiu a necessidade de comunicação entre esses agentes do sistema, fornecendo informações para seu gerenciamento e controle. O conceito de Smart Grids ou Redes Elétricas Inteligentes aborda essa necessidade do setor elétrico, trazendo a ideia do uso intensivo de tecnologia de informação e comunicação entre os diversos componentes da rede.
Smart Grids trazem como elemento comum à maioria das definições a aplicação de equipamentos eletrônicos que processam sinais coletados e se comunicam tornando o gerenciamento de informações e o fluxo de dados uma característica central dessas redes. Smart Grid é um termo usado não apenas para uma tecnologia específica, mas sim para um conjunto de tecnologias desenvolvidas para tornar o sistema elétrico mais eficiente (GARCIA, 2012). A implantação dos Smart Grids vai além da simples instalação de medidores inteligentes. O conceito de Smart Grids abrange também a instalação de equipamentos inteligentes que possam gerenciar melhor o seu consumo de energia. O desafio da sua implantação constitui oportunidades para inovações locais, principalmente em áreas como software, telecomunicações, segurança e automação das redes, automação residencial, iluminação eficiente, armazenamento de energia, microgeração, etc. Diversas tecnologias já estão sendo desenvolvidas, porém a maior parte visa atender as necessidades das concessionárias abordando principalmente medição avançada. Essas tecnologias são indispensáveis para a implantação dos Smart Grids, mas não contemplam a participação efetiva do consumidor no novo cenário. Vale lembrar que o consumidor é um agente importante e ator fundamental do setor elétrico, sendo assim, sua participação é indispensável para a mudança do perfil de consumo de energia. Com essa visão, as tecnologias devem ser desenvolvidas para atender também esse mercado, o dos consumidores.
Nesse contexto, é objetivo geral desse trabalho desenvolver um sistema que proporcione a implantação de estratégias de controle para otimizar o uso da energia elétrica, diminuindo o custo da energia para o usuário e reduzindo a demanda por energia em períodos de pico, utilizando para isso a possibilidade de armazenamento de energia na forma de calor. Para isso será desenvolvido um sistema de monitoramento e controle de dispositivos eletroeletrônicos numa rede. Esse sistema deve medir tanto o consumo como a geração de energia elétrica e permitir o controle do Sistema de Aquecimento Solar através de comunicação com a mini rede representada pela casa. Todos os dados relativos a essas medições serão armazenados num banco de dados permitindo gerar relatórios com gráficos que mostram o perfil de consumo.
Arquitetura do sistema
O ponto principal da arquitetura desse sistema é o software que monitora e controla o sistema. O ScadaBR permite receber dados de diferentes protocolos e possui integrado um banco de dados onde armazena os dados coletados. Outra ferramenta integrada ao ScadaBR é o servidor web, que oferece uma interface com o cliente, onde é possível visualizar o estado do sistema, enviar comandos e gerar relatórios de determinados períodos.
A imagem abaixo mostra alguns protocolos do ScadaBR.
Foi definida uma arquitetura para início dos testes, que permitiria realizar os primeiros testes de comunicação entre o software ScadaBR e um arduino. O ScadaBR instalado em um computador pessoal trocando dados com um arduino através da USB usando o protocolo Modbus. O arduino seria como um gateway, fazendo a ponte entra as mensagens do ScadaBR estruturadas em Modbus e as mensagens dos módulos com o protocolo Zigbee.
Diagrama usando USB:
Após os primeiros testes de software e hardware, verificou-se que o supervisório ScadaBR possuía ferramentas que agregavam facilidades na criação da rede do sistema. Assim foram definidas mais duas arquiteturas para teste. Ambas com o ScadaBR num cenário distribuído, com o sistema operando numa raspiberry pi e numa máquina virtual na nuvem.
Diagramas com raspiberry pi:
Requisitos para operação do sistema
Fluxo de Dados no Sistema:
Fluxo de dados entre ScadaBR e SAS.
Dados enviados do SAS para o ScadaBR:
-Temperatura da água no reservatório
- Temperatura altura 1 (TIR);
- Temperatura altura 2 (TSR);
-Temperatura da água na placa
- Temperatura da água na entrada da placa (TEP);
- Temperatura da água na saída da placa (TSP;
-Temperatura ambiente
- Temperatura ambiente (TA);
- Temperatura água fria (TAF);
-Parâmetros elétricos
- Tensão (V);
- Corrente bomba (AB);
- Corrente resistência (AR);
Dados enviados do ScadaBR para o SAS:
- Comando para acionamento da bomba (Cmd_B). Circulação forçada.
- Comando para acionamento da resistência (Cmd_R). Aquecimento da água utilizando energia elétrica.
Através dos dados de tensão e corrente coletados no SAS o ScadaBR pode calcular a potência tanto na bomba quanto na resistência, assim como detectar se ambas estão ligadas ou desligadas. Com essas dados o ScadaBR pode mostrar as seguintes informações:
- Status da bomba (SB). Ligada ou desligada.
- Status da resistência (SR). Ligada ou desligada.
- Potência da bomba (PB).
- Potência da resistência (PR).
