Requisitos Técnicos de Smart grid

O primeiro estágio de um projeto de infraestrutura smart grid é a seleção de tecnologias de comunicação tendo como objetivo atender as aplicações em uma infraestrutura de rede padronizada, interoperável e convergente. A escolha dentre as várias opções deve levar em consideração os aspectos técnicos, regulatórios e financeiros. Mas para que a avaliação técnica possa ser abrangente e precisa é essencial conhecer os requisitos técnicos de cada aplicação smart grid. As características técnicas das tecnologias precisam ser tais que atendam ao maior número possível destes requisitos por aplicação, e ao mesmo tempo viabilizar os investimentos em uma infraestrutura própria por parte da distribuidora, considerando ainda os limites regulatórios definidos pela Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) para a utilização destas tecnologias e ocupação do espectro de frequência, nos casos de rede baseadas em RF.

Para satisfazer os requisitos de desempenho, disponibilidade da ordem de 99,9% ou superior, e segurança da informação, as redes devem ser construídas, operadas e mantidas com investimentos e recursos das próprias concessionárias de distribuição. A motivação deve ser assegurar e manter sob controle a qualidade e os níveis de serviço requeridos principalmente pelas aplicações de missão crítica, sejam operacionais ou comerciais [8].

Embora seja essencial a definição de quais devem ser os principais parâmetros a serem avaliados, bem como quais devem ser os requisitos de desempenho para cada aplicação smart grid, não se encontra na literatura uma posição clara e organizada de quais são estes

requisitos. Por este motivo, este trabalho buscou em diferentes fontes de consulta [8, 9, 11, 34] a partir de dados teóricos e experimentais o conteúdo sumarizado na Tabela 11.

No que diz respeito aos valores definidos para os parâmetros, é interessante definir o conceito de “Melhor Esforço”. Este termo está associado ao tráfego de informações em uma rede IP de acordo com os recursos que estiverem disponíveis em um determinado momento, sem qualquer compromisso com o atendimento a padrões de qualidade. Sendo assim, o fluxo da informação na rede ocorrerá da forma que for possível. Este modo de operação é utilizado para atender aplicações não sensíveis a determinados parâmetros.

Requisitos de Smart grid

Medição Inteligente/DR DA ADA Gestão de Ativos (GA)/ Iluminação Pública (IP) Faixa de Frequência (FAN/NAN) ≤ 2.4 GHz ≤ 2.4 GHz ≤ 2.4 GHz ≤ 2.4 GHz Modo de

Transmissão Bidirecional Bidirecional Bidirecional Bidirecional

Taxa de Transmissão Máxima por Terminal 10 Kbps 10 Kbps 100 Kbps Melhor Esforço Latência Média

Fim-a-Fim ≤ 2 s < 1 s < 160 ms Melhor Esforço

Mobilidade dos Dispositivos Terminais Não Requerido Não Requerido Não Requerido Requerido (GA) Não Requerido (IP) Georeferenciamento Importante Importante Importante Requerido (GA) _{Importante (IP)}

Tabela 11: Requisitos típicos das aplicações de redes inteligentes [8, 9, 11, 34]

Considerando a criticidade das aplicações das redes inteligentes, um aspecto que precisa ser observado cada vez mais na construção da infraestrutura de comunicação é a segurança da informação. De um modo geral, principalmente nos mercados de países emergentes e em desenvolvimento, as questões relativas à estratégia de implementação de políticas de segurança de rede contra ciberataques não são priorizadas nos projetos de redes inteligentes com a devida importância. As ações mais efetivas são tomadas após a infraestrutura de rede

estar instalada e em operação, e ocorrerem as primeiras invasões com os consequentes danos operacionais e financeiros. As implementações tardias e emergenciais de projetos de segurança de rede nestas situações são feitas de forma muito mais complexa e onerosa do que se fossem planejadas e implementadas desde o início do projeto da infraestrutura de rede.

Neste trabalho os requisitos técnicos estudados e comparados entre as possíveis tecnologias consideram os aspectos mais críticos de forma a assegurar o desempenho mínimo aceitável para estas aplicações. Cada aspecto técnico listado na Tabela 11 é apresentado abaixo com as suas respectivas observações mais relevantes, e os seus impactos nas aplicações de redes inteligentes. O objetivo é justificar a inclusão de cada item como um parâmetro a ser avaliado.

