Mudanças entre as edições de "Comunicação em Smart Grid"

Edição das 14h52min de 16 de maio de 2016

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.

Requisitos para operação do sistema-

Diagrama do Sistema:

Diagrama 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.

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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

[2]- http://www.epe.gov.br/mercado/Documents/DEA%2003-2015-%20Proje%C3%A7%C3%B5es%20da%20Demanda%20de%20Energia%20El%C3%A9trica%202015-2024.pdf

[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

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-Nas últimas décadas, uma demanda crescente por eletricidade levou a um aumento do número de usinas geradoras. Em algumas áreas, o abastecimento de eletricidade, especialmente em horários de pico, pode ser prejudicado com essa demanda crescente, resultando em uma piora na qualidade da energia elétrica fornecida, o que inclui oscilações de tensão, quedas, cortes de energia e até apagões. Cada vez mais a sociedade depende de eletricidade para a indústria, condicionamento de ambientes, comunicação, iluminação e entretenimento.
+==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==
-Pesquisas realizadas pela EPE [2], apontam que este cenário de crescente demanda deve permanecer nos próximos anos, resultando num acréscimo anual de 4,3% na demanda de energia elétrica para o consumo em residências.
+==Resumo==
-Diante deste cenário, o uso de fontes de energia renováveis torna-se uma importante estratégia para minimizar o impacto de grandes obras de geração, transmissão e distribuição de energia. Por conseqüência, o crescente uso dessas fontes traz desafios técnicos e econômicos para o setor de energia elétrica, pois afetam o comportamento de um considerável número de entidades do setor [3].
-Segundo informações da ANEEL, a participação da energia solar na matriz energética brasileira é de apenas 0,0152%, totalizando 22916(KW) gerados por essa fonte [4].
+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.
-==Tecnologias e Protocolos utilizados- ooo==
-HAN (Home Area Network) Comunicação e Gestão de Energia
+==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.
-Conforme [5], uma pesquisa realizada pela Associação de Fabricantes de Eletrodomésticos (AHAM) mostrou que as tecnologias ZigBee, Wi-Fi, HomePlug, Z-wave e M-Bus são as que melhor se enquadram nos requisitos de eletrodomésticos smart.
-A tecnologia ZigBee tem a capacidade de operar em uma topologia de malha e alguns dos dispositivos numa rede ZigBee podem permanecer hibernando quando não estão ativos, resultando em economia de energia. Z-wave é um padrão sem fio livre de interferências que foi projetado especificamente para o controle remoto de aparelhos e amplamente utilizado para Hans. No entanto, na camada de aplicação as informações não foram totalmente padronizadas por qualquer uma dessas tecnologias.
-A gestão de energia no lado do consumidor é formada basicamente por sensores, aparelhos inteligentes e sistemas de controle. Sua tarefa fundamental é a eficiência energética, onde componentes da rede que consomem ou produzem energia elétrica podem ser monitorados e controlados para equilibrar e tornar mais eficiente o fornecimento e consumo de energia.
-Todos os dados referentes ao consumo ou produção de energia elétrica são medidos. Assim como dados da previsão do tempo são coletados da web e enviados para uma central de monitoramento e controle na residência, permitindo uma análise e tomada de decisões sobre seu comportamento de consumo. Essa comunicação entre os componentes do sistema nas instalações do cliente podem ser feitas com dispositivos de baixo consumo de energia, tecnologias de curta distância, tais como ZigBee, Bluetooth e HomePlug. Não existe necessidade de uma grande quantidade de largura de banda ou de velocidade de comunicação, uma vez que tais aplicações não são consideradas como eventos críticos.  ZigBee é a tecnologia predominante utilizada nessas instalações e oferece uma utilização flexível, de baixa potência e recursos de implantação de baixo custo, sendo um bom candidato para a comunicação nesses sistemas [5].
-Comunicação V2G: A comunicação de veículos elétricos com o sistema pode ser realizada com dispositivos de comunicação sem fio de curto alcance, como ZigBee ou Bluetooth,  se estiverem estacionados próximos ao sistema [6]. As especificações para esse link de comunicação são 5-10 kbps e a latência de dados é um máximo de 2 s [5].
 ==Requisitos para operação do sistema- ==