REGULAMENTAÇÃO
ANEEL- RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 502, DE 7 DE AGOSTO DE 2012 [9](Dados de saída do medidor)
Regulamenta sistemas de medição de energia elétrica de unidades consumidoras do Grupo B.
...
CAPÍTULO II SISTEMAS DE MEDIÇÃO
Art. 2º O sistema de medição das unidades consumidoras enquadradas na modalidade tarifária branca deve apurar, observando a regulamentação técnica metrológica específica, o consumo de energia elétrica ativa em pelo menos 4 (quatro) postos tarifários, devendo ser programáveis o início e o fim de cada posto.
§ 1º Em complemento aos requisitos metrológicos referentes à apresentação de informações ao consumidor, devem estar disponíveis por meio de mostrador existente no próprio medidor ou em dispositivo localizado internamente à unidade consumidora:
I – o valor de energia elétrica ativa consumida acumulada por posto tarifário; e
II – a identificação do posto tarifário corrente.
§ 2º A critério da distribuidora, as informações referenciadas no § 1º podem ser adicionalmente disponibilizadas por meios alternativos com vistas a facilitar o acesso às informações pelo consumidor.
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Art. 3º Os titulares das unidades consumidoras abrangidas por esta Resolução, independentemente da adesão ao faturamento na modalidade tarifária branca, observando a regulamentação técnica metrológica específica, podem solicitar à distribuidora a disponibilização de um sistema de medição capaz de fornecer cumulativamente as seguintes informações:
I – valores de tensão e de corrente de cada fase;
II – valor de energia elétrica ativa consumida acumulada por posto tarifário;
III – identificação do posto tarifário corrente, se aplicável;
IV – data e horário de início e fim das interrupções de curta e de longa duração ocorridas nos últimos 3 (três) meses; e
V – últimos 12 (doze) valores calculados dos indicadores Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária – DRP e Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica – DRC.
§ 1º Em complemento aos requisitos metrológicos referentes à apresentação de informações ao consumidor, as informações referenciadas nos incisos I a III devem estar disponíveis por meio de mostrador existente no próprio medidor ou em dispositivo localizado internamente à unidade consumidora.
§ 2º As informações referenciadas nos incisos I a V devem estar disponíveis por meio de saída específica para aquisição de dados existente no próprio medidor.
§ 3º As informações referenciadas nos incisos IV e V, a critério da distribuidora, podem ser contabilizadas pelo próprio medidor ou por dispositivo externo, e devem estar disponíveis por meio de mostrador existente no medidor ou de forma remota.
§ 4º A critério da distribuidora, as informações fornecidas pelo medidor podem ser adicionalmente disponibilizadas por meios alternativos com vistas a facilitar o acesso às informações pelo consumidor.
...
CAPÍTULO III SISTEMA DE COMUNICAÇÃO REMOTA
Art. 7º Na hipótese de o sistema de medição ser provido de sistema de comunicação remota, a distribuidora deve adotar procedimentos e tecnologias que assegurem a segurança dos dados trafegados e, especialmente, das informações de caráter pessoal coletadas das unidades consumidoras.
Parágrafo único. É vedado à distribuidora disponibilizar dados coletados das unidades consumidoras a terceiros sem a autorização do titular.
ANEEL - RESOLUÇÃO NORMATIVA No 517, DE 11 DE DEZEMBRO DE 2012.[10](Tarifação da energia medida)
ANEEL - RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 687, DE 24 DE NOVEMBRO DE 2015.[11]
REFERÊNCIAS
[3]- Solar Intensity Forecasting using Artificial Neural Networks and Support Vector Machines L. Marquesa , T. Pintoa , T. M. Sousaa , I. Praçaa , Z. Valea, S. L. Abreu. http://recipp.ipp.pt/bitstream/10400.22/5888/1/COM_LMarques_2014_GECAD.pdf
[4]- Matriz energética brasileira. http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/OperacaoCapacidadeBrasil.cfm http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm
[5]- A Survey on Smart Grid Potential Applications and Communication Requirements http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6298960
[6]- Vehicle-to-grid power implementation: From stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy Willett Kempton, Jasna Tomic http://www.udel.edu/V2G/KempTom-V2G-Implementation05.PDF
[7]- Implementing the National Broadband Plan by Studying the Communications Requirements of Electric Utilities to Inform Federal Smart Grid Policy http://energy.gov/sites/prod/files/gcprod/documents/Verizon_Comments_CommsReqs.pdf
[8]- DEPARTMENT OF ENERGY - COMMUNICATIONS REQUIREMENTS OF SMART GRID TECHNOLOGIES http://energy.gov/sites/prod/files/gcprod/documents/Smart_Grid_Communications_Requirements_Report_10-05-2010.pdf
[9]- RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 502, DE 7 DE AGOSTO DE 2012 - ANNEL http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2010/043/resultado/ren2012502.pdf
[10] - ANEEL - RESOLUÇÃO NORMATIVA No 517, DE 11 DE DEZEMBRO DE 2012.[10] http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2012517.pdf
[11] - ANEEL - RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 687, DE 24 DE NOVEMBRO DE 2015. http://www.portalsolar.com.br/media/files/RESOLUCAO%20NORMATIVA%20REN%20687_2015.pdf