 Faixa de frequência (FAN/NAN): As faixas de frequência de operação dos sistemas sem fio que suportam as aplicações de redes inteligentes nas camadas FAN/NAN devem ser preferencialmente “não licenciadas”. São as também chamadas “faixas de frequência livres”, e devem ser de tal forma que atenda o compromisso entre o alcance o mais longo possível, com a menor potência de transmissão, além de menor sensibilidade aos obstáculos entre o transmissor e o receptor. Embora as faixas de frequência não licenciadas sejam muito mais sensíveis à perturbação de outros sistemas, elas oferecem a grande vantagem de não exigirem licenciamento do órgão regulador, como a ANATEL no contexto brasileiro. Além de simplificar e agilizar o projeto por não serem necessários os trâmites burocráticos da aquisição de uma licença de operação, existe o impacto na redução do custo do projeto, pelo fato de não ser necessário à participação em leilões de faixas de frequência no espectro de RF e o pagamento de licenças de operação. A faixa do espectro de frequência, na maioria dos mercados, que atende a estes requisitos está compreendida entre 450 MHz a 2,4 GHz. Com relação aos possíveis distúrbios e interferências causados por outros sistemas nas faixas de frequência não licenciadas, as tecnologias utilizadas em redes inteligentes aplicam contramedidas como codificação de sinal, esquemas especiais de modulação, salto dinâmico em frequência (Frequency Hopping), entre outros.

 Modo de transmissão: Aplicações de redes inteligentes implicam na interação entre os dispositivos terminais e o CO das distribuidoras de energia elétrica para o envio dos dados solicitados, a confirmação da recepção, e a confirmação da execução de um

determinado comando remoto, como é o caso DA/ADA e DR. Esta comunicação bidirecional é um requisito obrigatório em tecnologias de suporte a redes inteligentes.  Taxa de transmissão máxima por terminal: Este parâmetro indica a taxa de

transferência máxima de cada dispositivo terminal. A taxa de transmissão de dados em uma rede de comunicação baseada em tecnologias sem fio pode variar de acordo com vários fatores, dos quais os principais são a faixa de frequência, a potência de transmissão, o nível de obstrução para a propagação de sinal de rádio frequência, a carga de tráfego a ser transmitida através da rede em um intervalo de tempo determinado, e a latência de rede. Embora um aplicativo de rede inteligente típico requeira uma taxa de transferência entre 1 Kbps a 100 Kbps por dispositivo terminal, dependendo da aplicação, valores mais elevados de taxa de transmissão de dados permitem a implementação de projetos mais elaborados, e o tráfego de informações mais detalhadas, entre o dispositivo terminal e o CO, como por exemplo, dados sobre qualidade da energia, oscilografia, etc.

 Média de latência fim-a-fim: O atraso na transmissão de dados em uma infraestrutura de comunicação é um fator crítico dependendo do tipo de aplicação a ser suportada. Aplicações em tempo real, ou aqueles que exigem um tempo de resposta rápido por parte dos dispositivos terminais, devem assumir valores tão baixos quanto possível. No caso de redes inteligentes as aplicações mais sensíveis à latência são DA e ADA em especial. Outro cenário no qual a latência de rede de comunicações é um fator crítico é quando um sistema baseado em polling solicita informações de um grande número de dispositivos terminais. O tempo total de um ciclo de busca e coleta de informações de todos os dispositivos terminais precisa ocorrer dentro de um determinado período de tempo aceitável e previamente definido, a fim de viabilizar o processo. Este é o caso da medição inteligente dos consumidores (AMI) e controle de demanda (DR). Em alguns casos o número de pontos terminais a ser medido e controlado pode chegar a dezenas de milhões.

 Mobilidade de pontos de extremidade: As comunicações móveis são importantes para as Utilities principalmente para a comunicação de voz e dados entre os COs e as equipes de campo. Esses aplicativos são suportados por tecnologias de comunicação, desenvolvidas especificamente para esta funcionalidade, e são diferentes daquelas

projetadas para atender as aplicações que fazem parte do escopo deste trabalho. Mas apesar de aplicações típicas de rede inteligente (AMI, DR e ADA) não exigirem mobilidade na plataforma de comunicação, a automação da gestão de ativos (GA), que é uma aplicação importante para as Utilities, como comentado anteriormente, requer este recurso para permitir a capacidade de monitorar a localização dos ativos mesmo em deslocamento, desde o almoxarifado da distribuidora até o local de instalação na rede elétrica.

 Georreferenciamento: As redes de distribuição de energia elétrica precisam de sistemas georeferenciados, devido à sua extensão e capilaridade. Esse recurso é essencial para a operação e a manutenção das redes elétricas e fornece a visibilidade necessária para os COs das ações dos processos de operação e expedição de ordens de serviço para as equipes de campo. O Sistema de Informação Geográfica (GIS) são sistemas computacionais responsáveis por posicionar as linhas de distribuição e os ativos de rede no mapa da área de concessão. No contexto das redes inteligentes uma plataforma de comunicação na qual seja possível o georreferenciamento de elementos de rede de comunicações e de dispositivos terminais representa uma importante funcionalidade. Este recurso permite que uma planta de medição inteligente funcione como uma rede de sensores, permitindo o mapeamento de falhas massivas ou pontuais. Para aplicações de automação de distribuição uma rede de comunicações georreferenciados é uma ferramenta importante para o funcionamento da rede na visão DA ou ADA. A associação do georefenciamento com a mobilidade na comunicação dos dispositivos terminais potencializa os resultados obtidos em projetos de automação da gestão de ativos. Outra aplicação interessante desse recurso na infraestrutura de comunicações é o serviço de iluminação pública que permite a localização de lâmpadas em seus respectivos postes de forma muito mais simples, rápida e precisa.

Com base na avaliação destas características técnicas principais da tecnologia de comunicação, em comparação com os requisitos das aplicações das redes inteligentes, é possível determinar a adequação de uma determinada tecnologia para atender as demandas. O objetivo deve ser mapear as opções que forneçam suporte ao maior número possível de aplicações e a convergência de serviço a fim de minimizar os investimentos para a construção de uma infraestrutura e custos de operação e manutenção associados.

Dentre os itens técnicos, os mais destacados são a Taxa de Transmissão Máxima por Terminal e a Latência Média da Rede, itens esses que podem restringir o uso do padrão para determinadas aplicações. Uma característica não essencial para este projeto, mas que pode restringir a aplicação para novas demandas é a Mobilidade dos Terminais, que está diretamente ligado a Gestão de Ativos. Importantes parâmetros de projeto, como Topologia, Faixa de Frequência, a existência de priorização de tráfego via mecanismos de Quality of Service (QoS), Segurança, Capacidade Máxima de Agregação por Concentrador, Alcance Urbano e Rural também foram avaliados. Os dois últimos itens citados dizem respeito aos Access Points e estão diretamente relacionados com o custo da rede. Outro fator avaliado é a capacidade de atualização Over The Air, ou seja, a capacidade de atualização de software e firmware dos terminais com o mínimo de intervenção humana, principalmente dispensando o deslocamento de equipes de campo até o local de instalação dos dispositivos terminais com a finalidade de atualizar os softwares embarcados.

Duas características de ordem comerciais e estratégica foram avaliadas, o Grau de Maturidade da Tecnologia e se fato do Padrão ser Aberto ou Proprietário, ou seja, se a especificação do padrão avaliado é encontrada aberta ou se o produto é uma patente pertencente a uma única empresa. Também foram avaliadas as características de Interoperabilidade, descrevendo como os institutos e alianças relacionadas aos padrões analisados fazem para testar e certificar a capacidade de produtos comercializados por diferentes fabricantes operarem juntos na mesma infraestrutura sem a necessidade de adaptações ou interfaces de conversão de protocolos.

Por fim, baseando-se em todas as características, é feita uma avaliação de possibilidade de uso dos padrões para aplicações relacionadas especificamente ao projeto proposto, como por exemplo, atender ao mesmo tempo AMI, DA/ADA, Iluminação Pública, e futuramente a Gestão de Ativos, além de outros que possam surgir na visão de suporte a serviços Multi- Utility, ou seja, uma única infraestrutura de suporte a serviços públicos de energia elétrica, gás, água, etc.

A seguir são sumarizadas cada uma das características técnicas e comercial/estratégicas que devem ser avaliadas na fase de seleção de tecnologias em um projeto de redes de comunicação e que foram avaliados neste trabalho dentre as tecnologias possíveis de serem utilizadas na camada de Acesso de projetos smart grid:

 Aplicação: Aplicações relacionadas ao setor elétrico que podem ser atendidas pelo padrão. Posteriormente, esse item será aprofundado.

 Topologia: Topologia utilizada pelo padrão para a comunicação entre terminais e o Access Point.

 Faixa de Frequência (Brasil): Faixas de frequência disponíveis no Brasil.

 Taxa de Transmissão de Dados Máxima por Terminal: Quantidade de dados que o terminal pode transmitir ou receber em um segundo. Esse valor pode afetar o desempenho de determinadas aplicações.

 Latência Média da Rede: Atraso médio da transmissão. Assim como o item anterior, esse valor pode restringir o funcionamento de determinadas aplicações.

 Capacidade Máxima de Agregação por Concentrador: Quantidade de terminais que podem ser ligados a um único Access Point. Importante parâmetro de projeto, diretamente relacionado com os custos de instalação.

 Alcance Urbano e Rural (sem repetição): Alcance de um único Access Point, sem contar a possível repetição entre os terminais.

 QoS: Capacidade de separação e priorização dos dados de cada aplicação.

 Padrão Aberto X Padrão Proprietário: Este item visa definir se existe restrição de uso devido à proteção de propriedade intelectual/industrial.

 Capacidade de atualização “Over The Air”: Capacidade de atualização de software e firmware dos terminais com o mínimo de intervenção humana. Item importante, descrito pelo NIST e pelo IEEE como “upgradeability”.

 Grau de Maturidade da Tecnologia: Como a tecnologia base de cada padrão está posicionada no mercado.

 Mobilidade dos Terminais: Capacidade de rastreamento de um terminal na rede, importante funcionalidade para Gestão de Ativos.

 Georeferênciamento: Esta característica permite que os dispositivos terminais possam ser localizados e plotados em um mapa a partir das suas coordenadas geográficas de latitude e longitude, utilizando técnicas como Trilateração, Time Difference of Arrival (TDOA), entre outras técnicas.